DE2722577A1

DE2722577A1 - Vorrichtung/verfahren zur beruehrungsfreien abstands- bzw. dickenmessung

Info

Publication number: DE2722577A1
Application number: DE19772722577
Authority: DE
Inventors: Viktor Dr Ing Bodlaj
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: BODLAJ, VIKTOR, DR., 8000 MUENCHEN, DE
Priority date: 1977-05-18
Filing date: 1977-05-18
Publication date: 1978-11-30
Also published as: US4201475A; JPS53143354A; IT7823263A0; FR2391452B1; IT1095140B; DE2722577C2; GB1604362A; FR2391452A1; BE867206A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen

Berlin und München <a VPA 77 P 7 0 5 1 BRD

Vorrichtung/Verfahren zur berührungsfreien Abstands- bzw. Dickenmessung.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur berührungslosen Bestimmung von Abständen bzw. Dicken, wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.

Derartige Verfahren sind z.B. in der DT-OS 2 157 813 (VPA 71/7141), der DT-OS 2 546 714 (VPA 75 P 7196) und in der DT-PS 2 501 015 (VPA 75 P 7005) beschrieben.

Diesen Verfahren bzw. Vorrichtungen ist gemeinsam, daß die Dicke durch das Messen der Abstände von der oberen bzw. unteren Seite des Meßobjektes zu einer virtuellen Nullebene bestimmt wird. Wieviele Abstände zwischen der oberen und unteren Seite des Meßobjektes zur virtuellen Nullebene für die Bestimmung der Dicke bestimmt werden müssen, hängt von der Lage des Meßobjektes zur Nullebene ab. Für planparallele Gegenstände, die parallel zur Nullebene stehen oder sich bewegen, genügt es, je einen Abstand von der oberen und unteren Seite des Meßobjektes zur Nullebene zu messen. Die Dicke des Gegenstandes wird dann durch Subtrahieren der beiden Abstände ermittelt. Die Bestimmung der Dicke von zur Nullebene verkippten Meßobjekten ist komplizierter. Zwischen der Dicke und den gemessenen Abständen besteht dabei kein linearer Zusammenhang.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Meßgenauigkeit einer derartigen Vorrichtung noch weiter zu erhöhen.

16.5.1977 /Rtdi Htr «09848/0112

-j?-2> 77 P 7 0 5 1 BRD

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung, wie eingangs genannt, gelöst, die erfindungsgemäß die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 aufweist.

Im folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile anhand der Figuren, die prinzipielle Ausführungsbeispiele zeigen, erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Laser L und einen Laserstrahlablenker BD, mit denen ein beweglicher Lichtstrahl 1 erzeugbar ist. Ein Photodetektor, z.B. eine Photodiode PD , kann Licht nur aus einer

Richtung aufnehmen, dazu dienen die Schlitzblenden Ap₁ und A mit einer Abbildungsoptik IL. Nur Lichtstrahlen längs der Visierlinie 2 werden also vom Detektor PD registriert. Die Visierlinie

bildet mit der Vertikalen auf der (virtuellen) Nullebene ZPl den Winkel β . Zum Zeitpunkt t ist der Laserstrahl 1 so gerichtet, daß er die Visierlinie 2 im Punkt Z auf der Nullebene ZPl schneide Gegenüber der Vertikalen auf der Nullebene hat der Laserstrahl zu diesem Zeitpunkt einen Winkel '* . Zu diesem Zeitpunkt wird ein Teilstrahl des Laserstrahles von einer einstellbaren Bezugsebene RPL, diese ist z.B. eine optisch vergütete Glasplatte, auf einen Photodetektor PD_R geworfen, d.h. dieser Detektor gibt zum Zeitpunkt t ein Signal. Zum Zeitpunkt t_ffl schneiden sich die Visierlinie und der Laserstrahl im Punkt Mp auf einem Meßobjekt, der einen Abstand d von der Nullebene hat.

Die Messung basiert auf einer Messung der Zeit, die der periodisch abgelenkte Laserstrahl 1 bei jeder Ablenkung benötigt, um vom Anfangspunkt Z auf der Nullebene ZPl zum Meßpunkt M^ auf dem Meßobjekt 3 zu gelangen.

