DE102008029459A1

DE102008029459A1 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung

Info

Publication number: DE102008029459A1
Application number: DE200810029459
Authority: DE
Inventors: Marius Jurca
Original assignee: MEL MIKROELEKTRONIK GmbH
Current assignee: ALSITEC S.A.R.L., FR
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2028-06-21
Also published as: WO2009153067A2; DE102008029459B4; WO2009153067A3; WO2009153067A8

Abstract

Bei einem Verfahren zur berührungslosen Messung des Abstandes zu einer Licht wenigstens teilweiese reflektierenden optischen Grenzfläche (12), insbesondere zum Zwecke der Bestimmung der Oberflächentopographie, wird farbiges Licht mit Hilfe einer Lichtquelle (18) erzeugt. Das Spektrum des Lichts hat wenigstens ein Wellenlängenintervall, innerhalb dessen eine die Abhängigkeit der Intensität von der Wellenlänge beschreibende Spektralfunktion streng monoton steigend oder fallend ist. Das Licht wird auf der Grenzfläche (12) mit Hilfe einer Optik (26, 28) fokussiert, deren Brennebene wellenlängenabhängig ist. In einem nächsten Schritt wird die Intensität des Lichts mit Hilfe eines Sensors (32) gemessen, das an der Grenzfläche (12) reflektiert wird. Die Wellenlänge des reflektierten Lichts wird aus der gemessenen Intensität unter Verwendung der Spektralfunktion berechnet. Aus der Wellenlänge wird sodann der Abstand zu der Grenzfläche bestimmt. Das Messprinzip lässt sich auch auf der Sensorseite anwenden, wenn der Sensor eine spektrale Empfindlichkeitsfunktion hat, die zumindest innerhalb eines Wellenlängenintervalls streng monoton steigend oder fallend ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung des Abstandes zu einer Licht wenigstens teilweise reflektierenden optischen Grenzfläche. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren und Vorrichtungen dieser Art, mit denen sich eine Oberflächentopographie der Grenzfläche ermitteln lässt.
2. Beschreibung des Standes der Technik
In vielen Bereichen der Technik stellt sich die Aufgabe, berührungslos den Abstand zu einem Punkt auf der Oberfläche eines zu vermessenden Körpers zu messen. Insbesondere dann, wenn aus einer Vielzahl derartiger Messungen die Oberflächentopographie ermittelt werden soll, muss die Abstandsmessung mit hoher Geschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Messgenauigkeit durchgeführt werden.
Für derartige Messaufgaben besonders geeignet sind optische Messverfahren. Bei einem bekannten Verfahren, das beispielsweise auch in CD-Playern durchgeführt und gelegentlich als Autofokusverfahren bezeichnet wird, erzeugt eine monochromatische Lichtquelle Licht, das kollimiert und über eine axial bewegliche Linse auf die zu vermessende Oberfläche fokussiert wird. Liegt der Brennpunkt der beweglichen Linse exakt auf der Oberfläche, so wird ein größerer Teil des Lichtes von der Oberfläche zurückreflektiert. Zur Messung des Abstandes wird die bewegliche Linse so lange verfahren, bis ein Intensitätsmaximum gemessen werden kann. Der Abstand zu der Oberfläche ergibt sich dann unter Berücksichtigung der Verfahrstellung der beweglichen Linse, bei der das Maximum gemessen wurde.
Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, dass die Linse nicht beliebig schnell bewegt werden kann, so dass nur relativ kleine Messgeschwindigkeiten erreichbar sind. Ferner können in Folge einer Oberflächenrauhigkeit der zu vermessenden Oberfläche Intensitätsschwankungen auftreten, welche die Erfassung des Intensitätsmaximums erschweren. Aus diesen Gründen lassen sich mit dem Autofokus-Verfahren keine Messfrequenzen von mehr als 100 Hz erreichen.
Aus einem Aufsatz von Chr. Dietz und M. Jurca mit dem Titel "Eine Alternative zum Laser", Sensormagazin Nr. 4, 3. November 1997, Seiten 15 bis 18, ist ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung bekannt, bei dem von einer Halogen- oder Xenonlampe erzeugtes weißes Licht über eine Glasfaser zu einem Messkopf geführt wird. Der Messkopf enthält ein Objektiv mit starker chromatischer Aberrati on, welches das objektivseitige Ende der Glasfaser in kurzer Entfernung verkleinert abbildet. Infolge der chromatischen Aberration ergibt sich eine wellenlängenabhängige Brennweite für diese Abbildung.
Befindet sich eine optische Grenzfläche in dem Brennweitenbereich des Objektivs, so erzeugt aufgrund der wellenlängenabhängigen Brennweite des Objektivs nur Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge einen scharfen Brennpunkt auf dieser Grenzfläche. Umgekehrt wird nur der Reflex des Lichts dieser Wellenlänge wieder scharf auf das Faserende abgebildet und in die Faser eingekoppelt. Am geräteseitigen Ende der Faser wird das zurücklaufende Licht ausgekoppelt und in einem Spektrographen analysiert. Jede Wellenlänge, bei der ein lokales Maximum der spektralen Intensitätsverteilung auftritt, entspricht dabei einer rückstreuenden optischen Grenzfläche.
Dieses bekannte Verfahren ermöglicht es somit, auch die Dicken einer oder mehrerer optisch transparenter Schichten gleichzeitig zu vermessen. Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, dass nur ein relativ kleiner Teil des von der Lichtquelle erzeugten Lichts in die Faser eingekoppelt werden kann. Dies führt zu einem kleinen Signal-Rauschverhältnis, was die Anforderungen an den Spektrographen erhöht. Durch die Verwendung eines Spektrographen ist es außerdem im Allgemeinen nicht möglich, gleichzeitig eine hohe Messauflösung bei hoher Messfrequenz zu erzielen. Die derzeit erhältlichen Vor richtungen dieser Art haben deswegen eine Messfrequenz von weniger als 20 KHz. Nachteilig ist ferner, dass die geeigneten Spektrographen teuer sind und maßgeblich zum Gesamtpreis derartiger Messvorrichtungen beitragen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung des Abstandes zu einer Licht wenigstens teilweise reflektierenden optischen Grenzfläche anzugeben, die sich durch niedrige Kosten einerseits und hohe Messgenauigkeit- und Messfrequenz andererseits auszeichnen.
