WO2008011866A1 - Optisches system zur oberflächenvermessung - Google Patents

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WO2008011866A1
WO2008011866A1 PCT/DE2007/001283 DE2007001283W WO2008011866A1 WO 2008011866 A1 WO2008011866 A1 WO 2008011866A1 DE 2007001283 W DE2007001283 W DE 2007001283W WO 2008011866 A1 WO2008011866 A1 WO 2008011866A1
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optical system
interferometer
scanning
optical
measuring
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PCT/DE2007/001283
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Inventor
Stefan Franz
Thomas Herrmann
Roland Schreiner
Stefan MÜLLER-PFEIFFER
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Jenoptik Laser, Optik, Systeme Gmbh
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Publication date
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    • G02B21/0052—Optical details of the image generation

Definitions

  • the invention relates to an optical surface measuring system, which comprises a wide range of applications and in particular the flatness, shape u. Thickness measurement is provided on smooth and rough surfaces.
  • tactile, pneumatic and optical methods and related devices are used to measure the shape of surfaces.
  • Pneumatic procedures are applied in a similar way to tactile procedures.
  • Optical measurement methods which gain increasing market shares in metrology, differ essentially in systems with cameras, which measure the entire surface at once and systems that measure the surface point by point. While in camera-based systems, the relative lateral resolution is limited by the pixel number of the camera sensor, point-by-point systems advantageously achieve higher data rates than tactile methods through the use of sensors, which are mostly designed as photodiodes, and fast evaluation circuits.
  • the object of the invention is therefore to reduce the dependence of the measuring time and the accuracy of the driving axes in a cost-effective manner largely and to create the conditions to process a large field of view with reduced time by optical means can.
  • the optical system for surface measurement contains in one
  • Optical path successively a radiation source for generating a scanning beam, a beam deflecting device, a for serial scanning of the surface to be measured scanning provided
  • the scanning lens has a predetermined beam exit on the shape of the surface to be measured on the beam direction, with flat surfaces such an adaptation is present, in which the beam exit-side scanning beam is directed perpendicular to the surface to be measured.
  • Such properties have in particular F-theta lenses with image-side telecentric beam path.
  • a second embodiment provides that with cylindrical or spherical surfaces an adaptation to the shape of the surface to be measured is present, in which the beam exit-side scanning beam is directed to a common center.
  • the optical path measuring system is preferably designed as an interferometer arrangement which can be arranged between the objective and the surface to be measured or within the objective.
  • a Mach-Zehnder interferometer is arranged, which has means for phase modulation and for generating an optical path difference.
  • the Mach-Zehnder interferometer is designed for operation as a white-light heterodyne interferometer.
  • optical displacement measuring system alternatives for the optical displacement measuring system are triangulation measuring devices, measuring devices based on confocal measuring principle or conoscopic measuring devices.
  • optical system according to the invention is therefore suitable for
  • Fig. 1 shows an inventive optical system for surface measurement
  • Fig. 2 shows a preferred measuring arrangement comprising a distance-measuring scanning device as optical system according to the invention and a Mach-Zehnder interferometer over which the scanning beam is provided
  • Fig. 3 shows an embodiment of the optical system for flatness measurement with 1-axis optical scan
  • Fig. 4 shows an embodiment of the optical system having a 2-axis optical scanning device for flatness measurement
  • Fig. 5 shows an embodiment of the optical system for measuring cylindrical or conical surfaces with an optical line scan and rotatably positioned measurement object
  • Fig. 6 shows an embodiment of the optical system for measuring cylindrical surfaces with an optical circular scan and linearly adjustable positioned measurement object
  • Fig. 7 shows a first embodiment of the optical system for measuring spherical surfaces
  • Fig. 8 shows a second embodiment of the optical system for measuring spherical surface flatness measurement of a 2-axis optical scanning device
  • Fig. 9 shows an embodiment of the optical system with triangulation
  • the optical system according to the invention shown in Fig. 1 includes a scanning device 1, which comprises a rotating mirror 2 and a scanning lens (scanning objective) 3 as a beam deflecting device, wherein the rotating mirror 2 a, generated by a radiation source, not shown, the scanning beam 4 with a variable angle of incidence on the Entrance surface of the scanning lens 3, the z. B. may be formed as F-theta lens with image-side telecentric beam path leads.
