Método y dispositivo para fijar errores de forma y de ondulaciones en superficies de forma libre continuas.

Método para la determinación de errores de forma y de ondulaciones en superficies de forma libre continuas,

caracterizado por el hecho de que errores locales del ángulo de inclinación de reflejos de dos haces de luz, que se irradian en ángulos diferentes entre sí en valor y señal y oblicuamente respecto a las normales ideales de la superficie de la forma libre por medir, son registrados y están sometidos a un algoritmo de evaluación matemático, de tal manera que está basado en un modelo de facetas a partir de los errores de valor del ángulo de inclinación medidos de los dos haces de luz diversamente reflejados para la formación del perfil de superficie de forma libre real, en el que a través de aproximación sucesiva de errores angulares de inclinación determinados teóricamente y de una comparación simple hasta múltiple con los errores angulares de inclinación medidos realmente se efectúa una aproximación y reajuste del modelo de facetas, hasta que existe una identidad o tolerancia admitida de los valores registrados teóricos y reales en cuyo resultado a través de integración de los errores angulares de inclinación locales medidos se determinan la ondulación y el error de forma por determinar.

Método y dispositivo para fijar errores de forma y de ondulaciones en superficies de forma libre continuas [0001] La invención se refiere a un método y a un dispositivo básico para la fijación de errores de forma y de ondulaciones en superficies de forma libre continuas, entre las cuales se debe entender la medición de estructuras de onda larga sobre superficies curvadas como por ejemplo asferas, segmentos de cilindro o planos deformados de onda larga.

Mediciones de la distancia palpables ópticamente y mecánicamente para la obtención de la forma de perfil y de la microgeometría de superficies tienen la desventaja, de que errores de medición como por ejemplo errores de guía del cabezal de medición o del comprobador en el registro así como en oscilaciones del cabezal de medición o del comprobador influyen fuertemente en los resultados de medición. Por consiguiente se deben garantizar condiciones de medición que se deben lograr para mediciones de alta precisión sólo en el laboratorio con velocidad de medición baja. Otra desventaja de las mediciones de la distancia es la coherencia lineal de la zona de medición y del poder de resolución vertical. Si las superficies de forma libre se deben caracterizar con respecto a su error de forma y ondulado, se deben utilizar métodos de zoom costosos para combinar mediciones de perfil con una zona de medición diferente y poder de resolución respecto a un perfil completo. Para la medición sin contacto de superficies de forma libre ópticamente lisas, es decir, las amplitudes de rugosidad de la microestructura de la superficie del comprobador son esencialmente menores que la longitud de onda del haz de luz de medición, por eso se utilizan métodos interferométricos prioritariamente como procedimiento de control. Usan la longitud de onda de la luz como escala de calibración y miden diferencias de longitud de recorrido ópticas con alta precisión. En este caso se solapa una onda de referencia conocida con la onda habitualmente deformada de la pieza de prueba, la cual lleva a la aparición de interferencias. Mediante los máximos y mínimos de interferencia reproducidos se pueden determinar errores del comprobador de la forma estimativa. Es una condición que la onda de control y de referencia no se puedan apartar fuertemente la una de la otra, porque, de lo contrario, surge una multiplicidad de franjas de interferencia que ya no son solucionables en una reproducción. Para medir exactamente formas complejas se fabrican referencias de forma, llamadas lentes de nulidad. Sin embargo, la fabricación de tales lentes de nulidad es cara y requiere para cada forma de lentes nueva una referencia realizada. De tal modo, el procedimiento de control es idóneo sólo en la producción masiva de componentes ópticos. Una aplicación flexible de la interferometría en la prueba de asferas permite la utilización de compensadores de nulidad difractivos (hologramas generados por ordenador CHG [cf. por ejemplo Reichell, S., Pruss,

C., Tiziani, H.J.: Absolute interferometric test of aspheres by use of twin computer-generated holograms, Appl. Optics Vol. 42 (22) , p. 4468-4479, 2003]) . La fabricación de tales CHGs es sin embargo igualmente cosloso y conlleva mucho tiempo. Además estos métodos interferométricos se delimitan sobre superficies ópticamente lisas.

