DE19613677A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen des Oberflächenprofils eines Objektes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen des Oberflächenprofils bzw. der Oberflächenstruktur eines Objektes und befaßt sich speziell mit berührungslosen optischen Verfahren und Vorrichtungen zum Erfassen einer Oberflächenstruktur.

Ein typisches Fertigungsproblem ist die exakte Messung der Oberflächentopographie bzw. -struktur. Zu den Beispielen für maschinell hergestellte Gegenstände, bei denen exakte Messungen erforderlich sind, gehören Maschinenteile, Elemente für Magnetspeicheranordnungen, flache, tafelförmige Anzeige­ einheiten, gegossene und texturierte Kunststoffoberflächen, Oberflächen mechanischer Pumpen und deren Dichtflächen sowie Münzen. Für eine effektive Produktion ist eine sehr schnelle, automatische Qualitätskontrolle in einer industriellen Umge­ bung erforderlich. Die am meisten benutzten Meßwerkzeuge zum Erfassen von Oberflächenprofilen und -strukturen sind mechanische Abtaster, welche sehr langsam sind, nur eine begrenzte Information liefern und die Objektoberfläche beschädigen können. Automatisierte Systeme, die üblicherweise als Koordinatenmeßmaschinen bezeichnet werden, sind teuer, langsam und typischerweise nur außerhalb der Fertigungslinie einsetzbar, statt eine kontinuierliche In-line-Qualitäts­ kontrolle zu ermöglichen. Mechanische Meßgeräte, wie Mikro­ meter und Kaliber, besitzen nur eine niedrige Genauigkeit und können keine Meßergebnisse hinsichtlich des Profils einer Oberflächentopographie liefern. Es wäre daher sehr wünschenswert, schnelle, berührungslos arbeitende optische Einrichtungen zum Erfassen des Profils bzw. der Oberflächen­ struktur von Objekten zu besitzen, die sowohl separat, als auch im In-line-Betrieb bei der Präzisionsfertigung einge­ setzt werden könnten. Derartige Meßeinrichtungen sollten dabei für verschiedene Objektgrößen, Oberflächenformen und Oberflächentexturen bzw. -strukturen geeignet sein. Weiterhin sollten derartige Einrichtungen auch kompatibel mit der automatischen Handhabung der Teile in einer industriellen Umgebung und gegenüber Vibrationen unempfindlich sein.

Gemäß dem Stande der Technik stehen verschiedene optische Profilmeßverfahren zur Verfügung, die auf der geometrischen Optik basieren. Eines dieser Verfahren ist in dem Buch "Optical Shop Testing", zweite Auflage, von Daniel Malacara, erschienen bei Wiley, New York, 1992, Kapitel 16, detailliert beschrieben. Bei dem Moir´-Verfahren ist das Projizieren und Abbilden einer Ronchi-Struktur oder einer ähnlichen perio­ dischen Struktur erforderlich, und dieses Verfahren ist zu der geometrischen Triangulation äquivalent. Ein im Handel erhältliches Produkt, welches auf diesem Prinzip basiert, ist das Gerät "Check-flat", welches von der Speedfam-Spitfire Produktgruppe, Des Plaines, Illinois, USA, hergestellt wird.

Obwohl es mit dem Moir´-Verfahren möglich ist, das Profil rauher Oberflächen zu erfassen, ist dieses Verfahren allgemein von geringer Genauigkeit im Vergleich zu Meßein­ richtungen mit einer mechanischen Abtastsonde. Außerdem erweist sich das Moir´-Verfahren in einigen Fällen für spiegelnde Oberflächen als völlig unbrauchbar. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß beim Moir´-Verfahren eine sorgfältige Kalibrierung zur Vermeidung geometrischer Fehler vorgenommen werden muß, was äußerst mühsam ist, wenn die Objektoberfläche in ihrer Tiefe stark variiert.

Gemäß dem Stande der Technik stehen außerdem mehrere Verfahren zur Verfügung, die mit optischer Interferometrie arbeiten, wobei die Wellennatur des Lichts ausgenutzt wird, um Änderungen der Oberflächenhöhe mit hoher Genauigkeit zu kartographieren bzw. aufzuzeichnen. Beispiele für übliche Interferometer finden sich im 1. Kapitel des oben erwähnten Buches "Optical Shop Testing". Die meisten dieser konventio­ nellen vorbekannten Interferometereinrichtungen sind nicht geeignet, Oberflächenstrukturen mit diskontinuierlichen Höhenänderungen zu erfassen, oder Oberflächenrauhigkeiten, die ein Viertel der Wellenlänge des von einer Lichtquelle ausgehenden Lichts überschreiten, wobei diese Wellenlänge in kommerziellen Geräten typischerweise bei 0,63 µm liegt.

Diskontinuierliche Oberflächenmerkmale, die größer sind als 0,16 µm, führen daher zu interferometrischen Phasenmehr­ deutigkeiten, die, wenn überhaupt, nur schwer zu inter­ pretieren sind. Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich, wenn die Oberflächenschräge so groß ist, daß es schwierig wird, das Muster der Interferenzlinien aufzulösen bzw. diese Linien zu unterscheiden. Folglich werden Interferometer für eine große Anzahl von in der Fertigung auftretenden Meßproblemen als ungeeignet angesehen.

Wegen der beschränkten Einsatzmöglichkeiten für konventio­ nelle Interferometer bietet der Stand der Technik alternative interferometrische Verfahren und Einrichtungen, die mit rauhen Oberflächen und großen Änderungen in der Oberflächen­ topographie kompatibel sind. Ein auf der Hand liegender Ansatz besteht darin, die Wellenlänge des Lichts durch die Verwendung ungewöhnlicher Lichtquellen zu vergrößern. Ein Beispiel für dieses Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung sind in dem Aufsatz "Rough surface interferometry using a CO₂-laser source" von C.R. Munnerlyn und M. Latta in Appl. Opt. 7(9), 1968, Seiten 1858 und 1859, offenbart. Verfahren dieser Art sind jedoch im allgemeinen teuer und problematisch, da spezielle Lichtquellen, optische Einrich­ tungen und Detektoren benötigt werden. Außerdem versagen selbst diese teuren, mit einer großen Wellenlänge arbeitenden Interferometer beim Vorliegen diskontinuierlicher Schwan­ kungen der Oberflächentopographie, die ein Viertel der größeren Wellenlänge überschreiten.

Ein weiterer Lösungsansatz zur Überwindung des begrenzten Bereichs konventioneller Interferometer besteht gemäß dem Stande der Technik in der Verwendung mehrerer Wellenlängen, wie dies ursprünglich von R. Ren´ Benoit in dem Aufsatz "Application des ph´nomènes d′interf´rence a des d´terminations m´trologiques" in J. de Phys. 3(7), 1898, Seiten 57-68 beschrieben wurde. Eine Sequenz von Messungen bei zwei oder mehr Wellenlängen liefert eine wesentlich größere äquivalente Wellenlänge, welche einige der Mehrdeu­ tigkeitsprobleme konventioneller, mit einer einzigen Wellen­ länge arbeitender Interferometer überwindet. Ein Verfahren zur Anwendung dieser Technik auf Messungen an Oberflächen ist in der US-PS 4,355,899 beschrieben. Diese mit mehreren Wellenlängen arbeitenden Verfahren arbeiten jedoch immer noch nicht korrekt, wenn die Oberflächenschräge so stark ist oder wenn die Oberflächenrauhigkeit so groß ist, daß es schwierig wird, das Interferenzmuster aufzulösen. Interferometer, die mit mehreren Wellenlängen arbeiten, sind außerdem gegenüber Vibrationen extrem empfindlich.

