DE19545367C2 - Vorrichtung und Verfahren zur optischen Profilmessung, insbesondere an gekrümmten Objektoberflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur optischen Profilmessung, insbesondere an gekrümmten Objektoberflächen, mit einer Lichtquelle, einer ersten optischen Anordnung zur Erzeugung einer periodischen Helligkeitsverteilung, und einer zweiten optischen Anordnung, einer zu untersuchenden Objekt­ oberfläche sowie einer Empfängereinheit.

Die Gestalt, insbesondere die Form von Oberflächen metallischer Körper oder von Gläsern, kann durch Streifenprojektionsverfahren mit hoher Genauigkeit ver­ messen werden, wenn diese Oberflächen plan oder nur schwach gekrümmt sind. Die für eine hohe Tiefenauflösung, bzw. Genauigkeit benötigte große Streifendichte führt bei der Abbildung des Streifenbildes zu einem begrenzten Tie­ fenschärfebereich. Bei planen Meßobjekten kann die zu ver­ messende Oberfläche durch Justierung problemlos in diesem Tiefenschärfebereich angeordnet werden.

Dagegen führt die Anwendung dieser Meßmethode auf stärker gekrümmte und gut reflektierende Oberflächen wie Sphären, Zylinder oder Asphären zum Versagen dieses Verfahrens. Aufgrund des begrenzten Tiefenschärfebereiches werden nicht alle Teile der Oberfläche scharf abgebildet. Dies stellt ein großes Problem dar. Eine Vergrößerung des Tie­ fenschärfebereiches zum Beispiel durch die Verwendung gröberer Gitter kann den Tiefenmeßbereich zwar vergrößern, führt aber in der Regel zu einer Verringerung der Auf­ lösung, da ein größerer Tiefenschärfebereich - optisch bedingt - mit einer gröberen Streifenstruktur korrespondieren muß. Ein zweites Problem ergibt sich durch den großen Gradienten der Oberfläche, da die an stark geneigten Oberflächen direkt reflektierten Lichtstrahlen nicht mehr vom Abbildungsobjektiv erfaßt werden.

Bei der hochgenauen Messung stärker gekrümmter Oberflächen stellen die in der Offenlegungsschrift DE 44 13 758 A1, "Verfahren und Vorrichtung für die Topographieprüfung von Oberflächen", dargestellten vertikal scannenden Verfahren einen Ausweg dar. Hierbei wird die zu untersuchende Objektoberfläche in mehreren vertikal übereinander liegenden, parallelen Schichten abgetastet. Bei re­ flektierende Oberflächen müssen die Empfängerobjektive jedoch eine dem Gradienten der zu untersuchenden Oberfläche angepaßte Öffnung und numerische Apertur auf­ weisen, um auch die gerichtet reflektierten Strahlen zu erfassen. Dies führt in der Regel zu aufwendigen und kostenintensiven optischem Abbildungssystemen.

Das Lichtschnittmeßgerät der Firma Carl Zeiss Jena, eine Weiterentwicklung des Oberflächenprüfgerätes nach Schmaltz, ermöglicht durch die mikroskopische Projektion einer Lichtkante auf dunklem Grund oder maximal fünf parallelen schwarzen Linien eine Messung der Rauhtiefe. Eine Messung von gekrümmten Profilen ist aufgrund des sehr schmalen Lichtballs des mikroskopisch kleinen Feldes nicht möglich.

Außerdem ist es üblich, die Form und die Rauheit der Oberflächen getrennt zu erfassen. Formmessende Verfahren liefern in der Regel keine Information über die Rauheit der Oberfläche. Es ist bei einem Teil der Meßaufgaben in der Fertigungsmeßtechnik von Vorteil, wenn neben der Formmessung auch eine Information über die Rauheit der Oberfläche gewonnen werden kann. In der Augenheilkunde gelangt bei der optischen Vermessung der Augenlinsen mit Streifenprojektionsverfahren auch ein Teil des Lichtes in das Augeninnere (in: Optical Measurements and Sensors for the Process Industries, SPIE Vol. 2248, S. 10). Deshalb muß die verwendete Lichtintensität begrenzt werden, was bei der Durchführung der Messung zu Problemen führen kann.

Die Vermessung der Kreisformabweichung im Ein­ mikrometerbereich ist bei Zylinderblöcken im Automobilbau ein ungelöstes Problem, da bei den bisher verwendeten Koordinatenmeßmaschinen das Abbé-Prinzip verletzt wird, wodurch die erreichbare Genauigkeit aus prinzipiellen Gründen begrenzt bleiben muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur optischen Profilmessung, insbesondere an gekrümmten Objektoberflächen derart weiterzuentwickeln, daß Profilmessungen mit großem Tiefenschärfebereich insbesondere bei stärker gekrümmten und gut reflektierenden Oberflächen möglich sein sollen. Neben der Formmessung soll auch die Rauheit der Oberfläche erfassbar sein, wobei für das hierfür erforderliche optische Abbildungssystem nur ein geringer apparativer Aufbau notwendig und zudem möglichst kostengünstig sein soll. Schließlich sollte auch die Erfassung der Kreisformabweichung bei Zylinderformen bis in den Mikrometerbereich möglich sein.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 und 16 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur optischen Profilmessung, insbesondere an gekrümmten Objektoberflächen, mit einer Lichtquelle, einer ersten optischen Anordnung, die mit dem Licht der Lichtquelle eine periodischen Helligkeitsverteilung erzeugt, deren größte Schärfe in einer Schnittebene durch das Objekt liegt, welche mit der Objektoberflächennormalen einen Winkel von weniger als 45° einschließt, und einer zweiten optischen Anordnung bereitgestellt, die das aus dem Schnittbereich der Schnittebene mit der Objektoberfläche als Meßbereich reflektierte Licht scharf auf einer Empfängereinheit zur Abbildung bringt.

