DE3428593C2 - - Google Patents

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DE3428593C2
DE3428593C2 DE19843428593 DE3428593A DE3428593C2 DE 3428593 C2 DE3428593 C2 DE 3428593C2 DE 19843428593 DE19843428593 DE 19843428593 DE 3428593 A DE3428593 A DE 3428593A DE 3428593 C2 DE3428593 C2 DE 3428593C2
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Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Oberflächenmeßge rät (Profilometer) der im Gattungsbegriff des Patentan spruch 1 beschriebenen Art. The invention relates to an optical Oberflächenmeßge advises (profilometer) of the type described in the preamble of patent applica demanding. 1

Mechanische Oberflächen sind außer durch ihre makrosko pische Gestalt durch den Endbearbeitungszustand charak terisiert, der durch Rauheitswerte (Feinbearbeitung) angegeben wird. Mechanical surfaces except european by their shape makrosko terized by the finished state charak, by roughness (fine machining) is specified. Viele der funktionellen Eigenschaften des Fertigteils hängen mit dieser Feinbearbeitung zu sammen. Many of the functional properties of the finished part associated with this finishing to gether. Sie wird durch eine Reihe von Parametern ausge drückt, beispielsweise durch R a , rms , die Autokorrela tionsfunktion, das Fourierspektrum und andere. It will be suppressed by a number of parameters, for example by R a, rms, the Autokorrela tion functions, the Fourier spectrum, and others. Diese Werte lassen sich durch integrierte Messungen auf Ober flächenbereichen ermitteln oder aus der Kenntnis der dreidimensionalen Topographie der Oberfläche herleiten. These values ​​can be determined surface areas or derived from knowledge of the three-dimensional topography of the surface by integrated measurements on top.

Die zur Rekonstruktion der dreidimensionalen Topogra phie verwendeten Geräte erfassen die Oberfläche in Wirklichkeit längs linearer Abschnitte und liefern so ein Höhenprofil, aus welchem die gewünschten Parameter auf derBasis statistischer Kriterien extrapoliert wer den können. The devices used tomography for reconstructing the three-dimensional Topographic detect the surface in reality along linear portions, thus providing a height profile, from which the desired parameters extrapolated on the basis of statistical criteria who can. Das wahre dreidimensionale Profil erhält man durch Abtastungen längs paralleler Abschnitte. you get the true three-dimensional profile by scans along parallel sections. Die zu diesem Zweck verwendeten verschiedenen Geräte sind prinzipiell durch die Empfindlichkeit, die laterale Auflösung und das Meßintervall gekennzeichnet. The various devices used for this purpose are in principle characterized by the sensitivity, the lateral resolution and the measurement interval.

Das bei mechanischen Anwendungen interessierende Meßin strument reicht üblicherweise von Bruchteilen eines Mi kron bis zu einigen Dutzend Mikron. The interest in mechanical applications messin instrument usually ranges from fractions of a Mi kron to a few dozen microns.

Neben Geräten, die von der Moir´-Technik oder der Pro jektion von Fransen oder Linien Gebrauch machen und die Oberflächenmessungen bis zu einer Grenze 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. make neighboring devices, the jection of the Moir' technique or the Pro by fringes or lines of use and up to a limit perform surface measurements that is less than a few microns exist in the area which is mechanically of interest, two families of devices, namely the working with stylus devices, and the optical profilometer.

Die mit Abtastnadeln arbeitenden Geräte sind sehr ver breitet. The operating with stylus devices are spreading very ver. Ihre vertikale Auflösung liegt in der Größen ordnung von etwa 10 Å, während die laterale Auflösung bei einigen Mikron liegt. Its vertical resolution is in the order of sizes of about 10 Å, while the lateral resolution is a few microns.

Optische Oberflächenmeßgeräte (Profilometer) sind Vor richtungen zur berührungslosen Messung. Optical Oberflächenmeßgeräte (profilometer) are Before devices for contactless measurement. Die erzielbare Auflösung beträgt vertikal Bruchteile eines Mikron und in lateraler Richtung etwa ein Mikron. The achievable resolution is vertically fractions of a micron and in the lateral direction is about one micron. Es sind auch hochgezüchtete optische (Überlagerungs- und interfero metrische) Profilometer mit höherer Auflösung be kannt, vgl. There are also highly bred optical (overlay and interferometric metric) profilometer higher resolution be withdrawn, see. hierzu: For this:
GE Sommargren, Applied Optics, Vol. 20, No. GE Sommargren, Applied Optics, Vol. 20, No. 4 (1981), pp, 610-618; 4 (1981), pp, 610-618;
JE Wyant, Laser Focus, May 1982, pp. JE Wyant, Laser Focus, May 1982, pp. 65-71; 65-71;
JM Bennet, Applied Optics, Vol. 15, No. JM Bennett, Applied Optics, Vol. 15, No. 11 (1976), pp. 11 (1976), pp. 2705-2721. 2705-2721.

