DE3304780C2

DE3304780C2 -

Info

Publication number: DE3304780C2
Application number: DE3304780A
Authority: DE
Inventors: Oskar Dipl.-Ing. Gerstorfer (Fh), 8060 Dachau, De
Original assignee: Optische Werke G Rodenstock
Current assignee: Optische Werke G Rodenstock
Priority date: 1983-02-11
Filing date: 1983-02-11
Publication date: 1989-09-14
Also published as: US4728196A; JPH038686B2; DE3304780A1; GB2135772A; GB2135772B; FR2540988B1; DE8303856U1; GB8402953D0; JPS60310A; CH664438A5; FR2540988A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Oberflächenstruktur, insbesondere der Rauheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DE-AS 22 60 090 bekannt. Bei dieser Vorrichtung lenkt ein Abbildungs-Linsensystem ein paralleles Strahlenbündel auf die zu untersuchende Oberfläche. Die Flächennormale der Oberfläche schließt dabei mit der Achse des Strahlenbündels einen Winkel ungleich 0° ein. Ferner ist ein Linsensystem vorgesehen, daß das von der Oberfläche reflektierte Licht auf ein Licht-Detektorarray lenkt. Der Abstand des Licht-Detektorarrays kann gleich der Brennweite des Linsensystems sein.

Diese bekannte Vorrichtung hat jedoch eine Reihe von Nachteilen: Insbesondere hängt die Zuordnung zwischen dem in einem bestimmten Raumwinkel gestreuten Licht und den einzelnen Detektoren des Arrays sehr empfindlich vom Abstand der Vorrichtung von der zu untersuchenden Oberfläche ab. Darüber hinaus ist bei dieser bekannten Vorrichtung der Meßbereich nicht besonders groß; damit ist gemeint, daß die bekannte Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entweder so ausgelegt werden muß, daß sie zur Untersuchung sehr genauer Oberflächen geeignet ist, oder so dimensioniert werden muß, daß sie sich zur Untersuchung sehr glatter Oberflächen eignet.

Weiter ist eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Oberflächenstruktur aus der DE-OS 28 20 910 bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist ein Laserstrahl schräg auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet. Mittels einer Diodenzeile oder eines Diodenfeldes wird die Winkelverteilung des reflektierten Lichts für Winkel um den Reflexionswinkel der idealen Oberfläche gemessen und aus der Winkelverteilung die Oberflächenstruktur ermittelt.

Nachteilig bei dieser bekannten Vorrichtung ist ebenfalls, daß die Zuordnung zwischen dem in einen bestimmten Raumwinkel gestreuten Licht und den einzelnen Dioden des Diodenarrays sehr empfindlich vom Abstand der Vorrichtung von der zu untersuchenden Oberfläche sowie von der Größe des Leuchtflecks auf der Oberfläche abhängt. Andererseits ergeben sich - je nach verwendetem Lasertyp - insbesondere dann, wenn die Oberfläche mit einem sehr kleinen "Leuchtfleck" untersucht werden soll, Intensitätsprobleme.

Eine Vorrichtung anderer Art ist aus der DE-OS 30 37 622 bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird ein paralleler Lichtstrahl mit kleinem Querschnitt senkrecht auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet und die Winkelverteilung des reflektierten Lichts mittels einer Diodenzeile gemessen. Aufgrund des senkrechten Einfalls wird der Lichtstrahl im wesentlichen in sich selbst zurückreflektiert; deshalb ist es erforderlich, im Strahlengang einen Lichtteiler vorzusehen. Da sowohl der auftreffende Lichtstrahl als auch das reflektierte Lichtbündel den Strahlteiler passiert bzw. von diesem umgelenkt werden, wird die nutzbare Intensität insgesamt etwa auf ein Viertel herabgesetzt. Hierdurch ergeben sich insbesondere bei kritischen Oberflächenstrukturen Intensitätsprobleme. Darüber hinaus hängt auch bei dieser bekannten Vorrichtung anderer Art die Zuordnung zwischen dem in einen bestimmten Raumwinkel reflektierten Licht und den einzelnen Dioden des Diodenarrays empfindlich vom Abstand der Vorrichtung von der zu untersuchenden Oberfläche ab.

Eine Vorrichtung anderer Gattung zur Bestimmung von Oberflächenunebenheiten ist aus der DE-OS 20 32 314 bekannt, bei der die Oberfläche auf eine Bildebene abgebildet wird, also keine Bewertung des unter einem bestimmten Winkel von der Oberfläche ausgehenden Lichts erfolgt.

Eine Vorrichtung zur Ermittlung der Rauhigkeit von Oberflächen ist aus der DE-OS 21 01 689 bekannt, bei der zwar eine Bewertung des von der zu untersuchenden Oberfläche ausgehenden Lichts in der Frequenzebene erfolgt, bei der aber ein Strahlteiler verwendet wird, so daß die verfügbare Intensität auf ein Viertel herabgesetzt wird.