Ein diese Aufgabe lösendes Verfahren weist folgende Schritte auf:

a) Erzeugen von farbigem Licht, dessen Spektrum wenigstens ein Wellenlängenintervall hat, innerhalb dessen eine die Abhängigkeit der Intensität von der Wellenlänge beschreibende Spektralfunktion streng monoton steigend oder fallend ist,
b) Fokussieren des Lichts auf der Grenzfläche mit Hilfe einer Optik, deren Brennebene wellenlängenabhängig ist,
c) Messen der Intensität des Lichts, das an der Grenzfläche reflektiert wird,
d) Berechnen der Wellenlänge des reflektierten Lichts aus der in Schritt c) gemessenen Intensität unter Verwendung der Spektralfunktion,
e) Berechnen des Abstandes zu der Grenzfläche unter Verwendung der in Schritt d) berechneten Wellenlänge.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, die Wellenlänge nicht mit Hilfe eines Spektrographen zu erfassen, sondern sie aus einer wellenlängenunabhängig gemessenen Intensität zu ermitteln. Voraussetzung ist dann lediglich, dass man eine Lichtquelle verwendet, die wenigstens ein Wellenlängenintervall aufweist, in dem die Intensität eine streng monoton steigende oder fallende Funktion der Wellenlänge ist. Während bei dem bekannten Weißlicht-Messverfahren der genutzte Teil des Spektrums sich durch eine möglichst konstante Spektralfunktion auszeichnet, sind für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens somit Lichtquellen besonders geeignet, bei denen das Spektrum gerade möglichst nicht konstant ist, sondern einen größeren Abschnitt aufweist, über den hinweg die Spektralfunktion streng monoton ansteigt oder abfällt.
Als Lichtquelle mit einer derartigen Spektralfunktion werden auch Weißlichtquellen angesehen, deren Licht mit Hilfe eines Spektralfilters eine gewünschte Spektralfunktion aufgeprägt wird. Allerdings reduzieren derartige Spektralfilter die zur Messung nutzbare optische Leis tung; außerdem hängt die Spektralfunktion häufig recht stark von Umgebungsbedingungen wie Temperatur oder Luftfeuchtigkeit ab. Daher wird es Im allgemeinen bevorzugt sein, auf derartige Spektralfilter zu verzichten.
Wenn die Spektralfunktion der verwendeten Lichtquelle innerhalb des genutzten Wellenlängenintervalls eine große Steigung hat, so führt dies zu einer hohen Messauflösung. Bei vielen Anwendungen werden aber kleinere Steigungen bevorzugt sein, weil damit ein größerer Messbereich einhergeht.
Besonders als Lichtquellen geeignet sind LEDs, denn deren Spektrum ist annähernd glockenförmig, so dass nur ein geringer Teil der gesamten Intensität in ein Wellenlängenintervall fällt, in dem die Steigung der Spektralfunktion gering ist. LEDs als Lichtquellen sind sehr preisgünstig, langlebig und haben außerdem den Vorzug, dass sich das emittierte Licht mit Hilfe an sich bekannter Einkoppeleinrichtungen mit niedrigen Einkoppelverlusten in ein Faserende einkoppeln lässt.
Ideal wäre eine Lichtquelle, deren Spektrum rampenförmig ist, so dass die Intensität bei einer Grenzwellenlänge sprungartig von einem Maximalwert auf Null abfällt. Reale Lichtquellen hingegen haben Spektren mit mindestens zwei Flanken, so dass praktisch jede auftretende Intensität bei mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt wird, was zu Mehrdeutigkeiten führen könnte.
Derartige Mehrdeutigkeiten können jedoch auf unterschiedliche Weisen verhindert werden. Eine Möglichkeit besteht darin, ein Spektralfilter zu verwenden, das den zu unerwünschten Mehrdeutigkeiten führenden Teil des Spektrums absorbiert oder in sonstiger Weise aus dem Strahlengang entfernt. Mit einer solchen Kombination aus einer Lichtquelle mit einem Spektralfilter lässt sich beispielsweise eine rampenförmige Spektralfunktion gut annähern.
Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung von Mehrdeutigkeiten besteht darin, zwei Einzelmessungen durchzuführen, zwischen denen der Abstand zwischen der zu vermessenden Grenzfläche und der fokussierenden Optik verändert wird. Falls die Steigungen in den Wellenlängenintervallen, innerhalb derer Mehrdeutigkeiten auftreten können, unterschiedlich sind, kann eine Unterscheidung getroffen werden, welches der Wellenlängenintervalle momentan genutzt wird.
Besonders bevorzugt ist es allerdings, wenn in Schritt a) erstes und mindestens ein weiteres Licht erzeugt wird, deren Spektren unterschiedlich sind, aber sich zumindest teilweise überlappen, und bei dem in Schritt c) Intensitäten des reflektierten ersten und mindestens einen weiteren Lichts getrennt voneinander gemessen werden.
Eine solche getrennte Messung der Intensitäten des ersten Lichts und des mindestens einen weiteren Lichts ist dann erforderlich, wenn der zur Messung der Intensität verwen dete Sensor zumindest im Wesentlichen wellenlängenunabhängig die Intensität erfasst oder seine spektrale Empfindlichkeitsfunktion unbekannt ist. In diesem Fall kann der Sensor keinen Beitrag liefern, die erwähnten Mehrdeutigkeiten aufzulösen. Die Spektren des ersten und mindestens einem weiteren Licht müssen dann zumindest so unterschiedlich sein, dass bei einer bestimmten Wellenlänge für den Sensor unterscheidbare Intensitäten des ersten Lichts und des mindestens einen weiteren Lichts erzeugt werden.
Die Unterscheidbarkeit des Lichts kann auf unterschiedliche Weisen sichergestellt werden. In Betracht kommt beispielsweise ein Zeitmultiplexen, bei dem das erste und das mindestens eine weitere Licht zeitlich versetzt erzeugt werden. Eine Auswerteeinrichtung, der bekannt ist, wann welches Licht erzeugt wird, kann dann die von dem Sensor erzeugten Signale dem jeweils erzeugten Licht eindeutig zuordnen.
Alternativ hierzu kommt in Betracht, das erste Licht und das mindestens eine weitere Licht mit unterschiedlichen Polarisationszuständen auf die Oberfläche zu richten. Durch einen einfachen polarisationsselektiven Strahlteiler kann dann beispielsweise das reflektierte Licht auf zwei unterschiedliche Sensoren gerichtet werden, die folglich nur das erste bzw. das eine weitere Licht detektieren. Vorzugsweise wird das Licht dann im Freiraum geführt, da optische Multimode-Fasern im Allgemeinen nicht polarisationserhaltend und andererseits Monomode-Fasern zu schmalbandig sind.
Die Unterscheidbarkeit kann ferner durch ein Frequenzmultiplexen gewährleistet werden, wenn das erste und das mindestens eine weitere Licht mit unterschiedlichen Frequenzen oder bei einer Frequenz mit unterschiedlichen Phasen moduliert wird. Die Trennung und Zuordnung der von einem Sensor gelieferten Signale zum ersten und zu dem mindestens einen weiteren Licht erfolgt dann in der Auswerteeinrichtung, welche durch an sich bekannte signalverarbeitende Verfahren, z. B. Verwenden von Bandpassfiltern, die unterschiedlich modulierten Messsignale auftrennt und getrennt verarbeitet. Es sind auch andere an sich bekannte Methoden einsetzbar, um unterschiedlichen Emissionsspektren zugeordnete Empfangssignale elektronisch zu trennen, z. B. auf der Basis der Lock-In-Technik.
