DE2701858A1

DE2701858A1 - Messverfahren und -vorrichtung fuer abstandsaenderungen

Info

Publication number: DE2701858A1
Application number: DE19772701858
Authority: DE
Inventors: John David Redman; Michael Richard Wall
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1976-01-19
Filing date: 1977-01-18
Publication date: 1977-07-21
Also published as: GB1521351A

Description

BEETZ-LAMPRECHT-BEETZ * PATENTANWÄLTE

80OO MUnchen 22 - Stelnsdorfstr. 10 .„.,-.- Dipl.-mg. r. Beetz «en.

TELEFON (Ο8Θ) 22 72 OI - 227244 - 2ΘΒ91Ο ^ /Ul OüO Dipl.-Ing. K. LAMPRECHT Telex B22O48-Telegramm Allpatent MUnchen Dr.-lng. R. BEETZ Jr. Dlpl.-Phys. U. HEIDRICH Dr.-Ing. W. TIMPE

293-26.^45P 18. 1. 1977

National Research Development Corporation, LONDON (Großörit.)

Meßverfahren und -vorrichtung für Abstandsänderungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Abstandsänderungen gegenüber einer Fläche, insbesondere zur Bestimmung von Flächenprofilen oder -konturen, wobei sie auch zum Messen von Flächenverschiebungen verwendbar sind.

Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung für Profilmessungen, bei denen die Flächen vergleichbar mit der oder größer als die Wellenlänge sichtbaren Lichts ist, wie bei

293-(JX/^J*9O8/O4)-MaSl

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(spanabhebend) bearbeiteten Flächen. Mit spiegelartig reflektierenden Flächen können derartige Messungen einfach durch Verwendung eines herkömmlichen Michelson-Interferometers durchgeführt werden, jedoch bei nicht spiegelartigen Flächen ist es schwierig oder unmöglich, die Streifen zu zählen, wenn die Fläche lateral oder seitlich gegenüber dem Lichtstrahl des Interferometers bewegt wird, wobei zwar Strafen infolge von Änderungen durch Verschiebung gezählt werden können, jedoch nicht bei Änderungen des Profils.

Die Verwendung projizierter Interfeienz-Streifen, die durch zwei Strahlen ebener Wellen erzeugt sind, die einer Objekt-Fläche folgen bzw. diese abtasten, wurde bereits von Rowe und Welford angegeben (vgl. Nature, Bd. 216, S. 786, und Optica Acta, Bd. 16, S. 371). Eine Anordnung von so erzeugten Licht-Schichten beleuchtet ein Objekt-Volumen und ein heller Streifen tritt jedesmal auf, wenn die Objekt-Fläche eine dieser Schichten schneidet. Die Streifen sind so zur Erzeugung einer Höhenschichtlinien-Tafel des Objekts verwendbar.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Meßverfahren und eine Meßvorrichtung anzugeben, die dieses interferone trische Prinzip verwenden, bei denen jedoch höhere Empfindlichkeit möglich ist und eine automatische Ausgabe oder Ablesung der gemessenen Kontur möglich ist, wobei sie auch für rauhe Flächen verwendbar sind.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Messen von Abstandsänderungen gegenüber einer Fläche erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Anordnung projizierter, beabstandeter, die Fläche schneidender Licht-Schichten erzeugt wird, daß die so geschnittene Fläche auf einem fotoelektrischen Detektor abgebildet wird, dessen Querschnittsabmessung bezüglich des Abstandsder abgebildeten Schicht am Detektor

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so ist, daß eine Änderung des Detektor-Ausgangssignals erzeugt wird, wenn die abgebildeten Schichten gegenüber oder bezüglich dem Detektor bewegt werden, daß die die Fläche schneidenden Schichten seitlich oder lateral und zyklisch über die Fläche verschoben werden, wodurch das Detektor-Ausgangssignal eine Sinus-Komponente enthält, deren Phase vom Abstand zur abgebildeten Fläche abhängt, und daß die Phasenänderung der Sinus-Komponente verwendet wird, um, wenn sich und wie sich der Abstand gegenüber der abgebildeten Fläche ändert, die Abstandsänderung anzuzeigen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren zur Messung von Abstandsänderungen gegenüber einer Fläche erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß mittels zweier sich gegenseitig schneidender, kohärenter Lichtstrahlen projizierte Interferenz-Streifen mit Licht-Schichten erzeugt werden, die die Fläche schneiden, daß die sich schneidenden Streifen auf einem fotoelektrischen Detektor abgebildet werden, dessen empfindliche Querschnittsabmessung bezüglich des Streifen-Abstands am Detektor so ist, daß eine Änderung des Detektor-Ausgangssignals erzeugt wird, wenn die Streifen gegenüber dem Detektor bewegt werden, daß die Phase mindestens eines Lichtstrahls moduliert wird, um die Streifen seitlich und zyklisch über die Fläche zu verschieben, wodurch das Detektor-Ausgangssignal eine Sinus-Komponente enthält, deren Phase vom Abstand zur abgebildeten Fläche abhängt, und daß die Phasenänderung der Sinus-Komponente verwendet wird, um, wenn sich und wie sich der Abstand gegenüber der abgebildeten Fläche ändert, die Abstandsänderung anzuzeigen.

