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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur maschinellen Bearbeitung einer
Werkstückoberfläche, bei
dem ein maschinell zu bearbeitender Bereich der Werkstückoberfläche unter
Einfluss einer Polieroperation maschinell bearbeitet wird.
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Ein
solches Verfahren ist allgemein bekannt und wird oft zum Polieren
von Oberflächen
von optischen Komponenten angewendet, wie etwa von refraktiven optischen
Komponenten, zum Beispiel Linsen oder Fensterscheiben aus Glas,
Quarz oder BK7, und von reflektiven optischen Komponenten, beispielsweise
Spiegel aus Metall oder Keramiken. Bekannte Verfahren zum Polieren
sind, neben Verfahren zum Polieren mit Polierschablone und Schleifpaste,
allgemein materialabtragende Techniken, wie etwa SPDT (single point
diamond turning), CCP (computer controlled polishing), MRF (magneto-rheologic
finishing), FJP (fluid jet polishing) und EEM (Elastic Emission
Maschining), IBF (Ion Beam Figuring) und IBP (Ion Beam Polishing).
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Ein
Problem, das bei den bekannten Verfahren auftritt, besteht darin,
dass es sehr zeitaufwendig ist, ein Werkstück herzustellen, dessen Oberfläche eine
sehr große
Formgenauigkeit hat. Das ist im Wesentlichen dadurch bedingt, dass
es oft nicht möglich
ist, die Form des Werkstücks
während
der Bearbeitung zu messen. Insbesondere bei der Herstellung von
asphärischen
optischen Oberflächen
muss der Poliervorgang in einem iterativen Prozess jedesmal unterbrochen
werden, um das Werkstück
in einer separaten Messoperation zu messen. Oft findet die Messoperation
in einer separaten Messumgebung statt, so dass das Werkstück jedesmal
wieder eingespannt werden muss. In
DE
198 55 455 sind die Merkmale der Oberbegriffe von Anspruch
1 und 12 offenbart.
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Die
Erfindung zieht ein Verfahren in Erwägung zur Bearbeitung einer
Werkstückoberfläche, insbesondere
der Oberfläche
eines optischen Werkstücks,
mit dem, während
die oben erwähnten
Vor teile beibehalten werden, die erwähnten Nachteile vermieden werden
können.
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Zu
diesem Zweck schafft die Erfindung ein Verfahren zur maschinellen
Bearbeitung einer Werkstückoberfläche, mit
dem unter Einfluss einer Polieroperation ein maschinell zu bearbeitender
Bereich der Werkstückoberfläche maschinell
bearbeitet wird und während
der maschinellen Bearbeitung die Versetzung des maschinell zu bearbeitenden
Bereichs relativ zu einem Bezugsbereich, der starr mit der Werkstückoberfläche verbunden
ist, überwacht
wird, indem eine Phasendifferenz zwischen einem Messstrahl und einem
Bezugsstrahl über
die Zeit verfolgt wird und in eine Versetzung relativ zu dem Bezugsbereich
umgewandelt wird, während
dadurch, dass die Veränderung
der Phasendifferenz zwischen Messungen in dem Intervall (–π, π) gewählt wird,
die gesamte Versetzung durch Aufaddieren erhalten werden kann. Indem
während
der maschinellen Bearbeitung die Versetzung des maschinell zu bearbeitenden
Bereichs relativ zu dem Bezugsbereich, der mit der Werkstückoberfläche starr
verbunden ist, durch Interferometrie überwacht wird, kann die Formveränderung
des Werkstücks
während
der maschinellen Bearbeitung überwacht
werden und ohne häufiges
Einspannen und Lösen
des Werkstücks
für eine
separate Messoperation kann eine sehr große Formgenauigkeit des Werkstücks erreicht
werden. Die starre Verbindung zwischen dem maschinell zu bearbeitenden
Bereich und dem Bezugsbereich ermöglicht dann verlässliche
Messungen mit Interferometrie, während
die Überwachung
nur der Relativbewegung zwischen dem maschinell zu bearbeitenden
Bereich und dem Bezugsbereich die Anwendung der Interferometrie
vereinfacht.
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Vorzugsweise
bildet der Bezugsbereich einen Teil der Werkstückoberfläche. Der Bezugsbereich kann jedoch
auch Teil eines anderen Körpers
sein, der starr mit der Werkstückoberfläche verbunden
ist, wie etwa eine Einspanneinrichtung.
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Die
Versetzung des maschinell zu bearbeitenden Bereichs kann dann überwacht
werden, indem ein Punkt der Werkstückoberfläche überwacht wird, kann aber auch überwacht
werden, indem mehrere Punkte des maschinell zu bearbeitenden Bereichs
verfolgt werden. Natürlich
können
auch Teile der Werkstückoberfläche, die
außerhalb
des maschinell zu bearbeitenden Bereichs liegen, abgetastet werden,
um so beispielsweise die Deformation des gesamten Werkstücks zu überwachen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist das Werkstück
während
der maschinellen Bearbeitung stationär angeordnet, wobei der maschinell
zu bearbeitende Bereich ein relativ kleiner Teil der Werkstückoberfläche ist,
der sich während
der maschinellen Bearbeitung im Wesentlichen quer zu der Werkstückoberfläche bewegt.
Eine solche Operation kann gut ausgeführt werden, indem ein stationär angeordnetes
Werkstück
mit Hilfe von Fluidstrahlpolieren lokal bearbeitet wird und indem
ein Laserlichtstrahl, der eine Breite hat, die wenigstens so groß wie die
Breite des maschinell zu bearbeitenden Bereichs entsprechend dem
Fluidstrahl, der auf die Werkstückoberfläche auftritt,
ist, über
den maschinell zu bearbeitenden Bereich auf ein lichtempfindliches
Bildelementfeld reflektiert wird, wie etwa eine CCD, das eine Breite
entsprechend des reflektierten Strahls hat. Natürlich ist es auch möglich, dass sich
während
der Bearbeitung der maschinell zu bearbeitende Bereich über die
Werkstückoberfläche bewegt, wie
bei einem Dreh- oder Fräsvorgang.
In einem solchen Fall kann beispielsweise bei jeder Umdrehung des Werkstücks die
Bewegung des maschinell zu bearbeitenden Bereichs relativ zu dem
Bezugsbereich gemessen werden.
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Bei
Anwendung der Interferometrie von zwei kohärenten Lichtstrahlen wird vorzugsweise
ein erster Lichtstrahl an dem maschinell zu bearbeitenden Bereich
reflektiert und ein zweiter Lichtstrahl an dem Bezugsbereich reflektiert.
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Im
Zusammenhang mit der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass
der Bezugsbereich einen Teil des Messbereichs bildet. Außerdem oder
alternativ ist es vorteilhaft, dass der Strahl eine solche Breite
hat, dass der Strahl teilweise auf den maschinell zu bearbeitenden
Bereich und einen Bezugsbereich auftrifft, der an den maschinell
zu bearbeitenden Bereich angrenzt, so dass eine Versetzung des maschinell
zu bearbeitenden Bereichs eine sich verändernde Phase innerhalb des
Messstrahls zur Folge hat. Eine solche Phasenvariation kann beispielsweise
detektiert werden, indem der reflektierte Strahl verschoben wird
oder ein Strahl mit Null-Phase aus einem reflektierten Teilstrahl
erzeugt wird.
