DE3428593A1 - OPTICAL SURFACE MEASURING DEVICE - Google Patents
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Description
ISTITUTO NAZIONALE
DI OTTICAISTITUTO NAZIONALE
DI OTTICA
Optisches OberflächenmeßgerätOptical surface measuring device
Die Erfindung betrifft ein optisches Oberflächenmeßgerät (Profilometer) der im Gattungsbegriff des Patentanspruch 1 beschriebenen Art.The invention relates to an optical surface measuring device (profilometer) in the generic term of the patent claim 1 described Art.
Mechanische Oberflächen sind außer durch ihre makroskopische Gestalt durch den Endbearbeitungszustand charakterisiert, der durch Rauheitswerte (Feinbearbeitung) angegeben wird. Viele der funktioneilen Eigenschaften des Fertigteils hängen mit dieser Feinbearbeitung zusammen. Sie wird durch eine Reihe von Parametern ausgedrückt, beispielsweise durch R , rms, die Autokorrela-Mechanical surfaces are characterized not only by their macroscopic shape but also by their final processing state, which is indicated by roughness values (fine machining). Many of the functional properties of the finished part are related to this fine machining. It is expressed by a number of parameters, for example by R, rms, the autocorrela-
etet
tionsfunktion, das Fourierspektrum und andere. Diese Werte lassen sich durch integrierte Messungen auf Oberflächenbereichen ermitteln oder aus der Kenntnis der dreidimensionalen Topographie der Oberfläche herleiten.tion function, the Fourier spectrum and others. These Values can be determined through integrated measurements on surface areas or from knowledge of the derive three-dimensional topography of the surface.
Die zur Rekonstruktion der dreidimensionalen Topographie verwendeten Geräte erfassen die Oberfläche in Wirklichkeit längs linearer Abschnitte und liefern so ein Höhenprofil, aus welchem die gewünschten Parameter auf der Basis statistischer Kriterien extrapoliert werden können. Das wahre dreidimensionale Profil erhält man durch Abtastungen längs paralleler Abschnitte. Die zu diesem Zweck verwendeten verschiedenen Geräte sind prinzipiell durch die Empfindlichkeit, die lateraleThe devices used to reconstruct the three-dimensional topography record the surface in Reality along linear sections and thus provide a height profile from which the desired parameters can be extrapolated on the basis of statistical criteria. Preserves the true three-dimensional profile by scanning along parallel sections. The various devices used for this purpose are principally through the sensitivity, the lateral
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Auflösung und das Meßintervall gekennzeichnet.Resolution and the measuring interval marked.
Das bei mechanischen Anwendungen interessierende Meßintervall reicht üblicherweise von Bruchteilen eines Mikron bis zu einigen Dutzend Mikron.The measurement interval of interest in mechanical applications is usually fractions of a micron up to a few tens of microns.
Neben Geräten, die von der Moire-Technik oder der Projektion von Fransen oder Linien Gebrauch machen und die Oberflächenmessungen bis zu einer G.renze ausführen, die unter einigen Mikron liegt, existieren für den Bereich, der mechanisch von Interesse ist, zwei Gerätefamilien, nämlich die mit Abtastnadeln arbeitenden Geräte und die optischen Profilometer.In addition to devices that use moire technology or projection make use of fringes or lines and take surface measurements up to a limit which is below a few microns, there are two families of devices for the area of mechanical interest: namely the needle-based devices and the optical profilometers.
Die mit Abtastnadel arbeitenden Geräte sind sehr verbreitet. Ihre vertikale Auflösung liegt in der Größenordnung von etwa 10 8, während die laterale Auflösung bei einigen Mikron liegt.The devices using a stylus are very common. Their vertical resolution is on the order of about 10 8, while the lateral resolution is a few microns.