Zur Erzeugung des Lichts mit den unterschiedlichen Spektren werden vorzugsweise unterschiedliche Lichtquellen verwendet. Es ist jedoch auch möglich, eine einzige verstimmbare Lichtquelle zu verwenden, deren Emissionsspektrum sich mit Hilfe eines Steuersignals zeitlich variieren lässt. Bei den als Lichtquellen besonders geeigneten LEDs ist dies häufig ohne weiteres möglich, da der Schwerpunkt des Emissionsspektrums üblicherweise vom Betriebsstrom abhängt. Ferner können Laserdioden verwendet werden, deren Emissionsspektrum ebenfalls über große Bereiche hinweg einstellbar ist. Bei Laserdioden lassen sich überdies die Verluste beim Einkoppeln in eine optische Faser deutlich geringer halten als bei LEDs.
Lichtquellen, deren Spektrum sich zeitabhängig und vorzugsweise periodisch verschieben lässt, können jedoch auch zu anderen Zwecken sinnvoll eingesetzt werden. So kommt beispielsweise in Betracht, auf diese Weise das zur Verfügung stehende Wellenlängenintervall und damit den erfassbaren Messbereich zu vergrößern. Um aus der gemessenen Intensität eine Wellenlänge ableiten zu können, muss lediglich bekannt sein, welche Spektralfunktion das zum Zeitpunkt der Erfassung der Intensität ausgesendete Licht augenblicklich hat.
Wird in der erfindungsgemäßen Weise das Licht auf einen Körper gerichtet, der mehrere reflektierende optische Grenzflächen hat, so misst der Sensor nur eine Gesamtintensität, die nicht mehr ohne weiteres einzelnen Wellenlängen zugeordnet werden kann, wie dies bei herkömmlichen Weißlicht-Messverfahren der Fall ist. Mit Hilfe einiger zusätzlicher Maßnahme lassen sich jedoch auch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Abstände zu mehreren optischen Grenzflächen und somit insbesondere die Dicken transparenter Schichten sehr einfach und schnell mit hoher Messgenauigkeit ermitteln.
Wenn die Abstände nicht zu dicht beieinander liegen (d. h. bei nicht zu geringen Schichtdicken), so können, wenn der Abstand zu N ≥ 2 zumindest teilweise reflektierenden optischen Grenzflächen gemessen werden soll, mehrere, insbesondere 2 N, Messungen gemäß den Schritten a) bis e) getrennt voneinander durchgeführt werden.
Wenn die Differenz der Abstände einerseits sehr klein, andererseits aber auch sehr groß sein kann, so wären sehr viele Messungen erforderlich, um den Abstand zu beiden Grenzflächen zu messen. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung wird deswegen zur Vorauswahl von Licht eine gröbere Vorabmessung des Abstands zwischen den Grenzflächen durchgeführt. Auf diese Weise kann die Zahl der erforderlichen Messungen insgesamt deutlich reduziert werden.
Die Vorab-Messung kann z. B. mit Vorab-Licht durchgeführt werden, dessen Wellenlängenintervall, innerhalb dessen eine die Abhängigkeit der Intensität von der Wellenlänge beschreibende Spektralfunktion streng monoton steigend oder fallend ist, eine Breite hat, die größer ist als die Breite der Wellenlängenintervalle, aus denen die Vorauswahl getroffen wird. Auf diese Weise kann man mit einigen wenigen gröberen Messungen ungefähr bestimmen, wo die optischen Grenzflächen sind. In einem zweiten Messzyklus werden dann die diesen Grenzflächen entsprechenden Wellenlängen genauer mit Hilfe von Licht bestimmt, dessen genutztes Wellenlängenintervall schmaler ist und somit eine höhere Messgenauigkeit ermöglicht.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die eingangs genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst mit:

a) einer Lichtquelle zum Erzeugen von farbigem Licht, dessen Spektrum wenigstens ein Wellenlängenintervall hat, innerhalb dessen eine die Abhängigkeit der Intensität von der Wellenlänge beschreibende Spektralfunktion streng monoton steigend oder fallend ist,
b) einer Optik, mit der das Licht auf der Grenzfläche fokussierbar und dessen Brennebene wellenlängenabhängig ist,
c) einem Sensor zum Messen der Intensität des Lichts, das an der Grenzfläche reflektiert wird,
d) einer Auswerteeinrichtung, durch welche die Wellenlänge des reflektierten Lichts aus der gemessenen Intensität unter Verwendung der Spektralfunktion und aus der Wellenlänge der Abstandes zu der Grenzfläche berechenbar ist.

Bezüglich der damit erzielten Vorteile wird auf die obigen Ausführungen zum Verfahren verwiesen.
Bei dem Sensor kann es sich um eine zumindest innerhalb des Wellenlängenintervalls weitgehend wellenlängenunabhängig messende Photodiode handeln. Für eine bessere Ausnutzung der Dynamik des von der Photodiode erzeugten Pho tostroms kann dieser in einem elektronischen Bauelement logarithmiert werden. Falls mehrere Photodioden verwendet werden, kann auch das logarithmische Verhältnis der beiden Photoströme zur weiteren Verarbeitung herangezogen werden.
Bei der Optik mit wellenlängenabhängiger Brennebene kann es sich sowohl um eine refraktive Optik, zu der auch GRIN-Linsen gehören, als auch um eine diffraktive Optik handeln.
Das erfindungsgemäße Prinzip lässt sich auch auf die Sensorseite anwenden. Anstatt eine Lichtquelle mit bekannter Spektralfunktion zu verwenden, kommt dann ein Sensor zum Einsatz, der eine spektrale Empfindlichkeitsfunktion hat, die zumindest innerhalb eines Wellenlängenintervalls streng monoton steigend oder fallend ist. Die Auswerteeinrichtung berechnet dann die Wellenlänge des reflektierten Lichts aus der gemessenen Intensität unter Verwendung der spektralen Empfindlichkeitsfunktion und aus der Wellenlänge wiederum den Abstandes zu der Grenzfläche.
Überdies ist es möglich, das Prinzip sowohl bei der Lichtquelle als auch bei dem Sensor anzuwenden. Wenn die Spektralfunktion sich von der spektralen Empfindlichkeitsfunktion unterscheidet, was im allgemeinen der Fall sein wird, so können Mehrdeutigkeiten vermieden werden, ohne dass mehrere Lichtquellen oder mehrere Sensoren verwendet werden müssen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
2 das Spektrum einer in der Messvorrichtung als Lichtquelle verwendeten LED;
3 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung einer Messvorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, die zwei LEDs als Lichtquellen aufweist;
4 die Spektren der beiden LEDs der in der 3 gezeigten Messvorrichtung;
5 die Spektren von insgesamt vier LEDs, die sequentiell hintereinander zur Vergrößerung des Messbereichs geschaltet werden;
6 die Spektren von vier LEDs, die hintereinander zur Messung einer Schichtdicke geschaltet werden;
7a die Spektren unterschiedlicher Lichtquellen gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, bei dem vorab eine grobe Schichtdickenmessung stattfindet;
7b einen vergrößerten Ausschnitt aus den Spektren der 7a;
8a die Spektren gemäß der 7a, jedoch für den Fall von enger beabstandeten optischen Grenzflächen;
8b einen vergrößerter Ausschnitt aus der 8a;
9a ein Spektrum einer Lichtquelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem ein Messkopf zur Vermessung einer Schichtdicke in axialer Richtung verfahren wird;
9b vergrößerte Ausschnitte aus der 9a;
10 eine vergrößerte Draufsicht auf das Ende eines Faserbündels gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
11 eine der 3 entsprechende schematische Darstellung einer Messvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, die zwei eine LED und zwei Sensoren aufweist.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1. Ausführungsbeispiel
In der 1 ist eine erfindungsgemäße Messvorrichtung schematisch dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet. Die Messvorrichtung 10 ist dafür vorgesehen, die Topographie einer Oberfläche 12 einer Probe 14 zu bestimmen. Unter der Topographie einer Oberfläche wird im Allgemeinen deren Form im dreidimensionalen Raum verstanden. Meist wird die Topographie durch die Raumkoordinaten einer möglichst hohen Zahl von Punkten auf der Oberfläche beschrieben.