Ein optisches Oberflächenmeßgerät der gattungsgemäßen Art ist aus FR-PS 15 34 762 bekannt. An optical surface metrological of the generic type is known from FR-PS 15 34 762nd Bei diesem Gerät ist es jedoch erforderlich, während der Messung die Objektivoptik derart zu verschieben, daß der Brennpunkt den Höhenunter schieden der Meßoberfläche nachgeführt wird. In this apparatus, however, it is necessary to move during the measurement, the objective optical system so that the focal point separated the height of the measurement surface will be tracked. Es ergibt sich dadurch ein zeitraubender und auch fehleranfälliger Meß vorgang. This results in a time-consuming and error-prone measuring process.

Aus der DE-OS 14 73 780 ist ein optisches Oberflächenmeß gerät bekannt, bei dem ein auf die Meßoberfläche fo kussiertes Strahlenbündel nur aus zwei mittels Filtern ausgefilterten Farbanteilen, z. From DE-OS 14 73 780 an optical device Oberflächenmeß is known in which a kussiertes onto the measurement surface fo radiation beam from only two filtered out by filtering the color components, for. B. rot und grün besteht, die zwei in Strahlrichtung hintereinanderliegende dis krete Brennpunkte bilden. B. is red and green, which form two consecutive in the beam direction dis concrete foci. Das reflektierte Licht wird zwei für die Farbanteile selektiv empfindlichen Empfän gern zugeführt, und aus dem Intensitätsverhältnis der beiden Empfängersignale wird die Lage der Meßoberfläche relativ zu den Brennpunkten ermittelt. The reflected light is often supplied to two selective sensitivity for the color components receptions and seminars, and from the intensity ratio of the two receiver signals the position of the measurement surface is determined relative to the focal points. Hierbei ist zwar keine Bewegung des Meßgerätes oder der Meßoberfläche während der Messung erforderlich, jedoch ist das Gerät wegen der Verwendung von Farbfiltern relativ lichtschwach, und da die Meßoberfläche normalerweise zwischen den bei den Brennpunkten liegt, ist insbesondere die seitliche Auflösung sehr begrenzt. Although in this case no movement of the measuring device or the measuring surface during measurement is required, but the device is relatively faint because of the use of color filters, and since the measuring surface is normally between at the focal points, the lateral resolution is in particular very limited.

Aus IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 16, No. From IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 16, No. 2, Juli 1973, S. 433-434 ist ein optisches Oberflächenmeß gerät bekannt, bei dem zwei koaxiale Meßstrahlen, die mit unterschiedlicher Pulskennung geprüft sind, in zwei in Strahlrichtung hintereinanderliegenden Brennpunkten fo kussiert werden. 2, July 1973, p 433-434 an optical Oberflächenmeß apparatus is known in which two coaxial measuring beams, which are tested with different pulse identifier are kussiert in two consecutive foci in the beam direction fo. Aus dem von der Meßoberfläche reflektier ten Licht werden mittels einer an den Empfänger ange schlossenen Logikschaltung die Intensitäten der durch unterschiedliche Impulskennung gekennzeichneten Anteile ermittelt und dadurch die Lage der Meßoberfläche relativ zu den Brennpunkten bestimmt. the intensities of the portions indicated by different pulse identifier are determined, thereby determining the position of the measurement surface relative to the focal points by means of a receiver attached to the closed circuit of the logic reflektier th light from the measurement surface. Auch hier ist die laterale Auflösung nicht optimal, und es wird ein bewegliches Teil, nämlich die Zerhackerscheibe, benötigt. Again, the lateral resolution is not optimal, and it is a moving part, namely the chopper needed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ohne beweg liche Teile arbeitendes optisches Oberflächenmeßgerät der angegebenen Art zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau, hoher Lichtstärke und guter lateraler Auflösung die kon tinuierliche und quantitative Erfassung von Höhenunter schieden der Meßoberfläche ermöglicht. The invention has for its object to provide a Move without Liche parts working optical surface metrological of the type indicated, which with a simple structure, high brightness and good lateral resolution the con tinuous and quantitative detection of differences in height enables the measuring surface.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im An spruch 1 angegeben. The inventive solution of the problem is defined in demanding to first Die Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen. The dependent claims relate to further advantageous embodiments.