Ferner ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur optischen Profilmessung, insbesondere an gekrümmten Objektober­ flächen bereitgestellt, bei dem mit dem Licht aus einer Lichtquelle durch eine optische Anordnung eine periodische Helligkeitsverteilung erzeugt wird, und dabei das Licht über eine erste optische Abbildungsstufe, eine zu untersuchende Objektoberfläche und eine zweite optische Abbildungsstufe zu einer Empfängereinheit gelangt, wobei die periodische Helligkeits­ verteilung auf eine Schnittebene durch das zu untersuch­ ende Objekt scharf abgebildet wird, deren Schnittbereich mit der Objektoberfläche den Messbereich der zu untersuchenden Objektoberfläche definiert.

Es gibt Vorschläge zur Erfassung der 3D-Topographie stark gekrümmter Oberflächen mit vertikal scannenden Verfahren (DE 44 13 758 A1), die die zu untersuchende Oberfläche in verschiedenen Ebenen mit hochaperturigen Objektiven ab­ tasten. Diese tiefenscannenden Verfahren liefern die voll­ ständige 3D-Information über das Oberfächenprofil, welches jedoch nicht immer benötigt wird. In der Praxis genügt oft auch schon ein Profilschnitt der Oberfläche. Dies läßt sich mit der erfinderischen Lösung ohne Tiefen­ scannen erreichen. Darüber hinaus kann die benötigte Ab­ bildungsstufe mit einem Objektiv mit vergleichsweise ge­ ringer numerischer Apertur A, beispielsweise mit A = 0,2 und gegebenenfalls mit A = 0,1, realisiert wer­ den. Dies führt bei einem großen Tiefenmeßbereich und einer hohen Genauigkeit zu einer kostengünstigen Lösung.

Im Gegensatz zu den klassischen Streifenprojektionsver­ fahren ist bei dem vorgeschlagenen Verfahren im gesamten Tiefenmeßbereich keine Fokussierung auf die anzumessende Oberfläche notwendig. Demzufolge entfällt der oft zeit­ raubende manuelle oder automatisch durchzuführende Vorgang des Scharfeinstellens. Auch subjektive Einstellfehler werden vollständig vermieden.

Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich durch eine gute Adaptierbarkeit an verschiedene Meßobjekte aus. Der Ein­ satzbereich reicht von sehr rauhen Oberflächen wie grobes Schleifband bis zu spiegelnden Oberflächen. Als Meßobjekte kommen Glasflaschen, aber auch optische Linsen, besonders Zylinderlinsen, in Betracht.

Durch horizontales Scannen ist bei Bedarf eine 3D-Er­ fassung durch das Zusammensetzen von Profilschnitten möglich.

Es kann der Durchmesser, die Zentrierung wie auch die Kreisformabweichung von zylindrischen Körpern bestimmt werden.

Die gleichzeitige Erfassung der Rauheit, Welligkeit und Form einer Oberfläche ist möglich, da die mikroskopischen Eigenschaften der Oberfläche durch makroskopische Effekte wie der Kontrastverlauf einer Streifenstruktur oder die laterale Ausdehnung eines Streifenbandes sichtbar gemacht werden.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung liegt die Idee zugrunde, daß Licht mit einer periodischen Helligkeitsverteilung in einer ausgedehnten Schnittebene des zu untersuchenden Objekts erzeugt, an der Oberfläche reflektiert und mittels reflektiertem Licht ein Teil der Oberfläche scharf auf einen Bildempfänger abgebildet wird. Das Licht kann auf die Oberfläche unter einem großen Winkel zur Oberflächennormalen einfallen, so daß ein streifender Einfall des Lichtes auf die Oberfläche entsteht. Dabei kann die gerichtete Reflexion dominieren.

Dies kann wie folgt realisiert werden: Licht von einer Beleuchtungseinrichtung durchsetzt ein Transmissions­ gitter, wobei aber auch die Reflexion des Lichtes an einem Reflexionsgitter möglich ist. Das Gitter ist dabei vorzug­ sweise ein ebenes Liniengitter. Das Gitter befindet sich in einer Ebene, die eine Neigung zu einer Brennebene eines Abbildungsobjektivs aufweist, vorzugsweise eine Neigung von wenigen Grad. Es folgt die Abbildung des Gitters über eine Abbildungsstufe, bestehend bei­ spielsweise aus einem afokalen Teleskop mit zwei Ob­ jektiven. Es ist je nach Größe des zu vermessenden Objektes eine Vergrößerung, eine 1 : 1-Abbildung oder Verkleinerung des Gitters bei der Abbildung möglich. Das Bild des Gitters entsteht in einer Ebene, die eine Schnittebene des zu vermessenden Objektes dar­ stellt. Die Normale der Objektoberfläche und die Achse der Abbildungsstufe schließen einen großen Winkel, vorzugs­ weise über 60° ein. Dies entspricht einem Winkel zwischen der Ebene mit der größten Schärfe der periodischen Helligkeitsverteilung und der Objektoberflächennormlen von weniger als 30°. Die Schnittlinie zwischen der Objektoberfläche und der Ebene des Gitterbildes stellt die Profillinie des Objektes dar. Die gemeinsame Ebene von Objektschnitt und Gitterbild wird durch eine zweite Abbildungsstufe, beispielsweise bestehend aus einem Teleskop mit zwei Objektiven, auf einen Bildempfänger durch das vorzugsweise direkt reflektiere Licht abge­ bildet. Die Teleskopachse schließt dabei den gleichen Winkel mit der Normalen der Objektoberfläche oder der Normalen einer angrenzendenden Tangentialebene ein wie die erste Teleskopachse. Es ist bei der Abbildung eine Ver­ größerung, eine 1 : 1-Abbildung oder eine Verkleinerung möglich. Auf dem Bildempfänger wird in einem Bereich des Bildfeldes die Gitterstruktur sichtbar. Bei einem planen und spiegelnden Objekt entsteht ein ausgedehntes Gitterbild. Bei einem planen aber optisch rauhen Objekt ist das Gitterbild nur in einem schmalen Band kontrast­ reich zu beobachten. Die Breite dieses Bandes ist von der verwendeten Gitterkonstanten, dem Abbildungsmaßstab der Abbildungsstufen und von der Rauheit der Objektoberfläche abhängig. Eine sehr rauhe Oberfläche liefert ein sehr schmales Band und kein einziger Streifen ist zu be­ obachten. Die Breite des Bandes ist direkt ein Maß für die mittlere Rauheit der Objektoberfläche, wenn diese Oberfläche in ihrem auf den Bildempfänger abgebildeten Ausschnitt durch eine Ebene angenähert werden kann.

