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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung eines Neigungswinkels auf Oberflächen, welche insbesondere reflektierende Eigenschaften haben.
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Herkömmliche optische Vorrichtungen zur Winkelmessung, z. B. Differenzielle Planspiegel-Interferometer, oder elektronische Winkelmessautomaten messen Winkelabweichungen eines Zielspiegels mit einem Fehler von etwas weniger als 0,1 Winkelsekunden. Interferometrische Verfahren arbeiten meist mit einem zwei Löcher aufweisenden Referenz-Winkelspiegel, wobei die Löcher so angeordnet sind, dass die Strahlen beim zweiten Durchlauf zum gegenüberliegenden Spiegel gelenkt werden, von dem sie beim ersten Durchlauf reflektierten. Ein elektronische Winkelmessautomat wie der ELWIMAT® arbeitet nach dem Prinzip des vignettierenden Feldblendenverfahrens. Dabei wird ein den Winkeländerungen unterworfener Messspiegel von einem speziellen, divergenten Lichtkegel beleuchtet. Die Strahlenbündel des Lichtkegels werden am Spiegel reflektiert, wobei ein Teil des Lichtes wieder in den Winkelsensor eintritt. Dort entsteht durch die vignettiert abgebildete Leuchtfläche auf einem positionsempfindlichen Detektor ein heller Lichtpunkt. Aus der Lageverschiebung dieses Punktes kann die Winkeländerung des Spiegels ermittelt werden.
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Nachteil des Standes der Technik ist eine für einige Anwendungen zu ungenaue Winkelmessung. Des Weiteren lassen sich einzig plane Oberflächen vermessen. Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik ist eine fehlende Absolutwinkelmessung relativ zu einer optischen Achse. Es können im Allgemeinen nur Winkeländerungen hochgenau gemessen werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, die einen Benutzer in die Lage versetzen, Winkel einer reflektierenden Oberfläche mit einer sehr hohen Genauigkeit und einem sehr geringen Messfehler zu messen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Neigungswinkelmessung auf reflektierenden Oberflächen gemäß den Ansprüchen gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Neigungswinkelmessung auf Oberflächen umfasst ein zur Entfernungsbestimmung geeignetes Interferometer und eine Strahlablenkungseinheit, die dazu ausgelegt ist, den Messstrahl des Interferometers abzulenken und längs einer vorgegebenen Bahn zu bewegen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Neigungswinkelmessung auf Oberflächen mittels eines Interferometers umfasst die Schritte:
- – Ausrichtung eines Messstrahls auf die zu vermessende Oberfläche bzw. Ausrichtung der Oberfläche relativ zum Messstrahl,
- – Erfassung der Entfernung des Auftreffpunktes des Messstrahls auf dieser Oberfläche,
- – Bewegen des Messstrahls über die zu vermessende Oberfläche, längs einer vorgegebenen Bahn,
- – Erfassung der Entfernung mindestens zwei weiterer Auftreffpunkte des Messstrahls auf dieser Oberfläche während der Bewegung an unterschiedlichen Positionen.
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Interferometer sind dem Fachmann bekannt. Die Funktionsweise der gängigen Interferometer ist im Wesentlichen gleich: Mindestens zwei Lichtbündel werden mithilfe von Strahlteilern (z. B. Spiegeln oder halbdurchlässigen Platten) auf getrennten optischen Bahnen geführt, nach einer gewissen Laufstrecke reflektiert und am Ende wieder zusammengeführt. Bei der Entfernungsmessung dient einer der beiden Strahlen als Messstrahl und der andere als Referenzstrahl. Der Referenzstrahl wird durch einen Spiegel oder ein entsprechendes optisches Element reflektiert oder gebeugt, welches im Folgenden als „Referenzreflektor” bezeichnet wird. Die Reflexion des Messstrahls wird bei der Entfernungsmessung durch ein zusätzliches reflektierendes optisches Element oder die Oberfläche des zu vermessenden Gegenstandes erreicht. Durch das Interferenzmuster der beiden zusammengeführten Strahlen (Referenzstrahl und Messstrahl) kann die Entfernung (oder die Entfernungsänderung) des zu vermessenden Gegenstandes, bzw. der Abstand des Auftreffpunktes des Messstrahls auf diesem Gegenstand sehr genau bestimmt werden. Diese Bestimmung geschieht oftmals mittels zweier Detektoren, welche unabhängig voneinander polarisiertes Licht, insbesondere zirkular polarisiertes Licht in linear unabhängigen Polarisationsrichtungen messen. Durch Verwendung eines zirkular polarisierten Strahls werden Entfernungsmessungen optimiert, wobei es insbesondere ermöglicht wird, das Vorzeichen der Entfernungsänderung zu erfassen. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung werden Weglängeninterferometer bevorzugt, insbesondere das Michelson-Interferometer oder das daraus weiterentwickelte Twyman-Green-Interferometer.
