DE10115524A1

DE10115524A1 - Interferometrische Messvorrichtung

Info

Publication number: DE10115524A1
Application number: DE10115524A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Prinzhausen; Michael Lindner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2001-03-28
Publication date: 2001-11-15
Also published as: DE50104612D1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine interferometrische Messvorrichtung (1) zur Formvermessung einer Oberfläche eines Objekts (O) mit einer eine kurzkohärente Strahlung abgebenden Strahlungsquelle (LQ), einem Strahlteiler (ST) zum Bilden eines über einen Objektlichtweg zu dem Objekt (O) geleiteten Objektstrahls (OS) und eines über einen Referenzlichtweg zu einer reflektierenden Referenzebene (RSP) geleiteten Referenzstrahls (RS) und mit einem Bildaufnehmer (BA), der die von dem Objekt (O) und der Referenzebene (RSP) zurückgeworfene und zur Interferenz gebrachte Strahlung aufnimmt und einer Auswerteeinrichtung zum Bestimmen der Oberflächenform zuführt. Eine gute Anpassbarkeit und Handhabbarkeit auch an schwer zugänglichen Messstellen wird dadurch ermöglicht, dass im Objektlichtweg eine bezüglich des Objektes (O) starre Optik (SO) angeordnet ist und dass der starren Optik (SO) eine in Richtung ihrer optischen Achse bewegliche Optik (BO) folgt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf eine interferometrische Messvorrichtung zur Formvermessung einer Oberfläche eines Objekts mit einer eine kurzkohärente Strahlung abgebenden Strahlungsquelle, einem Strahlteiler zum Bilden eines über einen Objektlichtweg zu dem Objekt geleiteten Objektstrahls und eines über einen Referenzlichtweg zu einer reflektierenden Referenzebene geleiteten Referenzstrahls und mit einem Bildaufnehmer, der die von dem Objekt und der Referenzebene zurückgeworfene und zur Interferenz gebrachte Strahlung auf nimmt und einer Auswerteeinrichtung zum Bestimmen der Oberflächenform zu führt.

Eine interferometrische Messvorrichtung dieser Art ist in der DE 41 08 944 A1 angegeben. Bei dieser bekannfien Interferometrischen Messvorrichtung, die auf dem Messprinzip der sogenannten Weisslichtinterferometrie oder Kurzkohärenz interferometrie beruht, gibt eine Strahlungsquelle kurzkohärente Strahlung ab, die über einen Strahlteiler in einen ein Messobjekt beleuchtenden Objektstrahl und einen eine reflektierende Referenzebene in Form eines Referenzspiegels beleuchtenden Referenzsfirahl aufgeteilt wird. Um die Objektoberfläche in Tiefenrichtung abzutasten, wird der Referenzspiegel mittels eines Piezo- Stellelements in Richtung der optischen Achse des Referenzlichtwegs verfahren. Wenn der Objektlichtweg und der Referenzlichtweg übereinstimmen, ergibt sich im Bereich der Kohärenzlänge ein Maximum des Interferenzkontrasts, der mittels eines fotoelektrischen Bildaufnehmers und einer nachgeschalteten Auswerte einrichtung erkannt und zur Bestimmung der Kontur der Objektoberfläche auf der Grundlage der bekannten Auslenkposition des Referenzspiegels ausgewertet wird.

Weitere derartige Interferometrische Messvorrichtungen bzw. Interferometrische Messverfahren auf der Basis der Weisslichtinterferometrie sind in P. de Groot, L. Deck, "Surface profiling by analyis of white-light interferograms in the spatial frequency domain" J. Mod. Opt., Vol. 42, No. 2, 389-401, 1995 und T. Maack, G. Notni, W. Schreiber, W.-D. Prenzel, "Endoskopisches 3-D-Formmesssystem", in Jahrbuch für Optik und Feinmechanik, Ed. W.-D. Prenzel, Verlag Schiele und Schoen, Berlin, 231-240, 1998 angegeben.

Bei den genannten Interferometrischen Messvorrichtungen bzw. Messverfahren besteht eine Schwierigkeit darin, Messungen an unterschiedlichen, insbesondere schwer zugänglichen Stellen, wie z. B. in tiefen Hohlräumen bzw. engen Kanälen mit ausreichender lateraler Auflösung vorzunehmen. In der (nicht vorveröffent lichten) deutschen Patentanmeldung Nr. 199 48 818 ist zum Beheben dieses Problems vorgeschlagen, in dem Arm des Objektlichtwegs mindestens eine Zwi schenabbildung zu erzeugen, womit eine größere laterale Auflösung auch bei einem engen Hohlraum oder engen Kanal erreicht wird. Andererseits ergibt sich aus einer Vergrößerung der numerischen Appertur eine geringere Schärfentiefe und auch eine Abtastung eines Oberflächenbereichs, dessen Normale (Blick richtung) schräg zur Achse der Abbildungsvorrichtung des Objektlichtwegs orientiert ist, führt zu Problemen bei der Abtastung in Tiefenrichtung.