Darüber hinaus wird auch bei dieser Vorrichtung Abstandsvariationen keine Beachtung geschenkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß der Abstand zwischen der zu untersuchenden Oberfläche und der Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflächenstruktur in weitem Umfange variiert werden kann, ohne daß die Zuordnung zwischen dem in einen bestimmten Raumwinkel reflektierten Licht und den einzelnen Meßelementen verlorengeht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Da nicht nur das Licht-Detektorarray in der hinteren Brennebene des Linsensystems, das das von der Oberfläche reflektierte Strahlenbündel auf das Detektorarray lenkt, angeordnet ist, sondern sich auch die zu untersuchende Oberfläche in der vorderen Brennebene des Detektorarrays befindet, also ein Fouriersystem bilden, bleibt die Zuordnung zwischen dem unter einem bestimmten Winkel reflektierten Licht und den einzelnen Meßelementen des Detektorarrays auch bei größeren Abstandsänderungen weitgehend erhalten. Bei Versuchen hat sich herausgestellt, daß der Abstand zwischen der Vorrichtung und der zu untersuchenden Oberfläche um etwa ±30% variiert werden kann, ohne daß die Ermittlung der Oberflächenstruktur und insbesondere der Rauheit beeinflußt würde.

Zudem erhält man die Fokussierung eines parallelen Strahlenbündels auf der Oberfläche eine hohe Intensität auch bei einem kleinen "Untersuchungsfleck" (Leuchtfleck). Dabei bleibt auch bei größeren Leuchtfleck-Durchmessern die Zuordnung zwischen dem Licht, das von den einzelnen Punkten des Leuchtflecks unter einen bestimmten Winkel reflektiert wird, und den einzelnen Meßelementen des Licht-Detektorarrays erhalten. Durch die Verwendung eines fokussierten Strahlenbündels wird ferner der Meßbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung vergrößert.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Verwendung eines gemeinsamen Linsensystems für den auftreffenden und den reflektierten Strahl gemäß Anspruch 2 führt zu einem einfacheren Aufbau der Vorrichtung.

Natürlich ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, beliebige Licht-Detektoranordnungen und Meßelemente zur Messung der Winkelverteilung des reflektierten Lichts zu verwenden. Beispielsweise kann das Detektorarray ein Meßelement-Feld sein. Wenn jedoch beispielsweise aufgrund des Bearbeitungsverfahrens der Oberfläche die Charakteristik der Rauheit der Oberfläche überwiegend nur in einer Richtung zu erwarten ist, ist es vorteilhaft gemäß Anspruch 3 zeilenförmige Anordnungen von Detektoren zu verwenden.

Als Detektoren bzw. Meßelemente können beliebige Lichtempfänger eingesetzt werden, die das auftreffende Licht in ein elektrisches Signal umsetzen, wie beispielsweise Phototransistoren, Photodioden, CdS-Zellen oder dgl. Besonders vorteilhaft ist es, als Detektorzeile eine handelsübliche Photodiodenzeile zu verwenden.

Natürlich ist es auch möglich, mit einer zeilenförmigen Anordnung von Meßelementen eine flächenhafte Streulichtverteilung zu erfassen, wenn das reflektierte Strahlenbündel gemäß Anspruch 5 oder 6 auf der zeilenförmigen Anordnung von Meßelementen gedreht wird. Auf diese Weise wird die flächenhafte Streulichterteilung in zeitlicher Folge linienförmig abgefragt.

Wie bereits erwähnt hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß - unabhängig von der Größe des Leuchtflecks - von beliebigen Punkten des Leuchtflecks unter demselben Winkel ausgehende Strahlen auf das gleiche Meßelement des Detektorarrays auftreffen. Damit ist es ohne weiteres möglich, die Größe des Leuchtflecks bzw. des Untersuchungsflecks dem jeweiligen Meßziel anzupassen. Zu einer genauen Untersuchung wird man einen kleinen Leuchtfleck wählen, während für eine Übersichtsmessung ein Leuchtfleck mit großem Durchmesser vorteilhaft ist. Im Anspruch 7 ist eine besonders einfache Möglichkeit zur Änderung der Größe (Durchmesser) des Leuchtflecks gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung.

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 4 eine Ansicht einer an sich bekannten optischen Dreheinrichtung.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer Oberflächenstruktur und insbesondere der Rauheit. Die nur schematisch dargestellte Vorrichtung weist eine Lichtquelle (1), einen Kollimator (2), ein Meßobjektiv (3) und eine Diodenzeile (5) auf.

Eine zu untersuchende Oberfläche hat von der Vorrichtung (d. h. von der vorderen Hauptebene des Meßobjektivs 3) einen Abstand, der annähernd gleich der Brennweite f des Meßobjektivs (3) ist.