Zur Vermessung der Topographie ist die Probe 14 auf einem Verfahrtisch 16 befestigt, der im dargestellten Ausführungsbeispiel integraler Teil der Messvorrichtung 10 ist. Der Verfahrtisch 16 ist in drei orthogonalen Raumrichtungen X, Y, Z mit hoher Genauigkeit relativ zu einer Basis translatorisch verfahrbar ist, die der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Wird die Probe 14 mit Hilfe des Verfahrtischs 16 in der XY-Ebene verfahren, so kann die Oberfläche 12 der Probe 14 scannerartig von der Messvorrichtung 10 abgetastet werden. Die X- und Y-Koordi naten der Oberfläche sind dann aus der Verfahrstellung des Verfahrtischs 16 ableitbar, während die Z-Koordinate der Oberfläche 12 durch Abstandsmessung ermittelt wird.
Zu diesem Zweck weist die Messvorrichtung 10 eine Lichtquelle 18 auf, bei der es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um eine LED (light emitting diode) handelt. Die Lichtquelle 18 ist in an sich bekannter Weise an einen ersten Lichtwellenleiter 20 angekoppelt, der das eingekoppelte Licht über einen 2:1-Faserkoppler 22 bis zu einer Endfacette 24 des ersten Lichtwellenleiters 20 leitet. Dort tritt das Licht im Freiraum aus, wird mit Hilfe einer Kollimatorlinse 26 kollimiert und trifft auf eine Fokussierlinse 28. Wenigstens eine der Linsen 26, 28 (oder gegebenenfalls weitere brechkraftbehaftete optische Elemente) ist dabei chromatisch nicht korrigiert. Infolge der chromatischen Abberation der aus den Linsen 26, 28 gebildeten Optik hängt deren Brennweite von der Wellenlänge des hindurchtretenden Lichts ab. In der 1 ist dies in unterschiedlichen Strichelungen schematisch für vier unterschiedliche Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃ und λ₄ dargestellt. Falls z. B. nur die Fokussierlinse 28 chromatisch nicht korrigiert ist und aus einem optischen Material mit normaler Dispersion besteht, wird kurzwelliges Licht stärker gebrochen als langwelliges. Die Brennweite für Licht mit der kleinsten Wellenlänge λ₁ ist somit am kleinsten, während die Brennweite für Licht mit der größten Wellenlänge λ₄ am größten ist. Bei Linsen mit anomaler Version kehren sich die Verhältnisse um.
Wie in der 1 erkennbar ist, liegt bei der gezeigten axialen Anordnung zwischen Probe 14 und Fokussierlinse 28 der Brennpunkt für Licht mit der Wellenlänge λ₃ exakt auf der Oberfläche 12. Der durch den Brennpunkt auf der Oberfläche 12 entstehende Lichtfleck wird zumindest teilweise reflektiert und über die Fokussierlinse 28 und die Kollimatorlinse 26 zurück auf die Endfacette 24 des ersten Lichtwellenleiters 20 abgebildet. Dort tritt das von der Oberfläche 12 reflektierte Licht in den ersten Lichtwellenleiter 20 ein und wird über den Faserkoppler 22 in einen zweiten Lichtwellenleiter 30 eingekoppelt, der es einem Sensor 32 zuführt. Mit dem Sensor 32 kann die Intensität des an der Oberfläche 12 reflektierten Licht gemessen werden. Der Sensor 32 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Photodiode ausgebildet, deren spektrale Empfindlichkeit so gering ist, dass eine praktisch wellenlängenunabhängige Intensitätsmessung stattfindet. Zur Verminderung von Signalrauschen kann der Sensor 32 aktiv gekühlt werden; ein Peltier-Kühlelement ist in der 1 mit 31 angedeutet. Über eine Signalleitung 33 ist der Sensor 32 mit einer Auswerteeinrichtung 34 verbunden, die über eine weitere Signalleitung 36 auch den Verfahrtisch 16 ansteuert. Je nach Ausführungsbeispiel kann auch die Lichtquelle 18 über eine Signalleitung mit der Auswerteeinrichtung 34 verbunden sein (gestrichelt dargestellt).
Die 2 zeigt das Spektrum des von der Lichtquelle 18 erzeugten Lichts. Das Spektrum wird durch eine Spektral funktion I(λ) beschrieben, welche die Abhängigkeit der Intensität I des erzeugten Lichts von der Wellenlänge λ angibt. Die Spektralfunktion hat einen annähernd glockenförmigen Verlauf und ist bezüglich einer Mittenwellenlänge λ_m zentriert. In einem ersten Wellenlängenintervall zwischen einer kleinsten Wellenlänge λ₁ und der Mittenwellenlänge λ_m ist die Spektralfunktion streng monoton steigend. Dies impliziert insbesondere, dass die Intensität für zwei benachbarte Wellenlängen nie gleich ist. In einem zweiten Wellenlängenintervall zwischen der Mittenwellenlänge λ_m und einer maximalen Wellenlänge λ₂ ist die Spektralfunktion streng monoton fallend.
Bei dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird für die Messung lediglich das zweite Wellenlängenintervall verwendet, welches deswegen in der 2 mit durchgezogener Linie dargestellt ist. Auch innerhalb des zweiten Wellenlängenintervalls tritt jede Intensität nur genau ein Mal auf. Wird von der Oberfläche 12 nur Licht der Wellenlänge λ_r reflektiert, so misst der Sensor 32 eine Intensität I(λ_r). Da in dem zweiten Wellenlängenintervall diese Intensität nicht ein zweites Mal auftritt, kann die Auswerteeinrichtung 34 aus der gemessenen Intensität I(λ_r) die Wellenlänge λ_r eindeutig bestimmen, wenn ihr der Verlauf der Spektralfunktion I(λ) innerhalb des zweiten Wellenlängenintervalls bekannt ist. Die Bestimmung der Wellenlänge λ_r erfolgt somit ohne jegliche spektrale Zerlegung des von der Oberfläche 12 reflektierten Lichts.