Das Problem, bei der Tiefenabtastung den Bereich der Schärfentiefe einzuhalten, lässt sich dadurch umgehen, dass nicht die Referenzebene bzw. der diese bildende Referenzspiegel bewegt wird, sondern der Referenzlichtweg fest gehalten und statt dessen der Objektlichtweg geändert wird. Dies kann wiederum auf zweierlei Art erfolgen, nämlich zum einen dadurch, dass das Objekt selbst in Tiefenrichtung bewegt wird, oder zum andern dadurch, dass der interferometrische Teil des Messgerätes relativ zum Objekt bewegt wird. Zwar sind derartige Änderungen des Objektlichtwegs als Maßnahme zur Tiefenabtas tung in der Weisslichtinterferometrie beispielsweise aus den vorstehend genannten Zeitschriftenartikeln an sich bekannt, jedoch sind sie technisch insbesondere bei der Fertigung von Teilen schwer zu verwirklichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Mess vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine einfache Anpassbarkeit an verschiedene Messprobleme gestattet, wobei das Erreichen eines möglichst guten Messergebnisses bei möglichst einfachem Aufbau und möglichst einfacher Messdurchführung begünstigt wird.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, dass im Objektlichtweg eine bezüglich des Objektes (während der Messung) starre Optik angeordnet ist und dass der starren Optik eine in Richtung ihrer optischen Achse (während der Messung) bewegliche Optik folgt.

Mit der starren Optik und der ihr nachgeschalteten beweglichen Optik ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, auf einfache Weise verschiedene Oberflächen auch an schwer zugänglichen Stellen zu vermessen. Beispielsweise ergibt sich mit einem Ablenkelement die Möglichkeit, eine schräg zur Bewegungsrichtung der Tiefenabtastung (Tiefenscan) gerichtete Oberfläche positionsgetreu in Tiefenrichtung abzutasten. Mit anderen, die Wellenfront verformenden Abbil dungselementen, wie refraktiven, diffraktiven oder reflektiven Elementen (z. B. Linsen, Konkavspiegel, Gitter etc.) oder einer Kombination derartiger optischer Elemente ergeben sich weitere Anpassmöglichkeiten an ein jeweiliges Messprob lem, ohne den Gesamtaufbau der Messvorrichtung aufwendig modifizieren zu müssen.

Ist vorgesehen, dass die starre Optik ganz oder teilweise als Endoskop aus gebildet ist, so ergibt sich die Möglichkeit, auch bei einer Messung in engen Hohlräumen eine relativ große laterale Auflösung zu erzielen.

Mit der Maßnahme, dass die starre Optik Teil einer ein Zwischenbild erzeu genden Optik ist, wird der Aufwand, die Messvorrichtung an verschiedene Messaufgaben anzupassen, weiterhin wesentlich begünstigt. Hierbei ist es besonders günstig, wenn sich das Zwischenbild der im Zwischenbild erzeugenden Optik im Objektlichtweg befindet.

Zum Erreichen einer gegen laterale Relativbewegung des Objektes robusten Messung ist vorteilhaft vorgesehen, dass die starre Optik das Objekt nach Unendlich abbildet.

Verschiedene Aufbauten bestehen darin, dass die bewegliche Optik ganz außer halb, teilweise innerhalb und außerhalb, oder ganz innerhalb des Objektlicht weges liegt.

Mit den Maßnahmen, dass die bewegliche Optik ganz oder teilweise aus opti schen Elementen besteht, die in der optischen Achse beweglich sind, lässt sich z. B. einfach ein Zoom-Objektiv aufbauen.

