DE102006014766A1

DE102006014766A1 - Interferometrische Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102006014766A1
Application number: DE102006014766A
Authority: DE
Inventors: Pawel Drabarek; Stefan Franz; Matthias Fleischer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-10-04
Also published as: US7518729B2; FR2899323A1; US20070229840A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine interferometrische Messvorrichtung mit einer kurzkohärenten Strahlungsquelle und einer Anordnung aus einem Modulationsinterferometer und einem diesem nachgeordneten Referenzinterferometer, wobei die Strahlung in dem Referenzinterferometer in einen ersten Strahlengang und einen zweiten Strahlengang aufgeteilt ist. Ist in zumindest einem Strahlengang des Referenzinterferometers en dispersives optisches Bauelement angeordnet, wird für Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge eine unterschiedliche optische Weglänge in dem Strahlengang mit dem dispersiven optischen Bauelement wirksam. Wird daher eine Messsonde gegen eine andere mit veränderter optischer Weglänge ausgetauscht, kann das Modulationsinterferometer angepasst werden und das Referenzinterferometer kann unverändert bleiben. Hierdurch kann das Referenzinterferometer über einen vergrößerten Verstellweg des Modulationsinterferometers benutzt werden, ohne dass optische Komponenten zu Anpassung des unterschiedlichen Gangunterschiedes von Messsonden im Referenzinterferometer ausgetauscht werden müssen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Interferometrische Messvorrichtung mit einer kurzkohärenten Strahlungsquelle und einer Anordnung aus einem Modulationsinterferometer mit einem ersten und einem zweiten Modulationsinterferometer-Strahlengang und einem diesem nachgeordneten Referenzinterferometer, wobei die Strahlung in dem Referenzinterferometer in einen ersten Strahlengang und einen zweiten Strahlengang aufgeteilt ist.
Interferometrische Messvorrichtungen mit einem Modulationsinterferometer und einem diesem nachgeordneten Referenzinterferometer werden zur optischen Abstandsmessung, beispielsweise in der Qualitätssicherung bei der Messung von Oberflächengeometrien benutzt. Die DE 198 08 273 beschreibt eine solche interferometrische Messeinrichtung zum erfassen der Form oder des Abstandes insbesondere rauer Oberflächen mit mindestens einer räumlich kohärenten Strahlerzeugungseinheit, deren Strahlung in einer Messsonde in einen durch einen Messreferenzzweig geführten und darin reflektierten Referenzmessstrahl und in einen durch einen Messzweig geführten und an der rauen Oberfläche reflektierten Messstrahl aufgeteilt wird, mit einer Einrichtung zur Modulation der Licht-Phase oder zum Verschieben der Licht-Frequenz (Heterodynfrequenz) eines ersten Teilstrahls gegenüber der Licht-Phase oder der Licht-Frequenz eines zweiten Teilstrahls mit einer Überlagerungseinheit zum Überlagern des reflektierten Messreferenzstrahls mit dem reflektierten Messstrahl mit einer Strahlzerlegungs- und Strahlempfangseinheit zum Aufspalten der überlagerten Strahlung auf zumindest zwei Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen und Umwandeln der Strahlung in elektrische Signale und mit einer Auswerteeinrichtung, in der die Form bzw. der Abstand der rauen Oberfläche auf der Grundlage einer Phasendifferenz der elektrischen Signale bestimmbar ist. Dabei ist die von der Strahlerzeugungseinheit abgegebene Strahlung zeitlich kurzkohärent und breitbandig.
Solche zunächst aus zwei Interferometern bestehenden interferometrischen Messeinrichtungen können mit unterschiedlichen Interferometertypen aufgebaut sein. So kann das Modulationsinterferometer als Mach-Zehnder Interferometer aufgebaut sein, während das Messinterferometer beziehungsweise die Messsonde kompakt beispielsweise als Mirau-Interferometer aufgebaut ist. Gemeinsam ist den interferometrischen Messeinrichtungen, dass ein im ersten Interferometer eingeschriebener Gangunterschied zwischen zwei Teilstrahlen von einer kurzkohärenten Strahlungsquelle in dem zweiten Messinterferometer bzw. Messsonde wieder ausgeglichen wird und so die Teilstrahlen zur Interferenzbildung gebracht werden. Der in der DE 198 08 273 durch ein Verzögerungselement eingeschriebene Gangunterschied kann dabei auch durch unterschiedlich, lange Teilarme, welche von den Teilstrahlen durchlaufen werden, erzeugt werden, wie es in der DE 198 08 273 in einem mit Lichtleitern aufgebauten Modulationsinterferometer dargestellt ist.
