WO2014076649A1 - Optische messverfahren und messvorrichtung mit einem messkopf zum erfassen einer oberflachentopographie mittels kalibrierung der orientierung des messkopfs - Google Patents

Optische messverfahren und messvorrichtung mit einem messkopf zum erfassen einer oberflachentopographie mittels kalibrierung der orientierung des messkopfs Download PDF

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Martin SCHÖNLEBER
Berthold Michelt
Matthias Kunkel
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Precitec Optronik Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an optical measuring method for detecting a surface topography of a Messob ektes.
  • a measuring device with a measuring head in a measuring head guiding device for detecting the surface topography is provided.
  • Such a measuring device for measuring a surface is known from the document DE 10 2008 041 062 AI.
  • the known measuring device generates a measuring light beam which, after passing through at least three separately focusing optical components, impinges on the surface of the object, is reflected therefrom and is detected by a spatially resolving light detector together with reference light after interfering superimposition.
  • the known measuring device to an optical assembly, which comprises the at least three separately focusing opti ⁇ cal components.
  • the main axes of these separately focusing optical components are offset from each other and arranged side by side.
  • the known measuring device has a beam splitter arranged in a beam path of the measuring light beam.
  • a reference surface is provided for the known device and a spatially resolving light detector.
  • the known measuring device has an evaluation system for receiving image data from the spatially resolving light detector and for outputting measurement data representing a surface shape of the surface. For this purpose, distance values representing a distance of a location of the surface from the focusing optical components are detected. From these distance values, the evaluation system forms parameters which represent the surface shape of the surface.
  • the above document discloses a method for measuring a surface of an object, which essentially comprises subsequent method steps.
  • a measuring light is generated. From the measuring light, three converging partial beams of a first part of the measuring light are formed in order to illuminate three spaced apart areas of the surface of the object. The reflected light and the three partial beams of light reflected from the surface of light are directed together with a second part of the measurement ⁇ light on a position-sensitive detector to form therein interference. These interferences are finally analyzed by a detector detecting light intensities to represent the surface shape of the surface of the object by corresponding measurement data.
  • a disadvantage of the known device is that it requires a large amount of space due to their separate and adjacent optical components. Another disadvantage is that no precautions are taken, systematic measurement errors, long-term changes in the absolute distance measurement or deviations from a desired path on which the measurement object is guided in the known embodiment, to take into account in any form during the evaluation or to correct the measurement results accordingly. Consequently, the known measuring system is not able to provide reliable data, in particular in the nanometer range, in order to detect surface topographies in such dimensions.
  • Chromatic confocal distance measurement is understood herein to mean a method that utilizes the effect that lenses have different focal points for different wavelengths of light.
  • the chromatic-confocal distance measurement uses the dispersion of spectrally broadband light in an optical imaging system to determine the distance of a reflective surface to the measuring head.
  • a spectrally broadband point light source which is normally realized by a first pinhole or an optical fiber end, is focused on the object with the optical imaging system.
  • the distance of the focus from the imaging system is a unique, well-defined function of the wavelength.
  • the reflected light is imaged again on the same imaging system and coupled out from the illumination beam path and imaged on a Lochblen de, which is arranged at the mirror point of a beam splitter.
  • the reflected light can also be returned directly into the first pinhole and then decoupled.
  • a detector behind the pinhole determines the dominant wavelength of the reflected light. From the knowledge of the focal lengths of the individual wavelengths, the object distance can be determined directly from the dominant wavelength.
  • An advantage of this method is the lack of moving components.
  • the light of the light source is coupled into an optical waveguide, passes through a fiber coupler and emerges from the measuring head at a fiber end. The light returning from the measurement object re-enters the fiber end and is branched off at the fiber coupler in the direction of the detector. The fiber end simultaneously forms the light point for the object illumination as well as the pinhole for the filtering of the measuring light.
  • Optical Coherence Tomography is the name given to an investigation method in which spectrally broadband light is used to measure the distance of objects with the aid of an interferometer.
  • the examination object is scanned point by point.
  • an arm with a known optical path length is used as a reference to a measuring arm.
  • the interference of the partial waves from both arms then gives a pattern from which one can read the difference of the optical path length of the two arms.
  • a distinction is made here between two spectral interferometric measuring and evaluation methods, the Time Domain OCT and the Frequency Domain OCT, which is why one speaks of the signal in the time domain (TD) and the signal in the frequency domain (FD). Simply put, this means that either the reference arm varies in length and continuously the intensity of the interference measures, without referring to the spectrum consideration (time do ⁇ main), or the interference of the individual spectral Comp ⁇ components detected (frequency domain) ,
  • An object of the invention is to provide an optical measuring method for detecting surface topographies of a measuring object, with which the measuring accuracy up to the Nanometer range is improved, and to create a suitable measuring device.
  • an optical measuring method for detecting a surface topography of a measurement object in particular in the nanometer range, is provided.
  • a measuring device with a measuring head is provided in a measuring head guiding device for a chromatic-confocal detection of the surface topography or for a spectral interferometric OCT distance detection to the surface topography.
  • spectrally broadband light of a light source from a fiber array with i fibers of i measurement channels is applied to the measurement object via a common measurement head optics, forming a spot array of i measurement spots. Then i reflection spectra of the i measurement channels are acquired and digitized. Then the reflection spectra of each measurement channel are evaluated separately and a distance value is determined. Thereafter, the totality of the distance values is evaluated in combination with different measurement channels and times in order to eliminate temporal variations of systematic measurement errors and time-dependent deviation movements.
  • An advantage of this measurement method is that the displayed measured local topography measurements are checked for temporal variations of systematic errors and timing deviations of the probe head apparatus, so that a separation between a sample surface real surface topography and real information about measurement errors and deviations movements of the measuring head guide device can be done.
  • a plurality of evaluation steps are required, which require in detail a detection of geometric distance values of the i measurement channels at time t (j).
  • detection of three-dimensional position values for the i measurement spots on the measurement object surface is carried out at time t (j).
  • a local inclination of the measuring object surface is detected relative to the measuring head. This is followed by correlating temporal variations of systematic measurement errors based on the detected slope. This step is followed by creating local topographies for the redundant i measurement channels.
  • Another technique is used to determine a local inclination of the measuring object surface relative to the measuring head by means of three measuring spots, wherein preferably the three measuring spots are arranged on the measuring object surface in an isosceles triangle.
  • a normal vector of the triangle which represents the local inclination, can be determined from distance values in the triangle and, subsequently, the inclination errors of the measuring head guiding device can then be determined and eliminated, for example, via an evaluation table.
  • a further variant for correction of the measured values is to fix a three-dimensional acceleration sensor on the measuring head guide device or on the measuring head and three-dimensionally to detect the seasonal deviate ⁇ monitoring movements in situ, with which the measured values of the surface topography measurement can be corrected accordingly.
  • a yaw means a pivoting of the measuring head about its vertical axis
  • a pitch means a pivoting of the measuring head about its transverse axis
  • a rolling results when pivoting the measuring head about its longitudinal axis.
  • This differential scanning method measures path differences between two measuring spots of a measuring head with a fiber end and the measuring spots of two focusing lenses.
  • OCT spectral interferometry
  • the precision measuring device for detecting a surface topography of a measurement object, in particular in the nanometer range.
  • the precision measuring device has a device with a measuring head in a measuring head guiding device for a chromatic-confocal detection of the surface topography or for a spectral interferometric OCT distance detection to the surface topography.
  • spectrally broadband light sources which supply fibers with broadband light via i Y couplers. It is also possible to supply fibers with broadband light with a single broadband light source via a lXi coupler and then further iY couplers.
  • a fiber array with the i fibers for measuring channels is arranged in the measuring head. Furthermore, a common measuring head optics, which forms the spot array with i measuring spots on the measuring object, is present in the measuring head. Furthermore, means for detecting and digitizing i reflection spectra of the i measurement channels in i spectrometers are provided. Furthermore, the optical precision measuring device has an evaluation unit for the digitized reflection spectra for calculating out temporal variations of systematic measurement errors and time-dependent deviation movements of the measuring head guidance device. In this optical precision measuring device tion, the measuring head moves on a Meßkopf Installationsvor- direction on a linear target path.
  • a spectrometer with a fiber array input and reading several spectra with a matrix CCD can also be used.
  • several measurement channels can also be combined in one spectrum.
  • the measuring head is designed in such a way that the distance values of the channels occupy a fixed order of priority, in that the smallest value is always detected by channel 1, the next larger value by channel 2 and so on. This method can be carried out both for a chromatic-confocal measurement with spectral peak position and for an OCT measurement with peak position in a Fourier transformation of the equalized spectrum.
  • a guide device can also be provided for the measurement object, with which the measurement object is guided along under a stationary measuring head.
  • un ⁇ tercirc the probe guiding devices with their Move ⁇ handy components seasonal variation movements relative to the setpoint position.
  • Time-related system errors such as temporally variable inclinations of the measuring head relative to the orthogonal to the measuring object surface can also occur, which can be determined with the aid of the measures described above, for example by arranging three measuring spots in an isosceles triangle and the measured values can be corrected accordingly.
  • the i measurement channels can also be supplied to a multiplexer and recorded in a single spectrometer and then digitized.
  • the optical precision measuring device furthermore has the following means.
  • Means are provided which are designed to detect geometric distance values of the i measurement channels at time t (j) and means which are designed to acquire three-dimensional position values for the i measurement spots on the measurement object surface at time t (j). Further detection means serve to determine a local inclination of the measuring object surface relative to the measuring head.
  • the measuring device comprises means adapted to correct for temporal variations of systematic measurement errors based on the detected tilt.
  • means are provided which are formed from ⁇ for creating local topographies for the redundant i measurement channels.
  • means are configured for correlating the local topographies by separating the true surgicalntopo ⁇ chromatography of seasonal variation movements of the measuring head guide device by separating a seasonal bumpiness a position and a seasonal bumpiness an orientation of the measuring head in the measuring head guide device.
  • means are provided which are designed to output a cleaned surface topography and further means which are designed to output a real web and a real orientation of the Meßkopf exchangesvorraum.
  • an extremely precise measured value is advantageously peeled out of the measured raw data of the i spectrometers with the aid of this precision measuring device, whereby at the same time the shell already provides a real value for the size of the time-related measuring system errors and for the size of the time-dependent deviation movements of the measuring guide device.
  • FIG. 1 shows schematically a flowchart of an optical system
  • Measuring method for detecting a surface topography according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2 schematically shows a block diagram of a Auswer ⁇ teech a measuring device for refzisionsmes ⁇ sen according to the first operation example
  • FIG. 3 shows by way of example a measurement result of a calibration run for a chromatic-confocal measuring head
  • Figure 4 shows a schematic diagram of a measuring device for
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of a measuring device for measuring a surface topography according to a further embodiment of the invention.
  • FIG. 6 shows a schematic diagram of a measuring path for explaining a further exemplary embodiment of the measuring method.
  • FIG. 1 schematically shows a flow diagram 50 of a nanometer-scale optical measuring method for detecting a surface topography according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • the optical measuring method is started with the start block 100.
  • a measuring device with a measuring head is provided in a measuring head guiding device for one for chromatic-confocal detection of the surface topography or for spectral interferometric OCT distance detection to the surface topography and a measuring head in the measuring head guiding device is moved over the measuring object.
  • the method step 102 in which an application of spectrally broadband light of a light source from a fiber array with i fibers of i measurement channels via a common measuring head optics to form a spot array of i measurement spots on the measurement object when guiding the measuring head is performed on the measurement object , Position values of the actuators and the measured values of the i measuring channels are provided with a time stamp and recorded.
  • the position values of the actuators can be determined as follows: a) A target value for the controlled measuring head position, possibly taking into account reproducible time-related path deviations, which were determined in a calibration run, is used.
  • a multi-unit process step 104 is carried out for evaluating the digitized reflection spectra, excluding temporal variations of systematic measurement errors and time-dependent deviation movements of the Meßkopf enclosuresvorriehtung.
  • This evaluation in method step 104 comprises a method step 105 for acquiring geometric distance values of the i measurement channels at time t (j).
  • Subsequent method step 106 provides detection of three-dimensional position values for the i measurement spots on the measurement object surface at time t (j).
  • the process step 107 may then follow, in which a detection of a local inclination of the Measurement object surface relative to the measuring head takes place, and then the evaluation process can proceed to the method step 108, in which a correlation of measured variations based on the detected slope temporal variations of systematic measurement errors is performed.