Zur Genauigkeit der Messung tragen die Maßnahmen bei, dass ein Bild der Refe renzebene im Schärfentiefebereich der das Objekt auf dem Bildaufnehmer abbil denden Optik (abbildende Optik) liegt. Hierbei ist es vorteilhaft, dass das Bild der Referenzebene in der Bildebene der abbildenden Optik liegt, und weiterhin, dass sich das Bild der Referenzebene bei Bewegung der beweglichen Optik synchron mit der Bildebene der abbildenden Optik bewegt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindung besteht desweiteren darin, dass die starre Optik als starre Zwischenabbildungsvorrichtung ausgebildet ist, mit der mindestens ein zum Objekt starres Zwischenbild der Objektoberfläche - vor zugsweise im Objektlichtweg - erzeugt wird, und dass als bewegliche Optik eine im Strahlengang hinter dem starren Zwischenbild folgende Objektiv-Optik in Richtung ihrer optischen Achse beweglich zur Abtastung des normal zu dieser Achse ausgerichteten starren Zwischenbilds in Tiefenrichtung und Abbilden desselben direkt oder über eine oder mehrere Zwischenabbildungen auf dem Bildaufnehmer ausgebildet ist. Durch die Erzeugung des z. B. im Objektlichtweg liegenden starren Zwischenbilds der Objektoberfläche mit der starren Zwischen bildabbildungsvorrichtung in dem Objektlichtweg wird zum einen auch in engen Kanälen oder Bohrungen die zu messende Objektoberfläche mit relativ großer lateraler Auflösung erfassbar und mit dem Bildaufnehmer und der nachgeschal teten Auswerteeinrichtung hinsichtlich der Tiefenstruktur auswertbar. Die Abtastung des starren Zwischenbildes ist mit relativ einfachen Maßnahmen mög lich, da zu seiner Tiefenabtastung nur wenige optische Komponenten des Ob jektlichtwegs bewegt werden müssen, wobei die jeweils abgetastete Tiefe des starren Zwischenbilds stets im Schärfentiefenbereich der beweglichen Objektiv- Optik bleibt, da durch die Tiefenabtastung (Tiefenscan) die Objektebene der bewegten Objektiv-Optik gleichsam durch das starre Zwischenbild hindurch be wegt wird und auf diese Weise die Interferenzmaxima im Bereich größter Schär fe ausgewertet werden. Darüber hinaus ist das starre Zwischenbild stets normal zur Bewegungsrichtung der Objektiv-Optik gerichtet bzw. ausrichtbar, da auch eine bezüglich der Achse des Objektlichtwegs schräge Anordnung der betrach teten Objektoberfläche leicht normal zur Achse der bewegten Objektiv-Optik abbildbar ist. Dadurch lassen sich ohne Weiteres Oberflächenbereiche vermes sen, deren Normale schräg zur Bewegungsrichtung der Objektiv-Optik gerichtet ist.

Die Abbildungsqualität und Genauigkeit der Auswertung wird dadurch begüns tigt, dass die Zwischenabbildungsvorrichtung einen für alle im Zwischenbild abgebildeten Objektpunkte gleichen Abbildungsmaßstab besitzt. Beispielsweise kann dabei der Aufbau derart sein, dass die Zwischenabbildungsvorrichtung als telezentrische Abbildungsvorrichtung in 4f-Anordnung ausgebildet ist.

Zum Erzielen genauer Messergebnisse ist weiterhin vorteilhaft, dass in dem Referenzlichtweg zur Kompensation eine der Optik im Objektlichtweg zumindest teilweise entsprechende (bzw. identische) Optik vorhanden ist.

Eine für die flächige Auswertung des betrachteten Oberflächenbereichs vor teilhafte Ausbildung der Messvorrichtung besteht darin, dass der Bildaufnehmer flächig angeordnete Bildaufnahmeelemente (Pixels) aufweist und dass für jedes Pixel die Position der Objektiv-Optik detektiert wird, bei welcher der höchste Interferenzkontrast auftritt.

Die Tiefenabtastung einer schräg angeordneten Objektoberfläche wird auf ein fache Weise dadurch ermöglicht, dass bei einer von der Normalen der Objekt oberfläche abweichenden Blickrichtung der Zwischenabbildungsvorrichtung eine Abbildungseinheit zum Erzeugen des Zwischenbilds vorgesehen ist.

Ein einfacher, gut handhabbarer Aufbau der Messvorrichtung wird dadurch be günstigt, dass eine bewegliche Einheit außer der beweglichen Objektiv-Optik, eine Beleuchtungseinheit mit der Lichtquelle und den Strahlteiler oder außer der beweglichen Objekt-Optik nur den Strahlteiler umfasst.

Eine für die Handhabung und den Aufbau günstige Gestaltung der Messvorrich tung besteht weiterhin darin, dass die starre Zwischenabbildungsvorrichtung als Endoskop ausgebildet ist.

Mit den Maßnahmen, dass zur Beleuchtung des Objekts und der Referenzebene eine Faseroptik vorgesehen ist, ergibt sich der Vorteil, dass Reflexionen an den Linsen der Abbildungsvorrichtung reduziert werden.

Verschiedene Ausbildungsmöglichkeiten der Lichtwege ergeben sich dadurch, dass der Objektlichtweg und der Referenzlichtweg sowie weitere Lichtwege als Linsen Achromate, Grin-(Gradient-Index-)Linsen oder Stablinsen aufweisen.

Die Formvermessung wird dadurch begünstigt, dass in der abbildenden Optik innerhalb oder außerhalb des Objektlichtweges sich ein optisches Element befindet, durch welches das Bild in eine für die Auswertung günstige Lage drehbar ist.

Die Zugänglichkeit einer Messstelle innerhalb eines Objekts kann dadurch er leichtert werden, dass in dem Objektlichtweg als starre Optik oder Teil der starren Optik ein Klapp-Endoskop angeordnet ist, das in mindestens zwei Klappstellungen mit einem Winkel zwischen einem eingeklappten und einem ausgeklappten Zustand einstellbar ist.