Ist die Wellenlänge λ_r des reflektierten Lichts bekannt, so kann in der von herkömmlichen Weißlicht-Messverfahren bekannten Weise auf den Abstand zwischen der Fokussierlinse 28 und der Oberfläche 12 zurückgeschlossen werden, da die wellenlängenabhängigen Brennweiten der Fokussierlinse 28 rechnerisch oder durch Kalibration ohne weiteres ermittelt werden können. Wird die Probe mit der zu vermessenden Oberfläche 12 auf dem Verfahrtisch 16 in der X- und Y-Richtung verfahren, so variiert der Abstand zwischen der Fokussierlinse 28 und der Oberfläche 12, so dass Licht unterschiedlicher Wellenlängen zurück in die Endfacette 24 des ersten Lichtwellenleiters 20 eingekoppelt und dem Sensor 32 zugeführt wird. Der Sensor 32 kann die unterschiedlichen Wellenlängen nicht unterscheiden, misst aber unterschiedliche Intensitäten gemäß der in der 2 gezeigten Spektralfunktion. Die Auswerteeinrichtung 34 errechnet daraus in rascher Folge die jeweils zugeordnete Wellenlänge und daraus wiederum den Abstand zur Oberfläche 12 am jeweiligen Messpunkt. Aus den so ermittelten Abstandswerten und den jeweiligen X- und Y-Verfahrkoordinaten kann dann die Topographie der Oberfläche vollständig bestimmt werden.
Falls der Sensor 32 eine spektral variierende Empfindlichkeit hat, so lässt sich diese in der Auswerteeinrichtung 34 berücksichtigen. Aus der gemessenen Intensität wird dann die tatsächliche Intensität unter Verwendung der spektralen Empfindlichkeitskurve des Sensors 32 bestimmt.
Für die Abstandsmessung empfiehlt es sich, nicht das gesamte zweite Wellenlängenintervall zwischen λ_m und λ₂ zu verwenden. Im Bereich der Mittenwellenlänge λ_m ist die Steigung der Spektralfunktion I(λ) sehr gering, so dass Veränderungen der gemessenen Intensität nicht mehr genau genug aufgelöst werden können. Gleiches gilt unter Umständen im Bereich der oberen Grenzwellenlänge λ₂. Dort ist außerdem die Intensität des von der Lichtquelle 18 erzeugten Lichts so gering, dass reflektiertes Licht im Sensor 32 gegebenenfalls nicht mehr deutlich genug von Rauscheinflüssen unterschieden werden kann. Deswegen sollte für eine hochgenaue Messung das Wellenlängenintervall auf eine Breite Δλ zwischen λ_min und λ_max beschränkt werden, wie dies in der 2 durch gestrichelte Linien angedeutet ist.
Wie in der 2 ferner erkennbar ist, kann nur eine Hälfte des Spektrums für die Messung genutzt werden, da jeder Intensitätswert an zwei unterschiedlichen Wellenlängen auftritt. Ohne Beschränkung auf eine Hälfte des Spektrums würde die Auswerteeinrichtung 34 nicht ohne weiteres ermitteln können, ob der Intensität die Wellenlänge λ_r oder λ_r' zugeordnet werden muss.
Die Beschränkung auf eine Hälfte des Spektrums kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die nicht genutzte Hälfte mit Hilfe eines hochwirksamen Spektralfilters so weit abgeschwächt wird, dass es nach Reflexion an der Oberfläche 12 nicht mehr vom Sensor 32 erfasst werden kann. Auf eine solche Maßnahme kann verzichtet werden, wenn auf Grund von groben Vorabmessungen oder anderen Informationen bekannt ist, dass die zu vermessende Oberfläche 12 nur einen so kleinen Messbereich erfordert, dass er mit einer Hälfte des Spektrums erfasst werden kann. Mit Hilfe des Verfahrtischs 16 kann dann die Probe 14 aus einer bestimmten Richtung (in der 1 von oben oder von unten) entlang der Z-Achse axial an den Messbereich herangefahren werden. In diesem Falle ist auf Grund der ”Historie” des Messvorgangs bekannt, ob man sich von der maximalen Wellenlänge λ₂ oder der minimalen Wellenlänge λ₁ des Spektrums nähert.
Wird als Sensor 32 eine Photodiode verwendet, so sind Messfrequenzen im Bereich von mehr als 100 MHz möglich. Wegen des sehr großen Dynamikbereichs von Photodioden, der häufig in der Größenordnung von 10⁷ liegt, ist es außerdem möglich, ein sehr breites Wellenlängenintervall Δλ des von der Lichtquelle 18 erzeugten Lichts für die Messung nutzbar zu machen. Entsprechend groß ist der Messbereich, der von der Messvorrichtung 10 bei der Abstandsmessung abgedeckt werden kann.
Bedingt durch die hohe einkoppelbare Lichtleistung in den ersten Lichtwellenleiter 20 und durch die Empfindlichkeit der als Sensor 32 verwendeten Photodiode ist es möglich, für den ersten Lichtwellenleiter 20 eine Multimode-Faser zu verwenden, die besonders dünn ist. Bei dem bekannten Weisslicht-Messverfahren finden üblicherweise Multimode- Fasern Verwendung, bei denen der Durchmesser des Kerns und des Mantels 50 μm bzw. 125 μm beträgt. Wird eine Faser mit einem nur halb so großem Kerndurchmesser gewählt, so verbessert sich die laterale Auflösung (d. h. senkrecht zur Z-Richtung) um einen Faktor 2.
2. Ausführungsbeispiel
Die 3 zeigt in einer an die 1 angelehnten Darstellung eine Messvorrichtung 110 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. Gleiche oder einander entsprechende Teile sind dabei mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Messvorrichtung 110 unterscheidet sich von der in der 1 gezeigten Messvorrichtung 10 lediglich dadurch, dass zwei voneinander unabhängige Lichtquellen 18a, 18b verwendet werden und die Auswerteeinrichtung 34 anders ausgelegt ist.
Zur Erläuterung der Funktion der Messvorrichtung 110 wird auf die 4 Bezug genommen, welche die Spektralfunktionen SF_a und SF_b des von den Lichtquellen 18a bzw. 18b erzeugten Lichts zeigt. Dort ist erkennbar, dass die Spektren derart zueinander versetzt sind, dass eine Überlappung der Spektren auftritt. Die Überlappung ist dabei so gewählt, dass sich jeweils etwas mehr als eine Hälfte des Spektrums mit etwas mehr als einer Hälfte des anderen Spektrums überlappt.