Gemäß dem Stande der Technik werden auch einige alternative Interferometrieverfahren bereitgestellt, bei denen der Versuch unternommen wird, die Empfindlichkeit für die Oberflächenrauhigkeit und die Oberflächensteigung bzw. -schräge durch Anwendung ungewöhnlicher Meßgeometrien zu reduzieren. Ein für den Stand der Technik repräsentatives, unempfindlich gemachtes Interferometer arbeitet mit einem schrägen Beleuchtungswinkel, wie dies in der US-PS 4,325,637 beschrieben ist, sowie in dem Aufsatz "Oblique incidence and observation electronic speckle-pattern interferometry" von C. Joenathan, B. Franze und H.J. Tiziani, in Applied Optics 33 (31), 1994, Seiten 7307-7311. Bei diesen Interferometern mit schrägem Einfall reduzieren schräge Beleuchtungs- und Beobachtungswinkel die Beugungsliniendichte an der Objekt­ oberfläche im Vergleich zu den üblicheren Formen von Interferometern. Diese reduzierte Beugungsliniendichte entspricht einer äquivalenten Wellenlänge Λ, die um ein Vielfaches größer sein kann als die tatsächliche Wellenlänge λ des Lichts. Je größer die äquivalente Wellenlänge Λ ist, desto größer ist das Ausmaß der Oberflächenrauhigkeit, welches mit dem Instrument erfaßt werden kann. Eine erheb­ liche Verringerung der Empfindlichkeit macht jedoch einen großen Beleuchtungswinkel bezüglich des senkrechten Einfalls erforderlich. Derart große Winkel führen aber zu Problemen bezüglich der richtigen Beleuchtung und Abbildung des Objektes. Außerdem können gewisse Oberflächenmerkmale, wie z. B. Stufen und Kanäle, zu einer unerwünschten Schatten­ bildung führen. Zusätzliche Komplikationen ergeben sich aufgrund der Notwendigkeit, den Referenzstrahl und den Objektstrahl des Interferometers exakt abzugleichen, um Änderungen im Reflexionsvermögen der Oberfläche zu kompensieren. Weiterhin können Interferometer mit Schräg­ einfall Oberflächenmerkmale mit diskontinuierlichen Höhenänderungen nicht erfassen, welche ein Viertel der äquivalenten Wellenlänge Λ überschreiten.

Ein weiterer geometrischer Ansatz zum Erzeugen von Inter­ ferenzmustern mit einer großen äquivalenten Wellenlänge besteht darin, das von der Quelle ausgehende Licht in zwei Strahlen zu teilen, die denselben Bereich der Oberfläche unter unterschiedlichen Einfallswinkeln beleuchten. Wenn diese Strahlen rekombiniert werden, besitzt das dabei erhaltene Referenzmuster eine deutlich reduzierte Empfind­ lichkeit gegenüber Änderungen in der Oberflächentopographie. Diese reduzierte Beugungsliniendichte kann ebenfalls durch eine äquivalente Wellenlänge Λ < λ charakterisiert werden; dieses Verfahren bringt jedoch nicht notwendigerweise extreme Beleuchtungswinkel mit sich und besitzt den zusätzlichen Vorteil, daß die zur Interferenz gebrachten Strahlen in ihrer Intensität abgeglichen sind. Instrumente, die mit unter­ schiedlichen Beleuchtungs- und Beobachtungswinkeln arbeiten, um eine große äquivalente Wellenlänge zu erreichen, werden in der vorliegenden Anmeldung als "unempfindlich gemachte" Interferometer bezeichnet.

Der Stand der Technik liefert mehrere Beispiele für unempfindlich gemachte Interferometer. In dem Aufsatz "Optical contour mapping of surfaces" von W. Jaerisch und G. Makosch in Applied Optics 12(7), 1973, Seiten 1552-1557, ist ein unempfindlich gemachtes Interferometer beschrieben, welches mit einem Beugungsgitter arbeitet, welches nahezu in Kontakt mit der Testoberfläche angeordnet ist. Das Beleuchten des Gitters mit einer monochromatischen ebenen Welle führt zur Erzeugung mehrerer Strahlen, die Beugungen unterschied­ licher Ordnung entsprechen. Diese Strahlen werden an der Objektoberfläche reflektiert und durch das Gitter rekombiniert, wodurch ein Beugungslinienmuster erhalten wird, welches den Oberflächenkonturen der Objektoberfläche gleicht. Ein weiterer Ansatz gemäß dem Stande der Technik, bei dem mit Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Beleuchtungswinkel gear­ beitet wird, ist in dem Aufsatz "Common-path interferometer for flatness testing" von P. Jacquot, X. Colonna de Lega und P.M. Boone in SPIE 2248, Optics for productivity in manufacturing, paper 18, 1994 beschrieben. Dieses Instrument arbeitet auf der Basis der Wechselwirkung von Beugungen zweier Ordnungen einer holographischen Aufzeichnung einer sphärischen Wellenfront.

Obwohl die Verfahren von Jaerisch und Makosch und von Jacquot et al einige Vorteile bieten, sind sie für eine automa­ tisierte optische Inspektion ungeeignet, da sie keinen angemessenen Arbeitsabstand bieten. Bei beiden bekannten Verfahren muß ein Beugungselement nahezu in Kontakt mit der Objektoberfläche angeordnet werden. Dies liegt daran, daß bei beiden Verfahren ein einziges Beugungselement das von der Quelle ausgehende Licht in Strahlen teilt, welche sich in unterschiedliche Richtungen ausbreiten und nicht denselben Teil der Objektoberfläche beleuchten. Die beiden Strahlen sind daher nicht korrekt ausgerichtet, um den gewünschten Interferenzeffekt zu erzeugen, insbesondere bei rauhen Oberflächen. Die einzige Möglichkeit, dieses Problem zu vermeiden, besteht darin, das Objekt sehr dicht an die Ober­ fläche des Beugungselements heranzubringen. Typischerweise beträgt der Arbeitsabstand, welcher als Abstand des Objekts von jeglichem Element des Interferometers definiert ist, für diese bekannten Systeme weniger als 100 µm. Dies ist ein viel zu geringer Abstand für die meisten in der Fertigung auftre­ tenden Prüfungsbedürfnisse.

Einige wenige vorbekannte Formen von unempfindlich gemachten Interferometern, die mit zwei Beleuchtungswinkeln arbeiten, zwingen nicht dazu, daß das Objekt nahezu in Kontakt mit einer Komponente des Interferometers steht. Ein reprä­ sentatives Beispiel für ein derartiges Interferometer ist in der US-PS 3,958,884 beschrieben. In dieser Patentschrift sind mehrere Verfahren zum Teilen und Rekombinieren des von der Lichtquelle ausgehenden Lichts unter Verwendung von brechenden bzw. beugenden und polarisierenden Komponenten angegeben, wobei auf diese Weise ein großer Arbeitsabstand erreicht wird. Zu diesen bekannten Verfahren gehört der Einsatz eines Jamin-Interferometers, einer doppelt brechenden Doublette, eines doppelt brechenden Doublettenprismas oder einer Savart-Doublettenplatte. Ein weiteres Beispiel für ein unempfindlich gemachtes Interferometer mit großem Arbeits­ abstand wird in der US-PS 4,498,771 beschrieben. Die dort beschriebene Vorrichtung arbeitet mit einem doppelt brechenden Kristall, wie z. B. einem Wollaston-Prisma, und einem System von Spiegeln, mit dessen Hilfe der Lichtstrahl gegen das Objekt gerichtet wird.

Ein Nachteil der unempfindlich gemachten Interferometer besteht bei deren Einsatz in Verbindung mit einer breit­ bandingen bzw. diffusen Beleuchtung darin, daß die brauchbare Meßtiefe durch die Kohärenz des Lichts begrenzt wird. Dabei sei kurz erläutert, daß unter "Kohärenz" an dieser Stelle die Fähigkeit der Lichtquelle zu verstehen ist, Interferenzlinien bzw. ein Interferenzmuster zu erzeugen, wenn das Licht in zwei Teile geteilt und danach rekombiniert wird. Im allge­ meinen nimmt die Qualität bzw. der Kontrast der Interferenz­ linien mit der Differenz der Laufweglänge der optischen Pfade ab, die von den beiden Strahlen durchlaufen werden. Eine inkohärente Quelle erzeugt nur dann Interferenzmuster mit hohem Kontrast, wenn das Objekt exakt so positioniert ist, daß die optische Laufwegdifferenz zwischen den zur Inter­ ferenz gebrachten Strahlen annähernd gleich Null ist. Das Verhalten eines unempfindlich gemachten Interferometers bei Verwendung einer inkohärenten Quelle ist analog zu demjenigen eines konventionellen Weißlichtinterferometers, wie z. B. einem Mirau-Mikroskopobjektiv, wobei der Unterschied darin besteht, daß der Maßstab der Interferenzeffekte vergrößert wird. Im vorliegenden Zusammenhang bezeichnet der Begriff "Weißlicht" jede Art der Beleuchtung die im Vergleich zu Lasern, Niederdruck-Bogenlampen und ähnlichen Quellen einer im wesentlichen monochromatischen Strahlung, durch eine große spektrale Verteilung der Strahlung, gekennzeichnet ist. Die praktische Konsequenz besteht darin, daß bei Einsatz einer inkohärenten Quelle nur über demjenigen Teil des Objektes Beugungslinien erscheinen, der längs der optischen Achse des Interferometers in einen Bereich geringer Tiefe fällt. Dieser Tiefenbereich kann so klein sein, daß er nur einige wenige Vielfache der äquivalenten Wellenlänge beträgt, und ist daher für viele Sorten von großen industriell gefertigten Objekten zu klein.

