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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    • G01B2210/50Using chromatic effects to achieve wavelength-dependent depth resolution

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Oberflächenmeßge­ rät (Profilometer) der im Gattungsbegriff des Patentan­ spruch 1 beschriebenen Art.The invention relates to an optical surface measurement advises (Profilometer) in the generic term of the patent Proof 1 described type.

Mechanische Oberflächen sind außer durch ihre makrosko­ pische Gestalt durch den Endbearbeitungszustand charak­ terisiert, der durch Rauheitswerte (Feinbearbeitung) angegeben wird. Viele der funktionellen Eigenschaften des Fertigteils hängen mit dieser Feinbearbeitung zu­ sammen. Sie wird durch eine Reihe von Parametern ausge­ drückt, beispielsweise durch R a , rms, die Autokorrela­ tionsfunktion, das Fourierspektrum und andere. Diese Werte lassen sich durch integrierte Messungen auf Ober­ flächenbereichen ermitteln oder aus der Kenntnis der dreidimensionalen Topographie der Oberfläche herleiten.In addition to their macroscopic shape, mechanical surfaces are characterized by the state of finishing, which is indicated by roughness values (finishing). 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 R a , rms , the autocorrelation function, the Fourier spectrum and others. These values can be determined by integrated measurements on surface areas or derived from knowledge of the three-dimensional topography of the surface.

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. Das wahre dreidimensionale Profil erhält man durch Abtastungen längs paralleler Abschnitte. Die zu diesem Zweck verwendeten verschiedenen Geräte sind prinzipiell durch die Empfindlichkeit, die laterale Auflösung und das Meßintervall gekennzeichnet.The one for the reconstruction of the three-dimensional topogra Devices used record the surface in Reality along linear sections and thus deliver a height profile from which the desired parameters who extrapolates based on statistical criteria that can. Preserves the true three-dimensional profile one by scanning along parallel sections. The are various devices used for this purpose principally through the sensitivity, the lateral  Resolution and the measuring interval marked.

Das bei mechanischen Anwendungen interessierende Meßin­ strument reicht üblicherweise von Bruchteilen eines Mi­ kron bis zu einigen Dutzend Mikron.The measurement of interest in mechanical applications strument usually ranges from fractions of a mi kron up 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.In addition to devices that use the Moir´ technology or the Pro use fringe or lines and the Perform surface measurements up to a limit that less than a few microns exist for the area mechanically of interest, two families of devices, namely the devices working with stylus needles and the optical profilometer.

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

Optische Oberflächenmeßgeräte (Profilometer) sind Vor­ richtungen zur berührungslosen Messung. Die erzielbare Auflösung beträgt vertikal Bruchteile eines Mikron und in lateraler Richtung etwa ein Mikron. Es sind auch hochgezüchtete optische (Überlagerungs- und interfero­ metrische) Profilometer mit höherer Auflösung be­ kannt, vgl. hierzu:
G.E. Sommargren, Applied Optics, Vol. 20, No. 4 (1981), pp, 610-618;
J.E. Wyant, Laser Focus, May 1982, pp. 65-71;
J.M. Bennet, Applied Optics, Vol. 15, No. 11 (1976), pp. 2705-2721.
Optical surface measuring devices (profilometers) are devices for non-contact measurement. The achievable resolution is a fraction of a micron vertically and approximately one micron in the lateral direction. There are also well-bred optical (superimposition and interferometric) profilometers with higher resolution known, cf. For this:
GE Sommargren, Applied Optics, Vol. 20, No. 4 (1981), pp, 610-618;
JE Wyant, Laser Focus, May 1982, pp. 65-71;
JM Bennet, Applied Optics, Vol. 15, No. 11 (1976), pp. 2705-2721.

Ein optisches Oberflächenmeßgerät der gattungsgemäßen Art ist aus FR-PS 15 34 762 bekannt. 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. Es ergibt sich dadurch ein zeitraubender und auch fehleranfälliger Meß­ vorgang. An optical surface measuring device of the generic type is known from FR-PS 15 34 762. With this device it is however, the lens optics required during the measurement to shift so that the focal point is the lower altitude the measuring surface is tracked. It follows thereby a time-consuming and error-prone measurement 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. B. rot und grün besteht, die zwei in Strahlrichtung hintereinanderliegende dis­ krete Brennpunkte bilden. 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. 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.From DE-OS 14 73 780 is an optical surface measurement device known in which a fo on the measuring surface kissed bundle of rays only from two by means of filters filtered out color components, e.g. B. there is red and green, the two dis one behind the other in the beam direction Form focal points. The reflected light will two receptors selectively sensitive to the color components gladly fed, and from the intensity ratio of The position of the measuring surface becomes the two receiver signals determined relative to the focal points. This is true no movement of the measuring device or the measuring surface required during measurement, however the device is relatively faint due to the use of color filters, and since the measuring surface is normally between the two the focal point is in particular the side Resolution very limited.