Bei der Messung steuert die Auswerteeinrichtung 34 die beiden Lichtquellen 18a, 18b im dargestellten Ausführungsbeispiel wechselseitig an. Wird zunächst die Lichtquelle 18a angesteuert, welche die Spektralfunktion SF_a erzeugt, so misst der Sensor 32 eine erste Intensität I_a. Ohne zusätzliche Maßnahmen kann die Auswerteeinrichtung 34 der Intensität I_a jedoch nicht eindeutig eine bestimmte Wellenlänge zuordnen, da dieser Intensität zwei Wellenlängen λ_r und λ_r' in der Spektralfunktion SF_a entsprechen. Um diese Mehrdeutigkeit aufzulösen, wird die erste Lichtquelle 18a ausgeschaltet und die zweite Lichtquelle 18b eingeschaltet. Der Sensor 32 misst nun eine Intensität I_b, der die Auswerteeinrichtung 34 auf der Grundlage der Spektralfunktion SF_B ebenfalls zwei unterschiedlichen Wellenlängen λ_r und λ_r'' zuordnen könnte. Durch die Verknüpfung der beiden Messungen wird jedoch die Eindeutigkeit hergestellt, da nur die Wellenlänge λ_r als mögliche Lösung bei beiden Messungen ermittelt werden kann.
Liegt die Wellenlänge des reflektierten Lichts in einem Wellenlängenintervall, bei dem nur eine der beiden Spektralfunktionen SF_a, SF_b von Null verschiedene Werte hat, so ist ebenfalls die Eindeutigkeit gegeben, da in diesem Falle eine der beiden Messungen einen Nullwert ergibt, so dass klar ist, in welcher Hälfte des Spektrums des von der jeweiligen anderen Lichtquelle erzeugten Lichts die reflektierte Wellenlänge liegen muss.
Durch die vorstehend beschriebene Doppelmessung kann somit der Messbereich gegenüber dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel annähernd verdreifacht werden. Das nutzbare Wellenlängenintervall Δλ beträgt somit etwa das 1,5fache der spektralen Breite einer der verwendeten Lichtquellen 18a, 18b.
3. Abwandlungen
Das anhand der 4 erläuterte Messprinzip lässt sich in vielfältiger Weise abwandeln. So müssen die Messungen mit der Lichtquelle 18a, 18b nicht unbedingt nacheinander im Sinne eines Zeitmultiplexens durchgeführt werden. Vielmehr ist auch eine gleichzeitige Messung möglich, wenn die Auswerteeinrichtung 34 die von dem Sensor 32 gemessenen Intensitäten auf andere Weise den Spektralfunktionen SF_a und SF_b eindeutig zuordnen kann. In Betracht kommt insbesondere, die Lichtquellen 18a, 18b gepulst zu betreiben, so dass über unterschiedliche Pulsraten (Frequenzmultiplexen) eine Unterscheidung der von dem Sensor 32 gelieferten Messsignale möglich ist. Anstelle eines Zeit- oder Frequenzmultiplexens kommt auch ein Polarisationsmultiplexen in Betracht. In diesem Falle ist lediglich sicherzustellen, dass das von den Lichtquellen 18a, 18b erzeugte Licht orthogonale Polarisationszustände (linear oder zirkular) hat. Das reflektierte Licht mit den orthogonalen Polarisationszuständen kann dann mit Hilfe an sich bekannter polarisationsoptischer Komponenten wieder voneinander getrennt werden und zwei unterschiedli chen Sensoren zugeführt werden. Im Falle von linearen Polarisationszuständen kommt hierzu ein einfacher polarisationsselektiver Strahlteiler in Betracht.
Das anhand der 4 erläuterte Messprinzip lässt sich auch mit lediglich einer einzigen Lichtquelle durchführen, wenn deren Spektrum durch ein Steuersignal zeitlich variierbar ist. In diesem Fall werden die beiden in der 4 gezeigten Spektren abwechselnd von der gleichen Lichtquelle erzeugt. Wenn die Auswerteeinrichtung 34 die Lichtquelle über die in der 1 gestrichelt angedeutete Signalleitung ansteuert, ist ihr stets bekannt, welche der beiden Spektralfunktionen SF_a und SF_b sie einem Intensitätswert zuordnen muss, der zu einem bestimmten Zeitpunkt von dem Sensor 32 gemessen wurde.
Der Messbereich lässt sich im Prinzip beliebig ausdehnen, wenn nicht nur zwei, sondern m Lichtquellen verwendet werden, die zueinander versetzte Spektren erzeugen. Dies ist für m = 4 Spektralfunktionen SF_a, SF_b, SF_c und SF_d in der 5 gezeigt.
4. Mehrere optische Grenzflächen
Bislang wurde angenommen, dass die Oberfläche 12 die einzige optische Grenzfläche der Probe 14 ist, von der Licht reflektiert wird. Häufig stellt sich jedoch die Aufgabe, Proben 14 zu vermessen, bei denen mehrere optische Grenzflächen hintereinander angeordnet sind, deren Topographie ermittelt werden soll. Ein Anwendungsfall ist die Messung von Dicken dünner transparenter Schichten; aus der Oberflächentopographie wird dann gewissermaßen eine Schichtdickentopographie.
Weist die Probe 14 mehrere reflektierende optische Grenzflächen auf, so führt dies dazu, dass an jeder Grenzfläche Licht mit einer bestimmten Wellenlänge reflektiert wird. Bei drei optischen Grenzflächen würde der Sensor 32 beispielsweise Licht mit drei unterschiedlichen Wellenlängen erfassen. Da der Sensor 32 die Wellenlänge nicht unterscheiden kann, ist er ohne weiteres nicht in der Lage, überhaupt festzustellen, dass mehrere Grenzflächen vorhanden sind. Vielmehr würde der Sensor 32 alle Intensitäten aufaddieren, und die Auswerteeinrichtung 34 würde dem aufaddierten Intensitätswert eine Wellenlänge und damit einen Abstand zuordnen, der tatsächlich überhaupt nicht vorhanden ist.
Durch die Messung mit mehreren Spektren kann aber auch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Abstand zu mehreren optischen Grenzflächen gleichzeitig gemessen werden. Ist auf Grund von Vorabmessungen oder sonstigen Informationen bekannt, dass die minimale Schichtdicke einen bestimmten, von den verwendeten Spektren abhängigen Wert nicht unterschreitet, so kann im Prinzip das Verfahren zur Bestimmung der Abstände zu den einzelnen optischen Grenzflächen durchgeführt werden, das für nur eine Grenzfläche anhand der 5 kurz erläutert wurde. Der mini male Abstand zwischen zwei benachbarten optischen Grenzflächen muss dabei die Bedingung erfüllen, dass das von den Grenzflächen reflektierte Licht Wellenlängen hat, die zwei benachbarten Paaren von Spektren zugeordnet sind, wie dies in der 6 gezeigt ist. In diesem Fall kann die Wellenlänge λ_r,1 bestimmt werden, indem zunächst getrennt voneinander zwei Einzelmessungen mit den Spektralfunktionen SF_a und SF_b durchgeführt werden. Die Wellenlänge λ_r,1 ergibt sich dann in gleicher Weise, wie dies oben in Bezug auf die 4 erläutert wurde.
Die Wellenlänge λ_r,2 wird anschließend durch zwei getrennte Messungen unter Verwendung der Spektralfunktionen SF_c, SF_d bestimmt. Wäre die reflektierte Wellenlänge λ_r,2 so nahe der Wellenlänge λ_r,1, dass sie im Bereich der Spektralfunktion SF_b läge, so würden Mehrdeutigkeiten entstehen, die nicht ohne weiteres aufgelöst werden können und zu Messfehlern führen.