Zylinderoberflächen wie auch Kugeloberflächen liefern auf dem Bildempfänger gekrümmte Bänder, die insgesamt mehrere gekrümmte Streifen enthalten können. Eine genaue Auswer­ tung, um die Topographie dieser Oberfläche zu bestimmen, ist möglich, wenn die Linie des Maximums des Streifenkontrastes bestimmt wird. Eine noch größere Ge­ nauigkeit kann erreicht werden, wenn im Maximum des Streifenkontrastes die Phase im Streifenbild bestimmt wird. Es ist möglich, Phase-shift-Methoden anzuwenden, bei denen das Gitter quer zu den Gitterlinien je in einem Bruchteil der Periodenlänge bewegt wird und mehrere Gitterbilder in unterschiedlichen Gitter- oder Phasenlagen miteinander punktweise verrechnet werden. Auch FFT- Methoden sind anwendbar, wobei hier spaltenweise die Phasenlage im Maximum des Streifenkontrastes bestimmt wird.

Bei der Anwendung des Verfahrens für die Zylinder­ formmessung kann wie folgt vorgegangen werden: Es wird das Streifenmuster, welches beispielsweise durch ein auf die Zylinderoberfläche projiziertes Gitter erzeugt wird, in verschiedenen Gitterlagen durch einen Bildempfänger aufge­ nommen. Das Streifenbild steht senkrecht zur Einfallsebene des Lichts und die Streifen stehen im justierten Fall senkrecht zur Oberflächennormale der Zylinderober­ fläche in der Einfallsebene. Aus den aufgenommenen Streifenbildern wird in jedem Bildpunkt der Streifenkontrast berechnet. Nur Bildpunkte mit einem Streifenkontrast oberhalb einer Komparatorschwelle werden weiter verarbeitet. Bei einer Zylinderoberfläche entsteht so ein gekrümmtes Band, welches aus Bildpunkten mit einem Streifenkontrast oberhalb der Komparatorschwelle gebildet wird. Dieses Band entspricht makroskopisch dem Schnitt der Zylinderoberfläche durch eine achssenkrechte Querschnitts­ fläche. In diesem Band sind gekrümmte Streifen enthalten. Die Krümmung der Streifen ist größer als die makroskopische Krümmung des Bandes. In Richtung der Mantellinie des Zylinders tritt bei den im Band be­ findlichen Streifen ein Phasengradient auf, der sich direkt aus der Gitterkonstanten, dem Einfallswinkel und dem Zylinderradius ableitet. Es werden aus den Bildern, beispielsweise vier oder fünf, bildpunktweise die Rohphasen und anschließend die Feinphasen berechnet, also das sogenannte Unwrapping durchgeführt. So entsteht ein Feld von Fein-Phasenwerten. Anschließend wird eine mathematische Operation, ein linearer Fit, durchgeführt, um die räumliche Trägerfrequenz, zu eliminieren. Nach dieser mathematischen Operation gibt es bei einer Zylinderober­ fläche in diesem als schmal angenommenen Band in Richtung der Mantellinie - also senkrecht zu den projizierten Streifen - praktisch keine Phasenvariation mehr. Die nach diesem linearen Fit vorhandenen Geraden gleicher Phase liegen bei einem entsprechend justierten Präzisions­ zylinder parallel zur Mantellinie, wobei der Streifenabstand variiert. Dabei ist die Krümmung des Bandes selbst nicht von Bedeutung, jedoch muß bei dieser Auswertung der Phasenwerte der Krümmung des Bandes gefolgt werden, da nur innerhalb des Bereiches, der durch das Band definiert wurde, eine Profilbestimmung möglich ist. Die Krümmung des Bandes gestattet mit den Geometriedaten und den optischen Daten der Anordnung auch eine grobe Aussage für den Zylinderdurchmesser. Dies entspricht der bekannten Profilmeßtechnik. Es ist jedoch so auch möglich, Unstetig­ keiten in der Oberfläche wie Absätze zu erkennen.

Um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen, kann eine Mit­ telwertbildung der Phasenwerte innerhalb des Bandes in Richtung der ursprünglich aufprojizierten Streifen be­ ziehungsweise in Richtung der Geraden gleicher Phase durchgeführt werden. Im justierten Fall bedeutet dies die Mittelwertbildung der Phasenwerte in Richtung der Mantellinie des Zylinders. Die Form der Zylinderoberfläche wird anschließend ausschließlich in der senkrecht zur Mantellinie der Zylinderoberfläche liegenden Richtung bestimmt, in dem die in dieser Richtung auftretende Phasenvariation vorzeichenrichtig ausgewertet wird und aus diesen Phasenwerten unter Verwendung der effektiven Wellenlänge der Anordnung die Profilwerte bestimmt werden.