Das von der Lichtquelle (1) ausgehende Licht wird von dem Kollimator (2) parallelisiert und trifft außerhalb der optischen Achse (6) des Meßobjektivs auf das Meßobjektiv (3) auf. Der parallele Lichtstrahl wird von dem Meßobjektiv (3) auf der Probenoberfläche (4) fokussiert. Von nichtstreuenden Proben, wie optischen Spiegeln, geht das "divergierend" reflektierte Lichtbündel ebenfalls durch das Meßobjektiv (3) hindurch und wird von diesem parallelisiert. Das parallele Lichtbündel trifft auf die Diodenzeile (5) auf, die in der hinteren Brennebene des Meßobjektivs liegt. An streuenden Proben werden unter gleichem Winkel gestreute Lichtbündel auf eine diesem Winkel eindeutig zugeordnete Stelle auf der Diodenzeile fokussiert. Da die Diodenzeile in der Brennebene des Meßobjektivs liegt, ändert sich die Zuordnung zwischen dem unter einen bestimmten Winkel (Raumwinkel) reflektierten Licht und den einzelnen Dioden der Diodenzeile auch bei größeren Änderungen des Abstandes "Meßobjektiv (3)/Probenoberfläche (4)" praktisch nicht. (Anders ausgedrückt bilden das Meßobjektiv (3) und die Diodenzeile (5) ein Fouriersystem.) In der Praxis hat es sich herausgestellt, daß Abstandsänderungen bis zu ±30% keinen nennenswerten Einfluß auf die Ermittlung der Oberflächenstruktur haben. Durch die Anordnung der Diodenzeile (5) in der Brennebene des Meßobjektivs (3) wird ferner erreicht, daß alle von den verschiedenen Punkten des Meßflecks unter demselben Winkel emittierte Lichtstrahlen auf die gleiche Diode der Diodenzeile auftreffen.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Auf der Diodenzeile (5) ist schematisch die Verteilung des reflektierten Lichts dargestellt.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Anstelle des gemeinsamen Meßobjektivs (3) bei der Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 werden bei diesem Ausführungsbeispiel zwei Objektive 3′ und 3′′ verwendet. Das Objektiv (3′) fokussiert das parallele Lichtbündel, das vom Kollimator ausgeht, auf der Probenoberfläche (4), während das Objektiv (3′′) das reflektierte Lichtbündel auf der Diodenzeile (5) abbildet. Ansonsten ist der Aufbau gleich dem Aufbau des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 4 dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung befindet sich ein an sich bekanntes Dove-Prisma (7) in dem Strahlengang zwischen dem Meßobjektiv (3) bzw. dem Objektiv (3′′) und der Diodenzeile (5). Dreht man das Dove-Prisma (7), so ist es möglich, eine flächenhafte Streulichtverteilung in zeitlicher Folge linienförmig abzufragen.

Ferner kann auch ein Schmidt-Pechan-Prisma o. dgl. verwendet werden.

Bei einer praktischen Realisierung der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele haben das Meßobjektiv (3) bzw. die Objektive (3′ und 3′′) eine Brennweite von ca. 25 mm. Die Diodenzeile (5) weist 20 Meßpunkte bzw. Dioden bei einer Länge von ca. 20 mm auf. Die Achse des auf die Probenoberfläche (4) auftreffenden fokussierten Strahls schließt mit der Flächennormale der (idealen) Oberfläche einen Winkel von ca. 20° ein.

Der Leuchtfleckdurchmesser ist typischerweise 2 mm. Die spezielle Eigenschaft der erfindungsgemäßen Vorrichtung - die strenge Zuordnung zwischen Reflexionswinkel und Meßelement (Diode) der Diodenzeile - ermöglicht jedoch eine Variation des Leuchtfleckdurchmessers in weiten Grenzen. Beispielsweise kann durch Änderung der Brennweite des Kollimators von 5 mm bis 30 mm und/oder der Art der Lichtquelle (1) der Leuchtfleckdurchmesser zwischen 5 µm und 4 mm geändert werden, so daß auch kleinste Meßobjekte erfaßt werden können. Dies wird durch den telezentrischen Strahlengang zwischen dem Kollimator (2) und dem Meßobjektiv (3 bzw. 3′) möglich. Als Lichtquellen (1) können Laserdioden, Leuchtdioden, Glühlämpchen oder dgl. verwendet werden. Auch ist es möglich, die Lichtquelle (1) und den Kollimator (2) durch einen Laser zu ersetzen. Natürlich kann auch mit Licht außerhalb des sichtbaren Bereichs gearbeitet werden. Ferner kann die in den Ausführungsbeispielen dargestellte Diodenzeile (5) durch ein Detektorenfeld, beispielsweise ein Diodenfeld oder ein Phototransistorenfeld ersetzt werden. Ein derartiges Licht-Detektorenfeld erlaubt die sofortige Bestimmung einer flächenhaften Streulichtverteilung. Daneben ist es bei Verwendung einer zeilenförmigen Detektoranordnung möglich, diese zur Bestimmung der flächenhaften Streulichtverteilung zu drehen.