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Vorzugsweise
werden die Strahlen nach der Reflexion kombiniert und wird die Phasendifferenz
zwischen den interferierenden Strahlen gemessen, und wird aus aufeinanderfolgenden
Messungen die Veränderung
der Phasendifferenz zwischen den interferierenden Strahlen in aufeinanderfolgenden
Messungen bestimmt und auf Grundlage dessen die Versetzung des maschinell
zu bearbeitenden Bereichs relativ zu dem Bezugsbereich bestimmt.
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Besonders
bevorzugt wird das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Messungen
so gewählt, dass
die Veränderung
der Phasendifferenz zwischen den interferierenden Strahlen zwischen –π und π liegt. Auf
diese Weise kann die Veränderung
der Phasendifferenz zwischen den Strahlen als Funktion der Zeit
ohne sogenannte 2π Mehrdeutigkeiten
verfolgt werden, so dass die Versetzung des maschinell zu bearbeitenden Bereichs
direkt aus der Phasendifferenz abgeleitet werden kann. Durch Aufaddieren
der Versetzungen des maschinell zu bearbeitenden Bereichs, die zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Messungen bestimmt werden, kann die gesamte
Relativversetzung des maschinell zu bearbeitenden Bereichs relativ
zu dem Bezugsbereich präzise überwacht
werden.
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Der
Poliervorgang ist vorzugsweise ein materialabtragender Vorgang,
wie etwa SPDT, CCP, MRF, FJP, IBF und IBP.
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Vorteilhafterweise
wird für
die Zwecke der Interferometrie die Werkstückoberfläche vor der Messung wenigstens
nahe des maschinell zu bearbeitenden Bereichs von Verunreinigungen
befreit, die falsche Reflexionen verursachen könnten, wie etwa Späne oder
Tröpfchen
von Polierflüssigkeit.
Vorteilhafterweise wird die Werkstückoberfläche dann wenigstens nahe des
maschinell zu bearbeitenden Bereichs mit Hilfe von Druckluft sauber
geblasen.
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Vorzugsweise
wird, wenn das Werkstück
durchsichtig ist, wenigstens ein erster Lichtstrahl durch das Werkstück auf der
Seite des maschinell zu bearbeitenden Bereichs reflektiert, die
dem Werkstück
zugewandt ist. Dadurch wird erreicht, dass nicht nur die Überwachung
der Versetzung der Werkstückoberfläche nicht durch
die Polierwerkzeuge behindert wird und daher in kontinuierlicher
Weise stattfinden kann, sondern dass auch Komponenten, die mit der
Interferometrie in Beziehung stehen, von dem Bereich, wo die maschinelle
Bearbeitung stattfindet, durch eine Abschirmung, die an die Werkstückoberfläche nahe
dem maschinell zu bearbeitenden Bereich angrenzt, abgeschirmt werden.
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Vorteilhafterweise
wird dann wenigstens einer der Strahlen über ein die Werkstückoberfläche umgebendes
Fluid, das einen Brechungsindex hat, der im Wesentlichen dem des
Werkstückmaterials
gleicht zu der Seite der Werkstückoberfläche geführt, die
dem Werkstück
zugewandt ist. Mit Hilfe eines solchen Anpassungsfluids kann erreicht
werden, dass der Strahl im Wesentlichen gerade aus dem Fluid in
das Werkstück
eintritt. Vorzugsweise tritt der erste Lichtstrahl auf der Seite
des maschinell zu bearbeitenden Bereichs, der dem Werkstück zugewandt
ist, unter einem Winkel α ein,
der größer als
der kriti sche Winkel für
interne Totalreflexion ist. Auf diese Weise kann die Menge des an
dem maschinell zu bearbeitenden Bereich reflektierten Lichts maximal sein,
und durch die Werkstückoberfläche hindurchlaufendes
Licht kann an der Reflexion zurück
gehindert werden, die Interferenz verursachen könnte.
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Die
Erfindung betrifft weiter eine Bearbeitungsvorrichtung mit einem
Polierwerkzeug und einem Messwerkzeug, wobei das Messwerkzeug ein
Interferometer umfasst und weiter mit den Merkmalen von Patentanspruch
12 gestaltet ist. Das Polierwerkzeug kann dann im Wesentlichen formerhaltend
sein, wie etwa ein Diamantwerkzeug für SPDT oder ein Polierbausch
für CCP,
kann aber auch ein Fluid umfassen, wie bei MRF und FJP.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass im Zusammenhang mit dieser Anmeldung
ein Poliervorgang wenigstens dahingehend verstanden wird, dass damit
eine Oberflächenoperation
gemeint ist, die Material abträgt oder
nicht, wobei der Anfangszustand der Oberfläche so ist, dass Licht an der
Oberfläche
in einer Weise, die für
Interferometrie geeignet ist, reflektiert werden kann.
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Es
wird weiter bemerkt, dass in diesem Zusammenhang die (kontinuierliche) Überwachung
der Versetzung des maschinell zu bearbeitenden Bereichs während der
maschinellen Bearbeitung nicht nur dahingehend verstanden wird,
die Überwachung
der Versetzung während
der maschinellen Bearbeitung der Werkstückoberfläche zu umfassen, sondern auch
die (zwischenzeitliche) Überwachung
der Versetzung zwischen maschinellen Bearbeitungsperioden der Oberfläche, während das
Werkstück
auf der Maschine eingespannt bleibt.
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Es
wird weiter bemerkt, dass in diesem Zusammenhang relativ zueinander
kohärente
Lichtstrahlen dahingehend verstanden werden, dass in Bezug auf ihre
Wellenfront eine bekannte, feste Beziehung zwischen den Lichtstrahlen
vor ihrer Reflexion auf dem maschinell zu bearbeitenden Bereich
oder dem Bezugsbereich besteht und das in der Phase als Funktion
der Zeit keine Sprünge
auftreten. Solche relativ zueinander kohärenten Lichtstrahlen können in
einfacher Weise erhalten werden, indem ein einzelner kohärenter Lichtstrahl durch
Amplituden- oder Wellenfrontaufspaltung aufgespalten oder geteilt
wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Verfahren die Schritte:
Bestrahlen des Messbereichs
mit einem Lichtstrahl, wobei Reflexion oder Transmission des Strahls
auftritt,
Teilen des transmittierten oder reflektierten Strahls,
Variieren
der Phase der geteilten Strahlen relativ zueinander,
so dass
die Phasendifferenz innerhalb des Bereichs von 2π gehalten wird,
Kombinieren
der aufgespaltenen Strahlen miteinander und Beobachten eines Differenzmusters,
das eine Phasendifferenz zwischen den geteilten Strahlen anzeigt,
Berechnen
einer optischen Weglängendifferenz
aus der Phasendifferenz, und
in Beziehung Setzen der optischen
Weglängendifferenz
mit den Konturvariationen des Objekts.