Die Breite des Bandes gibt in Abhängikeit von der Gitter­ konstanten der Streifen in der Querschnittsebene und vom Einfallswinkel des Lichts ein Maß für die mittlere Rauheit der Objektoberfläche. Je schmaler das Band, desto rauher ist für eine gegebene Gitterkonstante die Oberfläche.

Die Gitterlinien können in verschiedener Richtung ange­ ordnet werden. Vorteilhaft ist es, die Gitterlinien sen­ krecht zur Einfallsebene anzuordnen. Aber auch gekrümmte Linien sind denkbar, die bei einem Meßobjekt mit bekanntem Krümmungsradius Linien mit gleicher Krümmung wie das Band, in welchem die Streifenstruktur sichtbar ist, liefern. Wenn die Linien parallel zur Einfallsebene angeordnet sind, ist zwar ein Band zu beobachten, jedoch gibt es kei­ ne in Abhängigkeit vom Profil der Oberfläche zu be­ obachtende Auslenkung der Streifen im Streifenbild.

Es ist aber auch möglich, daß ein Gitter mit sehr feinen Linien verwendet wird und die Linien nur einen kleinen Winkel mit der Einfallsebene einschließen. In diesem Fall folgt der zweiten Abbildungsstufe in der zum Gitter konjugierten Ebene ein zweites Gitter, ebenfalls mit einer feinen Gitterstruktur und in der Liniendichte und Linienrichtung mit dem Gitterbild übereinstimmend. Es entstehen Moiré-Streifen, deren Dichte sich entsprechend der Objektkrümmung im gekrümmten Band ändert. Hier ent­ spricht die Zahl der Moiré-Streifen der Abweichung von der angrenzenden Ebene und kann somit zur Bestimmung der Krümmung des Objektes verwendet werden.

Außerdem kann monochromatisches Licht in ein Lateral- Shear-Interferometer eintreten, wodurch zwei lateral ge­ trennte Lichtbündel entstehen, die durch ein Objektiv fokussiert werden, wobei je nach Wellenlänge, lateraler Trennung der Lichtbündel und Brennweite ein mehr oder weniger dichtes Interferenzstreifenbild in der Brennebene des Objektives entsteht. Die laterale Shear liegt in der Einfallsebene in Richtung der Oberflächennormale der anzu­ messenden Objektoberfläche. Die Objektivachse steht dabei parallel zur Objektoberfläche bzw. zu einem Ausschnitt dieser und kann z. B. bei einem Zylinderstück mit der Mantellinie derselben zusammmenfallen. Die Lichtbündel treten bei der Objektbeleuchtung im Teil des Objek­ tives oberhalb der Mantellinie aus und gelangen vorzugs­ weise streifend auf die Objektoberfläche und werden dort direkt reflektiert. Ein zweites Objektiv in gleicher Achsenlage wie das erste und mit konjugierten Brennebenen mit einem nachgeschalteten Lateral-Shear-Interferometer eliminiert die Lateral-Shear zwischen den Bündeln. Ein nachfolgendes Objekiv bildet die Ebene, in der das Interferenzstreifenbild und auch die Profillinie der Oberfläche entstehen, scharf auf einen Bildempfänger oder mehrere CCD-Zeilen ab. Auf dem Empfänger entstehen in einem Band, je nach der Oberflächenform des Meßobjektes, geradlinige oder auch gekrümmte Streifen. Bei einer planen Oberfläche sind auch null Streifen möglich. Wenn der Be­ trag der lateralen Shear nicht zu null gemacht ist, können auch mehrere Streifen eingestellt werden, um auch ein Streifenauswerteverfahren anwenden zu können.

Bei einem polierten Präzisionszylinder können durch die Eliminierung der lateralen Shear zwischen den Bündeln auf dem Bildempfänger parallele Streifen entstehen, deren Dichte sich entsprechend der Krümmung der Zylinderoberfläche ändert, wobei bei entsprechend geringer Rauheit des Zylinders ein so breites Band entsteht, daß ein großer Teil des Bandes im Empfängerfeld sogar mit einer einzigen CCD-Zeile überdeckt werden kann, wodurch eine besonders schnelle Auswertung möglich ist. Es kann die Phase-Shift-Methode angewendet werden, wenn durch eine Änderung des optischen Gangunterschiedes in einem Arm eines Lateral-Shear-Interferometers eine Phasenverschiebung erfolgt. Dabei ist es prinzipiell gleichgültig, ob die Änderung des optischen Gangunterschiedes im ersten oder im zweiten Lateral-Shear- Interferometer erfolgt. Mit einem Lateral-Shear-Inter­ ferometer läßt sich eine besonders hohe Variabilität bei der Einstellung der Streifendichte und damit der Empfindlichkeit erreichen. Bei einer großen Lateral-Shear zwischen den Bündeln ergibt sich eine besonders hohe Empfindlichkeit der Meßanordnung aufgrund der dichten Streifenstruktur.

Die am Ausgang des Lateral-Shear-Interferometer entste­ henden Interferenzstreifen können durch die Einstellung eines von null verschiedenen optischen Gangunterschiedes in ihrer Krümmung beeinflußt werden. Es kann für jeden Durchmesser eines Zylinders ein optischer Gangunterschied eingestellt werden, so daß sich in der Draufsicht auf die Mantelfläche des Zylinders am Ort der Brennebene des fokussierenden Objektivs ein oder mehrere gerade Streifen ergeben. Die an der Zylinderoberfläche reflektierten Lichtstrahlen können über ein afokales Teleskop auf einen nachgeordneten Bildempfänger gelangen. Es ist aber auch möglich, daß anstelle des Bildempfängers ein an die Streifendichte angepaßtes Liniengitter mit einer nachge­ ordneten Abbildungsstufe mit Bildempfänger angeordnet ist.