Durch den erfindungsgemäßen Gedanken, mittels Längsdis persion des Meßstrahls eine kontinuierliche Folge von Brennpunkten längs der Strahlachse zu erzeugen, und durch Querdispersion des reflektierten Lichtbündels jedem dieser Brennpunkte einen Brennpunktort am Empfänger eindeutig zuzuordnen, wird der Vorteil erzielt, daß durch einfaches Abfragen des das Reflexionsmaximum erhalten den Empfängerortes die Lage der Meßoberfläche relativ zu den Brennpunktorten des Meßstrahls quantitativ be stimmt werden kann. The inventive idea of ​​using Längsdis persion of the probe beam to generate a continuous sequence of focal points along the beam axis, and unique to a Brennpunktort at the receiver by transverse dispersion of the reflected light beam to each of these focal points, the advantage is achieved that obtained by simply querying the the reflection maximum the receiver location, the location of the measurement surface may be true relative to the focal point locations of the measuring beam quantitatively be. Das Gerät benötigt keine beweglichen Teile, außer eventuell Mittel zum Weiterbewegen der Meß oberfläche, wenn mehrere Bereiche gemessen werden sollen. The device requires no moving parts, except possibly means for advancing the measuring, when a plurality of surface areas are to be measured. Da zur Messung immer hauptsächlich derjenige Spektral anteil des Meßstrahls beiträgt, in dessen Brennpunkt die Meßoberfläche liegt, wird auch eine sehr gute la terale Auflösung erhalten. As more and contributes mainly to measure one spectral share of the probe beam in the focal point of the measuring surface is also a very good la obtained teral resolution.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. An embodiment of the invention is explained in detail with reference to the drawing.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Profilometers nach dem Stand der Technik. Fig. 1 shows a schematic illustration of a profilometer according to the prior art.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Profi lometers gemäß der Erfindung. Fig. 2 shows a schematic representation of a professional lometers according to the invention.

Das Funktionsprinzip eines herkömmlichen Profilometers ist in Fig. 1 veranschaulicht: Mit 1 ist eine monochro matische Lichtquelle bezeichnet, deren Strahlen gebün delt sich und somit parallel verlaufen. The operating principle of a conventional profilometer is illustrated in Fig. 1: 1 with a monochro matic light source is called, whose beams gebün delt thus extend and parallel. Die Strahlen treffen auf einen Strahlteiler 3 und gelangen durch diesen zu einem ersten Objektiv 5 . The beams are incident on a beam splitter 3 and passing through this to a first lens. 5 Dieses konzentriert das Licht auf die Oberfläche des Prüfmusters 7 . This concentrates the light on the surface of test sample. 7 Das Objek tiv 5 ist in Richtung des Pfeiles verschiebbar. The OBJEK tiv 5 is displaced in the direction of the arrow. Das re flektierte Licht dringt wieder durch das Objektiv 5 , wird von dem Strahlteiler 3 zu einem zweiten Objektiv 9 umgelenkt und durch dieses auf eine vor einem Empfänger 13 angeordnete Blende 11 konzentriert. The re inflected light passes again through the objective lens 5, deflected by the beam splitter 3 to a second lens 9 and concentrated by this onto a receiver arranged in front of a 13 aperture. 11

Das Signal des Empfängers 13 besitzt ein Maximum, wenn die Oberfläche des Musters sich in der Fokussierungs ebene des Objektivs 5 befindet. The signal of the receiver 13 is at a maximum when the surface of the pattern is in the focus plane of the objective. 5 Das dargestellte Kon zeit basiert - wie erwähnt - auf einer herkömmlichen Lö sung, bei der das Objektiv 5 in axialer Richtung hin- und herbewegt und das Signal phasenrichtig aufgenommen wird. The illustrated Kon time-based - as mentioned - on a conventional Lö solution in which the lens 5 back and forth in the axial direction, and the signal is received in correct phase.