  • the beam direction of the scanning beam 4 is adapted to the surface shape of a measuring object 6 such that a perpendicular incidence of radiation on the surface 7 to be measured results.
  • Essential for the invention is the production of an operative connection between the scanning device 1 and an optical path measuring system 8, which is preferably designed as an interferometer arrangement, for the different variants, such as. B. known variants according to Michelson, Twyman-Green, Linnik, Fizeau or Mirau come into question.
  • the interferometer arrangement can be arranged between the scanning objective 3 and the surface 7 to be measured, or it is integrated into the objective 3 so that it becomes part of it.
  • the reference surface / divisor surface of the interferometer arrangement can be adapted to this shape and thereby deviate from a flat surface.
  • the separation of the beam paths of measuring and reference arm can be carried out by amplitude division or by splitting the polarization components of the light by means of a polarization beam splitter.
  • Advantageously can then be combined with a
  • 05-162-PCT birefringent element also measure differential height or phase differences similar to a Nomarski microscope on the object.
  • the light between the two interferometers should be transmitted coherence multiplex.
  • the measuring arrangement shown in FIG. 2 with which very high measuring rates, dynamic ranges and accuracies can be achieved, comprises a radiation source 9, a Mach-Zehnder interferometer 10 which preferably operates as a white-light heterodyne interferometer and which is provided in partial beam paths by means 11, 12 Phase modulation and for generating an optical path difference and which provides a scanning beam 4.1, which passes through a beam splitter 13 in an inventive weg messengerde scanning device 14 for scanning the surface 7.1 of a measuring object 6.1
  • the beam splitter 13 is also provided, one of the weg messengerden scanning device 14 received measuring beam 15 to a receiver 16 to judge.
  • the scanning device 14 includes a scanning mirror 2, a scanning objective 3 and, as an optical displacement measuring system, a measuring interferometer 17.
  • the primary readings at the receiver are intensities from which an intensity value matrix is obtained in three spatial directions x, y and z, where x and y span the plane of the object surface and z represents the object height.
  • phase-shifting interferometry For determining the object height from the phase position of the interference signal, methods of phase-shifting interferometry and optionally supplemented by heterodyne techniques, white-light contrast evaluations or multi-wavelength techniques can be used.
  • the evaluation can also take place during the current data acquisition. For this purpose, it is advantageous to design the z-direction as the fastest "scan" axis.
  • phase map is then concatenated and scaled, resulting in a height map of the measurement surface. This can be analyzed in many ways according to topography parameters.
  • the beam deflection by means of the scan mirror 2 is carried out for very large scan lengths of z. B. 0.5 m as shown in FIG. 3 preferably only in a coordinate direction (arrow 18), for which the scanning lens as a line scan lens 3.1 z. B. is designed in the form of a rod lens.
  • a mechanical relative adjustment is provided between the plate-shaped measuring object 6.2 and the path-measuring scanning device, in that the measuring object 6.2 is placed on a linear table (not shown).
  • Such a solution has the advantage that despite the mechanical relative adjustment in a coordinate direction, the very large scan length can be scanned in one direction very quickly. Since no point grid lying on orthogonal interpolation points is required, the mechanical relative adjustment can take place continuously in one coordinate direction, whereby slightly oblique scanning lines result during the processing of a surface, but a very large area can be processed in a short time.
  • the scanning lens can also be designed such that surfaces can be scanned exclusively by beam deflection.
  • a biaxial optical scan can be carried out by using a first and a second scanning mirror 2.1 and 2.2 and the scanning
  • 05-162-PCT Lens 3.2 is designed for both axes such that always results in the vertical radiation incident on the surface to be measured 7.2.
  • FIG. 5 uses an optical system according to FIG. 3.
  • a mechanical relative adjustment (arrow 19.1) is provided between the here cone-shaped measuring object 6.3 and the path-measuring scanning device by the measuring object 6.3 on a turntable, not shown is placed, whose axis of rotation XX has such a tendency that the conical surface is always oriented vertically as the surface to be measured 7.3.
  • the axis of rotation X-X must be aligned vertically.