Aufgrund des vorzugsweise streifenden Einfalls auf ge­ krümmte Oberflächen wird der Oberflächengradient bei der Ablenkung der reflektierten Lichtstrahlen nicht so wirksam wie beim senkrechtem Einfall der Lichtstrahlen. Das Licht­ bündel öffnet sich so nur etwas und das dem Objekt nachge­ ordnete Objektiv kann eine im Vergleich zum senkrechten Beleuchtungsfall vergleichsweise kleine Öffnung aufweisen.

Bei der Zylindermessung ist es grundsätzlich möglich, daß die Achse des Zylinders mit der optischen Achse wenigstens eines Objektivs der Teleskope zusammenfällt. Dies ist die Voraussetzung dafür, daß in einer Messung der gesamte Umfang des Zylinders erfaßt werden kann.

Eine einfache Lösung, die für vorzugsweise ebene Profile geeignet ist, ergibt sich, wenn anstelle eines Teleskopes dem Gitter mit Lichtquelle nur ein Objektiv zugeordnet wird, und das Gitter in eine Ebene abgebildet wird, die senkrecht zur Oberfläche angeordnet ist und so mit einer Querschnittsebene bzw. Querschnittsfläche des Objekts zusammenfällt. Es ist eine 1 : 1-Abbildung oder auch eine vergrößernde oder verkleinernde Abbildung auf den Bild­ empfänger möglich. In der gitterseitigen Fokalebene des Abbildungsobjektivs befindet sich eine Spaltblende, die außeraxial angeordnet ist. Die an der Schnittlinie, zwischen der Objektoberfläche und der Ebene, in der das Gitter scharf abgebildet wird, unter einem Winkel von beispielsweise 80° reflektierten Lichtstrahlen werden durch ein zweites Objektiv erfaßt und scharf auf einen Bildempfänger abgebildet, wobei eine Blende in der empfängerseitigen Fokalebene die Hälfte der Brennebene abdeckt. Dadurch wird erreicht, daß nur an der Objektoberfläche reflektierte Strahlen zur Abbildung zuge­ lassen werden. Die nicht reflektierten Strahlen werden an der Blende gesperrt. In der Empfängerebene entsteht das Streifenband, welches die Schnittlinie der Oberfläche enthält. Das erste und das zweite Objektiv sind vorzugs­ weise koaxial zueinander angeordnet.

Die Gitterkonstante im Bild in der Meßebene (Querschnittsfläche des Objektes) sollte bei der Form- oder Makroprofilmessung etwa den 30-100 fachen Betrag des Ra- Wertes der Oberfläche aufweisen. In diesem Fall entsteht das Streifenbild mit geschlossenen Streifen, welches bezüglich der Ordnung der Streifen eindeutig auswertbar ist.

Es ist möglich, daß das Liniengitter ein elektroptisches Gitter darstellt, dessen Gitterkonstante rechnergesteuert an die Sollgeometrie der Oberflächengestalt angepaßt werden kann.

Andererseits kann anstelle des Liniengitters auch ein steuerbares Punktlichtquellen-Array verwendet werden, wenn anstelle eines gesamten Profilschnittes nur an wenigen Punkten einer Objektoberfläche das Profil gemessen werden soll. Dies ist beim Messen der Dicke von Leiterbahnen auf einer Leiterplatte der Fall.

Die Breite des Streifenbandes, welche sich nach der Be­ rechnung der Modulation, beziehungsweise des Streifenkontrastes ergibt, beinhaltet die Information über die Rauheit der Objektoberfläche. Je größer die Breite dieses Streifenbandes, umso geringer ist die Rauheit der Objektoberfläche.

Die Erfindung wird ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a, b, c, d Meßanordnung zur Erfassung der Kreisformabweichung an einem Zylinder,

Fig. 2 Hochgenaue Meßanordnung zur Erfassung der Kreisformabweichung an einem Zylinder,

Fig. 3 Meßanordnung zur Profilbestimmung an einer Blechoberfläche,

Fig. 4a, b, c, d Meßanordnung zur Messung der Kreisformabweichung und die Durchmesserbestimmung an einem Kugellager und

Fig. 5a, b, c Meßanordnung zur Vermessung von Zylinderbohrungen in Motorblöcken.

Die Fig. 1a, 1b, 1c und 1d zeigen ein Beispiel für die Messung der Kreisformabweichung an einem Zylinder.

