DE3428593A1 - Optisches oberflaechenmessgeraet - Google Patents

Description

ISTITUTO NAZIONALE
DI OTTICA

Optisches Oberflächenmeßgerät

Die Erfindung betrifft ein optisches Oberflächenmeßgerät (Profilometer) der im Gattungsbegriff des Patentanspruch 1 beschriebenen Art.

Mechanische Oberflächen sind außer durch ihre makroskopische Gestalt durch den Endbearbeitungszustand charakterisiert, der durch Rauheitswerte (Feinbearbeitung) angegeben wird. Viele der funktioneilen Eigenschaften des Fertigteils hängen mit dieser Feinbearbeitung zusammen. Sie wird durch eine Reihe von Parametern ausgedrückt, beispielsweise durch R , rms, die Autokorrela-

et

tionsfunktion, das Fourierspektrum und andere. Diese Werte lassen sich durch integrierte Messungen auf Oberflächenbereichen ermitteln oder aus der Kenntnis der dreidimensionalen Topographie der Oberfläche herleiten.

Die zur Rekonstruktion der dreidimensionalen Topographie verwendeten Geräte erfassen die Oberfläche in Wirklichkeit längs linearer Abschnitte und liefern so ein Höhenprofil, aus welchem die gewünschten Parameter auf der Basis statistischer Kriterien extrapoliert werden können. Das wahre dreidimensionale Profil erhält man durch Abtastungen längs paralleler Abschnitte. Die zu diesem Zweck verwendeten verschiedenen Geräte sind prinzipiell durch die Empfindlichkeit, die laterale

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Auflösung und das Meßintervall gekennzeichnet.

Das bei mechanischen Anwendungen interessierende Meßintervall reicht üblicherweise von Bruchteilen eines Mikron bis zu einigen Dutzend Mikron.

Neben Geräten, die von der Moire-Technik oder der Projektion von Fransen oder Linien Gebrauch machen und die Oberflächenmessungen bis zu einer G.renze ausführen, die unter einigen Mikron liegt, existieren für den Bereich, der mechanisch von Interesse ist, zwei Gerätefamilien, nämlich die mit Abtastnadeln arbeitenden Geräte und die optischen Profilometer.

Die mit Abtastnadel arbeitenden Geräte sind sehr verbreitet. Ihre vertikale Auflösung liegt in der Größenordnung von etwa 10 8, während die laterale Auflösung bei einigen Mikron liegt.

Optische Oberflächenmeßgeräte (Profilometer) sind Vorrichtungen zur berührungslosen Messung. Die erzielbare Auflösung beträgt vertikal Bruchteile eines Mikron und in lateraler Richtung etwa ein Mikron. Es sind auch hochgezüchtete optische (Uberlagerungs- und interferometrische) Profilometer mit höherer Auflösung bekannt (Sommargren, Wyant, Bennett).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Oberflächenmeßgerät zu schaffen , das besonders einfach ist, zuverlässig und genau arbeitet und eine hohe Auflösung besitzt; das Gerät, bei dem es sich um eine be-

rührungslos arbeitende Vorrichtung handelt, soll für die Zusammenarbeit mit einer Bearbeitungsmaschine geeignet sein und Höheninformationen praktisch in Echtzeit liefern können; dabei soll die vertikale Empfindlichkeit an diejenige von interferometrischen Geräten heranreichen, während die laterale Empfindlchkeit bei etwa 1 Mikron liegen soll.

Ausgehend von einem Optischen Oberflächenmeßgerät für die Prüfung mechanischer Oberflächen mit einem Lichtstrahlenbündel, das auf das zu prüfende Muster konzentriert, sodann regeneriert und mittels Reflexion durch einen Separator zu einem Empfänger umgelenkt wird, wird diese Aufgabe dadurch gelöst,

daß das Lichtstrahlenbündel ein polychromatisches Strahlenbündel ist,

daß das auf die Oberfläche auftreffende Lichtstrahlenbündel mittels einer Longitudinal-Dispersionseinrichtung in longitudinaler Richtung zerlegt wird

und daß das regenerierte Strahlenbündel von einer Winkel-Dispersionseinrichtung zerlegt und so von dem Empfänger aufgenommen wird.

Der Empfänger ist vorzugsweise von einer Fotodiodenreihe oder -matrix gebildet, die einer elektronischen Erfassungseinrichtung zugeordnet ist.

Die Komponenten können mit Ausnahme des einer Relativbewegung unterworfenen Prüfmusters stationär angeordnet sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt die Lichtquelle einen Schlitz, und der Empfänger ist von einer Fotodiodenmatrix zur dreidimensionalen Erfassung gebildet.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der.Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Profilometers,

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Profilometers gemäß der Erfindung.

Das Funktionsprinzip eines herkömmlichen Profilometers ist in Fig. 1 veranschaulicht: Mit 1 ist eine monochro-

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matische Lichtquelle bezeichnet, deren Strahlen gebündelt sind und somit parallel verlaufen. Die Strahlen treffen auf einen Separator 3 und gelangen durch diesen zu einem ersten Objektiv 5. Dieses konzentriert das Licht auf die Oberfläche des Prüfmusters 7. Das Objektiv 5 ist in Richtung des Pfeiles verschiebbar. Das reflektierte Licht dringt wieder durch das Objektiv 5, wird von dem Separator 7 zu einem zweiten Objektiv 9 umgelenkt und durch dieses auf eine vor einem Empfänger 13 angeordnete Blende 11 konzentriert.

Das Signal des Empfängers 13 besitzt ein Maximum, wenn die Oberfläche des Musters sich in der Fokussierungsebene des Objektivs 5 befindet. Das dargestellte Konzept basiert - wie erwähnt-auf einer herkömmlichen Lösung, bei der das Objektiv 5 in axialer Richtung oszilliert und das Signal phasenrichtig aufgenommen wird.