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Der Messstrahl wird während der Messung durch die Strahlablenkungseinheit bewegt und dadurch von seinem ursprünglichen Verlauf, bzw. von seinem ursprünglichen Auftreffpunkt auf der Oberfläche, abgelenkt. Bezüglich der optischen Achse des unabgelenkten Strahls (im Folgenden als „ursprüngliche optische Achse” bezeichnet) umfasst die Ablenkung des Messstrahls auf dessen optische Achse bezogen (im Folgenden auch als „abgelenkte optische Achse” bezeichnet) eine Verkippung und/oder eine laterale Verschiebung der verkippten oder parallelen optischen Achse orthogonal zu der ursprünglichen optischen Achse.
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Die Strahlablenkungseinheit umfasst insbesondere ein reflektierendes, brechendes oder beugendes optisches Element zur Ablenkung des Messstrahls und eine Bewegungseinheit, die zur Bewegung dieses optischen Elements und/oder der Lichtquelle des Interferometers ausgebildet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Strahlablenkungseinheit mindestens einen Akustooptischen Modulator (AOM) und/oder mindestens einen Spatial light Modulator (SLM) zur Ablenkung des Messstrahls. Es können auch mehrere Strahlablenkungseinheiten vorhanden sein. Genauso kann eine Strahlablenkungseinheit auch mehrere optische Elemente und/oder mehrere Bewegungseinheiten umfassen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft die abgelenkte optische Achse unter einem Winkel > 0° verkippt zur ursprünglichen optischen Achse. Dies wird bevorzugt mittels eines reflektierenden oder beugenden optischen Elements (z. B. Spiegel oder Prisma) erreicht, welches in dem Strahlengang des Messstrahls angeordnet ist und den Messstrahl ablenkt. Dieser Ablenkungswinkel liegt bevorzugt zwischen 0,001° und 10°, besonders bevorzugt zwischen 0,1° und 3°. Durch Rotation dieses optischen Elements kann sehr einfach das Erfordernis der Bewegung des Messstrahls erfüllt werden. Beispielsweise würde sich der Messstrahl bei Drehung des Spiegels oder Prismas um die ursprüngliche optische Achse entlang einer Ellipse oder Kreisbahn bewegen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verläuft die abgelenkte optische Achse parallel zur ursprünglichen optischen Achse und ist relativ zu dieser orthogonal verschoben. Dies wird bevorzugt mittels einer durchsichtigen Platte mit zwei planparallelen Flächen (Planplatte) erreicht, welche in dem Strahlengang des Messstrahls angeordnet ist und deren Flächennormale bezüglich der ursprünglichen optischen Achse nicht parallel ausgerichtet ist, sondern zu dieser um einen bestimmten Winkel verkippt ist. Dieser Verkippungswinkel liegt bevorzugt zwischen 0,1° und 45°, besonders bevorzugt zwischen 0,1° und 10°. Diese Ausführungsform ist unabhängig vom Abstand der zu vermessenden Oberfläche. Durch Rotation dieser Planplatte kann sehr einfach das Erfordernis der Bewegung des Messstrahls erfüllt werden. Der Messstrahl bewegt sich in diesem Fall entlang einer Ellipse oder Kreisbahn. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verkippungswinkel der Planplatte so gewählt, dass der (oder ein) Radius dieser Ellipse oder Kreisbahn im Bereich zwischen 0,1 mm bis 10 cm, insbesondere im Bereich zwischen 0,2 mm bis 4 mm, liegt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bewegt sich die Lichtquelle des Interferometers relativ zum Strahlteiler. Das optische Element der Strahlablenkungseinheit wäre somit der Strahlteiler und die für die Bewegung der Lichtquelle sorgende Bewegungseinheit eine Bewegungseinheit der Strahlablenkungseinheit.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Strahlablenkungseinheit relativ zum Verlauf des Messstrahls hinter dem Strahlteiler angeordnet, so dass der Messstrahl nach dem Verlassen des Strahlteilers von dem Strahlablenkungselement abgelenkt wird, insbesondere ohne davor durch ein anderes optisches Element hindurchgegangen zu sein. In dem Falle, dass der Messstrahl durch eine Optik, z. B. eine Kollimationslinse oder Fokussierlinse, läuft, ist es bevorzugt, das Strahlablenkungselement zwischen Strahlteiler und dieser Optik oder hinter dieser Optik zu positionieren.