Die vorstehend beschriebenen minimalen Abstände zwischen benachbarten optischen Grenzflächen, die nicht unterschritten werden dürfen, lassen sich so weit verringern, wie die spektralen Breiten der Spektralfunktionen SF verringert werden können. Da im Prinzip aber jede Spektralfunktion SF eine getrennte Messung erfordert, kann es selbst bei Anwendung von Frequenz- oder Polarisationsmultiplexverfahren, bei denen eine gleichzeitige Messung für eine Vielzahl von Spektralfunktionen möglich ist, in Folge von Beschränkungen der Signalbandbreite etc. dazu kom men, dass die gesamte Messdauer pro Messpunkt verlängert und damit die Messfrequenz der Messvorrichtung verringert wird.
Abhilfe kann in diesem Falle eine grobe Vorab-Messung schaffen, wie dies in den Spektren der 7a und, als vergrößerte Ausschnitte, der 7b gezeigt ist. Bei der Vorabmessung wird mit breiteren ersten Spektralfunktionen SF_g,a, SF_g,b, SF_g,c und SF_g,d in wenigen Messungen festgestellt, wo überhaupt optische Grenzflächen liegen. Wird zu einer ersten Spektralfunktion SF_g,a, SF_g,b, SF_g,c oder SF_g,d eine sich vom Rauschen abhebende Intensität gemessen, so werden gezielt innerhalb des Wellenlängenintervalls der betreffenden Spektralfunktion Feinmessungen mit schmaleren zweiten Spektralfunktionen SF_f vorgenommen, welche eine höhere Messgenauigkeit aufgrund ihrer größeren Flankensteilheit ermöglichen. Liegen mehr als zwei optischen Grenzflächen zugeordnete Wellenlängen innerhalb eines Wellenlängenintervalls einer ersten Spektralfunktion SF_g, so können diese u. U. dennoch aufgelöst werden, wenn die anhand der 6 erläuterte Bedingung bezüglich der feinen Spektralfunktionen SF_f eingehalten ist. Dies ist in den 8a und 8b dargestellt.
In den 9a und 9b ist eine weitere Variante gezeigt, wie man mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens die Abstände zu mehreren optischen Grenzflächen erfassen kann. Ähnlich wie dies oben bereits anhand der 1 und 2 erläuterten Ausführungsbeispiel dargelegt wurde, kann der axiale Abstand zwischen der Probe 14 und der in einem Messkopf aufgenommenen Fokussierlinse 28 – vorzugsweise in gleichmäßigen Schritten – verändert werden. Selbstverständlich kann anstelle des Verfahrtischs 16 hierzu auch die Fokussierlinse 28 axial verfahren werden, was in der Regel den Vorteil geringerer zu bewegender Massen mit sich bringt. Durch die Verstellung des Abstandes zwischen Probe 16 und Fokussierlinse 28 durchfahren die optischen Grenzflächen nacheinander die Brennebenen der Fokussierlinse 28 für die einzelnen Wellenlängen. Mathematisch gleichwertig hierzu ist eine Beschreibung, bei der der Abstand konstant bleibt, die Spektralfunktion des Lichts sich jedoch schrittweise oder kontinuierlich ändert. Diese Darstellung ist in der 9a gewählt. Darin ist erkennbar, wie eine schmale Spektralfunktion SF schrittweise durch den Wellenlängenbereich zu wandern scheint. Die 9b zeigt in vergrößerten Darstellungen die Paare von Einzelmessungen, bei denen eine Grenzfläche erfasst wurde. Die Wellenlänge für diese Grenzfläche kann dann wieder in der oben mit Bezug auf die 2 erläuterten Weise berechnet werden.
Anstatt das reflektierte Licht mit Hilfe des Kopplers 22 außerhalb des Messkopfes vom ersten Lichtwellenleiter 20 in den zweiten Lichtwellenleiter 30 zu überführen, kann das reflektierte Messlicht auch direkt nach Durchtritt durch die Linsen 28 und 26 in den zweiten Lichtwellenleiter 30 eingekoppelt werden. Bei dieser Variante wird der zweite Lichtwellenleiter 30 bis in den Messkopf geführt und so neben dem ersten Lichtwellenleiter angeordnet, dass die Endfacetten der beiden Lichtwellenleiter 20, 30 möglichst dicht nebeneinander angeordnet sind.
Die 10 zeigt beispielhaft eine Anordnung, bei der insgesamt sechs zweite Lichtwellenleiter 130 symmetrisch um einen ersten Lichtwellenleiter 120 angeordnet sind, so das die Endfacetten 124 aller Lichtwellenleiter 120, 130 in einer gemeinsamen Objektebene der aus den Linsen 26, 28 bestehenden Optik liegen. Das Bild der Endfacette des ersten Lichtwellenleiters 120, das von der Optik auf der reflektierenden Oberfläche 12 (oder einer Grenzfläche in einem Mehrschichtsystem) erzeugt wird, wird durch die Optik als Lichtfleck zurück in die Objektebene abgebildet. Dieser Lichtfleck kann sich über mehrere der Endfacetten der zweiten Lichtwellenleiter 130 verteilen.
Wird jedem zweiten Lichtwellenleiter ein eigener Sensor zugeordnet, so lassen sich auf diese Weise auch Aussagen über die Form des Lichtflecks machen. Daraus können wiederum Rückschlüsse auf den Neigungswinkel der zu vermessenden Oberfläche 12 gezogen werden. Bei geneigten Oberflächen 12 wird nämlich der Lichtfleck größer und auch asymmetrischer; aus der Asymmetrie kann auf den Azimutwinkel der geneigten Fläche geschlossen werden. Besonders gut gelingt die Bestimmung der Neigung dann, wenn das Spektrum der Lichtquelle durch ein Steuersignal zeitlich variierbar ist, wie dies oben mit Bezug auf die 4 erläutert wurde.
Außerdem verbessert sich das Signal-Rausch-Verhältnis, da sich die Endfacetten 124 der zweiten Lichtwellenleiter 130 zu einer insgesamt größeren Lichteintrittsfläche aufaddieren, so dass auch mehr Licht den Sensoren zugeführt werden kann.
Selbstverständlich kann auch nur ein einziger zweiter Lichtwellenleiter 130 neben dem ersten Lichtwellenleiter 120 angeordnet sein. Außerdem kommt in Betracht, lediglich einen zweiten Lichtwellenleiter 130 und mehrere erste Lichtwellenleiter 120 zu verwenden, z. B. in einer Anordnung wie in der 10 gezeigt, wobei aber die ersten und zweiten Lichtwellenleiter vertauscht sind.
