WO2001023833A1 - Topometrische erfassung einer reflektierenden oberfläche - Google Patents

Topometrische erfassung einer reflektierenden oberfläche Download PDF

Info

Publication number
WO2001023833A1
WO2001023833A1 PCT/EP2000/008878 EP0008878W WO0123833A1 WO 2001023833 A1 WO2001023833 A1 WO 2001023833A1 EP 0008878 W EP0008878 W EP 0008878W WO 0123833 A1 WO0123833 A1 WO 0123833A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pattern
test specimen
specimen
local
observed
Prior art date
Application number
PCT/EP2000/008878
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Till HÄUSLER
Original Assignee
Häusler, Gerd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=7922204&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=WO2001023833(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Häusler, Gerd filed Critical Häusler, Gerd
Publication of WO2001023833A1 publication Critical patent/WO2001023833A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/8806—Specially adapted optical and illumination features
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/005—Testing of reflective surfaces, e.g. mirrors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/9501—Semiconductor wafers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/958—Inspecting transparent materials or objects, e.g. windscreens

Definitions

  • the patent describes a method and a device for the optical measurement of predominantly bare, even strongly curved surfaces, or for the measurement of the shape or the imaging properties of optical elements and systems which also contain such surfaces. This means that reflective and also transparent refractive surfaces can be measured in reflection and in transmitted light.
  • the method also teaches how to design it in such a way that it works optimally, i.e. one can achieve the best possible accuracy in terms of information theory and physics.
  • Ronchi test ie a grid of transparent lines, is used to select many beams in parallel. But a complete parallel measurement of the entire test specimen is not possible either
  • the receivers must either be large in the case of strongly curved surfaces or must be carried along with the beam of rays scanning the pupil
  • the puDille must be scanned in order to obtain full information about the effect of the system, and secondly, the beams can travel very obliquely at large angles through the room and are therefore practically not very accurate characterize, without very large receivers or complex guiding mechanisms for the receivers
  • the second disadvantage is a disadvantage common to all methods, which is discussed in more detail below, and the effects of which are reduced according to the invention as far as physics allows
  • the pupil of the test specimen and the grating must be imaged as sharply as possible. Such an image is only possible as a compromise due to the diffraction of the light.
  • the depth of field of the auxiliary optics must be increased by stopping down so that both the grating on the lens and the pupil of the test specimen is sharply imaged.
  • this is practically not possible with a Ronchi-type grating because it contains very few spatial frequencies (sharp edges)
  • the deformation of the observed grid image must be determined very precisely.
  • the intensity distribution in the image of the Ronchi grating is changed, which makes an exact localization impossible.
  • the sine grating has several advantages: It has no harmonics, i.e. you do not have to resolve high spatial frequencies in the grating image, i.e. you can get by with a shallower depth of field.
  • the choice of the grating frequency depends on the requirements for the lateral resolution and the angular resolution. The procedure for optimal selection of the grating period is described below.
  • Another important advantage is that the deformation of the observed grid image can be measured very easily with very high accuracy. So-called phase shift methods (e.g. M. Halioua, H. Liu, V.
  • a transmitting element for example a lens
  • a primary image 3 of the sine grating is projected onto a diffusing screen 2, as shown schematically in FIG. 1, at item 3. More precisely, a sequence of shifted sine gratings (grids with sinusoidal intensity) is projected, or a suitable combination of black and white gratings, for example as a gray code pattern. Colored or polarizing gratings are also conceivable, with each color or direction of polarization encoding a phase of the sequence.
  • the resulting patterns on the ground glass are simply called 'grids' in the following.
  • the lens 2 is at a distance d in front of the test object 4, shown here in section as a curved mirror, for example. In principle, all considerations apply analogously to transparent test objects.
  • the diffusing screen 2 with the gratings is imaged on the receiver 6 by auxiliary optics 5 after reflection by the test specimen in such a way that the images 7 of the gratings (hereinafter referred to as "observed grating images”) appear on the receiver 6.
  • the depth of field is preferably selected such that both the grating 3 and the test specimen 4 are imaged sharply into the plane of the receiver 6 (the image plane). This critical process, which is essential for the accuracy of the process. will be closer below considered
  • the observed grid images are then stored and evaluated in an evaluation unit 8
  • the receiver 6 (with the auxiliary optics 5), which determines the deformation of the observed grating image and thus the deflection of the rays by the test specimen after passing through the system, must simultaneously capture the entire test specimen so that the observed grating image the entire pupil of the test specimen, or the test specimen, must be offered to the test specimen at the entrance with rays from many different directions.
  • This is done by attaching a scattering element in front of the pupil of the test specimen at a suitable distance so that the incident light is predominantly diffuse in all directions fling above the Pr back scatters the stray element 2, briefly called 'diffuser' must be so great that seen by the receiver from the device under test appears at the illuminated in other words, from any place of the test object (or its pupil) m above sea KISSING Rays after reflection (or in the case of transmitting objects after refraction) on di e Hit the entrance pupil of the auxiliary optics.
  • Phase-shifted primary grating images are now successively projected, which are symbolized in FIG. 1 by the reference symbols 3, 3 ', 3 ".
  • a frequently selected sequence is used 4 primary grid images with a respective phase shift of 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, 270 degrees.
  • the observed grid images are preferably stored electronically and evaluated using known methods (Bruning 's phase shift method). Other sequences with other phase shifts are also possible With these methods it is possible to include the shift or deformation of the observed grid image in each pixel on the receiver high precision
  • This can be, for example, a flat glass plate or a flat mirror, then the local inclination of the test object can be determined from the difference e between the observed reference grating image and the observed specimen grating image. If the displacement e becomes too large (with a strongly curved test specimen), it is preferable to use an adapted reference object.