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Ein
Vorteil des oben beschriebenen Verfahrens ist, dass die in einem
reflektierten oder transmittierten Strahl enthaltene Phaseninformation
daraus entnommen werden kann, ohne dass eine separate Zusatzoptik benötigt wird,
um einen Bezugsstrahl im Gebiet des Messbereichs zu erzeugen. Das
bedeutet, dass durch Analyse des Interferenzmusters eines rekombinierten
Strahls die Phasenänderung
des Strahls infolge einer Konturvariation in einer vibrationsarmen
Umgebung bestimmt werden kann, die kaum durch störende externe Faktoren infolge
von Bearbeitungsschritten oder anderen Einflüssen im Gebiet des Messbereichs
betroffen ist, weil diese Faktoren gleichermaßen in beiden Strahlen wirken
und durch Phasensubtraktion eliminiert werden. Infolgedessen haben
Umgebungsstörungen
weniger Einfluss auf die Messungen. Daher können in einfacher Weise Messungen
höherer
Qualität
ausgeführt
werden.
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Diese
Technik wendet eine temporäre
Phasenabwicklungstechnik (Temporal phase unwrapping technique – TPU) an,
wie beispielsweise beschrieben in "Temporal phase unwrapping and ist application
in shearography systems",
H. van Brug, Appl. Opt. 37 (28), Seiten 6701–6706, 1998. Diese Technik
ermöglicht
den Erhalt eines über
die Zeit aufgelösten
Phasenbildes, indem schrittweise Phasenmessungen ausgeführt werden,
wobei jeder Zeitpunkt einer Phasenänderung entspricht, die innerhalb
des Bereichs von 2π liegt,
und indem diese Phasenänderungen über die
Zeit aufaddiert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Phase der aufgespaltenen Strahlen variiert, indem eine relative
Bewegung des Strahls und des Messbereichs so ausgeführt wird,
dass sich die Form des Messbereichs ändert. Durch Ändern der
Form des Messbereichs verändert
sich das Phasenbild in dem Strahl. Durch Erfassen der Phasenänderung
gemäß des Verfahrens
der Erfindung, mittels einer abtastenden Bewegung, beispielsweise
durch Fixieren des Objektes und Ausführung einer abtastenden Bewegung
des Strahls und/oder umgekehrt durch Fixieren des Lichtstrahls und
Ausführen
einer kleinen Versetzung des Objektes kann eine Phasenänderung
in dem Strahl bewirkt werden, die jedesmah aus einer Null-Position
die Konturvariationen relativ zu dieser Null-Position registrieren
kann. Indem jedesmal, durch TPU, die zeitaufgelöste Phase bei Ausführen der
Abtastung aufgenommen wird, kann die Geometrie des Objekts über eine
beliebig große Abtastoberfläche analysiert
werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann die Phase variiert werden, indem ein optischer Phasenfilter
in einen der aufgespaltenen Strahlen platziert wird, um eine vorgegebene
Phasenebene zu erzeugen. Dieser Phasenfilter kann ein Nadelloch
von der Größe eines
Beugungspunktes sein, so dass die Phasenebene eine Null-Front ist.
Natürlich
kann diese Front durch ein Hologramm oder durch eine andere Phasenoptik
modifiziert werden, um ein Interferenzmuster mit einer akzeptablen
Auflösung
zu erhalten, dass einer bestimmten Kontur entspricht. Beispielsweise
kann in einer Ausführungsform
eine Null-Front mit einer Phasenoptik gebildet werden, die mit Hilfe
der Interferenzmuster genau auf Null eingestellt werden kann, um
so die gewünschte,
vorbestimmte Kontur zu erfassen. Das Nadelloch erlaubt den Durchtritt
eines kleinen Teils des Strahls auf einer optischen Achse. Als Folge
wird eine punktförmige
Lichtquelle simuliert, die eine praktisch flache Phasenfront hat.
Durch den Phasenfilter wird daher ein Strahl mit Null-Phase geliefert,
der in sich genau die Störungen
und Weglängendifferenzen
mit sich trägt,
die durch die Optik eingeführt
werden. Diese Störungen
werden durch Interferenz mit dem reflektierten oder transmittierten
Strahl eliminiert, so dass auf genaue Weise eine Phasenstörung erfasst
werden kann, die durch optische Weglängenvariationen infolge einer
Konturvariation verursacht wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
hat der Strahl einen Durchmesser, so dass wenigstens zwei Positionen
variabler Höhe
in einem Messgebiet bestrahlt werden, wobei das Verfahren den weiteren
Schritt aufweist: Verschieben des Messstrahls relativ zu sich selbst
entlang der Verbindungslinie zwischen den oben erwähnten Positionen,
so dass eine Phasendifferenz zwischen den verschobenen Strahlen
innerhalb eines Bereichs von 2π liegt,
und Berechnen, durch Integration der Phasendifferenzen, einer optischen
Weglängendifferenz,
die in Beziehung mit der Konturvariation des Objektes steht. Es
wird bemerkt, dass die Verschiebungstechnik als solche Fachleuten
bekannt ist als "shearing".
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
dieser Anwendung des "shearing" wird bei dem Verfahren
ein mittels eines rotierenden Spiegels aufgeteilter Strahl rotiert,
die aufgeteilten Strahlen auf eine Linse projiziert, wobei die Strahlen
infolge der Rotation unter einem Winkel zueinander verlaufen, und
das Interferenzmuster in einer Brennebene der Linse infolge einer
Verschiebung der Strahlen beobachtet, die der Winkelverschiebung
des rotierenden Spiegels entspricht. Durch Ausführen der Rotation des Spiegels
in einer kontrollierten Weise wird ein Interferenzmuster gebildet,
das der ersten Ableitung der Phasenverschiebung entspricht. Durch Untersuchen
des Phasenwinkels kann diese erste Ableitung in ein Phasenbild aufgelöst werden,
das mit Bezug auf die oben erwähnten
Ausführungsformen
in Beziehung zu einer Konturvariation des Objektes gesetzt werden
kann.
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Vorzugsweise
ist der Messstrahl ein paralleler Lichtstrahl mit einem relativ
kleinen Durchmesser, während
das Messgebiet eine Ausdehnung hat, die kleiner als der Durchmesser
des Messstrahls ist.
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In
einer alternativen Ausführungsform
kann der reflektierte Messstrahl ein diffuser Lichtstrahl sein.