Die 11 zeigt in einer an die 3 angelehnten Darstellung eine Messvorrichtung 310 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. Gleiche oder einander entsprechende Teile sind dabei mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Messvorrichtung 310 unterscheidet sich von der in der 3 gezeigten Messvorrichtung 110 dadurch, dass die Lichtquellen und der Sensor gewissermaßen ihre Rollen vertauscht haben. Die Messvorrichtung 310 weist nämlich nur eine Lichtquelle 318 auf, die zudem weißes Licht erzeugt. Dafür sind zwei Sensoren 332a, 332b vorgesehen, die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten haben. Da das reflektierte Messlicht infolge des ansonsten identischen Messaufbaus auch hier für jede reflektierende Grenzfläche eine Wellenlänge enthält, kann die Auswerteeinrichtung 334 aus den von den Sensoren 332a, 332b be reitgestellten Messsignalen die Wellenlänge eindeutig bestimmen. Die Auswertung erfolgt dabei ähnlich wie oben mit Bezug auf die 4 erläutert, nur dass die Intensität I(λ) durch die Messsignalstärke M(λ) zu ersetzen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Chr. Dietz und M. Jurca mit dem Titel ”Eine Alternative zum Laser”, Sensormagazin Nr. 4, 3. November 1997, Seiten 15 bis 18 [0005]

Claims

Verfahren zur berührungslosen Messung des Abstandes zu einer Licht wenigstens teilweise reflektierenden optischen Grenzfläche (12), insbesondere zum Zwecke der Bestimmung der Oberflächentopographie, mit folgenden Schritten: a) Erzeugen von farbigem Licht, dessen Spektrum wenigstens ein Wellenlängenintervall hat, innerhalb dessen eine die Abhängigkeit der Intensität von der Wellenlänge beschreibende Spektralfunktion streng monoton steigend oder fallend ist, b) Fokussieren des Lichts auf der Grenzfläche (12) mit Hilfe einer Optik (26, 28), deren Brennebene wellenlängenabhängig ist, c) Messen der Intensität des Lichts, das an der Grenzfläche (12) reflektiert wird, d) Berechnen der Wellenlänge des reflektierten Lichts aus der in Schritt c) gemessenen Intensität unter Verwendung der Spektralfunktion, e) Berechnen des Abstandes zu der Grenzfläche (12) unter Verwendung der in Schritt d) berechneten Wellenlänge.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt a) erstes und mindestens ein weiteres Licht erzeugt wird, deren Spektren unterschiedlich sind, aber sich zumindest teilweise überlappen, und bei dem in Schritt c) die Intensitäten des reflektierten ersten und mindestens einen weiteren Lichts getrennt voneinander gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das erste und das mindestens eine weitere Licht zeitlich versetzt erzeugt wird, unterschiedliche Polarisationszustände hat oder mit unterschiedlichen Frequenzen oder bei einer Frequenz mit unterschiedlichen Phasen moduliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Licht erzeugt wird, dessen Wellenlängenintervall, innerhalb dessen eine die Abhängigkeit der Intensität von der Wellenlänge beschreibende Spektralfunktion streng monoton steigend oder fallend ist, sich zeitabhängig und vorzugsweise periodisch verschiebt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dann, wenn der Abstand zu N mit N ≥ 2 zumin dest teilweise reflektierenden optischen Grenzflächen (12) gemessen werden soll, mehrere, insbesondere zwischen N und 2 N, Messungen gemäß den Schritten a) bis e) getrennt voneinander bei unterschiedlichen Wellenlängenintervallen des Lichts durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei nur einige von mehreren unterschiedlichen Wellenlängenintervallen für die Messung in einer Vorauswahl ausgewählt werden, und dass zur Vorauswahl eine gröbere Vorab-Messung des Abstands zu den Grenzflächen (12) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Vorab-Messung mit Vorab-Licht durchgeführt wird, dessen Wellenlängenintervall, innerhalb dessen eine die Abhängigkeit der Intensität von der Wellenlänge beschreibende Spektralfunktion streng monoton steigend oder fallend ist, eine Breite hat, die größer ist als die Breite der Wellenlängenintervalle, aus denen die Vorauswahl getroffen wird.
Vorrichtung zur berührungslosen Messung des Abstandes zu einer Licht wenigstens teilweise reflektierenden Grenzfläche (12), mit: a) einer Lichtquelle (18; 18a, 18b) zum Erzeugen von farbigem Licht, dessen Spektrum wenigs tens ein Wellenlängenintervall hat, innerhalb dessen eine die Abhängigkeit der Intensität von der Wellenlänge beschreibende Spektralfunktion streng monoton steigend oder fallend ist, b) einer Optik (26, 28), mit der das Licht auf der Grenzfläche (12) fokussierbar und dessen Brennebene wellenlängenabhängig ist, c) einem Sensor (32) zum Messen der Intensität des Lichts, das an der Grenzfläche (12) reflektiert wird, d) einer Auswerteeinrichtung (34), durch welche die Wellenlänge des reflektierten Lichts aus der gemessenen Intensität unter Verwendung der Spektralfunktion und aus der Wellenlänge der Abstand zu der Grenzfläche (12) berechenbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, mit einer ersten und einer zweiten Lichtquelle (18a, 18b), die unterschiedliche Spektren haben.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Lichtquelle (18; 18a, 18b) eine LED ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Sensor (32) eine zumindest innerhalb des Wellenlängenintervalls weitgehend wellenlängenunabhängig messende Photodiode ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Kühleinrichtung zur aktiven Kühlung der Photodiode.
Vorrichtung zur berührungslosen Messung des Abstandes zu einer Licht wenigstens teilweise reflektierenden Grenzfläche, mit: a) einer Lichtquelle (318) zum Erzeugen von farbigem Licht, b) einer Optik (26, 28), mit der das Licht auf der Grenzfläche (12) fokussierbar und dessen Brennebene wellenlängenabhängig ist, c) einem Sensor (332a, 332b) zum Messen der Intensität des Lichts, das an der Grenzfläche (12) reflektiert wird, wobei der Sensor eine spektrale Empfindlichkeitsfunktion hat, die zumindest innerhalb eines Wellenlängenintervalls streng monoton steigend oder fallend ist, d) einer Auswerteeinrichtung (334), durch welche die Wellenlänge des reflektierten Lichts aus der gemessenen Intensität unter Verwendung der spektralen Empfindlichkeitsfunktion und aus der Wellenlänge der Abstand zu der Grenzfläche (12) berechenbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, mit einem ersten und einem zweiten Sensor (332a, 332b), die unterschiedliche Empfindlichkeitsfunktion haben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei die Lichtquelle (318) eine die Abhängigkeit der Intensität von der Wellenlänge beschreibende Spektralfunktion hat, die in einem genutzten Wellenlängenbereich zumindest im wesentlichen konstant ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das von der Lichtquelle (318) erzeugte Licht ein Spektrum mit wenigstens einem Wellenlängenintervall hat, innerhalb dessen eine die Abhängigkeit der Intensität von der Wellenlänge beschreibende Spektralfunktion streng monoton steigend oder fallend ist, und wobei die Spektralfunktion bei der Berechnung der Wellenlänge und des Abstandes durch die Auswerteeinrichtung berücksichtigbar ist.