Einige wenige bekannte Formen von unempfindlich gemachten Interferometern, die mit zwei Beleuchtungswinkeln arbeiten, sind gegenüber der Wellenlänge der Quellen unempfindlich und arbeiten daher gut in weißem Licht. Ein derartiges System wird in einer Parallelanmeldung der Anmelderin (US SN 08/334 939 vom 7. November 1994; US SN 08/365 589 vom 28. Dezember 1994) beschrieben. Durch Kombination von zwei oder mehr Beugungselementen projiziert die in den erwähnten früheren Anmeldungen beschriebene Vorrichtung (der Inhalt der früheren Anmeldungen ergänzt die vorliegende Anmeldung) die Meßebene auf eine bequeme Arbeitsdistanz. Die bevorzugten Ausführungsbeispiele, die in diesen Anmeldungen offenbart werden, besitzen eine äquivalente Wellenlänge Λ, die im wesentlichen unabhängig von der Wellenlänge λ der Quelle ist.

Daher kann eine große Vielfalt von Lichtquellen verwendet werden, einschließlich von Quellen für weißes Licht. Wenn jedoch die Quelle ausgedehnt ist, d. h. wenn sie einen großen Emissions- Abstrahlbereich aufweist und folglich einen räumlich inkohärenten Strahl aussendet, erscheinen die Beugungslinien nur über dem Teil des Objekts, der längs der optischen Achse des Interferometers in einen Bereich geringer Tiefe fällt. Dieser Tiefenbereich kann so klein sein, daß er nur ein geringes Vielfaches der äquivalenten Wellenlänge beträgt, und ist daher ebenfalls für viele Arten von großen industriell gefertigten Objekten zu klein.

Wenn die Objektoberfläche rauh ist, ergeben sich bei allen unempfindlich gemachten Interferometern, welche mit Licht­ strahlen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln arbeiten, generelle Schwierigkeiten. Eine gute Qualität der Beugungs­ linien bzw. der Interferenzmuster kann an einer rauhen Ober­ fläche nur dann erreicht werden, wenn die beiden Strahlen im wesentlichen an derselben Stelle auf die Oberfläche auf­ treffen, selbst wenn die Lichtquelle vollkommen kohärent ist. Wenn die Objektoberfläche rauh ist, kann die Messung daher nur über einen kleinen Tiefenbereich längs der optischen Achse des Interferometers durchgeführt werden. Dieses Charakteristikum aller geometrisch unempfindlich gemachten Interferometer schränkt deren Brauchbarkeit erheblich ein.

Aufgrund dieser Beobachtungen kann der Schluß gezogen werden, daß die vorbekannten, unempfindlich gemachten Interferometer für gewisse Meßaufgaben erhebliche Vorteile besitzen, die durch eine große äquivalente Wellenlänge erleichtert werden; diese Spektrometer besitzen jedoch hinsichtlich ihrer Fähigkeit für die Durchführung von Messungen an maschinell hergestellten Teilen mit großen Variationen in ihrer Ober­ flächentopographie zahlreiche Beschränkungen. Ferner ist keines der hier beschriebenen, unempfindlich gemachten Inter­ ferometer in der Lage, Messungen an Objekten mit diskonti­ nuierlichen Oberflächenmerkmalen oder mit einer mittleren Oberflächenrauhigkeit auszuführen, die ein Viertel der äquivalenten Wellenlänge übersteigt.

Ein völlig anderes interferometrisches Meßverfahren für die Messung der Oberflächentopographie bzw. -struktur basiert auf einem mechanischen Abtastmechanismus und einem konventio­ nellen Interferometer, welches mit weißem Licht arbeitet. Dieses Verfahren wird in der vorliegenden Anmeldung als interferometrisches Abtastverfahren mit weißem Licht (scanning white-light interferometry) bzw. als SWLI-Verfahren bezeichnet. Ein typisches Verfahren für die Durchführung von dreidimensionalen Messungen der Oberflächentopographie unter Verwendung des SWLI-Verfahrens ist in der US-PS 4,340,306 offenbart. Diese Patentschrift beschreibt ein Weiß­ licht-Interferometer, welches einen mechanisch abgetasteten Referenzspiegel, eine zweidimensionale Detektoranordnung und eine Rechnersteuerung bzw. -kontrolle umfaßt. Das in der Patentschrift offenbarte Verfahren umfaßt das Abtasten bzw. das schrittweise Bewegen entweder des Referenzspiegels oder des Objektes in diskreten Schritten, wobei in jeder Abtast­ position für jedes Pixel der Beugungslinienkontrast gemessen wird und wobei auf diese Weise für jeden Oberflächenpunkt die Position des maximalen Beugungslinienkontrastes bestimmt wird. Die Abtastposition, für die der Kontrast einen Maximal­ wert hat, ist ein Maß für die relative Höhe eines bestimmten Oberflächenpunktes. Das in der zitierten Patentschrift offen­ barte SWLI-Verfahren ist für einige spiegelnde Oberflächen, wie z. B. optische Komponenten, geeignet.

Ein weiteres, früheres SWLI-Verfahren ist in einer früheren Anmeldung der Anmelderin (US SN 08/114 707 vom 9. September 1994) beschrieben. Dieses frühere Verfahren bzw. das ent­ sprechende optische System zum Messen der Oberflächenstruktur eines Objektes umfaßt ein Interferometer mit einer mehrere Farben bzw. Wellenlängen aussendenden Quelle oder einer Weißlichtquelle, eine mechanische Abtastvorrichtung, eine zweidimensionale Detektoranordnung und digitale Signalverar­ beitungseinrichtungen zum Bestimmen der Oberflächenhöhe anhand von Interferenzdaten. Interferogramme für jeden der Bildpunkte in dem Sichtfeld des Gerätes werden gleichzeitig dadurch erzeugt, daß das Objekt annähernd senkrecht zu der von dem Interferometer beleuchteten Oberfläche abgetastet bzw. verlagert wird, während die Detektordaten in einem digitalen Speicher aufgezeichnet werden. Diese Interfero­ gramme werden dann durch eine Fourier-Analyse bzw. -Transformation in den räumlichen Frequenzbereich trans­ formiert, und die Oberflächenhöhe für jeden Punkt wird durch Auswertung der komplexen Phase als Funktion der räumlichen Frequenz erhalten. Ein abschließender Schritt besteht in der Schaffung eines vollständig dreidimensionalen Bildes, welches aus den Höhendaten aufgebaut wird sowie aus den entspre­ chenden Bildebenenkoordinaten.

Obwohl die verschiedenen früheren SWLI-Verfahren und -Einrichtungen für gewisse Arten von Objekten und Oberflächen nützlich sind, leiden sie sämtlich unter wichtigen und fundamentalen Nachteilen, nämlich einem kleinen Sichtfeld, einer hohen Unempfindlichkeit gegenüber Schwankungen des Reflexionsvermögens des Objektes und einer im Vergleich zu anderen Formen der optischen Oberflächenmessung langen Meßzeit sowie einer hohen Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen. Diese Einschränkungen sind mit der Wellenlänge des Lichts und der entsprechenden Beugungsliniendichte verknüpft.