Im Bild 1a durchsetzt ein von einer Lichtquelle 1 ausge­ hendes Lichtbündel ein um etwa 10° schräg gestelltes Linear-Transmissionsgitter (G) 2, welches durch ein Te­ leskop TEL 1, bestehend aus den Objektiven 3 und 4, vergrößert abgebildet wird. Der Brennpunkt des Objektivs 3 F1 liegt dabei in der Gitterebene. Das Bild des Gitters (G) 2 entsteht in einer Schnittebene des Objektes 5 als G', wobei die Lichtstrahlen an der Objektoberfläche in der Schnittlinie zwischen dem Gitterbild G' und der Objektoberfläche des Objektes 5 reflektiert werden. Der Punkt A auf dem Gitter G wird scharf als A' in die Ebene des Gitterbildes G' ab­ gebildet. Die am Objekt 5 reflektierten Lichtstrahlen werden durch ein Teleskop TEL 2, bestehend aus den Objektiven 6 und 7, erfaßt. Der dem Objekt 5 zugekehrte Brennpunkt F3 des Objektives 6 liegt in der Ebene des Gitterbildes G' und die Ebene des Gitterbild G' wird durch das Teleskop TEL 2 auf eine CCD-Matrix 8 abgebildet. Die Empfängerfläche der CCD-Matrix ist ebenfalls gegenüber der optischen Achse des Teleskopes TEL 2 gekippt, so daß die Gitterbildebene G' und die Empfängerfläche der CCD-Matrix optisch konjugiert sind. Auf der Zylinderoberfläche ent­ stehen gekrümmte Streifen, die jedoch nur im Bereich der Ebene des Gitterbildes G' scharf abgebildet werden. Fig. 1b zeigt ein Streifenbild in Draufsicht auf den Zylinder. Der Bereich, in welchem die Streifen sichtbar sind, ist in Fig. 1b durch die beiden parallelen gestrichenen Linien gekennzeichnet. Die Fig. 1c stellt das Streifenbild auf der CCD-Matrixkamera dar. In der Empfängerfläche der CCD-Matrix entsteht nun ein gekrümmtes Band mit Streifen. Durch die Bewegung des Gitters 2 mit einem hier nicht dargestelltem PC-gesteuerten Piezo-Stel­ ler wird die Phasenlage der Streifen im Streifenbild verändert, z. B. um mehrere Viertel Streifen gestellt. So werden 4 oder 5 Streifenbilder durch die CCD-Matrixkamera in unterschiedlicher Phasenlage aufgenommen und nach dem Phase-shift-Verfahren ausgewertet. Die Empfindlichkeit der Meßanordnung, das ist der zu einem Streifenabstand ge­ hörende Höhenwert in Mikrometern auf dem Objekt, kann aus der Gitterkonstanten des Gitters 2, dem Abbildungsmaßstab der Teleskope und dem mittleren Einfallswinkel des Licht­ bündels auf das Objekt 5 berechnet werden. Vorteilhaft ist, mit einem Objekt bekannter Krümmung die Empfindlich­ keit experimentell zu bestimmen oder die errechnete Empfindlichkeit zu überprüfen. In der Fig. 1d sind die nach einem linearen Fit vorhandenen Geraden gleicher Phase dargestellt, aus welchen die Formabweichung bei bekannter Gitterkonstanten berechnet werden kann.

Die Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die hochgenaue Messung der Kreisformabweichung an einem Zylinder.

Licht einer ausgedehnten monochromatischen Lichtquelle 1 gelangt auf eine Teilerfläche 9, wo ein reflektiertes und ein hindurchgelassenes Lichtbündel entstehen. Das re­ flektierte und das hindurchgelassene Lichtbündel erfahren an je einem Tripelreflektor 10 bzw. 11 je eine Reflexion mit einem lateralen Versatz, wobei beim Auftreffen auf die Teilerfläche 9 nun das zuerst reflektierte Bündel eine Transmission und das zuerst hindurchgelassene Bündel eine Reflexion erfahren. Ein Objektiv 4 erzeugt in seiner Brennebene mit dem Brennpunkt F1' Shearstreifen. Die Dichte der Shearstreifen am Ausgang dieses Lateral-Shear- Interferometers mit dem optischen Gangunterschied null in der Achse des Objektivs 4 ergibt sich aus dem lateralen Versatz der beiden auf das Objektiv 4 treffenden kohären­ ten Lichtbündel und der Brennweite des Objektivs 4. Die beiden Lichtbündel werden am Objekt 5 reflektiert und ge­ langen nach dem Passieren des Objektivs 6 in ein zweites Lateral-Shear-Interferometer, welches aus der Teilerfläche 12 und den beiden Tripelreflektoren 13 und 14 besteht. Die beiden Tripelreflektoren 13 und 14 sind so angeordnet, daß der laterale Versatz der beiden Bündelachsen zu null ge­ macht wird und der optische Gangunterschied ebenfalls gegen null geht. Für jedes Bündel erfolgt wieder genau eine Reflexion und genau eine Transmission an der Teller­ fläche 12. Weitere entstehende Bündel werden durch eine Schwarzblende 15 gesperrt. Die beiden Bündel verlassen das zweite Lateral-Shear-Interferometer und werden durch das Objektiv 7 auf den Bildempfänger 8 fokussiert. Es entste­ hen auf dem Bildempfänger 8 Streifen, die zum Rand des Bildempfängers 8 in der Dichte zunehmen. Durch die Aus­ zählung kann im einfachsten Fall die Krümmung des Zylinders bestimmt werden. Wesentlich genauer ist jedoch die bekannte Phase-shift-Methode. Hierbei wird an einem der vier Tripelreflektoren 10, 11, 13 oder 14, beispielsweise am Tripelreflektor 11, durch einen hier nicht dargestellten Piezo-Steller eine steuerbare Änderung des optischen Gangunterschiedes in einem der beiden Lateral- Shear-Interferometer erzeugt. Die Auswertung ermöglicht neben der Bestimmung des Makroprofils auch die Erfassung des Mikroprofils des Objektes 5. Dies ist durch die Aus­ wertung der Breite des Streifenbandes möglich. Das Kalibrieren der Anordnung für die Messung des Mikroprofils erfolgt über Referenzoberflächen mit bekanntem Mikroprofil.

Die Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die Messung des Profils an einer Blechoberfläche.

Das von einer Lichtquelle 1 ausgehende Lichtbündel durch­ setzt ein Linear-Transmissionsgitter (G) 2 und wird durch eine Blende 16 begrenzt. Das Gitter wird durch ein Objektiv 17 in die Gitterebene G' mit dem Abbildungsmaß­ stab 1 : 1 abgebildet. Die Gitterebene G' schneidet das Objekt 5 etwa senkrecht. Dieses Objekt stellt hier eine Blechoberfläche dar. Im Bereich der Schärfentiefe entste­ hen auf dem Objekt 5 Streifen, die durch das Objektiv 18 auf eine CCD-Matrix 8 abgebildet werden. In der Empfängerfläche der CCD-Matrix entsteht nun ein Band mit Streifen. Durch die Bewegung des Gitters 2 mit einem hier nicht dargestelltem PC-gesteuerten Piezo-Steller wird die Phasenlage der Streifen im Streifenbild verändert, z. B. um mehrere Viertel Streifen gestellt. So werden 4 oder 5 Streifenbilder durch die CCD-Matrixkamera in unter­ schiedlicher Phasenlage aufgenommen und nach dem Phase- shift-Verfahrens ausgewertet. Die Empfindlichkeit der Meßanordnung, das ist der zu einem Streifenabstand ge­ hörende Höhenwert in Mikrometern auf dem Objekt, kann wieder aus der Gitterkonstanten des Gitters 2 und dem mittleren Einfallswinkel des Lichtbündels auf das Objekt 5 berechnet werden. Vorteilhaft ist, mit einem Objekt mit einer bekannten Höhenstufe die Empfindlichkeit experimentell zu bestimmen oder die errechnete Empfindlichkeit zu überprüfen.

