DE102010006239B3 - Interferometric arrangement e.g. Michelson interferometer, for determining e.g. distance of polished glass surface, has track lines for forming triangle such that preset amount of lateral shear is caused between reference and object bundles - Google Patents
Interferometric arrangement e.g. Michelson interferometer, for determining e.g. distance of polished glass surface, has track lines for forming triangle such that preset amount of lateral shear is caused between reference and object bundles Download PDFInfo
- Publication number
- DE102010006239B3 DE102010006239B3 DE102010006239A DE102010006239A DE102010006239B3 DE 102010006239 B3 DE102010006239 B3 DE 102010006239B3 DE 102010006239 A DE102010006239 A DE 102010006239A DE 102010006239 A DE102010006239 A DE 102010006239A DE 102010006239 B3 DE102010006239 B3 DE 102010006239B3
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- plane
- interferometer
- beam path
- spatial
- arrangement
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
- G01B9/02—Interferometers
- G01B9/0209—Low-coherence interferometers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
- G01B9/02—Interferometers
- G01B9/02015—Interferometers characterised by the beam path configuration
- G01B9/02032—Interferometers characterised by the beam path configuration generating a spatial carrier frequency, e.g. by creating lateral or angular offset between reference and object beam
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
- G01B9/02—Interferometers
- G01B9/02055—Reduction or prevention of errors; Testing; Calibration
- G01B9/02056—Passive reduction of errors
- G01B9/02061—Reduction or prevention of effects of tilts or misalignment
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B2290/00—Aspects of interferometers not specifically covered by any group under G01B9/02
- G01B2290/15—Cat eye, i.e. reflection always parallel to incoming beam
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
In der Offenlegungsschrift
Mit dem Messverfahren auf der Grundlage dieser optischen Anordnung können ein oder mehrere räumliche Interferogramme, auch als Linienstapel auf einer Matrixkamera, als Single-Shot-Datensätze in der Zeitdauer einer Bildaufnahme vollständig zur Verfügung gestellt werden.With the measurement method based on this optical arrangement, one or more spatial interferograms, even as a line stack on a matrix camera, can be fully provided as single-shot data sets in the period of image capture.
Von besonderem Vorteil ist bei diesem Ansatz mit dem Kippspiegel im Unendlich-Strahlengang, dass die Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge, beziehungsweise die Schwerpunktwellenzahl, im räumlichen Interferogramm am Ausgang des Interferometers in erster Näherung nicht von der Neigung der Objektoberfläche in Relation zum Interferometer beeinflusst wird. Diese Invarianz der Ortsfrequenz stellt einen großen Vorteil für die Auswertung von räumlichen Interferogrammen dar.It is particularly advantageous in this approach with the tilting mirror in the infinity beam path that the spatial frequency for the centroid wavelength, or the center of gravity wave number, in the spatial interferogram at the output of the interferometer in a first approximation is not affected by the inclination of the object surface in relation to the interferometer. This invariance of the spatial frequency represents a major advantage for the evaluation of spatial interferograms.
Diese in [1] beschriebene nachgeordnete Neigungsvorrichtung ist jedoch aufwendig – auch in der Justierung – und in der Regel recht anfällig für unerwünschte Dejustierungen und somit ist das Interferometer in der Regel auch nicht langzeitstabil. Damit kann sich auch die Signalform eines kurzkohärenten räumlichen Interferogramms in unbekannter Weise verändern, was für die Auswertung einen erheblichen Nachteil darstellen kann.However, this subordinate tilting device described in [1] is expensive - even in the adjustment - and generally quite vulnerable to undesired misalignments and thus the interferometer is usually not long-term stability. Thus, the waveform of a short-coherent spatial interferogram can change in an unknown manner, which can represent a significant disadvantage for the evaluation.
Eine gezielte Veränderung des Winkelbetrages mittels Neigungsvorrichtung, beispielsweise um die Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge im räumlichen Interferogramm vorbestimmt zu verändern, kann zu einem unerwünschten Lateralversatz von Objektwellenfront und Referenz-Wellenfront bei der Detektion führen, der nur aufwendig oder durch eine Justierung in einigen Fällen gar nicht zu kompensieren ist. Damit ist bei dieser Anordnung die Möglichkeit, die Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge im räumlichen Interferogramm in einfacher Art und Weise zu verändern, stark eingeschränkt. Weiterhin kann es bei einer suboptimalen Justierung des recht komplexen Interferometers permanent zu einer nur teilweisen lateralen Überdeckung von Objektwellenfront und Referenzwellenfront kommen, was eine Quelle von Messfehlern darstellen oder den Tiefenmessbereich erheblich einschränken, kann, da bei fehlender Überlagerung der Interferenzeffekt verschwindet.A targeted change in the angle by tilt device, for example, to change the spatial frequency for the centroid wavelength in the spatial interferogram predetermined, can lead to an unwanted lateral displacement of the object wavefront and reference wavefront during detection, the only consuming or by an adjustment in some cases not to compensate. Thus, in this arrangement, the ability to change the spatial frequency for the center wavelength in the spatial interferogram in a simple manner, severely limited. Furthermore, a suboptimal adjustment of the rather complex interferometer can permanently lead to only partial lateral coverage of the object wavefront and reference wavefront, which is a source of measurement errors or severely limit the depth measurement range, since the interference effect disappears in the absence of superimposition.
In der Veröffentlichung von M. Hering u. a. in Applied Optics, Vol. 48, Nummer 3, Seite 525 bis 538 vom 20. Januar 2009 [2] zeigen die gemessenen räumlichen Interferogramme in
Das Gewinnen räumlicher Interferogramme für die One-Shot-Messtechnik, beispielsweise zur Messung des Abstandes oder des Profils, mittels Neigungsvorrichtung in Form eines planen Kippspiegels im Interferometer, wobei sich dieser jedoch stets außerhalb des objektabbildenden und auch außerhalb des fokussierten Referenz-Strahlenganges, also in einem Unendlich-Strahlengang befindet, wird als der hier zu betrachtende Stand der Technik angesehen.Obtaining spatial interferograms for the one-shot measurement technique, for example, for measuring the distance or the profile by means of inclination device in the form of a plane tilting mirror in the interferometer, but this always outside the objektabbildenden and outside of the focused reference beam path, ie in an infinity beam path is considered as the prior art considered here.
Bei diesem Prinzip führt die Neigung einer Objektoberfläche in Bezug zum Interferometer vorteilhafterweise nicht zu einem Verändern der Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge, beziehungsweise die Schwerpunktwellenzahl, in einem räumlichen Interferogramm. Jedoch kann sich der Interferenzkontrast schon bei geringen Kippungen der Objektoberfläche dem Wert null nähern.In this principle, the inclination of an object surface with respect to the interferometer advantageously does not lead to a change of the spatial frequency for the centroid wavelength, or the centroid wave number, in a spatial interferogram. However, the interference contrast can approach the value zero even at slight tilting of the object surface.
Ein vergleichsweise hoher Interferenzkontrast im detektierten räumlichen Interferogramm kann über einen vergleichsweise großen Kippwinkelbereich der Objektoberfläche nur dann erreicht werden, wenn diese Objektoberfläche mittels Optik mit hoher numerischer Apertur und mit lateral nahezu beugungsbegrenzten Fokuspunkten oder fokussierten Linienbildern beleuchtet wird.A comparatively high interference contrast in the detected spatial interferogram can only be achieved over a comparatively large tilt angle range of the object surface if this object surface is illuminated by means of optics with a high numerical aperture and laterally almost diffraction-limited focus points or focused line images.
Dagegen sind Michelson-Typ-Interferometer mit einem planem Referenzspiegel, bei denen die Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge in einem räumlichen Interferogramm am Ausgang des Interferometers durch Kippung des Referenzspiegels oder durch Kippung des Objekts in Bezug zum Interferometer oder des Interferometers in Bezug zum Objekt zu verändern ist, für Messobjekte mit variierender und unbekannter Oberflächenneigung hinsichtlich der Auswertung von räumlichen Interferogrammen hier nicht von Interesse. Deshalb werden Ansätze auf dieser Grundlage nicht als Stand der Technik in Bezug zu dieser Erfindung angesehen und werden deshalb hier auch nicht weiter betrachtet. In contrast, Michelson-type interferometers are with a plane reference mirror in which the spatial frequency for the centroid wavelength in a spatial interferogram at the output of the interferometer by tilting the reference mirror or by tilting the object relative to the interferometer or the interferometer with respect to the object to change , for measuring objects with varying and unknown surface inclination with respect to the evaluation of spatial interferograms not of interest here. Therefore, approaches on this basis are not considered to be prior art in relation to this invention and, therefore, will not be considered further here.
Das Gewinnen räumlicher Interferogramme für die One-Shot-Messtechnik mittels Lateral-Shear zwischen Objekt- und Referenzwellenfronten am Ausgang eines Zweistrahl-Interferometers stellt grundsätzlich eine weitere Möglichkeit der Erzeugung räumlicher Interferogramme für die One-Shot-Messtechnik, beispielsweise zur Erfassung des Abstands, dar. Denn Lateral-Shear kann in einer optischen Anordnung als Grundlage zur Generierung von Interferenzen zueinander geneigter Wellenfronten genutzt werden. Einen ganz klassischen Ansatz stellt dafür eine Michelson-Interferometer-Anordnung mit zwei Dachkant-Reflektoren dar, um die erforderliche Lateral-Shear zu erzeugen. Dieser Ansatz mit zwei Dachkant-Reflektoren wird in der Regel zur Wellenfrontanalyse eingesetzt und ist den Fachleuten gut bekannt, s. a. D. Malaccra, Optical Shop Testing, John Wiley & Sons, Inc., 1992, S. 140–141,
Um diesen Interferometer-Ansatz mit zwei Dachkant-Reflektoren für die Abstandsmessung und Profilmessung nutzen zu können, muss demzufolge im Objektstrahlengang des Interferometers der Objektoberfläche ein zusätzlicher Planspiegel zugeordnet werden, wobei dieser Planspiegel mit der Objektoberfläche dann eine Dachkante bildet. Im Referenzstrahlengang ist hierbei der zweite Dachkantreflektor angeordnet. Diese Anordnung liefert bei entsprechender Justierung Lateral-Shear, vermeidet die Wellenfront-Inversion, weist aber in der Regel eindeutige Nachteile wegen des Bauvolumens im Objektstrahlengang, also bezüglich der Zugänglichkeit zum Objekt auf, beispielsweise bei der Messung in Innenräumen.In order to be able to use this interferometer approach with two roof edge reflectors for the distance measurement and profile measurement, an additional plane mirror must therefore be assigned to the object surface in the object beam path of the interferometer, this plane mirror then forming a roof edge with the object surface. In the reference beam path in this case the second roof edge reflector is arranged. This arrangement provides with appropriate adjustment lateral shear, avoids the wavefront inversion, but usually has clear disadvantages because of the volume in the object beam path, so in terms of accessibility to the object, for example, when measuring indoors.