Um die Messgenauigkeit der interferometrischen Messeinrichtung zu verbessern ist es bekannt, an einen zweiten Ausgang des Modulationsinterferometers ein Referenzinterferometer anzuschließen. Es ist optisch ebenso aufgebaut wie das Messinterferometer, d.h., es gleicht den im Modulationsinterferometer eingeschriebenen Gangunterschied zwischen den zwei Teilstrahlen wieder aus. Der konstruktive Aufbau des Referenzinterferometers unterscheidet sich jedoch von dem des Messinterferometers. Die Messgenauigkeit der interferometrischen Messeinrichtung lässt sich durch Vergleich der Signale des Referenzinterferometers mit denen des Messinterferometers verbessern.
Der in dem Modulationsinterferometer einzuschreibende Gangunterschied richtet sich nach der konstruktiven Ausführung des Messinterferometers beziehungsweise der Messsonde. Nach einem Wechsel des Messinterferometers/der Messsonde muss demnach der Gangunterschied in dem Modulationsinterferometer angepasst werden. Dies geschieht im allgemeinen motorisch durch Verschieben optischer Bauteile.
Auch in dem Referenzinterferometer muss der Gangunterschied entsprechend angepasst werden. Hier ist es üblich, den Gangunterschied durch Austausch einer vorjustierten Einheit einzustellen. Nachteilig hierbei ist, dass entsprechend der eingesetzten Messinterferometer angepasste Einheiten bereitstehen müssen. Dabei ist der Austausch der Einheiten aufwändig.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, welche die genannten Nachteile vermeidet und einen Austausch von Messsonden mit verringerter Anpassung des Referenzinterferometers ermöglicht.
Vorteile der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass in zumindest einem Strahlengang des Referenzinterferometers ein dispersives optisches Bauelement angeordnet ist. Durch das dispersive optische Bauelement wird für Strahlungen unterschiedlicher Wellenlängen eine unterschiedliche optische Weglänge in dem Strahlengang mit dem dispersiven optischen Bauelement wirksam. Wird daher eine Messsonde gegen eine andere mit veränderter optischer Weglänge ausgetauscht, kann das Modulationsinterferometer angepasst werden und das Referenzinterferometer kann unverändert bleiben. Hierdurch kann das Referenzinterferometer über einen vergrößerten Verstellweg des Modulationsinterferometers benutzt werden, ohne dass optische Komponenten zur Anpassung des unterschiedlichen Gangunterschiedes von Messsonden im Referenzinterferometer ausgetauscht werden müssen. Die Interferenzbedingung wird lediglich bei einer unterschiedlichen Wellenlänge der Strahlung erfüllt. Der Einsatz des dispersiven optischen Bauelements erhöht die Signalstärke der Anordnung gegenüber einer Anordnung mit einem Interferenzfilter. Der Faktor n der Erhöhung der Signalstärke der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich aus dem Verhältnis der genutzten Wellenlängenbereiche der Anordnung mit dem dispersivem optischem Bauelement und mit dem Interferenzfilter. Die Kohärenzbedingung ist erfüllt, wenn der Gangunterschied kleiner ist als die Kohärenzlänge l_c,Sonde des genutzten Wellenlängenbereichs ist. Das Gesamtspektrum verteilt sich über die Länge l_CHF der Kohärenzfunktion mit dem dispersiven optischen Bauelement. Der genutzte Wellenlängenbereich ist somit um den Faktor n = lCHF/lC,Sonde (1)kleiner als das Gesamtspektrum. Die Kohärenzlänge des genutzten Wellenlängenbereichs ist um denselben Betrag größer: lC,Sonde = n·lC,Srahlungsquelle = lCHF/lC,Sonde·lC,Strahlungsquelle (2)mit l_{C,Strahlungsquelle} der Kohärenzlänge der Strahlungsquelle. Somit gilt lC,Sonde = (lCHF·lC,Strahlungsquelle)0,5 (3)
Aus (1) und (3) ergibt sich n = (lCHF/lC,Strahlungsquelle)0,5 (4)für den genutzten Wellenlängenbereich. Daraus folgt, dass n = (nIF)0,5, wobei nIF = lC,Filter/lC,Strahlungsquelle (5)mit l_C,Filter der Kohärenzlänge mit Interferenzfilter.