Métodos métricos de perfil están caracterizados frecuentemente por el hecho de que la sel'ial de med ición se compone a partir del valor de altura local y de la inclinación superficial local. Para minimizar la influencia de la sel'ial de inclinación sobre la sel'ial de altura, se describen métodos diferentes, que incluyen la sel'ial de inclinación mediante la reflexión de un haz de medición y la utilizan para la corrección de las sel'iales de altura. Así en la US 5, 424, 834 se describe un sensor de distancia óptiCO que con ayuda un sensor de flexión de haz único registra la inclinación local de la superficie y con ayuda de esta sel'ial corrige la sel'ial de altura. En la solicitud de la patente WO 03f056305 A1 es descrito un medidor de perfil óptiCO, el cual, con ayuda de dos haces de luz irradiados oblicuamente respecto a las normales de superficie de ángulos de incidencia diferentes determina un perfil de altura. En este caso, la pieza de prueba es iluminada preferiblemente bajo ángulos de incidencia que tienen el mismo total pero un signo diferente, donde la separación de luz incidente y reflejada en la superficie de muestra es realizada a través de la utilización de condiciones de polarización definidas con ayuda de elementos separadores de haz. Otra realización técnica propuesta allí es la medición en dos planos de incidencia diferentes, donde las sel'iales a través de la proyección en el plano de referencia son divididas en una proporción paralela y vertical. En ambas formas de realización, la información de inclinación se separa de la información de altura a través de la formación adecuada de suma o de diferencia y el perfil es reconstruido exclusivamente con la señal de altura o la señal de inclinación. En el uso de la señal de altura, perturbaciones mecánicas y ruido óptiCO a través de la formación de suma de las sel'iales conducen a fuentes de error. Además, una ponderación de las sel'iales es causada a través del ángulo de incidencia. Si el ángulo de incidencia es alto, se miden reforzadamente desniveles del perfil, mientras que en ángulos de incidencia más pequeflos la inclinación del perfil se reproduce de manera reforzada en la sel'ial. A través de la proyección en los dos planos de referencia, las sel'iales de ambos haces de medición se unen entre si con sensibilidad diferente en relación a la sel'ial de inclinación y de altura y, por lo tanto, los valores registrados dependen de la señal con la sensibilidad más baja. Mediciones de error de forma y fijaciones de la ondulación muy precisas son, por consiguiente, imposibles.

Una medición ultraprecisa de la inclinación local de superficie y topografía de superficies ligeramente arqueadas permite la medición "Extended Shear Angle Difference" (por ejemplo DE 19842190 C1 , DE 19833269 C1 ) . Este procedimiento se basa en la medición de deflexión, donde inclinaciones locales de superficie son iniciadas en dos puntos de la vía táctil con compensación lateral. Algoritmos matemáticos (Elster, C., We¡ng~rtner, l . Solution to the shearing problem, Applied Optics Vol. 38 (1 999) , No. 23, S. 5024-5031) permiten la reconstrucción de las inclinaciones locales de superficies a partir de dos frases de datos angulares de diferencia.

SO

La topografía se determina con un procedimiento de integración.Esta medición muy precisa, sin embargo, está limitada a superficies ligeramente arqueadas, puesto que ambos haces de medición son registrados solo dentro de aperturas pequeñas, o deben ser compensados con un viraje del cabezal de medición, que lleva a un desplazamiento desconocido de los puntos de medición con respecto a una cuadrícula de muestreo equidistante. Además con esta disposición solo se pueden medir superficies altamente reflectantes. Para determinar un curso de pertil con los procedimientos de medición de inclinación descritos arriba, se debe integrar sobre los datos de medición de inclinación locales, lo cual lleva en caso de un ruido de los resultados de medición a desviaciones en la forma de onda larga (véase: Knauer, M.C., Bothe, T., Lowitzsch, S., JÃ?ptner, W., H~usler, G. HOhe, Neigung oder Krümmung? DgaOProceedings 107, 2006) .

Es tarea de la presente invención indicar un método y un dispositivo adecuado para el mismo, que permite la determinación sin contacto y rápida y la medición de errores en la forma y ondulaciones de tal manera en superficies de forma libre continuas, que logra una precisión alta en la zona nm, que solamente se puede delimitar de lo contrario por ejemplo con método interferométrico y, además, se puede alcanzar para la aplicación de dispositivos.