Bekannt ist auch der von D. Kelsall im Jahr 1959 in Proc. Phys. Society, 73, S. 470,
Diesen Interferometer-Ansatz als Anordnung für einen interferometrischen Sensor zur Abstandsmessung u. a. zu nutzen, bei dem ein Planspiegel des Tripelreflektors in Form einer Würfelecke, auch als Corner Cube bekannt, durch die Objektoberfläche ersetzt ist, führt dazu, dem Objekt oder der Objektoberfläche im Objektstrahlengang noch einen Dachkant-Reflektor oder zwei Planspiegel beiordnen zu müssen, wenn die unerwünschte Wellenfrontinversion zwischen Objekt- und Referenzstrahlung vermieden werden soll. Dies vergrößert aber das Sensorvolumen ganz erheblich, was für viele Applikationen sehr nachteilig ist oder dies schließt den Einsatz einer derartigen Lösung völlig aus. Auch ist hierbei keine Invarianz der Lateral-Shear und damit der Neigung der interferierenden Wellenfronten beispielsweise gegenüber lateralem Wegdriften des Tripelreferenz-Reflektors oder auch des Objekts selbst gegeben. Damit kann sich die Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge im räumlichen Interferogramm ändern, was sehr nachteilig für die Auswertung sein kann.This interferometer approach as an arrangement for an interferometric sensor for distance measurement u. a. to use, in which a plane mirror of the triple reflector in the form of a cube corner, also known as Corner Cube, is replaced by the object surface leads to the object or the object surface in the object beam path still a roof edge reflector or two plane mirror must order if the unwanted wavefront inversion between object and reference radiation should be avoided. However, this considerably increases the sensor volume, which is very disadvantageous for many applications or this completely excludes the use of such a solution. Also, in this case no invariance of the lateral shear and thus the inclination of the interfering wavefronts, for example, given to lateral drifting away of the triple reference reflector or the object itself. Thus, the spatial frequency for the center wavelength in the spatial interferogram change, which can be very disadvantageous for the evaluation.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Das Ziel der Erfindung besteht zum einen darin, kostengünstige und vor Allem robuste One-Shot-Messtechnik zur Erfassung von Abstand, Tiefe, Profil, Form, Welligkeit und/oder Rauheit oder der optischen Weglänge in oder an technischen oder biologischen Objekten, auch in Schichtenform oder auch zur optischen Kohärenz-Tomografie (OCT), insbesondere auch mit Single-Shot-Multi-Punkt-Antastung, der wirtschaftlichen Nutzung zuzuführen.The object of the invention is, firstly, cost-effective and, above all, robust one-shot measurement technology for detecting distance, depth, profile, shape, waviness and / or roughness or the optical path length in or on technical or biological objects, also in layer form or also for optical coherence tomography (OCT), in particular with single-shot multi-point probing, for economic use.
Damit ist also die erfinderische Aufgabe zu lösen, beim optischen Antasten der Objektoberfläche oder eines Objektvolumens mit einem Interferometer optische Signale in bestgeeigneter, also möglichst gut auswertbarer Signalform für ein punktförmiges, linienhaftes Messfeld oder auch einem flächigen Messfeld mit vielen einzelnen Messpunkten ohne einen mechanischen, zeitseriell erfolgenden Tiefen-Scan bereitzustellen.So that is the inventive task to solve the optical probing of the object surface or an object volume with an interferometer optical signals in bestgeeigneter, so the best possible evaluable waveform for a punctiform, line-like field or even a flat measuring field with many individual measuring points without a mechanical, time-serial provide depth scan.
Es sollen dabei viele lateral benachbarte Objektelemente oder Objektpunkte gleichzeitig angemessen werden können. Das heißt, es besteht die Aufgabe, gut auswertbare optische Signale bei der optischen Antastung von Objekten durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung mittels eines das Objekt anmessenden Interferometers möglichst schnell bereitzustellen.In doing so, many laterally adjacent object elements or object points should be able to be appropriate at the same time. That is, there is the task of providing readily evaluable optical signals in the optical probing of objects by the method according to the invention and the arrangement according to the invention by means of an interferometer measuring the object as quickly as possible.
Die Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge, beziehungsweise die Schwerpunktwellenzahl, kS in einem räumlichen Interferogramm soll dabei in hohem Maße konstant oder vorbestimmt einstellbar sowie von der Neigung der Objektoberfläche in hohem Maße unabhängig sein. Dabei ist im Einzelnen die Aufgabe zu lösen, den Betrag der Neigung interferierender Wellenfronten, die auf einem Detektor ein räumliches Interferogramms bilden, mit einfachen Mitteln, kostengünstig, möglichst langzeitstabil und weitgehend unveränderlich durch Umgebungseinflüsse zu realisieren. Die beim Einsatz eines optischen Systems typischerweise auftretenden Dejustierungen durch Veränderung der Lage von Komponenten, auch durch Temperaturveränderungen im Umfeld sowie durch veränderliche mechanische Verspannungen, z. B. in den Halteelementen der Komponenten im Messsystem, sollen keinen oder nur einen vergleichsweise geringen Einfluss auf den Betrag der Neigung der interferierenden Wellenfronten bei der Detektion haben. Das kann bekannterweise natürlich nur erreicht werden, wenn auch das Spektrum des interferierenden Lichts unveränderlich bleibt. The spatial frequency for the centroid wavelength, or the centroid, kS in a spatial interferogram should be highly constant or predetermined and highly independent of the inclination of the object surface. In particular, the problem to be solved, the amount of inclination of interfering wavefronts that form a spatial interferogram on a detector, with simple means to realize cost-effective, long-term stable and largely invariable by environmental influences. The misalignments typically occurring when using an optical system by changing the position of components, also by temperature changes in the environment as well as by varying mechanical stresses, eg. B. in the holding elements of the components in the measuring system, should have no or only a relatively small effect on the amount of inclination of the interfering wavefronts in the detection. Of course, this can of course only be achieved if the spectrum of the interfering light remains invariable.
Einsatzgebiete der erfinderischen Lösung sollen sein: Die Mikroform- und die Mikroprofilmessung, die Messung der Rauheit sowie auch die Miniform-Messung, die Form-Messung an nicht oder nur wenig kooperativen Oberflächen, wie auch z. B. menschliches Lebergewebe. Ein Beispiel für die Anwendung der Erfindung ist hier auch die Erfassung der Mikroform am Innenohr beim Menschen in der chirurgischen Operationsphase. Der Einsatz bei endoskopischen 3D-Systemen soll zu gut miniaturisierbaren Sensorlösungen hoher Messgenauigkeit führen.Fields of application of the inventive solution should be: The microform and the micro-profile measurement, the measurement of roughness and the mini-form measurement, the shape measurement on not or little cooperative surfaces, as well as z. B. human liver tissue. An example of the application of the invention is also the detection of the microform at the inner ear in humans in the surgical operation phase. The use in endoscopic 3D systems should lead to well-miniaturized sensor solutions with high measurement accuracy.
Ein weiteres Anwendungsgebiet soll auch die Messung von nichtpolierten Asphären und Freiformflächen darstellen.Another field of application is also the measurement of unpolished aspheres and free-form surfaces.
Eine besondere Motivation für die Anwendung der Erfindung ist die Nutzbarmachung der interferometrischen Verstärkung eines schwachen Objektsignals für Messungen auch in einer mesoskopischen Skala. Das ist beispielsweise im Maschinenbau von sehr großem Vorteil, wo bei der Messung vieler technischer Objekte eine Messunsicherheit im Sub-Mikrometerbereich nicht in jedem Fall erforderlich ist. Durch die Nutzung der interferometrischen Verstärkung, auch als „Interferometric Gain” bekannt, sollen auch Objektelemente geringster Reflektivität messtechnisch noch vergleichsweise gut in der Tiefe, beispielsweise mit einer Messunsicherheit im einstelligen Mikrometerbereich, erfasst werden können. Deshalb soll die hochgenaue Messung der Form von teilspiegelnden, schwach lichtstreuenden und dabei geneigten Getriebezahnflächen auch ein bevorzugtes Einsatzgebiet der Erfindung darstellen.A particular motivation for the application of the invention is the utilization of the interferometric amplification of a weak object signal for measurements also in a mesoscopic scale. This is of great advantage, for example, in mechanical engineering, where measuring uncertainty in the sub-micron range is not always necessary when measuring many technical objects. By using the interferometric amplification, also known as "interferometric gain", even object elements of the lowest reflectivity should be able to be measured relatively well in depth, for example with a measurement uncertainty in the single-digit micrometer range. Therefore, the highly accurate measurement of the shape of partially reflecting, low light scattering and thereby inclined gear tooth surfaces should also represent a preferred field of application of the invention.
Die Messanordnung und das Verfahren sollen auch zur optischen Kohärenz-Tomografie (OCT), insbesondere mit Multi-Punkt-Antastung, für technische oder biologische Objekte eingesetzt werden können.The measuring arrangement and the method should also be used for optical coherence tomography (OCT), in particular with multi-point probing, for technical or biological objects.
In der erfindungsgemäßen Messanordnung soll auf den Einsatz von Mitteln zur dispersiven Spektroskopie stets verzichtet werden können.In the measuring arrangement according to the invention, the use of agents for dispersive spectroscopy should always be possible.
Hier wird der Begriff Licht stets als Synonym für elektromagnetische Strahlung vom Terahertz-, über den Infrarot- bis zum tiefen UV-Bereich verwendet.Here, the term light is always used as a synonym for electromagnetic radiation from the terahertz, over the infrared to the deep UV range.
Merkmale zum Hauptanspruch der AnordnungFeatures of the main claim of the arrangement
- 1. Es handelt sich um ein Verfahren und eine Anordnung zur robusten Interferometrie zur Erfassung von Abstand, Tiefe, Profil, Form, Welligkeit und/oder Rauheit oder der optischen Weglänge in oder an technischen oder biologischen Objekten, in auch Schichtenform, oder auch zur optischen Kohärenz-Tomografie (OCT) für technische oder biologische Objekte. Im Folgenden wird die Anordnung beschrieben. Dabei werden im Verfahren die folgenden Mittel eingesetzt: – eine Quelle kurzkohärenter elektromagnetischer Strahlung zur Beleuchtung des Objekts, – ein Interferometer, insbesondere auch in Form eines Interferenzmikroskops, mit einem Objekt- und mit mindestens einem Referenzstrahlengang, in dem mindestens ein End-Reflektor angeordnet ist, und einer Messebene im Objektstrahlengang, in der sich zumindest näherungsweise die optisch anzumessenden Oberflächen- oder Volumenelemente des Objekts befinden. – sowie mindestens einen gerasterten Detektor zur Detektion elektromagnetischer Strahlung in Form mindestens eines räumlichen Interferogramms.1. It is a method and an arrangement for robust interferometry for detecting distance, depth, profile, shape, waviness and / or roughness or the optical path length in or on technical or biological objects, in a layer form, or even for optical Coherence tomography (OCT) for technical or biological objects. The arrangement will be described below. The following means are used in the process: A source of short-coherent electromagnetic radiation for illuminating the object, An interferometer, in particular also in the form of an interference microscope, with an object and at least one reference beam, in which at least one end reflector is arranged, and a measuring plane in the object beam, in which at least approximately the optically to be measured surface or volume elements of Object are located. - As well as at least one screened detector for detecting electromagnetic radiation in the form of at least one spatial interferogram.
Die Quelle kurzkohärenter elektromagnetischer Strahlung wird im Folgenden auch als Lichtquelle bezeichnet, wobei hier Licht im Sinne elektromagnetischer Strahlung von Terahertz- über IR-, VIS- bis UV-Strahlung verstanden wird. Die Lichtquelle kann ein lateral feinstrukturiertes Beleuchtungsmuster auf dem Objekt erzeugen. Dabei kann die Lichtquelle einen Punktstrahler, einen lateralen Linienstrahler oder eine Gruppe von Punktstrahlern in Linien- oder Matrixform auch mit einzeln schaltbaren punktförmigen oder linienförmigen Leuchtelementen darstellen.The source of short-coherent electromagnetic radiation is also referred to below as the light source, light in the sense of electromagnetic radiation being understood to mean terahertz, IR, VIS or UV radiation. The light source can produce a laterally finely structured illumination pattern on the object. In this case, the light source can be a point emitter, a lateral line emitter or a group of point emitters in line or matrix form even with individually switchable point-shaped or line-shaped lighting elements.
Die Lichtquelle kann eine ein- oder mehrfarbige LED oder OLED, eine Superlumineszenz-Diode darstellen, einen Superkontinuums-Lichtquelle, einen Laser auf Frequenzkamm-Basis, eine Halogenlampe oder auch Lichtquellen auf der Basis von Glühlicht.The light source may be a single or multi-color LED or OLED, a super-luminescent diode, a supercontinuum light source, a frequency comb-based laser, a Halogen lamp or light sources based on incandescent light.
Der gerasterte Detektor kann eine Grauwert- oder Farb-CCD bzw. eine Grauwert- oder Farb-CMOS-Kamera in Linien- oder Matrixform sein.The rasterized detector may be a grayscale or color CCD or grayscale or color CMOS camera in line or matrix form.
