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Planflächenmessung mit hoher lateraler Auflösung und hohem Dynamikumfang

03.02.2010

Das von der PTB entwickelte Traceable Multiple Sensor (TMS) Verfahren dient zur Vermessung von Profilschnitten ebener und schwach gekrümmter optischer Oberflächen. Dabei wird ein kompaktes phasenschiebendes Interferometer (Aperturdurchmesser 3 mm) über den Prüfling geführt. Die Verwendung von nicht äquidistanten Abständen (600 µm bis 1000 µm) zwischen benachbarten Anfahrpositionen des Interferometers erlaubt die Messung von Profilen mit einer minimalen Auflösung von 40 µm. Da die Abstände zwischen benachbarten Interferometerpositionen deutlich größerer sind als der Pixelabstand des verwendeten Interferometers (19 µm), ist eine schnelle Vermessung des Prüflings möglich.

Vergleichsmessungen mit einem kalibrierten, vollflächig messenden Interferometer (Zeiss Direct 100) ergaben für einen Prüfling mit 150 mm Durchmesser und einem Peak-to-Valley Wert (PV)-Wert von 30 nm eine RMS-Differenz von 3,1 nm (Abb. 1). Die laterale Auflösung war hierbei um den Faktor 15 größer im Vergleich zum vollflächig messenden Interferometer.

 

Messergebnisse des TMS-Verfahrens und eines vollflächig messenden Interferometers (Zeiss Direct 100) von einer Planfläche.

Mit dem realisierten Aufbau können Profilschnitte mit einer Länge von bis zu 700 mm und einem PV-Wert von bis zu 100 µm gemessen werden. Als Beispiel wurde die in Abb. 2 gezeigte Topographie mit einem PV-Wert von 50 µm gemessen.

 

Mit dem TMS-Verfahren und einer hochpräzisen Koordinatenmessmaschine gemessene Topographie.

Mittels Monte-Carlo-Simulationen wurde die Messunsicherheit der mit dem TMS-Verfahren gemessenen Werte für die in Abb. 2 gezeigte Topographie bestimmt. Das Ergebnis der Messunsicherheitsanalyse ist in Abb. 3 gezeigt.

 

Ermittelte Messunsicherheit (k=1) für eine Messung der in Abb. 2 gezeigten Topographie mit dem TMS-Verfahren.

Eine Sensitivitätsanalyse ergab als Hauptunsicherheitsquelle den effektiven Pixelabstand (Abstand benachbarter Pixel auf der Prüflingsoberfläche) des Interferometers. Eine Abweichung bei der Bestimmung des effektiven Pixelabstandes führt zu einer Skalierung der Gesamttopographie. Diese Skalierungseigenschaft führt zu dem in Abb. 3 gezeigten charakteristischen Verlauf der Messunsicherheit. Vergleichsmessungen der in Abb. 2 gezeigten Topographie mit einer hochpräzisen Koordinatenmessmaschine (Panasonic UA3P) ergaben eine RMS-Differenz von 21 nm (Abb. 4).

 

 

Differenz der Messergebnisse zwischen der Koordinatenmessmaschine Panasonic UA3P und der TMS-Messung.

Beide hier gezeigten Vergleichsmessungen ergaben eine Übereinstimmung der Messergebnisse im Rahmen der Messunsicherheit. Gegenüber den beiden Vergleichsmesstechniken können mit dem TMS-Verfahren Profilschnitte deutlich längerer Prüflinge vermessen werden, wobei die laterale Auflösung unabhängig von der Prüflingsgröße ist.