Aus 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. 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. Auch hier ist die laterale Auflösung nicht optimal, und es wird ein bewegliches Teil, nämlich die Zerhackerscheibe, benötigt.From IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 16, No. 2, July 1973, pp. 433-434 is an optical surface measurement device known, in which two coaxial measuring beams with different pulse identification are checked, in two Beam direction of successive focal points fo be kissed. From the reflecting from the measuring surface th light are transmitted to the receiver by means of a closed logic circuit the intensities of through different marked pulse components determined and thereby the position of the measuring surface relative determined to the focal points. Here too is the lateral Resolution is not optimal and it becomes a moving part, namely the chopper disc, 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 a without moving Liche parts working optical surface measuring device specified type, which with simple construction, high light intensity and good lateral resolution the con Continuous and quantitative recording of altitude levels allow different measurement surface.  

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im An­ spruch 1 angegeben. Die Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen.The achievement of the object is in the pronounced 1. The subclaims relate on further advantageous refinements.

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. Das Gerät benötigt keine beweglichen Teile, außer eventuell Mittel zum Weiterbewegen der Meß­ oberfläche, wenn mehrere Bereiche gemessen werden sollen. 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.Through the inventive idea, by means of longitudinal dis persion of the measuring beam a continuous sequence of To generate focal points along the beam axis, and through transverse dispersion of the reflected light beam each of these focal points a focal point at the receiver clearly assign, the advantage is achieved that simply query the get the reflection maximum the location of the measurement surface relative to the receiver be quantitative to the focal points of the measuring beam can be voted. The device does not require any moving Parts, except possibly means for moving the measuring surface if several areas are to be measured. Since the spectral is mainly used for the measurement contributes to the part of the measuring beam, in its focal point the measuring surface is also a very good la receive teral resolution.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. An embodiment of the invention is based on the Drawing explained in more detail.  

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Profilometers nach dem Stand der Technik. Fig. 1 shows a schematic representation 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 lometer 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. Die Strahlen treffen auf einen Strahlteiler 3 und gelangen durch diesen zu einem ersten Objektiv 5. Dieses konzentriert das Licht auf die Oberfläche des Prüfmusters 7. Das Objek­ tiv 5 ist in Richtung des Pfeiles verschiebbar. 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 principle of operation of a conventional profilometer is illustrated in FIG. 1: 1 denotes a monochromatic light source whose rays are bundled and thus run parallel. The beams hit a beam splitter 3 and pass through this to a first objective 5 . This concentrates the light on the surface of the test sample 7 . The lens 5 is movable in the direction of the arrow. The re reflected light penetrates through the lens 5 again , is deflected by the beam splitter 3 to a second lens 9 and is concentrated by this on an arranged in front of a receiver 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. 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 signal of the receiver 13 has a maximum when the surface of the pattern is in the focusing plane of the lens 5 . The Kon time shown is based - as mentioned - on a conventional solution, in which the lens 5 reciprocates 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 jedoch eine Folge von durch die Wellenlänge unterschiedenen Fokussierungspunkten in Achsen­ richtung verwendet wird. Dies ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Folge verschiedener Fokussierungspunk­ te in longitudinaler Richtung ergibt sich durch die Verwendung von polychromatischem statt monochromati­ schem Licht. Alle Komponenten mit Ausnahme des zu prü­ fenden Musters sind stationär. In axialer Richtung bil­ den 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 la­ teraler Zerlegung auf einen von einer Fotodiodenreihe gebildeten Empfänger gegeben. Die sequentielle Abta­ stung der Fotodioden liefert ein Maximum, das der Posi­ tion der Oberfläche des Prüfmusters relativ zu dem Ob­ jektiv entspricht.A similar scheme is used in the device according to the invention, but using a sequence of focusing points in the direction of the axis, which are differentiated by the wavelength. This is shown schematically in FIG. 2. The sequence of different focusing points in the longitudinal direction results from the use of polychromatic instead of monochromatic light. All components with the exception of the sample to be tested are stationary. In the axial direction, there are several focussing points that are reversibly and clearly related to a wavelength. The corresponding signals are then passed on to a receiver formed by a row of photodiodes, taking advantage of the properties of the different wavelengths in la teral division. The sequential scanning of the photodiodes provides a maximum that corresponds to the position of the surface of the test pattern relative to the objective.