Der wellenoptische Schärfentiefebereich definiert hier zumindest näherungsweise den Tiefenbereich der Messanordnung, in welchem sich die Messebene befindet, so dass hier auch von einem Messvolumen im Objektvolumen gesprochen werden kann. In diesem müssen sich die zur optischen Antastung kommenden Oberflächen- oder Volumenelemente befinden.The wave-optical depth of field defines here at least approximately the depth range of the measuring arrangement in which the measuring plane is located, so that it is also possible here to speak of a measuring volume in the object volume. This must be the surface or volume elements coming to the optical probing.
Erfindungsgemäß ist im Referenzstrahlengang des Interferometers mindestens ein End-Reflektor mit drei Planspiegeln als Referenzreflektor, also mindestens ein Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor, angeordnet und die Flächen dieser drei Planspiegel liegen jeweils zumindest näherungsweise senkrecht zu einer gemeinsamen Bezugsebene BE.According to the invention, at least one end reflector with three plane mirrors as the reference reflector, ie at least one three-plane mirror reference end reflector, is arranged in the reference beam path of the interferometer, and the surfaces of these three plane mirrors each lie at least approximately perpendicular to a common reference plane BE.
Dabei bilden die drei Spurgeraden der Ebenen, welche durch die Flächen der drei Planspiegel dargestellt werden, in der Bezugsebene BE ein Dreieck ABC, damit bei diesem Interferometer zwischen Referenz- und Objektbündel eine Lateral-Shear besteht, die eine Strecke mit dem Betrag delta_q darstellt. Die Strecken AB, BC und CA dieses Dreiecks ABC müssen dazu eine gewisse Länge aufweisen. Beispielsweise kann die Länge dieser Strecken typischerweise jeweils in der Größenordnung von einigen Zehntel Millimeter bis zu einigen Millimeter mm liegen. Die Winkel dieses Dreiecks sind dabei weder extrem spitz, noch stellt dieses Dreieck ein rechtwinkliges Dreieck dar. Die sich ergebende Lateral-Shear kann einen Betrag delta_q in der Größenordnung typischerweise von 0,1 mm bis zu einigen Millimeter aufweisen. Bei einer Anordnung mit einem lateral hochauflösenden Mikroskop und einer Schwerpunktwellenlänge im UV-Bereich kann der Betrag delta_q jedoch auch in der Größenordnung von wenigen Hundertstel Millimeter sein. Dies basiert auf entsprechend kleinen Längen der Strecken AB, BC und CA und den entsprechenden drei Winkeln des Dreiecks ABC. Dieser Ansatz ist hinsichtlich des Betrages delta_q weit skalierbar.The three spur lines of the planes, which are represented by the surfaces of the three plane mirrors, form in the reference plane BE a triangle ABC, so that there is a lateral shear between reference and object bundles in this interferometer, which represents a distance with the amount delta_q. The distances AB, BC and CA of this triangle ABC must have a certain length. For example, the length of each stretch may typically be on the order of a few tenths of a millimeter to a few millimeters of mm. The angles of this triangle are neither extremely pointed nor is this triangle a right triangle. The resulting lateral shear may have an amount delta_q on the order of typically from 0.1 mm to several millimeters. In an arrangement with a laterally high-resolution microscope and a centroid wavelength in the UV range, however, the amount delta_q can also be in the order of a few hundredths of a millimeter. This is based on correspondingly small lengths of the distances AB, BC and CA and the corresponding three angles of the triangle ABC. This approach is widely scalable in terms of the amount delta_q.
Die Lateral-Shear vom Betrag delta_q zwischen Referenz- und Objektbündel besteht in der virtuellen Spiegelebene VSE des Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektors im Referenzstrahlengang. Die virtuelle Spiegelebene VSE ist mit der Messebene ME des Objektstrahlenganges durch Strahlteilung zumindest näherungsweise optisch konjugiert. Dabei ist der Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor winkelmäßig so ausgerichtet, dass elektromagnetische Strahlung aus dem Referenzstrahlengang auf den gerasterten Detektor gelangt.The lateral shear of the amount delta_q between reference and object bundles exists in the virtual mirror plane VSE of the three-plane mirror reference end reflector in the reference beam path. The virtual mirror plane VSE is at least approximately optically conjugate with the measurement plane ME of the object beam path by beam splitting. In this case, the three-plane mirror reference end reflector is angularly aligned so that electromagnetic radiation passes from the reference beam path to the screened detector.
Eine Spurgerade nennt man bekannterweise in der darstellenden Geometrie die Schnittgerade zwischen einer Ebene im Raum, hier jeweils eine Ebene, die durch eine Planspiegelfläche definiert ist, und einer Grundebene, hier die Bezugsebene BE.A Spurgerade is known as the intersecting line between a plane in space, here in each case a plane which is defined by a plane mirror surface, and a ground plane, here the reference plane BE in the performing geometry.
Eine laterale Verschiebung eines Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektors führt nicht zu einer Veränderung des Betrages der Lateral-Shear delta_q. Diese Invarianz wird als ein großer technischer Vorteil angesehen, da sich somit eine hohe Robustheit der Signalentstehung gegenüber derartigen Dejustierungen ergibt. Diese Invarianz stellt auch eine gute Voraussetzung für den Einsatz von Doppelspalt- oder Doppellochblenden in einem abbildenden Detektionsstrahlengang dar, da ein konstanter Betrag der Lateral-Shear delta_q im Detektionsstrahlengang zu einem langzeitig konstanten Abstand räumlich kohärenter Punktbilder führt. Mittels Doppelblende, die auch durch einen räumlichen Lichtmodulator dargestellt sein kann, können diese räumlich kohärenten Punktbilder zur Erzeugung von Point-Diffraction-Interferogrammen mit einem hohen Kontrast genutzt werden. Die Messebene ME im Objektstrahlengang und die Ebene, in der sich die Doppelblende befindet, sind dabei zumindest näherungsweise optisch konjugiert.A lateral displacement of a three-plane mirror reference end reflector does not result in a change in the amount of lateral shear delta_q. This invariance is regarded as a great technical advantage, since this results in a high robustness of the signal generation over such misalignments. This invariance is also a good prerequisite for the use of double-slit or double-hole apertures in an imaging detection beam path, since a constant amount of the lateral shear delta_q in the detection beam path leads to a long-term constant distance spatially coherent point images. By means of a double diaphragm, which can also be represented by a spatial light modulator, these spatially coherent point images can be used to produce point-diffraction interferograms with a high contrast. The measurement plane ME in the object beam path and the plane in which the double diaphragm is located are at least approximately optically conjugate.
Der Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor ist ein im erfindungsgemäßen Interferometer Lateral-Shear erzeugender Reflektor. Dabei weist der Drei-Spiegel-Referenz-Endreflektor, wie bereits dargestellt, eine virtuelle Spiegelebene VSE auf. Dieser virtuellen Spiegelebene VSE kann das Auftreten der Lateral-Shear räumlich zugeordnet werden. Beispielsweise führt die Interferenz von einer Objektkugelwelle und einer Referenzkugelwelle, die durch das Interferometer erzeugt werden und deren Kugelzentren durch eine Lateral-Shear vom Betrag delta_q separiert sind, zumindest in einem begrenzten Teilbereich der Detektorebene zu einem räumlichen Interferogramm mit einer zumindest näherungsweise konstanten Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge, da die interferierenden Wellenflächen auf dem Detektor zueinander geneigt sind. In einem begrenzten Ausschnitt der Kugelwellenflächen sind diese in der Regel hinreichend gut durch Planwellen zu approximieren. Diese auf einem Detektor zu registrierende Interferenzerscheinung von zwei räumlich kohärenten Kugelwellenflächen ist dem Fachmann in der Optik als das klassische Youngsche Doppelspaltexperiment hinreichend bekannt, wobei der Spaltabstand d im Doppelspaltexperiment hier der Lateral-Shear mit dem Betrag delta_q entspricht.The three-plane mirror reference end reflector is a reflector which generates a lateral shear in the interferometer according to the invention. As already mentioned, the three-mirror reference end reflector has a virtual mirror plane VSE. This virtual mirror plane VSE can be spatially assigned to the occurrence of the lateral shears. For example, the interference of an object spherical wave and a reference spherical wave, which are generated by the interferometer and whose spherical centers are separated by a lateral shear of the amount delta_q, at least in a limited portion of the detector plane to a spatial interferogram with an at least approximately constant spatial frequency for the Center wavelength because the interfering wave surfaces on the detector are inclined to each other. In a limited section of the spherical wave surfaces, these are generally sufficiently well approximated by plane waves. This interference phenomenon of two spatially coherent spherical wave surfaces to be registered on a detector is sufficiently known to the person skilled in the art as the classic Young's double-slit experiment, the gap distance d in the double-slit experiment corresponding here to the lateral shear with the amount delta_q.
Die Lateral-Shear mit dem Betrag delta_q dient hier also als Grundlage für die Erzeugung von einem oder mehreren räumlichen Interferogrammen, welche in ihrer Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge nicht oder nur ganz unwesentlich durch die Neigung der Objektoberfläche zu beeinflussen sind, wenn das punktförmige Zentrum der Objekt-Kugelwelle auf einem Oberflächenelement liegt, also das Objekt auch durch fokussiertes Licht zumindest näherungsweise punktförmig beleuchtet wird. Voraussetzung ist hierbei natürlich auch die Konstanz des Spektrums der zur Interferenz kommenden Lichtanteile. Diese Invarianz der Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge ist für die Auswertung räumlicher Interferogramme von sehr großem Vorteil, da hier beispielsweise aufgrund der Vorab-Kenntnis der Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge im Signal robuste und vergleichsweise schnelle Lock-in. Ansätze zur Anwendung kommen können, die zumindest näherungsweise auf diese Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge eingestellt sind. Algorithmen auf der Basis eines Lock-in Ansatzes gestatten, auch aus stark verrauschten und durch Aberrationen beeinflussten Signalen, hier räumliche Interferogramme, Tiefeninformationen mit vergleichsweise geringer Messunsicherheit bereitzustellen. Da hier eine Quelle kurzkohärenter elektromagnetischer Strahlung eingesetzt wird, entstehen hier Kurzkohärenz-Inteferogramme, die eine Einhüllende aufweisen. Im einfachsten Fall kann das Maximum oder der Schwerpunkt der Einhüllenden, beispielsweise zur Bestimmung der Tiefe eines Objektpunktes oder der optischen Weglänge an einem Punkt eines Objekts, verwendet werden. Dabei kann auch die optische Schichtdicke von transparenten Medien bestimmt werden. Dies ist besonders einfach, wenn die Schichtdicke größer als die Kohärenzlänge der elektromagnetischen Strahlung der Quelle ist, da dann die Maxima oder die Schwerpunkte der Einhüllenden der Kurzkohärenz-Inteferogramme deutlich separiert sind. Der dabei im Kurzkohärenz-Interferogramm des tiefer liegenden Objektpunktes auftretende Chirp-Effekt durch Dispersion im brechenden Medium kann bei der Auswertung modellgestützt behandelt werden.The lateral-shear with the amount delta_q serves as a basis for the generation of one or more spatial interferograms, which are not or only slightly influenced by the inclination of the object surface in their spatial frequency for the centroid wavelength when the point-shaped center of the object spherical wave is on a surface element, so the object by focused light at least approximately punctiform is illuminated. The prerequisite for this, of course, is the constancy of the spectrum of the light components coming to the interference. This invariance of the spatial frequency for the centroid wavelength is for the evaluation of spatial interferograms of very great advantage, since here, for example, due to the advance knowledge of the spatial frequency for the centroid wavelength in the signal robust and relatively fast lock-in. Approaches may be used, which are at least approximately set to this spatial frequency for the centroid wavelength. Algorithms based on a lock-in approach make it possible to provide depth information with comparatively low measurement uncertainty even from strongly noisy and aberration-influenced signals, in this case spatial interferograms. Since a source of short-coherent electromagnetic radiation is used here, short-coherence integerograms arise here, which have an envelope. In the simplest case, the maximum or the centroid of the envelope can be used, for example for determining the depth of an object point or the optical path length at a point of an object. In this case, the optical layer thickness of transparent media can be determined. This is particularly simple if the layer thickness is greater than the coherence length of the electromagnetic radiation of the source, since then the maxima or the centroids of the envelope of the short-coherence integerograms are clearly separated. The chirp effect occurring in the short-coherence interferogram of the lower-lying object point due to dispersion in the refractive medium can be treated model-supported during the evaluation.