In einer Variante kann der Messstrahl ein homogener, paralleler
Lichtstrahl sein, während
eine Messoberfläche mit
einer matten Schicht bereitgestellt wird, so dass der reflektierte
Strahl ein diffu ser Lichtstrahl ist. In einer anderen Variante kann
der Messstrahl von einer glatten Oberfläche reflektiert werden, während der
Messstrahl ein diffuser Lichtstrahl ist. Unter einem diffusen Lichtstrahl
wird hier ein Lichtstrahl verstanden, der eine praktisch zufällige Verteilung
der Richtungen innerhalb eines vorgegebenen Bereichs von Richtungen
aufweist. Ein solcher Bereich kann eine zentrale Hauptrichtung haben,
insbesondere eine Richtung auf die Beobachtungsoptik zu. Die Verwendung
solcher diffuser Lichtquellen ist Fachleuten als Speckle-Interferometrie bekannt.
Im Rahmen der Erfindung bietet diese Technik den Vorteil, dass relativ
große
Oberflächen
mit relativ großen Formvariationen
analysiert werden können.
Durch schrittweise Messung der Phase kann insbesondere ein Bild
erhalten werden, in dem die Zufallsverteilung verschwunden ist,
weil das Phasendifferenzbild, wie im Fall eines normalen, homogenen
Strahls, ausschließlich
in Beziehung mit der Phasenvariation infolge der Konturvariation
steht.
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Die
Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Messung einer Konturvariation
eines Messbereichs auf einem Objekt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst eine Lichtquelle zum Bereitstellen eines Lichtstrahls zum
Bestrahlen eines Messbereichs, einen Halter zum Positionieren eines
Werkstückes
relativ zu der Lichtquelle, einen Strahlteiler zum Teilen des transmittierten
oder reflektierten Strahls, ein phasenbeeinflussendes Element zum
Festlegen einer Phasendifferenz zwischen den geteilten Strahlen,
ein Strahlenkombinationselement zum Kombinieren der geteilten Strahlen,
ein Beobachtungselement zum Beobachten eines Interferenzmusters,
das eine Phasendifferenz zwischen den geteilten Strahlen anzeigt,
und einen Prozessor, um aus der Phasendifferenz eine optische Weglängendifferenz
zu berechnen und um die optische Weglängendifferenz mit einer Konturvariation
des Objektes in Beziehung zu setzen.
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Die
Erfindung wird nun weiter mit Bezug auf eine beispielhafte Ausführungsform
erläutert,
die in den Zeichnungen dargestellt ist. In den Zeichnungen zeigt
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1 eine
schematische Perspektivansicht einer Bearbeitungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
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2 eine
schematische Seitenansicht des Werkstücktisches aus 1,
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3 eine
schematische Bodenansicht des Werkstücktisches aus 2,
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4 eine
schematische Querschnittsansicht eines Werkstükkes mit einem maschinell zu
bearbeitenden Bereich,
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5 einen
schematischen Aufbau für
einen Messstrahl, der eine Konturvariation abtastet,
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6 eine
Repräsentation
eines Phasenbildes, das aus einem Interferenzmuster abgeleitet werden kann,
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7 eine
Repräsentation
einer abgelösten
Phase gemäß der TPU-Technik
(Temporal Phase Unwrapping),
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8 eine
schematische Repräsentation
der Phasenbilder von zwei leicht zueinander verschobenen Strahlen,
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9 eine
schematische Repräsentation
eines kombinierten Phasenbildes, wie es aus einem Interferenzmuster
abgeleitet werden kann,
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10 eine
schematische Repräsentation
des Phasenbildes ohne Auflösung
der Phase über
die Zeit,
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11 zeigt
einen ersten Aufbau gemäß der Erfindung
zum Messen einer Konturvariation, und
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12 zeigt
einen zweiten Aufbau gemäß der Erfindung
zur Messung einer Konturvariation.
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Es
ist zu bemerken, dass die Figuren nur schematische Repräsentationen
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung sind. In den Figuren sind identische oder entsprechende
Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Obwohl
in dem folgenden Beispiel die Polieroperation mit Hilfe einer Fluidstrahl-Poliervorrichtung
ausgeführt
wird, wird es Fachleuten klar sein, dass die Erfindung in analoger
Weise in Kombination mit einer anderen materialabtragenden oder
einer nicht abtragenden Polieroperation ausgeführt werden kann.
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Die
Technik des Fluidstrahl-Polierens ist allgemein bekannt und unter
anderem in der holländischen Patentanmeldung
1007589 im Namen der Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek-TNO
aus Delft beschrieben. Die Interferometrietechnik, die in dieser
beispielhaften Ausführungsform
beschrieben wird, ist Fachleuten als TPU (Temporal Phase Unwrapping)
bekannt.
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Mit
Bezug auf 1–3 ist eine
maschinelle Bearbeitungsvorrichtung 1 gezeigt, die ein
als Fluidstrahl-Poliergerät 2 gestaltetes
Polierwerkzeug und ein Messwerkzeug hat, das als Laser-Interferometer 3 gestaltet
ist. Die maschinelle Bearbeitungsvorrichtung 1 weist ferner
einen Werkstückstisch 4,
auf dem ein Werkstück 5 aus
BK7 eingespannt ist, das mit Hilfe eines Strahls einer Polierflüssigkeit 6 bearbeitet
werden kann, der aus einer Düse
des Fluidstrahl-Poliergerätes 2 austritt.
Die Polierflüssigkeit
kann zum Beispiel eine Aufschlammung aus 90 Volumenprozent Wasser
und 10 Volumenprozent Siliziumkar bidteilchen aufweisen, jedes mit
einem Durchmesser von etwa 20 μm,
die über
eine Düsenöffnung mit
einem zylindrischen Durchmesser von etwa 1 Millimeter und einer
Länge von
etwa 15 Millimetern bei einem Druck von etwa 5 Bar unter einem spitzen
Winkel auf das Werkstück 5 ausgestoßen wird,
so dass ein maschinell zu bearbeitender elliptischer Bereich 7 auf
der Werkstückoberfläche 8 gebildet
wird. Der Werkstücktisch 4 und
das Fluidstrahl-Gerät 2 sind beweglich
zueinander mit Hilfe eines Tisch- und/oder Düsen-Steuermechanismus (nicht
gezeigt) angeordnet, der numerisch durch eine zentrale Prozessoreinheit 9 gesteuert
wird, so dass der maschinell zu bearbeitende Bereich 7 über die
Werkstückoberfläche 8 versetzt
werden kann. Ferner ist die zentrale Prozessoreinheit 9 mit dem
Laser-Interferometer 3 verbunden.
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Das
Laser-Interferometer 3 umfasst eine Laser-Quelle (in der
Figur nicht dargestellt) deren Lichtstrahl über eine Lichtführung 10 zu
einem Teilerwürfel 10A geführt wird,
wo der Laserstrahl in zwei zueinander kohärente Lichtstrahlen aufgespalten
wird, d.h. einen ersten Lichtstrahl 11, der als Messstrahl
von dem maschinell zu bearbeitenden Bereich 7 auf der Werkstückoberfläche reflektiert
wird, und einen zweiten Lichtstrahl 12, der als Referenzstrahl über einen
Spiegel 10B auf einen Bezugsbereich auf der Werkstückoberfläche 8 reflektiert wird.
Der Teilerwürfel 10A und
der Spiegel 10B bilden die Mittel zur Abgabe des ersten
Lichtstrahls 11 und des zweiten Lichtstrahls 12.