Einer der wichtigsten fundamentalen Nachteile früherer SWLI-Einrichtungen besteht darin, daß das Sichtfeld im allgemeinen nicht größer ist als das Sichtfeld, welches mit Standard-Mikroskopobjektiven erfaßt werden muß. Zu Erzielung einer korrekten Funktion muß der Detektor, welcher die Interferenz­ daten für ein SWLI-Instrument auf zeichnet, im Vergleich zur Interferenzliniendichte eine ausreichend hohe Auflösung besitzen. Wenn das Blick- bzw. Sichtfeld der früheren SWLI-Instrumente erhöht wird, kann die Beugungsliniendichte schnell zu hoch für eine Auflösung werden, insbesondere, wenn es um rauhe Oberflächen geht. Die Toleranz gegenüber Schräg­ flächen an spiegelnden Oberflächen nimmt linear mit der Feldgröße ab, und die Sprenkel- bzw. Maserungseffekte (Speckle-pattern effects), die für Messungen an rauhen Ober­ flächen erforderlich sind, sind nur dann auflösbar, wenn die numerische Apertur (NA) des Objektivs linear abnimmt, wenn das Sichtfeld zunimmt. Die Notwendigkeit, das gesprenkelte Muster von rauhen Oberflächen aufzulösen, ist überaus entmutigend, da die Menge des gesammelten Lichts mit dem Quadrat der numerischen Apertur abnimmt. Der Lichtverlust bedeutet, daß für größere Oberflächen eine kräftigere Beleuchtung erforderlich ist. Außerdem ist der Beugungs­ linienkontrast, was noch schlimmer ist, nunmehr ein extrem variabler Parameter, und die Qualität der Messung hängt in kritischer Weise vom Abgleich zwischen den Intensitäten für den Referenzstrahl und den Objektstrahl ab.

Wegen der Probleme beim Messen großer Oberflächenbereiche sind die einzigen, im Handel erhältlichen Instrumente, die nach dem SWLI-Verfahren arbeiten, Mikroskope, die ein kreis­ rundes Sichtfeld erfassen, welches typischerweise einen Durchmesser von weniger als 5 mm hat, wie z. B. das Gerät NewView 100 der Firma Zygo Corporation, das Gerät RST der Firma WYKO Corporation, Tucson, Arizona, USA, das Gerät MICROXAM-EX der Firma Phase-Shift T´chnologies, Tucson, Arizona, USA und das Gerät 512 Optical Profiler der Firma MicroMap, Tucson, Arizona, USA. Daher liefert der Stand der Technik trotz eines erheblichen Bedarfs an Meßwerkzeugen für die Fertigungstechnik keine SWLI-Instrumente für andere Bauteile als mikroskopisch kleine Teile.

Ein weiterer, fundamentaler Nachteil der früheren SWLI-Verfahren besteht darin, daß die Datengewinnung sehr langsam vor sich geht. Das von der Firma WYCO Corporation herge­ stellte Gerät RST sammelt beispielsweise die Daten mit einer Geschwindigkeit von 0,5 µm der Oberflächentiefe pro Sekunde. Eine Oberfläche mit Oberflächenelementen mit einer Größe von 1 mm würde daher eine Abtastzeit von über 30 Minuten benö­ tigen. Die geringe Geschwindigkeit ist eine Konsequenz des in Abhängigkeit von der Abtastposition schnell variierenden Interferenzeffektes. Für exakte Messungen ist es erforder­ lich, daß diese Änderungen detailliert aufgezeichnet werden, und zwar üblicherweise mit einer Geschwindigkeit von einer Messung pro Pixel pro 75 nm der Abtastbewegung. Die geringe Geschwindigkeit schafft zusätzliche Probleme, wie z. B. eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen, thermischen Verformungen und mechanischen Spannungen während der Messung.

Ein weiterer fundamentaler Nachteil der SWLI-Verfahren ist deren hohe Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen, die teil­ weise auf die geringe Datenerfassungsgeschwindigkeit zurück­ zuführen ist und teilweise auf die extrem hohe Empfind­ lichkeit des Interferenzmusters, welches durch Vibrationen mit sehr geringer Amplitude schnell durcheinander gebracht wird. Ein SWLI-Instrument macht ganz allgemein den Einsatz sehr massiver Halterungsanordnungen und teurer Isolations­ maßnahmen gegen Vibrationen erforderlich. Selbst bei Beachtung dieser Vorsichtsmaßnahmen ist der Einsatz von SWLI-Instrumenten immer noch auf im Vergleich zu einer normalen Produktionsumgebung relativ ruhige Umgebungen beschränkt.

Infolge des dringenden Bedarfs an schnellen Meßeinrichtungen für großflächige, maschinell hergestellte Teile wurden bereits verschiedene Versuche unternommen, um den Anwendungs­ bereich für SWLI-Verfahren zu erweitern. Beispielsweise erfolgt bei einem Verfahren, welches in dem Aufsatz "Three­ dimensional imaging by sub-Nyquist sampling of white-light interferograms" von P. de Groot und L. Deck in Opt. Lett. 18(17), 1993, Seiten 1462-1464, beschrieben ist, eine sparsame Datenabtastung zum Verbessern der Geschwindigkeit der Datenbeschaffung und damit zum Verbessern des Tiefen­ bereichs des Instruments. Trotz der sparsamen Datenabtastung bleibt der Ansatz des Arbeitens mit SWLI-Verfahren grund­ sätzlich langsam, da die Notwendigkeit besteht, Inter­ ferenzmuster mit sehr dichten Beugungslinien exakt abzu­ tasten. Ein weiterer, früherer Versuch, die Meßgeschwin­ digkeit bei einem SWLI-Mikroskop zu erhöhen, ist in der US-PS 5 402 234 beschrieben. Das dort beschriebene System arbeitet mit einem speziellen Algorithmus und einem Datenpuffer zum Auswählen und Speichern des nützlichsten Teils des Inter­ ferogramms für jedes Pixel. Dieses Verfahren reduziert den Umfang der erforderlichen Datenverarbeitung zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes erheblich. Die in der zitierten Patentschrift offenbarten Prinzipien wurden in dem Gerät NewView 100 der Firma Zygo Corporation, Middlefield, Connecticut, USA, eingesetzt. Das Gerät NewView 100 benötigt jedoch immer noch exakte Datenproben eines Interferenzmusters mit hoher Interferenzliniendichte. Folglich ist die Meßge­ schwindigkeit immer noch sehr gering, und die Daten werden mit einer Geschwindigkeit von nur 2 µm der Oberflächentiefe pro Sekunde gewonnen.

Ein weiterer, früherer Versuch zur Verbesserung der Brauch­ barkeit von SWLI-Verfahren ist in dem Aufsatz "Three­ dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar" von T. Dresel, G. Haeusler und H. Venzke in Applied Optics 31(7), 1992, Seiten 919-925, beschrieben. Das dort offenbarte, optische System besitzt eine einstellbare numerische Appertur, um die mittlere Sprenkelgröße von großen, rauhen Oberflächen zu erhöhen und umfaßt eine ungewöhnliche Kombination zweier mechanischer Betätigungseinrichtungen, nämlich einer zum Verlagern des Bezugsspiegels über einen kleinen Bereich und einer weiteren zum Abtasten bzw. Verfah­ ren des Objekts in diskreten Schritten. Mehrere Zeichnungen in dem zitierten Aufsatz zeigen graphische Bilder drei­ dimensionaler Objekte einschließlich solcher Objekte, die größer sind als 5 mm im Durchmesser. Die niedrigen Lichtpegel für große Objekte und die Notwendigkeit, riesige Datenmengen zu verarbeiten, beschränken jedoch den praktischen Wert des Geräts erheblich. Außerdem ist das Verfahren der Datener­ fassung ungewöhnlich langsam und für eine schnelle optische Prüfung ungeeignet.

