DE4229313A1

DE4229313A1 - Verfahren und Vorrichtung zur hochgenauen Abstandsmessung von Oberflächen

Info

Publication number: DE4229313A1
Application number: DE4229313A
Authority: DE
Inventors: Guido Dipl Phys Wurbs; Bertold Dipl Ing Krueger
Original assignee: BETR FORSCH INST ANGEW FORSCH
Current assignee: BETR FORSCH INST ANGEW FORSCH
Priority date: 1992-09-02
Filing date: 1992-09-02
Publication date: 1994-03-03
Also published as: FI933818A7; EP0585893A1; JP4130236B2; DE59309152D1; ATE173814T1; FI933818A0; EP0585893B1; JPH06213658A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Weiterhin bezieht sich die Er findung auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Ein derartiges Verfahren mit Vorrichtung ist gemäß der DE-OS 34 35 033 bekannt. Danach läßt sich das Verfahren für Höhen- bzw. Ab stands-Messungen in der Ebene des zu vermessenden Gegenstandes vornehmen, ohne dabei die Abbildungsoptik fokussieren zu müssen, wenn die Anordnung nach den Bedingungen der Scheimpflug′schen Regel ge troffen wird. Dadurch läßt sich vor allem die Genauigkeit der Be stimmung bei einer Lichtfleckverschiebung auf dem Photoempfänger ver bessern. Der möglichst klein zu haltende Lichtfleck wird dabei mit einer Kante erzeugt, die auf der zu messenden Oberfläche abgebildet wird und von dort eine Fokussierung auf den Photoempfänger erfährt. Durch Verwendung des Lasers als Lichtquelle kommt es bei rauhen Ober flächen zu einem starken Rauschen der Meßwerte, vor allem durch viele, sogenannte Speckles in dem auf dem Photoempfänger abgebildeten Lichtfleck. Das hierdurch bedingte Rauschen ist umso stärker, je kleiner der Lichtfleck auf der zu vermessenden Oberfläche ist. Bei Rauhigkeitsmessungen liegt der Durchmesser bei einigen µm, aus welchem Grunde ein Laserlicht zu verwenden ist. Andererseits wird aber die Ausbildung einer scharfen Kante wegen der Kleinheit des Lichtfleckes eingeschränkt.

Aus der DE-PS 29 45 251 ist bekannt, daß mit dem Triangulationsver fahren Entfernungsänderungen und damit Oberflächenprofile sehr em pfindlich ausgemessen werden können. Dazu wird ein Laserstrahl schräg auf die zu vermessende Oberfläche gerichtet. Mit Hilfe einer senkrecht zur Oberfläche angeordneten Optik wird der Lichtfleck auf einem orts empfindlichen Photoempfänger abgebildet. Der auf dem Photoempfänger abgebildete Lichtfleck verschiebt sich proportional zur Entfernungs änderung der Probe. Mit Hilfe einer Differentialphotodiode oder einer Photodiodenzeile als Photoempfänger wird zum Beispiel auf elektroni schem Wege die Verschiebung des Lichtflecks und damit die Entfernungs änderung der zu vermessenden Oberfläche bestimmt. Der Hauptnachteil ist bei diesem Verfahren, daß der Lichtfleck bei Verwendung von Laser licht und der Vermessung von rauhen Oberflächen in viele Speckles zer fällt, was hier gleichfalls zu einem starken Rauschen der Meßwerte führt.

Vom einleitend dargestellten Stand der Technik ausgehend liegt der Er findung die Aufgabenstellung zugrunde, das Laser- oder Speckles-Rauschen der Meßwerte bei einem Triangulationsverfahren der art zu verringern, daß man auch bei sehr kleinen Lichtfleck durchmessern Abstandsänderungen mit hoher Genauigkeit vermessen kann. Auf diese Weise soll vor allen Dingen die Möglichkeit geschaffen werden, die Rauhigkeit durch eine derartige Messung zu bestimmen.

Die Erfindung löst diese Aufgabenstellung durch die in den Patent ansprüchen gemachten Vorschläge.