Optische Oberflächenmeßgeräte (Profilometer) sind Vorrichtungen zur berührungslosen Messung. Die erzielbare Auflösung beträgt vertikal Bruchteile eines Mikron und in lateraler Richtung etwa ein Mikron. Es sind auch hochgezüchtete optische (Uberlagerungs- und interferometrische) Profilometer mit höherer Auflösung bekannt (Sommargren, Wyant, Bennett).Optical surface measuring devices (profilometers) are devices for non-contact measurement. The achievable Resolution is fractions of a micron vertically and about a micron laterally. There are too highly developed optical (overlay and interferometric) profilometers with higher resolution are known (Sommargren, Wyant, Bennett).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Oberflächenmeßgerät zu schaffen , das besonders einfach ist, zuverlässig und genau arbeitet und eine hohe Auflösung besitzt; das Gerät, bei dem es sich um eine be-The invention is based on the object of an optical To create surface measuring device that is particularly simple, works reliably and precisely and has a high resolution owns; the device that is a
rührungslos arbeitende Vorrichtung handelt, soll für die Zusammenarbeit mit einer Bearbeitungsmaschine geeignet sein und Höheninformationen praktisch in Echtzeit liefern können; dabei soll die vertikale Empfindlichkeit an diejenige von interferometrischen Geräten heranreichen, während die laterale Empfindlchkeit bei etwa 1 Mikron liegen soll.contactless device is intended for the cooperation with a processing machine and height information practically in real time can deliver; the vertical sensitivity should be similar to that of interferometric devices while the lateral sensitivity should be around 1 micron.
Ausgehend von einem Optischen Oberflächenmeßgerät für die Prüfung mechanischer Oberflächen mit einem Lichtstrahlenbündel, das auf das zu prüfende Muster konzentriert, sodann regeneriert und mittels Reflexion durch einen Separator zu einem Empfänger umgelenkt wird, wird diese Aufgabe dadurch gelöst,Based on an optical surface measuring device for testing mechanical surfaces with a light beam, focused on the sample to be tested, then regenerated and reflected through a separator is diverted to a receiver, this task is achieved by
daß das Lichtstrahlenbündel ein polychromatisches Strahlenbündel ist,that the light beam is a polychromatic beam,
daß das auf die Oberfläche auftreffende Lichtstrahlenbündel mittels einer Longitudinal-Dispersionseinrichtung in longitudinaler Richtung zerlegt wirdthat the light beam impinging on the surface is decomposed in the longitudinal direction by means of a longitudinal dispersion device
und daß das regenerierte Strahlenbündel von einer Winkel-Dispersionseinrichtung zerlegt und so von dem Empfänger aufgenommen wird.and that the regenerated beam is split up by an angular dispersion device and so by the Recipient is included.
Der Empfänger ist vorzugsweise von einer Fotodiodenreihe oder -matrix gebildet, die einer elektronischen Erfassungseinrichtung zugeordnet ist.The receiver is preferably formed by a photodiode row or matrix, which is an electronic detection device assigned.
Die Komponenten können mit Ausnahme des einer Relativbewegung unterworfenen Prüfmusters stationär angeordnet sein.With the exception of the test sample that is subjected to a relative movement, the components can be arranged in a stationary manner be.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt die Lichtquelle einen Schlitz, und der Empfänger ist von einer Fotodiodenmatrix zur dreidimensionalen Erfassung gebildet.According to a preferred embodiment of the invention, the light source has a slot and the receiver is formed by a photodiode matrix for three-dimensional detection.
Im folgenden sei die Erfindung anhand der.Zeichnung näher erläutert:The invention is described in greater detail below with reference to the drawing explained:
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Profilometers,Fig. 1 shows a schematic representation of a conventional profilometer,
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Profilometers gemäß der Erfindung.Fig. 2 shows a schematic representation of a profilometer according to the invention.
Das Funktionsprinzip eines herkömmlichen Profilometers ist in Fig. 1 veranschaulicht: Mit 1 ist eine monochro-The functional principle of a conventional profilometer is illustrated in Fig. 1: With 1 is a monochrome
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matische Lichtquelle bezeichnet, deren Strahlen gebündelt sind und somit parallel verlaufen. Die Strahlen treffen auf einen Separator 3 und gelangen durch diesen zu einem ersten Objektiv 5. Dieses konzentriert das Licht auf die Oberfläche des Prüfmusters 7. Das Objektiv 5 ist in Richtung des Pfeiles verschiebbar. Das reflektierte Licht dringt wieder durch das Objektiv 5, wird von dem Separator 7 zu einem zweiten Objektiv 9 umgelenkt und durch dieses auf eine vor einem Empfänger 13 angeordnete Blende 11 konzentriert.called matic light source, the rays of which are bundled and thus run parallel. The Rays hit a separator 3 and pass through it to a first lens 5. This concentrates the Light onto the surface of the test sample 7. The objective 5 can be displaced in the direction of the arrow. That reflected Light penetrates through the objective 5 again, becomes a second objective 9 from the separator 7 deflected and concentrated by this on a diaphragm 11 arranged in front of a receiver 13.
