DE2602158C3

DE2602158C3 -

Info

Publication number: DE2602158C3
Application number: DE2602158A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Inagi Ito; Yoshiaki Hachioji Kimura
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 1975-01-21
Filing date: 1976-01-21
Publication date: 1979-08-30
Also published as: CH600303A5; DE2602158A1; JPS604401B2; DE2602158B2; JPS5184267A; FR2298784A1; GB1546881A; US4072423A

Description

2 H₀ COS (-)

Die Erfindung betrifft ein Lichtinterferenzgerät zur Bestimmung der Ebenheit der Oberfläche eines dünnen, transparenten Materials gernäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für die Bestimmung der Ebenheit eines Materials wird seit langem ein Verfahren angewandt, welches die Lichtinterferenzerscheinung ausnutzt. Dieses Verfahren bietet die folgenden Vorteile:

a) Es kann eine Messung bzw. Bestimmung mit hoher Genauigkeit erzielt werden.

b) Die Meßgenauigkeit wird kaum durch atmosphärische Faktoren, wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit, beeinflußt.

c) Die Messung des Materials kann berührungsfrei durchgeführt werden.

d) Da die Messung in zwei Dimensionen durchgeführt wird, ist die für die Messung benötigte Zeit kürzer als bei anderen Meßverfahren.

Die von einem Lichtinterferenzgerät dieser Art erreichte Meßempfindlichkeit λ kann als Funktion eines Winkels Θ ausgedrückt werden, unter welchem ein Lichtstrahlenbündel aus der Interferenzbezugsfläche austritt, und sie läßt sich allgemein nach folgender Gleichung (I) ausdrucken (vgl. Fig. 1, in welcher a die Interferenzbezugsfläche, b eine Oberfläche des Mate-Darin bedeuten das Symbol λ die Wellenlänge des verwendeten Lichtstrahls und /7o den Brechungsindex eines zwischen der Interferenzbezugsfläche und der Materialoberfläche befindlichen Mediums; dieses Medium ist im allgemeinen Luft, so daß /J₀ gleich 1 ist

Bei den üblichen Lichtinterferenzgeräten handelt es sich um Geräte vom Fizeau-Zyp od. dgl, bei denen gilt θ = 0 und /Jd=I; diesen Geräten kann die höchste Meßempfindlichkeit zugesprochen werden. Wenn jedoch versucht wird, die Ebenheit eines durchsichtigen Materials, das vergleichsweise dünn ist und praktisch parallele Flächen aufweist, z. B. einer Glasscheibe oder -platte, mit Hilfe eines der üblichen Geräte, beispielsweise eines solchen vom Fizeau-Typ, zu messen, werden zwischen den beiden Seiten des durchsichtigen Materials ebenso Interferenzstreifen gebildet wie zwischen der Interferenzbezugsfläche und der Materialoberfläche. Die erstgenannten Interferenzstreifen stellen Rausch- oder Störsignale dar, welche die Messung erhebiich erschweren.

Aus der DE-OS 24 06 184 ist ein solches Lichtinterferenzgerät zur Prüfung der Ebenheit eines Gegenstandes bekannt, das eine Lichtquelle mit einem geringen räumlichen Kohärenzgrad und ein optisches Element mit einer Bezugsfläche, die parallel zu der zu untersuchenden Oberfläche ausgerichtet ist und dieser gegenüberliegt, aufweist. Außerdem weist das Gerät eine gegen die Bezugsfläche geneigte und vom kollimierten Licht der Lichtquelle beaufschlagte ebene Schrägfläche auf. Es ist ferner ein Schirm zum Sichtbarmachen der Interferenzen zwischen den an der Oberfläche des Materials und der Bezugsfläche reflektierten Meßlichtstrahlen vorgesehen.