  • Method step 109 is used to create local topographies for the redundant measurement channels. This step is followed by method step 110 with correlating the local topographies, in which a separation of time-dependent deviation movements of the measuring head guiding device by separating a bumpiness of a sensor selection and a bumpiness of a sensor orientation of the measuring head in the Meßkopf.00 from the true surface topography. Finally, in method step 111, an adjusted surface topography and a real path and orientation of the measuring head guiding device of the measuring head are output, so that method step 112 can terminate the method.
  • FIG. 2 schematically shows a block diagram 60 of an evaluation unit 20 which is required in a measuring device for precision measurement in a nanometer range according to the first implementation example.
  • the evaluation unit 20 detects in a first block a means 21 which is designed to detect geometric distance values of the i measurement channels to the t (j).
  • the means 21 of this block cooperates with means 22 and 23, wherein the means 22 is designed for detecting three-dimensional position values for the i measurement spots on the measurement object surface at time t (j), and the means 23 in the adjacent block for detecting a local Inclination of the measuring object surface is formed relative to the measuring head.
  • the means 23 moves on to a block with the means 24, which is designed to associate the detected tendency to temporal variations of systematic measurement errors by correlating temporal patterns.
  • the means 25 is designed to take into account the measurement errors when creating local topographies for the redundant i measurement channels.
  • FIG. 3 shows the measurement result of a calibration run for a chromatic-confocal measuring head.
  • the measuring head of Messvor ⁇ direction as 4 and 5 show the subsequent figures, is directed in this calibration run on a flat glass, which is mounted on a linear table.
  • the relative distance of the Planglases to the measuring head can be measured with a control interferometer with nm (nanometer) accuracy.
  • the calibration travel determines the relationship between the spectrometer signal in the form of the peak position of the spectral peak and the distance, and this is carried out in the entire spectral range of the spectrometer. This is the characteristic curve "Distance over pixel position", which is valid for the combination of spectrometer and measuring head.
  • the diagram shown in FIG. 3 provides the time-dependent deviation of the actual value from the expected value for two repetition measurements.
  • a range of ⁇ 0.1 ⁇ deviation over a range of 100 ⁇ (micrometers) is shown as a function of path and time. From this diagram according to FIG. 3, the following effects are visible.
  • the dashed curve a is generally a few nanometers lower than the solid curve b, which corresponds to a time-dependent long-term drift of the working distance, for example due to temperature influence.
  • the curves show a coarse ripple of ⁇ 10 nm in comparison to the calibration run of the time-dependent long-term drift of the measuring range, as shown by the dotted curve c.
  • the two curves a and b have a dominant periodicity of 2 ⁇ and are fairly closely correlated.
  • a smoothing filter can be used which removes such fine-wave periodicities.
  • Such periodicities may be caused by tilting movements of the driving axis, by varying the distance at the control interferometer or at the measuring head or may represent a temporally variable systematic behavior of the measuring head or of the evaluation unit, which would be smoothed out during the production of the characteristic curve.
  • Remaining fine-wave time-related deviations between the two curves a and b are due in part to measured value noise, partly to other time-related vibrations and to fluctuations in the measurement setup and the control interferometer distance measurement.
  • the method previously discussed with reference to FIGS. 1 and 2 and the following Following measuring devices 3 and 40 it is now possible to differentiate in a profile measurement in nanometer precision these various disturbances, namely the long-term drift, the temporal variations systematic error of the distance sensor, the positioning errors of the control axes and the vibrations of Messob ectes and the measured noise and from the To calculate the profile of the test object.
  • an optical measuring head with a plurality of measuring channels is provided, as shown in the following FIGS. 4 and 5, wherein the foci of the spots of the measuring channels are arranged at least along a scanning direction, which is referred to as the main line.
  • the profile of the measurement object in each measurement channel is measured, and the totality of the time and positionally offset profiles is assembled by means of correlation methods to form an average overall profile.
  • the profile deviations in the individual channels by temporal and spatial patterns of movement in all profiles to be identical may be prepared from the profiles deviation ⁇ movements of the measuring head guide device as well as temporal variations of systematic measurement errors are eliminated, and a random noise can be reduced by a plurality of measurements of the underlying surface topography.
  • the provision of at least one additional measuring channel transverse to the main line can already as as example ⁇ is shown in the following Figures 4A to 4C and 5A to 5C, serve to measure seasonal tilting movements of the measuring head at the measurement head transfer device and330zujan. It is also possible to calculate local slopes of the surface in order to calculate systematic measurement errors of the measuring head that depend on the inclination of the surface of the sensor.
  • the time-dependent phase position of the measurement signal of two channels can already be calculated and thus a time-dependent phase difference can be determined.
  • the difference phase can in turn be converted into a local height difference as a gradient between two measuring points.
  • other measurement channels can be overlaid interferometrically to measure the optical path difference corresponding to the difference phase. From the entirety of the local slopes, a topography can then be integrated. This differential scan competes with an absolute topography acquisition derived from the ideal actuator trajectory and the measured distance values.
  • This error correction method also works for steep surfaces when the quality of spektralinterfero ⁇ metric distance measurement by seasonal spacing ⁇ change is affected. Thus, a robust measurement is provided for chromatic-confocal detection of the surface topography.
  • a measuring spot arranged transversely to the main line is sufficient.
  • the inclination or the inclination angle can be determined more accurately if, instead of the one transverse measuring spot, three measuring spots are arranged to the main line such that they form an equilateral triangle as in the following FIGS. 4A and 5A forming, by setting up the normal vector of the triangle out of any inclinations is possible.
  • time-related orientation deviations which are referred to as pitch and a rotation angle ⁇ about the transverse axis of the Mark the measuring head guide device or the measuring head.
  • Yawing is possible as the third direction of rotation and known as the angle of rotation ⁇ about the vertical axis.
  • the three solid angles of the time-related orientation deviations during scanning namely, and, are also known as Euler angles or as La ⁇ angles.
  • the transformation matrix then consists of the three individual rotation matrices for the respective angles.
  • the rotation ⁇ sequence in the order ⁇ , ⁇ and ⁇ is specified in the nachfol ⁇ constricting transformation matrix.
  • a unit matrix plus an antisymmetric matrix in the three Euler angles can be used as vector models of time-related orientation deviations.
  • Amplitude takes place.
  • the parameters of the suspension are the resonance frequency omega and the damping.
  • this time-dependent deviation movement is transmitted in a ratio of 1: 1. If the time-dependent deviation movement is close to a resonance frequency, this leads to more or less excessive time-dependent deviation movements with an approximately 90 ° phase shift. However, in the case of short-wave, time-dependent deviation movements, these are integrated away.
  • a measuring run with frequency analysis of the measured distance values provides information about the natural vibrations of the actuator and the measuring head holder of the measuring head guiding device.
  • a non-optimal control of the scanning drive can even lead to resonant timing deviations.
  • the amplitude of a resonant deviation movement can depend on the position of the measuring head with respect to a partial actuator system.
  • lateral deviation movements only become visible when measured on structured objects.
  • a straight line grid looks wavy. On a vertical plane mirror is a pivoting about the vertical axis or a yaw as discussed above not detectable.
  • the multi-channel measurement according to the invention thus distinguishes pitching and rolling caused by the measuring head guidance device.
  • Tl distance / driving speed, not to be perceived as sub-sampled space frequencies.
  • the comparison with a measuring point with distance 2> distance 1 shows the difference immediately.
  • the measuring head is preferably at least three measuring points, as shown in the following figures 4A, 4B, 4C and 5A, 5B, 5C, which ideally form an equilateral triangle 17, as shown in the following figures 4A and 5A, on the measuring object project, so that a local inclination of the object surface can be determined from a normal vector of the triangle.
  • a measurement evaluation only a calculation of a local object tilt is performed, wherein the correction of the measured distances can be carried out with the aid of the table "deviation via object tilt".
  • the time-related deviations from temporal variations of systematic measurement errors shown in FIG. 3 can be corrected by recording temporally induced lateral movements of the measuring head by acceleration sensors.
  • the acceleration sensors measure the movement of the measuring head relative to the space, transverse to the optical axis (in the x and y direction), and integrate this acceleration into a time-dependent path deviation dx (t) and dy (t). This can also be done in the z direction.
  • the multi-channel measuring head as shown in FIGS. 4 and 5, measures the local object tilt.
  • vibrations of the orientation can be calculated back to vibrations of the situation.
  • the vibrations of the orientation measured using the multipoint measuring head according to FIGS. 4 and 5 are sorted into proportions of typical natural oscillations of the actuators.
  • a geometrical model gives the relation between measuring head orientation and measuring head position. tively to the actuators for the natural oscillations. This is determined in a calibration procedure.
  • the measured deflection of the orientation specifically separated according to natural oscillations and based on the geometric model, is converted into a deflection of the measuring head position. The thus determined deflection of the measuring head position is then used to correct the coordinates of the measured points on the object surface.
  • the distance of the measurement points in a spatial direction can not be kept constant in order to detect periodic ripples in a sub-scan.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of a measuring device 3 for the precision measurement of a surface topography 1 according to an embodiment of a precision measuring device in the nanometer range.
  • the measuring device 3 has a measuring head 4 in a measuring head guiding device 5 for a chromatic-confocal detection of the surface topography 1 or for a spectral interferometric OCT distance detection of the distance e between a measuring head optical system 10 of the measuring head 4 and a measuring object surface 16.
  • the measuring head 4 can be supplied by a spectrally broadband light source, a so-called SOA (solid state optical amplifier).
  • SOA solid state optical amplifier
  • a superluminescent diode (SLD) derived from the SOA light source is used.
  • SLD supercontinuum light source has more power per bandwidth. It is therefore suitable as a single light source, the light can be distributed via LXi coupler on many channels.
  • a wavelength-tunable light source with time-sequential recording of the spectrum is also applicable.
  • additional time-delay effects may occur.
  • the broadband light of an SLD light source 6 is coupled into fibers 8 of a light fiber bundle, which in this embodiment has four optical fibers by way of example, via four Y couplers 28, 29, 30 and 31.
  • the broadband light of the SLD light source 6 is thus distributed to the four optical fibers and fed to the measuring head 4 at the Meßkopff enclosuresvorraum 5.
  • Fiber ends 19 form a fiber array 7 over a head optics 10 and the head optics 10 project a spot array 11 on a target surface 16 which is reflected back and fed via the Y couplers 28, 29, 30 and 31 to four spectrometers 32, 33, 34 and 35 ,
  • the reflectance spectra which are formed in the spectrometers 32, 33, 34 and 35, can be to the effect out by an evaluation unit 20 ⁇ evaluates then that temporal variations of system errors and seasonal variation movements of the measuring head guide device and of the measuring head from the surface to be measured topography be separated.
  • FIG. 4B shows the triangle from the measurement spots 12, 13 and 14 can be distorted. From this distortion, for example, a normal vector of the triangle and thus an angle of inclination can be calculated via the distances of the measuring spots 12, 13 and 14 from each other and thus the measured value for the surface topography can be corrected.
  • the inclination of the object can be used for the correction of distance values of all measuring points or it can be determined from local topographies an inclination for each measuring point.
  • FIG. 4C shows another equilateral triangle distortion, as originally shown in FIG. 4A, in which both the measurement spot 12 and the measurement spot 13 are opposite to the positions of a zero roll angle are shifted.
  • This inclination or roll angle ⁇ is just one example of a system error.
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of a measuring device 40 for the precision measurement of a surface topography 1 in accordance with FIG another embodiment of the invention.
  • Components having the same functions as in FIG. 4 are identified by the same reference numerals and will not be discussed separately.
  • the embodiment according to FIG. 5 differs from the embodiment according to FIG. 4 in that a multiplexer 18 is used, with which measuring channels 9 are supplied with a time offset to a single spectrometer 32, wherein the multiplexer 18 ensures that the multiplicity of signals shown in FIG shown spectrometer can be reduced.
  • the Y couplers shown in FIG. 4 can also be dispensed with at the same time, since the broadband light source 6 can also be coupled to the individual optical fibers in a time-offset manner via the multiplexer 18.
  • One advantage is that the light intensity is not divided by the number of optical fibers, but each individual optical fiber receives the full light intensity via the multiplexer 18.
  • Figure 6 shows a schematic diagram of a measuring section for Erläu ⁇ esterification of a further embodiment of the Messverfah ⁇ proceedings, in which a typical application of an optical sensor lines ⁇ on Cartesian axes driving as a special example ⁇ be written is.
  • a typical application of an optical sensor lines ⁇ on Cartesian axes driving as a special example ⁇ be written is.
  • an optical measuring head 4 passes through several measuring points which are equidistant at a distance L are arranged on a line and each measure a distance in the z-direction.