Das Signal des Empfängers 13 besitzt ein Maximum, wenn die Oberfläche des Musters sich in der Fokussierungsebene des Objektivs 5 befindet. Das dargestellte Konzept basiert - wie erwähnt-auf einer herkömmlichen Lösung, bei der das Objektiv 5 in axialer Richtung oszilliert und das Signal phasenrichtig aufgenommen wird.The signal from the receiver 13 has a maximum when the surface of the pattern is in the focal plane of the lens 5 is located. The concept shown is based - as mentioned - on a conventional solution, in which the lens 5 oscillates in the axial direction and the signal is recorded in the correct phase.
Bei dem Gerät gemäß der Erfindung findet ein ähnliches Schema Anwendung, wobei gleichzeitig eine Folge von in Wellenlängen kodierten Fokussierungspunkten in Achsenrichtung verwendet wird. Dies ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Folge verschiedener Fokussierungspunkte in longitudinaler Richtung ergibt sich durch die Verwendung von polychromatischem statt monochromatischem Licht. Alle Komponenten mit Ausnahme des zu prüfenden Musters sind stationär. In axialer Richtung bilden sich mehrere Fokussierungspunkte, die in umkehrbar eindeutiger Relation zu einer Wellenlänge-stehen. Die entsprechenden Signale werden sodann unter Ausnutzung der Eigenschaften der verschiedenen Wellenlängen in lateraler Zerlegung auf einen von einer Fotodiodenreihe gebildeten Empfänger gegeben. Die sequentielle Abtastung der Fotodioden liefert ein Maximum, das der Position der Oberfläche des Prüfmusters relativ zu dem Objektiv entspricht.In the device according to the invention, a similar scheme is used, at the same time a sequence of in Wavelengths encoded focussing points is used in the axial direction. This is shown schematically in FIG shown. The sequence of different focussing points in the longitudinal direction results from the Use of polychromatic instead of monochromatic light. All components with the exception of the one to be tested Patterns are stationary. Several focussing points are formed in the axial direction, which are reversible unambiguous relation to a wavelength. The corresponding signals are then used the properties of the different wavelengths in a lateral decomposition on one of a photodiode row educated recipient. The sequential scanning of the photodiodes provides a maximum, that of the position corresponds to the surface of the test sample relative to the objective.
In Fig. 2 ist ein Funktionsschema des Geräts gemäß derIn Fig. 2 is a functional diagram of the device according to the
Erfindung dargestellt. Mit 21 ist eine polychromatische Lichtquelle bezeichnet, die mittels eines achromatischen Kollimators 23 in ein Bündel paralleler Strahlen verwandelt wird. Das kollimierte polychromatische Strahlenbündel dringt durch den Separator 25 und eine Longitudinal-Dispersions- und Fokussierungseinrichrtung 27. Infolgedessen bildet sich im Bereich des zu analysierenden Musters 29 eine Reihe von Fokussierungspunkten Fl bis FN aus, die jeweils zu einer bestimmten Wellenlänge, d.h. zu einem jeweils anderen monochromatischen Licht gehören. Das Bild durchdringt von neuem die Dispersions- und Fokussierungseinrichtung 27 und wird von dem Separator 25 zu einer Winkel-Dispersionsund Fokussierungseinrichtung 31 umgelenkt. Die nach Winkeln zerlegten Bilder werden längs der Fotodiodenreihe 33 fokussiert, die mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung 35 verbunden ist. Die Lichtquelle 21 wird vorteilhafterweise durch eine Blende 37 begrenzt, die von einem Schlitz gebildet ist, der rechtwinklig zu der Richtung angeordnet ist, in der die Dispersion stattfindet, und damit rechtwinklig zur Fotodiodenreihe 33.Invention shown. With a polychromatic light source is designated, which by means of an achromatic Collimator 23 is transformed into a bundle of parallel rays. The collimated polychromatic Beam penetrates through the separator 25 and a longitudinal dispersion and focusing device 27. As a result, a series of focussing points is formed in the area of the pattern 29 to be analyzed Fl to FN from, each to a specific wavelength, i.e. to a different monochromatic Belong to light. The image again penetrates the dispersing and focusing device 27 and is deflected by the separator 25 to an angle dispersion and focusing device 31. The after Images divided into angles are focused along the row of photodiodes 33, with an electronic evaluation device 35 is connected. The light source 21 is advantageously limited by a diaphragm 37, which is formed by a slot arranged at right angles to the direction in which the dispersion takes place, and thus at right angles to the photodiode row 33.