In der DE-OS 19 20 928 isi ebenfalls eine solche Vorrichtung zur Oberflächenprüfung durch Interferenzmessung beschrieben, die eine Lichtquelle und ein optisches Element mit einer Interferenz-Bezugsfläche enthält. Die nahe der Interferenzfläche lokalisierten Interferenzstreifen werden mittels eines Projektionssystems auf eine Fläche projiziert. Dabei stellt die Netzhaut des Auges des Beobachters diese Fläche dar.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Lichtinterferenzgerät zu schaffen, mit dem Messungen mit hoher Meßempfindlichkeit und geringen Störsignalen auch bei der Bestimmung der Ebenheit eines vergleichsweise dünnen, durchsichtigen Materials mit praktisch parallelen Flächen durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem Lichtinterferenzgerät der genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine bereits erläuterte schematische Darstellung der bisher angewandten Lichtinterferenztechnik,

F i g. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Grundprinzips der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Strahlengangs bei einer Ausführungsform des Lichtinterferenzgeräts und

F i g. 4 eine schematische Darstellung eines Strahlengangs bei einer abgewandelten Ausführungsform des Lichtinterferenzgeräts.

Gemäß Fig.2 ist ein vergleichsweise dünnes durchsichtiges Material e mit der Dickt; di in einem Abstand d\ von einer Interferenzbezugsfläche f angeordnet, und ein Lichtstrahlenbündel mit einer Wellenlänge λ tritt unter einem Winkel θ aus der Bezugsfläche / aus. Die Bestimmung der Ebenheit erfolgt unter Ausnutzung der Lichtinterferenz zwischen der Fläche g des Materials, deren Ebenheit bestimmt werden soll, und der Bezugsfläche f; diese Erscheinung läßt sich als der Zustand bezeichnen, in welchem ein Lichtstrahlenbündel .4 ein anderes Bündel B an einem Punkt P in F i g. 2 überlagert

Der Abstand δ ab zwischen den Lichtstrahlenbündeln A und B läßt sich in diesem Fall durch Gleichung (II) ausdrücken:

ί)_ΛΒ = 2t/, · tan (-) - cos (-)'

1- ?- · sin² «, (II)

= Id_x ■ tan θ

worin n\ die Brechungszahl des die Bezugsfläche bildenden Materials bedeutet und Θ' den Einfallswinkel des Bündels A auf die Fläche f.

Die bei der Messung Störsignale darstellenden Interferenzstreifen, beispielsweise die durch die Fläche h, welche der Materialoberfläche, deren Ebenheit bestimmt werden soll, gegenüberliegt, und durch die Bezugsfläche f erzeugten, werden durch die Überlagerung des Lichtstrahlenbündels A mit einem Lichtstrahlenbündel C an einem Punkt Q gemäß Fig.2 veranschaulicht. Die Strecke zwischen den Lichtstrahlenbündeln A und C kann, ähnlich wie im Fall von Gleichung (II), durch folgende Gleichung (HI) ausgedrückt werden:

Λ ./■ = Λ j

2ί/, ·

-^ sin«

«2

=- · cos (·) ^θ (Uli

Vorausgesetzt, daß H = 0, so gilt dann

= <V„· = 0

(IV)

Im Fall von 9 = 0 treten nämlich die Interferenzstreifen auf, auch wenn eine Lichtquelle mit geringer räumlicher Kohärenz benutzt wird, doch ist dabei die Sichtbarkeit der zwischen der Bezugsfläche /und der zu messenden Materialoberfläche ^-erzeugten Interferenzstreifen, d. h. die Interferenz zwischen den Lichtstrahlenbündeln A und B, die gleiche wie bei den Interferenzstreifen, die zwischen der Interferenzfläche / und der Rückseite h des durchsichtigen Materials e erzeugt werden, d. h. die Interferenz zwischen den Lichtstrahlenbündeln A und C, wodurch die Messung unmöglich wird.

Infolgedessen muß ein Unterschied zwischen ö^eund 6ac vorhanden sein, weil nämlich nur dann die Sichtbarkeit der erstgenannten Interferenzstreifen von derjenigen der zuletzt genannten Interferenzstreifen abweicht. Dies ist darauf zurückzuführen, daß dafür gesorgt werden muß, daß 0^0, damit Öab* (Wergibt.

Diese Bedingung wirft jeuoch ein Problem auf. Wenn nämlich vorausgesetzt wird, daß θφΟ gilt und ein schräg einfallendes Lichtsirahlenbündei verwendet wird, wird die Meßempfindlichkeit bzw. -genauigkeit verschlechtert Mit den bisher angewandten Lichtinterferenzverfahren unter Verwendung schräg einfallenden Lichts konnte daher keine hohe Meßempfindlichkeii erzielt werden.

