• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Dieerfindungsgemäße Vorrichtungmisst ein Profil, das auch stark gekrümmt sein kann, und kleinsteVerschiebungen dadurch, dass das zu messende Objekt ohne Zwischenschaltungeines mit diesem Objekt gekoppelten Reflexionsspiegels direkt optischangetastet wird.Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt ein berührungslosesDifferential-Interferometer mit einem gemeinsamen Strahlkorridorvon Mess- und Referenzstrahl (A) bzw. (B), um Profile und kleinsteVerschiebungen zu messen. Dabei dient ein konfokales Mikroskopobjektiv(8) dazu, den Mess- und den Referenzstrahl auf dem Prüfling (10)zu fokussieren. Direkt vor dem Objekt wird ein Strahlleiter (9)angeordnet.
    公开号:DE102004013521A1
    申请号:DE102004013521
    申请日:2004-03-19
    公开日:2005-10-13
    发明作者:Konrad Dr. Herrmann；Zhi Dr. Li
    申请人:Bundesrepublik Deutschland Vertr D D Bundesministerium fur Wirtschaft und Arbeit Dieses Vertr D D Prasidenten Der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt；Bundesrepublik Deutschland；
    IPC主号:G01B9-02
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Messen von Profilen,Rauheiten und Verschiebungen.
    [0002] OptischeInterferometer werden vielfach als rückführbares Normal eingesetzt,um Verschiebungen/Längen,Schwingungen, Winkel usw. zu messen und insbesondere verschiedeneArten von Verschiebungsmesssystemen in unterschiedlichen Geräten zu kalibrieren.Ein typisches Beispiel ist die Nutzung eines Laserinterferometerszur Kalibrierung eines kapazitiven Sensors in einem Nanoindentation-Gerät [1].
    [0003] Jedochbesteht einer der Nachteile eines Interferometers mit einer herkömmlichenKonfiguration darin, dass man den Messspiegel mit dem zu prüfenden sichbewegenden Körperbzw. Element verbinden muss, was in vielen Fällen nicht akzeptabel oder unbequemist. Deshalb wurde das sogenannte „Interferometer mit berührungsloserSonde" vorgeschlagen,das üblicherweiseein Mikroskopobjektiv benutzt, um den Messstrahl auf der Oberfläche deszu prüfendenObjekts zu fokussieren [2].
    [0004] Umhierbei die Messunsicherheit zu verringern, müssen folgende Anforderungenerfülltwerden: 1. Messabweichungen aufgrund von Luftturbulenzensowie Schwingungen zwischen Interferometer und Objekt müssen vermiedenwerden, 2. Schwingungen des Objekts müssen auf den Bereich um denBrennpunkt des Mikroskopobjektivs beschränkt sein und die berührungsloseSonde muss gut auf das Objekt fokussiert sein, 3. die Messabweichung aufgrund von Fluchtungsabweichungen zwischender berührungslosen Sondeund dem Objekt, insbesondere die so genannte Kosinusabweichung,muss kompensiert oder korrigiert werden, 4. im Falle eines sich bewegenden Körpers, der eine große Krümmung imQuerschnitt (d. h. einen kleinen Krümmungsradius) aufweist, mussder Einfluss der Topografie des sich bewegenden Körpers aufdie Messergebnisse reduziert werden.
    [0005] DieseAuflistung verdeutlicht, dass der Betrieb bekannter Interferometermit berührungsloser Sondemit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.
    [0006] Deshalbwurden verschiedene Verbesserungen erarbeitet. Beispielsweise wurdeeine Konfiguration mit gemeinsamem Strahlkorridor für einenberührungslosenProfiler, bei dem in das Mikroskopobjektiv ein Loch gebohrt wurde,damit der Referenzstrahl direkt auf die zu prüfende Oberfläche gelangt, vorgeschlagen[3]. Offensichtlich lässtsich dieser Aufbau nicht bei einem Objektiv mit hoher numerischerApertur realisieren, das jedoch notwendig ist, um eine brauchbarelaterale Auflösungdes Messsystems zu erzielen.
    [0007] Weiterwurde eine Konfiguration mit gemeinsamem Strahlkorridor entwickelt,die sich fürRauheitsmessungen einsetzen ließ,da die zu prüfende Oberfläche selbstals Referenzspiegel wirken kann [4]. Allerdings ist dieser Aufbaunicht fürVerschiebungsmessungen einsetzbar. Außerdem versagt die Referenz,wenn die Oberflächentopographieeine großeKrümmungim Querschnitt aufweist.