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Gangunterschiede bezüglich des Messstrahls, die durch eine Bewegung der Strahlablenkungseinheit hervorgerufen werden könnten, können durch eine einfache Testmessung an einem planen Spiegel, der mit dem Neigungswinkel von 0° montiert wurde, erfasst und rechnerisch eliminiert werden. Es ist bei einigen Anwendungen auch bevorzugt, dass die Vorrichtung eine Haltestruktur aufweist, die dazu ausgelegt ist die Vorrichtung relativ zur ursprünglichen optischen Achse um diese um einen vorgegebenen Winkel, vorzugsweise 90° oder 180° zu drehen. Mittels zwei unabhängiger Messungen derselben Oberfläche, bzw. desselben Bereichs der Oberfläche, bei unterschiedlichen Winkeln können Fehler, die durch Gangunterschiede oder thermische Effekte auftreten, leicht kompensiert werden.
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Obwohl die Bewegung des Messstrahls auf einer elliptischen Bahn oder einer Kreisbahn bevorzugt ist, da auf diese Weise eine Bewegung einfach realisiert werden kann und gleichzeitig zwei linear unabhängige Neigungswinkel der zu vermessenden Oberfläche bestimmt werden können, kann der Messstrahl auch je nach Anwendung auf beliebigen Bahnen geführt werden. Für einige Anwendungen ist bevorzugt, den Messstrahl längs einer Geraden zu bewegen (um einen einzigen Neigungswinkel zu bestimmen), längs des Umrisses eines drei- oder Mehrecks oder längs eines Rasters oder Zickzacks. Auch sind Bahnen bevorzugt, die ähnlich einer Spirale den oben genannten Formen folgend kleiner oder größer werdend verlaufen.
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Auch wenn für einige Anwendungen die Aufnahme von drei Messpunkten ausreichend sein kann, ist dennoch bevorzugt, eine große Zahl von Messpunkten während der Bewegung an unterschiedlichen Positionen aufzunehmen. Je mehr Messpunkte aufgenommen werden, desto geringer ist der Messfehler und desto genauer kann der Winkel gemessen werden. Insbesondere bei rauen oder unebenen Oberflächen ist es von Vorteil mehr als 10, insbesondere mehr als 100 oder gar mehr als 1000 Messpunkte aufzunehmen. Mit einer schnellen Datennahme an der Detektoreinheit des Interferometers können sogar mehr als 10000 Datensätze (Messpunkte) aufgenommen werden. Da die Auslese der Detektoren eines Interferometers mit modernen ADCs (Analog-Digital-Converter) oder einfacher Komparatoren schneller als innerhalb einer Mikrosekunde erfolgen kann, selbst bei einer USB-Übertragung der Daten, kann eine große Anzahl von Daten bereits innerhalb einer Sekunde aufgenommen werden, die Bewegung des Messstrahls durch die Bewegungseinheit kann somit vergleichsweise schnell erfolgen. Bevorzugt wird die vorgegebene Bahn (z. B. die Ellipse oder Kreisbahn) innerhalb von höchstens drei Sekunden durchlaufen, bevorzugt innerhalb höchstens einer Sekunde. Dies hat den Vorteil, dass äußere Einflüsse (z. B. Vibrationen, Temperaturunterschiede) nur einen geringen Einfluss auf die Messung haben. Die Bewegungseinheit der Strahlablenkungseinheit und deren optische Elemente sind also insbesondere dazu ausgestaltet, dass der Messstrahl innerhalb dieser Zeit auf seiner Bahn bewegt werden kann.