Der genutzte Wellenlängenbereich und die Signalstärke sind damit bei Verwendung eines dispersiven optischen Bauelements um (n_IF)^0,5 größer als bei Verwendung eines Interferenzfilters.
In einer besonders kostengünstigen Ausführungsform ist das dispersive optische Bauelement als gechirptes Faser-Bragg-Gitter ausgeführt. Der Einsatz eines gechirpten Faser-Bragg-Gitters hat weiterhin den Vorteil, dass die Kohärenzfunktion in Form und Wellenlängenbereich wählbar ist.
Ist das dispersive optische Bauelement als transparenter amorpher oder kristalliner Festkörper ausgeführt, kann durch die Länge des Bauelementes und die Dispersionseigenschaften auf einfache und kostengünstige Art die gewünschte dispersive Aufspaltung erzielt werden. Ist das dispersive optische Bauelement aus Glas gefertigt, kann die Dispersionseigenschaft in einem weiten Bereich aus kommerziell erhältlichen Materialien ausgewählt werden, die in eng tolerierter Qualität erhältlich sind. Glas ist als Werkstoff mit hoher Dispersion verfügbar, so dass die Bauform des dispersiven optischen Bauelements kompakt gewählt werden kann.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das dispersive optische Bauelement als Gitter oder als Prisma ausgeführt ist. Gitter oder Prismen lassen sich mit bekannten Methoden und Vorrichtungen mit hoher Präzision fertigen und sind daher kostengünstig herstellbar.
Ist das Referenzinterferometer als interferometrisches Messsystem für eine Verstelleinheit des Modulationsinterferometers ausgeführt, kann der Gangunterschied durch Anpassung des Modulationsinterferometers in einem weiten Bereich an unterschiedliche Messsonden angepasst werden und das Referenzinterferometer kann über den gesamten Verstellweg eingesetzt werden, da der nach dem Stand der Technik erforderliche Austausch von optischen Komponenten im Referenzinterferometers entfällt, der einen Neubeginn der Referenzmessung bedeutet.
Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine mit faseroptischen Bauteilen aufgebaute interferometrische Messvorrichtung,
2 in schematischer Darstellung eine interferometrische Messvorrichtung,
3 eine interferometrische Messvorrichtung mit einem gechirpten Faser-Bragg-Gitter, Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt in schematischer Darstellung eine mit faseroptischen Bauteilen aufgebaute interferometrische Messvorrichtung 1 aus einem Modulationsinterferometer 2, einem Referenzinterferometer 3 und einem Detektor 4. Das Modulationsinterferometer 2 weist eine Strahlungsquelle 20 für kurzkohärente Strahlung auf, deren Strahlung mit einer Kohärenzlänge 40 in eine erste Lichtleitfaser 21 eingekoppelt wird. In einem mit der ersten Lichtleitfaser 21 verbundenen ersten Faserkoppler 22 wird die Strahlung in einen ersten Modulationsinterferometer-Strahlengang 24 und einen zweiten Modulationsinterferometer-Strahlengang 25 aufgeteilt. In dem zweiten Modulationsinterferometer-Strahlengang 25 durchläuft die Strahlung ein erstes Verzögerungsglied 23, so dass an einem mit dem ersten Modulationsinterferometer-Strahlengang 24 und dem zweiten Modulationsinterferometer-Strahlengang 25 verbundenen zweiten Faserkoppler 26 keine Interferenz auftritt. In einer mit dem zweiten Faserkoppler 26 verbundenen zweiten Lichtleitfaser 27 ist daher ein Kohärenzbereich der nicht verzögerten Strahlung 43 um einen Abstand der Wellenpakete 42 getrennt von einem Kohärenzbereich der verzögerten Strahlung 41.
Die zweite Lichtleitfaser 27 ist mit einem dritten Faserkoppler 34 verbunden, der Teil des Referenzinterferometers 3 ist. An dem dritten Faserkoppler 34 wird die Strahlung in einen ersten Strahlengang 35 und einen zweiten Strahlengang 36 aufgeteilt. In dem ersten Strahlengang 35 hat die Strahlung einen ersten Kohärenzbereich 46. In einem Abstand der Wellenpakete im unverzögerten Zweig 45, der dem Abstand der Wellenpakete 42 entspricht, liegt in Strahlrichtung hinter dem ersten Kohärenzbereich 46 ein zweiter Kohärenzbereich 44 des verzögerten Strahls.