Dabei ist vorteilhaft vorgesehen, dass das Klapp-Endoskop zwei mit einem Gelenk miteinander verbundene Tuben aufweist, in denen optische Komponen ten des Klapp-Endoskops einschließlich eines Ablenkelements untergebracht sind.

Die Klappstellungen lassen sich leicht dadurch einstellen, dass im Bereich des Gelenks ein mit beiden Tuben zusammenwirkender Federmechanismus angeord net ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug nahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A und 1B eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer interferometrischen Messvorrichtung mit einer bezüglich eines Objektes starren Ablenkeinheit in zwei verschiedenen Tiefenabtast positionen,

Fig. 2A und 2B eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der interfero metrischen Messvorrichtung, wobei das Ablenkelement durch ab bildende, die Wellenfront verformende Elemente ersetzt ist, in zwei verschiedenen Abtastpositionen,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der interferometrischen Mess vorrichtung, mit einer anderen Anordnung der optisch starren Elemente im Objektlichtweg,

Fig. 4A und 4B ein weiteres Ausführungsbeispiel der interferometrischen Mess vorrichtung, bei dem die Größe einer bewegten Einheit des Refe renzlichtweges verkleinert ist,

Fig. 5A und 5B ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem sowohl bewegliche Op tik als auch der Referenzspiegel bewegt werden,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer interferometrischen Messvorrichtung,

Fig. 7 eine Darstellung der interferometrischen Messvorrichtung nach Fig. 6 mit einer Anordnung zur Vermessung einer schrägen Objektober fläche,

Fig. 8 ein weiteres Beispiel der interferometrischen Messvorrichtung, bei der die Anzahl bewegter Elemente gegenüber den Fig. 6 und 7 ver ringert ist,

Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel der interferometrischen Mess vorrichtung, bei der die Anzahl bewegter Elemente weiterhin ver ringert ist,

Fig. 10 eine weitere Ausführungsform der interferometrischen Messvorrich tung, bei der zur Beleuchtung eine Lichtleitphaseranordnung vorge sehen ist,

Fig. 1l eine weitere Ausführungsform der interferometrischen Messvorrich tung mit einer Einrichtung zum Drehen des Bildes,

Fig. 12 eine Ausgestaltung der interferometrischen Messvorrichtung mit einem Klapp-Endoskop während eines Einführvorganges,

Fig. 13 die Messvorrichtung nach Fig. 12 in Messposition und

Fig. 14a) bis c) verschiedene Darstellungen des Klapp-Endoskops.

Bei einer in Fig. 1A und 1B gezeigten interferometrischen Messvorrichtung 1 wird kurzkohärente Strahlung einer Strahlungsquelle bzw. Lichtquelle LQ (z. B. einer Leuchtdiode oder Superlumineszenzdiode), deren Kohärenzlänge typischer weise in der Größenordnung von ca. 10 µm (z. B. 3 bis 100 µm) liegt, über eine Linse L4 und weitere optische Elemente auf einen Strahlteiler ST geführt und in diesem in einen zu einer Oberfläche eines Objekts O geleiteten Objektstrahl OS und einen zu einem Referenzspiegel RSP geleiteten Referenzstrahl RS aufgeteilt.

In dem Objektlichtweg bzw. Objektarm ist eine starre Optik SO in Form einer re flektierenden Ablenkeinheit AE vor dem Objekt O in der Weise angeordnet, dass das schräg gestellte Objekt O stets senkrecht zu seiner Oberfläche in Tiefen richtung abgetastet wird, wie die Fig. 1A und 1B erkennen lassen, in denen zwei verschiedene Abtasttiefen dargestellt sind, die durch die Auslenkung einer be wegten Einheit BEW mittels eines daran angebrachten Bewegungserzeugers BE, beispielsweise eines Piezoelementes bewirkt werden. Eine virtuelle Referenz ebene VR liegt dadurch in der Normalenrichtung in verschiedenen Tiefen bezüg lich des Objektes O. Die starre Optik SO, die vorliegend durch die Ablenkeinheit AE gebildet wird, ist starr bezüglich des Objektes O. Ihr folgt im Strahlengang eine bewegliche Optik BO, die in der bewegten Einheit BEW in dem Strahlen gang zwischen dem Strahlteiler ST und dem Bildaufnehmer A angeordnet ist.

Wenn bei der Tiefenabtastung durch die Bewegung der bewegten Einheit BEW der Objektlichtweg und der Referenzlichtweg übereinstimmen, ergibt sich im Bereich der Kohärenzlänge ein Maximum des Interferenzkontrasts, der mittels des photoelektrischen Bildaufnehmers BA und einer nachgeschalteten Auswerte einrichtung erkannt und zur Bestimmung der Kontur der Objektoberfläche auf der Grundlage der bekannten Auslenkposition ausgewertet wird.