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Jeder Messpunkt stellt selbstverständlich eine Entfernung dar, da ein Interferometer gerade die Länge des Messstrahls relativ zur Länge des Referenzstrahls misst.
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Aus der Vielzahl der erfassten Entfernungen (Messpunkte) an unterschiedlichen Positionen der oben genannten Bahn kann der Neigungswinkel auf der Oberfläche im Bereich der vorgegebenen Bahn des Messstrahls mittels bekannter Methoden (z. B. Trigonometrie, Mittelwertberechnungen) bestimmt werden. In dem bevorzugten Falle, in dem die Vorrichtung zusätzlich eine Recheneinheit aufweist, insbesondere einen Prozessor/Mikrocontroller und einen elektronischen Speicher, umfasst das Verfahren vorzugsweise auch den Schritt:
- – Berechnung des Neigungswinkels auf der Oberfläche im Bereich der vorgegebenen Bahn des Messstrahls aus den erfassten Entfernungen.
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Bewegt sich der Messstrahl auf einer Kreisbahn mit der Frequenz f und dem Durchmesser D so lassen sich die beiden Neigungswinkel α und φ mit Hilfe einer nicht linearen Sinus-Fit Routine an die gemessenen zeitveränderlichen Weglängen lgemessen(t) wie folgt berechnen: l(t) = dLmax·sin(2·π·f·t – φ) mit α = 2·dLmax/D und Σ(l(t) – l(t)gemessen)2 = Minimum
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Durch die große Zahl der Messpunkte insbesondere bei einer zwei- oder mehrfachen Wiederholung der Bahnbewegung des Messstrahls, erhält man eine sehr hohe Genauigkeit des Ergebnisses bei einem sehr geringen statistischen Fehler. Mit der Annahme eines binomialverteilten Fehlers erhält man beispielsweise bei einer bei Interferometern normalen Messauflösung von Einzelmessungen von 0,1 nm und einer Datennahme von 80.000 Messpunkten pro Durchlauf des Messstrahls längs einer Kreisbahn mit 1 mm Kreisdurchmesser für beide Ebenenwinkel des entsprechenden kreisförmigen Oberflächenbereiches jeweils eine theoretische Genauigkeit Δφ von: Δφ = 0,1 nm/1 mm/sqrt(40.000) = 5·10e-10.
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Die ermittelten Winkel bei dieser Winkelmessung basieren dabei auf einer Absolutmessung des Winkels relativ zur ursprünglichen optischen Achse mit einem einzigen Abtaststrahl.
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Durch die Möglichkeit der einfachen Aufnahme vieler Messpunkte an unterschiedlichen Messpositionen lassen sich auch unebene und raue Oberflächen ohne weiteres vermessen.
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Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Abbildungen dargestellt.
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1 zeigt schematisch ein herkömmliches Interferometer.
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2 und 3 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung in zwei Messpositionen.
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4 stellt die Werte einer Vielzahl von Weglängenmessungen dar, aus denen sich die beiden Neigungswinkel der Messebene relativ zur optischen Achse des Laserstrahls berechnen lassen.