Da das Werkstück
aus einem festen Material (BK7) gebildet ist ist der maschinell
zu bearbeitende Bereich 7 starr mit dem Bezugsbereich 13 verbunden.
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Die
Komponenten des Laser-Interferometers 3 sind starr mit
einer Einspanneinrichtung 14 verbunden, in der das Werkstück 5 fest
fixiert ist. Die Mittel 10A zur Abgabe des Messstrahls 11 können so
ausgestaltet sein, um verschiebbar und/oder drehbar in Bezug auf
die Einspanneinrichtung 14 zu sein, so dass der maschinell
zu bearbeitende Bereich 7 mit dem Messstrahl 11 verfolgt
werden kann, wenn er über
die Werkstückoberfläche 8 versetzt
wird. Aus Gründen
der Klarheit ist dies in der Figur nicht dargestellt. Das Laser-Interferometer 3 umfasst
ferner zwei Fokussierlinsen 16, 17 zur Fokussierung
des reflektierten Messstrahls 11 und des reflektierten
Bezugsstrahls 12.
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Ferner
ist in dem Strahlengang des reflektierten Messstrahls 11B ein λ/2-Verzögerungsplättchen enthalten,
um die Polarisationsrichtung des reflektierten Lichtes des Messstrahls 11B um
90° relativ
zu dem Licht in dem reflektierten Bezugsstrahl 12B zu drehen.
Ferner ist in dem Strahlengang des reflektierten Messstrahls 11B ein
Spiegel 18 angeordnet, mit dem der reflektierte Messstrahl 11B zu
einem Kombinationselement 19 geführt werden kann, in dem die
geteilten Strahlen kombiniert werden.
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Von
dem kombinierenden Würfel 19 gehen
zwei kombinierte Lichtstrahlen 11C, 11C' aus, die kohärent zueinander
sind und die über
Polarisierer 21, 22 auf das Bildelement-Feld eines
CCD-Chips 23, 24 fallen.
Vor erreichen des Polarisierers 21 passiert der erste kombinierte
Lichtstrahl 11C ein λ/4-Plättchen 25,
das den ersten kombinierten Lichtstrahl um eine Viertelwellenlänge verzögert relativ
zu dem zweiten kombinierten Lichtstrahl, so dass in der zentralen
Prozessoreinheit 9 die von den CCDs 23, 24 abgegebenen
Signale, nach Spiegelung eines der Bilder mittels Software, direkt
voneinander subtrahiert werden können,
um die Veränderung der
Phasendifferenz zwischen den interferierenden Strahlen aufeinanderfolgender
Messungen zu bestimmten.
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Die
Auslesefrequenz der CCDs wird dann so gewählt, dass die Veränderung
der Phasendifferenz zwischen den interferierenden Strahlen in aufeinanderfolgenden
Messungen jedesmal zwischen –π und π liegt, d.h.
nicht einschließlich
der Werte π und –π.
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Die
Einspanneinrichtung 14 ist mit einem Flüssigkeitsbehälter 25 zur
Aufnahme einer transparenten Flüssigkeit 25A versehen,
deren Brechungsindex gleich dem Brechungsindex des Materials des
Werkstücks 5 ist,
so dass an der Grenzfläche
zwischen der Werkstückoberfläche und
der angrenzenden Flüssigkeit
die Lichtstrahlen 12a, 12b, 13a, 13b im
Wesentlichen gradlinig verlaufen. Das Werkstück 5 ist dann so in
der Einspanneinrichtung 14 eingespannt, dass das Werkstück an der
Unterseite an die Flüssigkeit 25 angrenzt.
Wie in 2 dargestellt sind die Wände 26 des Flüssigkeitsbehälters 25 mit
Fenstern zum Führen
der Lichtstrahlen 12a, 12b, 13a, 13b hindurch
versehen. Relativ zur Senkrechten sind die Wände 26 an dem Werkstücktisch 4 mit
einer leichten Neigung angeordnet, so dass ein Lichtstrahl auf die
Werkstückoberfläche 8 eines
Werkstücks 5 relativ
leicht auftreffen kann, das in der Einspanneinrichtung 14 eingespannt
ist, und zwar an dem Ort des maschinell zu bearbeitenden Bereichs
unter einem Einfallwinkel α relativ
zur Senkrechten, der größer als
der kritische Winkel zu inneren Totalreflexion ist.
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Die
Einspanneinrichtung kann mit einem Schirm (in der Figur nicht dargestellt)
versehen sein, um mit der Werkstückoberfläche 8 so
zusammenzuwirken, dass der Schirm im Betrieb das Interferometer 3 von
dem Gebiet, wo die maschinelle Bearbeitung stattfindet, abschirmt.
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Die
Polieroperation kann ausgeführt
werden, indem in die zentrale Prozessoreinheit 9 eine Differenzgeometrie
zwischen einer Geometrie, die beispielsweise in einem CAD-Modell
abgelegt ist, im Vergleich zur realen Geometrie des Werkstücks 5,
die auf einer Messbank bestimmt wird, eingegeben wird. Auf Grundlage der
Differenzgeometrie kann eine Anzahl von Bearbeitungsvolumen V definiert
werden, die aufeinanderfolged mit Hilfe der Strahlpoliereinrichtung 6 abtragend
bearbeitet werden. Mit Hilfe des Interferometers 3 kann,
durch Reflexion an der Seite des maschinell zu bearbeitenden Bereichs
an der Innenseite des Werkstücks
die Versetzung des maschinell zu bearbeitenden Bereichs in der Bearbeitungsrichtung überwacht
werden, d.h. im Wesentlichen senkrecht zu dem maschinell bearbeiteten
Bereich selbst, indem die Phasendifferenz zwischen dem Messstrahl 11 und
dem Bezugsstrahl 12 über
die Zeit verfolgt wird, die aus der Änderung der durch die Strahlen
zurückgelegten
Weglängen
resultiert, und indem sie in eine Versetzung umgewandelt wird. Durch wählen der Änderung
der Phasendifferenz zwischen Messungen innerhalb des Intervalls
(–π, π) kann die
Gesamtversetzung eindeutig durch Addition bestimmt werden.
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Wenn
die Versetzung Δx
des maschinell zu bearbeitenden Bereichs 7 infolge der
Polieroperation im Wesentlichen der Versetzung ΔX, die zum Abtrag des Bearbeitungsvolumens
V erforderlich ist, entspricht, kann der Poliermittelstrahl 6 unterbrochen
werden und ein nachfolgend maschinell zu bearbeitender Bereich 7 kann
bearbeitet werden. Die Versetzung ΔX, die für die Korrektur der Differenzgeometrie
erforderlich ist, ist dann gleich der lokalen Distanz in Startrichtung
A der Bearbeitung zwischen der Werkstückoberfläche der gemessenen Geometrie
und der Oberfläche
der gewünschten
Geometrie.