In Fig. 2 ist ein Funktionsschema des Geräts gemäß der Erfindung dargestellt. Mit 21 ist eine polychromatische Lichtquelle bezeichnet, die mittels eines achromati­ schen Kollimators 23 in ein Bündel paralleler Strahlen verwandelt wird. Das kollimierte polychromatische Strahlenbündel läuft durch den Strahlteiler 25 und eine Longitudinal-Dispersions- und Fokussierungseinrichtung 27. 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, d. h. zu einem jeweils anderen monochroma­ tischen Licht gehören. 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. Die nach Winkeln zerlegten Strahlanteile werden längs der Fotodioden­ reihe 33 fokussiert, die mit einer elektronischen Aus­ werteeinrichtung 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.In FIG. 2 is a functional diagram of the device shown according to the invention. With 21 a polychromatic light source is designated, which is converted by means of an achromatic collimator 23 into a bundle of parallel beams. The collimated polychromatic beam passes through the beam splitter 25 and a longitudinal dispersion and focusing device 27 . As a result, a number of focusing points F 1 to FN form in the area of the pattern 29 to be analyzed, each of which belongs to a specific wavelength, ie to a different monochromatic light. The reflected light again penetrates the dispersion and focusing device 27 and is deflected by the beam splitter 25 to an angle dispersion and focusing device 31 . The beam components broken down into angles are focused along the row 33 of photodiodes, which is connected to an electronic evaluation device 35 . The light source 21 is advantageously delimited by an aperture 37 which is formed by a slot which is arranged at right angles to the direction in which the dispersion takes place, and thus at right angles to the row of photodiodes 33 .

Der Meßbereich wird durch die longitudinale Dispersion und durch die Fokussierungseigenschaften bestimmt. Die Winkel-Dispersion und die Eigenschaften der zweiten Fo­ kussierungseinrichtung sind mit dem verwendeten Empfän­ ger 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 determined by the focusing properties. The Angular dispersion and the properties of the second Fo Kissing device are used with the recipient to reconcile. The sensitivity and the 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. Alternativ kann das Dispersionselement auch in dem Kollimatorobjektiv oder in dem Fokussierungs-Objektiv in Form einer geeigneten optischen Einheit integriert sein. The longitudinal dispersion and focusing device 27 may include two separate components for achieving the longitudinal dispersion effect and the focusing: a simple lens 27 A , which serves as a dispersion device, and a microscope objective 27 B. Alternatively, the dispersion element can also be integrated in the collimator lens or in 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.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 can be formed by a corrected lens.

Die Lichtquelle 21 kann eine Weißlicht-Lampe mit Kon­ densator und Schlitz sein. 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 light source 21 may be a white light lamp with condenser and slot. The slot simplifies the alignment and extends the possible application of the device to strip-wise scanning (in the manner of a tomography) of entire sections of the measuring surface when using a photodiode matrix as the receiver.

Bei der Anwendung des Geräts ist ein geeignetes Infor­ mationsverarbeitungsprogramm einzusetzen.A suitable information is provided when using the device tion processing program.

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 u. a.) zugeordnet sein kann.The signals of the different photodiodes can be for the differential measurement of smallest shifts insert a predetermined position that one specific position of a unique distribution function (Signal peak, curve center, etc.) can be assigned.

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,
daß das Strahlen­ bündel polychromatisch ist,
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,
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
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.
1. Optical surface measuring device with a focus on the lens optics, which focuses a beam generated by a light source onto the measurement surface, and with a beam splitter, which reflects the light from the measurement surface and is deflected by the lens optics onto a receiver optics, which deflects the beams focused a receiver, characterized in that
that the beam is polychromatic,
that the objective optical system (27) includes a longitudinally farbdis pergierendes element (27 A) and generates a sequence of kontinuier Liche lying along the optical axis focal points (F 1, F N) of the individual wavelengths,
that the receiver optics ( 31 ) contains a color-dispersing element in the transverse direction and on the receiver ( 33 ) generates a continuous sequence of focal points of the individual wavelengths lying next to one another, and
that the receiver ( 33 ) has a multiplicity of photodiodes arranged next to one another and an electronic evaluation device ( 35 ) for determining the photodiode receiving the maximum radiation intensity.
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 measuring device according to claim 1, characterized in that the light source is 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 measuring device according to claim 1, characterized in that the electronic evaluation device ( 35 ) scans the photodiodes sequentially.
4. Oberflächenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Empfänger (33) eine zweidimensionale Photodiodenmatrix aufweist.4. Surface measuring device according to claim 1, characterized in that the receiver ( 33 ) has a two-dimensional photodiode matrix.
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