  • a further embodiment of the optical system according to FIG. 6 has an adapted to the curved surface of a cylindrical measuring object 6.4, z. B. from rod lenses existing LineScan lens 3.3 on that the output-side scanning beam always impinges perpendicular to the cylindrical surface to be measured 7.4 during the scan.
  • the cylindrical measuring object 14 is positioned linearly (arrow 19.2) along the cylinder axis Z-Z.
  • a measuring object 6.5 designed as a sphere is rotatably positioned about a rotation axis D-D oriented parallel to the scanning direction.
  • Spherical surfaces can also be measured with an optical system according to FIG. 4 if the scanning objective 3.2 in the two axial directions in which the scan is performed is adapted to the curved surface of a sphere such that the output-side scanning beam is during the scan always perpendicular to the spherical surface 7.5 to be measured.
  • wavefront sensors In addition to interferometry, these are, in particular, the Shack-Hartmann and the shearing principle, in which mainly the focus model is evaluated for distance determination. Both a simple focus sensor (eg knife-edge principle, astigmatic principle, confocal principle) and a full wave front sensor can be used in the beam paths of the measuring arrangements.
  • the measuring beam 15.1 coming back from the surface 7.6 to be measured is directed via a beam splitter 13.1 to a wavefront or focus sensor 16.1.
  • a reference beam path may be formed with a reference sensor 23, to which a partial beam 24 of the scanning beam 4 provided by the radiation source 9.1 is directed before passing through the scanning device 1.

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Abstract

Bei einem optischen System zur Oberflächenvermessung besteht die Aufgabe, die Abhängigkeit der Messzeit und der Messgenauigkeit von den Verfahrachsen kostengünstig zu verringern oder zu beseitigen, um ein großes Messfeld in möglichst kurzer Dauer mit optischen Mitteln verarbeiten zu können. Das optische System zur Oberflächenvermessung enthält in einem Strahlengang nacheinander eine Strahlungsquelle (9) zur Erzeugung eines Abtaststrahls, eine Strahlablenkeinrichtung (2), ein zur seriellen Abtastung der zu vermessenden Oberfläche vorgesehenes Scanning-Objektiv (3), auf das der Abtaststrahl durch die Strahlablenkeinrichtung strahleingangsseitig mit veränderbarem Einfallswinkel gerichtet ist und ein optisches Wegmesssystem (8).

Description

Optisches System zur Oberflächenvermessung
Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Oberflächenmesssystem, das ein breites Anwendungsspektrum umfasst und insbesondere zur Ebenheits-, Form- u. Dickenmessung auf glatten und rauen Flächen vorgesehen ist.
Für viele technische Anwendungen, wie z. B. in der Fertigungssteuerung und der Qualitätskontrolle ist die Messung der Form von ebenen und gekrümmten Flächen von besonderer Relevanz. Wesentliche Forderungen, die dafür vorgesehene Messsysteme aufweisen müssen, sind auf eine hohe Auflösung der Abstandsmesswerte und auf eine hohe laterale Auflösung gerichtet, wobei ein großes Messfeld in möglichst kurzer Dauer zu verarbeiten ist.
Bekanntermaßen werden für die Messung der Form von Oberflächen taktile, pneumatische und optische Verfahren und diesbezügliche Vorrichtungen verwendet.
Bei den weit verbreiteten taktilen Messverfahren, zu denen Tastschnitt für Rauheit, Tasthebel für Form und Koordinatenmessmaschinen für Maß und Lage gehören, werden nadel-, kugel- oder flächenförmige Tastkörper über die Messoberfläche geführt und es wird die Auslenkung eines Hebels gemessen, an dem der Tastkörper befestigt ist. Da die Punktrate bei derartigen Verfahren gering ist, werden oft nur linienhafte Messungen durchgeführt.
Pneumatische Verfahren werden ähnlich angewendet wie die taktilen Verfahren.
Optische Messverfahren, die wachsende Marktanteile in der Messtechnik erlangen, unterscheiden sich im Wesentlichen nach Systemen mit Kameras, welche die ganze Fläche mit einem Mal vermessen und Systemen, welche die Oberfläche punktweise vermessen. Während bei kamerabasierten Systemen die relative laterale Auflösung durch die Pixelzahl des Kamerasensors beschränkt ist, erzielen punktweise messende Systeme durch die Verwendung von zumeist als Fotodioden ausgebildeten Sensoren und schnellen Auswerteschaltungen vorteilhaft höhere Datenraten als taktile Verfahren. Die
05-162-PCT erforderliche Relativbewegung zwischen Sensor und zu vermessender Oberfläche wird üblicherweise über Tischsysteme realisiert, welche die Messzeit im Wesentlichen bestimmen und eine hohe Präzision der Verfahrachsen erfordern, um gewünschte
Genauigkeiten zu erreichen.