  • An actuator system consisting of a linear positioner 41 in the x-direction on an x-axis and a positioner 42 in the y-direction on a y-axis move either the measuring object 2 or the measuring head 4.
  • x, y as a driving axis perpendicular to each other.
  • a measuring head holder is provided, with which the measuring head 4 is rotatable about the z-axis, so that the line of the measuring points is at an angle ⁇ at an angle to the x-axis.
  • FIG. 6 also shows that the measuring object 2 is arranged in the coordinate system substantially in a plane spanned by the x and y axes.
  • the position of the x-axis or the y-axis is:
  • Each measuring point i follows the axis positions and supplies a measured distance profile z_mess (i, M, N) in an equidistant grid
  • the x-axis is returned to start position and the y-axis by an amount
  • the expression in the first line is composed of a sum over the first pixels, which is constant, minus a moving average over dM points to the axis tracer zx (m).
  • the second line gives a difference between the axis errors of the y-axis, weighted by the number dM and increasing linearly with M.
  • the third line there is a time sum via vibration deflections. This can hardly be greater than the sum over half an oscillation period because the oscillation moves around 0.
  • a profile which consists of several overlapping parts can be assembled into an overall profile in the y-direction, which is also called "stitching".
  • the overlapping profiles of two adjacent journeys, z (i, N) and z (i-di, N + l) are brought into coincidence and the y-axis errors (zy (N) -zy (N + l) and its increase in the i-direction.
  • the axes of the Cartesian squareness may vary with ⁇ play as.
  • a rotational movement about the y-axis can be generated as a measuring object. Even with imperfect overlap interpolation can be pre ⁇ taken.
  • a summation over all measuring points i provides the imax of three parts, namely a current oscillation deflection, a mean value of the topography and an average value of the Axis error, where both the mean of the topography and the mean of the axis error, as mentioned above, barely changes.
  • the method according to the invention and the device according to the invention are thus outstandingly suitable for the measurement of surface topographies in the micrometer and nanometer range.
  • the method and apparatus of the present invention can be used to qualitatively and / or quantitatively measure the roughness, waviness, flatness and porosity of metallic and non-metallic surfaces.
  • Such precision glass body can be provided with vapor-deposited multi-layer system of metals and / or dielectrics.
  • inventive method and the inventive apparatus in the field of medical technology may be especially in areas used in the field of ophthalmology Example, in the qualitative and quantitative detection of the Oberflä ⁇ chentopographie a cornea.
  • Measuring device (2nd embodiment of the invention) Positioner in the x direction

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Abstract

Optisches Messverfahren zum Erfassen einer Oberflachentopographie Die Erfindung betrifft ein optisches Messverfahren zum Erfassen einer Oberflachentopographie (1) eines Messobjektes (2). Dazu wird eine Messvorrichtung (3) mit einem Messkopf (4) in einer Messkopffuhrungsvorrichtung (5) fur eine chromatischkonfokale Erfassung der Oberflachentopographie (1) oder fur eine spektralinterferometrische OCT Abstandserfassung zu der Oberflachentopographie (1) bereitgestellt. Es wird spektral Licht einer Lichtquelle (6) aus einem Faserarray (7) mit i Fasern (8) von i Messspots (12 bis 15) Liber eine gemeinsame Messkopfoptik (10) unter Ausbilden eines Spotarrays (11) aus i Messspots (12-15) auf das Messobjekt (2) aufgebracht. Dann werden die i Reflektionsspektren der i Messkanale erfasst und digitalisiert. Die digitalisierten Reflektionsspektren werden unter Herausrechnen von zeitlichen Variationen systematischer Messfehler und von zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen der Messkopffuhrungsvorrichtung (5) mit den volgenden Schritten ausgewertet: - Erfassen von geometrischen Abstandswerten (a, b, c) der i Messkanale und der dreidimensionalen Positionswerten fur die i Messspots auf einer Messobjektoberflache zur Zeit t(j); - Erfassen einer lokalen Neigung der Messobjektoberflache (16) relativ zu dem Messkopf (4) mit mindestens drei Messspots (12, 13, 14) eines Dreiecks (17), die auf die Messobjektsoberflache (16) projiziert werden zur Korrektion der Messwerten; - Korrelieren der lokalen Topographien unter Separieren von zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen der Messkopffuhrungsvorrichtung (5) mittels eines dreidimensionalen Beschleunigungssensors am Messkopf (4); - Erstellen der korrekten lokalen Topographien.

Description

Beschreibung
OPTISCHE MESSVERFAHREN UND MESSVORRICHTUNG MIT EINEM MESSKOPF ZUM ERFASSEN EINER OBERFLACHENTOPOGRAPHIE MITTELS KALIBRIERUNG DER ORIENTIERUNG DES MESSKOPFS
Die Erfindung betrifft ein optisches Messverfahren zum Erfassen einer Oberflächentopographie eines Messob ektes. Dazu wird eine Messvorrichtung mit einem Messkopf in einer Messkopfführungsvorrichtung für ein Erfassen der Oberflächentopographie bereitgestellt.
Eine derartige Messvorrichtung zum Vermessen einer Oberfläche ist aus der Druckschrift DE 10 2008 041 062 AI bekannt. Die bekannte Messvorrichtung erzeugt einen Messlichtstrahl, welcher nach Durchsetzen von mindestens drei separat fokussie- renden optischen Komponenten auf die Oberfläche des Objektes auftrifft, davon reflektiert wird und von einem ortsauflösenden Lichtdetektor zusammen mit Referenzlicht nach interferen- ter Überlagerung detektiert wird.
Dazu weist die bekannte Messvorrichtung eine Optikbaugruppe auf, welche die mindestens drei separat fokussierenden opti¬ schen Komponenten umfasst. Die Hauptachsen dieser separat fo- kussierenden optischen Komponenten sind zueinander versetzt und nebeneinander angeordnet. Darüber hinaus weist die bekannte Messvorrichtung einen in einem Strahlengang des Mess¬ lichtstrahls angeordneten Strahlteiler auf. Außerdem ist für die bekannte Vorrichtung eine Referenzfläche vorgesehen und ein ortsauflösender Lichtdetektor.
Die Lichtquelle, der Strahlteiler und die Optikbaugruppe sind relativ zueinander derart angeordnet, dass von der Lichtquel- le emittiertes und die fokussierenden optischen Komponenten durchsetzendes Messlicht auf die Oberfläche trifft und von dieser zurückgeworfen wird und über die fokussierenden optischen Komponenten auf den Detektor trifft. Außerdem weist die bekannte Messvorrichtung ein Auswertesystem zum Empfang von Bilddaten von dem ortsauflösenden Lichtdetektor und zur Ausgabe von Messdaten, die eine Oberflächenform der Oberfläche repräsentieren, auf. Dazu werden Abstandwerte, die einen Abstand eines Orts der Oberfläche von den fokussierenden optischen Komponenten repräsentieren, erfasst. Aus diesen Abstandswerten bildet das Auswertesystem Parameter, welche die Oberflächenform der Oberfläche darstellen.
Außerdem offenbart die obige Druckschrift ein Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche eines Objekts, das im Wesentlichen nachfolgende Verfahrensschritte umfasst. Zunächst wird ein Messlicht erzeugt. Aus dem Messlicht werden drei konvergierende Teilstrahlen eines ersten Teils des Messlichtes gebildet, um drei mit Abstand voneinander angeordnete Bereiche der Oberfläche des Objektes zu beleuchten. Das reflektierte Licht bzw. die drei Teilstrahlen des von der Oberfläche reflektierten Lichtes werden zusammen mit einem zweiten Teil des Mess¬ lichtes auf einen ortsauflösenden Detektor gerichtet, um dort Interferenzen zu bilden. Diese Interferenzen werden schließlich durch einen Detektor, der Lichtintensitäten detektiert, analysiert, um die Oberflächenform de.r Oberfläche des Objekts durch entsprechende Messdaten zu repräsentieren.
Ein Nachteil der bekannten Vorrichtung ist es, dass sie aufgrund ihrer separat und nebeneinander liegenden optischen Komponenten einen hohen Raumbedarf beansprucht. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass keinerlei Vorkehrungsmaßnahmen getroffen sind, systematische Messfehler, Langzeitveränderungen in der absoluten Abstandsmessung oder auch Abweichungen von einem Sollweg, auf dem das Messobjekt in der bekannten Ausführungsform geführt wird, in irgendeiner Form bei der Auswertung zu berücksichtigen oder die Messergebnisse entsprechend zu korrigieren. Demzufolge ist das bekannte Messsystem nicht in der Lage, zuverlässige Daten insbesondere im Nanometerbereich zu liefern, um Oberflächentopographien in derartigen Dimensionen zu erfassen.
Unter chromatisch-konfokaler Abstandsmesstechnik wird hierin ein Verfahren verstanden, welches den Effekt nutzt, dass Lin sen für unterschiedliche Wellenlängen des Lichts unterschied liehe Brennpunkte haben. Die chromatisch-konfokale Abstandsmessung verwendet dabei die Dispersion von spektral breitban digem Licht in einem optischen Abbildungssystem, um den Abstand einer reflektierenden Oberfläche zum Messkopf zu bestimmen. Eine spektral breitbandige Punktlichtquelle, die üb licherweise durch eine erste Lochblende oder ein optisches Faserende realisiert wird, wird mit dem optischen Abbildungs system auf das Objekt fokussiert. Der Abstand des Fokus vom Abbildungssystem ist dabei eine eindeutige, fest definierte Funktion von der Wellenlänge. Das reflektierte Licht wird über das gleiche Abbildungssystem wieder abgebildet und vom Beleuchtungsstrahlengang ausgekoppelt und auf eine Lochblen de abgebildet, die am Spiegelpunkt eines Strahlteilers angeordnet ist. Alternativ dazu kann das reflektierte Licht auch direkt in die erste Lochblende rückgeführt werden und danach ausgekoppelt werden. Ein Detektor hinter der Lochblende bestimmt dann die dominante Wellenlänge des reflektierten Lieh tes. Aus dem Wissen über die Fokusweiten der einzelnen Wellenlängen kann aus der dominanten Wellenlänge direkt der Objektabstand bestimmt werden. Ein Vorteil dieses Verfahren is das Fehlen von bewegten Komponenten. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dabei das Licht der Lichtquelle in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt, durchläuft einen Faserkoppler und tritt an einem Faserende aus dem Messkopf wieder aus. Das vom Messobjekt zurücklaufende Licht tritt wieder in das Faserende ein und wird am Faserkoppler in Richtung zum Detektor abgezweigt. Das Faserende bildet hierbei gleichzeitig den Lichtpunkt für die Objektbeleuchtung sowie die Lochblende für die Filterung des Messlichts.
Mit Optische Kohärenztomografie (OCT) wird ein Untersuchungsverfahren bezeichnet, bei dem spektral breitbandiges Licht mit Hilfe eines Interferometers zur Entfernungsmessung von Objekten eingesetzt wird. Das Untersuchungsobjekt wird hierbei punktweise abgetastet. Dabei wird ein Arm mit bekannter optischer Weglänge als Referenz zu einem Messarm herangezogen. Die Interferenz der Teilwellen aus beiden Armen ergibt dann ein Muster, aus dem man die Differenz der optischen Weglänge der beiden Arme herauslesen kann. Man unterscheidet hierbei zwischen zwei spektralinterferometrischen Mess- und Auswerteverfahren, der Time Domain OCT sowie der Frequency Domain OCT. Deshalb spricht man einerseits vom Signal im Zeitbereich (time domain (TD) ) und andererseits vom Signal im Frequenzbereich (frequency domain (FD) ) . Einfach ausgedrückt bedeutet dies, dass man entweder den Referenzarm in der Länge verändert und kontinuierlich die Intensität der Interferenz misst, ohne auf das Spektrum Rücksicht zu nehmen (time do¬ main) , oder die Interferenz der einzelnen spektralen Kompo¬ nenten erfasst (frequency domain) .
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Messverfahren zum Erfassen von Oberflächentopographien eines Messobjektes bereitzustellen, mit dem die Messgenauigkeit bis in den Nanometerbereich hinein verbessert wird, und eine dafür geeignete Messvorrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
In einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Messverfahren zum Erfassen einer Oberflächentopographie eines Messobjektes insbesondere im Nanometerbereich bereitgestellt. Dazu wird eine Messvorrichtung mit einem Messkopf in einer Messkopfführungsvorrichtung für eine chromatisch-konfokale Erfassung der Oberflächentopographie oder für eine spektral- interferometrische OCT Abstandserfassung zu der Oberflächentopographie bereitgestellt.