    [0008] Schließlich wurdeversucht, eine Lichtquelle mit niedriger Kohärenz oder eine Vielzahl vonLichtquellen mit verschiedenen Wellenlängen in die grundlegende Konfigurationeiner berührungslosen Sondeeinzuführen[5]. Allerdings ist diese Erfindung nicht brauchbar, wenn die Oberflächenrauheitdes abzutastenden Objekts klein ist.
    [0009] DieErfindung hat daher das Ziel, eine Vorrichtung zum Abtasten vonProfilen beliebiger Krümmungen,von Rauheiten und zum berührungslosen Messenkleinster Verschiebungen mit subnanometrischer Genauigkeit zu entwickeln,bei der das zu messende Objekt ohne Zwischenschaltung eines mitdiesem Objekt gekoppelten Reflexionsspiegels direkt optisch angetastetwird. Dabei sollen die Nachteile der bislang bekannten Interferometermit berührungsloserSonde vermieden werden.
    [0010] DieseAufgabe wird erfindungsgemäß dadurchgelöst,dass 1. zwischen ein Mikroskopobjektiv unddas zu messende Objekt ein Strahlteiler mit geeigneten Beschichtungengestellt wird und 2. der Mess- und der Referenzstrahl des Interferometers einMikroskopobjektiv passieren, wobei der Messstrahl auf die Oberfläche deszu messenden Objekts fokussiert und der Referenzstrahl am Strahlteilerreflektiert wird.
    [0011] Umgenaue Messungen kleinster Verschiebungen eines sich bewegendenKörpersmit großer Krümmung durchzuführen, wurdeein gemeinsamer Strahlkorridor in die grundlegende Konfigu rationeines Interferometers mit berührungsloseroptischer Sonde eingeführt.Zu diesem Zweck wurde ein konfokaler Aufbau genutzt, um die Messsondeauf dem sich bewegenden Körperzu fokussieren. Zudem wurde die berührungslose Differentialsondemit gemeinsamem Strahlkorridor dazu benutzt, um die Verschiebungdes sich bewegenden Körperszu überwachen.Dieses Vorgehen ermöglichtes, die Topografie des sich bewegenden Körpers mit diesem Verfahren alsBild zu erfassen, wenn ein linearer x-y-Verschiebetisch eingesetztwird. Schließlichkönnendie Messabweichungen aufgrund von Fluchtungsabweichungen zwischendem Interferometer und dem sich bewegenden Körper durch die Analyse dergemessenen Topografie leicht korrigiert werden.
    [0012] DieErfindung wird im Folgenden ausführlichermit Bezug auf ein Realisierungsbeispiel, das im Bild 1 gezeigt ist,beschrieben.
    [0013] Dervom Laser kommende Lichtstrahl 11 trifft über einennicht polarisierenden Strahlteiler 2 auf einen polarisierendenStrahlteiler 3, wo er in den Messstrahl A und den ReferenzstrahlB aufgeteilt wird. Der Messstrahl wird über einen ebenen Spiegel 4 undeinen polarisierenden Strahlteiler 5 auf ein Mikroskopobjektiv 8 gerichtetund auf der Oberflächedes zu messenden Objekts 10 fokussiert. Dies erlaubt es, dieVerschiebung des Objekts oder der Topografie der Objektoberfläche zu überwachen.Der Referenzstrahl B wird überden ebenen Spiegel 6 und eine Linse 7 auf denvorzugsweise polarisierenden Strahlteiler 5 und das Mikroskopobjektiv 8 gerichtet.Hierbei wird der Durchmesser des Referenzstrahls variiert, weildie Linse 7 und das Objektiv 8 als Strahlaufweitungssystemangeordnet sind. Der Referenz- und der Messstrahl kehren anschließend entlangdesselben optischen Weges zum polarisierenden Strahlteiler 3 zurück, wo siesich vereinigen und miteinander interferieren. Das Interferenzlichtpassiert weiter den Strahlteiler 2 und erreicht den Strahlteiler 1.Ein Teil des Interferenzlichts wird dann zum Empfänger des Interferometerswei tergegeben, währendder andere Teil auf einen Polarisator 13 gerichtet wird,der den Messstrahl vom Interferenzlicht trennt. Danach gelangt dasInterferenzlicht zu einem konfokalen Detektionssensor, der aus einemMikroskopobjektiv 14, einem Pinhole 15 und einem optischenDetektor 16 besteht. Als optischer Detektor können Fotodioden,Lawinen-Fotodioden, Fotovervielfacherröhren, CCD-Elemente oder fluoreszierendeSchirme verwendet werden.