Zusammenfassend läßt sich bezüglich der früheren Versuche zum Erweitern der nützlichen Anwendungen von SWLI-Verfahren folgendes feststellen: Mechanische Sonden oder Abtastspitzen sind zum Messen gewisser Oberflächenmerkmale nützlich; sie sind jedoch sehr langsam, liefern nur eine begrenzte Information und können die Objektoberfläche beschädigen; frühere optische Instrumente, die auf der geometrischen Optik basieren, sind im allgemeinen weniger genau als die Geräte mit mechanischen Sonden und sind nicht für alle Arten von Oberflächen geeignet; konventionelle Interferometer sind für äußerst präzise Messungen von optischen Komponenten geeignet, jedoch nicht für die meisten Prüfungen von bzw. Messungen an maschinell hergestellten Teilen; mit mehreren Wellenlängen arbeitende Interferometer können einige der Mehrdeutig­ keitsprobleme lösen, die mit Stufen und Kanälen an spie­ gelnden Oberflächen verbunden sind, leiden jedoch im wesent­ lichen unter denselben Einschränkungen hinsichtlich der Oberflächenneigung und -rauhigkeit, wie mit einer einzigen Wellenlänge arbeitende Interferometer; unempfindlich gemachte Interferometer sind vorteilhaft für Oberflächen, die am einfachsten mit einer großen äquivalenten Wellenlänge betrachtet werden können, arbeiten jedoch nicht erfolgreich, wenn die Oberfläche im Vergleich zur äquivalenten Wellenlänge große Tiefenänderungen besitzt oder wenn die Oberfläche diskontinuierliche Merkmale hat, die größer sind als ein Viertel der äquivalenten Wellenlänge; schließlich ergeben die SWLI-Verfahren kleine Gesichtsfelder, sind empfindlich gegen Änderungen des Reflexionsvermögens der Oberfläche, sind sehr langsam und sind extrem empfindlich gegen Vibrationen.

Trotz des dringenden Bedürfnisses nach berührungslos arbei­ tenden optischen Einrichtungen zum Erfassen des Profils bzw. der Oberflächenstruktur von Objekten für eine Präzisions­ fertigung liefert also der Stand der Technik keine derartigen Einrichtungen. Die bekannten Verfahren zum optischen Erfassen von Oberflächenprofilen bzw. -strukturen sind für eine industrielle Umgebung ungeeignet, besitzen hinsichtlich der Größe, der Form und der Textur bzw. der Oberflächengestalt der Oberflächen keine ausreichende Flexibilität und sind nicht kompatibel mit einer automatischen Handhabung der Teile. Es besteht folglich ein bisher unerfülltes Bedürfnis nach einem exakten, schnellen und flexiblen Verfahren zum präzisen Messen einer Oberflächentopographie bzw. -struktur und einer entsprechenden Vorrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren bzw. eine verbesserte Vorrichtung anzugeben, die diese Bedürfnisse erfüllen.

Was das Verfahren anbelangt, so wird die gestellte Aufgabe durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Was die Vorrichtung anbelangt, so wird die gestellte Aufgabe durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 22 gelöst.

Im einzelnen wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine optische Vorrichtung zum Erfassen der Ober­ flächenstruktur eines Objektes vorgeschlagen, welche ein unempfindlich gemachtes Interferometer mit einer Lichtquelle umfaßt, bei der es sich beispielsweise um eine Glühlampe, eine Leuchtdiode oder einen Laser handeln kann. Das unempfindlich gemachte Interferometer ist dabei durch eine äquivalente Wellenlänge Λ gekennzeichnet, welche größer ist als die Wellenlänge λ des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichts; ferner ist ein bequemer Arbeitsabstand zu dem Objekt vorgesehen (beispielsweise ein Abstand von mehr als 1 mm), und die Vorrichtung besitzt die Fähigkeit, in einem Tiefen­ bereich L, welcher als die äquivalente Kohärenzlänge definiert ist, ein Interferenzmuster mit hohem Kontrast zu erzeugen. Eine Kamera mit einem Feld von Fotodetektoren wandelt das Interferenzmuster über einen Bereich von Pixeln in elektrische Signale um.

Die Meßdaten für ein oder mehr Bildpunkte, d. h. Pixel, im Sichtfeld des Interferometers, werden erzeugt, indem das Objekt bezüglich des Interferometers um einen bekannten Betrag verlagert wird, während gleichzeitig die Foto­ detektordaten in einem elektronischen Speicher aufgezeichnet werden. Die Änderung der Intensität in Abhängigkeit von der Abtastposition kann als ein näherungsweise oszillierendes Signal beschrieben werden, welches mit der äquivalenten Wellenlänge Λ verknüpft ist und durch eine Signalenveloppe moduliert ist, welche den Interferenzeffekt auf einen Bereich innerhalb der äquivalenten Kohärenzlänge L beschränkt. Das oszillierende Signal entspricht den Linien des Interferenz­ musters, und die Enveloppe des oszillierenden Signals ist der Interferenzmusterkontrast.

Die Meßdaten werden dann mit Hilfe eines Rechners analysiert, um die Oberflächenhöhe zu bestimmen, die dem einzelnen Bildpixel entspricht. Beispielsweise ist bei einem Verfahren gemäß der Erfindung die Abtastposition, für die der Inter­ ferenzmuster- bzw. Interferenzlinienkontrast einen Maximal­ wert hat, ein Maß für die relativen Höhen eines bestimmten Oberflächenpunktes. Alternativ werden bei einem abgewandelten Verfahren gemäß der Erfindung die Interferogramme durch eine Fourier-Analyse bzw. -Transformation in den räumlichen Frequenzbereich transformiert, und die Oberflächenhöhe für jeden Punkt wird durch Auswertung der komplexen Phase in Abhängigkeit von der räumlichen Frequenz erhalten.

Die vorliegende Erfindung überwindet die Bereichsbeschrän­ kungen früherer unempfindlich gemachter Interferometer, während sie gleichzeitig für ein wesentlich größeres Sicht­ feld und eine höhere Abtastgeschwindigkeit sorgt als sie mit allen früheren abtastenden Weißlicht-Interferometern erreichbar war.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden Detailbeschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Hauptkomponenten für die Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens bzw. für ein System gemäß vorliegender Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Änderung einer gemessenen Intensität als Funktion der Abtast­ position für ein Pixel im Sichtfeld;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines abgewandelten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der Erfindung und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines weiteren abgewandelten Ausführungsbeispiels einer Vorrich­ tung gemäß der Erfindung.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung zum Erfassen eines Oberflächenprofils, nämlich zum Messen des Oberflächen­ profils eines Objektes 20. Für die Beleuchtung wird mit Hilfe einer Quelle 30 gesorgt, bei der es sich beispielsweise um eine Glühlampe, eine oder mehrere Leuchtdioden, einen Laser mit einem Diffusorelement oder um eine ähnliche Quelle für die Erzeugung einer räumlich inkohärenten Beleuchtung handeln kann. Ein Lichtstrahl 40 wird gegen ein Interferometer 50 gerichtet, bei dem es sich vorzugsweise um ein unempfindlich gemachtes Interferometer handelt. Das Interferometer 50 beleuchtet das Objekt 20 mit einem Strahl 60 der aus zwei oder mehreren Strahlen zusammengesetzt sein kann (nicht gezeigt), die das Objekt im wesentlichen an derselben Stelle, jedoch unter unterschiedlichen Einfallswinkeln beleuchten. Das Interferometer 50 besitzt vorzugsweise die folgenden Charakteristiken: Eine äquivalente Wellenlänge Λ, die größer ist als die Wellenlänge λ des Lichts aus der Quelle 30; einen angemessenen Arbeitsabstand von dem Objekt 20 der beispiels­ weise größer ist als 1 mm und die Fähigkeit zur Erzeugung eines Interferenzmusters mit hohem Kontrast in einem Bereich L der hier als die äquivalente Kohärenzlänge definiert ist. Das Interferometer 50 projiziert vorzugsweise über einen Strahl 70 ein Interferenzmuster, welches für die Objektober­ fläche repräsentativ ist auf einen elektronischen Detektor 80, bei dem es sich beispielsweise um eine Fernsehkamera mit geschlossenem Kreis handeln kann oder um eine lineare Detektoranordnung oder um einen Einzelelement-Detektor.