Auf dem gerasterten Detektor wird vorzugsweise für jeden Objektpunkt in einem lateral ausgedehnten Bereich ein kurzkohärentes räumliches Interferogramm detektiert, so dass durch Aufnahme eines einzigen Bildes mit vorzugsweise vielen nebeneinander liegenden räumlichen Interferogrammen und deren Auswertung ein vollständiges Linienprofil gewonnen werden kann.On the rasterized detector, a short-coherent spatial interferogram is preferably detected for each object point in a laterally extended area, so that a complete line profile can be obtained by taking a single image with preferably many adjacent spatial interferograms and their evaluation.
Es soll hier festgestellt werden, dass grundsätzlich End-Reflektoren mit einer beliebigen ungeradzahligen Anzahl 2n + 1 von Planspiegelflächen – mit n größer/gleich 2 – als Referenzreflektoren eingesetzt werden können, wenn diese Planspiegelflächen jeweils zu einer Bezugsebene BE senkrecht stehen und nur einmal passiert werden. In all diesen Fällen wird die für das Messverfahren benötigte Lateral-Shear delta_q erzeugt. Außerdem tritt optimalerweise keine Inversion der Referenzwellenfront in Bezug zur Objektwellenfront auf, wenn dort nur eine einmalige Reflexion oder eine ebenfalls ungeradzahlige Anzahl 2n + 1 – mit n größer/gleich 1 – am Objekt oder weiteren Planspiegelflächen erfolgt. Hier gilt, dass die Differenz der Anzahl der Reflexionen zwischen Referenz- und Objektstrahlengang 2n – mit n größer/gleich 0 – betragen muss. Sowohl aus wirtschaftlicher Sicht als auch aus Gründen eines optimalen Sensordesigns und der Sensorfertigung stellt die Nutzung eines End-Reflektors mit drei Planspiegeln als Referenzreflektor und einem direkten optischen Antasten des Objekts ohne weitere Planspiegel, so dass eine einmalige Reflexion im Objektstrahlengang erfolgt, für die große Mehrzahl der Fälle die optimale technische und auch wirtschaftliche Lösung dar (A1).It should be noted here that in principle end reflectors with an arbitrary odd number 2n + 1 of plane mirror surfaces - with n greater than / equal to 2 - can be used as reference reflectors, if these plane mirror surfaces are perpendicular to a reference plane BE and only happen once , In all these cases, the lateral shear delta_q required for the measurement process is generated. In addition, optimally no inversion of the reference wavefront occurs in relation to the object wavefront, if there is only a single reflection or an odd number also 2n + 1 - where n is greater than / equal to 1 - at the object or other planar mirror surfaces. In this case, the difference between the number of reflections between reference and object beam path must be 2n, with n greater than or equal to 0. Both from an economic point of view as well as for the sake of optimal sensor design and sensor manufacturing, the use of an end reflector with three plane mirrors as a reference reflector and a direct optical probing of the object without further plane mirror, so that a one-time reflection in the object beam path, for the great majority the best technical and economical solution (A1).
Weitere Merkmale der AnordnungOther features of the arrangement
-
2. Vorzugsweise bilden bei der Anordnung zur robusten Interferometrie die drei Spurgeraden in der Bezugsebene BE ein stumpfwinkliges Dreieck ABC. Vorteilhaft ist hierbei, dass bei einer derartigen Spiegelanordnung die Einfallswinkel auf die drei Planspiegel – auch die der Randstrahlen eines Beleuchtungsbündels – unter 60° gehalten werden können. Beispielsweise, wenn der halbe Öffnungswinkel des Beleuchtungsbündels 8, 6 Altgrad, also die numerische Apertur etwa 0,15 beträgt, und die Winkelwerte 21 Altgrad, 24 Altgrad und 135 Altgrad betragen (A2).2. Preferably, in the arrangement for robust interferometry, the three spur lines in the reference plane BE form an obtuse-angled triangle ABC. It is advantageous here that with such a mirror arrangement, the angle of incidence on the three plane mirrors-even those of the marginal rays of a lighting beam-can be kept below 60 °. For example, when half the opening angle of the
8, 6 degrees, that is, the numerical aperture is about 0.15, and the angle values are 21 degrees, 24 degrees and Altgrad degrees 135 (A2).illumination beam - 3. Vorzugsweise bilden bei der Anordnung zur robusten Interferometrie die drei Spurgeraden in der Bezugsebene BE ein spitzwinkliges Dreieck ABC. Beispielsweise können die Winkelwerte in der Größe von 52, 64 und 64 Altgrad sein. Vorteilhaft ist hierbei, dass die Fertigung eines Drei-Spiegel-Referenz-Endreflektors, bei dem die Spurgeraden der drei Planspiegel ein spitzwinkliges Dreieck bilden, in der Regel vergleichsweise einfach ist, beispielsweise durch Single-Point-Diamantbearbeitung oder Abformtechnik, da die Zugänglichkeit zu den Flächen der drei Planspiegel in der Regel gut gegeben ist. Es treten jedoch vergleichsweise große Einfallswinkel auf den drei Planspiegeln auf, was einen erheblichen Einfluss auf die Polarisation des Lichts und den polarisationsabhängigen Reflexionsgrad haben kann.3. Preferably, in the arrangement for robust interferometry, the three spur lines in the reference plane BE form an acute-angled triangle ABC. For example, the angle values in the size of 52, 64 and 64 may be old degrees. It is advantageous in this case that the production of a three-mirror reference end reflector, in which the track straight lines of the three plane mirrors form an acute-angled triangle, is generally comparatively simple, for example by single-point diamond machining or impression technology, since accessibility to the Surfaces of the three plane mirrors are usually well given. However, there are comparatively large angles of incidence on the three plane mirrors, which can have a considerable influence on the polarization of the light and the polarization-dependent reflectance.
- 4. Vorzugsweise sind bei der Anordnung zur robusten Interferometrie die drei Planspiegel in Rachenform angeordnet. Eine Spiegelanordnung in Rachenform lässt sich vergleichsweise gut herstellen.4. Preferably, in the arrangement for robust interferometry, the three plane mirrors are arranged in the form of a pharynx. A mirror arrangement in pharyngeal shape can be produced comparatively well.
- 5. Vorzugsweise sind bei der Anordnung zur robusten Interferometrie die drei Planspiegel in Labyrinthform angeordnet. Also drei einzelne Planspiegelflächen sind in einem Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor jeweils als offener Spiegelrachen oder als Spiegellabyrinth angeordnet. Dabei kann der Strahlengang im Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor beim Rachen in gekreuzter Form bestehen. Beim Labyrinth dagegen kann der Strahlengang in unregel- oder regelmäßiger M-Form ausgebildet sein. Dabei können ein oder mehrere Drei-Spiegel-Referenz-Endreflektoren in einer Metallplatte miniaturisiert ausgebildet sein. Insbesondere bietet sich für die Herstellung der Drei-Spiegel-Referenz-Endreflektoren in Rachenform die Single-Point-Diamantbearbeitungstechnik an. Es kann aber auch die Abform-, Präge oder auch Drucktechnik zur Anwendung kommen.5. Preferably, in the arrangement for robust interferometry, the three plane mirrors are arranged in labyrinth form. So three single plane mirror surfaces are each more open in a three-plane mirror reference end-reflector Mirror Dragon or arranged as a mirror labyrinth. In this case, the beam path in the three-plane mirror reference end reflector when throat in crossed form. In the labyrinth, however, the beam path can be formed in irregular or regular M-shape. In this case, one or more three-mirror reference end reflectors can be miniaturized in a metal plate. In particular, the production of the three-mirror reference end reflectors in pharyngeal shape offers the single-point diamond machining technique. But it can also be the impression, embossing or printing technique used.
- 6. Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur robusten Interferometrie der Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor winkelmäßig im Interferometer so angeordnet, dass sich der Hauptstrahl des ausgehenden Referenzbündels nach Passieren des Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektors zumindest näherungsweise parallel zum Hauptstrahl des eingehenden Referenzbündels ausbreitet. Dabei weist dann der Versatz der Hauptstrahlen den Betrag der Lateral-Shear delta_q auf. Von Vorteil für die Auswertung von Interferogrammen ist hierbei, dass die Lateral-Shear vom Betrag delta_q invariant hinsichtlich lateraler Verschiebungen des Referenzreflektors ist. Weiterhin gibt es bei einem Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor mit drei zueinander geneigten Planspiegeln keine Wellenfrontinversion zwischen Objekt- und Referenzstrahlung. Das reduziert die Anforderungen an die Beleuchtungsoptik erheblich.6. Preferably, in the arrangement for robust interferometry, the three-plane mirror reference end reflector is angularly arranged in the interferometer such that the main beam of the outgoing reference beam propagates after passing the three-plane mirror reference end reflector at least approximately parallel to the main beam of the incoming reference beam , In this case, the offset of the principal rays then has the magnitude of the lateral shear delta_q. An advantage for the evaluation of interferograms is that the lateral shear of the amount delta_q is invariant with respect to lateral displacements of the reference reflector. Furthermore, there is no wavefront inversion between object and reference radiation in a three-plane mirror reference end reflector having three mutually inclined plan mirrors. This considerably reduces the requirements for the illumination optics.
Beim Einsatz einer Lichtquelle mit Strahlformungsoptik zur Beleuchtung des Objekts mit einem Fokusfleck oder einer linienhaften Beleuchtung mit der Längsachse in Richtung der Schnittgeraden g spielt eine kleine Verkippung eines monolithisch ausgebildeten und somit in sich starren Drei-Spiegel-Referenz-Endreflektors eine praktisch untergeordnete Rolle.When using a light source with beam shaping optics for illuminating the object with a focus spot or a linear illumination with the longitudinal axis in the direction of the cutting line g plays a small tilting of a monolithic trained and thus inherently rigid three-mirror reference end reflector a practically subordinate role.
In einer Umgebung mit starken Erschütterungen kann eine gepulste Lichtquelle eingesetzt werden, um gut auswertbare Signale auf der Basis räumlicher Interferogramme zu erhalten.In a high-vibration environment, a pulsed light source can be used to obtain well-interpretable spatial interferogram signals.
Fällt der Fokuspunkt BF eines Referenzstrahlenbündels auf die virtuelle Spiegelebene VSE des Drei-Spiegel-Referenz-Endreflektors, wird dieser um die Lateral-Shear mit dem Betrag delta_q in der virtuellen Spiegelebene VSE versetzt und es entsteht der Fokuspunkt BF'. Die Strecke, welche die Lateral-Shear mit dem Betrag delta_q darstellt, ist dabei stets parallel zur Schnittgeraden g von Bezugsebene BE und virtueller Spiegelebene VSE.
- 7. Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur robusten Interferometrie ein Objektiv mit der Brennweite f13' bzw. f17', welches das Objektbündel in Richtung Detektion kollimiert, so angeordnet, dass dessen dem Objekt zugewandte Brennebene F13 bzw. F17 mit der virtuellen Spiegelebene VSE des Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektors zusammenfällt. Oder durch eine weitere Abbildungsstufe zwischen einem Objektiv zur Kollimierung und der virtuellen Spiegelebene VSE des Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektors kann dieses Zusammenfallen als optische Konjugation (VSE-F13 bzw. VSE-F17) erreicht werden. Die optische Konjugation kann auch durch Strahlvereinigung erzeugt werden. Die virtuelle Spiegelebene VSE des Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektors, die auch als die virtuelle Reflexionsebene dieses Endreflektors angesehen werden kann, stellt dann eine zur Messebene des Objektstrahlenganges optisch konjugierte Ebene dar. Die Lateral-Shear vom Betrag delta_q entsteht in diesem Fall auch in der Brennebene F13 bzw. F17 des Objektivs welches das Objektbündel in Richtung Detektion kollimiert.