La tarea se soluciona a través de las características de las reivindicaciones independientes 1 y 3, donde configuraciones ventajosas son objeto de las respectivas reivindicaciones secundarias. Dentro del marco de la invención es iluminada la superficie a examinar con dos haces de luz de medición bajo ángulos de incidencia definidos pero diferentes 0i. l y 0i.2 Y los centros de gravedad del haz de luz. reflejado de la superficie son medidos con ayuda de uno o varios sensores optoeléctricos sensibles a la posición, donde se registran errores angulares de inclinación locales de los reflejos de dos haces de luz, los cuales se irradian uno en el otro en el total y/o en signos de ángulos diferentes y oblicuamente respecto a las normales de superficie de las superficies de forma libre medida, son registrados y están sujetos... [Seguir leyendo]

1. Método para la determinación de errores de forma y de ondulaciones en superficies de forma libre continuas, caracterizado por el hecho de que errores locales del ángulo de inclinación de reflejos de dos haces de luz, que se irradian en ángulos diferentes entre si en valor y señal y oblicuamente respecto a las normales ideales de la superficie de la forma libre por medir, son registrados y están sometidos a un algoritmo de evaluación matemático, de tal manera que está basado en un modelo de facetas a partir de los errores de valor del ángulo de inclinación medidos de los dos haces de luz diversamente reflejados para la formación del perfil de superficie de forma libre real, en el que a través de aproximación sucesiva de errores angulares de Inclinación determinados teóricamente y de una comparación simple hasta múltiple con los errores angulares de inclinación medidos realmente se efectúa una aproximación y reajuste del modelo de facetas, hasta que existe una identidad o tolerancia admitida de los valores registrados teóricos y reales en cuyo resultado a través de integración de los errores angulares de inclinación locales medidos se determinan la ondulación y el error de forma por determinar.

2. Método para la determinación de errores de forma y de ondulaciones en superficies de forma libre continuas según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que

a) es fijada una de las vlas táctiles (Fo) adaptada al macroperfil de superficie de forma libre por medir (F, ) b) a lo largo de la vla táctil (Fo) en etapas táctiles prefija bies, cada punto de la superficie por medir (F, ) es registrado con dos haces de luz de diferente ángulo único simultánea o sucesivamente. c) las desviaciones respectivas de los haces reflejados por el primer y segundo haz de luz de la superficie (F, ) se asignan simultánea o sucesivamente respectivamente al punto correspondiente idéntico de la vla táctil (Fo) y se memorizan en una unidad de almacenamiento electrónica, d) de manera aritmética se forman facetas a partir de dos puntos de rebote de haces reales que se producen respecto a un punto de referencia de la pista de gula (Fo) en comparación con una superficie real (F, ) , cuya inclinación es determinada, e) las inclinaciones de tas facetas obtenidas asl se integran de manera aritmética sucesivamente en referencia a los puntos de vla táctil de la vía táctil (Fo) , a partir de la cual se forma un curso de perfil teórico de las superficies de forma libre, f) a continuación en el marco de una simulación hacia adelante se ilumina de manera simulada el curso de perfil te6rico con ambos ángulos de haz único idénticos según b) y se calculan las desviaciones te6ricas correspondientes respectivas de los haces reflejados sobre la (s) unidad (es) de receptor, g) a continuación se efectúa una comparación de las desviaciones determinadas según f) y c) , donde en caso de identidad de los conjuntos de datos, respectivamente en descensos a un nivel inferior de una medida de calidad prefijable regulable a voluntad, el curso de perfil te6rico obtenido según e) se corresponde al curso de perfil de la superficie real (Ff) , sin embargo esto no sucede en ausencia de la Identidad requerida, h) comenzando con el ángulo de incidencia del primer haz de luz, siguiendo cada punto de la vla táctil (Fo) , se calculan a partir del curso de perfil teórico formado según el las desviaciones respectivas, donde en caso de error de esta desviación de haz calculada respecto a la desviación de haz medida en efecto según c) se corrige la inclinación del perfil te6rica respectiva en este punto y i) un reajuste idéntico según h) se realiza igualmente para el segundo haz de luz, j) a continuación a partir de las curvas te6ricas obtenidas según h) e i) , siguiendo el retlculo del punto táctil , a partir de estos dos valores, que representan las inclinaciones correspondientes de los elementos de superficie respectivos, respectivamente se forma el medio de las inclinaciones y a través de integración ascendente de estos valores nuevamente se forma un perfil de superficie teórico, donde con este perfil de superficie teórico obtenido es recorrido el procedimiento nuevamente entretanto, comenzando en el paso e) , hasta que existe el perfil de superficie real según g) .