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Um
die Oberflächenbeschaffenheit
des maschinell zu bearbeitenden Bereichs 7 zu verifizieren,
kann die Intensität
des an dem maschinell zu bearbeitendem Bereich 7 reflektierten
Lichts mit einem Laser-Rauhigkeitsmessgerät gemessen werden, so dass
ein Bild der Rauhigkeit und möglicher
Schäden,
die unterhalb der Werkstückoberfläche 8 vorhanden
sind, gewonnen werden kann. Diese Technik ist als solche als iTIRM
bekannt. Bei dieser Technik zeigt ein Anstieg der Intensität des reflektierten
Lichts eine Abnahme der Rauhigkeit der Oberfläche.
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Eine
solche Rauhigkeitsmessung kann mit Hilfe des Messstrahls 11 und/oder
des Bezugsstrahls 12 durchgeführt werden, kann aber auch
mit Hilfe eines Strahls eines separaten Laser-Rauhigkeitsmessgerätes mit Intensitätsmesser
mit oder ohne Unterstützung
der Strahlen 11, 12 des Interferometers gemessen
werden.
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Es
ist zu bemerken, dass in dieser beispielhaften Ausführungsform
der Messstrahl 11 und der Bezugsstrahl 12 an der
Seite der Werkstückoberfläche 5,
die dem Werkstück
zugewandt ist, d.h, der Innenfläche,
reflektiert werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Strahlen 11, 12 an
der äußeren Oberfläche reflektiert werden,
d.h. der Seite der Werkstückoberfläche 5,
die von dem Werkstück
weg weist. Um das Vorhandensein von Verunreinigungen auf der Werkstückoberfläche 5 zu
verhindern, die die Reflexion stören
könnten,
wie etwa ein Film des Poliermittels oder lose Fragmente des Werkstückmaterials,
kann die Bearbeitungsvorrichtung 1 mit einem Luftstrahl
(nicht gezeigt) ausgestattet sein, um die Werkstückoberfläche wenigstens in der Nähe des maschinell
zu bearbeitenden Bereichs vor der Messung sauber zu blasen.
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Es
wird nun auf
5 Bezug genommen, worin ein
Grundaufbau eines Objekts angegeben ist, wie beispielsweise eines
reflektiven Objekts
30 als ein optisches Element, wie etwa
eine Linse, mit einer bestimmten Kontur
31, die mit Hilfe
eines abtastenden Strahls
32 gemessen wird. Vorzugsweise
ist der abtastende Strahl
32 ein kohärenter Lichtstrahl, der zur
Reflexion an dem Objekt
30 eine feste Phasenfront
33 hat,
die der Einfachheit halber als flach angenommen wird. Es wird deutlich
werden, dass in bestimmten Fällen,
die in Bezug auf
11 beschrieben werden, auch
für nicht-flache
Phasenfrontflächen
die Kontur der Oberfläche
aus dem Phasenbild des Strahls abgeleitet werden kann. In
5 ist
ein Strahlengang, mit einem ersten Lichtstrahl
34, dargestellt,
der an einem Punkt des Objektes reflektiert wird, der in einer ersten
Höhe liegt.
In dieser Figur wird diese Höhe
durch die Höhe
Null in einem Ko ordinatensystem
35 repräsentiert, das in dicken Linien
dargestellt ist. Ferner wird ein Strahlengang, mit einem zweiten
Lichtstrahl
36, dargestellt, der an einem Punkt des Objektes
reflektiert wird, der in einer zweiten Höhe liegt, in einem Abstand
d von dem ersten Punkt. Schließlich ist
aus Gründen
der Vollständigkeit
ein dritter Strahlengang
37 eines Strahls dargestellt,
der wiederum von einer Position reflektiert wird, die auf der Höhe Null
liegt. Aus
5 ist klar, dass die verschiedenen
Lichtstrahlen, die in Strahl
32 eine Oberfläche
31 beleuchten,
aufgrund der Konturvariation des Objekts
30 zu einer Phasenvariation
in dem Strahl führen,
die zu der Konturvariation durch die Gleichung in Beziehung steht:
wobei Δφ eine Phasenvariation relativ
zur Phase Null (dargestellt durch die gestrichelte 38) ist, λ die verwendete
Lichtwellenlänge
ist, α der
Winkel relativ zur Senkrechten ist, unter dem die Messungen aufgenommen werden,
und d die Konturvariation repräsentiert.
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Mit
Bezug auf 7 ist nun verständlich,
wie ein ähnliches
Phasenmuster 39 (in diesem Fall einer symmetrischen Störung) beobachtet
wird, wenn der reflektiert Strahl mit einem Strahl mit Phase Null
kombiniert wird (diese Interferenz wird weiter mit Bezug auf 11 diskutiert).
Da Phasenverschiebungen naturgemäß nur modulo
2π beobachtet
werden können,
wird, ohne Anwendung der TPU-Technik, ein Phasenbild mit einer großen Anzahl
von Sprungstellen an 2π Übergängen gebildet.
Es ist klar, dass solche Übergänge in praktischen
Messresultaten schwer zu identifizieren sind, so dass die "Abwicklung" eines gemessenen
Phasendiagramms 39 in ein "reales" Phasenbild, das einer aus einer Konturvariation
resultierenden Phasenvariation entspricht, wie zum Beispiel mit
Bezug auf 38 in 5 darge stellt ist, hochgradig
abhängig
von der Interferenz in dem gemessenen Bild und der Anzahl der Phasensprünge ist.
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8 stellt
dar, wie ein solches Phasenbild im "abgewickelten Zustand" mit der TPU-Technik
bestimmt werden kann. Im Wesentlichen besteht diese Technik darin,
gemessene Phasenvariationen lokal oder temporär in einem Bereich von 2π einzuschränken, so
dass im Ergebnis keine Phasensprünge
auftreten können. Dies
kann dadurch erreicht werden, indem die Veränderungen in der Oberfläche zwischen
zwei Messungen ausreichend klein gehalten werden, dadurch dass die
Messungen sehr schnell aufeinander folgen, dass die Veränderung
ausreichend langsam ist oder dass die angewendete Veränderung
in dem Messsystem ausreichend klein ist.
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Als
Ergebnis kann, indem lokal oder temporär eine Phasenvariation Bezug
auf die Phase Null fixiert wird, ein Startpunkt zur Messung einer
nächsten
Phase bestimmt werden. Auf diese Weise bleibt ein Phasenbild 40 in
Bezug auf Zeit und Ort aufgelöst,
ohne dass Phasensprünge
in den Messungen auftreten. In der Figur entspricht dies der Abtastung
der Kontur in der Richtung des Pfeils und der Bewegung entlang der
Phasenebene, während
jedesmal eine in dem Bereich von 2π liegende Phasenvariation bestimmt
wird. Die erfasste Phasenvariation wird als Startpunkt zur Ausführung der
nächsten
Messung genommen. Der Phasenanstieg wird für jede Position über die
Zeit aufaddiert, so dass die gesamte Phasenvariation inhärent aufgelöst bleibt.