Bei dem Gerät gemäß der Erfindung findet ein ähnliches Schema Anwendung, wobei jedoch eine Folge von durch die Wellenlänge unterschiedenen Fokussierungspunkten in Achsen richtung verwendet wird. In the apparatus according to the invention has a similar scheme application, but a sequence of the discriminated by the wavelength of focusing points used in axis direction. Dies ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. This is illustrated schematically in Fig. 2. Die Folge verschiedener Fokussierungspunk te in longitudinaler Richtung ergibt sich durch die Verwendung von polychromatischem statt monochromati schem Licht. The sequence of different focusing POINTS in the longitudinal direction is obtained by the use of polychromatic schem instead of monochromatic light. Alle Komponenten mit Ausnahme des zu prü fenden Musters sind stationär. All components except the Prue fenden pattern are stationary. In axialer Richtung bil den sich mehrere Fokussierungspunkte, die in umkehrbar eindeutiger Relation zu einer Wellenlänge stehen. bil in the axial direction of the several focus points that are in reversibly unambiguous relative to a wavelength. Die entsprechenden Signale werden sodann unter Ausnutzung der Eigenschaften der verschiedenen Wellenlängen in la teraler Zerlegung auf einen von einer Fotodiodenreihe gebildeten Empfänger gegeben. The corresponding signals are then added by utilizing the properties of the different wavelengths in la teraler decomposition to a formed by a photodiode array receiver. Die sequentielle Abta stung der Fotodioden liefert ein Maximum, das der Posi tion der Oberfläche des Prüfmusters relativ zu dem Ob jektiv entspricht. The sequential Abta stung the photodiodes delivers a maximum that of heading the surface of the test piece corresponds to the Whether relatively objectively.

In Fig. 2 ist ein Funktionsschema des Geräts gemäß der Erfindung dargestellt. In FIG. 2 is a functional diagram of the device shown according to the invention. Mit 21 ist eine polychromatische Lichtquelle bezeichnet, die mittels eines achromati schen Kollimators 23 in ein Bündel paralleler Strahlen verwandelt wird. 21 with a polychromatic light source is referred to, which is transformed by means of a rule achromati collimator 23 into a beam of parallel rays. Das kollimierte polychromatische Strahlenbündel läuft durch den Strahlteiler 25 und eine Longitudinal-Dispersions- und Fokussierungseinrichtung 27 . The collimated polychromatic radiation beam passes through the beam splitter 25 and a longitudinal dispersion and focusing means 27th Infolgedessen bildet sich im Bereich des zu analy sierenden Musters 29 eine Reihe von Fokussierungs punkten F 1 bis FN aus, die jeweils zu einer bestimmten Wellenlänge, dh zu einem jeweils anderen monochroma tischen Licht gehören. As a result, a number of focusing is formed in the region of about analy-stabilizing pattern 29 points F 1 to FN, which each belong to a particular wavelength, that is, to a respective different MONOCHROMA tables light. Das reflektierte Licht durchdringt von neuem die Dispersions- und Fokussierungseinrichtung 27 und wird von dem Strahlteiler 25 zu einer Winkel-Dispersions- und Fokussierungseinrichtung 31 umgelenkt. The reflected light passes through again the dispersion and focusing device 27 and is deflected by the beam splitter 25 to an angular-dispersing and focusing means 31st Die nach Winkeln zerlegten Strahlanteile werden längs der Fotodioden reihe 33 fokussiert, die mit einer elektronischen Aus werteeinrichtung 35 verbunden ist. The decomposed by angles beam portions are along the photodiode array 33 focused, the value of an electronic device is connected from the 35th 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 . The light source 21 is advantageously limited by a diaphragm 37 which is formed by a slot which is arranged perpendicular to the direction in which the dispersion occurs, and thus perpendicular to the photodiode array 33rd

Der Meßbereich wird durch die longitudinale Dispersion und durch die Fokussierungseigenschaften bestimmt. The measuring range is determined by the longitudinal dispersion and by the focusing characteristics. Die Winkel-Dispersion und die Eigenschaften der zweiten Fo kussierungseinrichtung sind mit dem verwendeten Empfän ger in Einklang zu bringen. The angular dispersion and the properties of the second are Fo kussierungseinrichtung to bring the used ger receptions and seminars in unison. Die Empfindlichkeit und die laterale Auflösung hängen von denselben Parametern ab. The sensitivity and lateral resolution depend on the same parameters.

Die Longitudinal-Dispersions- und Fokussierungseinrich tung 27 kann zwei separate Komponenten zur Erzielung der longitudinalen Dispersionswirkung und der Fokussie rung beinhalten: Eine einfache Linse 27 A , die als Dis persionseinrichtung dient, und ein Mikroskop-Objektiv 27 B . The longitudinal dispersion and Fokussierungseinrich tung 27 may include two separate components to achieve the longitudinal dispersion effect and the Fokussie tion: A simple lens 27 A, which serves as Dis persionseinrichtung, and a microscope objective 27 B. Alternativ kann das Dispersionselement auch in dem Kollimatorobjektiv oder in dem Fokussierungs-Objektiv in Form einer geeigneten optischen Einheit integriert sein. Alternatively, the dispersion member may also be integrated in the collimator lens or the focusing lens in the form of a suitable optical unit.