In dem zweiten Strahlengang 36 durchläuft die Strahlung ein Verzögerungsglied 37 und danach ein dispersives optisches Bauelement 10. Durch das Verzögerungsglied 37 wird der Abstand der Wellenpakete 42 zwischen der verzögerten und der nicht verzögerten Strahlung zumindest teilweise kompensiert. Durch das dispersive optische Bauelement 10 durchläuft Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedliche optische Weglängen. Die nicht verzögerte Strahlung wird daher in einen ersten Kohärenzbereich bei einer ersten Wellenlänge 49.1, einen ersten Kohärenzbereich bei einer zweiten Wellenlänge 49.2 und einen ersten Kohärenzbereich bei einer dritten Wellenlänge 49.3 aufgespalten. Diese Darstellung ist lediglich schematisch; in einer realen Anordnung mit einer Strahlung eines bestimmten Bereichs von Wellenlängen kann jeder einzelnen Wellenlänge ein Kohärenzbereich zugeordnet werden.
Ebenso wie die nicht verzögerte Strahlung wird auch die verzögerte Strahlung in einen zweiten Kohärenzbereich bei einer ersten Wellenlänge 47.1, einen zweiten Kohärenzbereich bei einer zweiten Wellenlänge 47.2 und einen zweiten Kohärenzbereich bei einer dritten Wellenlänge 47.3 aufgespalten. Verzögerte und nicht verzögerte Strahlung haben bei gleicher Wellenlänge jeweils einen Abstand der Wellenpakete im verzögerten Zweig 48, der dem Abstand der Wellenpakete im unverzögerten Zweig 45 entspricht. Der erste Strahlengang 35 und der zweite Strahlengang 36 sind an einem vierten Faserkoppler 38 zusammengeführt von dem die Strahlung in einer dritten Lichtleitfaser 39 weitergeführt ist, von der sie einem Detektor 4 zugeleitet ist. In der dritten Lichtleitfaser 39 interferieren die Teilstrahlen aus dem ersten Strahlengang 35 und dem zweiten Strahlengang 36, sofern sie einer Kohärenzbedingung 50 genügen, die schematisch andeutet, dass die Teilstrahlen gleiche optische Weglängen von der Strahlungsquelle 20 aus zurückgelegt haben. Verzögerte Strahlung aus dem ersten Strahlengang 35, die dem zweiten Kohärenzbereich 44 entspricht, kann gemäß den in 1 dargestellten Verhältnissen mit nicht verzögerter Strahlung interferieren, die dem ersten Kohärenzbereich bei der zweiten Wellenlänge 49.2 aus dem zweiten Strahlengang 36 entspricht. Diese Interferenz wird im Detektor 4 nachgewiesen.
Wird der Abstand der Wellenpakete 42 mit dem Verzögerungsglied 23 auf einen anderen Wert eingestellt, kann die Kohärenzbedingung 50 bei einer anderen Wellenlänge als im gezeigten Fall dennoch erfüllt sein, da Kohärenz im gesamten die ersten Kohärenzbereiche 49.1, 49.2 und 49.3 umfassenden Wellenlängenbereich auftritt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die ersten Kohärenzbereiche 49.1, 49.2 und 49.3 den von der Strahlungsquelle 20 emittierten Bereich von Wellenlängen repräsentieren.