Von Nachteil ist es auch, dass ein großer Teil der Systemkosten auf die Tischsysteme entfallen.
Es fehlen somit technische Lösungen, welche eine hohe Messgeschwindigkeit mit einer hohen relativen Auflösung verbinden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, die Abhängigkeit der Messzeit und der Messgenauigkeit von den Verfahrachsen auf kostengünstige Weise weitgehend zu verringern und die Voraussetzungen zu schaffen, um mit optischen Mitteln ein großes Messfeld mit verkürzter Zeitdauer verarbeiten zu können.
Erfindungsgemäß enthält das optische System zur Oberflächenvermessung in einem
Strahlengang nacheinander eine Strahlungsquelle zur Erzeugung eines Abtaststrahls, eine Strahlablenkeinrichtung, ein zur seriellen Abtastung der zu vermessenden Oberfläche vorgesehenes Scanning-
Objektiv, auf das der Abtaststrahl durch die Strahlablenkeinrichtung strahleingangsseitig mit veränderbarem Einfallswinkel gerichtet ist und ein optisches Wegmesssystem.
Das Scanning-Objektiv weist strahlaustrittsseitig eine vorgegebene, an die Form der zu vermessenden Oberfläche angepasste Strahlrichtung auf, wobei bei ebenen Oberflächen eine solche Anpassung vorliegt, bei welcher der strahlaustrittsseitige Abtaststrahl senkrecht auf die zu vermessende Oberfläche gerichtet ist. Derartige Eigenschaften weisen insbesondere F-Theta-Objektive mit bildseitig telezentrischem Strahlengang auf.
Eine zweite Ausführungsform sieht vor, dass bei zylinder- oder kugelförmigen Oberflächen eine Anpassung an die Form der zu vermessenden Oberfläche vorliegt, bei welcher der strahlaustrittsseitige Abtaststrahl auf ein gemeinsames Zentrum gerichtet ist.
05-162-PCT Das optische Wegmesssystem ist bevorzugt als Interferometer-Anordnung ausgebildet, die zwischen dem Objektiv und der zu vermessenden Oberfläche oder innerhalb des Objektives angeordnet sein kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Interferometer-Anordnung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der Strahlungsquelle und dem Scanspiegel ein Mach-Zehnder-Interferometer angeordnet ist, das Mittel zur Phasenmodulation und zur Erzeugung eines optischen Gangunterschiedes aufweist. Insbesondere ist das Mach-Zehnder-Interferometer für eine Arbeitsweise als Weißlicht-Heterodyn-Interferometer ausgebildet.
Alternativen für das optische Wegmesssystem sind Triangulationsmesseinrichtungen, auf konfokalem Messprinzip beruhende Messeinrichtungen oder konoskopische Messeinrichtungen.
Durch eine Erweiterung einer aus einer Strahlumlenkeinrichtung und einem Scanning- Objektiv bestehenden Scanvorrichtung um ein ansonsten punktförmig messendes optisches Wegmesssystem kann die Feldbegrenzung bekannter optischer Messsysteme überwunden werden, wodurch sich Topografien von sehr großen Flächen mit hoher lateraler und vertikaler Auflösung vermessen lassen.
Das erfindungsgemäße optische System eignet sich deshalb zur
- Messung der Ebenheit großer optisch glatter Flächen (z.B. Glassubstrate, LC-Display- Scheiben)
- Messung der Ebenheit großer optisch rauer Flächen (z.B. metallische Dichtflächen / Passflächen)
Messung der Formabweichung von zylindrischen Flächen Messung der Formabweichung von anderen Prismenmantelflächen Messung von Schichtdicken auf den oben genannten Flächen sowie zur
- Messung von optischen Eigenschaften der oben genannten Flächen und Schichten.
