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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Heterodyninterferometer mit zwei Interferometerarmen
und einem optischen Modulator zum ändern der Frequenz der über den
einen Interferometerarm geführten
Strahlung sowie mit einer Ansteuervorrichtung zur Einstellung der Frequenzänderung
der Strahlung und einer Detektoreinrichtung zur Auswertung der interferierten
Ausgangsstrahlung.
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Bei
Heterodyninterferometern werden kohärente Strahlungsanteile mit
leicht unterschiedlicher Frequenz überlagert. An der Detektoreinrichtung
entsteht dadurch ein Signal mit der Differenzfrequenz der beiden
Strahlungsanteile, der so genannten Heterodynfrequenz. Die Information,
beispielsweise über
die Form oder die Rauheit von Oberflächen, ist in der Phasenlage
der detektierten Frequenz enthalten.
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Kohärente Strahlungsanteile
werden durch Verwendung einer gemeinsamen Lichtquelle, deren Strahlung
mit Hilfe zum Beispiel eines Strahlteilers in zwei Teilstrahlen
aufgeteilt wird, erhalten. Um unterschiedliche Strahlungsfrequenzen
in den beiden Teilstrahlen zu erhalten ist es bekannt, mit akustooptischen
Modulatoren die Frequenz in zumindest einem Teilstrahl zu verändern. Dabei
wird mit einem akustooptischen Modulator entsprechend der gewählten Ansteuerfrequenz
eine Frequenzverschiebung im Bereich einiger 10 MHz, typisch in
der Größenordnung
35 MHz, erreicht. Ist nur für
einen Teilstrahl ein akustooptischer Modulator vorgesehen, so entspricht die
Ansteuerfrequenz der an der Detektoreinrichtung erhaltenen Heterodynfrequenz.
Darin begründet
sich ein erster Nachteil dieses Aufbaus, da bei gleichen Frequenzen
der elektrischen Ansteuerung für
den akustooptischen Modulator und der Auswertung in der Detektoreinrichtung
eine Störung
des Nutzsignals im Detektor durch das Ansteuersignal des Modulators
kaum zu verhindern ist. Ein weiterer Nachteil liegt in der hohen
Auswertefrequenz. Bei solch hohen Frequenzen ist ein relativ hoher
Aufwand nötig,
um Übersprechen,
Rauschen und Reflektionen gering zu halten.
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Vorteilhaft
wird daher für
beide Teilstrahlen je ein akustooptischer Modulator mit gering unterschiedlicher
Ansteuerfrequenz vorgesehen. Die Heterodynfrequenz ist durch die
Differenz der Ansteuerfrequenzen gegeben und kann entsprechend vorgegeben
werden. Dadurch ist die Auswertefrequenz der Detektoreinrichtung
unterschiedlich zu den Ansteuerfrequenzen der akustooptischen Modulatoren,
wodurch eine Störung
der Signale des Detektors weitestgehend vermieden werden kann. Gleichzeitig
ergibt sich eine relativ niedrige Heterodynfrequenz, zumeist in
der Größenordnung
von einigen 100 kHz, was eine einfache Auswertung der Phasendifferenz zur
Berechnung der zu messenden Oberflächengeometrie ermöglicht.
Nachteilig bei diesem Aufbau ist, dass zwei akustooptische Modulatoren
vorgesehen werden müssen,
was zu erhöhten
Kosten führt.