Das Objekt 20 ist vorzugsweise auf einem mechanischen Abtastständer 90 montiert, der so ausgebildet ist, daß sich das Objekt 20 mit seiner Hilfe im wesentlichen senkrecht zu der durch das Interferometer beleuchteten Oberfläche des­ selben bewegen läßt. Die Bewegung bzw. Verlagerung des Objektes 20 mit Hilfe des Ständers 90 wird hier als Tiefen­ abtastung bezeichnet. Der Ständer 90 steht vorzugsweise unter der Kontrolle eines Rechners 100. Bei einer bevorzugten Art der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden während einer kontinuierlichen Tiefenabtastung des Objektes 20 mit Hilfe des elektronischen Detektors 80 mehrere Intensitätsmessungen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Messungen werden vorzugsweise in einem dynamischen Speicher (nicht gezeigt) des Rechners 100 gespeichert. Die auf diese Weise gewonnenen Daten werden vorzugsweise in digitaler Form als ein Feld von Interferogrammen gespeichert, und zwar jeweils eines für jeden Bildpunkt bzw. jedes Pixel im Beobachtungs- bzw. Blickfeld des Instrumentes, wobei die Änderung der Intensität als Funktion der Abtastposition dargestellt wird.

Ein typischer Verlauf der Änderung der gemessenen Intensität als Funktion der Tiefe für ein einziges Pixel ist in Fig. 2 gezeigt. Die periodischen Schwankungen, die üblicherweise als Interferenzmuster bzw. -linien bezeichnet werden, sind vorzugsweise auf einen Tiefenbereich beschränkt, der durch die nachstehend angegebene Gleichung definiert ist:

|p+z-z₀|L/2 (1)

wobei L für die äquivalente Kohärenzlänge steht, wobei p für die lokale Oberflächenhöhe steht, wobei z für die Abtast­ position steht und wobei z₀ eine Konstante ist. Der Wert von p ändert sich typischer- und vorzugsweise mit der Position an der Objektoberfläche und ist ein Maß für die Topographie der Objektoberfläche. Durch Abtasten des Objektes über einen weiten Bereich können vorzugsweise Interferogramme für alle Oberflächenpunkte gesammelt werden.

Aus dem Stand der Technik sind mehrere Verfahren zum Analysieren von Interferogrammen der in Fig. 2 gezeigten Art bekannt. Das einfachste Verfahren umfaßt das Messen der Stärke des oszillierenden Signals in dem Interferogramm als eine Funktion der Abtastposition. Dieses Signal ist dann am stärksten, wenn folgende Bedingung gilt: p = z₀-z. Die Signalstärke ist daher ein Indikator für die Oberflächenhöhe p jedes Pixels. Dieses Verfahren ermöglicht es, selbst dann sehr große Änderungen der Topographie der Objektoberfläche zu messen, wenn diese Änderungen aus dem Bereich der effektiven Kohärenzlänge L herausfallen. Alternativ kann die Analyse nach dem Verfahren der Frequenzdomänenanalyse durchgeführt werden, und zwar gemäß den Prinzipien, die in einer mit der vorliegenden Anmeldung zusammenhängenden Anmeldung der Anmelderin offenbart werden (US Serial No. 08/014 707 vom 9. September 1984 mit dem Titel "Method and Apparatus for Surface Topography Measurement by Spatial-Frequency Analysis of Interferograms". Auf die Erläuterungen in dieser Anmeldung wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen.

Die erfindungsgemäßen Verfahren der Datengewinnung und -analyse sind also in ihrer Abfolge denjenigen Verfahren ähnlich, die bei vorbekannten Systemen des sogenannten SWLI-Typs durchgeführt wurden, wobei jedoch die Interferogramme bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung statt durch die Wellenlänge λ der Quelle durch eine äquivalente Wellenlänge Λ charakterisiert sind, wodurch im Vergleich zum Stande der Technik die Anzahl der Datenpunkte die für eine vorgegebene Abtastlänge benötigt wird, um den Faktor λ/Λ reduziert wird. Weiterhin sind die elektronischen Detektoreinrichtungen in der Lage, die Interferenzmuster wesentlich leichter aufzu­ lösen als dies bei einem durch die optische Wellenlänge λ charakterisierten Interferenzmuster möglich wäre. Der Meß­ bereich kann daher im Vergleich zum Stande der Technik beträchtlich vergrößert werden.

Obwohl für die verschiedenen, hier offenbarten Ausführungs­ beispiele der Betrieb mit einer inkohärenten Quelle darge­ stellt ist, ist es auch möglich, die Ziele der vorliegenden Erfindung mit räumlich kohärentem Licht zu erreichen, voraus­ gesetzt, daß die Objektoberfläche ausreichend rauh ist, um die räumliche Kohärenz für das reflektierte Licht erheblich zu verschlechtern bzw. abzuschwächen. Die wesentliche For­ derung besteht darin, daß das Interferometer durch eine äquivalente Kohärenzlänge L charakterisiert ist, die nicht übermäßig groß ist. Im Zusammenhang mit den derzeit bekannten Verfahren der Datenanalyse läßt sich ein typischer Bereich für die brauchbare äquivalente Kohärenzlänge gemäß folgender Formel angeben:

3 Λ L 30 Λ (2)

obwohl andere Werte für L möglich sind, ohne den Grundge­ danken der Erfindung zu verlassen.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, welches derzeit bevorzugt wird und welches eine spezielle Form eines unempfindlich gemachten Interferometers umfaßt, welches im vorliegenden Fall auf den Lehren zweier früherer Anmeldungen der Anmelderin basiert (US Serial No. 08/343 939 vom 7. November 1994 und US Serial No. 08/365 589 vom 28. Dezember 1994 mit dem Titel "Method and Apparatus for Profiling Surfaces Using Diffractive Optics"). Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem mit dieser Vorrichtung gearbeitet wird, wird das Licht aus der Quelle 30 mit Hilfe einer Linse 35 zu einem der Beleuchtung dienenden Strahl 140 gebündelt. Der Strahl 140 trifft auf ein Beugungsgitter 120, welches den Strahl in einen Strahl 150 und einen Strahl 160 teilt. In einem zweiten Schritt werden die Strahlen 150 und 160 mit Hilfe eines zweiten Beugungsgitters 130 gebeugt und treffen anschließend auf das Objekt 20 auf. Infolge der Reflexion breiten sich die Strahlen rückwärts zu dem Beugungsgitter 130 aus, welches die Strahlen derart beugt, daß an der Oberfläche des Beugungsgitters 120 eine Rekombination eintritt. Die rekombinierten Strahlen werden dann zu einem gemeinsamen Ausgangsstrahl 180 gebeugt, welcher auf die Kamera 50 fokussiert wird, wo ein Interferenzmuster detektiert wird, welches repräsentativ für den optischen Weglängenunterschied für die Strahlen 150 und 160 ist.

Infolge der unterschiedlichen Einfallswinkel für die Strahlen 150 und 160 führt die vertikale Verlagerung des Objektes 20 zu einer Änderung der gemessenen Intensität in Abhängigkeit von der Tiefe. Diese Änderung der Intensität, welche für ein Pixel des Bildes als Funktion der Abtastposition gemessen wird, ist im wesentlichen dieselbe wie die in Fig. 2 gezeigte und daher durch die äquivalente Wellenlänge Λ und die äqui­ valente Kohärenzlänge L charakterisiert. Die äquivalente Wellenlänge läßt sich gemäß der folgenden Gleichung berechnen:

wobei θ der Einfallswinkel des Strahls 160 bezüglich der Oberfläche 170 des Objektes 20 ist und wobei Φ der Einfalls­ winkels des Strahls 150 bezüglich der Oberfläche 170 des Objektes ist. Man erkennt, daß im Prinzip jede effektive Wellenlänge Λλ durch geeignete Wahl der Winkel θ, Φ erzeugt werden kann. Wenn beispielsweise Φ = 20° und θ = 0° dann gilt: Λ≈16,6 λ.