05-162-PCT Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes optisches System zur Oberflächenvermessung
Fig. 2 eine bevorzugte Messanordnung, die eine wegmessende Scanvorrichtung als erfindungsgemäßes optisches System und ein Mach-Zehnder-Interferometer enthält, über das der Abtaststrahl bereitgestellt wird
Fig. 3 eine Ausführung des optischen Systems zur Ebenheitsmessung mit 1 -achsigem optischen Scan
Fig. 4 eine Ausführung des optischen Systems, das zur Ebenheitsmessung eine 2-achsige optische Scanvorrichtung aufweist
Fig. 5 eine Ausführung des optischen Systems zur Vermessung zylinder- oder kegelförmiger Oberflächen mit einem optischen Linienscan und drehbar positioniertem Messobjekt
Fig. 6 eine Ausführung des optischen Systems zur Vermessung zylindrischer Oberflächen mit einem optischen Kreisscan und linear verstellbar positioniertem Messobjekt
Fig. 7 eine erste Ausführung des optischen Systems zur Vermessung kugelförmiger Oberflächen
Fig. 8 eine zweite Ausführung des optisches System zur Vermessung kugelförmiger Oberflächen Ebenheitsmessung eine 2-achsige optische Scanvorrichtung aufweist
Fig. 9 eine Ausführung des optischen Systems mit Triangulation
Fig. 10 eine Messanordnung mit wellenfront- oder fokussensorischer Abstandsbestimmung
05-162-PCT Das in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße optische System enthält eine Scanvorrichtung 1 , die als Strahlablenkeinrichtung einen Drehspiegel 2 und ein Scanning-Objektiv (Abtastobjektiv) 3 umfasst, wobei der Drehspiegel 2 einen, von einer nicht dargestellten Strahlungsquelle erzeugten Abtaststrahl 4 mit veränderlichem Einfallswinkel über die Eintrittsfläche des Scanning-Objektivs 3, das z. B. als F-Theta-Objektiv mit bildseitig telezentrischem Strahlengang ausgebildet sein kann, führt. An der Strahlaustrittsfläche 5 des Scanning-Objektivs 3 ist die Strahlrichtung des Abtaststrahls 4 derart an die Oberflächenform eines Messobjektes 6 angepasst, dass ein senkrechter Strahlungseinfall auf die zu vermessende Oberfläche 7 resultiert. Wesentlich für die Erfindung ist die Herstellung einer Wirkverbindung zwischen der Scanvorrichtung 1 und einem optischen Wegmesssystem 8, das bevorzugt als Interferometer-Anordnung ausgebildet ist, für die unterschiedliche Varianten, wie z. B. an sich bekannte Varianten nach Michelson, Twyman-Green, Linnik, Fizeau oder Mirau in Frage kommen. Die Interferometer- Anordnung kann zwischen dem Scanning-Objektiv 3 und der zu vermessenden Oberfläche 7 angeordnet sein oder sie ist in das Objektiv 3 integriert, sodass sie zu einem Teil desselben wird.
Weist die zu vermessende Oberfläche eine Krümmung (Zylinder, Kugel, Asphäre o. ä.) auf, kann die Referenzfläche/Teilerfläche der Interferometer-Anordnung dieser Form angepasst sein und dabei von einer ebenen Fläche abweichen.
Zur Bestimmung des optischen Gangunterschiedes zwischen Mess- und Referenzarm der interferometrischen Anordnung eignen sich bekannte Ausführungen, indem z. B. die geometrische Länge einer der beiden Arme mittels eines Aktuators (Motor, Piezoelement o. ä.) verändert oder der optische Wegunterschied durch Einfügen von Materialwegen (unterschiedlich dicke Glasplatten, optisch aktive Kristalle/Flüssigkristalle mit einstellbarer Brechzahl) variiert wird. Selbstverständlich kann auch die bekannte Heterodyntechnik angewendet werden.
Die Trennung der Strahlwege von Mess- und Referenzarm kann durch Amplitudenteilung oder durch Aufspaltung der Polarisationsanteile des Lichtes mittels eines Polarisationsstrahlteilers erfolgen. Vorteilhaft lassen sich dann in Kombination mit einem
05-162-PCT doppelbrechenden Element auch differentielle Höhen- oder Phasenunterschiede ähnlich einem Nomarski-Mikroskop auf dem Objekt messen.