Vorzugsweise enthalten die projizierten Interferenz-Streifen im wesentlichen parallele und gleich beabstandete

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Licht-Schichten.

Zweckmäßigerweise wird zum Modulieren ein Sägezahnsignal verwendet und beträgt die empfindliche Querschnittsabmessung des Detektors annäherend die Hälfte des abgebildeten Streifen-Abstands oder ist ein Mehrfaches dieser Abmessung annähernd die Hälfte des abgebildeten Streifen-Abstands, die um den abgebildeten Streifen-Abstand beabstandet sind.

Vorzugsweise werden die Streifen um annähernd eine ganzzahlige Anzahl von Streifen-Abständen verschoben, zweckmäßigerweise um einen Streifen-Abstand, wobei dann die Sinus-Komponente die Kreisfrequenz besitzt.

Die Phasen sowohl eines als auch beider Lichtstrahlen können moduliert werden, wobei im letzteren Fall eine Kreisfrequenz erhalten werden kann, die die Differenz der beiden Modulationsfrequenzen ist.

Bei der Durchführung des Verfahrens werden die interessierende Fläche und die projezierten Licht-Schichten relativ zueinander bewegt (zusätzlich zur genannten zyklischen Bewegung), um einerseits unterschiedliche Teile der Fläche am Detektor abzubilden (z. B. zur Messung des Profils) oder andererseits, um den gleichen Teil bei unterschiedlichem Abstand vom Detektor zu belichten (z. B. zur Messung der Verschiebung), wobei die Phasenänderung, die sich aus dieser Bewegung ergibt, ein Maß für die Abstandsänderung gegenüber dem Detektor ist.

Zur Messung von Abstandsänderungen, die die Tiefenschärfe oder Brennpunktsweite des Detektors überschreiten,

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können der Detektor und/oder zugehörige Fokussierglieder gegenüber der Fläche zum Refokussieren oder Wiederfokussie· ren der Streifen axiajjbewegt werden, wobei die Messung der Fläche während dieser Axialbewegung unterbrochen wird.

Die projizierten Streifen können relativ geringe Breite oder Tiefe gegenüber den interessierenden Abstandsänderungen besitzen und können simultan zur Refokussier-Bewegung des Detektors so bewegt werden, daß die Streifen ständig einen Bereich um den Brennpunkt des Detektors beleuchten, wobei der Betrag oder die Größe dieser Bewegung aufgezeichnet wird und mit dem zwischen den Refokussier-Bewegungen gemessenen Abstandsänderungen kombiniert wird.

Die Größe der Refokussier-Bewegung kann durch Verwendung der Phasenänderung der Sinus-Komponente,, wie erwähnt^ während der Bewegung aufgezeichnet werden. In gleicher Weise kann die Refokussier-Bewegung auch durch ein getrenntes Meßverfahren höherer Genauigkeit, beispielsweise mittels üblicher Interferometrie, gemessen werden.

Durch die Erfindung wird auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.

Die Erfindung ist insbesondere anwendbar für die Profilmessung bei nicht spiegelnden Flächen. Die interessierende Fläche wird von projizierten Interferenz-Streifen geschnitten, die durch zwei sich schneidende kohärente Lichtstrahlen erzeugt sind. Die geschnittenen Streifen werden an einem fotoelektrischen Detektor abgebildet, der eine empfindliche Querschnittsfläche bezüglich des Streifen-Abstandsbesitzt, zweckmäßigerweise entsprechend dem halben Streifen-Abstand, derart, daß eine Ausgangssignal -Änderung erzeugt wird, wenn die Streifen sich bezüglich des Detektors bewegen. Die Phase mindestens

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eines Strahls wird moduliert, um die Streifen seitlich und zyklisch über die Fläche zu verschieben, wodurch das Detektor-Ausgangssignal eine Sinus-Komponente erhält, deren Phase vom Abstand gegenüber der belichteten oder bestrahlten Fläche abhängt. Die Phasenänderung dieser Sinus-Komponente wird, wenn und wie sich der Abstand der Fläche ändert, zur Anzeige der Abstandsänderung verwendet.

Zur Messung von Abstandsänderungen, die größer als die Tiefenschärfe des Detektors ist, wird so vorgegangen, daß nach einer derartigen Änderung der Detektor in Axialrichtung in eine refokussierte oder wiederfokussierte Lage bewegt wird. Die projizierten Streifen können simultan bewegt werden, wodurch flachere, hellere Streifen verwendbar sind, wobei in diesem Fall die Größe der Fokussier-Bewegungen mit den Messungen zwischen den Refokussier-Bewegungen kombiniert wird.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Strahlenverlauf sowie ein

Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung bei der Bestimmung eines Flächenprofils,