Durch Drehung der gesamten Meßanordnung um die gemeinsame optische Achse der beiden Objektive 17 und 18 kann die Meßanordnung stets so ausgerichtet werden, daß auch bei einer gekrümmten Oberfläche des Objektes 5 die Oberflächennormale etwa in der Ebene liegt, wel­ he die Achse des einfallenden und die Achse des re­ flektierten Bündels aufspannen. Durch eine translatorische Nachführung der Meßanordnung kann so beispielsweise bei einem Karosserieblech auch eine sehr stark gekrümmte Oberfläche optisch in ihrem Makro- und Mikroprofil erfaßt werden.

Die Fig. 4a bis 4d zeigen ein Beispiel für die Messung der Kreisformabweichung und die Durchmesserbestimmung an einem Kugellagerring.

Das von einer flächig strahlenden Lichtquelle 1 ausgehende Lichtbündel durchsetzt das Gitter 2. Dieses Lichtbündel wird vom Objektiv 3 erfaßt, welches mit dem Objektiv 4 ein Teleskop TEL 1 bildet. In der gemeinsamen Brennebene des Teleskopes TEL 1 ist eine Ringspaltblende 20 angeordnet. Das Bild des Gitters 2 entsteht in der Brennebene F2' und schneidet dabei die Innenfläche eines Objektes 21, hier ein Kugellagerring. Dabei werden die Lichtstrahlen an der Innenfläche fast streifend reflektiert, wobei in einem sehr begrenzten Bereich um die Schnittlinie der In­ nenfläche mit der Gitterbildebene G' die Gitterstruktur auf der Innenfläche eines Objektes 21 scharf abgebildet wird. Das reflektierte Licht wird über ein zweites Te­ leskop TEL 2, bestehend aus den Objektiven 6 und 7, auf einen Bildempfänger 8 abgebildet. Die ringförmige Spaltblende 22 ist so dimensioniert, daß nur an der In­ nenfläche des Objektes 21 reflektierte Strahlen das Te­ leskop TEL 2 passieren können. Es entsteht nur in einer sehr schmalen Kreisringfläche auf der CCD-Matrix ein Bild mit Streifen. Bei einem Gitter mit konzentrischen Gitterlinien (Fig. 4b) folgen der oder die Streifen bis auf durch Kreisformfehler und Exzentrizität verursachte Einflüsse der Kreisringfläche. Es wird die Lage des Intensitätsmaximums eines Streifens ausgewertet.

Es ist aber auch möglich, daß anstelle des Bildempfängers 8 ein zweites Gitter in der Art des Gitters in Fig. 4c angeordnet ist und die Abbildung auf den Bildempfänger 8 über eine weitere, hier nicht dargestellte Abbildungsstufe erfolgt. In diesem Fall entsteht kein hochfrequentes Gitterbild auf dem Bildempfänger 8, sondern das in Fig. 4d dargestellte Schwebungsbild, in welchem die Information über das Mikro- und das Makroprofil enthalten ist. Die Anwendung des Phase-shift-Verfahren erfolgt durch die Drehung eines der beiden Gitter. Dabei erfolgt die Drehung so, daß die Phasenveränderung in den Pixeln auf dem Bild­ empfänger 8 jeweils 90° beträgt.

Die Fig. 5a bis 5c zeigen eine Variante für das hochge­ naue Vermessen von Zylinderbohrungen in Motorblöcken. In diesem Fall gibt es nur eine Öffnung im Objekt.

Das von einer Lichtquelle 1 ausgehende Lichtbündel durch­ setzt das Gitter 2 und passiert das Objektiv 3, dem in seiner Brennebene eine Ringspaltblende 20 nachgeordnet ist. Das fokussierte Lichtbündel durchsetzt einen Strahlenteilerwürfel 21, der dem Objektiv 4 vorgeordnet ist, welches mit dem Objektiv 3 das Teleskop TEL 1 bildet. Dieses Teleskop TEL 1 bildet das Gitter 2 als Bild G' im Innenraum einer Zylinderbohrung 22 ab. An der Schnittlinie zwischen der Zylinderbohrung 22 und der Bildebene G' werden einige Lichtstrahlen reflektiert, anschließend noch einmal an der Spiegelfläche 23 reflektiert und am Strahlenteiler 21 aus dem Eingangsstrahlengang ausge­ koppelt. Das Teleskop TEL 2, bestehend aus den Objektiven 4 und 7, bildet das Gitterbild scharf auf das Gitter 24 ab. Das Gitter 2 und das Gitter 24 sind streng geometrisch ähnlich und sind so aufeinander abgebildet, daß das Bild von Gitter 2 mit dem Gitter 24 übereinstimmt. Die Gitter 2 und 24 sind als geometrische Überlagerung eines konzen­ trischen Gitters mit einem Radialgitter generiert, wobei das Radialgitter eine höhere Streifendichte aufweist, siehe Fig. 5b. Das Gitter 24 wird durch das Teleskop TEL 3, bestehend aus den Objektiven 25 und 27 und der Ringblende 26 auf die CCD-Matrix 8 abgebildet. Durch die Kopplung des Gitters 2 mit einem hier nicht dargestellten Mikrorotator, dessen Drehachse mit dem Gitterzentrum über­ einstimmt, kann in dem kreisringförmigen Band, siehe Fig. 5c, die Phase definiert verstellt werden. Damit kann durch die Auswertung der Phasenlage im Kreisring die Kreisformabweichung hochgenau bestimmt werden. Bei einer CCD-Matrix mit 5000 × 5000 Pixeln oder einer Zeilenkamera mit 5000 Pixeln kann bei einer Phasenauswertung von 2 Pi/100 die Kreisformabweichung bei fein- oder feinstbearbeiteten Innenzylindern von 50 mm Durchmesser mit einer Meßun­ sicherheit von 1 µm bestimmt werden. Dabei beträgt die durchschnittliche Breite des kreisförmigen Bandes, in welchem das Licht bei der Phasenverschiebung eine Modulation aufweist, nur wenige Pixel.