2 zeigt eine andere Ausführungsform der interferometrischen Messeinrichtung 1 mit dem Modulationsinterferometer 2 und dem Referenzinterferometer 3. Von dem Modulationsinterferometer 2 ist ein erster Teil der Strahlung 30 über einen teildurchlässigen Reflektor 31 einem ersten Reflektor 32 zugeführt. Von dem ersten Reflektor 32 wird die Strahlung durch den teildurchlässigen Reflektor 31 hindurch dem Detektor 4 zugeführt. Ein weiterer Teil der Strahlung 30 ist über das dispersive optische Bauelement 10 einem zweiten Reflektor 33 zugeführt, von wo sie durch das dispersive optische Bauelement 10 zurück über den teildurchlässigen Reflektor 31 an den Detektor 4 gelangt und mit dem ersten Teil der Strahlung interferiert. Auch in diesem Ausführungsbeispiel bewirkt das dispersive optische Bauelement 10, dass Strahlung 30 aus dem Modulationsinterferometer 2 die Kohärenzbedingung in einem größeren Bereich von Abständen zwischen verzögerter und unverzögerter Strahlung erfüllt. Das dispersive optische Bauelement 10 kann dabei aus Glas gefertigt sein und die unterschiedliche Brechzahl von Glas für unterschiedliche Wellenlängen ausnutzen. In einer vorteilhaften Ausführung wird ein möglichst hoch dispersives Glas eingesetzt, so dass die Bauform des dispersiven optischen Bauelements 10 kompakt sein kann. Das dispersive optische Bauelement 10 kann auch als Prisma ausgeführt sein, das den für unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlichen Brechungswinkel und die damit verschiedenen Weglängen im Prisma ausnutzt. Das dispersive Bauelement 10 kann auch als Gitter ausgeführt sein, das Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen in unterschiedliche Richtung ablenkt und so die Weglänge im optischen System differenziert.
3 zeigt eine Ausführungsform der interferometrischen Messeinrichtung 1 mit dem Modulationsinterferometer 2 und einer als Michelson-Interferometer ausgebildeten Referenzsonde 5, bei der das dispersive optische Bauelement 10 als ein gechirptes Faser-Bragg-Gitter 65 ausgeführt ist. Von dem Modulationsinterferometer 2 wird die Strahlung mittels einer ersten Referenzsonden-Lichtleitfaser 61 einem ersten Referenzsonden-Faserkoppler 60 zugeführt, von dem sie auf eine Lichtleitfaser mit verspiegeltem Ende 62 und auf eine dritte Referenzsonden-Lichtleitfaser 64 aufgeteilt wird. Von der Lichtleitfaser mit verspiegeltem Ende 62 wird die Strahlung reflektiert und über den Referenzsonden-Faserkoppler 60 und eine zweite Referenzsonden-Lichtleitfaser 63 dem Detektor 4 zugeführt. Die in die dritten Referenzsonden-Lichtleitfaser 64 eingetretene Strahlung wird an das gechirpte Faser-Bragg-Gitter 65 weitergeleitet, in dem Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge nach unterschiedlicher Weglänge reflektiert wird, so dass Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge entlang der dritten Referenzsonden-Lichtleitfaser 64 nach unterschiedlicher Weglängen zurückgeführt wird. Das gechirpte Faser-Bragg-Gitter 65 wirkt somit als dispersives optisches Bauelement 10. Von der dritten Referenzsonden-Lichtleitfaser 64 wird die Strahlung über den Referenzsonden-Faserkoppler 60 und die zweite Referenzsonden-Lichtleitfaser 63 dem Detektor 4 zugeführt, wo sie mit der an der Lichtleitfaser mit dem verspiegelten Ende 62 reflektierten Strahlung interferiert. In diesem Ausführungsbeispiel bewirkt das gechirpte Faser-Bragg-Gitter 65, dass Strahlung aus dem Modulationsinterferometer 2 die Kohärenzbedingung in einem größeren Bereich von Abständen zwischen verzögerter und unverzögerter Strahlung erfüllt.

Claims

Interferometrische Messvorrichtung (1) mit einer kurzkohärenten Strahlungsquelle (20) und einer Anordnung aus einem Modulationsinterferometer (2) mit einem ersten und einem zweiten Modulationsinterferometer-Strahlengang (24, 25) und einem diesem nachgeordneten Referenzinterferometer (3), wobei die Strahlung in dem Referenzinterferometer (3) in einen ersten Strahlengang (35) und einen zweiten Strahlengang (36) aufgeteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem der Strahlengänge (35, 36) des Referenzinterferometers (3) ein dispersives optisches Bauelement (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dispersive optische Bauelement (10) als gechirptes Faser-Bragg-Gitter (65) ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dispersive optische Bauelement (10) als transparenter amorpher oder kristalliner Festkörper ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dispersive optische Bauelement (10) als Gitter oder als Prisma ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzinterferometer (3) als interferometrisches Messsystem für eine Verstelleinheit des Modulationsinterferometers (2) ausgeführt ist.