Fig. 2 vergrößert einen Ausschnitt aus Fig. 1,

Fig. 3 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Objekt-Fläche 1 auf einem Tragglied 2 befestigt, das in Richtung des Pfeils 3 hin- und herbewegbar ist. Die Fläche 1, deren Profil zu überprüfen 709829/0961

ist, wird von einem zusanunengesetzten Lichtstrahl ¹J belichtet oder beleuchtet, dessen Aufbau weiter unten erläutert wird. Zur einfacheren Erläuterung zeigt Fig. 1 eine prinzipiell ebene Fläche 1, die sich in Richtung der Ebene des Pfeils 3 erstreckt, jedoch eine rampenförmige Abweichung I¹ besitzt, deren Profil zu erfassen bzw. zu überprüfen ist. Bei praktischen Anwendungen kann die Fläche 1, deren Profil zu messen ist, gekrümmt oder irregulär sein anstatt eben, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel.

Der Lichtstrahl 4 wird von einem CW-Laser 5 (Dauerstrich-Laser), zweckmäßigerweise einem HeNe-Laser, abgeleitet, dessen Ausgangs-Strahl auf einen Strahl-Teiler 6 auftrifft. Ein Teil dieses Strahls wird zu einem Spiegel 7 reflektiert und wieder zurück durch den Strahl-Teiler 6 zu einer Linse δ reflektiert. Der nicht reflektierte Teil des Strahls tritt durch eine Pockels-Zelle 9 zu einem Spiegel 10 und wieder zurück durch die Zelle 9 zum Strahl-Teiler 6, von wo er ebenfalls zur Linse δ reflektiert wird.

Die Spiegel 7 und 10 sind nicht genau rechtwinklig zueinander. Die beiden gegenseitig kohärenten Lichtstrahlen, die zur Linse δ wandern, sind daher nicht parallel zueinander, sondern gegeneinander unter einem kleinen Winkel geneigt. Sie erzeugen daher projizierte Interferenz-Streifen, wie das in den oben genannten Druckschriften erläutert ist. Diese Streifen bilden in ihrer Wirkung parallele Licht-Schichten senkrecht zur Ebene der Fig.l, die sich in der Richtung der Mittellinie des Winkels zwischen den Strahlen erstrecken. Die Schichten sind um einen Abstand \ /(2 sin Θ) beabstandet, mit X = Wellenlänge des Lichts und θ = Winkel zwischen jedem Strahl und der Mittel-

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linie bzw. Winkelhalbierenden.

Die Linse 8 bildet mit einer Linse 11 eine Art Teleskop, damit ein größerer Flächenbereich der Objekt-Fläche durch die projizierten Streifen, die den Strahl 4 bilden, beleuchtet wird, jedoch ist die Verwendung eines derartigen Teleskops nicht notwendig (der oben genannte Winkel θ ist der Winkel zwischen der Mittellinie und jedem die Linse 11 verlassenden Strahl).

Die Objekt-Fläche wird über eine Linse 12 auf die Oberfläche eines fotoelektrischen Detektors 13 abgebildet, dessen empfindlicher Bereich oder dessen empfindliche Fläche einen Durchmesser besitzt, der annähernd die Hälfte des abgebildeten Streifen-Abstands ist und der z. B. eine PIN-Fotodiode ist, beispielsweise der Typ SGD O¹IO A der Firma EG & G mit einem empfindlichen Durchmesser von 1,02 mn. Der Detektor 13 kann auf diese Weise zwischen benachbarten Streifen diskriminieren.

In Fig. 2 sind die Schichten des Lichtstrahls 4 als die Objekt-Fläche 1 unter einem Winkel von 45,5° schneidend dargestellt, wobei die Fläche der rampenförmigen Abweichung 1* um einen Winkel von 22,5 gegen die Objekt-Fläche 1 und die Bewegungsrichtung (Pfeil 3) geneigt ist. Die Bewegungsrichtung ist senkrecht zur Blickrichtung (der Richtung zum Detektor 13)»und der Winkel zwischen den Schichten und der Blickrichtung zum Detektor 13 beträgt 44»5°· Wenn der (nicht dargestellte) Winkel 2Θ zwischen den beiden sich gegenseitig beeinflussenden Strahlen derart ist, daß der Streifen-Abstand,wie dargestellt, 1 mm beträgt, ergibt sich, daß eine Bewegung der Fläche 1 in Richtung des Pfeils 3 derart, daß der am Detektor 13 ab-

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gebildete Flächenbereich einen Belichtungszyklus durchführt, einer Abstandsänderung gegenüber dem Detektor 13 von, wie dargestellt, 1,^3 nun entspricht.

Selbstverständlich sind diese Maßangaben lediglich zur Darstellung der geometrischen Beziehungen des Systems angegeben und ist das Verfahren nicht auf diese oder ähnliche Werte begrenzt. Jedoch sollte ein wesentlicher Winkel zwischen der Richtung der Licht-Schichten und der Blickrichtung wegen einer gewünschten hohen Empfindlichkeit vorgesehen sein (M,5 im Ausführungsbeispiel), wobei die Empfindlichkeit Null beträgt, wenn diese beiden zueinander parallel sind. Eine Blickrichtung senkrecht zur Fläche 1, wie das dargestellt ist, reicht häufig aus für eine einfache Nessung.