  • This can be, for example, a perfect or precisely measured test object, or a similar looking object, for example a spherical surface that comes close to an asphere to be measured, but which compensates for the basic curvature.
  • the process a) -f) must be repeated with a second grid that is oriented perpendicular to the first grid.
  • the projector 1 can be rotated by 90 degrees, or an optical arrangement for rotating the grating image, for example a Dove prism 11 for rotating the image, can also be used.
  • the test specimen has certain symmetry, for example rotational symmetry or cylindrical symmetry, it may be expedient to adapt the grating to this symmetry, for example to arrange it in a ring, or even to pre-deform it so that the observed grating image has a simple shape.
  • the shape of the surface z (x, y) can be determined by spatial integration.
  • the curvature of the surface can also be determined by spatial differentiation. If optical elements are involved, the task is often to determine the local refractive power. This can also be determined by spatial differentiation of the local inclination w (x, y).
  • the evaluation is equivalent.
  • the surface inclination here but the inclination of the deflected rays.
  • the surface results from the geometry of the image and the law of refraction and is to be determined in this way in principle. In many cases, however, one is more concerned with the optical effect, i.e. interested in local refractive power, e.g. for aspherical glasses.
  • an astigmatic optic 13 also consists of binary (black and white -) Patterns 12 precise gray patterns 14 can be generated, eg also sinusoidal patterns 10 with the help of liquid crystal displays the phase can be switched very quickly, for example in video clock.
  • Other technologies for the electronic generation and switching of grids are also conceivable, for example with the aid of DMD mirror arrays (manufactured by Texas Instruments) or plasma displays a quick measurement in eg 4 video cycles is possible.
  • other methods for generating a sine grid are also possible, e.g. B the so-called "dithered" grids, in which the desired intensity distribution is generated approximately by a fine grid as in newspaper printing.
  • the grid is suppressed by projection with a low lateral resolution, and only the relatively coarse sine distribution is visible. However, the corresponding grids r have to be moved mechanically as long as they cannot be switched over electronically. J )
  • the spreading disks must be used for large or strongly curved ones Test specimens are large As shown in Fig. 4a, the light from the focusing screen is mainly divergently scattered forward due to the illumination geometry sketched, arranged Alternatively, an integration of the focusing screen and converging lens, e.g.
  • the deformation of the grating image is determined by a phase shift method: this works the more precisely, the less noisy the images are, an important source of noise e is the speckle noise that occurs in particular in the case of partially coherent imaging via a focusing screen.
  • This removal can be reduced, for example, by moving the focusing screen during the integration time of the television camera. This motion can be achieved, for example, by rotating the focusing screen about an axis 16, preferably outside the observed image field A vibration of the diffusing screen is also conceivable.
  • a scattering knife with a fluorescent coating is also suitable to reduce the speckle noise if the illumination is carried out with fluorescence-stimulating light and the observation in fluorescence is generally not at a longer wavelength.
  • the system is particularly low in noise if you make the aperture of the pattern projection larger than the observation aperture of the auxiliary optics
  • the phase measurement is sensitive to darasitare reflexes if z B oe r
  • the test specimen is transparent, for example, when measuring a front surface in reflection, the reflection on the back surface disturbs this reflection can be strongly suppressed by an absorbent material with preferably the same refractive index being glued to the back surface (or the disturbing surface).
  • the disturbing surface A black glass can simply be brought into contact with immersion or optical putty. If the surface is curved, either an adapted surface must be made or the space can be filled with suitable immersion (or putty), which may also be absorbent Black glass is dispensed with if the immersion or the putty has so much absorption that the new back surface reflects only very little light into the measuring arrangement
  • the determined value of the local inclination w (x, y) can also be assigned to a specific location x, y (represented by reference number 9 in FIG. 2) on the test object.
  • a common and frequent task is to measure the local inclination of the wave transmitted or reflected by the test specimen. From this it is possible, for example, to find errors in the test specimen To determine the refractive power or the local curvature of the test specimen. Through spatial integration, the shape of the test specimen can be determined.
  • the minimum resolution aperture sin u m ⁇ n of the auxiliary optics 5 results from the Abbe resolution formula (because of the i a small apertures, it is usually sufficient to replace the sine with the angle). Step 1 of the method follows , the definition of the minimum possible observation aperture
  • step 3 of the method the optimal grating period p must be selected.
  • the shift e results from
  • the factor d / d mi ⁇ is added because in the case of an unsharp image with d> d min the lateral resolution becomes smaller and therefore the grating period must be chosen to be approximately this factor larger
  • the equations (7, 7a) indicate (for the equal sign) the optimal values of the product for the resolvable angular distance and the resolvable lateral distance on the test specimen. Such optimal values are achieved according to the invention by method steps 1-3. Minor deviations from this can occur, depending after permissible stripe contrast The measurement becomes somewhat easier if the fourfold value of the unsharp product is set
  • the method for optimizing the phase measuring deflecting method is thus as follows. After determining the lateral resolution 1 / ⁇ x on the object and determining the possible measurement quality Q, an angle resolution 1 / ⁇ w can be achieved if one
  • the auxiliary optics 5 should preferably be sharpened onto the object. This applies in particular if one chooses d> o m ⁇ n
  • the DUT itself has a base curve, and thus an imaging effect as the recipient does not see the grid, but the designed by the examinee intermediate image of the grid se different in size and location i can n.
  • the above considerations apply to this intermediate image.
  • Such a basic curvature can, however, also be compensated for by compensation optics 15, 15a in front of or behind the test object, so that the intermediate image is almost identical to the grating.