Das auf dem Meßobjekt diffus gestreute Licht des periodisch abgelenkten Laserstrahls kann nur dann, wenn es vom Punkt M ausgeht, von der Photodiode PD_m empfangen werden. Nur in diesem Fall entstehen durch die diffuse Streuung auf dem Objekt 3 Lichtstrahlen, die mit der Visierlinie zusammenfallen. Der Meßabstand d zwischen Nullebene ZPl und Meßebene MPl, die zueinander parallel sind, ist gegeben durch

₌ A . -^ . ^CQS ft (I)

sin ( ·χ + λ + ,Υ_ά) cosx ' ^KIJ

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A ist der Abstand zwischen dem Laserstrahlablenker BD und der Nullebene ZPl, y_d ist der Ablenkwinkel des Laserstrahls vom Null punkt Z bis zum Meßpunkt M.

Der gemessene Abstand d ist im allgemeinen nicht direkt dem Ablenkwinkel V. proportional. Nur unter der Bedingung, daß die Winkelo£ + & = 90° und ^_d<:5⁰ sind, ist d dem Ablenkwinkel f_d proportional

d = A.^_d . (2)

Y_A ist im Bogenmaß einzutragen. In diesem Fall ist der Fehler kleiner als 0,2%o.

Ablenker, derenAblenkwinkel eine lineare Funktion der Zeit ist, sind für große Ablenkwinkel und Ablenkfrequenzen von einigen 100 Hz nicht ohne großen Aufwand zu verwirklichen.

Wesentlich einfacher lassen sich Strahlablenker mit Ablenkfrequenzen bis zu 1000 Hz und Ablenkwinkeln bis zu einigen 10° bauen, wenn das Zeitgesetz für den Ablenkwinkel eine Winkelfunktion ist. Ein derartiger Strahlablenker ist z.B. in der DT-OS 2 321 211 (VPA 73/7056) beschrieben. Da tei diesem Strahlablenker der Ablenkwinkel jf, dem Sinusgesetz folgt, gilt für Jf_d im für die Messung interessanten Ablenkbereich:

/ ist die maximale Ablenkamplitude (Spitze-Spitze der Ablenkung), u, ist die Winkelgeschwindigkeit der Strahlablenkung. Der Phasenwinkel uit₇ kann zwischen 120 und 150° und uit zwischen wt_z und 210 bis 240 gewählt werden. Der Phasenwinkel Qt₂ bzw. der Zeitpunkt t^_t der mit der Photodiode PD_R und der Bezugsebene RPl eingestellt wird, bestimmt den Punkt Z auf der Nullebene (Meßabstand d=0) innerhalb einer Ablenkung. Durch die Einführung der Bezugsebene RPl braucht der Laserstrahl die Nullebene nicht mehr zu berühren. So ist die materielle Nullebene in eine virtuelle Nullebene umgewandelt worden, t ist der Zeitpunkt, zu

dem der Laserstrahl innerhalb einer Ablenkperiode den Meßpunkt M

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erreicht (Meßabstand d).

Bei sinusförmiger Ablenkung ist nach Gleichung (3) der Abstand d gegeben durch:

sin (-^—^-(iifi ^t₁, ■· ±in ivt^JJ ccs β d = : =

Die Zeitdifferenz

t -sin <*ij] cos

At, - t - t (5)

d m ζ
ist also'ein Maß für den Abstand d.

Auf diese Weise kann also der Abstand d einer Fläche von der NuIlebene ZPl bzw. die Dicke eines auf der Nullebene liegenden Objektes bestimmt werden.

Falls das Objekt nicht auf der Nullebene liegt und/oder zur Nullebene geneigt ist, müssen mehrere Punkte auf der Ober- und Unterseite des Objektes in ihrem Abstand zur Nullebene bestimmt werden Dazu kann der Laserstrahl z.B. in mehrere Teilstrahlen, für *dl« Ober- bzw. Unterseite, durch Strahlteiler aufgespalten werden. Für jeden Teilstrahl ist dann ein dem Detektor PD entsprechender Detektor vorzusehen.Es ist auch möglich mehrere Geräte der in Fig. 1 dargestellten zu verwenden, wobei jedes Gerät einen anderen Punkt auf der Objektober- bzw. Objektunterseite lagemäßig bestimmt. Aus der Lage der Punkte kann dann die Objektdicke bestimmt werden. :

Da die Abstands- bzw. Dickenmessung auf der Messung der Zeit basiert, die der abgelenkte Laserstrahl benötigt, um von einem Punkt Z auf der Nullebene bis zu einem Meßpunkt M auf dem Meßobjekt, beide Punkte liegen auf der Visierlinie, zu 'gelangen, ist die genaue Bestimmung der Meßzeit ausschlaggebend für die Größe der Meßfehler.