- 7. Preferably, in the arrangement for robust interferometry, a lens with the focal length f13 'or f17', which collimates the object beam in the direction of detection, is arranged so that its object facing focal plane F13 or F17 with the virtual mirror plane VSE of the three Plane mirror reference end reflector coincides. Or by a further imaging stage between a lens for collimation and the virtual mirror plane VSE of the three-plane mirror reference end reflector, this coincidence can be achieved as optical conjugation (VSE-F13 or VSE-F17). The optical conjugation can also be generated by beam combination. The virtual mirror plane VSE of the three-plane mirror reference end reflector, which can also be regarded as the virtual reflection plane of this end reflector, then represents a plane optically conjugate to the measurement plane of the object beam path. The lateral shear of the amount delta_q also arises in this case the focal plane F13 or F17 of the objective which collimates the object beam in the direction of detection.
Die virtuelle Spiegelebene VSE stellt also genau eine baugruppenfeste Ebene im beschriebenen Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor mit drei Planspiegeln dar, auf die der Hauptstrahl eines einfallenden homozentrischen Bündels senkrecht auftreffen kann. Weiterhin kann das Zentrum BF des homozentrischen Bündels in der virtuellen Spiegelebene VSE liegen. Dann ist das Zentrum des ausfallenden homozentrischen Bündels BF' um die Lateral-Shear mit dem Betrag delta_q in der VSE versetzt und dessen Hauptstrahl steht auch senkrecht auf der VSE. Dabei steht die Verbindungsstrecke der beiden Bündelzentren, die ja den Betrag, also die Länge, delta_q aufweist, parallel zur Bezugsebene BE, die durch die drei Planspiegelflächen definiert ist.The virtual mirror plane VSE thus represents exactly one module-fixed plane in the described three-plane mirror reference end reflector with three plane mirrors on which the main beam of an incident homocentric beam can impinge perpendicularly. Furthermore, the center BF of the homocentric beam may lie in the virtual mirror plane VSE. Then the center of the failing homocentric bundle BF 'around the lateral shear is offset by the amount delta_q in the VSE and its principal ray is also perpendicular to the VSE. In this case, the connection path of the two bundle centers, which indeed has the amount, ie the length, delta_q, is parallel to the reference plane BE, which is defined by the three plane mirror surfaces.
Mit diesem erfinderischen Ansatz können die räumlichen Interferogramme von allen Objektpunkten, die sich auf einem beliebigen Punkt des nutzbaren Objektfeldes befinden, welches zumindest näherungsweise in der Brennebene (F13) liegt, auf derselben Detektorfläche detektiert werden. Denn es erfolgt in der Brennebene (F13') kein laterales Wandern des Objektbündels in Abhängigkeit von der lateralen Position eines Messpunktes im Objektfeld. Im Idealfall entstehen dann bei einem achssenkrecht justierten Planspiegel als Objekt, der in der Brennebene F13 liegt, und hochkorrigierter Optik beim lateralen Durchschalten des Beleuchtungsmusters im Objektfeld, wodurch beliebige Punkte im Objektfeld angetastet werden können, die Maxima der Einhüllenden des Kurzkohärenz-Interferogramms bzw. auch deren Schwerpunkte zumindest näherungsweise an jeweils derselben Stelle, also jeweils demselben Pixeln oder in deren unmittelbarer Umgebung, auf dem Detektor. Bei einer schwachen Kippung des Planspiegels um eine Achse senkrecht zur Bezugsebene BE und zeitsequenzieller Abtastung des Planspiegels mit Lichtpunkten einer gesteuerten Lichtquelle entlang einer Linie parallel zur Bezugsebene BE liegen die Schwerpunkte im Idealfall dann auf dem Detektor ebenfalls auf einer Linie.With this inventive approach, the spatial interferograms of all object points located on any point of the usable object field which is at least approximately in the focal plane (F13) can be detected on the same detector surface. For there is no lateral movement of the object bundle in the focal plane (F13 ') as a function of the lateral position of a measuring point in the object field. Ideally, in the case of an axis-perpendicularly adjusted plane mirror as an object lying in the focal plane F13 and highly corrected optics, the arbitrary points in the object field can then be used to scan through the illumination pattern in the object field, the maximums of the envelopes of the short-coherence interferogram or their focal points at least approximately at the same location, ie in each case the same pixel or in their immediate vicinity, on the detector. At a weak tilt of the plane mirror about an axis perpendicular to the reference plane BE and time-sequential scanning of the plane mirror with light points of a controlled light source along a Line parallel to the reference plane BE are the focal points ideally then on the detector also on a line.
Bei Positionierung eines Objekts in der Brennebene F13 im Objektstrahlengang, wobei die Detektion räumlicher Interferogramme in der Brennebene F13' oder einer optisch konjugierten Ebene erfolgt, ist die Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge, beziehungsweise die Schwerpunktwellenzahl, der räumlichen Interferogramme nicht durch die Neigung der Objektoberfläche zu beeinflussen, wenn diese spektral nicht selektiv ist, also beispielsweise grau ist. Dabei ist es für einen hohen Kontrast der Interferenz jedoch von Vorteil, wenn das Objekt durch fokussiertes Licht punktförmig oder linienhaft beleuchtet wird. Diese Invarianz der Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge, die nur unter der Voraussetzung eines konstanten Lichtspektrums besteht, ist für die Auswertung räumlicher Interferogramme von sehr großem Vorteil, da hier beispielsweise aufgrund der Vorab-Kenntnis dieser Ortsfrequenz im Signal robuste und vergleichsweise schnelle Lock-in Ansätze zur Anwendung kommen können, die zumindest näherungsweise auf diese Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge eingestellt sind. Algorithmen auf der Basis eines Lock-in Ansatzes gestatten in der Tendenz, auch aus stark verrauschten und durch Aberrationen beeinflussten Signalen, hier räumliche Interferogramme, Tiefeninformationen mit einer vergleichsweise verringerten Messunsicherheit bereitzustellen.
- 8. Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur robusten Interferometrie die Lateral-Shear vom Betrag delta_q kleiner als der Betrag oder gleich 30% des Betrags der Brennweite f13' des Objektivs, welches das Objektbündel am Ausgang des Interferometers kollimiert. Der Betrag delta_q der Lateral-Shear sollte das Feld, in dem das Objektiv gut korrigiert ist, nicht überschreiten. In der Regel ist die Lateral-Shear
deutlich kleiner als 10% des Betrags der Brennweite f13' bzw. der Brennweite f17' zu wählen. - 9. Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur robusten Interferometrie der gerasterte Detektor jeweils zumindest näherungsweise in der Brennebene (F13') eines Objektivs, welches das Objektbündel am Ausgang des Interferometers kollimiert, angeordnet oder der gerasterte Detektor ist in Lichtrichtung in einer – dieser Brennebene (F13') nachgeordneten und – zu dieser Brennebene (F13') optisch konjugierten Ebene EK angeordnet, wobei die optische Konjugation von Brennebene (F13') und der Ebene EK durch mindestens ein Strahlenbüschel gegeben ist. Das bedeutet, es werden Punkte dieser Brennebene (F13') in die Ebene EK durch mindestens ein Strahlenbüschel abgebildet.
- 10. Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur robusten Interferometrie die Achse y einer Zylinderoptik parallel zu einer Geraden g angeordnet ist, welche die Schnittgerade von der Bezugsebene BE und der virtuellen Spiegelebene VSE darstellt.
- 8. Preferably, in the arrangement for robust interferometry, the lateral shear of magnitude delta_q is less than or equal to 30% of the amount of focal length f13 'of the objective, which collimates the object beam at the output of the interferometer. The amount delta_q of the lateral shear should not exceed the field where the lens is well corrected. As a rule, the lateral shear should be chosen to be significantly smaller than 10% of the amount of the focal length f13 'or the focal length f17'.
- 9. Preferably, in the arrangement for robust interferometry, the screened detector is arranged at least approximately in the focal plane (F13 ') of a lens which collimates the object beam at the output of the interferometer, or the screened detector is in the light direction in one - this focal plane (F13 ') arranged downstream and - to this focal plane (F13') optically conjugate level EK, wherein the optical conjugation of the focal plane (F13 ') and the plane EK is given by at least one beam of radiation. This means that points of this focal plane (F13 ') are imaged into the plane EK by at least one ray bundle.
- 10. Preferably, in the arrangement for robust interferometry, the axis y of a cylinder optic is arranged parallel to a straight line g, which represents the line of intersection of the reference plane BE and the virtual mirror plane VSE.
Dies führt für das von einem optisch angetasteten Objektpunkt zurückkommende Licht und dem überlagerten Referenzlicht zu einer eindimensionalen Fokussierung des interferierenden Lichts entlang einer Linie und führt somit zu einer vergleichsweise hohen Lichtkonzentration der interferierenden Wellenfronten, hier in Zylinderform. Zusätzlich gibt diese Strahlführung die Möglichkeit, gleichzeitig die räumlichen Interferogramme mehrerer Objektpunkte, beispielweise die entlang einer Linie LO auf dem Objekt aufzunehmen. Die Detektion dieser linienförmigen Interferogramme erfolgt jeweils in einem ebenfalls linienhaften Bereich, d. h. entlang einer oder weniger Zeilen des gerasterten Detektors. Die Längsachsen dieser linienhaften Bereiche stehen jeweils senkrecht zu dieser Linie LO.For the light returning from an optically touched object point and the superposed reference light, this leads to a one-dimensional focusing of the interfering light along a line and thus leads to a comparatively high light concentration of the interfering wavefronts, here in cylindrical form. In addition, this beam guidance gives the possibility of simultaneously recording the spatial interferograms of a plurality of object points, for example those along a line LO, on the object. The detection of these line-shaped interferograms takes place in each case also in a line-like area, ie. H. along one or fewer lines of the rasterized detector. The longitudinal axes of these linear areas are each perpendicular to this line LO.
Die Abtastung eines Objekts entlang einer Linie mit einer Vielzahl von räumlichen Interferogrammen und daraus folgend die Berechnung eines Profils wurde bereits von M. Hering u. a. in [3] dargestellt.
- 11. Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur robusten Interferometrie im Referenzstrahlengang eine Vielzahl von miniaturisierten Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektoren in Form eines Arrays angeordnet. Damit kann ein Objektfeld wie bei einem Nadelkissen oder einem Nagelbrett mit einer steuerbaren Lichtquelle zeitsequenziell durch Fokuspunkte abgetastet werden, wodurch beispielsweise eine Formmessung an einem kleinen Objekt begrenzter Tiefenausdehnung, beispielsweise eine Mikrodelle oder eine flache Schmiertasche in einem Metallkörper, möglich ist (A3).
- 12. Vorzugsweise erfolgt bei der Anordnung zur robusten Interferometrie die Anordnung von Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektoren in diesem Array in einer linien-, flächenhaften oder einer dreidimensionalen Struktur. Dabei können jeweils Messpunkte entlang einer Linie gleichzeitig in einem Schuss aufgenommen werden.
- 13. Vorzugsweise sind bei der Anordnung zur robusten Interferometrie miniaturisierte Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektoren in Form einer dreidimensionalen Treppen-Struktur angeordnet. Damit können schwach geneigte Objektoberflächen vermessen werden, ohne dass die Schwerpunkte der Einhüllenden der Interferogramme stark lateral verschoben sind.
- 14. Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur robusten Interferometrie die Quelle kurzkohärenter elektromagnetischer Strahlung als ein Punktmatrixstrahler ausgebildet.
- 15. Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur robusten Interferometrie die Punktmatrix auf der Quelle kurzkohärenter elektromagnetischer Strahlung verdreht um einen spitzen Winkel zur Schnittlinie der interferierenden Wellenfronten auf dem gerasterten Detektor angeordnet. Die Drehachse ist dabei also senkrecht zur VSE und parallel zur BE angeordnet. So kann gleichzeitig eine Vielzahl von Interferogrammen auf dem Detektor platziert werden.