Bei dem Gerät gemäß der Erfindung findet ein ähnliches Schema Anwendung, wobei gleichzeitig eine Folge von in Wellenlängen kodierten Fokussierungspunkten in Achsenrichtung verwendet wird. Dies ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Folge verschiedener Fokussierungspunkte in longitudinaler Richtung ergibt sich durch die Verwendung von polychromatischem statt monochromatischem Licht. Alle Komponenten mit Ausnahme des zu prüfenden Musters sind stationär. In axialer Richtung bilden sich mehrere Fokussierungspunkte, die in umkehrbar eindeutiger Relation zu einer Wellenlänge-stehen. Die entsprechenden Signale werden sodann unter Ausnutzung der Eigenschaften der verschiedenen Wellenlängen in lateraler Zerlegung auf einen von einer Fotodiodenreihe gebildeten Empfänger gegeben. Die sequentielle Abtastung der Fotodioden liefert ein Maximum, das der Position der Oberfläche des Prüfmusters relativ zu dem Objektiv entspricht.

In Fig. 2 ist ein Funktionsschema des Geräts gemäß der

Erfindung dargestellt. Mit 21 ist eine polychromatische Lichtquelle bezeichnet, die mittels eines achromatischen Kollimators 23 in ein Bündel paralleler Strahlen verwandelt wird. Das kollimierte polychromatische Strahlenbündel dringt durch den Separator 25 und eine Longitudinal-Dispersions- und Fokussierungseinrichrtung 27. Infolgedessen bildet sich im Bereich des zu analysierenden Musters 29 eine Reihe von Fokussierungspunkten Fl bis FN aus, die jeweils zu einer bestimmten Wellenlänge, d.h. zu einem jeweils anderen monochromatischen Licht gehören. Das Bild durchdringt von neuem die Dispersions- und Fokussierungseinrichtung 27 und wird von dem Separator 25 zu einer Winkel-Dispersionsund Fokussierungseinrichtung 31 umgelenkt. Die nach Winkeln zerlegten Bilder werden längs der Fotodiodenreihe 33 fokussiert, die mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung 35 verbunden ist. Die Lichtquelle 21 wird vorteilhafterweise durch eine Blende 37 begrenzt, die von einem Schlitz gebildet ist, der rechtwinklig zu der Richtung angeordnet ist, in der die Dispersion stattfindet, und damit rechtwinklig zur Fotodiodenreihe 33.

Der Meßbereich wird durch die longitudinale Dispersion und durch die Fokussierungseigenschaften bestimmt. Die Winkel-Dispersion und die Eigenschaften der zweiten Fokussierungseinrichtung sind mit dem verwendeten Empfänger in Einklang zu bringen. Die Empfindlichkeit und die laterale Auflösung hängen von denselben Parametern ab.

Die Longitudinal-Dispersions- und Fokussierungseinrichtung 27 kann zwei separate Komponenten zur Erzielung der longitudinalen Dispersionswirkung und der Fokussierung beinhalten: Eine einfache Linse 27A, die als Dispersionseinrichtung dient, und ein Mikroskop-Objektiv 27B. Alternativ kann das Dispersionselement auch in dem Kollimatorobjektiv oder in dem Fokussierungs-Objektiv mit einer geeigneten optischen Gruppe enthalten sein.

Auch die Winkel-Dispersions- und Fokussierungseinrichtung 31 kann zwei Elemente enthalten: Das erste dieser Elemente kann ein Prisma, oder auch ein Gitter sein, während das zweite von einem korrigierten Objektiv gebildet sein kann.

Die Lichtquelle 21 kann eine WeiSlicht-Lampe mit Kondensator und Schlitz sein. Der Schlitz vereinfacht die Ausrichtung und dehnt die Anwendungsmöglichkeit der Vorrichtung aus auf die Tomografie über einen ganzen Abschnitt mit einer Fotodiodenmatrix als Empfänger.

Bei der Anwendung des Geräts ist ein geeignetes Informationsverarbeitungsprogramm einzusetzen.

Die Signale der verschiedenen Fotodioden lassen sich für die Differentialmessung kleinster Verschiebungen um eine vorbestimmte Position einsetzen, wobei diese Position der Position einer eindeutigen Verteilungsfunktion (Signalspitze, Barizentrum u.a.) zugeordnet ist.

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Claims (4)

1. ISTITUTO NAZIONALE
   DI OTTICA

   Patentansprüche

   I/, Optisches Oberflächenmeßgerät für die Prüfung mechanischer Oberflächen mit einem Lichtstrahlenbündel, das auf das zu prüfende Muster konzentriert, sodann regeneriert und mittels Reflexion durch einen Separator zu einem Empfänger umgelenkt wird,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß das Lichtstrahlenbündel ein polychromatisches Strahlenbündel ist, ..".. .

   daß das auf die Oberfläche auftreffende Lichtstrahlenbündel mittels einer Longitudinal-Dispersionseinrichtung in longitudinaler Richtung zerlegt wird

   und daß das regenerierte Strahlenbündel von einer Winkel-Dispersionseinrichtung zerlegt und so von dem Empfänger aufgenommen wird.
2. 2. Optisches Oberflächenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger von einer Fotodiodenreihe oder -matrix gebildet ist, die einer elektronischen Erfassungseinrichtung zugeordnet ist.
3. 3. Optisches Oberflächenmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die|Komponenten mit Ausnahme des einer Relativbewegung unterworfenen Prüfmusters stationär angeordnet sind.
4. 4. Optisches Oberflächenmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Schlitz besitzt und daß der Empfänger zur dreidimensionalen Erfassung von einer Fotodiodenmatrix gebildet ist.