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Heterodyninterferometer
können
beispielsweise in Mach-Zehnder-Anordnung oder als Michelson-Interferometer aufgebaut
sein. Dabei bietet die Mach-Zehnder-Anordnung den Vorteil, dass
der oder die akustooptischen Modulatoren nur einmal von einem Teilstrahl
durchlaufen werden. Bei einem Michelson-Interferometer durchläuft der
jeweilige Teilstrahl den akustooptischen Modulator zweimal. Die Beeinflussung
des Teilstrahls durch den akustooptischen Modulator ist entsprechend
schwieriger zu handhaben.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Heterodyninterferometer bereitzustellen,
welches eine störungsarme
Auswertung der Interferenzsignale bei gleichzeitig kostengünstigem
Aufbau ermöglicht.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass ein in das Heterodyninterferometer
geleiteter Eingangsstrahl vor seiner Aufteilung auf die Interferometerarme
mit einer von der Frequenzänderung der
Strahlung in dem optischen Modulator verschiedenen Frequenz in seiner
Amplitude moduliert ist. Die Heterodynfrequenz ergibt sich jetzt
aus der Kombination der Ansteuerfrequenz für die Frequenz modulation in
dem optischen Modulator und der Frequenz der Amplitudenmodulation
der Eingangsstrahlung. Sie kann so gewählt werden, dass sie unterschiedlich
zu den Ansteuerfrequenzen für
die Frequenz- beziehungsweise die Amplitudenmodulation ist. Dadurch
werden Störungen
der Auswertung durch ein Übersprechen
der Ansteuersignale auf die Detektoreinrichtung vermieden. Es ergeben
sich die gleichen Vorteile wie bei einem Aufbau mit zwei optischen
Modulatoren in beiden Interferometerarmen, jedoch bei nur einem
verwendeten optischen Modulator, was zu einem deutlichen Kostenvorteil
bei der Herstellung des Heterodyninterferometers führt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Amplitude
des Eingangsstrahls sinusförmig
oder in Form von Rechteckimpulsen moduliert. Dabei ist der erzielte
Interferenzkontrast abhängig
von der gewählten
Form der Amplitudenmodulation. Durch eine Modulation in Form von
schmalen Rechteckimpulsen lässt
sich der Interferenzkontrast bis hin zu einem Faktor 2 erhöhen. Dadurch
kann der Intensitätsverlust
des Messsignals, der zunächst
im Vergleich zu einem Aufbau mit zwei akustooptischen Modulatoren
zu beobachten ist, ausgeglichen werden.
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Die
Modulation der Amplitude des Eingangsstrahls kann dadurch bewirkt
werden, dass ein Chopper oder eine in ihrer Intensität modulierbare
Strahlungsquelle vorgesehen ist. Die Frequenz der Amplitudenmodulation
kann dabei durch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Choppers oder
die Frequenz der Ansteuerung der Strahlungsquelle vorgegeben werden.
Die Verwendung eines Choppers hat die Vorteile, dass die Strahlungsquelle
konstant bei entsprechend konstanter Strahlungscharakteristik betrieben
werden kann und dass Strahlungsquellen verwendet werden können, die
selbst nicht in ihrer Intensität
moduliert werden können.
Die Intensitätsmodulation
der Strahlungsquelle selbst kommt hingegen ohne bewegliche und damit
störungsanfällige und wartungsintensive
Bauteile aus. Dabei sind insbesondere Strahlungsquellen geeignet,
die auf Diodenlasern beziehungsweise SLEDs beruhen. Hier ist der Modulationseingang
häufig
bereits vorhanden oder lässt
sich kostengünstig
nachrüsten.
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Eine
von Störungen
durch Übersprechen
der Ansteuersignale für
die Amplitudenmodulation und die Frequenzmodulation gut zu trennende
Heterodynfrequenz lässt
sich dadurch erzielen, dass die Detektoreinrichtung zur Messung
bei einer Heterodynfrequenz entsprechend der Summe von oder der
Differenz zwischen der Frequenzänderung
der Strahlung in dem optischen Modulator und der Frequenz zur Modulation
der Amplitude des Eingangsstrahls ausgebildet ist. Die Messung bei
einer aus der Summe der Frequenzen gebildeten Heterodynfrequenz erfordert
eine schmalbandige Detektion in der Detektoreinrichtung. Die Messung
bei der Differenzfrequenz ist prinzipiell einfacher, da bei diesen
niedrige ren Frequenzen die elektronische Auswertung; der Phasendifferenz
einfacher möglich
ist. Beide Heterodynfrequenzen liegen jedoch ausreichend weit von den
beiden Ansteuerfrequenzen des optischen Modulators und zur Amplitudenmodulation
des Eingangsstrahls weg.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Heterodynfrequenz
aus der Frequenzänderung
der Strahlung in dem optischen Modulator, der Frequenz zur Modulation
der Amplitude des Eingangsstrahls und einer elektronischen Zumischung in
der Detektoreinrichtung gebildet. Dabei bildet die Frequenz der
Amplitudenmodulation und die Frequenz der elektronischen Zumischung
in der Detektoreinrichtung das Äquivalent
zu der zuvor beschriebenen Frequenz zur Amplitudenmodulation bei
erfindungsgemäßen Heterodyninterferometern
ohne die elektronische Zumischung in der Detektoreinrichtung. Die
Heterodynfrequenz ergibt sich aus der Differenz zwischen der Frequenzänderung
in dem optischen Modulator und der Summe der Frequenzen der Amplitudenmodulation
und der Frequenz der Zumischung in der Detektoreinrichtung.