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In 1 ist ein Interferometer dargestellt, mit dem eine Entfernungsmessung möglich ist. Eine Lichtquelle 1, z. B. eine Laserdiode oder ein monofrequenter/schmalbandiger Laser, sendet einen Lichtstrahl aus, dessen Verlauf (optisch Achse des jeweiligen Lichtstrahls) mit schwarzen Linien dargestellt ist. Dieser Lichtstrahl trifft auf einen Strahlteiler 2 und wird dort in Referenzstrahl und Messstrahl aufgespalten. Der Referenzstrahl läuft durch eine Optik wird von einem Referenzspiegel 3 reflektiert, trifft wieder auf den Strahlteiler 2 und wird von diesem durch eine Lochblende 9 und eine kollimierende Optik in eine Detektionseinheit 10 geleitet. Der Messstrahl läuft durch eine Linse 5, trifft auf die zu vermessende Oberfläche 6, wird dort reflektiert, läuft erneut durch die Linse 5 und den halbdurchlässigen Strahlteiler und erreicht nach dem Durchlaufen der Lochblende 9 und der kollimierenden Optik die Detektionseinheit 10, wo er mit dem Referenzstrahl interferiert. Durch Messung der Phasenverschiebung der beiden Strahlen (Messstrahl und Referenzstrahl), z. B. durch Messung der Intensität, kann dann mit bekannten Verfahren die zurückgelegte Weglänge ermittelt werden. In 1 ist die ursprüngliche optische Achse 7 eingezeichnet, an deren Durchdringungspunkt durch die Oberfläche der Abstand der Oberfläche gemessen wird.
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In den 2 und 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. In den Strahlengang des Messstrahles eines Interferometers nach 1 wurde eine Planplatte 4 eingebracht und verkippt zur ursprünglichen optischen Achse 7 ausgerichtet. Durch diese Planplatte 4 wird der ursprüngliche Strahlengang dermaßen abgelenkt, dass die abgelenkte optische Achse 8 zwar parallel zu der ursprünglichen optischen Achse 7 verläuft, zu dieser jedoch lateral orthogonal verschoben ist. Der Messpunkt auf der Oberfläche 6 liegt somit bei dem Durchdringungspunkt der abgelenkten optischen Achse 8 durch die Oberfläche 6. 2 und 3 unterscheiden sich durch die Verkippung der Planplatte 4 und damit der Position der abgelenkten optischen Achse 8 relativ zur ursprünglichen optischen Achse 7. Wird die Planplatte 4 relativ zu der ursprünglichen optischen Achse 7 gedreht, würden 2 und 3 jeweils den Zustand der Planplatte 4 nach einer halben Umdrehung darstellen. Die abgelenkte optischen Achse 8 würde in diesem Falle um die ursprüngliche optische Achse 7 kreisen. Auf der Oberfläche 6 wurde somit der Bereich einer Kreisbahn abgetastet werden, und mit einer schnellen Datenerfassung im Detektor 10 könnte eine Vielzahl von Messwerten bei verschiedenen Positionen auf dieser Kreisbahn aufgenommen werden.
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Die Messwerte einer Messung auf einer rauen Oberfläche sind in 4 als schwarze Punkte dargestellt. Die Basis dieses Diagramms (X- und Y-Achse) stellt die Führung des Messstrahls auf einer Kreisbahn dar. Die Position des Messstrahls wurde für jeden Messwert berechnet und dieser Messwert nun auf der Z-Achse relativ zu der Messposition auf den Achsen X und Y aufgetragen. Deutlich zu erkennen ist die Form eines verkippten Kreises, der durch die Punkte gebildet wird. Die Streuung dieser Punkte resultiert aus Messfehlern, vor allem jedoch aus Unebenheiten auf der rauen Oberfläche. Durch Mittelwertbildung benachbarter Messpunkte wurde eine Ebene berechnet, die ebenfalls zusammen mit der bei der Messung abgefahrenen Kreisbahn in dem Schaubild dargestellt ist. Die Flächennormale dieser Ebene (durchgezogene, schwarze Linie) ist zu der Z-Achse (strichpunktierte, schwarze Linie) um den Winkel α geneigt und um den Winkel φ um die Z-Achse rotiert, wobei hier α und φ die Neigung der Ebene in Form von Polarkoordinaten (Kugelkoordinaten) angeben könnten. Genauso könnten die jeweiligen Neigungswinkel relativ zur X- und Y-Achse, aber auch zu anderen Raumachsen bestimmt werden.