Im wesentlichen besteht die Erfindung somit darin, daß das von der Oberfläche gestreute/reflektierte Lichtbündel mit optischen Mitteln in zwei Lichtbündel mit näherungsweise derselben Flächenverteilung der Intensitäten quer zu ihrer Abstrahlrichtung zerlegt wird. Unter diesen Voraussetzungen kommt es zu einem Intensitätsverhältnis der beiden Teilbündel, welches von der Hauptstrahlrichtung des von der Oberfläche gestreuten/reflektierten Lichtbündels abhängig ist. Im Sinne der Er findung liegt es dann, ein oder beide Teilbündel photodiodisch zu detektieren und als Maß der Rauhigkeit auszuwerten.

Zur Veranschaulichung der Erfindung wird auf die sie näher er läuternden Ausführungsbeispiele in den Zeichnungen Bezug genommen. Darin zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einem Umlenk prisma zur winkelabhängigen Zerlegung, und

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit zwei im Gegen takt arbeitenden Umlenkprismen und einem an die beiden nach geschalteten Photoempfänger angeschlossenen Differenzver stärker.

Fig. 1 zeigt eine Laserdiode 1, deren kollimierter Laserstrahl 2 von einer abbildenden Optik 3 auf die zu vermessende Probenoberfläche 4 gerichtet wird. Das gestreute/reflektierte Lichtbündel 5 wird an schließend von einem Kollimator 6 in ein nahezu paralleles Lichtbündel 7 umgeformt. Dieses Lichtbündel 7 trifft dann auf ein Umlenkprisma 8, das dieses Bündel in zwei Teilbündel 9, 10 mit näherungsweise der selben Intensitätsflächenverteilung quer zu ihrer Hauptstrahlrichtung zerlegt. Betrachtet man die Hauptstrahlrichtung des Lichtbündels 7, so liegt der Einfallswinkel auf die Hypothenusenfläche des Umlenkprismas 8 vorzugsweise im Obergang zur Totalreflexion. Das Intensitätsver hältnis der Gesamtintensitäten (jeweils aufsummiert über den Quer schnitt) der beiden Teilbündel 9, 10 ist dann nur noch vom Einfalls winkel, also von der Hauptstrahlrichtung des von der Oberfläche 4 ge streuten/reflektierten Lichtbündels 5 abhängig. Anschließend wird das reflektierte Teilbündel einem ersten und/oder das transmittierte Teil bündel einem zweiten Photoempfänger zugeführt. Die elektrischen Signale der beiden Photoempfänger 11, 12 (dabei handelt es sich z. B. um zwei Photodioden) können so verwendet werden, daß das Signal der einen der beiden Photodioden 11 oder 12 z. B. durch Veränderung der Lichtintensität der Laserdiode 1 auf einem konstanten Wert gehalten und das Signal der anderen Photodiode 11 oder 12 zur Anzeige gebracht wird. Auf diesem Wege kann man Reflexionsänderungen der Oberfläche 4 ausregeln. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Summe der beiden Photodioden konstant zu halten und die Differenz zur Anzeige zu brin gen.

Fig. 2 zeigt zunächst, wie in Ausführungsbeispiel 1, eine Laserdiode 1, deren kollimierter Laserstrahl 2 von einer abbildenden Optik 3 auf die zu vermessende Probenoberfläche 4 gerichtet und das gestreute/re flektierte Lichtbündel 5 anschließend von einem Kollimator 6 in ein nahezu paralleles Lichtbündel 7 umgeformt wird. Das Lichtbündel 7 wird anschließend durch einen Strahlteiler 13 in zwei gleiche Teilbündel zerlegt, die dann jeweils an den Hypothenusenflächen der zwei nachge schalteten Prismen 14, 15 und 16, 17 umgelenkt werden. Die Einfalls winkel auf die Hypothenusenflächen der Umlenkprismen 14, 15 und 16, 17 liegen vorzugsweise im Obergang zur Totalreflexion. Die Prismen 14, 15 und 16, 17 werden so eingestellt, daß sich bei Winkeländerung des Lichtbündels 7 die Einfallswinkel des einen Teilbündels den Total reflexionswinkeln nähern, während sich die Einfallswinkel des anderen Teilbündels von den Totalreflexionswinkeln entfernen. Die beiden je zweimal reflektierten Teilbündel werden dann jeweils über eine Linse 18, 19 einer Photodiode 20, 21 zugeführt, die transmittierten Anteile werden in diesem Ausführungsbeispiel nicht genutzt. Die Signalver arbeitung geschieht wie in Ausführungsbeispiel 1. Die durch die Ein stellbarkeit der Prismensätze erreichte freie Wahl des Arbeitspunktes auf der Transmissions-Reflexionskurve ermöglicht eine optimale Aus nutzung der Empfindlichkeit des Verfahrens.