Zunächst wird spektral breitbandiges Licht einer Lichtquelle aus einem Faserarray mit i Fasern von i Messkanälen über eine gemeinsame Messkopfoptik unter Ausbilden eines Spotarrays aus i Messspots auf das Messobjekt aufgebracht. Dann werden i Re- flektionsspektren der i Messkanäle erfasst und digitalisiert. Dann werden die Reflexionsspektren jedes Messkanals für sich ausgewertet und ein Abstandswert bestimmt. Danach wird die Gesamtheit der Abstandswerte zu verschiedenen Messkanälen und Zeitpunkten kombiniert ausgewertet, um zeitliche Variationen systematischer Messfehler und zeitlich bedingter Abweichungsbewegungen herauszurechnen.
Ein Vorteil dieses Messverfahrens liegt darin, dass die angezeigten Messwerte für eine lokale Oberflächentopographie auf zeitliche Variationen systematischer Fehler und auf zeitlich bedingter Abweichungsbewegungen der Messkopfführungsvorrichtung überprüft werden, so dass eine Trennung zwischen einer reellen Oberflächentopographie und reellen Angaben über Messfehler sowie Abweichbewegungen der Messkopfführungsvorrichtung erfolgen kann.
Dazu sind eine Mehrzahl von Auswerteschritten erforderlich, die im Einzelnen ein Erfassen von geometrischen Abstandswerten der i Messkanäle zur Zeit t(j) erfordern. Zudem wird ein Erfassen von dreidimensionalen Positionswerten für die i Messspots auf der Messobjektoberfläche zur Zeit t(j) durchgeführt. Darüber hinaus wird eine lokale Neigung der Messobjektoberfläche relativ zu dem Messkopf erfasst. Anschließend erfolgt ein Korrelieren von auf der erfassten Neigung basierenden zeitlichen Variationen systematischer Messfehler. An diesen Schritt schließt sich ein Erstellen von lokalen Topographien für die redundanten i Messkanäle an.
Zum Abschluss erfolgt ein Korrelieren der lokalen Topographien unter Separieren von zeitlich bedingter Abweichungsbewegungen der Messkopfführungsvorrichtung durch Separieren einer Holprigkeit von Positionen und Orientierungen des Messkopfes bzw. der davon abhängigen Abtastlinien des Messlichts in den einzelnen Messkanälen auf Grund der Messkopfführungs¬ vorrichtung von der reellen bzw. wahren Oberflächentopogra¬ phie mit einer Messwertauflösung im Nanometerbereich . Abschließend erfolgt eine Ausgabe einer bereinigten Oberflä¬ chentopographie und einer realen Bahn und Orientierung der Messkopfführungsvorrichtung des Messkopfes. Diese Auswerteschritte werden unter Vergleich der unterschiedlichen Abtastwerte ermittelt.
Allgemein ist es möglich, ein Abtasten mit unterschiedlichen Taktraten oder ein Abtasten in einer Linie mit den in Abtastrichtung angeordneten Messspots in unterschiedlichen Abstän- den durchzuführen, um Artefakte durch Unterabtastung zu vermeiden .
Eine weitere Technik wird eingesetzt, um eine lokale Neigung der Messobjektoberfläche relativ zu dem Messkopf mittels drei Messspots zu ermitteln, wobei vorzugsweise die drei Messspots auf der Messobjektoberfläche in einem gleichschenkligen Dreieck angeordnet werden. Hierbei kann ein Normalenvektor des Dreiecks, welcher die lokale Neigung repräsentiert, aus Abstandswerten im Dreieck bestimmt und anschließend beispielsweise über eine Auswertetabelle die Neigungsfehler der Messkopfführungsvorrichtung ermittelt und herausgerechnet werden.
Eine weitere Variante zur Korrektur der Messwerte besteht darin, einen dreidimensionalen Beschleunigungssensor an der Messkopfführungsvorrichtung oder an dem Messkopf zu fixieren und in situ dreidimensional die zeitlich bedingten Abwei¬ chungsbewegungen zu erfassen, mit denen die Messwerte der Oberflächentopographiemessung entsprechend korrigiert werden.
Darüber hinaus ist es möglich, mittels eines Vektormodells Messkopfbewegungen durch vektorielle Bestimmung des Gierens, des Nickens oder des Rollens des Messkopfes an der Messkopf- führungsvorrichtung zu erfassen. Dabei bedeutet ein Gieren ein Schwenken des Messkopfes um seine Hochachse, ein Nicken bedeutet ein Schwenken des Messkopfes um seine Querachse und ein Rollen ergibt sich beim Schwenken des Messkopfes um seine Längsachse .
Weiterhin ist es möglich, ein Ermitteln von lokalen Steigungen der Messob ektoberfläche durch Höhendifferenzbildung zwischen i Messspots und Aufintegrieren der Gesamtheit der lokalen Steigungen zu einer Oberflächentopographie durchzuführen. Dieses differentielle Abtastverfahren misst Wegunterschiede zwischen zwei Messspots eines Messkopfes mit einem Faserende und den Messspots zweier Fokussierlinsen . Dabei wird mittels Spektralinterferometrie (OCT) der optische Wegunterschied zu den beiden Messspots gemessen und daraus eine Oberflächentopographie abgeleitet.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine optische Präzisionsmessvorrichtung zum Erfassen einer Oberflächentopogra- phie eines Messobjektes insbesondere im Nanometerbereich . Dazu weist die Präzisionsmessvorrichtung eine Vorrichtung mit einem Messkopf in einer Messkopfführungsvorrichtung für eine chromatisch-konfokale Erfassung der Oberflächentopographie oder für eine spektralinterferometrische OCT Abstandserfassung zu der Oberflächentopographie auf. In der Messvorrichtung können i spektral breitbandige Lichtquellen vorgesehen werden, die über i Y-Koppler i Fasern mit breitbandigem Licht versorgen. Auch ist es möglich, mit einer einzigen breitban- digen Lichtquelle über einen lXi-Koppler und dann weiteren i Y-Kopplern i Fasern mit breitbandigem Licht zu versorgen.
Ein Faserarray mit den i Fasern für i Messkanäle ist in dem Messkopf angeordnet. Ferner ist eine gemeinsame Messkopfop- tik, die das Spotarray mit i Messspots auf dem Messobjekt ausbildet, im Messkopf vorhanden. Weiterhin sind Mittel zum Erfassen und Digitalisieren von i Reflektionsspektren der i Messkanäle in i Spektrometern vorgesehen. Ferner verfügt die optische Präzisionsmessvorrichtung über eine Auswerteeinheit für die digitalisierten i Reflektionsspektren zum Herausrechnen von zeitlichen Variationen systematischer Messfehler und von zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen der Messkopffüh- rungsvorrichtung . Bei dieser optischen Präzisionsmessvorrich- tung bewegt sich der Messkopf an einer Messkopfführungsvor- richtung auf einem linearen Sollweg.
Neben einer Option zum mehrkanaligen Detektieren mit i Spekt- rometern kann auch ein Spektrometer mit einem Faserarray- Input und über Auslesen von mehreren Spektren mit einer Matrix-CCD erfolgen. Außerdem ist es möglich, wie unten in Bezug auf eine Ausführungsform beschrieben ein einzelnes Spektrometer mit zeitlichem Kanalmultiplexing zu verwenden. Alternativ zum Zeitmultiplexer können auch mehrere Messkanäle in einem Spektrum zusammengefasst werden. Dafür wird der Messkopf derart gestaltet, dass die Abstandswerte der Kanäle eine feste Rangfolge einnehmen, indem der kleinste Wert immer von Kanal 1, der nächstgrößere Wert von Kanal 2 und so weiter erfasst wird. Diese Methode ist sowohl für eine chromatisch-konfokale Messung mit spektraler Peakposition als auch für eine OCT- Messung mit Peakposition in einer Fouriertransformation des entzerrten Spektrums durchführbar.
Eine Führungsvorrichtung kann jedoch auch für das Messobjekt vorgesehen werden, mit dem das Messobjekt unter einem feststehendem Messkopf entlanggeführt wird. In beiden Fällen un¬ terliegen die Messkopfführungsvorrichtungen mit ihren beweg¬ lichen Komponenten zeitlich bedingte Abweichungsbewegungen gegenüber der Sollwertlage. Auch können zeitlich bedingte Systemfehler wie zeitlich variable Neigungen des Messkopfes gegenüber der Orthogonalen zu der Messobjektoberfläche auftreten, die mithilfe der oben beschriebenen Maßnahmen, beispielsweise durch die Anordnung von drei Messspots in einem gleichschenkligen Dreieck ermittelt werden und entsprechend die Messwerte korrigiert werden können. Anstelle einer Mehrzahl von i Reflektionsspektren können die i Messkanäle auch einem Multiplexer zugeführt werden und in einem einzigen Spektrometer erfasst und anschließend digitalisiert werden.
Zum Herausrechnen von zeitlichen Variationen systematischer Messfehler und von zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen der Messkopfführungsvorrichtung aus den i Reflektionsspektren weist die optische Präzisionsmessvorrichtung weiterhin nachfolgende Mittel auf. Es werden Mittel vorgesehen, die ausgebildet sind zum Erfassen von geometrischen Abstandswerten der i Messkanäle zur Zeit t(j) und Mittel, die ausgebildet sind zum Erfassen von dreidimensionalen Positionswerten für die i Messspots auf der Messobjektoberfläche zur Zeit t(j) . Weitere Erfassungsmittel dienen einer Ermittlung einer lokalen Neigung der Messobjektoberfläche relativ zu dem Messkopf. Für das Erfassen der lokalen Neigung weist die Messvorrichtung Mittel auf, die zum Korrigieren von auf der erfassten Neigung basierenden zeitlichen Variationen systematischer Messfehler ausgebildet sind. Weiterhin sind Mittel vorgesehen, die aus¬ gebildet sind zum Erstellen von lokalen Topographien für die redundanten i Messkanäle.
Schließlich sind Mittel ausgebildet zum Korrelieren der lokalen Topographien unter Separieren der wahren Oberflächentopo¬ graphie von zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen der Messkopfführungsvorrichtung durch Separieren einer zeitlich bedingten Holprigkeit einer Position und einer zeitlich bedingten Holprigkeit einer Orientierung des Messkopfes in der Messkopfführungsvorrichtung. Schließlich sind Mittel vorgesehen, die zur Ausgabe einer bereinigten Oberflächentopographie ausgebildet sind und weitere Mittel, die ausgebildet sind zur Ausgabe einer realen Bahn und einer realen Orientierung der Messkopfführungsvorrichtung . Diese vorgenannten Mittel sind zusammengefasst in der Auswerteeinheit, um aus den i Referenzspektren i reale Messwerte an i Stellen auf dem Messobjekt zu ermitteln und zeitliche Variationen von Messsystemfehlern und zeitlich bedingten Bewegungsabweichungen von dem realen Präzisionsmesswert zu separieren, um einen Messwert im Nanobereich zu extrahieren. Somit wird in vorteilhafter Weise ein äußerst präziser Messwert mithilfe dieser Präzisionsmessvorrichtung aus den gemessenen Rohdaten der i Spektrometer herausgeschält, wobei gleichzeitig die Schale bereits einen reellen Wert für die Größe der zeitlich bedingten Messsystemfehler und für die Größe der zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen der Messführungsvor- richtung liefert.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert .
Figur 1 zeigt schematisch ein Flussdiagramm eines optischen
Messverfahrens zum Erfassen einer Oberflächentopographie gemäß eines ersten Durchführungsbeispiels der Erfindung;
Figur 2 zeigt schematisch ein Blockdiagramm einer Auswer¬ teeinheit einer Messvorrichtung zum Präzisionsmes¬ sen gemäß dem ersten Durchführungsbeispiel;
Figur 3 zeigt beispielhaft ein Messergebnis einer Kalibrierfahrt für einen chromatisch-konfokalen Messkopf;
Figur 4 zeigt eine Prinzipskizze einer Messvorrichtung zum
Messen einer Oberflächentopographie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Figur 5 zeigt eine Prinzipskizze einer Messvorrichtung zum Messen einer Oberflächentopographie gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Figur 6 zeigt eine Prinzipskizze einer Messstrecke zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Messverfahrens .
Figur 1 zeigt schematisch ein Flussdiagramm 50 eines optischen Messverfahrens im Nanometerbereich zum Erfassen einer Oberflächentopographie gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dazu wird das optische Messverfahren mit dem Startblock 100 gestartet.