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Eine
Ausführungsform
zur Berechnung der Phasenänderung
kann darin bestehen, dass zu jedem Zeitpupkt phasenabgestufte Bilder
zur Berechnung der Phase registriert werden, gefolgt von der Subtraktion dieser
Phasenverteilung für
zwei aufeinanderfolgende Bilder. Zur Auflösung der Phase müssen daher
wenigsten drei phasenabgestufte Bilder für jeden Fall verwendet werden:
Da drei unbekannte Größen die
phasenabgestuften Bilder bestimmen: Die Hintergrundintensität, die Modulationsintensität und Phase.
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Ein
anderer Ansatz kann die Kombination von aufgeteilten Strahlen sein,
wobei ein zweiter Lichtstrahl relativ zu einem ersten Lichtstrahl
um eine viertel Wellenlänge
verzögert
wird. Die dann erhaltenen Bilder können, nach Spiegelung, beispielsweise
durch Software, direkt voneinander subtrahiert werden, um die Änderung
der Phasendifferenz zwischen den interferierenden Strahlen aufeinanderfolgender
Messungen zu bestimmen.
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Für diesen
Ansatz ist ein Minimum von vier phasenabgestuften Bildern erforderlich:
Mithin
werden für
jede Zeit t die phasenabgestuften Bilder registiert: I0(t)
= IB + IM cos(φ(t)) (2) Iπ/2(t)
= IB – IM sin(φ(t)) (3)
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Hierin
sind I
B und I
M die
Hintergrund- und die Modulationsintensität. Die Größe φ (t) bezeichnet die Phasendifferenz
zwischen dem Objekt und einer Bezugsphase. Die Phasenänderung
kann zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aufnahmen t + T erhalten
werden durch
wobei der Index 0 und π/2 den Phasenschritt
zwischen zwei interferierenden Strahlen bezeichnet. Die registrierten
Phasenänderungen
können
aufaddiert werden durch
ΔΦ = Σ iΔφ({i + 1}T, iT) -
Es
ist zu beachten, dass die in 7 dargestellte
Phase einen Bereich von 20 hat, mithin praktisch von 7π. Es ist
klar, dass dieses Phasenbild nicht direkt beobachtet werden kann,
sondern nur durch Auflösung, beispielsweise
durch TPU, berechnet werden kann.
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In 8 ist
eine imaginäre
Repräsentation
des Phasenmusters eines Messstrahls gezeigt, der leicht in Bezug
auf sich selbst verschoben ist, zum Beispiel durch eine Konturvariation 40,
wie in 7 dargestellt, was durch eine durchgehende Linie 41 und
eine gestrichelte Linie 42 dargestellt ist. Diese Technik
ist Fachleuten als "shearing" oder Verschiebung
bekannt. Nun wird der Strahl nicht mit einem Strahl mit Phase Null
kombiniert, wie weiter mit Bezug auf 12 erläutert ist,
so dass eine Kontur wie beispielsweise die Kontur 40 in 7 erhalten
werden kann, sondern mit einer verschobenen Version des Reflexionsstrahls.
Wenn diese Strahlen beispielsweise auf der Nachweisebene einer Kamera
kombiniert werden, wird ein Interferenzmuster beobachtet, das die
Phasendifferenz zwischen den Strahlen repräsentiert, wie dies bei der
Interferenz mit einem Strahl mit Phase Null wie mit Bezug auf 7 beschrieben
der Fall ist. Die Phasendifferenz kann als mathematische Ableitung
der Phasenkontur ausgedrückt
werden. Durch Verschieben der Phase, so dass die Phasendifferenz
innerhalb eines Bereichs von 2π liegt,
kann diese Phasendifferenz mittels von TPU aufgelöst werden,
was zu einer Phasenkontur 43 führt, wie sie mit Bezug auf 9 dargestellt
ist. Es ist zutreffend, dass der positive linke Teil der Phasenkontur
aus 9 den Teil repräsentiert, wo die kontinuierliche
Linie 41 aus 8 oberhalb der unterbrochenen
Linie 42 des verschobenen Strahls verläuft, der negative Teil gibt
den rechten Teil, wo die kontinuierliche Linie unterhalb der unterbrochenen
Linie 42 verläuft.
Um die reale Phasenkontur zu erhalten, wie sie als kontinuierliche
Linie 41 oder gestrichelte Linie 42 in 8 verläuft, muss
die mit Hilfe von TPU erhaltene Phase in Richtung der Versetzung
integriert werden. Wenn die Erfindung bei einer Material hinzufügenden oder
Material abtragenden Operation angewendet wird, d.h. in dem Fall,
in dem eine Kontur lokal variiert, ist es vorteilhaft, die Integration
in einer Zone zu starten, in der keine Änderungen aufgetreten sind;
diese Zone dient dann als Bezugszone, und Konturvariationen können eindeutig
auf einer solchen festen Bezugszone bestimmt werden. Wenn eine solche
Bezugszone nicht zur Verfügung
steht, kann die Variation nur lokal identifiziert und die Kontur
bis auf eine Konstante bestimmt werden. Der Umfang des Vorschubs ("shearing") wird durch die
Steigung der Konturvariation bestimmt; wenn eine erhebliche Steigung
nachgewiesen wird, muss der Vorschub relativ begrenzt sein, um die
Phase eindeutig aufzulösen,
wenn umgekehrt eine relativ kleine Steigung nachgewiesen wird, kann
der Vorschub erheblich sein. Durch Einstellen des Vorschubs auf
eine erfasste Steigung kann jedesmal mit maximaler Auflösung eine
schrittweise Phasenvariation nachgewiesen werden, so dass das Verfahren
eine relativ große
Empfindlichkeit hat.
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Schließlich demonstriert 10 ein
Phasendifferenzbild 44, wie es erhalten wird, wenn die
Phase im Laufe der Zeit nicht aufgelöst erhalten bleibt, d.h. wenn
Phasenänderungen
von mehr als 2π auftreten.
Es ist klar, insbesondere in praktischen Aufbauten, die inhärenten Systemungenauigkeiten
und Störungen
unterliegen, dass solche Variationen schwierig in ein Phasendiagramm
wie in 8 dargestellt überführt werden
können.
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11 zeigt
einen ersten Aufbau einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, wobei ein
Gerät zur
Messung einer Konturvariation eines Messbereichs an einem Objekt
verwendet wird. Das Gerät 45 aus 11 umfasst
eine Lichtquelle (nicht dargestellt), die einen Messbereich 46 bestrahlt,
während
von einer Position 47 aus ein Reflexionsstrahl 48 erzeugt
wird. Der Messbereich ist schematisch dargestellt und bildet einen
Teil einer Kontur eines Objekts, dass durch einen Halter (nicht
gezeigt) relativ zu der Lichtquelle und der Messoptik 45 positioniert
gehalten wird. Die Messoptik umfasst einen halbdurchlässigen Spiegel 49,
der unter einem Winkel angeordnet ist, um den reflektierten Strahl 48 zu
teilen. Daher erzeugt der Spiegel 49 zwei aufgeteilte Strahlen 50 und 51,
die senkrecht zueinander verlaufen. Die Strahlen 50 und 51 durchlaufen
separate optische Wege durch die Messoptik 45, bevor sie
in einem zweiten halbdurchlässigen
Spiegel 52 kombiniert werden. Mit einem drehbaren Spiegel 53 ist
der Winkel des Strahls 51 relativ zu dem Spiegel 52 einstellbar.