- 16. Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur robusten Interferometrie die Quelle kurzkohärenter elektromagnetischer Strahlung mit schaltbaren Punktlichtquellen ausgebildet. Damit ist das Abtastmuster frei wählbar, beispielsweise auch nach Relevanz von Objektmerkmalen aus Vorab-Informationen.
- 17. Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur robusten Interferometrie die gerasterte Lichtquelle mit schaltbaren Linienlichtquellen ausgebildet. Damit kann ein Objektfeld zur Formmessung besonders schnell vermessen werden.
- 18. Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur robusten Interferometrie die Quelle kurzkohärenter elektromagnetischer Strahlung zur lateral feinstrukturierten Beleuchtung eines Objekts mittels eines schaltbaren räumlichen Lichtmodulator-Arrays ausgebildet, so dass diese Quelle kurzkohärenter elektromagnetischer Strahlung lateral schaltbar ausgebildet ist. Damit ist eine hohe Flexibilität gegeben. Damit sind unterschiedliche Beleuchtungsmuster auf dem Objekt in einer zeitlichen Folge realisierbar, so dass beispielsweise bei einer Ausbildung des Referenzreflektors mit linienhaften, miniaturisierten Drei-Spiegel-Referenz-Endreflektoren nacheinander jeweils eine Beleuchtung von dem Objekt mit einer einzelnen Linie und von definierten Orten auf dem Gesamt-Referenzreflektor erfolgt bis das Objektfeld vollständig beispielsweise durch eine sich schrittweise lateral fortbewegende Linie abgescannt ist. Die laterale Dichte des Abtastmusters ist wählbar, wodurch relevante Bereiche bei Bedarf mit einer höheren Abtastdichte vermessen werden können (A4).
- 19. Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur robusten Interferometrie im Referenzstrahlengang eine räumliche Korrespondenz zwischen der lateralen Struktur des Beleuchtungsmusters und der lateralen Anordnung von miniaturisierten Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektoren gegeben, so dass jedem miniaturisierten Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor mindestens ein Lichtfleck oder eine Lichtlinie der Lichtquelle, zumindest in der Zeitdauer der Zeitdauer einer Bildaufnahme, zugeordnet ist.
- 20. Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur robusten Interferometrie mindestens eine Doppelblende auf der Basis von Spalten oder Pinholes in einer gemeinsam benutzten Abbildungsstufe für Referenz- und Objektstrahlung angeordnet. Dabei ist eine erste Öffnung der Doppelblende der Referenzstrahlung und eine zweite Öffnung der Objektstrahlung vorbehalten. So kann eine konfokale Diskriminierung der Objektstrahlung durchgeführt werden. Der erste Bereich dient zum Durchtritt des Referenzlichtes in Richtung Detektor und kann aber auch unerwünschtes Störlicht aus dem Referenzstrahlengang ausblenden. Die Spalte bzw. Pinholes, also die Blendenelemente, können aber auch so fein ausgebildet sein, dass Zylinder-, bzw. Kugelwellen hoher räumlicher Kohärenz gebildet werden (A5).
- 21. Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur robusten Interferometrie die Doppelblende () in einer zur Messebene ME optisch konjugierten Ebene angeordnet, wobei die optisch konjugierte Ebene durch mindestens ein Strahlenbüschel dargestellt ist. So kann eine konfokale Diskriminierung von Objektstrahlung durchgeführt werden.
- 22. Vorzugsweise sind bei der Anordnung zur robusten Interferometrie Mittel zur vorbestimmt gesteuerten Änderung des Abstands und/oder der Lage der Spalte oder der Pinholes der Doppelblende angeordnet, damit die konfokale Filterung optimal erfolgen kann.
- 23. Vorzugsweise sind bei der Anordnung zur robusten Interferometrie im Objektstrahlengang Mittel zur chromatischen Tiefenaufspaltung von Foki angeordnet. So kann ein deutlich größerer Tiefenmessbereich bei dennoch beugungsbegrenzter lateraler Auflösung als die wellenoptische Schärfentiefe realisiert werden. Dieser Ansatz, insbesondere mit einer Multipunkt-Antastung des Objekts, kann mit einem Linnik-Typ-Interferometer mit einer vergleichsweise geringen Numerischen Apertur gut umgesetzt werden. Hierbei können die Mittel zur chromatischen Tiefenaufspaltung in der Fourier-Ebene des objektabbildenden Objektivs angeordnet sein. Es kann hierzu ein diffraktiv-optisches Element eingesetzt werden. Die Anordnung eines diffraktiv-optischen Elements in der Fourier-Ebene wurde bereits in
DE 103 21 895 A1 - 24. Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur robusten Interferometrie im Objektstrahlengang mindestens eine konfokal diskriminierende Blende angeordnet. Diese ermöglicht bei der chromatischen Tiefenaufspaltung nur den Durchtritt von Licht, welches auf der Objektoberfläche oder in einem teiltransparenten Objekt an einem Lichtstreuer scharf fokussiert war (A7).
- 11. Preferably, in the arrangement for robust interferometry in the reference beam path, a multiplicity of miniaturized three-plane mirror reference end reflectors are arranged in the form of an array. Thus, an object field as in a pincushion or a nail board with a controllable light source can be scanned time-sequentially by focus points, whereby, for example, a shape measurement on a small object of limited depth extent, for example a microdelle or a flat lubricating pocket in a metal body, is possible (A3).
- 12. Preferably, in the arrangement for robust interferometry, the arrangement of three-plane mirror reference end reflectors in this array takes place in a line-like, planar or three-dimensional structure. In each case, measuring points along a line can be recorded simultaneously in one shot.
- 13. In the arrangement for robust interferometry, miniaturized three-plane mirror reference end reflectors are preferably arranged in the form of a three-dimensional staircase structure. In this way, slightly inclined object surfaces can be measured without the center of gravity of the interferogram envelope being shifted much laterally.
- 14. Preferably, in the arrangement for robust interferometry, the source of short-coherent electromagnetic radiation is formed as a dot matrix radiator.
- 15. Preferably, in the arrangement for robust interferometry, the dot matrix is on The source of short-coherent electromagnetic radiation is rotated at an acute angle to the intersection of the interfering wavefronts on the rasterized detector. The axis of rotation is thus arranged perpendicular to the VSE and parallel to the BE. At the same time, a large number of interferograms can be placed on the detector.
- 16. Preferably, in the arrangement for robust interferometry, the source of short-coherent electromagnetic radiation is formed with switchable point light sources. Thus, the scanning pattern is freely selectable, for example, according to relevance of object features from pre-information.
- 17. Preferably, the rastered light source is formed with switchable line light sources in the arrangement for robust interferometry. This allows an object field for form measurement to be measured particularly quickly.
- 18. In the arrangement for robust interferometry, the source of short-coherent electromagnetic radiation for laterally finely structured illumination of an object is preferably formed by means of a switchable spatial light modulator array, so that this source of short-coherent electromagnetic radiation is formed laterally switchable. This gives a high degree of flexibility. Thus, different illumination patterns on the object in a time sequence can be realized, so that, for example, in an embodiment of the reference reflector with linear, miniaturized three-mirror reference Endreflektoren successively each illumination of the object with a single line and defined locations on the whole Referee Reflector takes place until the object field is completely scanned, for example, by a stepwise laterally moving line. The lateral density of the scan pattern is selectable, allowing relevant areas to be measured at higher sample density if required (A4).
- 19. Preferably, in the arrangement for robust interferometry in the reference beam path, there is a spatial correspondence between the lateral structure of the illumination pattern and the lateral arrangement of miniaturized three-plane mirror reference end reflectors, so that each miniaturized three-plane mirror reference end reflector has at least one light spot or a light line of the light source, at least in the period of time of an image recording, is assigned.
- 20. In the arrangement for robust interferometry, at least one double diaphragm based on columns or pinholes is preferably arranged in a jointly used reference and object radiation imaging stage. In this case, a first opening of the double diaphragm of the reference radiation and a second opening of the object radiation is reserved. Thus, a confocal discrimination of the object radiation can be performed. The first area serves for the passage of the reference light in the direction of the detector and can also hide unwanted stray light from the reference beam path. However, the gaps or pinholes, that is to say the diaphragm elements, can also be designed so finely that cylinder or spherical waves of high spatial coherence are formed (A5).
- 21. Preferably, in the arrangement for robust interferometry, the double diaphragm (12) is arranged in a plane optically conjugate with the measurement plane ME, wherein the optically conjugate plane is represented by at least one radiation pencil. Thus, a confocal discrimination of object radiation can be performed.
- 22. Preferably, in the arrangement for robust interferometry means are arranged for the predetermined controlled change in the distance and / or the position of the column or pinholes of the double diaphragm, so that the confocal filtering can be carried out optimally.
- 23. Preferably, means for chromatic depth splitting of foci are arranged in the arrangement for robust interferometry in the object beam path. Thus, a significantly greater depth measuring range can be realized with a diffraction-limited lateral resolution than the wave-optical depth of field. This approach, particularly with multi-point probing of the object, can be well implemented with a Linnik-type interferometer with a comparatively small numerical aperture. In this case, the chromatic depth splitting means may be arranged in the Fourier plane of the object-imaging objective. It can be used for this purpose a diffractive-optical element. The arrangement of a diffractive-optical element in the Fourier plane was already in
DE 103 21 895 A1 - 24. Preferably, at least one confocal discriminating diaphragm is arranged in the arrangement for robust interferometry in the object beam path. In the case of chromatic depth splitting, this only allows the passage of light which was sharply focused on the object surface or in a partially transparent object on a light scatterer (A7).
Fokussierte Strahlung zur Objektbeleuchtung wird also am Objekt reflektiert und/oder gestreut, passiert noch einmal die Mittel zur chromatischen Tiefenaufspaltung von Foki, wodurch eine wellenlängenabhängige Brechkraft wirksam wird, die zur zumindest teilweisen Kollimierung der Anteile der elektromagnetischen Strahlung führt, welche Foki auf oder im Objekt gebildet haben. Anschließend passiert die kollimierte elektromagnetische Strahlung ein Objektiv zur Fokussierung und anschließend zumindest teilweise die konfokal diskriminierende Blende. Nur die Anteile der elektromagnetischen Strahlung, welche Foki auf oder im Objekt gebildet haben, können diese konfokal diskriminierende Blende im Wesentlichen passieren.Focused radiation for object illumination is thus reflected and / or scattered on the object, once again passing through the means for chromatic depth splitting of foci, whereby a wavelength-dependent refractive power is effective, which leads to at least partial collimation of the portions of the electromagnetic radiation, which focuses on or in Have formed object. Subsequently, the collimated electromagnetic radiation passes through a lens for focusing and then at least partially the confocal discriminating aperture. Only the portions of the electromagnetic radiation which have formed foci on or in the object can essentially pass through this confocal discriminating aperture.
Dabei kann diese konfokal diskriminierende Blende auch zur Erzeugung von Foki zur strukturierten Objektbeleuchtung benutzt werden. Dann wird diese Blende insgesamt zweimal von Strahlung durchsetzt, also von hin- als auch zurückpropagierender Strahlung. In diesem Fall befindet sich diese Blende am Eingang des Interferometers. Nach der Rückkehr von Objekt- und Referenzstrahlung zum Interferometereingang, der dann auch den Interferometerausgang darstellt, kommt es zur konfokalen Diskriminierung von Objektlicht und zur Interferenz auf dem Detektor.In this case, this confocal discriminating aperture can also be used to produce foci for structured object illumination. Then, this aperture is interspersed twice by radiation, that is, by backward and back propagating radiation. In this case, this aperture is located at the input of the interferometer. After the return of object and reference radiation to the interferometer input, which then also represents the interferometer output, there is confocal discrimination of object light and interference on the detector.