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, mit der die Form oder die Abbildungseigenschaften von spiegelnden oder transparenten Prüflingen bestimmt werden kann. Das Verfahren beruht darauf, daß ein im Wesentlichen sinus-förmiges Muster, das in einem Abstand vom Prüfling erzeugt wird, nach Spiegelung oder in Durchsicht durch den Prüfling von einer Hilfsoptik abgebildet wird, und die lokale Phase dieses Musters in der Bildebene bestimmt wird. Es wird ein Verfahren für die Wahl des Abstands des Musters vom Prüfling, der Beobachtungsapertur der Hilfsoptik und der Periode des Musters angegeben, so daß die bestmögliche Empfindlichkeit und Genauigkeit der Methode erreicht wird.

Description

TOPOMETRISCHE ERFASSUNG EINER REFLEKTIERENDEN OBERFLACHE
Beschreibung:
Das Patent beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Vermessung von vorwiegend blanken, auch stark gekrümmten Oberflächen, oder zur Vermessung der Form oder der Abbildungseigenschaften von optischen Elementen und Systemen, die auch solche Oberflächen enthalten. Damit sind reflektierende, und auch transparente brechende Flächen in Reflexion und im Durchlicht meßbar. Das Verfahren gibt auch eine Lehre, es so zu gestalten, daß es optimal arbeitet, d.h., man kann die informationstheoretisch und physikalisch bestmögliche Genauigkeit erreichen.
Während für die optische Vermessung von diffus reflektierenden Oberflächen eine große Anzahl von Meßverfahren zur Verfügung stehen, ist die optische Vermessuπgvoπ blanken, z.B. polierten Oberflächen mit hoher Genauigkeit noch nicht gelöst, wenn diese Flächen größere Abweichungen von der Ebenheit oder von einer Sphäre haben. Für die Spezialfälle 'ebene Fläche' oder 'Sphäre' gibt es verschiedene interferometrische Verfahren, die zwar Standard sind, aber komplex und störanfällig. Für schwach asphärische Flächen gibt es Verfahren, die die Asphärizität durch geeignete Elemente wie Referenzoptiken oder Hologramme kompensieren. Abgesehen davon, daß die Erstellung von Kompensationsoptiken äußerst kompliziert und kostenintensiv ist, gibt es zusätzliche Probleme bei stark gekrümmten, stark asphärischen Oberflächen, und/oder bei großen optischen Elementen, und bei Messungen in Reflexion. Solche Elemente sind z.B. sphärische und asphärische Linsen, auch asphärische Brillengläser, auch sphärische und asphärische Spiegel, ebenso aber auch z. B. Kunststoff-Folien, Siliciumwafer, Solarzellen, oder auch lackierte Bleche, z.B. Autokarosserien.
Es gibt eine Vielzahl von Verfahren, die eine optische Vermessung solcher Objekte ermöglichen sollen. Dazu gehören Varianten des Hartmann-Verfahrens (beschrieben bei J. Hartmann, Objektivuntersuchungen", Z. Instrumentenkunde 24(1904)1 , oder bei G. Häusler, G. Schneider, "Testing optics by experimental ray tracing with lateral effect photodiode", Appl.Opt. 27(1988) 5160), oder z.B. der Shack-Hdύniαnn-Test. Hier wird prinzipiell ein schmales Strahlenbündel durch die Pupille des Systems geschickt, und der Verlauf des Bündels nach der Ablenkung durch den Prüfling durch einen oder mehrere ortsauflösende Empfänger gemessen. Wenn man den Verlauf des Bündels genau kennt, kann man die optische Wirkung des Prüflings strahlenoptisch charakterisieren. Die Charakterisierung erfordert z.B. die Ermittlung zweier Durchstoßpunkte des Strahls, z.B. durch die Pupille und durch den Empfänger. Eine genaue Messung ist nur mit hochgenauen ortsauflöseπden Detektoren möglich.
Ein zusätzlicher Nachteil des Verfahrens ist, daß die Pupille durch das Strahlenbündel sequentiell abgetastet (abgerastert) werden muß, was zeitaufwendig ist. Dies wird im sog. Ronchi-Test gemildert. Hier wird ein "Ronchi-Gitter", d.h. ein Gitter aus transparenten Linien benutzt, um viele Strahlen parallel auszuwählen. Aber eine lückenlose parallele Vermessung des gesamte Prüflings ist damit auch nicht möglich
Ein weiteres Problem ist folgendes die Empfänger müssen bei stark gekrümmten Flachen entweder groß sein oder mit dem die Pupille abtastenden Strahlenbundel mitgefuhrt werden
Es treten also zunächst grundsatzlicn zwei Probleme auf erstens muß die PuDille abgetastet werden, um eine vollflachige Information über die Wirkung des Systems zu bekommen, und zweitens können die Strahlen sehr schräg unter großen Winkeln durch den Raum laufen und sind deshalb praktisch nicht mit hoher Genauigkeit zu charakterisieren, ohne sehr große Empfanger oder aufwendige Fuhrungsmechaπismen für die Empfänger
Die o g Probleme werden z B im US Patent 4 742,237 (K Ozawa, 3 5 1988) - für ein spiegelndes Objekt - zum Teil gelost, indem ein Gitter auf einen streuenden Schirm ("Streuscheibe") projiziert wird, der in einiger Distanz vom Prüfling angeordnet ist. Das Gitter wird nun über eine Reflexion am Prüfling durch eine Hilfsoptik beobachtet Wenn der Prüfling kein ebener Spiegel ist, sondern eine Krümmung aufweist, erscheinen die beobachteten Gitterlinien deformiert Aus dieser Deformation kann man naherungsweise die Oberflachenneigung bestimmen
Aber auch hier gibt es entscheidende Nachteile, erstens, man kann nur an den Orten messen, wo eine Gitterlinie vorhanden ist, dazwischen hat man keine Information. Deshalb wird im o.g US Patent 4,742,237 vorgeschlagen, das Gitter zu bewegen, um die Pupille so abzutasten
Der zweite Nachteil ist ein allen Verfahren gemeinsamer Nachteil, der im folgenden genauer diskutiert wird, und der in seinen Auswirkungen erfindungsgemaß so weit es die Physik erlaubt, reduziert wird
Sehr oft mochte man kleinste Abweichungen der Form mit hoher lateraler Auflosung detektieren. Zum Beispiel mochte man bei asphaπscheπ Brillengläsern (Gleitsichtglaser) die Brechkraft auf 1/100 Dptr messen, und dies über eine Flache von nur 2-3 mm Durchmesser Oder man mochte lokale Neiguπgsvanationen auf einem Siliciumwafer von nur 1 Bogensekunde über wenige mm Gesicπtsfeld sehen Auch die Messung feinster Dellen in Karosseπeblechen ist eine herausfordernde Aufgabe
Das oben beschriebene Verfahren (US 4,742.237), aber auch andere können diese Genauigkeit bei gleichzeitig hoher Ortsauflosung prinzipiell nicht erreichen weil zwei grundsätzliche Schwierigkeiten nicht gelost sind
Erstens man muß gleichzeitig die Pupille des Prüflings und das Gitter möglichst scharf abbilden Eine solcne Abbilαung ist wegen der Beugung des Lichtes in jedem Fall nur als Kompromiß möglich man muß die Schärfentiefe der Hilfsoptik durcn Abblenden so steigern, daß sowohl das Gitter auf der Streuscheibe als auch die PuDille des Prüflings scharf abgebildet werden Dies ist bei einem Gitter vom Ronchi- Typ aber praktiscn nicht möglich weil es senr nohe Ortsfrequenzen (Scharfe Kanten) enthalt Zweitens: Man muß die Deformation des beobachteten Gitterbildes sehr genau bestimmen. Da aber der Prüfling für die Beobachtung des Gitters Aberrationen einführt, wird die Intensitätsverteilung im Bild des Ronchi-Gitters verändert, was eine genaue Lokalisation unmöglich macht.