Infolgedessen wird der Strahl 51 unter einem Winkel, der
infolge der Drehung versetzt ist, auf den Spiegel 52 projiziert. Der
halbdurchlässige
Spiegel 52 projiziert den Strahl in zwei Zweige 54,
die jeweils mit einer Linse 55 und einer Kamera 56 versehen
sind. Mittels von Phasenelementen (nicht gezeigt) werden die Zweige
relativ zueinander verzögert,
so dass, wie oben mit Bezug auf die Gleichungen 2)–3) beschrieben,
zwei phasenabgestufte Bilder beobachtet werden, die relativ zueinander
in der Phase um 90° gedreht
sind. Die Kameras 56 sind beide mit einem Prozessor (nicht
gezeigt) verbunden, der durch Subtraktion beider Bilder direkt den
Phasenschritt gemäß der Gleichung
3) bestimmen kann. Wenn der Strahl auf die Linsen 55 als
Resultat der Winkelversetzung projiziert wird, beobachtet eine in
der Brennebene der Linse 55 angeordnete Kamera 56 ein
aus der Verschiebung der Strahlen 50, 51 resultierendes
Interferenzmuster, das der Winkelversetzung des rotierenden Spiegels entspricht.
Daraufhin berechnet der Prozessor aus der Gleichung 1 eine optische
Weglängendifferenz
und setzt die optische Weglängendifferenz
zu einer Konturvariation des Objekts in Beziehung.
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12 zeigt
einen zweiten Aufbau gemäß der Erfindung,
wobei auch ein Gerät
zur Messung einer Konturvariation eines Messbereichs auf einem Objekt
verwendet wird. Wie in 11 dargestellt weist das Gerät 57 aus 12 eine
Lichtquelle (nicht gezeigt) auf, die einen Messbereich 46 bestrahlt,
während
ein Reflexionsstrahl 48 erzeugt wird.
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Wie
bei dem Aufbau in 11 umfasst die Messoptik 57 einen
halbdurchlässigen
Spiegel 49, der unter einem Winkel angeordnet ist, um den
reflektierten Strahl 48 aufzuteilen. Daher erzeugt der
Spiegel 49 zwei aufgeteilte Strahlen 50 und 51,
die senkrecht zueinander verlaufen. Die Strahlen 50 und 51 durchlaufen
separate optische Strahlengänge
durch die Messoptik 57, bevor sie auf einem zweiten halbdurchlässigen Spiegel 52 kombiniert
werden. Jedoch ist der drehbare Spiegel 53 aus 11 hier
durch einen feststehenden Spiegel 58 ersetzt, der den aufgeteilten
Strahl 51 parallel zu dem kontinuierlichen Strahl 50 laufen
lässt.
Der geteilte Strahl wird direkt auf den halbdurchlässigen Spiegel 52 projiziert,
der den Strahl in zwei Zweige 54 projiziert, die jeweils
auch mit einer Linse 55 und einer Kamera 56 ausgestattet
sind. Die Zweige sind wie im Zusammenhang mit 11 erläutert ausgestaltet.
Anstatt jedoch, wie es in 11 der
Fall war, den Strahl mit einer verschobenen Version von sich selbst
zu kombinieren, ist nun in einem der aufgeteilten Strahlen 50 ein
optischer Phasenfilter angeordnet. Dieser Phasenfilter umfasst eine
Lochblende 60, die zwischen zwei Linsen 59 angeordnet
ist und die nur einen kleinen Teil des Strahls passieren lässt. Als
Resultat wird eine punktförmige
Lichtquelle mit einer praktisch flachen Phasenfront simuliert. Daher
wird durch diese Phasenfront ein Strahl mit Phase Null realisiert,
der weiter in sich genau die Störungen
und Weglängendifferenzen
trägt,
die durch die Optik in der abgeteilten Version eingeführt werden.
Um die Symmetrie zu erhöhen,
kann in dem aufgeteilten Strahl 51 eine identische Linsenanordnung 59 angeordnet
sein. Indem der Strahl 50' mit
Phase Null und der geteilte Strahl 51 kombiniert werden,
wird ein Interferenzmuster erzeugt, aus dem, wie mit Bezug auf die 6 und 7 erläutert wurde,
eine Phasenvariation abgelei tet werden kann, die in Bezug zu der
Konturvariation des Messbereichs 46 gesetzt werden kann.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen, die in den Zeichnungen
dargestellt sind, erläutert
worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern kann alle Arten
von Variationen und Modifikationen davon umfassen. Zum Beispiel
ist es durchaus möglich,
im Gegensatz zu den beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen
einen transmittierten Strahl bei optisch durchlässigen Objekten zu analysieren.
Das kann sogar ein Vorteil sein, wenn die obere Seite des Objekts
schwer zugänglich
ist, zum Beispiel wenn eine Material auftragende oder abtragende
Operation durchgeführt
wird. Ferner kann die Phasenvariation auch mit Hilfe von diffusen
Lichtstrahlen analysiert werden, da die Technik nur Phasendifferenzmessungen anwendet.
Die reale Phase kann daher ein Bild ergeben, das "wild" und schwer zu analysieren
ist, solange die Differenzbilder genügend Auflösung besitzen. Indem diffuse
Lichtstrahlen verwendet werden, zum Beispiel durch Bestrahlen eines
zu analysierenden Objektes mit einem diffusen Strahl oder durch
Bestrahlen mit einem relativ kohärenten
Strahl, wobei das Objekt aber mit einer relativ matten Schicht versehen
ist, unter einem relativ begrenzten Beobachtungswinkel, kann ein
Phasenbild und eine zugehörige
Phasenvariation beobachtet werden, die Informationen über eine
relativ große
Oberfläche
mit relativ großen
Konturvariationen in sich trägt. Diese
Technik mit diffusem Strahl oder Speckle-Technik erscheint daher
für Analysen
von relativ großen
Messbereichen mit relativ großen
Konturvariationen bevorzugt.
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Ferner
ist die gemäß der bevorzugten
beispielhaften Ausführungsformen
diskutierte Technik in Zusammenhang mit Oberflächen gesetzt, die durch Material
auftragende oder Material abtragende Operation ihre Form verändern. Das
Verfahren und die Vorrichtung sind jedoch auch zum Abtasten von
Oberflächen
ge eignet, die ihre Form nicht ändern,
in denen eine Phasenvariation nur durch eine Konturvariation infolge
einer Abtastbewegung des Messstrahls relativ zu einem Messbereich
auftritt.
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Solche
Variationen sollen in den Bereich der Erfindung, wie sie in den
nachfolgenden Ansprüchen
umrissen ist, fallen.