Anstelle einer zwischen dem Scanning-Objektiv 3 und der zu messenden Oberfläche 7 angeordneten Vorrichtung zum Variieren des optischen Weges kann der interferometrischen Anordnung auch ein weiteres Interferometer in Reihe geschaltet werden, wobei das Licht zwischen beiden Interferometern kohärenzmultiplex übertragen werden sollte.
Zur Einstellung eines entsprechenden Gangunterschiedes können vorteilhaft diffraktive optische Elemente oder phasenkonjugierende Spiegel verwendet werden.
Die in Fig. 2 dargestellte Messanordnung, mit der sich sehr hohe Messraten, Dynamikbereiche und Genauigkeiten erreichen lassen, umfasst eine Strahlungsquelle 9, ein bevorzugt als Weißlicht-Heterodyn-Interferometer arbeitendes Mach-Zehnder- Interferometer 10, das in Teilstrahlengängen Mittel 11 , 12 zur Phasenmodulation und zur Erzeugung eines optischen Gangunterschiedes aufweist und das einen Abtaststrahl 4.1 bereitstellt, der über einen Strahlteiler 13 in eine erfindungsgemäße wegmessende Scanvorrichtung 14 zur Abtastung der Oberfläche 7.1 eines Messobjektes 6.1 gelangt Der Strahlteiler 13 ist außerdem dafür vorgesehen, einen von der wegmessenden Scan- Vorrichtung 14 erhaltenen Messstrahl 15 auf einen Empfänger 16 zu richten. Die Scanvorrichtung 14 beinhaltet, wie in Fig. 1 bereits gezeigt, einen Scan-Spiegel 2, ein Scanning-Objektiv 3 und als optisches Wegmesssystem ein Messinterferometer 17.
Die primären Messwerte am Empfänger sind Intensitäten, aus denen eine Intensitätswertematrix in drei Raumrichtungen x, y und z gewonnen wird, wobei x und y die Ebene der Objektoberfläche aufspannen und z die Objekthöhe darstellt.
Zur Ermittlung der Objekthöhe aus der Phasenlage des Interferenzsignals können Verfahren der phasenschiebenden Interferometrie und wahlweise ergänzt durch Heterodyntechniken, Weißlichtkontrastauswertungen oder Mehrwellenlängentechniken eingesetzt werden.
05-162-PCT Die Auswertung kann auch während der laufenden Datenaufnahme erfolgen. Dazu ist es vorteilhaft, die z-Richtung als schnellste „Scan"-Achse auszulegen.
Die so gewonnene Phasenkarte wird dann verkettet und skaliert, sodass sich eine Höhenkarte der Messoberfläche ergibt. Diese kann auf vielfältige Weise nach Topografie- Parametem analysiert werden.
Die Strahlablenkung mittels des Scan-Spiegels 2 erfolgt für sehr große Scanlängen von z. B. 0,5 m gemäß Fig. 3 bevorzugt nur in einer Koordinatenrichtung (Pfeildarstellung 18), wofür das Scanning-Objektiv als LinienScan-Objektiv 3.1 z. B. in Form einer Stablinse ausgebildet ist. Für die zweite Koordinatenrichtung ist eine mechanische Relativverstellung (Pfeildarstellung 19) zwischen dem hier plattenförmigen Messobjekt 6.2 und der wegmessenden Scanvorrichtung vorgesehen, indem das Messobjekt 6.2 auf einen nicht dargestellten Lineartisch aufgelegt ist.
Eine derartige Lösung weist den Vorteil auf, dass trotz der mechanische Relativverstellung in einer Koordinatenrichtung die sehr große Scanlänge in einer Richtung sehr schnell abgerastert werden kann. Da kein auf orthogonalen Stützstellen liegendes Punktraster erforderlich ist, kann die mechanische Relativverstellung in einer Koordinatenrichtung kontinuierlich erfolgen, wodurch bei der Bearbeitung einer Fläche zwar leicht schräg liegende Abtastlinien resultieren, jedoch in kurzer Zeit eine sehr große Fläche bearbeitet werden kann.
Im Unterschied zu Messsystemen, die Kameras verwenden, ergibt sich eine wesentliche Erhöhung der lateralen Auflösung, da Einschränkungen durch die Sensorpixelanzahl entfallen und somit auf der langen Achse eine wesentlich größere Anzahl an Messpunkten gesetzt werden kann.