In dem Verfahrensschritt 101 wird eine Messvorrichtung mit einem Messkopf in einer Messkopfführungsvorrichtung für eine für eine chromatisch-konfokale Erfassung der Oberflächentopographie oder für eine spektralinterferometrische OCT Abstandserfassung zu der Oberflächentopographie bereitgestellt und ein Messkopf in der Messkopfführungsvorrichtung über das Messobjekt gefahren. Es schließt sich der Verfahrensschritt 102 an, bei dem ein Aufbringen von spektral breitbandigem Licht einer Lichtquelle aus einem Faserarray mit i Fasern von i Messkanälen über eine gemeinsame Messkopfoptik unter Ausbilden eines Spotarrays aus i Messspots auf das Messobjekt beim Führen des Messkopfes über das Messobjekt durchgeführt wird. Dabei werden Positionswerte der Aktorik und die Messwerte der i Messkanäle mit einem Zeitstempel versehen und aufgezeichnet .
Die Positionswerte der Aktorik können dabei wie folgt ermittelt werden: a) Es wird ein Zielwert für die gesteuerte MesskopfPosition, gegebenenfalls unter Berücksichtigung von reproduzierbaren zeitlich bedingten Bahnabweichungen, die in einer Kalibrierfahrt ermittelt wurden, eingesetzt.
b) Es werden reale mit Encodern gemessene Positionswerte von Aktorikelementen eingesetzt. Dabei basieren Encoderwerte auf Glasmaßstäben oder Dehnungsmessstreifen oder optischen Interferometern .
c) Es werden Messwerte von Beschleunigungssensoren
aufintegriert und mit den unter a) und b) ermittelten Positionswerten korreliert.
d) Es werden direkt Abstandsdifferenzen zwischen zwei Messpunkten gemessen und zu einer Topographie, die nicht durch Sprünge des Messkopfes verfälscht wird, aufintegriert .
Im Verfahrensschritt 103 erfolgt ein Erfassen und Digitalisieren von i Reflektionsspektren der i Messkanäle. Schließlich erfolgt in der mit einer strichpunktierten Linie umrandeten Box ein mehrgliedriger Verfahrensschritt 104 zum Auswerten der digitalisierten Reflektionsspektren unter Herausrechnen von zeitlichen Variationen systematischer Messfehler und von zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen der Messkopfführungsvorriehtung .
Dieses Auswerten in dem Verfahrensschritt 104 umfasst einen Verfahrensschritt 105 zum Erfassen von geometrischen Abstandswerten der i Messkanäle zur Zeit t(j). Der nachfolgende Verfahrensschritt 106 liefert ein Erfassen von dreidimensionalen Positionswerten für die i Messspots auf der Messobjektoberfläche zur Zeit t(j). Nun kann der Verfahrensschritt 107 folgen, bei dem ein Erfassen einer lokalen Neigung der Messobjektoberfläche relativ zu dem Messkopf erfolgt, und dann kann das Auswerteverfahren übergehen in den Verfahrensschritt 108, bei dem ein Korrelieren von auf der erfassten Neigung basierenden zeitlichen Variationen systematischer Messfehler durchgeführt wird.
Der Verfahrensschritt 109 dient einem Erstellen von lokalen Topographien für die redundanten i Messkanäle. An diesen Schritt schließt sich der Verfahrensschritt 110 mit einem Korrelieren der lokalen Topographien an, bei dem ein Separieren von zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen der Messkopfführungsvorrichtung durch Separieren einer Holprigkeit einer Sensorwahl und einer Holprigkeit einer Sensororientierung des Messkopfes in der Messkopfführungsvorrichtung von der wahren Oberflächentopographie erfolgt. Schließlich wird im Verfahrensschritt 111 eine bereinigte Oberflächentopographie und eine reale Bahn und Orientierung der Messkopffüh- rungsvorrichtung des Messkopfes ausgegeben, so dass mit dem Verfahrensschritt 112 das Verfahren beendet werden kann.
Figur 2 zeigt schematisch ein Blockdiagramm 60 einer Auswerteeinheit 20, die in einer Messvorrichtung zum Präzisionsmessen in einem Nanometerbereich gemäß dem ersten Durchführungsbeispiel erforderlich ist. Die Auswerteeinheit 20 erfasst in einem ersten Block ein Mittel 21, das ausgebildet ist zum Erfassen von geometrischen Abstandswerten der i Messkanäle zur t(j) . Das Mittel 21 dieses Blockes wirkt zusammen mit Mitteln 22 und 23, wobei das Mittel 22 ausgebildet ist zum Erfassen von dreidimensionalen Positionswerten für die i Messspots auf der Messobjektoberfläche zur Zeit t(j), und das Mittel 23 in dem benachbarten Block zum Erfassen einer lokalen Neigung der Messobjektoberfläche relativ zu dem Messkopf ausgebildet ist. Von dem Mittel 23 geht es über zu einem Block mit dem Mittel 24, das ausgebildet ist, unter Korrelation von zeitlichen Mustern ein Zuordnen der erfassten Neigung zu zeitlichen Variationen systematischer Messfehler durchzuführen. Das Mittel 25 ist ausgebildet, beim Erstellen von lokalen Topographien für die redundanten i Messkanäle die Messfehler zu berücksichtigen .
Vom Mittel 25 geht es über zu dem Block mit dem Mittel 26, das ausgebildet ist zum Korrelieren der lokalen Topographien unter Separieren von zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen der Messkopfführungsvorrichtung durch Separieren einer Holprigkeit einer Sensorbahn und einer Holprigkeit einer Sensororientierung des Messkopfes in der Messkopfführungsvorrichtung von der wahren Oberflächentopographie. Schließlich werden von dem Mittel 26 ausgehend zwei Ausgabeblöcke ver¬ sorgt, einmal mit dem Mittel 27, das ausgebildet ist zur Ausgabe einer bereinigten Oberflächentopographie, sowie einem weiteren Block mit dem Mittel 38, das ausgebildet ist zur Ausgabe einer realen Bahn und einer realen Orientierung der Messkopfführungsvorrichtung .
Figur 3 zeigt das Messergebnis einer Kalibrierfahrt für einen chromatisch-konfokalen Messkopf. Der Messkopf der Messvor¬ richtung, wie es die nachfolgenden Figuren 4 und 5 zeigen, ist bei dieser Kalibrierfahrt auf ein Planglas gerichtet, das auf einem Lineartisch montiert ist. Der relative Abstand des Planglases zum Messkopf kann mit einem Kontrollinterferometer mit nm (Nanometer) Genauigkeit gemessen werden. Mit der Kalibrierfahrt wird der Zusammenhang zwischen Spektrometersig- nal in Form der Peakposition des spektralen Maximums und dem Abstand bestimmt, wobei dies im gesamten Spektralbereich des Spektrometers durchgeführt wird. Damit wird die Kennlinie "Abstand über Pixelposition" bestimmt, die für die Kombination aus Spektrometer und Messkopf gültig ist.
Das in Figur 3 gezeigte Diagramm liefert die zeitlich bedingte Abweichung des Istwertes vom Erwartungswert bei zwei Wiederholungsmessungen. Dazu ist ein Bereich von ± 0,1 μπι Abweichung über einen Messbereich von 100 μπι (Mikrometern) in Abhängigkeit von Weg und Zeit gezeigt. Aus diesem Diagramm gemäß Figur 3 sind folgende Effekte sichtbar. Die gestrichelte Kurve a liegt generell um einige Nanometer tiefer als die durchgezogene Kurve b, was einer zeitlich bedingten Langzeitdrift des Arbeitsabstandes zum Beispiel durch Temperaturein- fluss entspricht. Die Kurven zeigen eine grobe Welligkeit von ± 10 nm im Vergleich zur Kalibrierfahrt der zeitlich bedingten Langzeitdrift des Messbereichs, wie es die punktierte Kurve c zeigt. Die beiden Kurven a und b haben eine dominierende Periodizität von 2 μπι und sind ziemlich eng zueinander korreliert. Zur Ermittlung einer Kennlinie, wie die punktierte Kennlinie c, kann ein glättendes Filter angewendet werden, das solche feinwelligen Periodizitäten entfernt. Derartige Periodizitäten können durch Kippbewegungen der Fahrachse, durch unterschiedliche Abstandsänderung am Kontrollinterfero- meter oder auch am Messkopf entstehen oder können ein zeitlich variables systematisches Verhalten des Messkopfes bzw. der Auswerteeinheit darstellen, das bei der Erstellung der Kennlinie weggeglättet würde.
Restliche feinwellige zeitlich bedingte Abweichungen zwischen den beiden Kurven a und b sind teilweise auf Messwertrauschen, teilweise auf sonstige zeitlich bedingte Vibrationen und auf Fluktuationen des Messaufbaus und der Kontrollinter- ferometer-Abstandsmessung zurückzuführen. Mit dem vorher erörterten Verfahren anhand der Figuren 1 und 2 und der nach- folgenden Messvorrichtungen 3 und 40 ist es nun möglich, an einer Profilmessung in Nanometerpräzision diese verschiedenen Störeinflüsse, nämlich die Langzeitdrift, die zeitlichen Variationen systematischer Messfehler des Abstandssensors, die Positionierfehler der Stellachsen und der Vibrationen des Messob ektes sowie das Messwertrauschen voneinander zu unterscheiden und aus dem Profil des Messobjektes herauszurechnen.
Dazu wird erfindungsgemäß ein optischer Messkopf mit mehreren Messkanälen bereitgestellt, wie es die nachfolgenden Figuren 4 und 5 zeigen, wobei die Foki der Spots der Messkanäle mindestens entlang einer Scannrichtung angeordnet sind, die als Hauptlinie bezeichnet wird. Bei dem Scann bzw. der Abtastung wird das Profil des Messobjekts in jedem Messkanal gemessen und die Gesamtheit der zeit- und positionsverset zt angeordneten Profile mithilfe von Korrelationsmethoden zu einem mittleren Gesamtprofil zusammengesetzt.
Da die Profilabweichungen in den einzelnen Kanälen durch zeitliche und räumliche Bewegungsmuster in allen Profilen gleichartig sein sollen, können aus den Profilen Abweichungs¬ bewegungen der Messkopfführungsvorrichtung sowie zeitliche Variationen systematischer Messfehler herausgerechnet werden, und ein statistisches Rauschen kann durch mehrere Messungen der bereinigten Oberflächentopographie verringert werden. Dabei kann bereits die Bereitstellung von mindestens einem zusätzlichen Messkanal quer zur Hauptlinie, wie es beispiels¬ weise in den nachfolgenden Figuren 4A bis 4C bzw. 5A bis 5C gezeigt wird, dazu dienen, zeitlich bedingte Kippbewegungen des Messkopfes an der Messkopfführungsvorrichtung zu messen und herauszurechnen. Auch können lokale Steigungen der Oberfläche berechnet werden, um damit systematische Messfehler des Messkopfes herauszurechnen, die von der Neigung der Ob ektoberfläche abhängen. Dazu kann beispielsweise die zeitlich bedingte Phasenlage des Messsignals von zwei Kanälen bereits berechnet werden und damit eine zeitlich bedingte Differenzphase bestimmt werden. Die Differenzphase kann wiederum in eine lokale Höhendifferenz als Steigung zwischen zwei Messpunkten umgerechnet werden. Zusätzlich können weitere Messkanäle interferometrisch überlagert werden, um den optischen Wegunterschied, welcher der Differenzphase entspricht, zu messen. Aus der Gesamtheit der lokalen Steigungen kann dann eine Topographie aufintegriert werden. Diese differentielle Abtastung steht in Konkurrenz zu einer absoluten Topographieerfassung, die aus der idealen Aktorikbahn und den gemessenen Abstandswerten gewonnen wird.
Diese Fehlerkorrekturmethode funktioniert auch bei stark geneigten Oberflächen, wenn die Qualität der spektralinterfero¬ metrischen Abstandsmessung durch zeitlich bedingte Abstands¬ änderung beeinträchtigt wird. Somit wird hier eine robuste Messung für eine chromatisch-konfokale Erfassung der Oberflächentopographie bereitgestellt.
Um einen Messsystemfehler in Bezug auf eine Neigung des Messkopfes gegenüber der Orthogonalen der Messob ektoberfläche herauszurechnen, reicht wie oben erwähnt bereits ein quer zur Hauptlinie angeordneter Messspot aus. Jedoch kann die Neigung bzw. der Neigungswinkel noch genauer ermittelt werden, wenn anstelle des einen quer liegenden Messspots drei Messspots zur Hauptlinie derart angeordnet werden, dass sie ein gleichseitiges Dreieck wie in den nachfolgenden Figuren 4A und 5A bilden, wobei durch Aufstellen des Normalenvektors des Dreiecks ein Herausrechnen beliebiger Neigungen ermöglicht wird.