Der Meßbereich wird durch die longitudinale Dispersion und durch die Fokussierungseigenschaften bestimmt. Die Winkel-Dispersion und die Eigenschaften der zweiten Fokussierungseinrichtung sind mit dem verwendeten Empfänger in Einklang zu bringen. Die Empfindlichkeit und die laterale Auflösung hängen von denselben Parametern ab.The measuring range is determined by the longitudinal dispersion and the focusing properties. the Angular dispersion and the properties of the second focusing device are different with the receiver used to reconcile. The sensitivity and the lateral resolution depend on the same parameters.
Die Longitudinal-Dispersions- und Fokussierungseinrichtung 27 kann zwei separate Komponenten zur Erzielung der longitudinalen Dispersionswirkung und der Fokussierung beinhalten: Eine einfache Linse 27A, die als Dispersionseinrichtung dient, und ein Mikroskop-Objektiv 27B. Alternativ kann das Dispersionselement auch in dem Kollimatorobjektiv oder in dem Fokussierungs-Objektiv mit einer geeigneten optischen Gruppe enthalten sein.The longitudinal dispersion and focusing device 27 can achieve two separate components the longitudinal dispersing action and focusing include: A simple lens 27A, which acts as the dispersing device serves, and a microscope lens 27B. Alternatively, the dispersion element can also be used in the Collimator lens or be included in the focusing lens with a suitable optical group.
Auch die Winkel-Dispersions- und Fokussierungseinrichtung 31 kann zwei Elemente enthalten: Das erste dieser Elemente kann ein Prisma, oder auch ein Gitter sein, während das zweite von einem korrigierten Objektiv gebildet sein kann.The angle dispersion and focusing device 31 can also contain two elements: The first of these Elements can be a prism or a grating, while the second is formed by a corrected objective can be.
Die Lichtquelle 21 kann eine WeiSlicht-Lampe mit Kondensator und Schlitz sein. Der Schlitz vereinfacht die Ausrichtung und dehnt die Anwendungsmöglichkeit der Vorrichtung aus auf die Tomografie über einen ganzen Abschnitt mit einer Fotodiodenmatrix als Empfänger.The light source 21 can be a white light lamp with a condenser and be slot. The slot simplifies alignment and expands the range of applications Device based on tomography over an entire section with a photodiode matrix as a receiver.
Bei der Anwendung des Geräts ist ein geeignetes Informationsverarbeitungsprogramm einzusetzen.When using the device is a suitable information processing program to use.
Die Signale der verschiedenen Fotodioden lassen sich für die Differentialmessung kleinster Verschiebungen um eine vorbestimmte Position einsetzen, wobei diese Position der Position einer eindeutigen Verteilungsfunktion (Signalspitze, Barizentrum u.a.) zugeordnet ist.The signals from the various photodiodes can be used for the differential measurement of the smallest displacements insert a predetermined position, this position being the position of a unique distribution function (Signal peak, baricenter, etc.) is assigned.
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Claims (4)
DI OTTICAISTITUTO NAZIONALE
DI OTTICA
dadurch gekennzeichnet, I /, Optical surface measuring device for testing mechanical surfaces with a light beam that is concentrated on the sample to be tested, then regenerated and deflected by reflection through a separator to a receiver,
characterized,
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- 1984-08-02 DE DE19843428593 patent/DE3428593A1/en active Granted
- 1984-08-02 FR FR8412251A patent/FR2550332B1/en not_active Expired
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