Bei dem in den Fig. 2A und 2B gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel, in denen wiederum zwei unterschiedliche Auslenkpositionen der bewegten Einheit BEW mittels des Bewegungserzeugers BE dargestellt sind, ist gegenüber dem vorher gehenden Ausführungsbeispiel die starre Optik SO anders ausgebildet, nämlich durch abbildende, die Wellenfront verformende Elemente in Form von Linsen L2, L3. Mit der starren Optik SO wird ein starres Zwischenbild in einer Zwischen bildebene ZE erzeugt, das mittels der in der bewegten Einheit BEW befindlichen bewegten Optik in Tiefenrichtung abgetastet wird. Mit dieser Maßnahme ergibt sich eine einfache Anpassungsmöglichkeit einer an sich gleichbleibenden Ab tasteinheit an unterschiedliche Messsituationen, wobei z. B. eine Messung in engen Hohlräumen bei relativ großer lateraler Auflösung erreicht wird. Auch ergibt sich kein Problem hinsichtlich der Schärfentiefe, da die Objektoberfläche stets optimal bezüglich der abbildenden beweglichen Optik BO ausgerichtet ist. Das Objekt O wird über die abbildende Optik, die die starre Optik SO und die bewegliche Optik BO enthält, auf dem Bildaufnehmer BA abgebildet. Durch geeignete Anordnung der Komponenten in der bewegten Einheit BEW kann er reicht werden, dass das Bild der Referenzebene VR mit der Bildebene der abbildenden Optik bewegt wird.

Bei einem in Fig. 3 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die starre Optik SO ein abbildendes, der Wellenfront veränderndes Element in Form der Linse L3 und eine Ablenkeinheit in Form eines brechenden Elementes, so dass wiederum eine bezüglich der Tiefenabtastrichtung schräg liegende Objektober fläche stets positionsgetreu vermessen wird. Ein weiteres, die Wellenfront veränderndes Element in Form der Linse L2 liegt hierbei jedoch innerhalb der bewegten Einheit BEW, so dass sich hierbei zwar ebenfalls eine einfache An passungsmöglichkeit an eine Abtastvorrichtung ergibt, andererseits aber der Tiefenmessbereich auf die Schärfentiefe eingeschränkt ist, da die Gesamtbild ebene nicht mit der Tiefenabtastung mit wandert. Die starre Optik SO bildet das Objekt nach unendlich ab.

Bei dem in den Fig. 4A und 4B ebenfalls in zwei verschiedenen Abtaststellungen gezeigten Ausführungsbeispiel ist die bewegte Einheit BEW sehr klein ausgebil det, wobei ein größerer Durchmesser von Abbildungslinsen im Referenzlichtweg in Verbindung mit der Strahlverteilung auf dem Strahlteiler ST genutzt wird.

Bei einem in den Fig. 5A und 5B gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel sind jeweils eine bewegte Einheit BEW im Referenzlichtweg und im Objektlichtweg vorgesehen, die synchron mittels eines jeweils zugeordneten Bewegungserzeu gers BE ausgelenkt werden.

Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Fig. 6 bis 10 gezeigt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist in dem Objektlichtweg bzw. Objektarm als starre Optik SO eine bezüglich des Objektes O starre Zwischenab bildungsvorrichtung SO (im Folgenden auch als Bajonett-Optik bezeichnet) mit Zwischenabbildungs-Linsen L2, L3 angeordnet, mit der ein starres Zwischenbild SZB der Objektoberfläche erzeugt wird. Der Referenzlichtweg entspricht in seiner Länge dem Objektlichtweg, so dass eine virtuelle Referenz VR im Bereich der Objektoberfläche liegt. Ein Bild der virtuellen Referenz VR wird als Bild der Referenzebene BR im Bereich des starren Zwischenbilds SZB mit der Bajonett- Optik SO erzeugt. Die Bajonett-Optik SO ist für einen günstigen Aufbau und eine günstige Handhabung endoskopartig ausgebildet und beispielsweise an einem das übrige optische System enthaltenden Gehäuse angesetzt. Eine andere Mög lichkeit besteht darin, dass die Bajonett-Optik SO von dem Gehäuse mechanisch getrennt und an dem Objekt O ortsfest angekoppelt ist.

Der Referenzlichtweg bzw. Referenzarm enthält den optischen Elementen des Objektarms im Wesentlichen entsprechende optische Elemente als kompensierte Optik KSO, so dass störende optische Eigenschaften der Optik im Objektlicht weg kompensiert werden.

Das von der Bajonett-Optik SO erzeugte starre Zwischenbild SZB wird in Tiefen richtung, d. h. parallel zu seiner Normalen mittels der parallel zur Normalen richtung, d. h. entlang ihrer optischen Achse beweglichen Optik BO in Tiefen richtung abgetastet (Tiefenscan). Das Bild der Referenzebene BR liegt im Schär fentiefenbereich des beweglichen Objektivs, vorzugsweise in der Objektebene des beweglichen Objektivs bzw. der beweglichen Objektiv-Optik. Die Tiefenab tastung erfolgt, indem das bewegliche Objektiv BO relativ zu dem starren Zwi schenbild SZB bewegt wird, wobei gewährleistet ist, dass sich das Bild der Re ferenzebene BR synchron mit der beweglichen Objektiv-Optik BO bewegt.