Für den Fall von θ Φ 0 läßt sich die Verschlechterung der Meßempfindlichkeit durch die folgende Tabelle belegen.

Tabelle


(Grad)
5
10
15
20
25
30
40
50
60 I
70 :
80 ;
Ii

1,0038
,0154
,0352
,0641
,1033
,1547
,3054
,5557
!,0000
.,9238
,7587

Dabei ist β ein anhand von Gleichung (V) ermittelter Wert, und Gleichung (!) kann somit unter Heranziehung von β s»¹«; Gleichung (VI) umgeschrieben werden.

cos (-)

(V)

Aus den obigen Ausführungen geht hervor, daß dann, wenn θ in einem Bereich von 0° <θ<30° gewählt wird, die Meßempfindlichkeit sich nur um 15% verschlechtert und auf einen so hohen Wert gehalten wird, wie er bei dem Lichtinterferenzverfahren, z. B. beim Fizeau-Verfahren, erreicht wird.

Im folgenden ist nunmehr die Beziehung zwischen der beim Lichtinterferenzgerät verwendeten Lichtquelle und dem Wert θ erläutert.

Wenn eine Lichtquelle mit hoher räumlicher Kohärenz, z. B. ein Laserstrahl verwendet wird, sind die Interferenzstreifen praktisch in jeder beliebigen Position deutlich sichtbar, sofern die Beziehung ΘφΟ gilt. Bei Verwendung einer solchen Lichtquelle mit einem hohen Grad räumlicher Kohärenz sind jedoch die Störsignale darstellenden Interferenzstreifen ebenfalls deutlich sichtbar.

Wird dagegen unter der Bedingung θ ^O eine Lichtquelle mit einem niedrigen räumlichen Kohärenzgrad benutzt, kann gewährleistet werden, daß nur die für die Messung erforderlichen, zwischen der Bezugsfläche und der Oberfläche des zu messenden Materials erzeugten Interferenzstreifen sehr deutlich sichtbar sind, während die anderen Stöi signale darstellenden Inirrferenzstreifen eine begrenzte Sichtbarkeit besitzen.

In diesem Fall ist jedoch der Bereich bzw. die Fläche, in welchem bzw. welcher die Interferenzstreifen zu

beobachten sind, nahe der Bezugsfläche lokalisiert. Dies bedeutet, daß die Inteiferenzstreifen nahe der Interferenzfläche lokalisiert sind. Infolgedessen sind die Interferenzstreifen in diesem Fall nicht sichtbar, sofern nicht die zu betrachtende Fläche in diese lokalisierte Position verlegt wird. Für die Praxis bedeutet dies, daß dann, wenn die Beobachtungsfläche an der Seite der Bezugsfläche liegt, das auf die Bezugsfläche einfallende Lichtstrahlenbündel behindert wird, und wenn sich die Beobachtungsfläche an der Seite der Meßfläche befindet, wird ein Austausch des zu messenden Materials unmöglich, so daß es unmöglich ist, die zu betrachtende Fläche in die vorgenannte Position zu verlegen.

Diese Schwierigkeit wird dadurch gelöst, daß das Abbild der Interferenzstreifen auf der Bezugsfläche unter Verwendung eines optischen Projektionssystems auf die zu betrachtende Fläche geworfen und ein Zwischenraum entsprechend dem von der Bezugsfläche eingenommenen Raum nahe der zu betrachtenden Fläche vorgesehen wird. Durch Verwendung des optischen Projektionssystems wird es möglich, die zu betrachtende Fläche in irgendeiner optimalen Position anzuordnen.