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Eine
einfache, über
eine entsprechende Ansteuerung gut einstellbare Frequenzänderung
der Strahlung lässt
sich dadurch erreichen, dass als optischer Modulator ein akustooptischer
Modulator vorgesehen ist.
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Dabei
ergibt sich ein präziser
Messaufbau daraus, dass das Heterodyninterferometer in Mach-Zehnder-Anordnung oder als
Michelson-Interferometer aufgebaut ist. Das Mach-Zehnder-Interferometer
bietet gegenüber
dem Michelson-Interferometer den Vorteil, dass der optische Modulator
nur einmal von dem entsprechenden Teilstrahl durchlaufen wird. Bei
einem Michelson-Interferometer durchläuft der Teilstrahl den optischen
Modulator zweimal, wodurch die Beeinflussung des Teilstrahls schwieriger
zu handhaben ist.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es
zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung ein Heterodyninterferometer mit zwei akustooptischen
Modulatoren nach dem Stand der Technik,
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2 in
schematischer Darstellung ein Heterodyninterferometer mit einem
akustooptischen Modulator nach dem Stand der Technik,
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3 ein
Heterodyninterferometer in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung mit einer
in ihrer Intensität
modulierbaren Lichtquelle.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
in schematischer Darstellung ein Heterodyninterferometer 1 mit
zwei akustooptischen Modulatoren 24, 25 nach dem
Stand der Technik in Mach-Zehnder-Anordnung. Von einer Strahlungsquelle 10 gelangt
ein Eingangsstrahl 11 zu einem Strahlteiler 23.
Der Strahlteiler 23 teilt den Eingangsstrahl 11 in
zwei Teilstrahlen, die in zwei Interferometerarmen 21, 22 geführt sind.
In dem einen Interferometerarm 21 wird der Teilstrahl über einen
Umlenkspiegel 20 einem akustooptischen Modulator 24 und von
dort einem weiteren Strahlteiler 26 zugeführt. In dem
zweiten Interferometerarm 22 wird der Teilstrahl von dem
Strahlteiler 23 dem akustooptischen Modulator 25 und
von dort über
einen Umlenkspiegel 28 dem Strahlteiler 26 zugeführt. In
dem Strahlteiler 26 werden die Teilstrahlen aus den beiden
Interferometerarmen 21, 22 überlagert. In einer symbolisch
als Phasenschiebung 27 dargestellten Einheit zwischen dem
Umlenkspiegel 28 und dem Strahlteiler 26 erfährt der
in dem Interferometerarm 22 geführte Teilstrahl eine von dem
Wegsignal abhängige
Phasenverschiebung Δφ. Von dem
Stahlteiler 26 wird interferierte Ausgangsstrahlung 12 einer
Detektoreinrichtung 13 zugeführt.
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Die
akustooptischen Modulatoren 24, 25 werden mittels
Steuersignalen 30, 31 angesteuert. Dabei bewirkt
der akustooptische Modulator 24 eine Frequenzverschiebung
f1 des in dem Interferometerarm 21 geführten Teilstrahls
entsprechend der Ansteuerfrequenz f1 des
Steuersignals 30. Der zweite akustooptische Modulator 25 bewirkt
eine Frequenzverschiebung f2 des in dem
Interferometerarm 22 geführten Teilstrahls entsprechend
der Ansteuerfrequenz f2 des Steuersignals 31.
Die Ansteuerfrequenzen f1 und f2 definieren
die Heterodynfrequenz der interferierten Ausgangsstrahlung 12.
Der zeitliche Verlauf der Intensität I der in der Detektoreinrichtung 13 detektierten
Strahlung lässt
sich nach der Gleichung I = U1 2 + U2 2 +
2U1U2cos(2π(f1 – f2)t – Δφ) darstellen.
U1 und U2 entsprechen
dabei den Amplituden der beiden Teilstrahlen, während t die Zeit symbolisiert.
Die Intensität
der Strahlung hat danach ein Signal der Frequenz f1 – f2 und der Phase Δφ aufgeprägt, was elektronisch detektiert
wird. Dabei unterscheidet sich die Heterodynfrequenz f1 – f2 deutlich von den Ansteuerfrequenzen f1 und f2 der akustooptischen
Modulatoren 24, 25, was eine störungsfreie Auswertung
in der Detektoreinrichtung 13 ermöglicht.