Dadurch wird mit der Abtastung des beweglichen Objektivs BO das Bild der Re ferenzebene BR durch das starre Zwischenbild SZB bewegt.

Das starre Zwischenbild SZB wird von der beweglichen Objektiv-Optik BO direkt oder über mindestens eine Zwischenabbildung auf einen eine Vielzahl von ne beneinander liegenden Bildaufnahmeelementen aufweisenden Bildaufnehmer BA, z. B. eine CCD-Kamera abgebildet und in einer nachfolgenden Auswerteeinrich tung zum Bestimmen der Oberflächenform z. B. durch Detektieren der Maxima des Interferenzkontrastes ausgewertet, wobei die jeweilige Position des beweglichen Objektivs BO zugrunde gelegt wird.

Im Bild des Objektes auf dem Bildaufnehmer BA tritt hoher Interferenzkontrast dann auf, wenn ein Gangunterschied in dem Objektarm und dem Referenzarm kleiner als die Kohärenzlänge ist. Zur Gewinnung eines 3D-Höhenprofils können verschiedene, an sich bekannte Verfahren (vgl. die eingangs genannten Druck schriften) angewendet werden.

Der in Fig. 6 und auch den nachfolgenden Figur gezeigte Aufbau beinhaltet bei spielhaft ein Michelson-Interferometer. Mit der starren Bajonett-Optik SO können auch mehrere Zwischenabbildungen erzeugt werden. Für die Abtastung wird der strichliert dargestellte Bereich bewegt, der z. B. innerhalb eines Gehäuses liegen kann, auf das in Bajonett-Optik SO aufgesetzt ist. Alternativ kann die Bajonett- Optik SO auch von dem Gehäuse getrennt und mit dem Objekt ortsfest verbun den sein.

Bei dem in Fig. 7 gezeigten Aufbau ist die zu vermessende Oberfläche des Ob jekts O bezüglich der optischen Achse der Bajonett-Optik SO schräg angeordnet und vor dem Objekt ein Ablenkelement AE oder eine andere Abbildungseinheit positioniert, über das ein bezüglich der optischen Achse des beweglichen Ob jektivs BO normal ausgerichtetes starres Zwischenbild SZB erzeugt wird. Über die Abtastung des starren Zwischenbilds SZB ist die Abtastung der schrägen Ob jektoberfläche mit einfachen Maßnahmen durchführbar, da dis Blickrichtung der optischen Achse des beweglichen Objektivs BO auf das Zwischenbild 0° besitzt. Die Abtast-Achse muss nun nur parallel zur Achse des beweglichen Objektivs BO gerichtet sein. Damit ist die Blickrichtung der Bajonett-Optik SO unabhängig von der Abtast-Achse der Tiefenabtastung.

Bei dem in Fig. 8 gezeigten Aufbau der interferometrischen Messvorrichtung 1 ist die Anzahl der bewegten Komponenten, die die Tiefenabtastung ausführen, wesentlich reduziert, wie die Anzahl der in dem strichlierten Bereich darge stellten Elemente zeigt, die im Wesentlichen den Referenzarm, den Strahlteiler ST sowie das bewegliche Objektiv BO umfasst.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die interferometrische Messvorrichtung 1 mit Abtastung des starren Zwischenbilds SZB ist in Fig. 9 wiedergegeben. Hier bei wird außer dem beweglichen Objektiv BO der Strahlteiler ST und die Be leuchtungseinheit mit der Lichtquelle LQ bewegt. Eine geringe Verschiebung des Referenzstrahls quer zur optischen Achse des Referenzarms wirkt sich wegen der relativ geringen Abtast-Bewegungsstrecke auf das Messergebnis praktisch nicht aus.

Bei dem in Fig. 10 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Objekt O alternativ über eine Faseroptik mit Lichtleitern LL beleuchtet, die zumindest zum Teil innerhalb der Bajonett-Optik SO verläuft. Diese faseroptische Beleuchtung hat den Vorteil, dass Reflexionen an den Linsen der Bajonett-Optik SO reduziert werden. Zum Abgleich der optischen Weglängen und der Dispersion in dem Ob jektarm und dem Referenzarm sollten die Faserlängen und Geometrien in den beiden Interferometerarmen möglichst übereinstimmend gewählt werden.

Für die in der interferometrischen Messvorrichtung enthaltenen Linsen können verschiedene Ausbildungsformen gewählt werden, z. B. Achromate, Grin-(Gra dient-Index-)Linsen oder Stablinsen.