Alle diese Nachteile vermeidet man, indem man erfindungsgemäß ein Sinusgitter auf die Streuscheibe projiziert, und das Bild des Sinusgitters nach Reflexion am Prüfling, oder nach Transmission durch αen Prüfling, beobachtet. Das Sinusgitter hat dabei mehrere Vorteile: Es hat keine Oberwellen, d.h., man muß keine hohen Ortsfrequenzeπ im Gitterbild auflösen, d.h., man kommt mit geringerer Schärfentiefe aus. Die Wahl der Gitterfrequenz hängt von den Anforderungen an die laterale Auflösung und an die Wiπkelauflösung ab. Das Verfahren zur optimalen Wahl der Gitterperiode wird unten beschrieben. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, daß die Deformation des beobachteten Gitterbiides sehr einfach mit sehr hoher Genauigkeit meßbar ist. Dazu stehen sogenannte Phasenshift-Verfahren (z.B. M. Halioua, H. Liu, V. Sriπivasan, "Automated phase measuring profilometry of diffuse objects", Appl. Opt. 23 (1984) 3105) zur Verfügung. Sie funktionieren prinzipiell so, daß mindestens drei phasenverschobene Gitter projiziert und beobachtet werden. Daraus kann die lokale Phase und damit die Deformation des beobachteten Gitterbildes bestimmt werden. Weiter ist die Deformation des beobachteten Gitterbildes lückenlos auf der gesamten Pupille des Prüflings bestimmbar. Weil hier die Ablenkung von Strahlenbündeln oder Wellen am Prüfling durch Phasenmessung an Gitterbildern bestimmt wird, wird das im Patent beschriebene Verfahren "phaseπmessende Defiektometrie" (Abk.: PMD) genannt.
Damit ergibt sich nach der schematischen Fig. 1 folgende Vorrichtung, hier für ein reflektierendes Element beschrieben. Für ein transmittierendes Element, z.B. eine Linse, funktioniert das Verfahren sinngemäß, wie auch andere Ausgestaltungen mit verschiedener Geometrie oder anderen Abbildungselemeπten möglich sind. a) Mit Hilfe eines Projektors 1 wird auf eine Streuscheibe 2 ein Primärbild 3 des Sinusgitters projiziert, wie schematisch in Fig 1 , an Pos. 3 dargestellt. Genauer, es wird eine Sequenz von jeweils verschobenen Sinusgittern (Gitter mit sinusförmig verlaufender Intensität) projiziert, oder eine geeignete Kombination von Schwarz-Weiß-Gittern, z.B. als Graycode-Muster. Auch farbige oder polarisierende Gitter sind denkbar, wobei jede Farbe oder Poiarisatioπsrichtung eine Phase der Sequenz codiert. Die so auf der Mattscheibe entstehenden Muster werden im folgenden einfach 'Gitter' genannt. b) Die Streuscheibe 2 steht im Abstand d vor dem Prüfling 4, hier beispielsweise als gekrümmter Spiegel im Schnitt gezeichnet. Prinzipiell gelten alle Überlegungen sinngemäß auch für transparente Prüflinge. c) Die Streuscheibe 2 mit den Gittern wird durch eine Hilfsoptik 5 nach Reflexion durch den Prüfling so auf den Empfänger 6 abgebildet, daß die Bilder 7 der Gitter (im folgenden "beobachtete Gitterbilder" genannt) auf dem Empfänger 6 erscheinen. Die Dabei wird die Schärfentiefe vorzugsweise so gewählt, daß sowohl die Gitter 3 wie auch der Prüfling 4 πäheruπgsweise in die Ebene des Empfängers 6 (die Bildebene) scharf abgebildet werden. Dieser kritische Prozess, der für die Genauigkeit des Verfahrens wesentlich ist. wird unten näher betrachtet Die beobachteten Gitterbiider werden dann gespeichert und in einer Auswerteeinheit 8 ausgewertet
Kern der Überlegungen ist zunächst, daß der Empfanger 6 (mit der Hilfsoptik 5), der die Deformation des beobachteten Gitterbiides und damit die Ablenkung der Strahlen durch den Prüfling nach dem Durchgang durch das System bestimmt, den gesamten Prüfling gleichzeitig erfassen muß Damit das beobachtete Gitterbild die gesamte Pupille αes Prüflings, bzw den Prüfling abdeckt, müssen dem Prüfling am Eingang Strahlen aus sehr vielen Richtungen angeboten werden Dies geschieht dadurch daß vor der Pupille des Prüflings, in geeignetem Abstand, ein streuendes Element angebracht wird das das einfallende Licht vorwiegend diffus in alle Richtungen zum Prüfling hin streut Das streuende Element 2, kurz 'Streuscheibe' genannt, muß so groß sein, daß vom Empfanger aus gesehen, der Prüfling ganz ausgeleuchtet erscheint Mit anderen Worten von jedem Ort des Prüflings (oder dessen Pupille) müssen Strahlen nach der Reflexion (oder bei transmittierenden Objekten nach der Brechung) auf die Eintrittspupille der Hilfsoptik treffen Dies kann bei stark gekrümmten Flachen sehr große Streuscheibeπ notig machen e) Es werden nun nacheinander phasenverschobene primäre Gitterbiider projiziert, die in Fig 1 durch die Bezugszeichen 3, 3', 3", symbolisiert sind Eine häufig gewählte Sequenz benutzt 4 primäre Gitterbiider mit einer jeweiligen Phasenverschiebung von 0 Grad, 90 Grad, 180 Grad, 270 Grad. Die beobachteten Gitterbiider werden vorzugsweise elektronisch gespeichert und mit Hilfe bekannter Verfahren (Bruning'sches Phasenshift-Verfahren) ausgewertet Andere Sequenzen mit anderen Phasenverschiebungen sind ebenso mogiicn Mit diesen Verfahren ist es möglich, in jedem Bildpunkt auf dem Empfanger die Verschiebung bzw Deformation des beobachteten Gitterbiides mit hoher Präzision zu bestimmen
Es sind auch andere Gitterprojektionsverfahren bekannt, z B aus der Veröffentlichung von K Andresen und B Morche, ("Digitale Verarbeitung von Kreuzrasterstrukturen zur Verformungsmessung", VDI Ber Verlag Dtsch Ing , (1983), 19) Diese erreichen jedoch keine hohe Präzision, weil keine Sinusgitter verwendet werden Die hohe Präzision des Phasenshiftverfahrens wird im wesentlichen durch die Projektion von Sinusgittern erreicht Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist auch, daß jeder Punkt (x,y) des Prüflings unabhängig von seinen Nachbarn vermessen werden kann f) Aus der Deformation des beobachteten Gitterbiides kann man über einfache geometrische Beziehungen die lokale Neigung des Prüflings ermitteln Zur Veranschaulichung diene Fig 2 Hier ist als Prüfling 4 zur vereinfachten Erklärung eine keilförmige Glasplatte benutzt worden Ein Oberfiacnenpunkt 9 auf dem Prüfling wird auf dem Empfanger 6 in den Bildpunkt 9a abgebildet Ohne Prüfling wurde man am Ort 9a auf dem Empfanger eine Intensität sehen wie sie durch die sinusförmige intensitatsverteiiung 10 des Citters am Ort 9b gegeben ist Da der Prüfling eine Ablenkung der Strahlen um den Winkel w bewirkt sieht der Empfanger 6 aber nun die Intensität des Gitters am Ort 9c Das Gitter erscheint um die Strecke e verschoben Die Strecke e errecnnet sicn zu e = d tan w bzw in Nanerung zu e = d w Wenn man e für jeden PruflingsDunkt (x y) Kennt kann man die lokale Neigungsanderung w(x y) bestimmen Weil ort die Geometrie der Anordnung nicht genau erfassbar ist, arbeitet man mitunter auch mit dem Vergleich mit einem Refereπzobjekt. Dieses kann z.B. eine ebene Glasplatte oder ein ebener Spiegel sein, dann läßt sich aus der Differenz e zwischen beobachtetem Referenz-Gitterbild und beobachtetem Prüflings-Gitterbild die lokale Neigung des Prüflings bestimmen. Wenn die Verschiebung e zu groß wird (bei stark gekrümmtem Prüfling), so kann man vorzugsweise ein angepaßtes Referenzobjekt verwenden. Dies kann z.B. ein perfekter, oder genau vermessener Prüfling sein, oder ein ähnlich aussehendes Objekt, z.B. eine sphäriscne Fläche, die einer zu messenden Asphäre nahekommt, die aber die Grundkrümmung kompensiert. Für nicht zu große Objekte gibt es auch die Möglichkeit, die Geometrie der Vorrichtung einfach zu gestalten, indem telezentrische Beleuchtung und/oder telezentrische Beobachtung realisiert werden. Dann entfallen die perspektivischen Verzerrungen, und die Abbilduπgsmaßstäbe sind unabhängig von den Entfernungen. g) Da das Verfahren nur die Komponente der Oberfiächenneigung (des Gradienten) senkrecht zu den Gitterlinien mißt, muß der Vorgang a)-f) mit einem zweiten Gitter wiederholt werden, das senkrecht zum ersten Gitter orientiert ist. Dazu kann z.B. der Projektor 1 um 90 Grad gedreht werden, oder es kann auch eine optische Anordnung zur Drehung des Gitterbildes, z.B. ein Dove-Prisma 1 1 zur Bilddrehung verwendet werden. Wenn der Prüfling bestimmte Symmetrie aufweist, z.B. Rotationssymmetrie oder zylindrische Symmetrie, so kann es zweckmäßig sein, die Gitter dieser Symmetrie anzupassen, z.B. ringförmig anzuordnen, oder gar so vorzuverformen, daß das beobachtete Gitterbild eine einfache Form aufweist. h) Wenn man die lokale Neigung w(x,y) des Prüflings oder der vom Prüfling reflektierten oder transmittierten Strahlen bestimmt hat, so läßt sich durch räumliche Integration die Form der Fläche z(x,y) bestimmen. Ebenso läßt sich durch räumliche Differentiation die Krümmung der Fläche bestimmen. Handelt es sich um optische Elemente, so besteht die Aufgabe oft darin, die lokale Brechkraft zu bestimmen. Diese kann auch durch räumliche Differentiation der lokalen Neigung w(x,y) ermittelt werden. In vielen Fällen ist man nicht an der Form der Oberfläche interessiert, sondern nur an der Detektion von Fehlern. Zum Beispiel bei der Prüfung von Solarzellen kann man mit der Methode sehr einfach Brüche detektieren. Sie äußern sich in einer Uπstetigkeit der lokalen Neigung, und damit in einem sichtbaren Sprung der lokalen Phase im beobachteten Streifenmuster.