Neben der Abweichung durch einen Neigungswinkel, der einem zeitlich bedingten Schwenk- oder Drehrichtungswinkel um eine Längsachse in Fahrtrichtung gleichgesetzt werden kann und auch als Rollwinkel bezeichnet wird, gibt es weitere zeitlich bedingte Orientierungsabweichungen, die als Nicken bezeichnet werden und einen Drehwinkel Θ um die Querachse der Messkopfführungsvorrichtung oder des Messkopfes kennzeichnen. Als dritte Drehrichtung ist ein Gieren möglich und als Drehwinkel Φ um die Hochachse bekannt. Die drei Raumwinkel der zeitlich bedingten Orientierungsabweichungen beim Scannen, nämlich und , sind auch als Eulerwinkel oder als La¬ gewinkel bekannt.
Für die zeitlich bedingte Orientierungsabweichung setzt sich dann die Transformationsmatrix aus den drei Einzeldrehmatrizen für die jeweiligen Winkel zusammen. Dabei ist die Dreh¬ reihenfolge in der Reihenfolge Φ, Θ und Φ in der nachfol¬ genden Transformationsmatrize angegeben.
Figure imgf000021_0001
In linearisierter Form mit in Bogenmaß angegeben Winkeln hat dann die Transformationsmatrix folgende Form: [ 1 φ - Θ
D = { - Φ + *θ 1 + *θ * Φ
[ g - Φ + θ * Φ 1
Wenn die Produktterme vernachlässigt werden, was bei guter Aktorik der Messkopfführungsvorrichtung möglich ist, ergibt sich die vereinfachte Drehmatrix:
- Θ
D = - Φ Φ
Θ - Φ
Somit kann eine Einheitsmatrix plus eine antisymmetrische Matrix in den drei Eulerwinkeln als Vektormodelle der zeitlich bedingten Orientierungsabweichungen zugrunde gelegt werden .
Dabei ist zu beachten, dass derartige Aktuatoren bzw. Messkopfführungsvorrichtungen häufig eine Kopplung zwischen Bahnabweichungen und Orientierungsabweichungen darstellen. Bei einer starren Führung ergibt sich für eine wellige Bahn ein z (x) oder auch ein zeitlich bedingter welliger Verlauf der Orientierung mit dem Nickwinkel Θ. Bei starrer Führung folgt der Messkopf immer parallel zur Führung, so dass Θ (Theta) der Steigung der Messkopfführungsvorrichtung entspricht, mit:
Theta (x) (d/dx) z(x)
Ein Messkopf, der starr an einer derartigen Messkopfführung befestigt ist, macht demnach die Orientierungsänderungen im Verhältnis 1:1 mit, so dass seine Bahn rl (x) der Bahn rO (x) eines Auflagepunktes gemäß rl (x) rO (x) + D (x) * Rl folgt, so dass die relative Bahnabweichungsbewegung rl (x) - rO (x) = D (x) * Rl beträgt .
Die Bewegung des Auflagepunkts ist demnach vollständig beschrieben durch:
• z(x) bzw. Theta(x)
• y (x) bzw . Psi (x)
• Phi(x)
Die fehlenden Winkel einer derartigen Drehmatrix sind:
Theta (x) (d/dx) z(x)
Psi (x) (d/dx) y(x)
Der Bahnparameter ist bei der Präzisionsmessvorrichtung nicht x, sondern die variable Zeit t = x/v, was dem gefahrenen Weg s entspricht.
Wenn also der Hebelvektor Rl zwischen Auflage- und Messpunkt bekannt ist, kann aus der Orientierung am Messpunkt auf den Positionsfehler am Messpunkt geschlossen werden.
Wenn keine starre Führung für die Messkopfführungsvorrichtung vorliegt, sondern eine gefederte Führung mit einer gewissen Verzögerung und einer gewissen Dämpfung, gilt die zeitlich bedingte Bewegungsgleichung für eine erzwungene gedämpfte Schwingung mit einer Auslenkung von x(t) . xu(t) + i omegaO x'(t) + M omegaOA2 * x(t) = F(t) mit der Zwangskraft
F(t) = M xO (t)
Dabei steht F für die Ableitung von F nach der Zeit t.
Das bedeutet, dass bei einer gefederten Führung des Messkopfes an der Messkopfführungsvorrichtung die Antwort auf eine Führungswelligkeit phasenverschoben und mit veränderter
Amplitude erfolgt. Dabei sind Parameter der Federung die Resonanzfrequenz Omega und die Dämpfung.
Für langwellige Abweichungsbewegungen der Messkopfführungsvorrichtung bzw. des Messkopfes wird diese zeitlich bedingte Abweichungsbewegung im Verhältnis 1:1 übertragen. Liegt die zeitlich bedingte Abweichungsbewegung nahe einer Resonanzfrequenz, so führt dieses zu mehr oder weniger stark überhöhten zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen mit einer ca. 90° Phasenverschiebung. Jedoch bei kurzwelligen zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen werden diese wegintegriert.
Somit gibt eine Messfahrt mit Frequenzanalyse der gemessenen Abstandswerte Aufschluss über die Eigenschwingungen der Akto- rik und der Messkopfhalterung der Messkopfführungsvorrichtung. Eine nicht-optimale Regelung der Scannfahrt kann sogar zu resonanten zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen führen. Dabei kann die Amplitude einer resonanten Abweichungsbewegung von der Position des Messkopfes bezüglich einer Teil- Aktorik abhängen. Laterale Abweichungsbewegungen werden jedoch erst sichtbar, wenn auf strukturierten Objekten gemessen wird. Ein gerades Linienraster sieht dann wellig aus. Auf einem senkrechten Planspiegel ist ein Schwenken um die Hochachse bzw. ein Gieren wie oben bereits erörtert nicht feststellbar. Jedoch sind Abweichungsbewegungen in axialer Richtung gut sichtbar, so dass ein Nicken um die Querachse und ein Rollen um die Längsachse zu Welligkeiten in der scheinbaren Topographie führen. Durch die erfindungsgemäße Mehrkanalmessung werden somit ein Nicken und ein Rollen, verursacht durch die Messkopfführungs- vorrichtung, unterscheidbar.
Weitere Korrekturmöglichkeiten ergeben sich dadurch, dass redundante Messpunkte, wie sie in den nachfolgenden Figuren 4A, 4B und 4C sowie 5A, 5B und 5C gezeigt werden, mit ihren Abständen zueinander unterschiedlich angeordnet werden. Damit kann vermieden werden, dass periodische Schwankungen der Topographie mit einer Periodendauer kleiner als
Tl = Abstandl / Fahrgeschwindigkeit, nicht als unterabgetastete Raumfrequenzen wahrgenomiTLen werden. Der Vergleich mit einem Messpunkt mit Abstand 2 > Abstand 1 zeigt sofort den Unterschied.
Außerdem ist es möglich, auch ungleich frequente Messpunkte einzusetzen, um eine Unterabtastung im zeitlichen Bereich zu erkennen. Dazu muss lediglich eine zeitliche Abtastung mit zwei unterschiedlichen Taktraten erfolgen.
Darüber hinaus ist es möglich, eine Kompensation von Messfehlern durch Objektneigung zu erzielen. Dazu wird eine Kalib- rierung des Messkopfs durch Abstandsmessung auf einer Präzisionskugel vorgenommen. Die Abweichung der gemessenen Topographie von der Sollform wird dann bestimmt und es wird eine Tabelle über Abweichungen in Bezug auf Objektneigungen erstellt. Dazu wird vorzugsweise der Messkopf mindestens drei Messpunkte, wie es die nachfolgenden Figuren 4A, 4B, 4C und 5A, 5B, 5C zeigen, die idealerweise ein gleichseitiges Dreieck 17 bilden, wie es in den nachfolgenden Figuren 4A und 5A gezeigt wird, auf dem Messobjekt projizieren, so dass eine lokale Neigung der Objektoberfläche aus einem Normalenvektor des Dreiecks bestimmt werden kann. In einer Messauswertung wird lediglich eine Berechnung einer lokalen Ob ektneigung durchgeführt, wobei die Korrektur der gemessenen Abstände mithilfe der Tabelle "Abweichung über Objektneigung" erfolgen kann.
Weiterhin können die in Figur 3 dargestellten zeitlich bedingten Abweichungen von zeitlichen Variationen systematischer Messfehlern bereinigt werden, indem zeitlich bedingte Lateralbewegungen des Messkopfes durch Beschleunigungssensoren erfasst werden. Die Beschleunigungssensoren messen die Bewegung des Messkopfs gegenüber dem Raum, und zwar quer zur optischen Achse (in x- und y-Richtung) , und integrieren diese Beschleunigung auf zu einer zeitlich bedingten Bahnabweichung dx(t) und dy(t). Dies kann auch in z-Richtung erfolgen. Dabei misst der Multikanal-Messkopf , wie er in den Figuren 4 und 5 gezeigt wird, die lokale Objektneigung. Die Korrektur der Messpunkte kann einerseits durch Interpolation der Objektoberfläche auf Punkte, die auf der Sollbahn liegen, erfolgen und damit eine Korrektur der Abstandswerte ermöglicht werden oder es kann eine Angabe der Oberflächenkoordinaten (x, y und z) mit der gemessenen Bahn X=X_soll + dX anstelle der Soll- Bahn X_soll(t) = [x_soll(t), y_soll(t)] erfolgen. Eine Vibration mit der Amplitude xO und der Frequenz f bringt eine Amplitude der Beschleunigung von: aO = xO * omega2
4pi2 * x * f2 mit omega = 2pi * f. Der Umrechnungsfaktor für die Umrechnung der Beschleunigung a als Vielfaches der Erdbeschleunigung g = 9,81 m/s2 ergibt sich dann zu
F = 4pi2 / (9,81ms-2) / (1μπ\) / (1Hz)2 = 4,02 * 10"6 und somit wird:
AO ( in g) = xO (in μηι) * f (in Hz) Λ2 * 4 Millionstel
Tabelle der Beschleunigung bei typischen Vibrationen
fachen der Erdbeschleunigung g
Figure imgf000027_0001
Aus Vibrationen der Orientierung kann auf Vibrationen der Lage zurückgerechnet werden. Dazu werden die mit dem Mehrpunkt- Messkopf gemäß den Figuren 4 und 5 gemessenen Vibrationen der Orientierung nach Anteilen typischer Eigenschwingungen der Aktorik sortiert. Ein geometrisches Modell gibt den Zusammenhang zwischen MesskopfOrientierung und Messkopfposition rela- tiv zur Aktorik für die Eigenschwingungen an. Dieses wird in einer Kalibrierprozedur ermittelt. Bei der nachfolgenden Messauswertung wird die gemessene Auslenkung der Orientierung, und zwar getrennt nach Eigenschwingungen und basierend auf dem geometrischen Modell, in eine Auslenkung der Messkopfposition umgerechnet. Die so bestimmte Auslenkung der Messkopfposition wird dann zur Korrektur der Koordinaten der gemessenen Punkte auf der Objektoberfläche verwendet.
Um ein Erkennen von unterabgetasteten Welligkeiten zu ermöglichen, kann beispielweise der Abstand der Messpunkte in einer Raumrichtung nicht konstant gehalten werden, damit periodische Welligkeiten in einer Unterabtastung erkennbar werden. Außerdem ist es vorgesehen, wie oben bereits angedeutet, den Messtakt für verschiedene Messpunkte verschieden darzustellen, um damit periodische Welligkeiten in der Unterabtastung ebenfalls erkennbar zu machen.
Figur 4 zeigt eine Prinzipskizze einer Messvorrichtung 3 zum Präzisionsmessen einer Oberflächentopographie 1 gemäß einer Ausführungsform einer Präzisionsmessvorrichtung im Nanometer- bereich. Dazu weist die Messvorrichtung 3 einen Messkopf 4 in einer Messkopfführungsvorrichtung 5 für eine chromatisch- konfokale Erfassung der Oberflächentopographie 1 oder für eine spektralinterferometrische OCT Abstandserfassung .des Ab- standes e zwischen einer Messkopfoptik 10 des Messkopfes 4 und einer Messobjektoberfläche 16 auf.
Der Messkopf 4 kann von einer spektral breitbandigen Lichtquelle, einem sogenannten SOA (solid State optical amplifier) versorgt werden. Vorzugsweise wird jedoch eine aus der SOA- Lichtquelle abgeleitete Superlumineszenzdiode (SLD) eingesetzt. Die Superkontinuum-Lichtquelle der SLD hat mehr Leis- tung pro Bandbreite. Sie eignet sich daher als Einzellichtquelle, deren Licht per lXi-Koppler auf viele Kanäle verteilt werden kann.