In dem in Fig. 1l gezeigten Ausführungsbeispiel ist in der abbildenden Optik ein optisches Element DE zum Drehen des Bildes enthalten. Wird die starre Optik SO bezüglich des Objektes gedreht, z. B. zur Messung verschiedener Segmente eines radialsymmetrischen Objektes (etwa ein Ventilsitz), so dreht sich auf dem Bild aufnehmer BA ebenfalls das Bild des Objektes O. Es ist jedoch vorteilhaft, auf dem Bildaufnehmer BA ein festes Bild des Objektes zu haben. Dies kann erreicht werden, indem in der abbildenden Optik, vorzugsweise außerhalb des Objekt lichtweges, ein optisches Element (z. B. Reversions-, Dove-Prisma, etc.) vor gesehen ist, durch welches die Drehung des Bildes wieder ausgeglichen werden kann.

In den Fig. 12 bis 14 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der interferometri schen Messvorrichtung dargestellt, wobei die starre Optik SO als ein Klapp- Endoskop KL ausgeführt ist.

Das Klapp-Endoskop KL besteht beispielsweise aus zwei Tuben T1, T2, die je weilige Tubusachsen TA1, TA2 aufweisen und mit einem Gelenk G miteinander verbunden sind, um eine Schwenkachse KA des einen Tubus T1 relativ zu dem anderen Tubus T2 zu bilden. Die beiden Tuben T1, T2 können beispielsweise zwei verschiedene Klappstellungen einnehmen, die sich um einen Klappwinkel a unterscheiden, wie aus den Fig. 14b) und c) ersichtlich. Vorliegend sind die beiden Tuben T1, T2 mechanisch so gefertigt, dass die beiden Tubusachsen TA1, TA2 im eingeklappten Zustand einen Winkel von 0° bilden, während sie im ausgeklappten Zustand um den vorgegebenen Klappwinkel a zueinander orien tiert sind. Zwischen den Tuben T1, T2, die die optischen Komponenten OKL des Klapp-Endoskops in sich aufnehmen, befindet sich im Bereich des Gelenkes G ein Federmechanismus mit einer Feder F. Ist das Klapp-Endoskop KL im einge klappten Zustand, so ist die Feder F gespannt, während sie im ausgeklappten Zustand entspannt ist. Die Endoskop-Optik ist vorliegend für den ausgeklappten Zustand ausgelegt. Die Endoskop-Optik enthält mindestens ein optisches Ab lenkelement, z. B. einen Spiegel KSP, der im Bereich des Gelenkes G angeordnet ist. Als Ablenkelemente sind auch Prismen oder Gitter denkbar, durch welche die optische Achse entsprechend den Tubusachsen TA1, TA2 umgelenkt wird. Wie Fig. 12 zeigt, ist bei der Einführung in das Objekt O das Klapp-Endoskop KL im eingeklappten Zustand. Dies kann bei gespannter Feder durch eine eigene Füh rung des Endoskops erreicht werden. Als Führung kann aber auch das Objekt selbst dienen, z. B. eine Führungsbohrung bei einer Ventilsitzmessung, wie die Fig. 12 und 13 zeigen. Ist das Klapp-Endoskop KL vollständig in das Objekt O bzw. das Bauteil eingeführt, soll das Gelenk G frei liegen, so dass das Klapp- Endoskop KL den ausgeklappten Zustand einnehmen kann. Das Klapp-Endoskop KL ist so gefertigt, dass im ausgeklappten Zustand genau die Messstelle MST beobachtet wird.

Die zu beobachtende Objektoberfläche wird durch das Klapp-Endoskop KL im ausgeklappten Zustand mit einer ebenen Welle beleuchtet und direkt oder über ein Zwischenbild auf den Bildaufnehmer BA (z. B. CCD-Kameral abgebildet. Im Referenzlichtweg wird der Referenzstrahl RS von dem Referenzspiegel RSP re flektiert. Zur Kompensation der Endoskopoptik kann auch hier in dem Refe renzlichtweg bzw. Referenzarm eine der Endoskop-Optik ähnliche oder ent sprechende Optik eingesetzt werden. Die Datenauswertung erfolgt wie im Zu sammenhang mit den vorangehenden Ausführungsbeispielen beschrieben.

Das Interferometer kann auch hierbei anders als ein Michelson-Interferometer realisiert werden (z. B. als Common-Path, Mach-Zehnder, etc.).

Claims

1. Interferometrische Messvorrichtung (1) zur Formvermessung einer Ober fläche eines Objekts (O) mit einer eine kurzkohärente Strahlung abge benden Strahlungsquelle (LQ), einem Strahlteiler (ST) zum Bilden eines über einen Objektlichtweg zu dem Objekt (O) geleiteten Objektstrahls (OS) und eines über einen Referenzlichtweg zu einer reflektierenden Referenz ebene (RSP) geleiteten Referenzstrahls (RS) und mit einem Bildaufnehmer (BA), der die von dem Objekt (O) und der Referenzebene (RSP) zurück ge worfene und zur Interferenz gebrachte Strahlung aufnimmt und einer Aus werteeinrichtung zum Bestimmen der Oberflächenform zuführt, dadurch gekennzeichnet,
dass im Objektlichtweg eine bezüglich des Objektes (O) starre Optik (SO) angeordnet ist und
dass der starren Optik (SO) eine in Richtung ihrer optischen Achse be wegliche Optik (BO) folgt.