Gemäß Fig. 1 führt ein elektronischer Signalgenerator 14 ein Sägezahnsignal (häufig auch Rampen-Signal genannt) der Pockels-Zelle 9 zu. Dieses Signal moduliert die Phase des durch die Pockels-Zelle 9 tretenden Lichtstrahls, wodurch die auf die Fläche 1 projizierten Streifen ständig und linear über die Fläche 1 um einen Streifen-Abstand während jedes Anstiegsteils des Signals verschoben werden und schnell zurückgesetzt werden am Ende jedes derartigen Anstiegsteils, um die Verschiebung von neuem durchzuführen. Die Amplitude des angelegten Signals wird so eingestellt, daß die Verschiebung mindestens annäherend ein Streifen-Abstand ist, jedoch ist das genaue Maß der Verschiebung nicht kritisch, ebensowenig wie die Linearität der Neigung oder Flanke und die Geschwindigkeit des Rückkehr- oder Rücksetz-Teils. Zweckmäßigerweise beträgt die Frequenz des Sägezahnsignals etwa 10 kHz, jedoch sind auch Frequenzen bis herab zu 70 Hz verwendbar. Auch andere die Phasen ändernden Vorrichtungen können verwendet werden, und es sind auch andere Modulierende Signalverlaufe möglich.

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/r

Bei dem die Phaseninformation erreichenden elektronischen Verfahren, das im folgenden Absatz erläutert wird, müssen jedoch die Streifen vorzugsweise in einer Richtung bewegt werden und nicht lediglich hin- und herschwingen. Deshalb sollte bei dem Sägezahnsignal die Abfallflanke bzw. die Abfallzeit kurz bezüglich der Anstiegsflanke bzw. der Anstiegszeit sein (und darf dabei nicht mit der halben Anstiegszeit vergleichbar sein).

Unter diesen Bedingungen besitzt das Ausgangssignal des Detektors 13 eine wesentliche Komponente der Form cos ((Mt - 0), mit <*> = das 2if-fache der Frequenz des Modulationssignals und 0 = Phasenwinkel, dessen Wert vom Abstand von der Fläche 1 zum Detektor 13 abhängt. Nach Durchtritt durch einen Amplitudenbegrenzer 15 wird dieses Ausgangssignal elektronischen Multiplizierern 16 und 17 zugeführt, in denen es mit Sinus-Bezugssignalen cos uit bzw. sin CJt multipliziert wird, die durch den Signalgenerator 1*4 synchron zu dem der Pockels-Zelle 9 zugeführten Sägezahnsignal erzeugt worden sind. Das Ausgangssignal jedes Multiplizierers 16, 17 wird einem Tiefpaß-Filter bzw. 19 zugeführt, um daraus Signale der Form cos 0 und sin 0 abzuleiten. Die letzteren Signale werden zwei Eingängen eines Zweirichtungszählers 20 zugeführt.

Wenn die Fläche I¹ stationär bezüglich des Detektors bleibt, bleibt auch der Wert des Winkels 0 auf einem stetigen Gleichstrom- bzw. Gleichspannungs-Wert. Wenn jedoch das Tragglied 2 in Richtung des Pfeils 3 bewegt wird, ändert sich der Wert des Winkels 0 in dem Maße, wie sich der Bereich des Detektors 13 ändert und aufeinanderfolgende oder fortlaufende Streifen werden am Detektor 13 abgebildet, wobei, wenn z. B. die Bewegung in Richtung des Pfeils 3

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konstante Geschwindigkeit besitzt, cos 0 und sin 0 sich zeitlich ändernde Sinusfunktionen werden, deren Frequenz von der Geschwindigkeit abhängt. Wenn der Zweirichtungszähler 20 jedesmal zählt, wenn diese Funktionen eine Nullstelle haben, d. h. jedesmal, wenn der Phasenwinkel 0 sich um >i /2 ändert, entspricht jeder Zählschritt einer Abstandsänderung bezüglich des Detektorsl_5 von 1,4^ mm/4, d. h. von annähernd 0,^6 mm. Die Richtung der Änderung wird in üblicher Weise dadurch angezeigt, ob der Zählerstand zunimmt oder abnimmt. Selbstverständlich sind die genannten Zahlen lediglich Beispiele zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips. Durch Vergrößern des Winkels zur Erzeugung eines Streifen-Abstands von 25 /Um (statt von 1 mm), wie bei dem eingangs genannten bekannten Verfahren, und mit handelsüblichen Lasern, Detektoren usw., kann der Abstand zur Fläche 1 mit einer Genauigkeit von mindestens + 2,5 /um gemessen werden.

Die Erfindung ist nicht auf die erläuterte Anordnung beschränkt, die die Phaseninformation 0, die im Ausgalifessignal des Detektors 13 enthalten ist, als Maß für den Abstand gegenüber der Fläche 1 verwendet. Auch andere übliche Vorrichtungen bei der interferometrischen Messung oder bei der elektronischen Phasenmessung können verwendet werden. Außerdem müssen auch die Licht-Schichten nicht wie erläutert durch das von Rowe und Viel ford angegebene Zweistrahlen-Interferenz-Verfahren erzeugt werden.