3. Dispositivo para la determinación de errores de forma y de ondulaciones en superficies de forma libre continuas , caracterizado por el hecho de que están previstos medios de translación y/o de rotación (4a) para la toma y relativamente a una vla táctil adaptada (Fo) a la superficie de forma libre (Ff ) por medir en el perfil macro un movimiento por delante de la superficie de forma libre medidas en pasos táctiles prefijados, de forma que está previsto un equipo de luz (1) para generar dos haces de luz (2; 2a, 2b) , 2b) a través de medios ópticos adecuados (7a; 3, 4, 5 y 8) de modo que los haces de luz son radlabl~s en un ángulo (91; 02) diferente en valor y/o signo oblicuamente respecto a las

normales ideales de superficie (no) sobre la superficie de forma libre por medir (F, ) , y por que existen receptores sensibles a la posición adecuados (6a; 9, 10) para realizar por separado el registro punto por punto que sigue al palpamiento translatorio y/o giratorio y el almacenamiento eléclronico del ángulo de inclinación de los haces reflejados de la superficie de forma libre (Fr) , y por que el dispositivo se configura para someter un algoritmo de evaluación matemático de los errores angulares de inclinación locales los reflejos de dos haces de luz, que se irradian en un ángulo diferente uno en el otro en el valor y/o el signo diferente al ángulo y oblicuamente respecto a las normales de la superficie de las superficie de forma libre por medir, de tal manera que un modelo de facetas generable a partir de errores de valor de ángulo de inclinación medidos de dos haces de luz diferentes se puede basar en él para la formación del perfil real de superficie de forma libre, en el cual a través de aproximación sucesiva de errores angulares de inclinación determinados teóricamente y de una comparación simple hasta múltiple con los errores angulares de inclinación medidos realmente es realizable una aproximación y reajuste del modelo de facetas hasta que existe una

identidad o tolerancia admitida de los valores registrados teóricos y reales en cuyo resultado a través de integración de los errores angulares de inclinación locales medidos son determinables el error de forma preciso y la ondulación.

4. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que el equipo de luz se forma mediante un láser (1) , que es dispuesto espacialmente distanciado y separado mediante un eje de rotación (Y-Y) de un receptor (6a) sensible a la posición sobre una mesa de rotación (7a) , de manera que el haz de luz (2) que sale del láser (1) bajo un ángulo llega sobre la superficie (3a) de la superficies de forma libre por medir (F, ) y el haz reflejado (5a) desde ahí es registrable por una superficie de receptor sensitiva (D) de un receptor (6a) sensible a la posición, con lo cual a través del giro de la mesa de rotación (7a) 1800 es generable el segundo haz de luz deseado con otro signo para el mismo punto táctil , con respecto a la vía táctil prefijada (Fo) .

5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que, en dependencia de la tarea de medición yfo precisión deseada, el tama"'o de la superficie del receptor sensitiva (D) yfo su distancia (L) son ajustables o prefijables de forma variable por la superficie de forma libre por medir.

6. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que los dos haces de luz (2a, 2b) están orientados a través de unidades de desviación (3, 4, 5) adecuadas correspondientes de forma separada en superficies oblicuas diferentes del prisma (8) , de manera que topan verticalmente respecto a la superficie principal (8a) del prisma

(8) y en un punto común topan sobre la superficie de muestra suministrable (11) , donde los haces reflejados desde allí

separadamente de receptores (9, 10) sensibles a la posición, son registrables y asignables a las superficies de primas opuestas a la superficie principal (8a) del prisma (8) .

7. Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que el prisma insertado (8) es formado mediante un pentaprisma, cuyo primer y tercer ángulo de prisma (<<1, "3) son elegidos de manera que los haces de luz 25 salientes de la superficie principal (8a) se encuentran en un punto suministrable común de la superficie de muestra, donde el primer y segundo ángulo de prismas (<<1, ct2) , que caracterizan las superficies de prismas, sobre las que están dispuestos los receptores (9, 10) sensibles a la posición, además son elegidos de modo que en los ángulos de incidencia que surgen (01 y 02) de los haces de luz (2a, 2b) , las superficies receptoras de los receptores sensibles a la posición (9, 10) del receptor sensible a la posición se iluminan a través de los haces de luz reflejados y rotos de forma vertical en una superficie ideal plana que se encuentra en el plano táctil, donde las superficies receptoras (9, 10) están dispuestas sobre las superficies de prismas inclinadas de manera que en las condiciones citadas los haces reflejados inciden en su posición cero .