Für transparente Prüflinge, wie z.B. Brillengläser, Autoscheiben, Folien oder ähnliche Elemente, ist die Auswertung äquivalent. Man mißt hier allerdings nicht die Oberfiächenneigung sondern die Neigung der abgelenkten Strahlen. Die Oberfläche ergibt sich über die Geometrie der Abbildung und das Brechungsgesetz und ist prinzipiell so zu ermitteln. In vielen Fällen ist man aber eher an der optischen Wirkung, d.h. an der lokalen Brechkraft interessiert, wie z.B. bei asphärischen Brillengläsern.
Damit ist die prinzipielle Funktion des Verfahrens erklärt. Für eine hochgenaue Messung sind jedoch erfinduπgsgemäß weitere Überlegungen notwendig. Diese betreffen die Erzeugung präziser Sinusmuster, die effektive Ausleuchtung des Prüflings, die Verringerung von kohärentem Rauschen, die Unterdrückung parasitärer Reflexe und die informatioπstheoretisch optimale Wahl von Beobachtungsapertur, Abstand d und Gitterperiode p, sowie dem Fokusort der Hilfsoptik i) Eine wichtige Rolle spielen die primären Sinusgitter-Bilder, die auf der Streuscheibe erzeugt werden Es ist wichtig, daß diese Gitter mit hoher Genauigkeit eine sinusförmige Intensitatsverteiiung aufweisen Eine solche kann z B mit dem in der Veröffentlichung von G Hausier und M Gruber genannten Verfahren ("Simple, robust ano accurate phase measuπng tπangulation" Optik 89 (1992; 1 18) erzeugt werden coer, auf optoelektronischem Weg, durch das in der Patentschrift . „Vorrichtung zur Erzeugung streifenartiger Lichtmuster", Deutsches Patent P 43 43 830 angemeldet am 15 12 93, von G Hausler und R Lampalzer, beschriebene Verfahren Wie in Fig 3 beschrieben beruhen diese Methoden im wesentlichen darauf, daß durch eine astigmatische Optik 13 auch aus binaren (schwarz-weiß-) Mustern 12 präzise Grautoπmuster 14 erzeugt werden können, z B auch Sinusmuster 10 Mit Hilfe von Flussigkristall-Displays kann man das Umschalten der Phase sehr schnell, z B im Videotakt realisieren Es sind auch andere Technologien zur elektronischen Erzeugung und Umschaltung von Gittern denkbar, z B mit Hilfe von DMD-Spiegelarrays (hergestellt von der Fa Texas Instruments) oder von Plasma-Displays Damit ist eine schnelle Messung in z.B 4 Videotakten möglich. Es sind aber auch andere Verfahren zur Sinusgitter-Erzeugung möglich, z. B die sogenannt "geditherten" Gitter, bei denen die gewünschte Intensitatsverteiiung naherungsweise durch ein feines Raster wie beim Zeitungsdruck erzeugt wird. Durch Projektion mit geringer lateraler Auflösung wird das Raster unterdruckt, und nur die relativ grobe Sinus- Verteilung ist sichtbar Allerdings müssen die entsprechenden Gιtter mechanisch bewegt werden, solange sie nicht auf elektroniscnem Wege umschaltbar erzeugt werden j) Die Streuscheiben müssen für große oder stark gekrümmte Prüflinge groß sein Wie in Fig 4a dargestellt, wird das Licht von der Mattscheibe wegen der Beleuchtungsgeometrie vorwiegend divergent vorwärts gestreut Damit eine Streuung vorzugsweise in Richtung auf den Prüfling und auf die Pupille der Hilfsoptik erfolgt, wird zweckmäßig vor der Streuscheibe eine Sammellinse wie in Fig 4b skizziert, angeordnet Alternativ kann auch eine Integration von Mattscheibe und Sammellinse, z B in Form einer Fresnel-Linse verwendet werden k) Die Deformation des Gitterbiides wird durch ein Phasenshiftverfdinen bes imm: Dieses funktioniert umso genauer, je weniger rauschbehaftet die Bilder sind Eine wichtige Rauschquelle ist das Specklerauschen, das insbesondere bei der teilkoharenten Abbildung über eine Mattscheibe auftritt Dieses Rauscnen kann z B durch Bewegung der Mattscheibe wahrend der Integratioπszeit der Fernsehkamera reduziert werden Diese Bewegung kann z B durch Rotation der Mattscheibe um eine Achse 16 vorzugsweise außerhalb des beobachteten Bildfeldes erfolgen Es ist auch eine Vibration der Streuscheibe denkbar Aber auch eine StreuscneiDe mit einer fluoreszierenden Beschichtung ist geeignet das Specklerauschen zu reduzieren wenn die Beleuchtung mit Fluoreszenz- anregendem Licht erfolgt und die Beobachtung im Fluoreszenziicht im allgemeinen bei einer größeren Wellenlänge In jedem Fall ist das System Desonders rausenarm wenn man die Apertur der Musterprojektion großer als die BeoDachtungsaoertur der Hilfsoptik macht
I) Die Phasenmessung ist empfindlich gegen Darasitare Reflexe Wenn z B oer Prüfling transparent ist, so stört z B bei der Messung einer Vorderflache in Reflexion die Reflexion an der Ruckflache Diese Reflexion kann stark unterdruckt werden, indem an die Ruckflache (bzw die störende Flache) ein absorbierendes Material mit vorzugsweise gleicher Brechzahl angekittet wird Ist die störende Flache eben, so kann einfach ein Schwarzglas mit Immersion oder Optikkitt in Kontakt gebracht werden Ist die Flache gekrümmt, so muß entweder eine angepaßte Flache gefertigt werden oder der Zwischenraum durch geeignete Immersion (bzw Kitt) die auch absorbierend sein darf aufgefüllt werden Prinzipiell kann auch auf das Scnwarzglas verzichtet werden wenn die Immersion, bzw der Kitt soviel Absorption aufweisen, daß die neue Ruckflache nur noch sehr wenig Licht in die Meßanordnung reflektiert
Im folgenden wird nun ein weiterer Kernpunkt der Erfindung beschrieben das Verfahren zur geeigneten Wahl von Gitterpeπode p, dem Abstand d der Streuscheibe vom Prüfling, der Apertur sin u der Hilfsoptik und dem Fokusort dieser Optik Die Verhaltnisse sind in Fig 2 skizziert Die grundsätzliche Problematik aller deflektometπschen Methoden (so genannt, weil die Ablenkung von Strahlen am Prüfling gemessen wird) ist eine tiefgehende physikalische Beschrankung man muß den Ort eines "Strahls" auf dem Prüfling, und seine Richtung gleichzeitig kennen was wegen der Beugung nur mit einer Unsicherheit möglich ist Je genauer man den Ort des Strahls auf dem Prüfling kennt (=Strahl sehr dünn), desto mehr lauft der Strahl durch Beugung auseinander (=Rιchtung nicht definiert) Bei den Verfahren wo man tatsächlich mit Strahlen (genauer Strahlenbundeln) arbeitet (wie beim Hartmann-Test) darf man deshalb die Strahlen nicht zu dünn machen Wenn man umgekehrt den Strahl zu breit wählt, dann kann man ic ale Änderungen der Pruflingseigenschaften nicht mehr auflosen Im vorliegenden Patent wird der Prüfling nicht mehr mit "Strahlen" abgetastet, man nimmt dagegen ein Gesamt-Bild auf, das Information über die lokale Neigung des Prüflings enthalt Auch hier wirkt die Beugung, und zwar so, daß man nicht gleichzeitig die beobachteten Gitterbiider und den Prüfling scharf sehen kann