Das Scanning-Objektiv kann aber auch derart ausgeführt sein, dass Flächen ausschließlich durch Strahlablenkung abgerastert werden können. Gemäß einer in Fig. 4 gezeigten Ausführung ist ein solcher zweiachsiger optischer Scan durchführbar, indem ein erster und ein zweiter Scan-Spiegel 2.1 und 2.2 zum Einsatz kommen und das Scanning-
05-162-PCT Objektiv 3.2 für beide Achsen derart ausgebildet ist, dass stets der senkrechte Strahlungseinfall auf die zu vermessende Oberfläche 7.2 resultiert.
Die in Fig. 5 gezeigte Ausführung verwendet ein optisches System gemäß Fig. 3. Für die zweite Koordinatenrichtung ist eine mechanische Relativverstellung (Pfeildarstellung 19.1 ) zwischen dem, hier kegelförmigen Messobjekt 6.3 und der wegmessenden Scanvorrichtung vorgesehen, indem das Messobjekt 6.3 auf einen nicht dargestellten Drehtisch aufgelegt ist, dessen Drehachse X-X eine derartige Neigung aufweist, dass die kegelförmige Mantelfläche als zu vermessende Oberfläche 7.3 immer vertikal ausgerichtet ist. Bei zylindrischen Messobjekten ist die Drehachse X-X entsprechend senkrecht auszurichten.
Eine weitere Ausführung des optischen Systems gemäß Fig. 6 weist eine an die gekrümmte Oberfläche eines zylinderförmigen Messobjektes 6.4 derart angepasstes, z. B. aus Stablinsen bestehendes LinienScan-Objektiv 3.3 auf, dass der ausgangsseitige Abtaststrahl während des Scans immer senkrecht auf die zu vermessende zylindrische Oberfläche 7.4 auftrifft. Das zylinderförmige Messobjekt 14 ist entlang der Zylinderachse Z-Z linear (Pfeil 19.2) verstellbar positioniert.
Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführung, die einen optischen Kreisscan entsprechend Fig. 6 verwendet, ist ein als Kugel ausgebildetes Messobjekt 6.5 um eine parallel zur Scanrichtung ausgerichtete Drehachse D-D drehbar positioniert.
Kugelförmige Oberflächen lassen sich auch mit einem optischen System entsprechend Fig. 4 vermessen, wenn das Scanning-Objektiv 3.2 in den beiden Achsrichtungen, in denen der Scan ausgeführt wird, an die gekrümmte Oberfläche einer Kugel derart angepasst wird, dass der ausgangsseitige Abtaststrahl während des Scans immer senkrecht auf die zu vermessende kugelförmige Oberfläche 7.5 auftrifft.
Alternativ zu einer Abstandsmesswerte ermittelnden interferometrischen Messeinrichtung können auch andere Wegmesssysteme zur Anwendung kommen, die z. B. auf Basis eines konfokalen, eines konoskopischen Messprinzips öder eines Triangulationsmessprinzips
05-162-PCT (Fig. 9) arbeiten. Letztere nutzt unter Verwendung eines hier nicht dargestellten positionsempfindlichen Empfängers den Triangulationswinkel 20 zwischen einem Beleuchtungsstrahl 21 und dem Detektionsstrahl 22 zur Messwertgewinnung aus.
Möglich ist auch die Nutzung von Prinzipien der Wellenfrontsensorik. Neben der Interferometrie sind das insbesondere das Shack-Hartmann- und das Shearing- Prinzip, bei denen hauptsächlich der Fokusterm zur Abstandsbestimmung ausgewertet wird. In den Strahlengängen der Messanordnungen können sowohl ein einfacher Fokussensor (z. B. knife-edge-Prinzip, astigmatisches Prinzip, konfokales Prinzip) als auch ein vollwertiger Wellenfrontsensor zur Anwendung kommen.
Dementsprechend ist in einer Messanordnung gemäß Fig. 10 das von der zu vermessenden Oberfläche 7.6 zurückkommende Messstrahlenbündel 15.1 über einen Strahlenteiler 13.1 auf einen Wellenfront- oder Fokusssensor 16.1 gerichtet. Optional kann durch den Strahlteiler 13.1 ein Referenzstrahlengang mit einem Referenzsensor 23 ausgebildet sein, auf den ein Teilstrahl 24 des von der Strahlungsquelle 9.1 bereitgestellten Abtaststrahls 4 vor Durchlaufen der Scan-Vorrichtung 1 gerichtet ist.