Die Meßzeit wird durch zwei Zeitpunkte t und t bestimmt (Gl. 5). Der Zeitpunkt t , der die Meßzeit At=O bzw. die Null ebene bestimmt, wird von dem Impuls U_R, der in der Photodiode PD„ entsteht, wenn der Laserstrahl den Punkt R_{p auf der} BezugsebeneRPl

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durchläuft, abgeleitet. Da der Impuls glockenförmig ist (Gaußsche Verteilung der Lichtintensität) und die Amplitude nur von den geringen LeistungsSchwankungen des Lasers beeinflußt wird (He-Ne Laser), kann man mit dem Impuls den Zeitpunkt t₂ sehr genau bestimmen, wenn man den Impuls differenziert und als Zeitpunkt t den Nulldurchgang des differenzierten Signals benutzt.

Wesentlich schwieriger erweist sich die Bestimmung des Meßzeitpunktes t_ffl beim Meßsignal, da hier die Empfangsleistung von der Oberflächenbeschaffenheit abhängt und sich bis zu 40 dB ändern kann. Diese Schwankungen der Empfangsleistung verursachen Fehler bei der Zeitpunktbestimmung mit differenziertem Signal. Weitere Fehler kommen dazu, da die Form des Meßimpulses von Tiefenschärfe,

Abbildungsfehler, Übersteuerung eines dem Detektor PD nachge-

m schalteten Verstärkers (z.B. bei Messung an polierten Oberflächen),

Form der Streulichtkeule der gemessenen Oberfläche abhängt. Diese Einflüsse auf die Meßzeitpunktbestimmung lassen sich reduzieren, wenn der Meßimpuls,wie nachfolgend beschrieben, aufbereitet und der Meßzeitpunkt daraus bestimmt wird.
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Die Schlitzblende vor der Photodiode PD„ bestimmt nicht nur die

Richtung der Visierlinie der Abbildungsoptik, sondern auch das Zeitintervall, in dem das Bild des Lichtflecks des abgelenkten Laserstrahls auf die Photodiode trifft.

Um die Abbildungsfehler der Abbildungsoptik zu reduzieren und die Tiefenschärfe zu verbessern, wird vor der Linse auf der optischen Achse eine zweite zur Ebene der Strahlablenkung vertikale Schlitzblende so eingesetzt, daß im ganzen Meßbereich ein symmetrisches Meßsignal gewährleistet wird.

Der in der Meßphotodiode PD entstehende Meßimpuls wird in einem breitbandigen Verstärker entsprechend verstärkt und über einen schnellen und empfindlichen Spannungskomparator in einen Rechteckimpuls verwandelt. Die Dauer des Rechteckimpulses hängt von der Einstellung der Schwellwerte des Spannungskomparators und von der Amplitude des Meßimpulses ab. Die Breite des Rechteckimpulses verändert sich wegen der sehr hohen Verstärkung des schnellen Komparators fast symmetrisch zur Mitte des Meßimpulses, wenn sich die

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Meßimpulsamplitude verändert hat. Wenn man für verschiedene Impulsbreiten die Zeiten von dem Bezugszeitpunkt t (Nullebenezeitpunkt At, = O) bis zur Anstiegsflanke t_c und vom Bezugszeitpunkt t_£

bis zur Abfallflanke t' des Rechteckimpulses summiert, bleibt

die Summe der beiden Zeiten auch bei veränderter Impulsbreite konstant:

(t - t ) + (t¹ - t ) - const. . (16)

^v c ζ ^v c ζ

Somit bleibt die Gesamtzeit unabhängig von der Meßimpulsamplitude.

Die Meßzeit At, ist die Zeitdifferenz zwischen der Meßsignal-

d
mitte t und des Bezugsebeneimpulses t₂:

Da die Meßimpulse im Verstärker vor der Umsetzung in Rechteckimpulse im Spannungskomparator verstärkt werden, darf der Verstärker auch bei Übersteuerung (starke Meßsignale) keine nennenswerten Speicherzeiten besitzen, da sonst zusätzliche Meßfehler entstehen.