    [0014] Dasoptische Element 9, das stets eine Strahlteilerschichtbesitzt, wird als optische Platte, Polarisationsplatte, freistehendedünne Folieoder dünneSchicht ausgeführt,die auf dem Mikroskopobjektiv 8 und/oder der Oberfläche deszu prüfenden Objekts 10 angeordnetwird. Dabei sind folgende unterschiedliche Aufbauten des Strahlteilersvorteilhaft: 1. Der Strahlteiler 9 wirddurch Federn 17 mit einer geeigneten Federkonstante unterstützt, umdie notwendige anfänglicheKontaktkraft zu liefern, die insbesondere bei bestimmten Indentations-Geräten erforderlichist, bei denen ein Eindringversuch in Luft nicht durchgeführt werden kann(siehe Bild 2). 2. Der Strahlteiler 9 wird als Polarisationsplatte ausgebildet,wenn die Oberflächedes Objekts flach ist (siehe Bild 3). Die Polarisationsrichtung desStrahlteilers 9 muss dabei so beschaffen sein, dass nurder Messstrahl passieren kann. 3. Der Strahlteiler 9 kann auch als freistehende Folieoder dünneSchicht ausgeführtsein, die auf das Mikroskopobjektiv und/oder auf die Oberfläche deszu prüfendenObjekts 10 aufgetragen ist. Ein Beispiel ist in Bild 4gezeigt, wo der Strahlteiler 9 als dünne Schicht auf der Objektoberfläche ausgeführt ist,auf der eine polarisierende und eine strahlenteilende Schicht 20 nacheinanderaufgetragen wurden.
    [0015] Daskonfokale Signal vom optischen Detektor 16 wird dazu benutzt,um zu bestimmen, ob der Messstrahl gut auf der Oberfläche desObjekts fokussiert ist. Dann wird die Topografie der Objektoberfläche gescannt,um den höchstenPunkt der Oberflächezu finden, wenn das beste Signal-/Rausch-Verhältniserzielt werden soll.
    [0016] Anstelleder Topografiemessung mit der konventionellen konfokalen Technik,deren vertikale Auflösungallgemein im Submikrometer-Bereich liegt, kann die berührungsloseSonde mit gemeinsamem Strahlkorridor benutzt werden, um die Objekttopografieabzubilden, mit der leicht eine subnanometrische Auflösung inder z-Achse erzielt werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung,mit der eine Verschiebungs- oder eine Topografiemessung realisiert wird,kann das konfokale Signal als Feedback-Signal benutzt werden, umden Abstand zwischen dem Mikroskopobjektiv und dem zu messendenObjekt zu justieren. Als eine Alternative kann auch das Interferenzsignalfür dieseJustierung benutzt werden, mit der ein optimales Interferenzsignalerzielt wird.
    [0017] Für das Interferometerin der erfindungsgemäßen Vorrichtungkönnenverschiedene Lichtquellen eingesetzt werden, einschließlich Einfrequenz-Laser(Homodyn-Laser), Zweifrequenz-Laser (Heterodyn-Laser) oder Halbleiterlaser.Dabei ist lediglich zu beachten, dass der Interferometer-Empfänger entsprechendjustiert wird und der Polarisator vor dem konfokalen Detektor gegeneinen Wellenlängen-Selektorausgetauscht wird. Auf diese Weise wird der richtige Teil des Messstrahlsvom Interferenzstrahl getrennt.
    [0018] Dasdurch den Strahlteiler 2 durchgetretene Licht kann dazubenutzt werden, um Messfehler, wie die Lichtintensitätsdrift,Phasendrift und/oder Schwingungen zu kompensieren. Die Lichtintensitätsdriftmuss insbesondere bei einer Konfiguration mit einem Homodyn-Interferometerund die Phasendrift und/oder Schwingungen insbesondere bei einerKonfiguration mit einem Heterodyn-Interferometer überwachtwerden.
    [0019] Außerdem kanndas Referenzsignal bei einer Heterodyn-Konfiguration und einem nichtpolarisierenden Strahlteiler 5 durch die Interferenz zwischendem reflektierten Anteil vom Messstrahl A und dem durchgetretenenAnteil des Referenzstrahls B gebildet werden.
    [0020] DieErfindung eignet sich zum Messen kleinster Verschiebungen und zumAbtasten von Profilen und Rauheiten mit einer Auflösung undGenauigkeit in subnanometrischer Größenordnung, insbesondere zumKalibrieren eines Tiefen- und Kraftmesssystems in einem Indentation-Messgerät, zum Scannendes verbleibenden Eindrucks nach einem Eindringversuch, zum Kalibrierenvon Stufenhöhen-Verkörperungenund fürRauheitsmessungen.