Unabhängig von der speziellen Ausführungsform hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß auch bei flächenhafter Probenbeleuchtung eine eindeutige Zuordnung zwischen Streuwinkel und Abbildung auf die Diodenzeile besteht. Ferner ist aufgrund des schrägen Einfalls auf die Probenoberfläche die Verwendung eines Strahlteilers unnötig, wodurch sich ein Intensitätsgewinn um den Faktor 4 ergibt. Letztlich ist durch den erfindungsgemäßen Aufbau und gegebenenfalls durch die Verwendung eines gemeinsamen Objektivs für die Abbildung auf die Probenoberfläche und die Abbildung auf das Detektorarray eine kompakte Bauweise der Vorrichtung möglich.

Diese Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung eröffnen größere Möglichkeiten als die bekannten Vorrichtungen, aus den Ausgangssignalen der Meßelemente Kenngrößen für die Oberflächenstruktur und insbesondere für die Rauheit zu ermitteln, so daß praktisch alle bekannten Auswerteverfahren für die Ausgangssignale des Arrays verwendbar sind.

Insbesondere ist es ohne weiteres möglich, eine Auswerteschaltung zu verwenden, die integrale Kennwerte liefert, wie sie beispielsweise in der DE-OS 30 37 622 oder der DE-OS 23 56 535 beschrieben sind. Beispielsweise in der DE-OS 30 37 622 ist beschrieben, daß die Auswerteschaltung aus den Ausgangssignalen der Meßelemente die Rauheit der Oberfläche nach den Gleichungen

ermittelt, wobei
w _i der von dem jeweiligen Meßelement erfaßte Winkel der Streustrahlung,
n die Anzahl der zur Auswertung herangezogenen Detektoren,
der Mittelwert aus den Werten p _i und w _i
p _i das nach Gleichung (c) nomierte Meßsignal D _i, und
g _i Korrekturfaktoren für das Meßsignal D _i ist.

Claims

1. Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflächenstruktur und insbesondere der Rauheit einer Oberfläche, bei der ein Abbildungs-Linsensystem (3; 3′) ein Strahlenbündel auf die zu untersuchende Oberfläche (4) lenkt, deren Flächennormale mit der Achse des Strahlenbündels einen Winkel ungleich 0° einschließt, und ein Linsensystem (3; 3′′) das von der Oberfläche (4) reflektierte Licht auf ein Licht-Detektorarray (5) lenkt, dessen Abstand von dem Linsensystem (3; 3′′) in etwa gleich der Brennweite (f; f′′) des Linsensystems ist, und dessen Ausgangssignale an eine Auswerteschaltung angelegt sind, die aus der vom Licht-Detektorarray (5 ) erfaßten Winkelabhängigkeit des reflektierten Lichts für Winkel um den Reflexionswinkel die Oberflächenstruktur ermittelt, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

- das Beleuchtungs-Strahlenbündel ist vor dem Abbildungs-Linsensystem (3; 3′) ein paralleles Strahlenbündel und nach dem Abbildungs-Linsensystem (3; 3′) ein konvergentes Bündel,
- das Abbildungs-Linsensystem (3; 3′) hat einen Abstand von der zu untersuchenden Oberfläche (4), der näherungsweise gleich der Brennweite (f; f′) des Abbildungs-Linsensystems (3; 3′) ist,
- das Linsensystem (3; 3′′), das das von der Oberfläche (4) reflektierte Licht auf das Detektorarray (5) lenkt, hat einen Abstand von der Oberfläche (4), der näherungsweise gleich der Brennweite (f; f′′) des Linsensystems (3; 3′′) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsames Linsensystem (3) das Abbildungs-Linsensystem und das Linsensystem bildet, das das reflektierte Licht auf das Detektorarray (5) lenkt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorarray (5) eine Detektorzeile ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorzeile eine Diodenzeile ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorzeile und das reflektierte Strahlenbündel während der Messung relativ zueinander drehbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Dreheinrichtung (7), wie beispielsweise ein Dove-Prisma, ein Schmidt- Pechan-Prisma, das reflektierte Strahlenbündel auf der Detektorzeile (5) dreht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle (1) und ein Kollimator (2) das parallele Strahlenbündel erzeugen und daß das Verhältnis der Brennweiten des Kollimators (2) und des Abbildungs-Linsensystems (3; 3′) und/oder die Art der Lichtquelle (1) zur Änderung der Größe des Meßflecks auf der zu untersuchenden Oberfläche (4) änderbar sind.