05-162-PCT

Claims

Patentansprüche
1. Optisches System zur Oberflächenvermessung, das in einem Strahlengang nacheinander
- eine Strahlungsquelle (9, 9.1 ) zur Erzeugung eines Abtaststrahls (4, 4.1 , 21 ),
- eine Strahlablenkeinrichtung,
- ein zur seriellen Abtastung der zu vermessenden Oberfläche (7 bis 7.6) vorgesehenes Scanning-Objektiv (3 bis 3.3), auf das der Abtaststrahl (4, 4.1 , 21 ) durch die Strahlablenkeinrichtung strahleingangsseitig mit veränderbarem Einfallswinkel gerichtet ist und
- ein optisches Wegmesssystem (8) enthält.
2. Optisches System nach Anspruch 1 , bei dem das Scanning-Objektiv (3 bis 3.3) strahlaustrittsseitig eine vorgegebene, an die Form der zu vermessenden Oberfläche (7 bis 7.6) angepasste Strahlrichtung aufweist.
3. Optisches System nach Anspruch 2, bei dem eine Anpassung an die Form ebener zu vermessender Oberflächen (7, 7.1 , 7.2, 7.6) vorliegt, bei welcher der strahlaustrittsseitige Abtaststrahl (4, 4.1 ) senkrecht auf die zu vermessende Oberfläche gerichtet ist.
4. Optisches System nach Anspruch 2, bei dem eine Anpassung an die Form zylinder- oder kugelförmiger zu vermessender Oberflächen (7, 7.1 , 7.2, 7.6) vorliegt, bei welcher der strahlaustrittsseitige Abtaststrahl (4) auf ein gemeinsames Zentrum gerichtet ist.
5. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Scanning-Objektiv (3. 3.1) als F-Theta-Objektiv mit bildseitig telezentrischem Strahlengang ausgebildet ist.
6. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das optische Wegmesssystem (8) als Interferometer-Anordnung (17) ausgebildet ist.
05-162-PCT
7. Optisches System nach Anspruch 6, bei dem die Interferometer-Anordnung (17) zwischen dem Scanning Objektiv (3 bis 3.3) und der zu vermessenden Oberfläche (7 bis 7.5) angeordnet ist.
8. Optisches System nach Anspruch 6, bei dem die Interferometer-Anordnung (17) innerhalb des Objektivs (3 bis 3.3) angeordnet ist.
9. Optisches System nach Anspruch 6, bei dem die Interferometer-Anordnung (17) ein Michelson-Interferometer ist.
10. Optisches System nach Anspruch 6, bei dem die Interferometer-Anordnung (17) ein Twyman-Green -Interferometer ist.
1 1. Optisches System nach Anspruch 6, bei dem die Interferometer-Anordnung (17) ein Linnik-Interferometer ist.
12. Optisches System nach Anspruch 6, bei dem die Interferometer-Anordnung (17) ein Fizeau-Interferometer ist.
13. Optisches System nach Anspruch 6, bei dem die Interferometer-Anordnung (17) ein Mirau-Interferometer ist.
14. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem zwischen der Strahlungsquelle (9) und dem Scanspiegel (2) ein Mach-Zehnder-Interferometer (10) angeordnet ist, das Mittel (1 1 , 12) zur Phasenmodulation und zur Erzeugung eines optischen Gangunterschiedes aufweist.
15. Optisches System nach Anspruch 14, bei dem das Mach-Zehnder-Interferometer (10) für eine Arbeitsweise als Weißlicht-Heterodyn-Interferometer ausgebildet ist.
05-162-PCT
16. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das optische Wegmesssystem (8) als Triangulationsmesseinrichtung ausgebildet ist.
1 7. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das optische Wegmesssystem (8) als eine auf einem konfokalen Messprinzip beruhende Messeinrichtung ausgebildet ist.
18. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das optische Wegmesssystem (8) als konoskopische Messeinrichtung ausgebildet ist.
05-162-PCT
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