Die äquivalente Kohärenzlänge L für das bevorzugte Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 3 hängt von einer Anzahl von Faktoren ab, ist jedoch in erster Linie mit dem Grad der Oberflächenrauhigkeit des Objektes 20 und der Größe des Emissionsbereichs der Quelle 30 verknüpft. Wenn daher der Emissionsbereich bzw. die Emissionsfläche einstellbar ist oder wenn allgemein die räumliche Kohärenz der Quelle variabel ist, ist es möglich, die Größe der äquivalenten Kohärenzlänge L so einzustellen, daß sie für die beabsich­ tigte Anwendung passend ist.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem mit einer abgewandelten Form eines unempfindlich gemachten Interferometers gearbeitet wird. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Licht aus der Quelle 230 mit Hilfe einer Linse 235 zu einem Strahl 200 gebündelt. Der Strahl 200 wird mit Hilfe eines Umlenkspiegels 205 reflektiert. Ein Strahlteiler 210 teilt den Lichtstrahl in zwei Strahlen 240 und 245. Der Strahl 240 wird an einem Spiegel 250 reflektiert und unter einem Einfallswinkel Φ gegen das Objekt 20 gerichtet. Der Strahl 245 wird an einem Spiegel 255 reflektiert und unter einem Einfallswinkel θ gegen das Objekt 20 gerichtet. Nach der Reflexion an dem Objekt 20 werden die Strahlen 245 und 255 jeweils mit Hilfe eines Spiegels 260 bzw. 265 reflektiert und dann mit Hilfe eines Strahlteilers 270 wieder zu einem einzigen Strahl 275 rekombiniert. Eine Linse 285 bildet das Objekt 20 auf einer Kamera 290 ab. Bei richtiger Einstellung führen die verschie­ denen Strahlenwege bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungs­ beispiel zu einem Interferenzmuster, jedoch bei einer reduzierten äquivalenten Wellenlänge Λ wie sie sich aus der Gleichung (3) ergibt. Das Interferometer arbeitet bei richtiger Einstellung mit einer inkohärenten Lichtquelle korrekt. Wenn jedoch in Verbindung mit dem betrachteten Ausführungsbeispiel eine inkohärente Quelle verwendet wird, ist der Bereich hohen Kontrastes des Beugungsmusters auf die äquivalente Kohärenzlänge L beschränkt. Die äquivalente Kohärenzlänge ist sowohl mit der spektralen Bandbreite der Quelle als auch mit der Größe der Quelle verknüpft. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind weitere Merkmale, wie z. B. das Verfahren der Datenbeschaffung und -analyse, im wesentlichen die gleichen wie für die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem mit einer abgewandelten Form eines unempfindlich gemachten Interferometers gearbeitet wird. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 wird das Licht aus einer Lichtquelle 330 mit Hilfe einer Linse 335 zu einem Strahl 300 gebündelt. Der Strahl 300 wird mit Hilfe eines doppelt­ brechenden Elements 310, bei dem es sich um ein Wollaston-Prisma oder eine ähnliche optische Komponente zur räumlichen Trennung der beiden Polarisationsrichtungen eines Licht­ strahls handeln kann, in zwei zueinander senkrechte Strahlen 340 und 345 geteilt. Eine Linse 350 bündelt die beiden Strahlen 340 und 345 gemeinsam auf das Objekt 20. Nach der Reflexion von dem Objekt 20 divergieren die Strahlen 340 und 345 bis sie mit Hilfe einer Linse 360 gebündelt werden, welche sie erneut zu einem gemeinsamen Strahl fokussiert. Ein doppelt-brechendes Element 370 rekombiniert die beiden Strahlen 340 und 345 zu einem gemeinsamen Strahl 375. Ein Polarisator ist so orientiert, daß er die Projektionen der Polarisation der Strahlen 340 und 345 zu einer gemeinsamen Polarisation kombiniert, was zu einem Interferenzeffekt führt. Eine Linse 385 bildet das Objekt dann auf eine Kamera 390 ab. Bei richtiger Einstellung führen die verschiedenen Strahlwege bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 zu einem Interferenzmuster, welches repräsentativ für die Topographie bzw. Oberflächenform des Objektes ist, jedoch bei einer verringerten äquivalenten Wellenlänge Λ wie sie sich aus Gleichung (3) ergibt. Das Interferometer arbeitet bei richtiger Einstellung auch in Verbindung mit einer inko­ härenten Lichtquelle korrekt. Wenn jedoch eine inkohärente Lichtquelle in Verbindung mit dem betrachteten Ausführungs­ beispiel eingesetzt wird, ist der Bereich hohen Beugungs­ linienkontrastes auf die äquivalente kohärente Länge L beschränkt. Die äquivalente kohärente Länge ist sowohl mit der spektralen Bandbreite der Quelle als auch mit der Größe der Quelle verknüpft. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist am besten für die Erzeugung von Bildern eines einzelnen Punktes oder einer Linie des Objektes 20 geeignet. Im Falle eines Einzelpunktbildes oder eines linearen Bildes kann es sich als vorteilhaft erweisen, in den Ständer 20 einen Mechanismus für eine seitliche Abtastung bzw. Verlagerung (nicht gezeigt) zu integrieren, um die Erzeugung eines vollständigen dreidimensionalen Bildes der Oberflächen­ struktur des Objektes 20 zu erleichtern. Was die weiteren Merkmale des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5 anbelangt, wie z. B. die Datenbeschaffung und -analyse, so sind diese im wesentlichen ebenso wie bei den zuvor beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispielen der Erfindung.

Der Fachmann erkennt, daß zusätzliche Einrichtungen und Änderungen in der Form oder in den Einzelheiten der beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen sowie der Verzicht auf gewisse beschriebene Einzelheiten möglich sind, ohne daß dabei der Grundgedanke der Erfindung verlassen werden müßte.

Zusammenfassend lassen sich folgende, wichtige Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Interferometervorrichtung zum Bestimmen der Oberflächen­ struktur eines Objektes wie folgt angeben: Es besteht die Möglichkeit, die Messungen sowohl an rauhen, als auch an spiegelnden Oberflächen durchzuführen; es besteht die Mög­ lichkeit, Messungen an Oberflächen mit großen Deformationen und starken Neigungen durchzuführen; es besteht die Möglich­ keit, das Sichtfeld gegenüber den sogenannten SWLI-Verfahren gemäß dem Stande der Technik zu erweitern; es ist eine höhere Geschwindigkeit als bei den vorbekannten SWLI-Verfahren erreichbar; es läßt sich tiefenmäßig ein größerer Bereich erfassen, als mit den bekannten unempfindlich gemachten Interferometern; es kann eine größere Arbeitsdistanz realisiert werden als bei den meisten unempfindlich gemachten Interferometern gemäß dem Stande der Technik; im Vergleich zu den meisten vorbekannten Interferometern besteht eine ver­ ringerte Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen, und es wird ein hervorragender Beugungsmusterkontrast erreicht, da beide Strahlen zwischen denen Interferenz auftritt, von der Objekt­ oberfläche reflektiert werden.

Claims (32)