Claims

1. Verfahren zur berührungsfreien Abstandsmessung für die Bestimmung des Profils, insbesondere der Rauheit, von Oberflächen mittels Triangula tion, indem der Meßstrahl eines Lasers auf die Oberfläche gerichtet und das gestreute/reflektierte Lichtbündel von einer abbildenden Optik ge sammelt sowie photodiodisch detektiert wird, wobei der Winkel zwischen Oberfläche und Meßstrahl von 0° bis 180° einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Oberfläche gestreute/reflektierte Lichtbündel optisch in zwei Lichtbündel mit näherungsweise derselben Flä chenverteilung der Intensitäten quer zu ihrer Hauptstrahlrichtung zerlegt wird, die photodiodisch detektiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gestreute/reflektierte Lichtbündel zur Zerlegung auf eine ebene Grenzfläche zu einem optisch dünneren dielektrischen Medium in Nähe des Totalreflexionswinkels trifft, und daß das reflektierte Lichtbündel einem ersten und/oder das transmittierte Lichtbündel einem zweiten Photoempfänger zuge führt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal einer der beiden Photodioden durch Veränderung der Intensität des Meßstrahls auf einem konstanten Wert gehalten und das Signal der anderen Photodiode zur Anzeige gebracht wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das gestreute/reflektierte Lichtbündel nach Zerlegung in einem Strahlteiler jeweils auf eine Grenzfläche mit Glas/Luft- Übergang in Nähe des Totalreflexionswinkels trifft,
und daß die Grenzflächen der beiden Glas/Luft-Übergänge unter einem Winkel zueinander stehen, der höchstens gleich der Summe ihrer Totalreflexionswinkel zusätzlich zum Öffnungswinkel der Teilbündel ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierten Anteile der beiden Lichtbündel der photo diodischen Detektion unterzogen werden, wobei deren Signale einem Differenzverstärker zugeführt werden.

6. Vorrichtung zur berührungsfreien Abstandsmessung für die Bestimmung des Profils, insbesondere der Rauheit von Oberflächen, für welche eine Trian gulationsanordnung mittels eines Lasers besteht, die eine abbildende Op tik und eine Photodiodenzeilenanordnung zur Detektion eines reflektier ten/gestreuten Lichtbündels aufweist, wobei für die Detektion der Abbil dung eine Diodenzeilen-Kamera vorgesehen ist, und Verstelleinrichtungen bestehen, die es gestatten, den Winkel zwischen Meßstrahl und Oberfläche von 0° bis 180° einzustellen, dadurch gekennzeichnet,
daß für die Fortleitung des gestreuten/reflektierten Licht bündels ein Ablenkkörper vorgesehen ist, der mit der Maßgabe in den Strahlengang eingeschaltet ist, daß das gestreu te/reflektierte Lichtbündel (5) unter einem Winkel auf eine Fläche des Ablenkkörpers fällt, der in der Nähe des Totalreflexionswinkels liegt,
und daß für jedes Teilbündel (9, 10) ein Photoempfänger (11, 12) vorgesehen ist, die einer Signalverarbeitung un terliegen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Ablenkkörper ein Umlenkprisma (8) vorgesehen ist, auf dessen Hypothenusenfläche das gestreute/reflektierte Lichtbündel (5) unter einem Winkel in Nähe des Grenzwinkels der Totalreflexion gerichtet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß als Ablenkkörper ein Strahlteiler (13) vorgesehen ist, dem austrittsseitig zwei nachgeschaltete Prismen (14, 15) und (16, 17) zugeordnet sind, auf deren Hypo thenusenflächen die Teilbündel unter einem Einfallswinkel gerichtet sind, der sich dem Übergang zum Totalreflexions winkel nähert,
und daß die beiden je zweimal reflektierten Teilbündel jeweils einer Linse (18, 19) und jeweils einer Photodiode (20, 21) zugeführt sind, die einer Auswertung ihrer Signale unterliegen.