Bei der in F i g. 3 dargestellten Vorrichtung sind eine Laserstrahlquelle 1, ein Reflektor 2, ein Kondensor 3, eine umlaufende Diffusor- bzw. Streuplatte 4, die nahe des Brennpunktes des Kondensors 3 (Sammellinse) durch einen Motor 5 angetrieben wird, ein Reflektor 6 und eine Kollimatorlinse 7 zur Erzeugung eines parallelen Lichtstrahlenbündels vorgesehen. Das Gerät weist zu dem eine Lichtinterferenzeinrichtung 8 auf, deren eine Seite als Bezugsfläche 8a dient, während die andere Seite 8b unter einem vorbestimmten Winkel relativ zur Bezugsfläche 8a geneigt ist. Ein zu bestimmendes Material oder Werkstück 9 weist eine zu messende Fläche 9a und eine Rückseite 9b auf. Ein mit einem Spiegel zusammengebautes Linsensystem 10 mit einer Linse und einem Spiegel wirkt als optisches Projektionssystem. Eine mit einer kleinen Blendenöffnung 12 versehene Maske 11 ist in einer Position angeordnet, in welcher ein Bündel paralleler, aus der Lichtinterferenzeinrichtung 8 austretender Lichtstrahlen durch das Spiegel-Linsensystem 10 fokussiert wird. Eine Streuscheibe 13 wirkt als Betrachtungsfläche, und bei 14 ist eine Fresnellinse vorgesehen, die ein möglichst helles Bild auf der Streuscheibe ermöglicht.

Die Kollimatorlinse 7, die Bezugsfläche 8a, das Spiegel-Linsensystem 10 und die Streuscheibe 13 sind gemäß F i g. 3 derart relativ zueinander angeordnet, daß ein Winkel zwischen dem Strahlengang, über den eine Reihe von parallelen Lichtstrahlenbündeln auf die Schrägfläche Sb der Lichtinterferenzeinrichtung 8 fällt, und dem Strahlengang festgelegt wird, über den parallele Lichtstrahlen aus der Schrägfläche austreten. Dabei genügt der Winkel θ den oben genannten Bedingungen, und die Bezugsfläche 8a sowie die Streuscheibe 13 befinden sich in einer gemeinsamen Ebene.

Das von der Laserstrahlquelle 1 ausgestrahlte, einen hohen Grad räumlicher Kohärenz besitzende Licht wird durch den Reflektor 2 in den Kondensor 3 geworfen. Der durch den Kondensor 3 hindurchgehende Lichtstrahl wird gebündelt und erreicht dann die rotierende Streuplatte 4, durch welche der Strahl zur Bildung einer Sekundärlichtquelle gestreut wird.

Diese Sekundärlichtquelle dient als Lichtquelle, deren Raumkohärenz verschlechtert ist, und dieser Verschlechterungsgrad wird sowohl durch die Eigenschaften der rotierenden Diffusorplatte 4 als auch durch den Abstand zwischen dem Brennpunkt der Linse und der Diffusor- bzw. Streufläche bestimmt. Der aus der -, Sekundärlichtquelle austretende Lichtstrahl wird durch den Reflektor 6 in einer vorbestimmten Richtung reflektiert, durch die Kollimatorlinse 7 in ein paralleles Lichtstrahlenbündel umgewandelt und in die Lichtinterferenzeinrichtung 8 gerichtet. Dieser Lichtstrahl tritt

ίο aus der Bezugsfläche 8a unter einem Winkel θ aus, der, wie erwähnt, der Bedingung 0° < θ < 30° genügt.

Die von der Bezugsfläche 8a und von der Fläche 9a des zu messenden Materials reflektierten Lichtstrahlenbündel interferieren miteinander und fallen in das

ι ■-, Spiegel-Linsensystem iö ein, das als optisches Projektionssystem wirkt Das in das System 10 einfallende Lichtstrahlenbündel, das aus den Interferenzpunkten austretenden Lichtstrahlen besteht, wird erneut fokussiert, um durch die kleine Blendenöffnung 12 der Maske 11 hindurchzutreten und dann die durchlässige Streuscheibe 13 zu erreichen und auf dieser Interferenzstreifen zu bilden. Aufgrund der vorher angegebenen Bedingungen sind die auf der Streuscheibe 13 auftretenden Interferenzstreifen als deutliches Muster

2-, mit geringen Störeinflüssen sichtbar.