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2 zeigt
in schematischer Darstellung ein Heterodyninterferometer 1 mit
einem einzigen akustooptischen Modulator 24 nach dem Stand
der Technik in Mach-Zehnder-Anordnung. Der Aufbau entspricht in
Wesentlichen dem in 1 beschriebenen Aufbau mit den
in ihrer Funktion bereits beschriebenen Bauteilen. Im Gegensatz
zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist in dem Interferometerarm 22 kein akustooptischer Modulator
vorgesehen, so dass für
den in dem Interferometerarm 22 geführten Teilstrahl keine Frequenzverschiebung
erfolgt. Der zeitliche Verlauf der Intensität I der in der Detektoreinrichtung 13 detektierten
Strahlung lässt sich
wie folgt beschreiben: I = U1 2 + U2 2 +
2U1U2cos(2πf1t – Δφ)
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Die
in der Detektoreinrichtung 13 vorliegende Heterodynfrequenz
entspricht demnach der an dem akustooptischen Modulator 24 anliegenden
Frequenz f1 des Steuersignals 30.
Die Auswertung in der Detektoreinrichtung 13 muss bei der
Ansteuerfrequenz f1 des akustooptischen Modulators 24 erfolgen,
wodurch sich in Folge von Übersprechen
der elektrischen Signale schwer beherrschbare Störungen ergeben.
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In 3 ist
ein Heterodyninterferometer 1 in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
mit einer in ihrer Intensität
modulierbaren Lichtquelle 10, ebenfalls in Mach-Zehnder-Anordnung,
dargestellt. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem in 2 dargestellten
Aufbau. Im Unterschied zu der in 2 dargestellten
Ausführungsform
ist die Strahlungsquelle 10 mit einem Steuersignal 32 beaufschlagt,
mit welchem sich die Intensität
der Strahlungsquelle 10 entsprechend einer Frequenz f2 modulieren lässt. Dies ergibt einen zeitlichen
Verlauf der Intensität
der in der Detektoreinrichtung 13 eintreffenden Strahlung gemäß der Gleichung I = (U1 2 +
U2 2 + 2U1U2cos(2πf1t – Δφ))(0,5 +
0,5 cos(2πf2t))
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Daraus
folgt I = 0,5U1 2 + 0,5U2 2 + U1U2cos(2πf1t – Δφ) + 0,5(U1 2 + U2 2)cos(2πf2t) +
0,5U1U2cos(2π(f1 + f2)t – Δφ) + 0,5U1U2cos(2π(f1 – f2)t – Δφ)
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Ist
die Detektoreinrichtung 13 zur Auswertung niederfrequenter
Signale ausgelegt, so fließen die
hochfrequenten Anteile f1, f2 und
f1 + f2 nicht in
die Auswertung ein. Bei der Auswertung wird somit der Intensitätsverlauf
gemäß I = 0,5U1 2 +
0,5U2 2 + 0,5U1U2cos(2π(f1 – f2)t – Δφ)bei
der Heterodynfrequenz f1 – f2 berücksichtigt,
was zeitlich gesehen dem Intensitätsverlauf der in 1 dargestellten
Anordnung mit zwei akustooptischen Modulatoren entspricht. Die im
Vergleich zum Aufbau mit zwei akustooptischen Modulatoren geringere
Intensität
der Ausgangsstrahlung 12 kann durch geeignete Wahl des
Steuersignals 32 ausgeglichen werden. So kann der Interferenzkontrast
wieder um einen Faktor 2 erhöht
werden, wenn als Steuersignal 32 schmale Rechteckimpulse
vorgesehen sind.
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Ist
die Detektoreinrichtung 13 zur Auswertung bei der Frequenz
f1 + f2 ausgelegt,
so kann alternativ der Intensitätsverlauf
gemäß I = 0,5U1 2 +
0,5U2 2 + 0,5U1U2cos(2π(f1 + f2)t – Δφ)ausgewertet
werden. Auch die Frequenz f1 + f2 liegt weit von den Ansteuerfrequenzen f1 und f2 entfernt, so
dass ein Übersprechen
der Ansteuerfrequenzen auf das Messsignal vermieden werden kann.
Vorraussetzung für
eine Auswertung bei der Frequenz f1 + f2 ist, dass die Detektoreinrichtung 13 schmalbandig
ausgeführt
ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann ein Teil der Frequenz f2 in der Detektoreinrichtung 13 elektronisch
zugemischt werden. Hierbei wird die Intensität der Strahlungsquelle 10 entsprechend
einer Frequenz, die beispielsweise 90% der Frequenz f2 entspricht,
moduliert. Die verbleibenden 10% zur Frequenz f2 werden in der Detektoreinrichtung 13 zugemischt.