Von Vorteil ist hierbei, wenn die Mittel zur chromatischen Tiefenaufspaltung von Foki für die mittlere Wellenlänge des Spektrums der verwendeten elektromagnetischen Strahlung die Brechkraft null aufweisen, also brechkraftkompensiert sind, beispielsweise als diffraktiv-refraktives System mit entgegen gesetzter Brechkraft der Komponenten. Dann kann bei entsprechender Kompensation der optischen Weglängen im Referenzstrahlengang das Interferometer zumindest näherungsweise am optischen Gangunterschied null oder in einem vergleichsweise engen Bereich um den optischen Gangunterschied null betrieben werden und die Dispersion ist weitgehend zu vernachlässigen. Von Vorteil kann dieser Ansatz in einem Linnik-Typ-Interferometer zur Anwendung kommen, in welchem nach Unendlich korrigierte Mikroskopobjektives eingesetzt sind. In diesem Linnik-Typ-Interferometer ist mindestens ein Drei-Spiegel-Referenz-Endreflektor im Referenzstrahlengang angeordnet.
- 25. Vorzugsweise ist bei der Anordnung zur robusten Interferometrie das Interferometer im Grundtyp als Michelson-, Linnik-, Mirau- oder Schulz-Minor-Interferometer ausgebildet und mindestens ein Drei-Spiegel-Referenz-Endreflektor im Referenzstrahlengang angeordnet. Die numerische Apertur ist dabei nicht extrem hoch zu wählen, da sonst die Reflexion mittels eines Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektors nicht mehr möglich ist. Der Schwerpunkt des Einsatzes der erfindungsgemäßen Anordnung liegt deshalb recht eindeutig im Bereich einer mittleren oder geringeren numerischen Apertur für Objektbeleuchtung und Detektion.
- 25. Preferably, in the arrangement for robust interferometry, the interferometer in the basic type is designed as a Michelson, Linnik, Mirau or Schulz minor interferometer, and at least one three-mirror reference end reflector is arranged in the reference beam path. The numerical aperture is not extremely high to choose, otherwise the reflection by means of a three-plane mirror reference end reflector is no longer possible. The focus of the use of the arrangement according to the invention therefore lies quite clearly in the range of a medium or lower numerical aperture for object illumination and detection.
Beispielsweise kann ein Objektiv mit einer numerischen Apertur von 0,2 noch recht gut in Verbindung mit einem Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor im Referenzstrahlengang eingesetzt werden.For example, a lens with a numerical aperture of 0.2 can still be used quite well in conjunction with a three-plane mirror reference end reflector in the reference beam path.
Bei einer Michelson-Interferometer-Anordnung kann hier weit von der Rechtwinkligkeit zwischen Referenz- und Objektstrahlengang abgewichen werden. So stellt ein Winkel zwischen den Hauptstrahlenbündeln von Referenz- und Objektstrahlung von 160 Altgrad vorzugsweise eine gute Option dar, um einen schlanken Sensor mit guter Zugänglichkeit zum Messobjekt zu realisieren.In a Michelson interferometer arrangement, it is possible to deviate far from the perpendicularity between the reference beam and the object beam path. Thus, an angle between the main beams of reference and object radiation of 160 degrees is preferably a good option for realizing a slim sensor with good accessibility to the measurement object.
Bei einem Mirau- oder Schulz-Minor-Interferometer kann die Mittenabschattung, welche durch den Referenzreflektor auftritt, durch den Einsatz einer Doppelspalt- oder Doppel-Pinhole-Blende mit geeignetem Spalt- oder Pinhole-Abstand, die jeweils sehr fein ausgebildet sind, also eine Point-Diffraction-Anordnung darstellen, unschädlich gemacht werden. Dadurch können jedoch erhebliche Lichtverluste auftreten. Dies ist in der Regel technisch jedoch mit Lichtquellen hoher räumlicher Kohärenz und Lichtleistung machbar (A8).
- 26. Vorzugsweise sind bei der Anordnung zur robusten Interferometrie Mittel zur vorbestimmten Variation der numerischen Apertur der Beleuchtung angeordnet. Damit kann der wellenoptische Schärfentiefebereich optimal an eine Messaufgabe angepasst werden.
- 26. Preferably, in the arrangement for robust interferometry means are arranged for the predetermined variation of the numerical aperture of the illumination. Thus, the wave-optical depth of field can be optimally adapted to a measuring task.
Für die gelegentlich auftretende Messaufgabe, dass eine Objektoberfläche geneigt zur optischen Achse des Objektstrahlenganges angemessen werden soll, beispielsweise eine 45°-Fasenfläche an einem feingefrästen Werkstück, kann im Objektstrahlengang des Interferometers ein zusätzlicher Planspiegel der Objektoberfläche zugeordnet sein, wobei dieser Planspiegel mit der Objektoberfläche dann zumindest näherungsweise einen rechten Winkel einschließen sollte, also zumindest näherungsweise eine 90°-Dachkante bildet. Im Referenzstrahlengang ist hierbei ein 90°-Dachkantreflektor angeordnet, wobei dessen Spiegelflächen stets nur eine einmalige Reflexion erfahren sollen. Diese Anordnung in Verbindung mit einem Michelson-Interferometer liefert Lateral-Shear, vermeidet die Wellenfront-Inversion, weist aber in der Regel eindeutige Nachteile wegen des Bauvolumens im Objektstrahlengang, also bezüglich der Zugänglichkeit zum Objekt, beispielsweise in Innenräumen, auf und wird deshalb hier nicht weiter verfolgt. Diese Michelson-Interferometer-Anordnung, mit der Möglichkeit Lateral-Shear mittels zwei Doppeldachkant-Reflektoren zu erzeugen, ist klassisch und wird in der Regel zur Wellenfrontanalyse eingesetzt, s. a. [4] und [5].For the occasional measurement task that an object surface is to be inclined to the optical axis of the object beam path appropriate, for example, a 45 ° chamfer surface on a fine-milled workpiece, an additional plane mirror of the object surface can be assigned in the object beam path of the interferometer, said plane mirror with the object surface then at least approximately should include a right angle, so at least approximately forms a 90 ° roof edge. In the reference beam path in this case a 90 ° roof edge reflector is arranged, the mirror surfaces should always experience only a single reflection. This arrangement in conjunction with a Michelson interferometer provides lateral shear, avoids the wavefront inversion, but usually has clear disadvantages because of the volume in the object beam path, so in terms of accessibility to the object, for example, indoors, and will therefore not here followed up. This Michelson interferometer arrangement, with the possibility of generating lateral shear by means of two double-sided reflectors, is classical and is generally used for wavefront analysis, s. a. [4] and [5].
Den in [6] veröffentlichten Ansatz mit zwei Tripelreflektoren in einem Michelson-Interferometer, hier als Anordnung für einen interferometrischen Sensor zur Abstandsmessung u. a. zu nutzen, bei dem ein Planspiegel des Tripelreflektors in Form einer Würfelecke, auch als Corner Cube bekannt, durch die Objektoberfläche ersetzt ist, führt dazu, dem Objekt im Objektstrahlengang noch einen Dachkantreflektor beiordnen zu müssen, wenn die unerwünschte Wellenfrontinversion zwischen Objekt- und Referenzstrahlung vermieden werden soll. Das ist eine mögliche Sensorlösung, vergrößert aber das ganz Sensorvolumen erheblich, was für viele Applikationen sehr nachteilig ist oder schließt den Einsatz einer derartigen Lösung völlig aus. Auch ist hierbei keine Invarianz der Lateral-Shear – und damit der Neigung der interferierenden Wellenfronten beispielsweise gegenüber lateralem Wegdriften des Tripelreferenz-Reflektors oder auch des Objekts selbst gegeben. Damit kann sich die Ortsfrequenz im räumlichen Interferogramm ändern, was nachteilig sein kann.To use the approach published in [6] with two triple reflectors in a Michelson interferometer, here as an arrangement for an interferometric sensor for distance measurement, among others a plane mirror of the triple reflector in the form of a cube corner, also known as corner cube, is replaced by the object surface leads to the object in the object beam path still having to assign a roof edge reflector when the unwanted wavefront inversion between object and reference radiation is to be avoided. This is a possible sensor solution, but increases the whole sensor volume considerably, which is very disadvantageous for many applications or excludes the use of such a solution completely. Again, there is no invariance of the lateral shear - and thus the inclination of the interfering wavefronts, for example, given lateral drifting away of the triple reference reflector or the object itself. Thus, the spatial frequency in the spatial interferogram change, which can be disadvantageous.
Vorzugsweise können zur Schrägbeleuchtung einer Objektoberfläche auch zwei weitere Planspiegel, je einer rechts und je einer links, flankierend beigeordnet sein und im Referenzstrahlengang befindet sich der bereits beschriebene Drei-Spiegel-Referenz-Endreflektor mit stumpf- oder spitzwinkligem Dreieck ABC der Spurgeraden. In diesem Fall ist die Differenz der Anzahl der Planspiegelflächen von Referenz- und Objektstrahlengang, die einmalig vom Licht passiert werden, null, so dass keine Wellenfront-Inversion auftritt. Der Betrag delta_q der Lateral-Shear kann hierbei durch laterales Schieben des End-Reflektors mit drei Planspiegeln frei eingestellt werden. Diese Anordnung gestattet, nahezu ebene Objektoberflächen sehr schräg zu beleuchten, beispielsweise mit einem Einfallswinkel von 85°. So kann Schräglicht-Interferometrie zur Geradheits-, Form- und Welligkeitserfassung an vergleichsweise rauen technischen Oberflächen, wie feinbearbeitete ebene Metalloberflächen, betrieben werden. Durch den Schrägeinfall ergibt sich bekannterweise eine Verringerung der Tiefen-Messempfindlichkeit des Interferometers um den Faktor des Kosinus dieses Einfallswinkels auf die Objektoberfläche, auch als Lambda-Dehnung bekannt.Preferably, for oblique illumination of an object surface, two further plane mirrors, one each on the right and one on the left, be flanking assigned and in the reference beam path is the already described three-mirror reference end reflector with obtuse or acute-angled triangle ABC of Spurgeraden. In this case, the difference in the number of reference plane and object path plane mirror surfaces once passed by the light is zero so that wavefront inversion does not occur. The amount delta_q of the lateral shear can hereby be set freely by laterally sliding the end reflector with three plane mirrors. This arrangement allows to illuminate almost flat object surfaces very obliquely, for example, with an incident angle of 85 °. For example, oblique interferometry for straightness, shape and waviness detection on comparatively rough technical surfaces, such as precision machined flat metal surfaces, can be operated. As a result of the oblique incidence, it is known to reduce the depth measuring sensitivity of the interferometer by the factor of the cosine of this angle of incidence on the object surface, also known as lambda elongation.
Wird im Objektstrahlengang der erfinderischen Anordnung ein 90°-Umlenkspiegel beispielsweise zur Messung an der Innenwand einer kleinen Bohrung benutzt, der sowohl im Hin- als auch im Rücklauf vom Licht passiert wird, ist dieser 90°-Umlenkspiegel wegen der zweifachen Reflexion an demselben ohne jeden Einfluss auf die Orientierung der Objektwellenfronten bei der Detektion und kann somit hinsichtlich der Problematik der Wellenfrontinversion unbeachtet bleiben.Is in the object beam path of the inventive arrangement, a 90 ° -Umlenkspiegel example used to measure on the inner wall of a small hole that is passed both in the outward and in the return of the light, this 90 ° -Umlenkspiegel is due to the double reflection on the same without any Influence on the orientation of the object wavefronts in the detection and thus can remain unnoticed with regard to the problem of wavefront inversion.
Merkmale zum VerfahrenCharacteristics of the procedure
- 27. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie zur Erfassung von Abstand, Tiefe, Profil, Form, Welligkeit und/oder Rauheit oder der optischen Weglänge in oder an technischen oder biologischen Objekten, auch in Schichtenform, oder auch zur optischen Kohärenz-Tomografie (OCT), mit den Mitteln der Anordnung im Oberbegriff werden die Verfahrensschritte: • Erzeugen mindestens eines Objektstrahlenbündels elektromagnetischer Strahlung zur Beleuchtung des Objekts, • Erzeugen mindestens eines Referenzstrahlenbündels mittels Strahlteilung in einem Interferometer, • Erzeugen von räumlichen Kurzkohärenz-Interferenzen von Objekt- und Referenzstrahlen, • Detektion von räumlichen Kurzkohärenz-Interferenzen auf einem gerasterten Detektor elektromagnetischer Strahlung durchgeführt.27. In the method for robust interferometry for the detection of distance, depth, profile, shape, waviness and / or roughness or the optical path length in or on technical or biological objects, also in layer form, or also for optical coherence tomography (OCT), with the means of the arrangement in the preamble, the method steps are: Generating at least one object beam of electromagnetic radiation for illuminating the object, Generating at least one reference beam by means of beam splitting in an interferometer, Generating spatial short-coherence interference of object and reference beams, • Detection of spatial short-coherence interference on a screened detector of electromagnetic radiation carried out.