Der gesamte optische Aufbau muß aus verzeichnisarm abbil­ denden optischen Systemen bestehen, die zueinander sehr gut justiert sind. Über die Verwendung von Eichzylindern ist auch eine Absolutmessung der Durchmesser möglich.

Claims (20)

1. Vorrichtung zur optischen Profilmessung, insbesondere an gekrümmten Objektoberflächen, mit

• - einer Lichtquelle,
• - einer ersten optischen Anordnung, die mit dem Licht der Lichtquelle eine periodische Helligkeitsverteilung erzeugt, deren größte Schärfe in einer Schnittebene durch das Objekt liegt, welche mit der Objektoberflächennormalen einen Winkel von weniger als 45° einschließt, und
• - einer zweiten optischen Anordnung, die das aus dem Schnitt­ bereich der Schnittebene mit der Objektoberfläche als Meßbereich reflektierte Licht scharf auf einer Empfänger­ einheit zur Abbildung bringt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste optische Anordnung zur Erzeugung einer periodischen Helligkeitsverteilung ein Transmissionsgitter aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Transmissionsgitter gegenüber der optischen Achse der ersten optischen Abbildungsstufe geneigt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste optische Anordnung zur Erzeugung einer periodischen Helligkeitsverteilung ein Reflexionsgitter aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse der ersten optischen Anordnung einen Winkel von etwa 60° mit der Ebene der größten Schärfe der Helligkeitsverteilung einschließt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Element der optischen Anordnung zur Erzeugung einer periodischen Hellig­ keitsverteilung - beispielsweise ein Gitter - relativ zum Licht der Lichtquelle bewegbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder zweite optische Anordnung eine Teleskopanordnung aufweisen/­ aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder zweite optische Anordnung eine afokale Teleskopanordnung aufweisen/aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennebenen beider Teleskope auf der zu untersuchenden Objektoberfläche zusammenfallen, dem zweiten Teleskop ein Lateral-Shear- Interferometer oder ein zweites Gitter nachgeordnet ist und die beiden Teleskope eine gemeinsame optische Achse aufweisen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung eines Zylinders die Achse des Zylinders mit der optischen Achse wenigstens eines Objektivs der Teleskope zusammenfällt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zylindermessung zwei Gitter derart im Strahlengang angeordnet sind, daß das Bild des einen Gitters mit dem Bild des anderen Gitters übereinstimmt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß beide Gitter als ge­ ometrische Überlagerung eines konzentrischen Gitters mit einem Radialgitter gebildet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Radialgitter eine höhere Streifendichte aufweist als das konzentrische Gitter.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste optische Anordung zur Erzeugung einer periodischen Helligkeitsverteilung ein Lateral-Shear-Interferometer aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Meßbereich reflektierte Licht zu einem weiteren Lateral- Shear-Interferometer gelangt.

16. Verfahren zur optischen Profilmessung, insbesondere an gekrümmten Objektoberflächen, bei dem mit dem Licht aus einer Lichtquelle durch eine optische Anordnung eine periodische Helligkeitsverteilung erzeugt wird, und dabei das Licht über eine erste optische Abbildungsstufe, eine zu untersuchende Objektoberfläche und über eine zweite optische Abbildungsstufe zu einer Empfängereinheit gelangt, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Helligkeits­ verteilung auf eine Schnittebene durch das zu unter­ suchende Objekt scharf abgebildet wird, deren Schnittbe­ reich mit der Objektoberfläche den Messbereich auf der zu untersuchenden Objektoberfläche definiert.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur optischen Profilmessung an Zylinderoberflächen ein Streifenbild im Messbereich scharf erzeugt wird, dessen Streifen senkrecht zur Einfallsebene der auf die Zylinderoberfläche einfallenden Lichtstrahlen stehen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem auf der Zylinderoberfläche entstehenden Streifenkontrastbild Rohphasen und Fein-Phasen berechnet werden und zur Eliminierung einer räumlichen Trägerfrequenz ein linearer Ausgleich der Phasenwerte in Richtung der Mantellinie durchgeführt wird und anschließend in diesem berechneten Phasenfeld die Phasenwerte für die Zylinderformmessung in einer sen­ krecht zur Mantellinie liegenden Richtung innerhalb eines Bandes mit kontrastreichen Streifen bestimmt werden.

19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die scharf auf der Objektoberfläche abgebildete periodische Helligkeitsverteilung eine Interferenz ist, die durch Überlagerung zweier Lichtbündel mit Lateral-Shear erzeugt wird und die nach der Reflexion im Meßbereich durch eine zweite Lateral-Shear-Interferenz verkleinert oder zu Null gemacht wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht streifend auf der Objektoberfläche auftrifft.