Weitgehend unabhängig von den Speicherzeiten kann die Meßzeit ermittelt v/erden, wenn für die Zeitmessung immer z.B. die Anstiegsflanke des Meßsignals benutzt wird. Die zeitliche Ver-Schiebung der Flanke t des Meßimpulses wegen der Amplituden-Schwankungen des Meßimpulses kann man eliminieren, wenn für die Messung des Abstandes die Laserstrahlablenkung in beide Richtungen (hin und zurück) benutzt wird:
Während der Ablenkbewegung in der einen Richtung wird zum Zeitpunkt t einSignal, entsprechend der Anstiegsflanke des von der Photodiode PD eräugten ersten Meßimpulses, erzeugt. Während der Ablenkbewegung in der umgekehrten Richtung wird zum Zeitpunkt t ein Signal erzeugt, wiederum entsprechend der Anstiegsflanke eines von der Photodiode PD_m erzeugten zweiten Meßimpulses. Zum Zeitpunkt t'_z hat der Laserstrahl wiederum dieselbe Richtung wie zum Zeitpunkt t . Unabhängig von der Amplitude der beiden von der Photodiode erzeugten Impulse gilt:

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Dabei wird angenommen, daß der bei der Ablenkung in der einen Richtung entstehende Impuls die gleiche Amplitude hat wie der nachfolgende Impuls bei der Ablenkung in umgekehrter Richtung. Dies ist gewährleistet, da das Objekt während einer Ablenkperiode seine Lage nicht bzw. nur unwesentlich ändert.

Die MeßzeitAt, hängt nicht nur von dem gemessenen Abstand d, sondern auch von der Ablenkgeschwindigkeit des mit einem piezokeramisehen Ablenker abgelenkten Laserstrahls ab. Die Ablenkgeschwindigkeit wird durch die Art der Ablenkung, die Ablenkfrequenz und die Ablenkamplitude bestimmt. Für eine genaue Messung muß entweder die Ablenkgeschwindigkeit stabilisiert werden, oder es muß die Ablenkgeschwindigkeit gemessen werden. Dazu dient gemäß der Figur ein Photodetektor PDq. In diesen Photocteektor, z.B. eine Photodiode, gelangt, reflektiert von der Bezugsebene RPl, nach dem Zeitpunkt t während der Ablenkbewegung des Lichtstrahles ein Teillichtstrahl, zu einem Zeitpunkt t_. Die Zeitdifferenz t^ - t ist ein Maß für die Ablenkgeschwindigkeit und kann z.B. als Steuersignal zur Stabilisierung der Ablenkung benutzt werden, bzw. die Zeitdifferenz und damit die Ablenkgeschwindigkeit werden bei der Berechnung des Abstandes d berücksichtigt. Aus den gemessenen Zeitintervallen kann also der Abstand, z.B. mittels eines Microcomputers bestimmt werden.

3 Patentansprüche

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Claims

77 P 7 O 5 1 BRD PatentansOrüche

1. Vorrichtung zur Messung des Abstandes eines Punktes auf einer-Objektoberflache von einer Nullebene, wobei ein scharf gebündelter Lichtstrahl mittels eines Strahlablenker periodisch über dem Meßraum, in dem sich das Objekt befindet, ablenkbar ist, und wobei ein Meß-Photodiektor vorgesehen ist, der Licht nur aus einer Visierrichtung empfangen kann, und mit dem ein Meßzeitpunkt ermittelbar ist, zu dem der auf der Visierlinie liegende Punkt der Objektoberflache vom Lichtstrahl getroffen wird, wobei der Abstand ermittelbar ist aus der Zeitdifferenz zwischen dem Meßzeitpunkt und einem Zeitpunkt zu dem der Lichtstrahl auf den auf der Visierlinie liegenden Punkt auf der Nullebene gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Impulse des Meß-Photodätektors (PD ) in Rechteckimpulse umsetzbar sind, daß der Meß-Photodetektor während der Ablenkbewegung in einer Richtung und während der Ablenkbewegung in der umgekehrten Richtung einen Meßimpuls erzeugt, daß die Zeitpunkte der Anstiegsflanken (oder Abfallflanken) der aus den Meßimpulsen abgeleiteten Rechteckimpulse bestimmbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtablenker in seiner Ablenkgeschwindigkeit stabilisiert ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Photodetektor (PD_n) vorgesehen ist, in den während der Ablenkbewegung ein Teillichtstrahl einblendbar ist, wobei eine Zeitdifferenz zwischen dem Einblenden des Teillichtstrahls in diesen weiteren Photodiektor und dem Zeitpunkt, zu dem der Lichtstrahl auf den auf der Visierlinie (2) liegenden Punkt auf der Nullebene (ZPl) gerichtet ist, bestimmbar ist.

809848/01 12 ORIGINAL INSPECTED