Anstelle einer Bewegung der Objekt-Fläche seitlich gegenüber einem ortsfesten Detektor zur Prüfung des Flächenprofils, wie erläutert, kann der Detektor I^ und das beleuchtende oder belichtende System seitlich bezüglich der Fläche bewegt werden. Jedoch ist die erstere Anordnung üblicherweise leichter handhabbar. Eine sphärische

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if

oder zylindrische Fläche kann um ihre Achse gedreht werden.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 ist solange zufriedenstellend als die Abstandsänderungen der Fläche 1 gegenüber dem Detektor IjJ nicht die Tiefenschärfe oder Brennpunkts-Breite der am Detektor abgebildeten Streifen überschreitet. Für ein System zur Messung von etwa 1 ,um kann die zulässige änderung aus diesem Grund etwa 2^0 /Um betragen, bevor eine Defokussierung des Bildes (ein Unscharfwerden der Streifen) das Detektor-Aucgangssignal auf einen unerwünschten Pegel herabsetzt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist die Schwierigkeit dadurch überwunden, daß der Detektor an der Fläche refokussiert oder wiederfokussiert wird, wenn die Abstandsänderung zu groß wird, wodurch die Gesamtvorrichtung einen größeren Meßbereich bekommt.

Für entsprechende Teile sind in Fig. j5 die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Es ist auch eine andere Anordnung zur Erzeugung der Streifen dargestellt mit einem Laser 5, dessen Ausgangssignal durch einen Strahl-Teiler 21 in zwei Teile geteilt wird. Ein erster Teil wird durch einen Spiegel 22 und einen Strahl-Vereiniger 23 auf die Fläche 1 reflektiert. Der andere Teil wird von einem Spiegel 24 reflektiert, der auf einem piezoelektrischen Schwinger 25 in herkömmlicher Weise zum Phasenmodulieren befestigt ist, und wird danach mit dem ersten Teil vereinigt oder zusammengeführt, um Licht-Schichten parallel zur Mittellinie des Winkels oder Winkelhalbierenden zwischen den beiden Teilen, wie in Fig. 1, zu erzeugen.

Die Detektor-Anordnung enthält einen Wagen 26, auf dem eine Fotovervielfacherröhre 27 befestigt ist, der ein enger Schlitz 28 vorgestellt ist, dessen Breite an-

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nähernd die Hälfte des von der Linse 12 abgebildeten Streifen-Abstands ist, wobei der Schlitz 28 parallel zu dem abgebildeten Streifen ist. Der Linse 12 ist eine herkömmliche Blende 29 vorgestellt. Die Fotovervielfacherröhre 27 und der Schlitz 28 bilden einen anderen, ebenso wie die PIN-Diode gemäß Fig. 1 verwendbaren Detektor. Der Wagen 26 ist in Achsrichtung der Linse 12 bewegbar, wie durch den Pfeil 30 dargestellt, mittels eines mit einem ortsfesten Führungs-Gewinde 32 zusammenwirkenden Motors 3I, wobei selbstverständlich auch jede andere Einrichtung für eine genaue steuerbare lineare Bewegung verwendet werden kann. Der Motor 3I wird durch eine Einheit 33 gesteuert bzw. geregelt, die ein Eingangssignal vom Zweirichtungszähler 20 erhält.

Im Betrieb wird der Wagen 26 so eingestellt, daß die Streifen auf der Fläche 1 im Brennpunkt am Schlitz abgebildet werden,und daß zur Messung des Profils die Fläche 1 dann in seitlicher Richtung gemäß dem Pfeil 3 wie in Fig. 1 bewegt wird. Wenn der Abstand zur Fläche sich um mehr als die vorgegebene Tiefenschärfe oder Brennpunktsbreite ändert, ausgedrückt durch die Anzahl der gezählten Streifen, wird die Bewegung der Fläche 1 unterbrochen und wird der Wagen 26 über die Einheit um einen vorgegebenen Abstand in geeigneter Richtung so lange bewegt, bis die Brennpunkts-Bedingung wieder hergestellt ist. Der vor der Refokussierung erhaltene Zählerstand bleibt unverändert während der Refokussier-Bewegung. Nach der Refokussierung wird die seitliche oder laterale Bewegung der Fläche 1 wieder begonnen und der Zähler 20 fährt fort, die gezählten Streifen aufzuzeichnen, beginnend dort, wo er zuvor aufgehört hatte. Wenn sich der Abstand der Fläche 1 wieder um mehr als der Brennpunktsbereich ändert, wird der Refokussier-Betriebsschritt wiederholt. Anstatt den Wagen 26 ab-

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hängig von einer vorgegebenen Zählerstondsänderung zu bewegen, kann er auch um eine vorgegebene Größe bewegt werden, abhängig von einem geringsten Detektor-Ausgangssignal-Pegel, der einemvorgegeben Maß der Defokussierung entspricht. Der Wagen 26 kann auch statt durch einen Motor 51.von Hand bewegt werden.

Bei einer Weiterbildung des Ausführun^sbeispiels gemäß Fig. 3 wird entweder nur die Linse 20 oder nur der Schlitz 28 mit der Fotovervielfacherröhre 27 zur Refokussierung bewegt. Diese einfachere Anordnung kann ausreichen, um geringe Abstandsbereiche zu messen, reicht jedoch nicht aus für Größebereiche, in denen sie beispielsweise eine unerwünscht große änderung des Streifen-Maßstabs beim Abbilden erzeugen kann.

Die Anordnung gemäß Fig. 5 genügt solange, solange die Abstandsänderung gegenüber der Fläche 1 nicht die verwendbare Breite der Streifen überschreitet, die durch die konvergierenden Strahlen erzeugt sind. Wenn beispielsweise ein Abstandsbereich von 2,5 cm Tiefe erfaßt werden soll, müssen Strahlen erheblicher Breite verwendet werden, was lichtverschwenderisch ist. Um weiter innerhalb der 2,5 cm auf z. B. +_ 1 /um genau zu messen, sollten die Streifen vorzugsweise innerhalb dieser Tiefe nicht gestört oder gekrümmt werden, was schwierig zu erreichen ist. Sonst müssen Korrektur-oder Kalibrier-Faktoren verwendet werden.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem lediglich Streifen relativ geringer Tiefe bzw. Breite vorgesehen werden müssen, wodurch schmalere Strahlen verwendbar sind, wodurch wiederum hellere Streifen

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erzeugbar sind. In Fig. 4, bei der wieder die gleichen Bezugszahlen für gleiche Bauteile verwendet sind, ist die Detektoranordnung ähnlich der gemäß Fig. 3 und diese wieder auf einem in ähnlicher Weise bewegbaren Wagen befestigt. An dem Wagen 26 sind weiter zwei Spiegel 3^> befestigt, die jeweils zwei Teile des Strahls vom Laser erhalten. Der Spiegel 34 empfängt einen Teil vom Strahl-Teiler 36. Der Spiegel 35 empfängt den anderen Teil vom Strahl-Teiler 36 über einen Spiegel 37 und die Pockels-Zelle 9. Die Strahlen von den Spiegel 34 und 35 konvergieren an einem Punkt längs der Achse der Linse 12, die mit dem Schlitz 28 in Brennpunktsbeziehung steht und dort projizierte Streifen erzeugt. Bei dieser Anordnung werden, wenn der Wagen 26 sich zur Aufrechterhaltung der Streifen im Brennpunkt am Schlitz 28 bewegt, wie anhand Fig. 3 erläutert, die Spiegel 3^ und 35 mitbewegt, wodurch sichergestellt ist, daß die Streifen ständig einen Bereich um den Brennpunkt des Detektors beleuchten, wodurch Streifen relativ geringer Breite (d. h. relativ schmale Strahlen) verwendbar sind.

Zunächst sei die innerhalb der Strichlinie 38 dargestellte Einrichtung nicht betrachtet. Da sich die projizierten Streifen nun relativ zur Fläche 1 bewegen, wenn sich der Wagen 26 zwecks Refokussierung bewegt, können die aufeinanderfolgenden Refokussier-Lagen des Wagens 26 nicht mehr mit Bezug auf die Streifenzählung festgelegt werden, weshalb der einzige Zähler 20 in Fig. 3 nicht mehr ausreicht. Ein Zusatzzähler 39 wird nun zum Summieren der Zählerstände während aufeinanderfolgender Refokussier-Bewegungen erforderlich.

Z. B. wird In Fig. 4 ein Punkt a auf der Fläche anfangs am Schlitz 28 abgebildet, wobei dann die beiden Aüfzeichnungsgeräte der Zähler anzeigen für

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den Zähler 20 0 den Zähler 39 0.

Nun wird die Fläche 1 in Richtung des Pfeils 3 solange bewegt, bis ein Punkt b am Schlitz 28 abgebildet wird, wobei angenommen sei, daß dies die maximale Abstandsänderung sei, die durch die Tiefenschärfe des optischen Systems des Detektors zugelassen wird, nun sollen die Zähler den folgenden Zählerstand haben:

Zähler 20 N Zähler 39 0.

Zum Refokussieren wird der Wagen 26 zur Fläche 1 bewegt, wobei die Streifen-Zählungen bei der Bewegung vom Zählerstand des Zählers 20 abgezogen wird, bis dort 0 abgelesen wird oder ein ähnlicher Wert, wobei es auf den genauen Wert nicht ankommt, und wird der abgezogene Zählerstand nun dem Zählerstand des Zählers 39 zugefügt, so daß nun abzulesen ist für

den Zähler 20 0 den Zähler 39 N.

Die Messung wird nun weitergeführt durch Bewegen der Fläche 1 zum Punkt c, wo dann die Zähler folgenden Zählerstand besitzen:

Zähler 20 N Zähler 39 N.

Hier wird nun ein neuerliches Refokussieren erforderlich, wonach die Zählerstände betragen:

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Zähler 20 O
Zähler 39 2N.

Diese Verfahrensschritte werden nun wiederholt. Der Abstand zu jedem Punkt auf der Fläche 1 ist gegeben durch den Momentanwert des Zählerstands im Zähler 20 zuzüglich dem summierten Zählerstand im Zähler 39. Das Verfahren ist etwa vergleichbar mit dem, daß eine lange Strecke mittels eines relativ kurzen kalibrierten Maßstabs meßbar ist durch ausreichend oftes Bewegen des Maßstabs um seine Eigenlänge, um annähernd den langen Abstand zu vervollständigen^und um dann den Teil seiner Eigenlänge hinzuzufügen, der den langen Abstand vervollständigt. Der Zähler 39 zeichnet die Anzahl der Bewegungen multipliziert um die Maßstabs-Eigenlänge auf und der Zähler 20 zeichnet den Teil seiner Eigenlänge auf, der den Abstand vervollständigt.

Bei der wie oben beschriebenen erfindungsgemäßen Einrichtung hängt die Genauigkeit der Endmessung von der Genauigkeit ab, mit der der Streifen-Abstand bekannt ist. Es liegt jedoch in der Eigenart der projizierten Streifen, die durch konvergierende Strahlen erzeugt sind, daß dieser Abstand nicht mit großer Genauigkeit bekannt sein kann; nicht mit der Genauigkeit, mit der der Streifen-Abstand bei einem herkömmlichen Michelson-Interferometer beispielsweise erhältlich ist, bei dem die Genauigkeit nur von der Lichtwellenlänge abhängt, wobei diese genau bekannt ist. Eine geringe Ungenauigkeit bei dem projizierten Streifen-Abstand ist bezüglich des Zählerstands des Zählers 20 nicht wichtig, hat jedoch einen Kumulativeffekt für den Zählerstand des Zählers 39 (entsprechend einem kleinen Fehler der Eigenlänge des erwähnten Maßstabs), was zu einem vergleichsweise großen Fehler füh-

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ren kann, wenn die beiden Zählerstände addiert werden.

Diese Ungenauigkeit kann dadurch vermieden werden, daß eine getrennte hochgenaue Meßeinrichtung verwendet wird, um die Refokussier-Bewegungen des Wagens 20 zu messen und aufzuzeichnen. Eine derartige Meßeinrichtung ist innerhalb der Strichlinie 38 in Fig. 4 dargestellt. Es handelt sich hier um ein herkömmliches Michelson-Interferometer mit einem spiegelnden Reflektor 40, der auf dem Wagen 26 befestigt ist, einem Laser 4l, einem Strahl-Teiler 42, einem ortsfesten spiegelnden Reflektor 4j und einem Detektor 44, der Streifen bei Bewegen des Wagens 26 in üblicher Weise zählt. Dieser Zählerstand wird dem Zähler 39 während der Refokussier-Bewegungen zugeführt anstelle der Zählung projizierter Streifen. Der Abstand zu jedem Punkt der Fläche 1 ist nun durch die Summe des Zählerstands der Interferometer-Streifen im Zähler 39 und dem Zählerstand der projlzierten Streifen im Zähler 20 gegeben.

Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen wird vom Detektor nur ein einzelner Halb-Streifen erfaßt, entweder durch den empfindlichen Bereich der Fotodiode gemäß Fig. 1 oder durch einen einzelnen Schlitz gemäß Fig· 3i ^· Um ein größeres Signal zu erhalten, können mehrere parallele Schlitze verwendet werden, deren Staffelung dem Abstand der abgebildeten Streifen angepaßt ist, wodurch mehr Licht den Detektor erreichen kann. In gleicher Weise kann eine Reihe von getrennten kleinen Fotodetektoren verwendet werden, die um den Streifen-Abstand gestaffelt sind.

Bei jedem der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist lediglich einer der beiden konvergenten Lichtstrah-

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len moduliert. Das genügt für relativ geringe Modulationsfrequenzen, jedoch können hohe Modulationsfrequenzen bei einigen Anwendungsfällen vorteilhaft sein, beispielsweise, wenn die Fläche gegenüber dem Detektor schnell bewegt werden soll und/oder wenn schnelle Änderungen des Flächenprofils beobachtet werden sollen. Eine hohe Modulationsfrequenz verringert auch Schwierigkeiten infolge von Vibrationen. Für eine gewünschte Modulationsfrequenz von z. B. 100 kHz kann es zweckmäßiger sein, ein Überlagerungsprinzip durch Modulieren beider Lichtstrahlen zu verwenden. Für den Bereich 1-20 MHz sind wirkungsvolle akusto-optische Modulatoren erhältlich. Durch Modulieren eines Strahls bei z. B. 1 MHz und des anderen Strahls bei 1,1 MHz wird eine Verschiebung der projizierten Streifen mit einer Schwebungsfrequenz von 100 kHz bewirkt.

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Claims

Ansprüche

ί 1JVerfahren zum Messen von Abstandsänderungen gegenüber einer Fläche,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine Anordnung projizierter, beabstandeter, die Fläche schneidender Licht-Schichten erzeugt wird,

daß die so geschnittene Fläche auf einem fotoelektrischen Detektor abgebildet wird, dessen Querschnittsabmessung bezüglich des Abstands der abgebildeten Schichten am Detektor so ist, daß eine änderung des Detektor-Ausgangssignals erzeugt wird, wenn die abgebildeten Schichten gegenüber dem Detektor bewegt werden,

daß die die Fläche schneidenden Schichten seitlich und zyklisch über die Fläche verschoben werden, wodurch das Detektor-Ausgangssignal eine Sinus-Komponente enthält, deren Phase vom Abstand zur abgebildeten Fläche abhängt, und

daß die Phasenänderung der Sinus-Komponente verwendet wird, um, wenn sich und wie sich der Abstand gegenüber der abgebildeten Fläche ändert, die Abstandsänderung anzuzeigen.
2. Verfahren zum Messen von Abstandeänderungen gegenüber einer Fläche,

dadurch gekennzeichnet,

daß mittels zweier sich schneidender, gegenseitig kohärenter Lichtstrahlen projizierte Interferenz-Streifen mit Licht-Schichten erzeugt werden, die die Fläche schneiden,

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daß die sich schneidenden otreifen auf einem fotoelektrischen Detektor abgebildet werden, dessen empfindliche Querschnittsabmessung bezüglich des Streifen-Abstands am Detektor so ist, daß eine änderung des Detektor-Ausgangssignals erzeugt wird, wenn die Streifen gegenüber dem Detektor bewegt werden,

daß die Phase mindestens eines Lichtstrahls moduliert wird, um die Streifen seitlich und zyklisch über die Fläche zu verschieben, wodurch das Detektor-Ausgangssignal eine Sinus-Komponente erhält, deren Phase vom Abstand zur abgebildeten Fläche abhängt, und

daß die Phasenänderung der Sinus-Komponente verwendet wird, um, wenn sich und wie sich der Abstand gegenüber der abgebildeten Fläche ändert, die Abstandsänderung anzuzeigen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die projizierten Interferenz-Streifen im wesentlichen parallele und gleich beabstandete Licht-Schichten enthalten.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder ~J>, dadurch gekennzeichnet, daß zum Modulieren ein Sägezahnsignal verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsabmessung des Detektors etwa die Hälfte des abgebildeten Streifen-Abstands beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen um eine ganzzahlige Anzahl der Streifen-Abstände verschoben werden.

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7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl Eins ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche P- 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Blickrichtung, d. i. die Richtung von der Objekt-Fläche zum Detektor, einen wesentlichen Winkel gegenüber den Licht-Schichten einnimmt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-8 zur Messung von Abstandsänderungen, die die Tiefenschärfe des Detektors übersteigen, dadurch gekennzeich net, daß der Detektor und/oder ihm zugeordnete Fokussierglieder bezüglich der Fläche axialbewegt werden, um die Streifen am Detektor wieder zu fokussieren, wobei die Messung der Fläche während der Axialbewegung unterbrochen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen simultan mit der Bewegung des Detektors und/oder ihm zugeordnete Fokussierglieder so bewegt werden, daß die Streifen ständig einen Bereich um den Brennpunkt des Detektors beleuchten, und daß die Größe dieser Bewegung aufgezeichnet wird und mit den zwischen den Refokussier-Bewegungen gemessenen Abstandsänderungen kombiniert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Refokussier-Bewegung unter Verwendung der Phasenänderung der Ginus-Komponente während der Bewegung aufgezeichnet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Refokussier-Bewegung mittels getrennter, hochgenauer Meßverfahren, ζ. B. mittels an sich bekannter

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Interferometrie, gemessen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Phase eines Lichtstrahls moduliert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase beider Lichtstrahlen moduliert wird.
15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-8 oder 13,

gekennzeichnet durch

eine Lichtquelle (5 - 11, 21 - 25) J>k - 37) zur Projektion beabstandeter, die Fläche (1, 1') schneidender Licht-Schichten,

einen fotoelektrischen Detektor (12, 12, 26 - 29) zur Abgabe eines Detektor-Ausgangssignals abhängig von sich ändernder Abbildung der Fläche (1, 1') auf dem Detektor (12, I3, 26 - 29),

ein verschiebbares Tragglied (2) der Fläche (1, 1'),

einen Modulator (9, 14, 25) der Lichtstrahlen der Lichtquelle (5.- 11, 21 - 25, 3^ - 37), und

eine Auswerteinrichtung (14 - 20) zur Auswertung des Detektor-Ausgangssignals.
16. Vorrichtung nach Anspruch I5 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 9-11 oder 14, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (21 - 33) zur Axialbewegung des fotoelektrischen Detektors (12, 26 - 29) (Fig. 3, 4).

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17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder l6 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein zusätzlich angeschlossenes Interferometer (38 - 44) zur hochgenauen Messung (Fig. 4).

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