Von großer Bedeutung bei der Abbildung ist aber, daß der ermittelte Wert der lokalen Neigung w(x,y) sich auch einem bestimmten Ort x,y (in Fig 2 durch das Bezugszeichen 9 repräsentiert) auf dem Prüfling zuordnen laßt Dies nur eingeschränkt möglich Hier soll ein Verfahren beschrieben werden, das die physikalisch bestmögliche Losung einer gegebenen Meßaufgaue üdiöiclu In Fig 2 ist eine Anordnung mit transparentem Prüfling gewählt, dies wegen der einfacheren Veranschauiichung aber auch um darzustellen, daß das Verfahren sowohl in Reflexion als auch in Durchlicht funktioniert Dabei ist das Objekt hier im Beispiel als prismatisch dargestellt weil sich damit die Ablenkung besonders einfach erklaren laßt
Dabei ist es zunächst wichtig, die Meßaufgabe zu definieren eine moghcne und häufige Aufgabe ist die lokale Neigung der vom Prüfling ourchgelassenen oder reflektierten Welle zu messen Daraus w,rd es oann z B moglicn Fehler des Prüflings zu finden Durch räumliche Differentiation ist es möglich die lokale Brechkraft oder die lokale Krümmung des Prüflings zu bestimmen Durch räumliche Integration laßt sicn die Form des Prüflings ermitteln Für hochwertige optiscne Elemente ooer um geringste ADweicnungen von Objekten von den Solleigenscnaπen zu ermitteln benotigt man eine sehr kleine auflösbare Winkeidistanz δw, die durch die Meßaufgabe mittelbar oder unmittelbar vorgegeDen wird Diese Vorgabe ist oft gemeinsam mit der lateral auflösbaren Distanz δx auf dem Prüfling gegeben Wie müssen Abstand d, Periode p, Beobachtuπgsapertur sin u und Fokusort gewählt werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen?
Dies soll zunächst anhand eines Beispieles dargestellt werden Will man zum Beispiel die Brechkraft eines Prüflings auf 1/100 Dptr genau messen, und dies innerhalb eines Feldes X auf dem Prüfling von X=3mm dies ist eine Aufgabe wie sie bei der Vermessung asphaπscher Brillenglaser vorkommt so ist plausibel daß die auflösbare Distanz δx auf dem Prüfling nicht großer als 3 mm, besser noch etwas geringer sein sollte Es ergibt sich daraus auch die ungefähr zu fordernde auflösbare Winkeidistanz δw = 4-6 Bogensekunden
Aus der geforderten auflösbaren Distanz δx ergibt sich mit der Abbe-schen Auflosungsformel die minimal erlaubte Apertur sin umιn der Hilfsoptik 5 (wegen der i a kleinen Aperturen genügt es meist, den Sinus durch den Winkel zu ersetzen) Es folgt also Schritt 1 des Verfahrens, die Definition der minimal möglichen Beobachtungsapertur
(1) sin um,n <= λ/δx, ( λ = benutzte Wellenlänge, sin u = objektseitige Apertur der
Hilfsoptik 5)
Aus (1) folgt wegen der nun festgelegten Schärfentiefe der Abbildung sofort als zweiter Schritt des Verfahrens die Festlegung des optimalen Abstandes dmιn zwischen Prüfling und Streuscheibe Es versteht sich, daß d für eine empfindliche Messung so groß wie möglich zu wählen ist, damit eine große Verschiebung e erzeugt wird
(2) d >= dm,n = λ/siπ u2 = δx2/λ wobei dmιπ gleich der Schärfentiefe der Hilfsoptik 5 entsDπcht
Im Schritt 3 des Verfahrens ist die optimale Gitterperiode p zu wählen Die Verschiebung e ergibt sich aus
(3) e = d tan δw
(für reflektierende Prüflinge ist e doppelt so groß) Die Verschiebung ε soll so groß sein, daß sie eine detektierbare Phasendifferenz δ<t> des beobachteten Gitterndes erzeugt Aufgrund technischer Beschrankungen (Kamerarauschen, Specklerauschen mechanischer thermischer Instabilität) laßt sich die Phase mit den oben beschriebenen Methoden nur mit einer Unsicnerneit δ® = 2τt/Q bestimmen Q ist ein Qualitatsfaktor der in der Praxis etwa Dei 100 liegt die Phase ist also etwa auf 1 % von 360 Grao genau bestimmbar Bessere Meßanordnungen können ein αroßeres Q haben Für eine vorgegeoene Winkelauflosung 1/δw darr p also nicn* großer sein als pma
(Λ\ p <= pn3λ = e Q = d tan δw Q Damit ist bei einer vorgegebenen Winkeiauflosung die maximale Gitterperiode gegeben Andererseits darf p nicht so klein sein, daß oer Kontrast durch die geringe laterale Auflosung zu stark reduziert wird Für ausreichenden Kontrast sollte naherungsweise gelten
(5) p >= Pmin = δx d/dmιn, für d >= dmιn
Der Faktor d/dmiπ ist angefugt weil bei unscharfer Abbildung mit d>dmιn die laterale Auflosung geringer wird und deshalb die Gitterperiode um etwa diesen Faktor großer gewählt werden muß
Gleichungen (4, 5, 6) definieren den Bereich oer optimalen Gitterperiode zwischen bestmöglicher Winkelauflosung (p=pPmm) und der Periode, die einer geforderten Winkeiauflosung angepaßt ist (p=Pmaχ)
(6) pm = δx d/dmιn <= p <= o tan δw Q
Die bestmögliche Winkeiauflosung erreicht man naherungsweise mit der Wahl p=p mir und d=dm,n Die auflösbare Winkeidistanz ist dann tan δw = δx/(Q dmιn) Mit Gl (2) ergibt sich daraus eine Unscharferelation
(7) tan δw δx >= λ/Q , bzw für kleine Winkel δw (6a) δw δx >= λ/Q
Die Gleichungen (7, 7a) geben (für das Gleichheitszeichen) die optimalen Werte des Produktes für die auflösbare Winkeidistanz und die auflösbare laterale Distanz auf dem Prüfling an Solche optimalen Werte werden erfindungsgemaß durch die Verfahrensschritte 1-3 erreicht Geringfügige Abweichungen davon können auftreten, je nach zulassigem Streifenkontrast Die Messung wird etwas einfacher wenn etwa der vierfache Wert des Unscharfeproduktes eingestellt wird
Das Verfahren zur Optimierung der phaseπmesseπden Deflektometπe ist also wie folgt Nach Festlegung der lateralen Auflosung 1/δx auf dem Objekt uno Bestimmung der möglichen Meßqualitat Q kann man eine Winkeiauflosung 1/δw erreicnen wenn man
1 die Beobachtuπgsapertur sin u nach Gleichung (1 ) wählt
2 den Abstand d nach Ungleichung 2 wählt
3 die Gitteroeπode nach Ungleichung (6) wählt
4 Um die bestmögliche laterale Auflosung zu erreichen ist vorzugsweise die Hilfsoptik 5 auf das Objekt scharfzusteilen Dies gilt insbesondere wenn man d>omιn wählt
Bei zu geringer Schärfentiefe oer Abbildung kann oas beobachtete GitterDiic unschaπ werden Dies ist in geringem Maße zulassig weil wegen oer sinustormigen Intensitatsverteiiung sicn die Unscharre nur in einer Kontrastverπngerung bemerkbar macht Wählt man die Gitterpenooe großer was aus tecnniscnen Grunoeπ notwendig se>n kann wird die erreichbare Winkeiauflosung geringe*- es sei denn man erzeugt das Gitter in einem größeren Abstand d Dann ist die Scnarτentιeτe nicnt menr ausreicneno aber wegen cer größeren Periode p (Gl (5j ) ernalt man nocn eir oeooacntetes Gitterbild allerdings Kann eine Verringerung oes Kontrastes auftreten Diese Methode ist näherungsweise ohne Verringerung der lateralen Auflösung auf dem Prüfling möglich, wenn die Hilfsoptik auf den Prüfling scharfgestellt wird. Deshalb ist die Fokussieruπg auf den Prüfling vorteilhafter als die Fokussierung auf das Gitter.
Wenn der Prüfling selbst eine Grundkrümmung hat, und damit auch eine abbildende Wirkung so sieht der Empfänger nicht das Gitter, sondern das durch den Prüfling entworfene Zwischenbild des Gitters, das in Größe und Lage verschieden sein kann. In diesem Fall gelten die obigen Überlegungen für dieses Zwischenbild. Eine solche Grundkrümmung kann aber auch durch eine Kompensationsoptik 15, 15a vor oder hinter dem Prüfling ausgeglichen werden, sodaß das Zwischenbild nahezu identisch mit dem Gitter ist.
Bei stark gekrümmten Prüflingen kann die Eindeutigkeit der Phasenmessung verloren gehen, da die Phase nur modulo 2π bekannt ist. In diesem Fall ist es zweckmäßig, mit mehreren verschiedenen Gitterfrequenzen zu arbeiten, wie es bei anderen phasenmessenden Methoden Stand der Technik ist.