Alternativ zu einer breitbandigen Lichtquelle in Zusammenwirken mit einem Zeilenspektrometer ist auch eine wellenlängen- durchstimmbare Lichtquelle mit zeitsequentieller Aufzeichnung des Spektrums anwendbar. Dabei können jedoch zusätzliche Ti- me-Delay-Effekte auftreten.
In der Ausführungsform gemäß Figur 4 wird das breitbandige Licht einer SLD-Lichtquelle 6 in Fasern 8 eines Lichtfaserbündels, das in dieser Ausführungsform beispielhaft vier Lichtleitfasern aufweist, über vier Y-Koppler 28, 29, 30 und 31 eingekoppelt. Das breitbandige Licht der SLD-Lichtquelle 6 wird somit auf die vier Lichtleitfasern verteilt und dem Messkopf 4 an der Messkopfführungsvorrichtung 5 zugeleitet.
Faserenden 19 bilden ein Faserarray 7 über einer Messkopfoptik 10 und die Messkopfoptik 10 projiziert ein Spotarray 11 auf einer Messobjektoberfläche 16, das zurückreflektiert wird und über die Y-Koppler 28, 29, 30 und 31 vier Spektrometern 32, 33, 34 und 35 zugeführt wird. Die Reflektionsspektren, die in den Spektrometern 32, 33, 34 und 35 gebildet werden, können dann von einer Auswerteeinheit 20 dahingehend ausge¬ wertet werden, dass zeitliche Variationen von Systemfehlern sowie zeitlich bedingte Abweichungsbewegungen der Messkopf- führungsvorrichtung und des Messkopfes von der zu messenden Oberflächentopographie separiert werden.
Um eine derartige Korrektur der Messwerte beim Separieren der Messfehler zu ermöglichen, werden quer zu einem zentralen Messspot 15 auf einer Hauptlinie der Abtastrichtungen x bzw. F und G weitere Messspots 12, 13 und 14 angeordnet, die das Spotarray 11 bilden, wobei die drei Messspots 12, 13 und 14 quer zu der Hauptlinie ein gleichseitiges Dreieck bilden, wenn beispielsweise der Neigungswinkel bzw. der Drehwinkel um die Längsachse x der Messkopfführungsvorrichtung 5 Null ist, wie es Figur 4A zeigt.
Ist dieser Neigungs- oder Rollwinkel nicht Null, sondern weicht er von der Nullposition ab, so kann wie Figur 4B zeigt, das Dreieck aus den Messspots 12, 13 und 14 verzerrt sein. Aus dieser Verzerrung kann beispielsweise über die Abstände der Messspots 12, 13 und 14 zueinander ein Normalenvektor des Dreiecks und somit ein Neigungswinkel ausgerechnet werden und damit der Messwert für die Oberflächentopographie korrigiert werden. Dazu kann die Neigung des Objektes zur Korrektur von Abstandswerten aller Messpunkte herangezogen werden oder es kann aus lokalen Topographien eine Neigung für jeden Messpunkt bestimmt werden. Während in Figur 4B der Messspot 12 extrem von der Hauptlinie abweicht, zeigt Figur 4C eine andere Verzerrung des gleichseitigen Dreiecks, wie es ursprünglich mit Figur 4A gezeigt wird, bei der sowohl der Messspot 12 als auch der Messspot 13 gegenüber den Positionen eines Rollwinkels von Null verschoben sind.
Dieser Neigungs- oder Rollwinkel Φ ist nur ein Beispiel für einen Systemfehler. Gleiches gilt für die anderen beiden Eu- lerwinkel, nämlich den Gierwinkel Φ für eine Drehung um die
Hochachse z und den Nickwinkel Θ für eine Drehung um die Querachse y, wie es oben mit Bezug auf das Vektormodell der zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen erörtert wurde.
Figur 5 zeigt eine Prinzipskizze einer Messvorrichtung 40 zum Präzisionsmessen einer Oberflächentopographie 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in Figur 4 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
Die Ausführungsform gemäß Figur 5 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Figur 4 dadurch, dass ein Multiplexer 18 eingesetzt ist, mit dem Messkanäle 9 einem einzigen Spekt- rometer 32 zeitversetzt zugeführt werden, wobei der Multiplexer 18 dafür sorgt, dass die Vielzahl der in Figur 4 gezeigten Spektrometer verringert werden kann. Mithilfe des Multi- plexers 18 kann auch gleichzeitig auf die in Figur 4 gezeigten Y-Koppler verzichtet werden, da auch die breitbandige Lichtquelle 6 über den Multiplexer 18 zeitversetzt an die einzelnen Lichtleitfasern angekoppelt werden kann. Ein Vorteil ist, dass die Lichtintensität nicht durch die Anzahl der Lichtleitfasern geteilt wird, sondern jede einzelne Lichtleitfaser die volle Lichtintensität über den Multiplexer 18 erhält .
Figur 6 zeigt eine Prinzipskizze einer Messstrecke zur Erläu¬ terung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Messverfah¬ rens, in dem ein typischer Einsatz eines optischen Linien¬ sensors auf kartesischen Fahrachsen als Spezialbeispiel be¬ schrieben wird. Dabei geht es grundsätzlich darum, mit einem Liniensensor in mehreren Messfahrten mit gekreuzten Linearachsen die gleichen Oberflächenpunkte mehrfach zu messen und dabei die beiden Störeffekte der Profilmessung in Form von Vibrationen und deterministischem Achsholpern der x-Achse, das mit einer oder mehreren Kalibrierfahrten ermittelbar ist, heraus zurechnen .
Dazu durchfährt ein optischer Messkopf 4, wie es Figur 6 zeigt, mehrere Messpunkte, die äquidistant in einem Abstand L auf einer Linie angeordnet sind und die jeweils einen Abstand in z-Richtung messen. Eine Aktorik, die aus einem linearen Positionierer 41 in x-Richtung auf einer x-Achse und einem Positionierer 42 in y-Richtung auf einer y-Achse, besteht, bewegen entweder das Messobjekt 2 oder den Messkopf 4. Vorzugsweise stehen dabei x, y, als Fahrachsen senkrecht aufeinander. Ein Messkopfhalter ist vorgesehen, mit dem der Messkopf 4 um die z-Achse drehbar ist, so dass die Linie der Messpunkte schräg zur x-Achse in einem Winkel α steht.
Figur 6 zeigt außerdem, dass sich das Messobjekt 2 in dem Koordinatensystem im Wesentlichen in einer Ebene, die von der x- und der y-Achse aufgespannt wird, angeordnet ist.
Zur Durchführung des beispielhaften Messverfahrens fährt der Messkopf 4 mit gleichmäßiger Geschwindigkeit vx=dx/dt in x- Richtung. Dabei wird pro Sensor-Messtakt dt die Strecke dx zurückgelegt, während die y-Achse fix bleibt. Der Sensor nimmt jeweils zu den Zeitpunkten t=M*dt+tO*N eine Messung vor. Die Position der x-Achse bzw. der y-Achse beträgt dabei:
X(M) = dx*M
Y(N) = dy*M
Jeder Messpunkt i folgt den Achsenpositionen und liefert ein gemessenes Abstandsprofil z_mess ( i , M, N) in einem äquidistan- ten Raster mit
X(i,M,N) = DX*i+M*dx
Y(I,M,N) = DY*i+N*dy
und mit
DX=L*cos (alpha)
DY=L*sin (alpha) Die Position der x-Achse beträgt dann:
X(M) = dx*M
Für die Bahnabweichung der x-Achse wird eine Kennlinie z (X) angenommen, die sich von Fahrt zu Fahrt kaum ändert.
Am Zeilenende wird die x-Achse wieder in Startposition gebracht und die y-Achse um einen Betrag
YSTEP = di*DY
mit ganzzahligen di versetzt.
Derselbe Punkt (x,y) wird nun nicht in dem Datensatz (i,M,N) gemessen, sondern in einem Datensatz ( i-di , M-dM, N+1 ) mit
di = YSTEP/DY
d = DX/dx .
Der Messwert setzt sich dabei aus Topographie (zO), Achsen- holpern (zx,zy) und Vibrationen zt zusammen, so dass: z(i, M, N) = zO (x, y) +zx (M) +zy(N) +zt(tl), z(i-di, M-dM, N+1) = zO (x, y) +zx (M-dM) +zy (N+1 ) +zt (t2 )
Dabei wurden folgende Annahmen gemacht:
1) der Messpunkt i und der Messpunkt i-di messen den glei¬ chen Abstand,
2) der Fehler der x-Achse ist bei benachbarten Fahrten hin¬ reichend genau reproduzierbar und hängt daher nicht von N ab, und
3) Der Fehler der y-Achse ist während einer Scanfahrt konstant und hängt daher nicht von M ab.
Unter diesen Annahmen ist nachfolgende Auswertung möglich, bei der zunächst die Differenz des gemessenen Abstands z(x,y) zwischen zwei benachbarten Zeilenscans N und N+l gebildet wird :
N) - z(i-di, M-dM, N+l) zx(M) - zx(M-dM)
zy(N) - zy(N+l)
zt(tl) - zt(t2)
Anschließend wird die Summe über dz von M=l bis MO erhalten, wobei die oben genannten Annahmen 1 bis 3 verwendet wurden:
Figure imgf000034_0001
M0*dm * [zy (N) -zy (N+l) ]
Ύ ■Ιΰ'Ν....!θ·Ν+Μ*ώ) zt(vt)'- Yί—ι(ί=ΐΰ·(Ν+\)...ίϋ*(Ν+\)+Μ*ώ)
Dabei setzt sich der Ausdruck in der ersten Zeile aus einer Summe über die ersten Pixel, die konstant ist, minus einem gleitenden Mittelwert über dM Punkte zum Achsrappel zx (m) zusammen .
In der zweiten Zeile ergibt sich dann eine Differenz der Achsfehler der y-Achse, gewichtet mit der Anzahl dM und linear ansteigend mit M. Schließlich ergibt sich in der dritten Zeile eine zeitliche Summe über Schwingungsauslenkungen. Diese kann, weil sich die Schwingung um 0 herum bewegt, kaum größer werden als die Summe über eine halbe Schwingungsperiode.
Während die Form dieses Zeitanteils bei jedem N anders ist, ändert sich zx_mittel (m) über viele N hinweg nur geringfügig. Daher kann erwartet werden, dass bei Betrachtung mehrerer N der Verlauf von zx herauspräpariert bzw. herausgefiltert werden kann. Zum Herauspräparieren bzw. Herausfiltern des zeitlichen Anteils kann bei rauschartigen Vibrationsmustern eine Mittelung über mehrere Zeilenscans erfolgen, und bei periodischen Vibrationsmustern bekannter Periode kann ein Bandsperr- Filter eingesetzt werden, wobei darauf zu achten ist, dass gleichperiodische Topographien nicht eingeebnet werden.
Weiterhin kann in einem nächsten Schritt ein Zusammensetzen eines Profils, das aus mehreren überlappenden Teilen besteht, zu einem Gesamtprofil in y-Richtung erfolgen, das auch "Stit- ching" genannt wird. Hierzu werden die überlappenden Profile zweier benachbarter Fahrten, z(i,N) und z(i-di, N+l), zur Deckung gebracht und als Fit-Parameter der Fehler der y-Achse ( zy (N) -zy (N+l ) und dessen Steigerung in i-Richtung betrachtet.
Eine Mehrzahl von Variationen dieses Ausführungsbeispiels können vom Fachmann durchgeführt werden, ohne den Schutzbe¬ reich der anhängenden Ansprüche zu verlassen. So können bei¬ spielsweise die Achsen von der kartesischen Rechtwinkligkeit abweichen. Ferner kann anstelle einer Drehung des Messkopfes 4 um die z-Achse eine Rotationsbewegung um die y-Achse, wie bei einer Druckwalze als Messobjekt generiert werden. Auch kann bei nicht perfektem Überlapp eine Interpolation vorge¬ nommen werden. Ferner sind Spezialfälle einer Elimination von Vibrationen möglich, bei denen =0 ist. In dem Fall (a=0) wird eine maximale Anzahl mit imax=Anzahl der Messpunkte im Messkopf von redundanten Profilen erhalten. Dabei liefert ein Aufsummieren über alle Messpunkte i das imax-fache von drei Anteilen, nämlich einer aktuellen Schwingungsauslenkung, eines Mittelwerts der Topographie und eines Mittelwerts der Achsfehler, wobei sich sowohl der Mittelwert der Topographie als auch der Mittelwert der Achsfehler, wie oben bereits erwähnt, kaum ändert.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eigenen sich somit hervorragend zur Vermessung von Oberflächentopographien im Mikrometer- und Nanometerbereich . Im Einzelnen können das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur qualitativen und/oder quantitativen Erfassung der Rauhigkeit, der Welligkeit, der Ebenheit und der Porosität von metallischen und nichtmetallischen Oberflächen verwendet werden.
Dabei kommen insbesondere die Oberflächen von metallischen Präzisionswerkstücken aus dem Maschinenbau wie beispielsweise Turbinenschaufeln, Kupplungs¬ und Getriebekomponenten in Be- tracht .
Ferner können die Oberflächentopographien von optischen Komponenten wie asphärischen Präzisionsglaskörpern qualitativ und quantitativ erfasst werden. Solche Präzisionsglaskörper können dabei mit aufgedampften MehrschichtSystem aus Metallen und/oder Dielektrika versehen sein.
Darüber hinaus können das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung im Bereich der Medizintechnik, insbesondere dort im Bereich der Ophtalmologie beipielsweise bei der qualitativen und quantitativen Erfassung der Oberflä¬ chentopographie einer Hornhaut, verwendet werden.
Obwohl mindestens eine beispielhafte Durchführung des Verfahrens in der vorhergehenden Beschreibung beschrieben wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Durchführungen des Präzisionsverfahrens sind lediglich beispielhaft und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann eine Lehre zur Umsetzung zumindest einer Durchführung des Verfahrens beispielhaft zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung in weiteren beispielhaften Ausführungs formen einer Messvorrichtung beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1 Oberflächentopographie
2 Messobjekt
3 Messvorrichtung
4 Messkopf
5 Messkopfführungsvorrichtung
6 Lichtquelle
7 Faserarray
8 Faser
9 Messkanal
10 Messkopfoptik
11 Spotarray
12 Messspot
13 Messspot
14 Messspot
15 Messspot
16 Messobjektoberfläche
17 gleichseitiges Dreieck
18 Multiplexer
19 Faserende
20 Auswerteeinheit
21 Mittel
22 Mittel
23 Mittel
24 Mittel
25 Mittel
26 Mittel
27 Mittel
28 Y-Koppler
29 Y-Koppler
30 Y-Koppler
31 Y-Koppler Spektrometer
Spektrometer
Spektrometer
Spektrometer
Mittel
Messvorrichtung (2. Aus führungs form der Erfindung) Positionierer in x-Richtung
Positionierer in y-Richtung
Flussdiagramm
Blockdiagramm Startblock
Verfahrensschritt
Verfahrensschritt
Verfahrensschritt
Verfahrensschritt
Verfahrensschritt
Verfahrensschritt
Verfahrensschritt
Verfahrensschritt
Verfahrensschritt
Verfahrensschritt
Verfahrensschritt
Verfahrensschritt

Claims

Patentansprüche
1. Optisches Messverfahren zum Erfassen einer Oberflächentopographie (1) eines Messobjektes (2), das folgende Verfahrensschritte aufweist;
Bereitstellen einer Messvorrichtung (3) mit einem Messkopf (4) in einer Messkopfführungsvorrichtung (5) für eine chromatisch-konfokale Erfassung der Oberflächentopographie (1);
Aufbringen von spektral breitbandigem Licht einer Lichtquelle (6) aus einem Faserarray (7) mit i Fasern (8) von i Messkanälen (9) über eine gemeinsame Messkopfoptik (10) unter Ausbilden eines Spotarrays (11) aus i Messspots (12 bis 15) auf dem Messobjekt (2); Erfassen und Digitalisieren von i Reflektionsspektren der i Messkanäle (9) und
Auswerten der digitalisierten Reflektionsspektren unter Herausrechnen von zeitlichen Variationen systematischer Messfehler und von zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen der Messkopfführungsvorrichtung (5).
2. Optisches Messverfahren zum Erfassen einer Oberflächentopographie (1) eines Messobjektes (2), das folgende Verfahrensschritte aufweist;
Bereitstellen einer Messvorrichtung (3) mit einem Messkopf (4) in einer Messkopfführungsvorrichtung (5) für eine spektralinterferometrische OCT Abstandserfassung zu der Oberflächentopographie (1) ;
Aufbringen von spektral breitbandigem Licht einer Lichtquelle (6) aus einem Faserarray (7) mit i Fasern (8) von i Messkanälen (9) über eine gemeinsame Messkopfoptik (10) unter Ausbilden eines Spotarrays (11) aus i Messspots (12 bis 15) auf dem Messobjekt (2); Erfassen und Digitalisieren von i Reflektionsspektren der i Messkanäle (9) und
Auswerten der digitalisierten Reflektionsspektren unter Herausrechnen von zeitlichen Variationen systematischer Messfehler und von zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen der Messkopfführungsvorrichtung (5) .
3. Optisches Messverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei weiterhin folgende Auswerteschritte zum Herausrechnen von zeitlichen Variationen systematischer Messfehler und von zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen der Messkopfführungsvorrichtung (5) durchgeführt werden:
Erfassen von geometrischen Abstandswerten (a, b, c) der i Messkanäle zur Zeit t(j);
Erfassen von dreidimensionalen Positionswerten für die i Messspots auf einer Messobjektoberfläche (16) zur Zeit t ( j ) ;
Erfassen einer lokalen Neigung der Messobjektoberfläche (16) relativ zu dem Messkopf (4);
Korrigieren von auf der erfassten Neigung basierenden zeitlichen Variationen systematischer Messfehler; Erstellen von lokalen Topographien für die redundanten i Messkanäle;
Korrelieren der lokalen Topographien unter Separieren von zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen der Messkopfführungsvorrichtung (5) durch Separieren einer Holprigkeit einer Sensorbahn und einer Holprigkeit einer Sensororientierung des Messkopfes (4) in der Messkopfführungsvorrichtung (5) von der wahren Oberflächentopographie (1) und
Ausgabe einer bereinigten Oberflächentopographie (1) und einer realen Bahn und Orientierung der Messkopf- führungsvorrichtung (5) des Messkopfes (4). Optisches Messverfahren nach Anspruch 3, wobei zum Erfassen der lokalen Neigung der Messobjektoberfläche (16) relativ zu dem Messkopf (4) mindestens drei Messspots (12, 13, 14) eines Dreiecks (17) auf die Messobjekts- oberfläche (16) projiziert werden.
Optisches Messverfahren nach Anspruch 4, wobei zum Erfassen der lokalen Neigung der Messobjektoberfläche (16) relativ zu dem Messkopf (4) mindestens drei Messspots (12, 13, 14) eines gleichseitigen Dreiecks (17) auf die Messobj ektsoberfläche (16) projiziert werden und aus Abstandswerten der Messspots (12, 13, 14) zueinander die Neigung bestimmt wird.
Optisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
5, wobei die zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen der Messkopfführungsvorrichtung (5) mittels eines dreidimensionalen Beschleunigungssensors am Messkopf (4) er- fasst werden und die Messwerte der Oberflächentopogra¬ phie (1) entsprechend korrigiert werden.
Optisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
6, wobei mittels eines Vektormodells Messkopfbewegungen mittels Bestimmung des Gierens, des Nickens und des Rol¬ lens des Messkopfes (4) an der Messkopfführungsvorrichtung (5) erfasst werden.
Optisches Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei ein differentielles Abtastverfahren eingesetzt wird, das die Verfahrensschritte aufweist : Ermitteln von lokalen Steigungen der Messobjektoberfläche (16) mittels Höhendifferenzbildung zwischen i Messspots (12 bis 15) und
- Aufintegrieren der Gesamtheit der lokalen Steigungen zu einer Oberflächentopographie (1) .
9. Optisches Messverfahren nach Anspruch 8, wobei das dif- ferentielle Abtastverfahren Wegunterschiede zwischen zwei Messspots eines Messkopfes (4) mit einem Faserende und den Messspots (12, 13) zweier Fokussierlinsen er- fasst, und wobei mittels Spektralinterferometrie (OCT) der optische Wegunterschied zu den beiden Messspots (12, 13) gemessen wird.
10. Optisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
9, wobei in einer Linie in Abtastrichtung angeordnete Messspots (13, 14) in unterschiedlichen Abständen angeordnet werden.
11. Optisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis
10, wobei zeitlich aufeinander folgende Abtastimpulse in unterschiedlichen Zeitabständen erfolgen.
12. Optisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zeitliche Abtastung der Messspots (13, 14) mit unterschiedlichen Taktraten erfolgt.
13. Optische Messvorrichtung zum Erfassen einer Oberflächentopographie (1) eines Messobjektes (2) aufweisend:
eine Messvorrichtung (3) mit einem Messkopf (4) in einer Messkopfführungsvorrichtung (5) für eine chromatisch-konfokale Erfassung der Oberflächentopographie (1), eine spektral breitbandige Lichtquelle (6), die über i Y-Koppler (28, 29, 30, 31) i Fasern (8) mit breit- bandigem Licht versorgt,
ein Faserarray (7) mit den i Fasern (8) für i Messkanäle (9), das in dem Messkopf (4) angeordnet ist, eine Messkopfoptik (10), die ein Spotarray (11) mit i Messspots (12, 13, 14, 15) auf dem Messobjekt (2) ausbildet ;
Mittel zum Erfassen und Digitalisieren von i Reflek- tionsspektren der i Messkanäle (9) in i Spektrometern (32, 33, 34, 35) und
eine Auswerteeinheit (20) für die digitalisierten i Reflektionsspektren zum Herausrechnen von zeitlichen Variationen systematischer Messfehler und von zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen der Messkopffüh- rungsvorrichtung (5).
Optische Messvorrichtung zum Erfassen einer Oberflächentopographie (1) eines Messobjektes (2) aufweisend:
eine Messvorrichtung (3) mit einem Messkopf (4) in einer Messkopfführungsvorrichtung (5) für eine spekt- ralinterferometrische OCT Abstandserfassung zu der Oberflächentopographie (1),
eine spektral breitbandige Lichtquelle (6), die über i Y-Koppler (28, 29, 30, 31) . i Fasern (8) mit breit- bandigem Licht versorgt,
ein Faserarray (7) mit den i Fasern (8) für i Messka¬ näle (9), das in dem Messkopf (4) angeordnet ist, eine gemeinsame Messkopfoptik (10), die ein Spotarray (11) mit i Messspots (12, 13, 14, 15) auf dem Messob¬ jekt (2) ausbildet; Mittel zum Erfassen und Digitalisieren von i Reflek- tionsspektren der i Messkanäle (9) in i Spektrometern (32, 33, 34, 35) und
eine Auswerteeinheit (20) für die digitalisierten i Reflektionsspektren zum Herausrechnen von zeitlichen Variationen systematischer Messfehler und von zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen der Messkopffüh- rungsvorrichtung (5).
15. Optische Messvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die i Messkanäle (9) über einen Multiplexer (18) mit einem Spektrometer (32) in Verbindung stehen.
16. Optische Präzisionsmessvorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Messkopf derart gestaltet ist, dass die Abstandswerte der Kanäle eine feste Rangfolge einnehmen.
17. Optische Präzisionsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, die weiterhin folgende Mittel zum Herausrechnen von zeitlichen Variationen systematischer Messfehler und von zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen der Messkopfführungsvorrichtung (5) aus den i Reflektionsspektren aufweist:
Mittel (21) ausgebildet zum Erfassen von geometrischen Abstandswerten der i Messkanäle (9) zur Zeit t (j) ;
Mittel (22) ausgebildet zum Erfassen von dreidimensionalen Positionswerten für die i Messspots (12 bis 15) auf der Messobjektoberfläche (16) zur Zeit t(j); Mittel (23) ausgebildet zum Erfassen einer lokalen Neigung der Messobjektoberfläche (16) relativ zu dem Messkopf ( 4 ) ; Mittel (24) ausgebildet zum Korrigieren von auf der erfassten Neigung basierenden zeitlichen Variationen systematischer Messfehler;
Mittel (25) ausgebildet zum Erstellen von lokalen To¬ pographien für die redundanten i Messkanäle (9);
Mittel (26) ausgebildet zum Korrelieren der lokalen Topographien unter Separieren von zeitlich bedingten Abweichungsbewegungen der Messkopfführungsvorrichtung
(5) durch Separieren einer Holprigkeit einer Sensorbahn und einer Holprigkeit einer Sensororientierung des Messkopfes (4) in der Messkopfführungsvorrichtung
(5) von der wahren Oberflächentopographie und
Mittel (27) ausgebildet zur Ausgabe einer bereinigten Oberflächentopographie (1) sowie
Mittel (38) ausgebildet zur Ausgabe einer realen Bahn und einer realen Orientierung der Messkopfführungsvorrichtung (5) .
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