Auch die Winkel-Dispersions- und Fokussierungseinrich tung 31 kann zwei Elemente enthalten: Das erste dieser Elemente kann ein Prisma oder auch ein Gitter sein, während das zweite von einem korrigierten Objektiv ge bildet sein kann. Also, the angle dispersion and Fokussierungseinrich tung 31 may include two elements: the first of these elements may be a prism or a grating, while the second ge of a corrected lens forms can be.

Die Lichtquelle 21 kann eine Weißlicht-Lampe mit Kon densator und Schlitz sein. The light source 21 may capacitor, a white light lamp with Kon and its slot. Der Schlitz vereinfacht die Ausrichtung und dehnt die Anwendungsmöglichkeit der Vorrichtung aus auf die streifenweise Abtastung (nach Art einer Tomografie) von ganzen Abschnitten der Meßoberfläche, bei Verwendung einer Fotodiodenmatrix als Empfänger. The slot simplifies the alignment and expands the possible application of the apparatus of the strip-wise scanning (the manner of a tomography) of whole sections of the measuring surface, using a photodiode array as a receiver.

Bei der Anwendung des Geräts ist ein geeignetes Infor mationsverarbeitungsprogramm einzusetzen. In the application of the device a suitable Infor is to use mationsverarbeitungsprogramm.

Die Signale der verschiedenen Fotodioden lassen sich für die Differentialmessung kleinster Verschiebungen um eine vorbestimmte Position einsetzen, die einer bestimmten Position einer eindeutigen Verteilungsfunktion (Signalspitze, Kurvenschwerpunkt ua) zugeordnet sein kann. The signals of the different photodiodes can be used for the differential measurement of small displacements to a predetermined position, which may be associated with a particular position of a unique distribution function (signal peak curve of gravity, etc.).

Claims (4)

1. Optisches Oberflächenmeßgerät mit einer fokussieren den Objektivoptik, die ein von einer Lichtquelle erzeug tes Strahlenbündel auf die Meßoberfläche fokussiert, und mit einem Strahlteiler, der das von der Meßoberfläche re flektierte und von der Objektivoptik gebündelte Licht auf eine Empfängeroptik umlenkt, die das Strahlenbündel auf einen Empfänger fokussiert, dadurch gekennzeichnet, 1. An optical surface metrological with a focus the objective optical system, which focuses an erzeug from a light source tes beam onto the measurement surface, and with a beam splitter which deflects the inflected and collimated by the objective optical light re from the measurement surface at a receiver optical radiation beam that focuses on a receiver, characterized in that
daß das Strahlen bündel polychromatisch ist, that the radiation is polychromatic bunch,
daß die Objektivoptik ( 27 ) ein in Längsrichtung farbdis pergierendes Element ( 27 A) enthält und eine kontinuier liche Folge von entlang der optischen Achse liegenden Brennpunkten (F 1 , F N ) der einzelnen Wellenlängen erzeugt, that the objective optical system (27) includes a longitudinally farbdis pergierendes element (27 A) and a kontinuier Liche sequence of lying along the optical axis focal points (F 1, F n) of the individual wavelengths,
daß die Empfängeroptik ( 31 ) ein in Querrichtung farbdis pergierendes Element enthält und auf dem Empfänger ( 33 ) eine kontinuierliche Folge von nebeneinanderliegenden Brennpunkten der einzelnen Wellenlängen erzeugt, und that the receiver optics (31) includes a transversely farbdis pergierendes element and on the receiver (33) a continuous sequence of adjacent focal points of the individual wavelengths generated, and
daß der Empfänger ( 33 ) eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Photodioden und eine elektronische Auswerte einrichtung ( 35 ) zur Feststellung der die maximale Strah lungsintensität empfangenden Photodiode aufweist. that the receiver (33) comprises a plurality of juxtaposed photodiodes and an electronic evaluation means (35) for detecting the maximum intensity radia tion comprises receiving photodiode.
2. Oberflächenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lichtquelle eine senkrecht zu der Umlenkebene des reflektierten Strahlenbündels stehen de Schlitzblende ( 21 ) aufweist. 2. surface metrological according to claim 1, characterized in that the light source comprises a are perpendicular to the deflection plane of the reflected beam de slit diaphragm (21).
3. Oberflächenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die elektronische Auswerte einrichtung ( 35 ) die Photodioden sequentiell abtastet. 3. surface metrological according to claim 1, characterized in that the electronic evaluation means (35), the photodiodes sequentially scans.
4. Oberflächenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Empfänger ( 33 ) eine zweidimensionale Photodiodenmatrix aufweist. 4. surface metrological according to claim 1, characterized in that the receiver (33) has a two-dimensional photodiode array.
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