Claims

Ansprüche
1 Verfahren zur Vermessung von spiegelnden oder transparenten Prüflingen dadurch gekennzeichnet daß, ein Muster mit vorzugsweiser sinusförmiger Intensitatsverteiiung zunächst in einer Entfernung d vom Prüfling so auf einen Streuer abgebildet wird, daß nach der Abbildung die Strahlen in die erforderlichen verschiedenen Raumπchtungeπ zum Prüfling hin gestreut werden, daß dieses Muster über den Prüfling in Reflexion odei uurch den Prüfling hindurch in Transparenz beobachtet wird, daß das Muster und der Prüfling gleichzeitig optimal scharf abgebildet werden daß das Muster vorzugsweise mehrfach verschoben beobachtet wird und die beobachteten Musterbilder gespeichert werden, und daß aus den Musterbildern die lokale Deformation des beobachteten Musters bestimmt wird,
und daß aus dieser Deformation die lokale Neigung oder Krümmung der vom Prüfling reflektierten oder transmittierten Strahlen oder die Form des Prüflings bestimmt wird
2 Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Sinusmuster durch Projektion von Schwarz-Weiß-Mustern mit Hilfe emer astigmatischen Optik erzeugt werden und die Deformation der beobachteten Musterbilder durch Bestimmung der lokalen Phase der Muster bestimmt wird
3 Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Muster nacheinander in zwei zueinander senkrechten Richtungen projiziert werden und die lokalen Neigungskomponenteπ nacheinander in den Richtungen senkrecht zur Streifenrichtung bestimmt werden
4 Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Muster der Form des Prüflings durch Vorverformung so angepaßt werden daß das beobachtete Musterbild eine einfach auswertbare Gestalt hat
5 Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Neigungsdiffereπz gegen ein Referenzobjekt bestimmt wird
6 Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß das Referenzobjekt die Grundform des Prüflings annähert
7 Verfahren nach Ansoruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Form des Prüflings durch Integration oer lokalen Neigung bestimmt wird, und daß die lokale Krümmung des Prüflings durch Differentiation oer lokalen Neigung bestimmt wird
8 Verfahren nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeicnnet daß der Streuer bewegt wird, um eine Mittelung über kohärentes Rauschen zu erzielen
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein fluoreszierender Streuer verwendet wird, der durch die beleuchtende Strahlung zur Fluoreszenz angeregt wird, und die Fluoreszenz-Strahlung für die Bestimmung der lokalen Neigung verwendet wird.
10 Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Apertur der Musterprojektion großer oder mindestens gleich der die Beobachtungsapertur der Hilfsoptik gewählt wird
11 Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß störende Reflexe an Grenzflachen des Prüflings durch in-Kontakt-Bπngen mit absorbierenden Materialien beseitigt werden.
12 Verfahren nach Anspruch 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsoptik auf den Prüfling fokussiert wird,
13 Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Apertur der Hilfsoptik so gering eingestellt wird, daß die durch Beugung erzeugte laterale Auflosung der geforderten Auflösung 1/δx entspricht,
und daß der Abstand d zwischen dem Muster und dem Prüfling so gewählt wird, daß er mindestens der Schärfentiefe dmιn der Abbildung durch den Prüfling entspricht,
14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode des Musters so gewählt wird, daß sie größer oder gleich ist wie die auflösbare Distanz δx, multipliziert mit dem Faktor d/dmιn, aber kleiner oder gleich ist dem Produkt aus dem tangens der aufzulosenden Winkeidistanz tan δw und dem Abstand d und dem Qualitätsfaktor Q.
15 Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet daß, ein Projektor ein Muster mit vorzugsweise sinusförmig verlaufender Intensität auf eine Streuscheibe bronziert, diese Streuscheibe die Strahlen in alle erforderlichen Richtungen so auf den Prüfling lenkt, sodaß der Prüfling von der Hilfsoptik aus betrachtet, in seinen wesentlichen Teilen hell erscheint, das Muster nach Reflexion am Prüfling oder nach Durchgang durch den Prüfling mit der Hilfsoptik auf einem Empfanger abgebildet wird, das Muster und der Prüfling gleichzeitig optimal scharf abgebildet werden, das Muster vorzugsweise mehrfach verschoben abgebildet wird und im Speicher die Musterbilder gespeichert werden und aus den gespeicherten Musterbildern die lokale Deformation des Musters errechnet wird, und daß aus der Deformation des Musters die Form des Prüflings oder seine optischen Eigenschaften errechnet werden
PCT/EP2000/008878 1999-09-16 2000-09-12 Topometrische erfassung einer reflektierenden oberfläche WO2001023833A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19944354.8 1999-09-16
DE1999144354 DE19944354C5 (de) 1999-09-16 1999-09-16 Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung von spiegelnden oder transparenten Prüflingen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2001023833A1 true WO2001023833A1 (de) 2001-04-05

Family

ID=7922204

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2000/008878 WO2001023833A1 (de) 1999-09-16 2000-09-12 Topometrische erfassung einer reflektierenden oberfläche

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE19944354C5 (de)
WO (1) WO2001023833A1 (de)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013018569A1 (de) 2013-10-30 2015-04-30 Technische Universität Ilmenau Vorrichtung und Verfahren zur Vermessung zumindest teilweise reflektierender Oberflächen
US9891168B2 (en) 2013-08-21 2018-02-13 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Device and method for sensing at least one partially specular surface with column-by-column analysis of the global or local intensity maximum
DE102017001524B4 (de) 2017-02-10 2018-12-20 Technische Universität Ilmenau Anordnung zur Vermessung zumindest teilweise reflektierender Oberflächen
CN110411376A (zh) * 2019-07-03 2019-11-05 复旦大学 一种用于相位偏折测量的透明元件前后表面相位分离方法
WO2021018982A1 (en) * 2019-07-30 2021-02-04 Université Libre de Bruxelles Refractive profilometry
CN113383207A (zh) * 2018-10-04 2021-09-10 杜·普雷兹·伊萨克 光学表面编码器
US20230083039A1 (en) * 2019-06-11 2023-03-16 Micro-Epsilon Messtechnik Gmbh & Co. Kg Method and system for optically measuring an object having a specular and/or partially specular surface and corresponding measuring arrangement

Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10217068B4 (de) * 2002-04-17 2005-09-15 Michael Dr.-Ing. Gandyra Verfahren zum optischen Messen der Form reflektierender und streuender Freiformflächen
AU2003286179A1 (en) 2002-11-29 2004-06-23 Obe Ohnmacht And Baumgartner Gmbh And Co. Kg Method and device for optical form measurement and/or estimation
DE10258130A1 (de) * 2002-11-29 2004-06-17 Christoph Wagner Verfahren und Vorrichtung zur optischen Formerfassung von Gegenständen und Oberflächen
DE10300482B3 (de) * 2003-01-08 2004-07-08 Uwe Peter Braun Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von Oberflächenfehlern an Werkstücken mit glänzenden Oberflächen
US7184149B2 (en) 2003-06-18 2007-02-27 Dimensional Photonics International, Inc. Methods and apparatus for reducing error in interferometric imaging measurements
DE10328145A1 (de) * 2003-06-21 2005-01-13 Technische Universität Carolo-Wilhelmina Zu Braunschweig Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung der Abbildungseigenschaften von transparenten Objekten
DE10345586B4 (de) * 2003-09-29 2007-03-15 BIAS - Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Struktur einer Oberfläche
DE102004020419B3 (de) * 2004-04-23 2005-10-20 3D Shape Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Form und der lokalen Oberflächennormalen spiegelnder Oberflächen
EP1605241A1 (de) * 2004-06-09 2005-12-14 Automation &amp; Robotics Apparat zur optischen Kontrolle von transparenten oder reflektierenden Proben
DE102005044912B4 (de) * 2005-09-16 2014-07-24 Friedrich-Schiller-Universität Jena Verfahren und Vorrichtung zur dreidimensionalen optischen Vermessung von spiegelnden Oberflächen
DE102006012432B3 (de) * 2006-03-17 2007-10-18 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Erfassung der Oberflächenform einer teilspiegelnden Oberfläche
EP1882896B1 (de) * 2006-07-24 2014-12-17 3D-Shape GmbH Dreidimensionale Vermessung der Form und der lokalen Oberflächennormalen von spiegelnden Objekten
DE102006051538B4 (de) * 2006-10-27 2009-04-09 Schott Ag Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Waviness von Glasscheiben
US8284392B2 (en) 2007-03-13 2012-10-09 3D-Shape Gmbh Method and apparatus for the three-dimensional measurement of the shape and the local surface normal of preferably specular objects
US8224066B2 (en) 2007-05-29 2012-07-17 Gerd Haeusler Method and microscopy device for the deflectometric detection of local gradients and the three-dimensional shape of an object
DE102007045301A1 (de) 2007-09-21 2009-04-02 Carl Zeiss Ag Anordnung und Verfahren zur Charakterisierung von reflektiv abbildenden Projektionssystemen
DE102007063529A1 (de) 2007-12-27 2009-07-23 Carl Zeiss Ag Verfahren und Vorrichtung zum optischen Inspizieren einer Oberfläche an einem Gegenstand
DE102008038256A1 (de) * 2008-08-11 2010-02-25 Carl Zeiss Oim Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum optischen Inspizieren einer Oberfläche an einem Gegenstand
DE102009010988B4 (de) * 2009-02-19 2010-11-04 Carl Zeiss Oim Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum optischen Inspizieren einer Oberfläche an einem Gegenstand
DE102009017464B4 (de) * 2009-04-03 2011-02-17 Carl Zeiss Oim Gmbh Vorrichtung zum optischen Inspizieren einer Oberfläche an einem Gegenstand
US8717578B2 (en) 2009-04-10 2014-05-06 Omron Corporation Profilometer, measuring apparatus, and observing apparatus
US20100259746A1 (en) * 2009-04-10 2010-10-14 Omron Corporation Profilometer
DE102010001715B4 (de) * 2010-02-09 2023-08-24 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenprüfung
DE102010003608B4 (de) * 2010-03-19 2019-04-04 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Charakterisierung eines auslenkbaren Mikrospiegels
FR2958040B1 (fr) * 2010-03-23 2012-05-25 S G C C Methode et installation pour detecter la presence et l'altitude de defauts dans un composant optique
DE102011050518B4 (de) * 2011-05-20 2017-01-19 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Topologie einer Grenzfläche einer transparenten Substanz
FR2975776B1 (fr) * 2011-05-24 2014-03-28 Visuol Technologies Installation pour le controle de la qualite d'une surface d'un objet
DE102014104338B4 (de) 2014-03-27 2023-08-10 Schott Ag Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von Oberflächendeformationen
CN104111040B (zh) * 2014-06-11 2016-08-17 华中科技大学 一种浮法玻璃波筋在线检测方法
ES2630736B1 (es) * 2015-12-07 2018-07-04 Universidad De Zaragoza Sistema y método de detección de defectos en superficies especulares o semi-especulares mediante proyección fotogramétrica