    Zitierte Literatur
    [1] K. Herrmann, Z. Li, F. Pohlenz: Development of a calibrationdevice for the depth measuring system in a nanoindentation instrument,Proc. 47. International Scientific Colloquium Technical UniversityIlmenau, (2002), 516 – 517[2] D.R. Parker: Distance-measuring interferometry, 3rd Ann.Precision Engineering Conf., Atlanta, Georgia, Oct. 1988[3] M.J. Offside, M.G. Somekh, C.W. See: Common path scanningheterodyne optical profilometer for absolute phase measurement,Appl. Phys. Lett. (1989) 55, 2051 – 2053[4] H. Zhao, R. Liang, D. Li, M. Cao: Practical common-pathheterodyne surface profiling interferometer with automatic focusing,Optics & LaserTechnology (2001) 33, 259-2[5] S. Kato: Interferometer and position measuring device, USPatent 2003/0081222 A1
    1 Strahlteiler 2 Strahlteiler 3 PolarisierenderStrahlteiler 4 Spiegel 5 Strahlteiler 6 Spiegel 7 Linse 8 Mikroskopobjektiv 9 PolarisierenderStrahlteiler 10 Zumessendes Objekt 11 EinfallenderLaserstrahl 12 ZumInterferometerempfänger 13 Polarisator 14 Mikroskopobjektiv 15 Pinhole 16 OptischerDetektor 17 Feder 18 Antireflexionsschicht 19 Strahlteilerschicht 20 Strahlteiler-und Polarisationsschicht A Messstrahl B Referenzstrahl
    权利要求:
    Claims (7)
    [1] Vorrichtung zum Messen eines stark gekrümmten Profilsund kleinster Verschiebungen, die mit einer berührungslosen Sonde mit gemeinsamem Strahlkorridorkombiniert ist und ein konfokales Abbildungssystem enthält, dadurchgekennzeichnet, dass a) zwischen ein Mikroskopobjektivund das zu messende Objekt ein Strahlteiler 9 mit geeignetenBeschichtungen gestellt wird und b) der Mess- und der Referenzstrahldes Interferometers ein Mikroskopobjektiv passieren, wobei der Messstrahlden Brennpunkt auf der Oberflächedes zu messenden Objekts bildet und der Referenzstrahl am Strahlteilerreflektiert wird.
    [2] Vorrichtung entsprechend Patentanspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass a) der Referenzstrahl ein Strahlaufweitungssystem passiert,das aus einer oder mehreren Linsen und dem Objektiv besteht, sodass der Durchmesser des Referenzstrahls an die Ausgangspupilledes oben genannten Objektivs angepasst wird, b) ein Teil desreflektierten Messstrahls zu einem konfokalen Empfänger geschicktwird, der die Information überdie Fokusposition des Messstrahls interpretiert und c) derInterferenzstrahl, der aus dem reflektierten Mess- und Referenzstrahlbesteht, zu einem Interferometerempfänger eines geeigneten Typsgeschickt wird und dadurch die relative optische Wegänderung zwischendem Referenz- und dem Messstrahl analysiert wird.
    [3] Vorrichtung entsprechend Patentanspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass der Strahlteiler 9 als optische Plattemit geeigneter Beschichtung, freistehender Folie oder dünner Schichtdie auf das Mikroskopobjektiv und/oder auf die Oberfläche deszu prüfendenObjekts aufgetragen sind, ausgebildet ist.
    [4] Vorrichtung entsprechend Patentanspruch 2, dadurchgekennzeichnet, dass der Strahlteiler 9 dazu benutzt wird,um eine erforderliche anfänglicheKontaktkraft fürdas zu prüfendeObjekt durch Verwendung geeigneter mechanischer Komponenten zu erzeugen.
    [5] Vorrichtung entsprechend einem der Patentansprüche 1 bis4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler 9 denReferenzstrahl im Interferenzlicht reflektiert und verhindert wird,dass der durchgelassene einfallende Referenzstrahl in das Interferenzlichtzurückfällt.
    [6] Vorrichtung entsprechend Patentanspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass der konfokale Detektor dazu benutzt wird, umdie Brennpunktlage des Messstrahls zu bestimmen, während dieVerschiebung und/oder das Profil des Objekts mit der berührungslosenSonde mit gemeinsamem Strahlkorridor gemessen werden.
    [7] Vorrichtung entsprechend einem der Patentansprüche 1 bis6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler 9 beider Messung einer wenig gekrümmtenTopografie weggelassen werden kann.
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-10-13| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2006-10-19| 8364| No opposition during term of opposition|
    2012-02-09| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|Effective date: 20111001 |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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