Als Lichtquelle kann auch eine Kombination aus einem Laser und einem Flüssigkristall benutzt werden, um eine Sekundärlichtquelle mit einem niedrigen räumlichen Kohärenzgrad zu erzielen. Wahlweise kann

jo auch eine Quecksilber-Lichtbogenlampe, eine monochromatische Lampe od. dgl. verwendet werden, die allgemein einen niedrigen räumlichen Kohärenzgrad besitzen.
Das optische Projektionssystem kann ein übliches, einen linearen Strahlengang bildendes Linsensystem oder ein solches mit einem Konkavspiegel sein.

Die zu betrachtende bzw. Beobachtungsfläche kann aus einem reflektierenden Schirm bestehen oder so angeordnet sein, daß eine elektronische Betrachtung

4(i mittels einer Bildröhre (Vidikon) möglich ist.

Gemäß Fig.4, in welcher den Teilen von Fig.3 entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind, kann die Kollimatorlinse als Linse für das optische Projektionssystem wirken.

4-, Abschließend ist die Beziehung zwischen der Schrägfläche Sb und der Maske 11 beschrieben.

Gemäß den F i g. 3 und 4 tritt das die Interferenzstreifen führende Lichtstrahlenbündel (Normallichtbündel) aus der Interferenzeinrichtung 8 aus, aus der zudem auch ein durch die Schrägfläche Sb reflektiertes Lichtstrahienbündel und ein zwischen der Schrägfiäche Sb und der Bezugsfläche 8a mehrfach reflektiertes Lichtstrahlenbündel austreten. Die von der Schrägfläche Sb reflektierten und zwischen dieser und der Bezugsfläche 8a mehrfach reflektierten Lichtstrahlen (Störlicht) verlaufen dabei jedoch aufgrund der Trapezform des optischen Meßgeräts gegenüber dem normalen Lichtstrahlenbündel in eine andere Richtung. Wenn daher das Normallichtbündel und die Störlichtstrahlen

bo durch das optische Projektionssystem fokussiert werden, wird das Störlicht auf eine andere Stelle projiziert als das Normallichtbündel.

Indem die Maske 11 mit der kleinen Blendenöffnung 12 so angeordnet wird, daß nur das Normallichtbündel durch diese Blendenöffnung hindurchtreten kann, wird das Störlicht ausgeschaltet Auf diese Weise werden deutliche Interferenzstreifen auf die Streuscheibe 13 projiziert

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtinterferenzgerät zur Bestimmung der Ebenheit der Oberfläche eines dünnen transparen- > ten Materials mit einer Lichtquelle von geringer räumlicher Kohärenz, einem optischen Element, das eine der zu untersuchenden Oberfläche gegenüberliegende und parallel zu dieser ausgerichtete Bezugsfläche sowie eine gegen die Bezugsfläche i<> geneigte und vom kollimierten Licht der Lichtquelle beaufschlagte ebene Schrägfläche aufweist, und mit einem Schirm zur Sichtbarmachung der Interferenzen zwischen den an der Oberfläche des Materials und der Bezugsfläche reflektierten Meßlichtstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägfläche (Sb) derart im Strahlengang des einfallenden kollimierten Lichts angeordnet und derart gegen die Bezugsfläche (8a; geneigt ist, daß die Meßlichtstrahlen unter einem Winkel zum einfallenden Licht und 2« in einer anderen Richtung als die von einer mehrfachen Reflexion an der Schräg- und der Bezugsfläche (Sb bzw. Sa) herrührenden Störlichtstrahlen aus der Schrägfläche (Sb) austreten, und daß zwischen der Schrägfläche (Sb) und dem Beobach- 2> tungsschirm (13,14) eine Blende (11) und eine Linse (10) zur Fokussierung des Meßlichts auf die Blendenöffnung (12) angeordnet sind.

2. Lichtinterferenzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägfläche (Sb) derart im κι Strahlengang des einfallenden kollimierten Lichts angeordnet und derart gegen die Bezugsfläche (Sa) geneigt ist, daß der aus der Bezugsfläche (Sa) austretende Anteil des einfallenden Lichts einen Austrittswinkel (G) im Bereich zwischen 0° und 30° r> aufweist.

rials, dessen Ebenheit bestimmt werden soll, und c das Lichtstrahlenbündel bedeuten):