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3831217A1 (de) * 1988-09-14 1990-03-22 Zeiss Carl Fa Verfahren und vorrichtung zur topometrischen erfassung der oberflaechengestalt eines auges
US5307097A (en) * 1992-11-05 1994-04-26 Kera-Metrics, Inc. Corneal topography system including single-direction shearing of holograph grating in orthogonal directions
WO1998017971A1 (de) * 1996-10-18 1998-04-30 Innomess Gesellschaft Für Messtechnik Mbh Verfahren und vorrichtung zum messen des verlaufs reflektierender oberflächen
EP0924494A2 (de) * 1997-12-20 1999-06-23 Jürgen Prof. Dr. Massig Topometer für spiegelnde Flächen
WO1999032869A1 (en) * 1997-12-19 1999-07-01 Northrop Grumman Corporation Method and apparatus for the automatic inspection of optically transmissive objects having a lens portion

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62239005A (ja) * 1986-04-11 1987-10-19 Fuji Photo Film Co Ltd 表面形状検査装置
DE4342830C1 (de) * 1993-12-15 1995-04-20 Haeusler Gerd Vorrichtung zur Erzeugung streifenartiger Lichtmuster
AU683803B2 (en) * 1995-10-17 1997-11-20 Aluminum Company Of America Electronic fringe analysis for determining surface contours
DE19821059C2 (de) * 1998-05-11 2002-09-19 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung von Formabweichungen an Objekten

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3831217A1 (de) * 1988-09-14 1990-03-22 Zeiss Carl Fa Verfahren und vorrichtung zur topometrischen erfassung der oberflaechengestalt eines auges
US5307097A (en) * 1992-11-05 1994-04-26 Kera-Metrics, Inc. Corneal topography system including single-direction shearing of holograph grating in orthogonal directions
WO1998017971A1 (de) * 1996-10-18 1998-04-30 Innomess Gesellschaft Für Messtechnik Mbh Verfahren und vorrichtung zum messen des verlaufs reflektierender oberflächen
WO1999032869A1 (en) * 1997-12-19 1999-07-01 Northrop Grumman Corporation Method and apparatus for the automatic inspection of optically transmissive objects having a lens portion
EP0924494A2 (de) * 1997-12-20 1999-06-23 Jürgen Prof. Dr. Massig Topometer für spiegelnde Flächen

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GRUBER M ET AL: "SIMPLE, ROBUST AND ACCURATE PHASE-MEASURING TRIANGULATION", OPTIK,DE,WISSENSCHAFTLICHE VERLAG GMBH.STUTTGART, vol. 89, no. 3, 1992, pages 118 - 122, XP000247177, ISSN: 0030-4026 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9891168B2 (en) 2013-08-21 2018-02-13 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Device and method for sensing at least one partially specular surface with column-by-column analysis of the global or local intensity maximum
DE102013018569A1 (de) 2013-10-30 2015-04-30 Technische Universität Ilmenau Vorrichtung und Verfahren zur Vermessung zumindest teilweise reflektierender Oberflächen
DE102013018569B4 (de) * 2013-10-30 2015-07-16 Technische Universität Ilmenau Vorrichtung und Verfahren zur Vermessung zumindest teilweise reflektierender Oberflächen
DE102017001524B4 (de) 2017-02-10 2018-12-20 Technische Universität Ilmenau Anordnung zur Vermessung zumindest teilweise reflektierender Oberflächen
CN113383207A (zh) * 2018-10-04 2021-09-10 杜·普雷兹·伊萨克 光学表面编码器
US20230083039A1 (en) * 2019-06-11 2023-03-16 Micro-Epsilon Messtechnik Gmbh & Co. Kg Method and system for optically measuring an object having a specular and/or partially specular surface and corresponding measuring arrangement
CN110411376A (zh) * 2019-07-03 2019-11-05 复旦大学 一种用于相位偏折测量的透明元件前后表面相位分离方法
WO2021018982A1 (en) * 2019-07-30 2021-02-04 Université Libre de Bruxelles Refractive profilometry

Also Published As

Publication number Publication date
DE19944354B4 (de) 2005-11-24
DE19944354C5 (de) 2011-07-07
DE19944354A1 (de) 2001-04-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19944354C5 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung von spiegelnden oder transparenten Prüflingen
DE102008023599A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur mikroskopischen Erfassung örtlicher Neigungen und der dreidimensionalen Form eines Objekts
EP0370229B1 (de) Interferometrisches Verfahren zur Prüfung von asphärische Wellenfronten erzeugenden optischen Elementen
Artigas Imaging confocal microscopy
EP2863167B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Ablenkung von Lichtstrahlen durch eine Objektstruktur oder ein Medium
EP1636542B1 (de) Verfahren und messvorrichtung zur berührungslosen messung von winkeln oder winkeländerungen an gegenständen
DE19541312A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen des Profils und der Oberflächenstruktur von Gegenständen mit Hilfe optischer Beugungseinrichtungen
DE102021118327B4 (de) Messkamera zur zweidimensionalen Vermessung von Gegenständen
WO2015044035A1 (de) Konfokales lichtmikroskop und verfahren zum untersuchen einer probe mit einem konfokalen lichtmikroskop
DE102011083421A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Vermessen homogen reflektierender Oberflächen
DE10014964C2 (de) Verfahren zum optischen Messen der Form spiegelnder Oberflächen
EP1293817B1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Fokuskontrolle in einem Mikroskop mit digitaler Bildgebung, vorzugsweise einem konfokalen Mikroskop
DE4413758C2 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Prüfung der Gestalt einer Oberfläche eines zu vermessenden Objektes
EP0128183B1 (de) Verfahren und einrichtung zur untersuchung von gegenständen
EP0925496B1 (de) Einrichtung zum beurteilen von reflexionsverhalten
DE102014010667B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Form einer Wellenfront eines optischen Strahlungsfeldes
DE102012025551B3 (de) Verfahren und Vorrichtung zur ortsaufgelösten Neigungsmessung einer spiegelnden Oberfläche durch Beleuchtung mit einer Farbstruktur
US11119299B2 (en) Area scanning confocal microscopy (ASCM)
DE102008031412A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Beobachtung mehrerer auf einer Linie angeordneter Messpunkte auf einer zu vermessenden Objektoberfläche
DE102005018983B4 (de) Autokollimationsfernrohr und Verfahren zur Abbildung einer Messmarke hierfür
WO2007131602A1 (de) Anordnung und verfahren zur konfokalen durchlicht-mikroskopie, insbesondere auch zur vermessung von bewegten phasenobjekten
DE19545367C2 (de) Vorrichtung und Verfahren zur optischen Profilmessung, insbesondere an gekrümmten Objektoberflächen
DE19818190B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Wanddicke
DE102011077982B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur optischen Analyse eines Prüflings
DE10260232A1 (de) Verfahren und Messeinrichtung zur Ermittlung der Fprm einer Oberfläche

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP