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Die
Erfindung betrifft eine interferometrische Messvorrichtung zur Vermessung
einer Oberflächenkontur
eines Messobjektes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Interferometrische
Systeme eignen sich unter anderem für berührungslose Untersuchungen von Oberflächen verschiedener
Messobjekte. Zur Erfassung der Oberflächenkontur eines zu untersuchenden
Objektes trifft ein Objektstrahl aus einer Lichtquelle des Interferometers
die Oberfläche
an dem zu messenden Bereich. Der von der Oberfläche reflektierte Objektstrahl
wird einem Detektor des Interferometers zugeführt und bildet zusammen mit
einem Referenzstrahl ein Interferenzmuster, aus dem sich die Weglängendifferenz
der beiden Strahlen ableiten lässt.
Diese gemessene Weglängendifferenz
der beiden Strahlen entspricht der Topographieänderung der Oberfläche.
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Insbesondere
mit einem Weisslichtinterferometer, bei dem die Lichtquelle eine
kurzkohärente Strahlung
abgibt, ist es auch möglich,
das Messobjekt mittels Tiefenabtastung abzuscannen. Wie beispielsweise
in DE-100 47 495 A1 erläutert,
wird dabei die kurzkohärente
Strahlung über
einen Strahlteiler in einen Objektstrahl und in einen Referenzstrahl
aufgeteilt. Die zu vermessende Objektoberfläche wird über ein Objektiv auf einen
Bildaufnehmer, beispielsweise auf eine CCD-Kamera („chargecoupled
device"-Kamera),
abgebildet und von der durch den Referenzstrahl gebildeten Referenzwelle überlagert.
Bei der Überlagerung
der Strahlen entstehen die bereits erwähnten Interferenzmuster, die
zur Aufzeichnung der so genannten Korrelogramme herangezogen und schließlich zur
Gewinnung der Höhendaten
ausgewertet werden. Die Tiefenabtastung kann durch Bewegen eines
den Referenzstahl reflektierenden Referenzspiegels oder des Objektivs
relativ zu der Messvorrichtung durchgeführt werden. Beim Bewegen des
Objektes sind Bildebene des Objektes und Referenzebene in derselben
Ebene. Während
der Tiefenabtastung bleibt das Objekt starr im Gesichtsfeld der
CCD-Kamera, und
das Objekt wird nur in der Tiefenachse relativ zur Referenzebene
bewegt. Auf diese Weise können
Messungen technischer Oberflächen
mit einer Tiefenauflösung
im Bereich weniger Nanometer vermessen werden. Technische Grundlagen
zu diesem Messverfahren findet man auch im Beitrag „Threedimensional
sensing of rough surfaces by coherence radar" (T. Dresel, G. Häusler, H. Venzke, Appl. Opt.
31 (7), p. 919-925, 1992).
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Die
Messdauer kann dabei je nach Form und Gestaltung der Oberflächenkontur
des zu messenden Messobjektes stark variieren. Nachteilig, d. h. Messdauer
verlängernd
wirkt sich beispielsweise eine Oberflächenkontur aus, die hohe bzw.
tiefe Stufen aufweisen, die sich aus benachbarten tiefliegenden
und hochliegenden Bereichen resultieren. Wie bereits oben erläutert, wird
während
der Messung ein Tiefenscan durchgeführt, oder mit anderen Worten, die
zu vermessenden Oberflächen
des Messobjektes werden durch die Fokusebene der Kamera gefahren. Große Höhenunterschiede
einzelner Bereiche in der Oberflächenkontur
des Messobjektes führen
bei scannenden Interferometern daher zu langen Messzeiten. Beträgt beispielhaft
der zu messende Höhenunterschied,
d. h. eine Stufenhöhe
in einer Oberflächenkontur
20 mm, ergibt sich daraus bei einer typischen Scangeschwindigkeit
von etwa 5 bis 10 μm/sec
eine Messzeit in der Größenordnung
von 1/2 bis 1 Stunde. Solch eine Messdauer ist in der Fertigung
natürlich
nicht akzeptabel.
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Grundsätzlich ist
der Einsatz eines Stufenkörpers
mit einer gestuften Seite in einem Interferometer bekannt. So wird
beispielsweise in
DE
103 47 650 B3 ein Stufenkörper beschrieben, wobei die
Stufen des Stufenkörpers
für das
Auftreten von Licht vorgesehene Auftrittsflächen aufweisen, die mindestens eine
durchgehende Serpentine bilden. Dadurch kann gemäß der Schrift eine sichere
Detektion über
den gesamten Messbereich gewährleistet
werden.
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Ähnlich wird
in
DE 195 20 305 A1 eine
interferometrische Messvorrichtung vorgeschlagen, bei der ein teilverspiegelter,
stufenförmig
ausgebildeter Glaskörper
vorgesehen ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße interferometrische Messvorrichtung
mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen hat gegenüber dem
Stand der Technik den Vorteil, dass die Messzeit von Messobjekten mit
einer einen großen
Höhenunterschied
aufweisenden Oberflächenkontur
reduziert und gleichzeitig mögliche
unterschiedliche optische Eigenschaften von verschiedenen Bereichen
des Messobjektes kompensiert werden. Obwohl die Messdauer sich signifikant
verkürzt,
ist dabei eine komplizierte oder aufwendige Maßnahme nicht erforderlich.
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Dadurch,
dass ein Höhenadapter
auf dem Messobjekt angeordnet ist, kann die erfindungsgemäße interferometrische
Messvorrichtung auch solche Messobjekte vermessen, die eine Oberflächenkontur mit
Bereichen unterschiedlicher optischer Eigenschaften, insbesondere
Reflexionseigenschaften, aufweisen. Trotz der unterschiedlichen
optischen Eigenschaften der verschiedenen Bereiche der Oberflächenkontur
wird eine eindeutige Auswertung der Messdaten ermöglicht.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der interferometrischen Messvorrichtung sind in
den Unteransprüchen
angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Anordnung der optischen Komponenten einer interferometrischen Messvorrichtung in
Draufsicht,
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2a eine
Oberflächenkontur
eines Messobjektes im Schnitt,
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2b einen
aus dem Stand der Technik bekannten Scanvorgang,
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3 einen
Scanvorgang mit einem Höhenadapter,
und
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4 einen
Scanvorgang mit einem Höhenadapter
in einer besonderen Ausführungsform.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Einen
grundsätzlichen
Aufbau mit den optischen Komponenten einer interferometrischen Messvorrichtung 5 nach
Michelson zeigt 1 in Draufsicht. Hier wird als
Messmethode die Weisslichtinterferometrie (Kurzkohärenzinterferometrie)
angewandt, weshalb die Lichtquelle 10 eine kurzkohärente Strahlung
aussendet. Das Licht wird über
einen Strahlteiler 15 in einen Referenzstrahl 20 und
in einen Objektstrahl 25 geteilt. Der Referenzstrahl 20 wird
weiter von einem im Referenzlichtweg 35 angeordneten Referenzspiegel 30 reflektiert
und gelangt wieder über
den Strahlteiler 15 in einen Bildaufnehmer 55.
Dort werden die Lichtwellen der Referenzstrahlen 20 überlagert
mit den Lichtwellen der Objektstrahlen 25, die ihrerseits über ein
im Objektlichtweg 50 angeordneten Objektiv 45 auf
ein Messobjekt 65 gelenkt und von ihm reflektiert wurden.
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Die
in 2a im Schnitt dargestellte Oberflächenkontur 60 eines
zu vermessenden Messobjektes 65 weist mehrere unterschiedlich
hoch liegende Bereiche auf. In diesem Beispiel ist ein tiefliegender
Bereich 70 zwischen zwei hochliegenden Bereichen 75a, 75b mit
einer Höhendifferenz
H angeordnet. Bei der Vermessung müssen nun die verschiedenen
Bereiche miteinander in Bezug gebracht und daraus die Höhendifferenz
H bestimmt werden.
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Wie
bereits erläutert,
wird dafür
eine Tiefenabtastung durchgeführt.
Sie kann durch Bewegen eines den Referenzstahl 20 reflektierenden
Referenzspiegels 30 oder des Objektivs 45 relativ
zu der Messvorrichtung 5 durchgeführt werden. In der 2b wird
beispielsweise das Objektiv 45 während der Messung senkrecht
zur Oberflächenkontur 60 verschoben,
um so die verschiedenen Höhen
bzw. Tiefen der Oberflächenkontur 60 über die
gesamte Höhendifferenz
H im Fokus des Bildaufnehmers 55 zu erfassen. Mit einem
typischen Rechenbeispiel aus der Praxis ist eingangs darauf hingewiesen
worden, dass dieser Tiefenscan je nach Scangeschwindigkeit und Höhendifferenz
H bis zu einer Stunde dauern kann.
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Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, die Messdauer mit Hilfe eines Höhenadapters signifikant zu
verkürzen.
Wie in 3 dargestellt, weist die Messvorrichtung 5 zusätzlich mindestens
einen Höhenadapter 80 zur
teilweisen oder vollständigen Kompensierung
von tiefliegenden 70 und hochliegenden Bereichen 75a, 75b der
Oberflächenkontur 60 des
Messobjektes 65 auf. Der Höhenadapter 80 besteht
dabei üblicherweise
aus einem Grundkörper 85 mit
einer Höhe
h und weist eine erste 90 und eine zweite Stirnseite 95 auf.
Während
der Messung ist der Höhenadapter 80 auf
dem tiefliegenden Bereich 70 positioniert, wobei die erste
Stirnseite 90 dem tiefliegenden Bereich 70 zugewandt
ist. Durch diese Anordnung des Höhenadapters 80 werden
die Höhen der
sonst unterschiedlich hohen Bereiche 70, 75a, 75b ausgeglichen.
Ist die Höhe
h des Höhenadapters 80 kleiner
oder größer als
die Höhendifferenz
H, wird eine teilweise Höhen-Kompensation der
Bereiche 70, 75a, 75b erreicht. Bevorzugt
wird ein Höhenadapter 80 mit
einer Höhe
h eingesetzt, die möglichst gleich der
Höhendifferenz
H entspricht, um eine möglichst vollständige Kompensation
der Bereiche 70, 75a, 75b zu erreichen.
Im optimalen Fall liegt die zweite Stirnseite 95 des Höhenadapters 80 im
Vergleich mit den höherliegenden
Bereichen 75a, 75b nur minimal drüber oder
drunter.
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Nun
ist ein Tiefenscan über
die gesamte Höhendifferenz
H nicht mehr erforderlich. Statt des tiefliegenden Bereiches 70 wird
die zweite Stirnseite 95 als Referenzfläche vermessen. Es reicht also
aus, wenn ein Tiefenscan nur über
den noch verbleibenden Höhenunterschied
zwischen den Bereichen 70, 75a, 75b durchgeführt wird.
Auf eine schnelle und einfache Weise wird die Messdauer verkürzt. Eine weitere
Auswertung der so gewonnenen Daten ist natürlich nur dann möglich, wenn
die Höhe
h des Höhenadapters 80 genau
bekannt ist. Diese kann vor oder nach der Messung durch eine Kalibrierung
bestimmt werden. Bevorzugt ist der Bildaufnehmer 55 eine
Kamera mit einer Auswertesoftware, die bei der Auswertung der tiefliegenden
Bereiche 70 mit dem mindestens einen Höhenadapter 80 die
bekannte Höhe
h des Höhenadapters 80 berücksichtigt.
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Vorteilhaft
ist dabei die zweite Stirnseite 95 als Referenzfläche so präpariert,
dass sie annährend die
gleiche optische Eigenschaft, insbesondere annährend die gleiche optische
Reflektionseigenschaft, wie der tiefliegende Bereich 70 der
Oberflächenkontur 60 aufweist.
So werden die Objektstrahlen 25 mit gleicher Intensität von der
zweiten Stirnseite 95 reflektiert wie die Objektstrahlen 25 von
hochliegenden Bereichen 75a, 75b und erleichtern
somit eine einfache Auswertung der Messdaten.
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Jedoch
ist es auch möglich,
dass die Oberflächenkontur 60 selbst
verschiedene Bereiche 70, 75a, 75b mit
unterschiedlichen optischen Eigenschaften aufweist. Daraus folgt
ein Unterschied z. B. in der Intensität der jeweils von den verschiedenen Bereichen 70, 75a, 75b reflektierten
Objektstrahlen 25 und erschweren so eine eindeutige Auswertung der
Messdaten. In einem solchen Fall ist die zweite Stirnseite 95 als
Referenzfläche
so präpariert,
dass sie eine diesen Unterschied kompensierende optische Eigenschaft
aufweist. Typischerweise wird dann z. B. die optische Reflektionseigenschaft
der zweiten Stirnseite 95 nicht die gleiche optische Reflektionseigenschaft
wie der tiefliegende Bereich 70 aufweisen, sondern die
der hochliegenden Bereiche 75a, 75b.
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Sind
selbst zwischen den hochliegenden Bereichen 75a, 75b unterschiedlich
starke optische Reflektionseigenschaften vorhanden, wie ein Bereich 75a mit
einer relativ hohen und ein Bereich 75b mit einer relativ
niedrigen Reflektionseigenschaften, kann die zweite Stirnseite 95 eine
optische Reflektionseigenschaft aufweisen, die zwischen der relativ hohen
und relativ niedrigen Reflektionseigenschaft liegt.
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Eine
weitere Ausführungsform
des Höhenadapters 80 zeigt 4.
Hier weist die erste Stirnseite 90 des Höhenadapters 80 zum
stabilen Halt auf dem tiefliegenden Bereich 70 der Oberflächenkontur 60 eine
Drei-Beinauflage 100 auf. Dadurch können leicht schiefe oder nicht
stabile Anordnung des Höhenadapters 80,
die sich möglicherweise
aus Unebenheiten der flachen ersten Stirnseite 90 ergeben können, umgangen
werden.
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Übrigens
ist es natürlich
möglich,
bei Vorliegen von mehreren, unterschiedlich hohen Bereichen 75a, 75b Kombinationen
von verschiedenen Höhenadaptern 80 einzusetzen.