2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die starre Optik (SO) die Wellenfront verformende Elemente auf weist.

3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die starre Optik (SO) ganz oder teilweise als Endoskop ausgebildet ist.

4. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die starre Optik Teil einer ein Zwischenbild erzeugenden Optik ist.

5. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die starre Optik (SO) das Objekt nach Unendlich abbildet.

6. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Optik (BO) ganz außerhalb, teilweise innerhalb und außerhalb, oder ganz innerhalb des Objektlichtweges liegt.

7. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Optik (BO) ganz oder teilweise aus optischen Ele menten besteht, die in der optischen Achse beweglich gelagert sind.

8. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bild der Referenzebene (VR) im Schärfentiefebereich der abbil denden Optik liegt.

9. Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bild der Referenzebene (VR) in der Bildebene der abbildenden Optik liegt.

10. Messvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Bild der Referenzebene (VR) bei Bewegung der beweglichen Optik (BO) synchron mit der Bildebene der abbildenden Optik bewegt.

11. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die starre Optik (SO) als starre Zwischenabbildungsvorrichtung (L2, L3) ausgebildet ist, mit der mindestens ein zum Objekt (O) starres Zwi schenbild (SZB) der Objektoberfläche erzeugt wird, und
dass als bewegliche Optik (BO) eine im Strahlengang hinter dem starren Zwischenbild (SZB) folgende Objektiv-Optik in Richtung ihrer optischen Achse (ROA) beweglich zur Abtastung des normal zu dieser Achse ausge richteten starren Zwischenbilds (SZB) in Tiefenrichtung (Z) und Abbilden desselben direkt oder über eine oder mehrere Zwischenabbildungen auf dem Bildaufnehmer (BA) ausgebildet ist.

12. Messvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenabbildungsvorrichtung (L2, L3) einen für alle im Zwi schenbild (SZB) abgebildeten Objektpunkte gleichen Abbildungsmaßstab besitzt.

13. Messvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenabbildungsvorrichtung (L2, L3) als telezentrische Ab bildungsvorrichtung in 4f-Anordnung ausgebildet ist.

14. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Referenzlichtweg zur Kompensation eine der Optik im Objekt lichtweg zumindest teilweise entsprechende Optik (KSO) vorhanden ist.

15. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Bildaufnehmer (BA) flächig angeordnete Bildaufnahmeelemente (Pixels) aufweist und
dass für jedes Pixel die Position der Objektiv-Optik (BO) detektiert wird, bei welcher der höchste Interferenzkontrast auftritt.

16. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer von der Normalen der Objektoberfläche abweichenden Blickrichtung der Zwischenabbildungsvorrichtung (L2, L3) eine Ablenk einheit (AE) zum Erzeugen des Zwischenbilds (SZB) vorgesehen ist.

17. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine bewegliche Einheit außer der beweglichen Objektiv-Optik (BO), eine Beleuchtungseinheit mit der Lichtquelle (L2) und den Strahlteiler (ST) oder außer der beweglichen Objektiv-Optik (BO) nur den Strahlteiler (ST) umfasst.

18. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 l bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die starre Zwischenabbildungsvorrichtung (L2, L3) als Endoskop ausgebildet ist.

19. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beleuchtung des Objekts (O) und der Referenzebene (RSP) eine Faseroptik (LL) vorgesehen ist.

20. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Objektlichtweg und der Referenzlichtweg sowie weitere Licht wege als Linsen (L1, L2, L3, L4, KSO) Einzellinsen, Grin-(Gradient- Index-)Linsen, Stablinsen, diffraktive Elemente, Prismen oder deren Kom binationen aufweisen.

21. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der abbildenden Optik innerhalb oder außerhalb des Objekt lichtweges sich ein optisches Element (DE) befindet, durch welches das Bild in eine für die Auswertung günstige Lage drehbar ist.

22. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Objektlichtweg als starre Optik (SO) oder Teil der starren Optik (SO) ein Klapp-Endoskop (KL) angeordnet ist, das in mindestens zwei Klappstellungen mit einem Winkel (α) zwischen einem eingeklappten und einem ausgeklappten Zustand einstellbar ist.

23. Messvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Klapp-Endoskop (KL) zwei mit einem Gelenk (G) miteinander verbundene Tuben (T1, T2) aufweist, in denen optische Komponenten (OKL) des Klapp-Endoskops (KL) einschließlich eines Ablenkelements (KSP) untergebracht sind.

24. Messvorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Gelenks (G) ein mit beiden Tuben (T1, T2) zusam menwirkender Federmechanismus (F) angeordnet ist.