1. Verfahren zum Messen des Profils der Oberfläche eines Objektes unter Einhaltung einer bequemen Arbeitsdistanz zu dem Objekt und unter Verwendung von unempfindlich gemachten Interferenzmustern von einer unempfindlich gemachten Interferometer-Vorrichtung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
die unempfindlich gemachte Interferometervor­ richtung wird unter Einsatz einer Lichtquelle be­ leuchtet, welche eine zugeordnete Wellenlänge zum Erzeugen des unempfindlich gemachten Interferenzmusters umfaßt, wobei die unempfindlich gemachte Interferometer­ vorrichtung eine zugeordnete äquivalente Wellenlänge besitzt, die größer ist als die der Lichtquelle zuge­ ordnete Wellenlänge;
es werden Meßdaten für mindestens ein Bildpixel im Sichtfeld der unempfindlich gemachten Interferometer­ vorrichtung erzeugt, indem das Objekt bezüglich der unempfindlich gemachten Interferometervorrichtung derart verlagert wird, daß sich eine Änderung ergibt, die ein Signal umfaßt, welches mit der äquivalenten Wellenlänge verknüpft ist, die durch eine Signalenveloppe moduliert ist, welche jeglichen Interferenzeffekt auf einen Be­ reich innerhalb einer äquivalenten Kohärenzlänge be­ grenzt, wobei dieses Signal dem Interferenzmuster entspricht und wobei die Enveloppe einen Beugungslinien­ kontrast für das Interferenzmuster entspricht; und
die Meßdaten werden analysiert um eine Oberflächen­ höhe zu bestimmen, welche jedem der Bildpixel ent­ spricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Meßdatenerzeugung den Schritt der Umwandlung des Interferenzmusters über ein Feld von Bildpixeln umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umwandlungsschritt den Schritt der Umwandlung des Interferenzmusters mit Hilfe von Kameraeinrichtungen umfaßt, die ein Feld von Fotodetektoren umfassen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schritt des Analysierens das Analysieren der Meßdaten mit Hilfe von Rechnerein­ richtungen umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Meßdatenerzeugung das Zurverfügung­ stellen einer bekannten Abtastposition umfaßt, für die der Beugungslinienkontrast ein Maximum ist, um ein Maß für die relative Höhe eines bestimmten Oberflächen­ punktes an der Objektoberfläche zu erhalten.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Meßdatenerzeugung ferner den Schritt der Transformation des Interferenzmusters in einem räum­ lichen Frequenzbereich umfaßt und daß der Schritt des Analysierens den Schritt der Prüfung der Phase des transformierten Interferenzmusters in Abhängigkeit von der räumlichen Frequenz umfaßt, um eine Information über die Oberflächenhöhe für jeden Punkt auf der Objektober­ fläche zu erhalten.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformationsschritt den Schritt des Trans­ formierens des Interferenzmusters in den räumlichen Frequenzbereich mit Hilfe einer Fouriertransformation umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Beleuchtens das Beleuchten der un­ empfindlich gemachten Interferometervorrichtung mit einer Laserlichtquelle umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beleuchtungsschritt den Schritt des Beleuchtens der unempfindlich gemachten Interferometervorrichtung mit einer Lichtquelle in Form einer Glühlampe umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beleuchtungsschritt den Schritt der Beleuchtung der unempfindlich gemachten Interferometervorrichtung mit einer als Leuchtdiode ausgebildeten Lichtquelle umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beleuchtungsschritt ferner den Schritt der Erzeugung eines unempfindlich gemachten Interferenzmuster hohen Kontrastes in einem Tiefenbereich umfaßt, der die äquivalente Kohärenzlänge umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Meßdatenerzeugung den Schritt der Tiefenabtastung des Objektes zur Erzeugung der Inten­ sitätsänderung als Funktion der Abtastposition umfaßt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Tiefenabtastung den Schritt der Ver­ lagerung des Objektes in einer im wesentlichen senkrecht zu der beleuchteten Oberfläche verlaufenden Richtung mit Hilfe der unempfindlich gemachten Interferometervor­ richtung umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Meßdatenerfassung ferner den Schritt der Durchführung mehrerer Intensitätsmessungen während einer kontinuierlichen Tiefenabtastung des Objektes umfaßt, um ein Feld von Interferogrammen zu liefern, und zwar jeweils eines für jedes der Bildpixel.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Meßdatenerfassung ferner den Schritt der Durchführung mehrerer Intensitätsmessungen während einer kontinuierlichen Tiefenabtastung des Objektes umfaßt, um ein Feld von Interferogrammen zu erzeugen, und zwar jeweils eines für jedes der Bildpixel.

16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der äquivalenten Kohärenzlänge einen Tiefenbereich umfaßt, der durch die folgende Beziehung definiert ist: p + z-z₀ L/2, wobei L die äquivalente Kohärenzlänge ist, wobei p die lokale Oberflächenhöhe an der Objektoberfläche ist, wobei z die Abtastposition ist und wobei z₀ konstant ist, derart, daß sich p mit der Position an der Objektoberfläche ändert und ein Maß für die Oberflächenstruktur der Objektober­ fläche darstellt.

17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Meßdatenerfassung den Schritt der Verlagerung des Objektes bezüglich der unempfindlich gemachten Interferometervorrichtung um einen bekannten Betrag umfaßt, während im wesentlichen gleichzeitig Fotodetektordaten in elektronischen Speichereinrich­ tungen aufgezeichnet werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Meßdatenerfassung ferner den Schritt der Umwandlung des Interferenzmusters über einen Bereich von Bildpixeln zur Erzeugung der Fotodetektordaten umfaßt.

19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bequeme Arbeitsabstand größer ist als die Tiefe der Oberflächenstruktur des Objektes.

20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal annähernd ein oszillierendes Signal umfaßt.

21. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal annähernd ein oszillierendes Signal umfaßt.

22. Optisches System mit Beleuchtungseinrichtungen zum Messen der Oberflächenstruktur eines Objektes, gekenn­ zeichnet durch folgende Merkmale:
die Beleuchtungseinrichtungen besitzen eine zugeordnete Wellenlänge; es ist eine unempfindlich gemachte Inter­ ferometervorrichtung bezüglich der Beleuchtungsein­ richtungen derart angeordnet, daß sie durch diese be­ leuchtet wird, wobei die Interferometervorrichtung das Objekt mit mehreren Strahlen im wesentlichen an der­ selben Stelle jedoch unter unterschiedlichen Einfalls­ winkeln beleuchtet, wobei die Interferometervorrichtung eine zugeordnete äquivalente Wellenlänge besitzt, die größer ist als die den Beleuchtungseinrichtungen zuge­ ordnete Wellenlänge, wobei die Interferometervorrichtung in einem bequemen Arbeitsabstand bezüglich des Objektes angeordnet und in der Lage ist, in einem Bereich der durch eine äquivalente Kohärenzlänge für die Interfero­ metervorrichtung definiert ist, auf diesem ein Inter­ ferenzmuster mit hohem Kontrast zu erzeugen; es sind Detektoreinrichtungen vorgesehen, die bezüglich der Interferometervorrichtung zum Erfassen eines Inter­ ferenzmusters angeordnet sind; es sind Abtastein­ richtungen vorgesehen, an denen das Objekt montierbar ist und die derart ausgebildet bzw. angeordnet sind, daß das Objekt mit ihrer Hilfe bezüglich der durch die Interferometervorrichtung beleuchteten Oberfläche verlagerbar ist, um für das Objekt eine Tiefenabtastung zu ermöglichen und eine Änderung der Intensität als Funktion der Abtastposition zu erzielen, wobei die Änderung ein Signal umfaßt, welches mit der äquivalenten Wellenlänge verknüpft ist, die durch eine Signal­ enveloppe moduliert ist, welche jeglichen Interferenz­ effekt auf diesen Bereich begrenzt, wobei das Signal dem Interferenzmuster entspricht und wobei die Enveloppe dem Beugungslinienkontrast des Interferenzmusters ent­ spricht, wobei die Detektoreinrichtungen die Intensitätsänderung detektieren, um ein Interferogramm für mindestens ein Bildpixel im Sichtfeld des Systems zu liefern; und es sind Einrichtungen zum Liefern einer Oberflächenhöhe der Objektoberfläche vorgesehen, die dem mindestens einen Bildpixel entspricht.

23. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtungen Einrichtungen zum Liefern eines Interferogramms für jedes Bildpixel im Sichtfeld umfaßt und daß die Einrichtungen zum Einstellen der Ober­ flächenhöhe Einrichtungen zum Einstellen der Ober­ flächenhöhe für jedes Bildpixel umfassen.

24. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtungen Einrichtungen zum Liefern einer kontinuierlichen Tiefenabtastung des Objektes umfassen und daß die Detektoreinrichtungen während der konti­ nuierlichen Tiefenabtastung des Objektes mehrere Intensitätsmessungen ausführen.

25. System nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtungen ferner Speichereinrichtungen zum Speichern der detektierten Interferogramme umfassen und daß die Einrichtungen zum Liefern der Information über die Oberflächenhöhe diese Oberflächenhöhe auf der Basis der gespeicherten Interferogramme ermitteln.

26. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß für den definierten Bereich folgende Beziehung gilt:
p + z - z₀ L/2, wobei L die äquivalente Kohärenzlänge ist, wobei p die lokale Oberflächenhöhe ist, wobei z die Abtastposition ist und wobei z₀ eine Konstante ist, wobei sich p mit der Position auf der Objektoberfläche ändert und ein Maß für die Oberflächenstruktur des Objektes darstellt.

27. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtungen eine Quelle von räumlich inkohärenter Strahlung umfassen.

28. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtungen einen Laser umfassen.

29. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtungen eine Glühlampe umfassen.

30. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtungen Leuchtdiodeneinrichtungen umfassen.

31. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal ein näherungsweise oszillierendes Signal ist.

32. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtungen Fotodetektoreinrichtungen um­ fassen und daß die Abtasteinrichtungen Einrichtungen zum Verlagern des Objektes bezüglich der Interferometer­ vorrichtung um eine bekannte Strecke umfassen, während sie gleichzeitig die Änderung der von den Fotodetektor­ einrichtungen erfaßten Intensität detektieren.