Erfindungsgemäß werden
- • im Referenzstrahlengang drei direkt aufeinanderfolgende Reflexionen an je drei Planspiegeln durchgeführt,
- • dabei liegen die Flächen dieser drei Planspiegel jeweils zumindest näherungsweise senkrecht zu einer gemeinsamen Bezugsebene BE und bilden somit einen Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor
- • und durch die drei Reflexionen wird eine Lateral-Shear mit dem Betrag delta_q zwischen Objektstrahlenbündel und Referenzstrahlenbündel im Interferometer eingeführt, wodurch auf dem gerasterten Detektor mindestens ein räumliches Kurzkohärenz-Interferogramm erzeugt wird,
- • und mindestens ein räumliches Interferogramm wird zur Gewinnung von Informationen über Abstand, Tiefe, Profil, Form, Welligkeit und/oder Rauheit oder der optischen Weglänge eines Objekts, auch in der optischen Kohärenz-Tomografie, ausgewertet.
- In the reference beam path, three directly successive reflections are carried out on three plane mirrors each,
- • The surfaces of these three plane mirrors are each at least approximately perpendicular to a common reference plane BE and thus form a three-plane mirror reference end reflector
- And the three reflections introduce a lateral shear of the amount delta_q between the object beam and the reference beam in the interferometer, thereby producing at least one spatial short-coherence interferogram on the screened detector,
- And at least one spatial interferogram is evaluated to obtain information about distance, depth, profile, shape, waviness and / or roughness or the optical path length of an object, also in optical coherence tomography.
Die Invarianz der Lateral-Shear mit dem Betrag delta_q zwischen dem Objektstrahlenbündel und Referenzstrahlenbündel gegenüber lateralen Verschiebungen des Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektors stellt einen großen Vorteil dar, da so die Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge des räumlichen Interferogramms bei einem unveränderlichen Spektrum der Lichtquelle, z. B. auch bei thermisch verursachtem lateralem Wegdriften des Reflektors als monolithische Baugruppe konstant ist. Dagegen führt ein Verschieben des Reflektors in der Tiefe wegen der sich ändernden optischen Weglänge zum lateralen Verschieben des räumlichen Interferogramms auf dem Detektor (A9).The invariance of the lateral shear with the amount delta_q between the object beam and reference beam against lateral displacements of the three-plane mirror reference end reflector represents a great advantage, since the spatial frequency for the center wavelength of the spatial interferogram with a fixed spectrum of the light source, for , B. is constant even when thermally caused lateral drifting away of the reflector as a monolithic assembly. In contrast, shifting the reflector in depth, due to the changing optical path length, leads to lateral displacement of the spatial interferogram on the detector (A9).
Merkmale zu Unteransprüchen des Verfahrens Features to dependent claims of the method
- 28. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie erfolgt vorzugsweise eine punktförmige oder eine lateral strukturierte Beleuchtung des Objekts, um beispielsweise das Streulicht zu minimieren (A10).28. In the method for robust interferometry, a point-like or a laterally structured illumination of the object is preferably carried out in order to minimize, for example, the scattered light (A10).
- 29. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie werden vorzugsweise die Reflexionen des Hauptstrahls des Referenzstrahlenbündels so durchgeführt, dass die Auftreffpunkte des Hauptstrahls des Referenzbündels auf die drei Planspiegel zumindest näherungsweise in einer gemeinsamen Ebene liegen, die parallel zu der gemeinsamen Bezugsebene BE ausgerichtet ist.29. In the method for robust interferometry, the reflections of the main beam of the reference beam are preferably carried out such that the points of impact of the main beam of the reference beam on the three plane mirrors lie at least approximately in a common plane, which is aligned parallel to the common reference plane BE.
-
30. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie wird vorzugsweise nach dem Objektiv (
13 ), welches das Objektbündel kollimiert, in dessen nachgeordneter Brennebene F13' – aus der vorbestimmten Lateral-Shear delta_q von Referenz- und Objektbündel in der dem Objektiv (13 ) vorgeordneten Brennebene F13, welche die Messebene ME der Anordnung darstellt, – eine Verkippung um den Winkel delta_beta der Hauptstrahlen von Referenz- und Objektbündel erzeugt.30. The method of robust interferometry is preferably performed after the objective (13 ), which collimates the object bundle, in its subordinate focal plane F13 '- from the predetermined lateral shear delta_q of reference and object bundles in the lens (13 ) upstream focal plane F13, which represents the measurement plane ME of the arrangement, - generates a tilt by the angle delta_beta of the main beams of reference and object bundles.
Außerdem wird die Detektion eines räumlich ausgedehnten Zweistrahl-Interferogramms
- – entweder in dieser Brennebene (F13')
- – oder in einer zu dieser Brennebene (F13') in Lichtrichtung nachgeordneten, optisch konjugierten Ebene durchgeführt, wobei diese nachgeordnete, optisch konjugierte Ebene mindestens durch ein Strahlenbüschel in einer Ebene dargestellt ist.
- Either in this focal plane (F13 ')
- - Or in a to this focal plane (F13 ') downstream in the light direction, optically conjugate plane, said subordinate, optically conjugate plane is at least represented by a pencil of rays in a plane.
Der Vorteil ist hierbei, dass die Verkippung der Hauptstrahlen von Referenz- und Objektbündel zueinander um den Winkel delta_beta gegenüber einer Änderung der Lage, wie Translationen in allen drei Raumachsen, eines in sich starren, also monolithischen Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektors im Referenzstrahlengang invariant ist. Dies gilt auch für das Objekt sowie den Strahlteiler, beispielsweise in einem Michelson-Typ-Interferometer. Kleinere Rotationen des in sich starren Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektors, des Objekts oder des Strahlteilers in der Interferometeranordnung, der sowohl für Strahlteilung als auch Vereinigung benutzt wird, führen ebenfalls zu keinem oder nur zu einem Einfluss zweiter Ordnung auf den Betrag des Winkels delta_beta, wodurch bei einem zeitlich konstanten Lichtquellenspektrum und einer grauen, schwarzen oder weißen Objektoberfläche die Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge im räumlichen Interferogramm als nahezu unveränderlich anzusehen ist. Auch eine farbige Objektoberfläche hat in der Regel nur einen relativ kleinen Einfluss auf die Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge. Ausnahmen können hier jedoch Schichtsysteme, wie spektrale Bandpässe, darstellen.
- 31. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie wird vorzugsweise eine Strahlformung von Referenzstrahlenbündel und Objektstrahlenbündel mittels abbildender Zylinder-Optik mit Fokussierung von mindestens einem Strahlenbüschel in die Brennebene (F13') des objektabbildenden Objektivs durchgeführt.
- 32. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie wird vorzugsweise eine Strahlformung von Referenzstrahlenbündel und Objektstrahlenbündel mittels abbildender Zylinder-Optik mit Fokussierung von mindestens einem Strahlenbüschel in eine zur Brennebene (F13') des objektabbildenden Objektivs in Lichtrichtung nachgeordneten, optisch konjugierten Ebene durchgeführt und diese konjugierte Ebene ist mindestens durch ein Strahlenbüschel gegeben.
- 33. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie wird vorzugsweise ein Ausschnitt der Brennebene (F13') durch eine in Lichtrichtung nachfolgende, anamorphotische Abbildungsstufe zumindest näherungsweise durch ein erstes Strahlenbüschel, dessen Fläche senkrecht Schnittlinie von Referenz- und Objektwellenfront in der Brennebene (F13') angeordnet ist, auf den Detektor abgebildet. Außerdem wird jeder optisch erfasste Objektpunkt vorzugsweise durch ein zweites Strahlenbüschel, das senkrecht zum ersten ausgerichtet ist, auf den Detektor fokussiert abgebildet, so dass für jeden optisch erfassten Objektpunkt auf dem Detektor mindestens ein räumlich ausgedehntes, linienförmiges Zweistrahl-Interferogramm zumindest näherungsweise in Linienform erzeugt wird und die linienförmigen Zweistrahl-Interferogramme der optisch erfassten Objektpunkte vorzugsweise auf dem Detektor in Stapelform angeordnet werden, wobei jedem linienförmigen Zweistrahl-Interferogramm ein eigener Bereich auf dem Detektor reserviert ist.
- 31. In the method for robust interferometry, beam shaping of reference beam and object beam is preferably carried out by means of imaging cylinder optics with focusing of at least one beam of rays in the focal plane (F13 ') of the object-imaging lens.
- 32. In the method for robust interferometry is preferably carried out a beam shaping of reference beam and object beam by imaging cylinder optics with focusing of at least one pencil of rays in the focal plane (F13 ') of the object-imaging lens in the light direction downstream, optically conjugate plane and this conjugate plane given at least by a ray bundle.
- 33. In the method for robust interferometry is preferably a section of the focal plane (F13 ') by a subsequent light direction, anamorphic imaging stage at least approximately by a first bundle of rays whose surface is arranged perpendicular line of intersection of reference and object wavefront in the focal plane (F13') , imaged on the detector. In addition, each optically detected object point is preferably imaged focused on the detector by a second beam bundle, which is aligned perpendicular to the first, so that at least one spatially extended, line-shaped two-beam interferogram is generated at least approximately in line form for each optically detected object point on the detector and the line-shaped two-beam interferograms of the optically detected object points are preferably arranged on the detector in stack form, each line-shaped two-beam interferogram having its own area reserved on the detector.
Jedes Zweistrahl-Interferogramm weist dabei eine aus der Geometrie der Interferometeranordnung und dem Lichtquellenspektrum, einschließlich spektraler Reflexionseigenschaften, resultierende mittlere Modulationsfrequenz auf, die also vorbestimmt ist.
- 34. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie wird vorzugsweise eine lateral feinstrukturierte Beleuchtung vom Objekt und dem Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor in Form eines zeitseriell schaltbaren Beleuchtungsmusters durchgeführt und nach jedem Schaltvorgang wird mindestens ein räumliches Interferogramm mit dem gerasterten Detektor aufgenommen.
- 35. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie werden vorzugsweise die Messebene ME und die zu den Messpunkten der Messebene ME optisch korrespondierenden miniaturisierten Drei-Spiegel-Referenz-Endreflektoren im Referenzstrahlengang zeitlich lateral abgescannt, indem die Quelle kurzkohärenter elektromagnetischer Strahlung zur lateral feinstrukturierten Beleuchtung, welche also schaltbar ausgebildet ist, unterschiedliche laterale Bereiche des Objekts nach und nach beleuchtet und bei jedem Beleuchtungsmuster räumliche Interferogramme mittels gerastertem Detektor aufgenommen werden.
- 36. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie erfolgt der laterale Scan des Beleuchtungsmusters in der Messebene ME vorzugsweise schrittweise und entsprechend der lateralen Abstände der einzelnen Drei-Spiegel-Referenz-Endreflektoren im Referenzstrahlengang.
- 37. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie wird der Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor vorzugsweise synchronisiert mit dem Beleuchtungsmuster lateral verschoben. So kann die Messebene ME nach und nach, also über der Zeit, optisch lateral abgetastet werden.
- 38. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie sind die Reflexionsgrade benachbarter Mikro-Referenzreflektoren vorzugsweise stark unterschiedlich ausgeführt. Durch Beleuchten eines anderen Drei-Spiegel-Referenz-Endreflektors, der einen stark anderen Reflexionsgrad aufweist, und lateralem Nachpositionieren des Sensors zum Objekt kann eine bessere Anpassung der Intensität des Referenzbündels an die Intensität des Objektbündels erreicht werden, insbesondere wenn ein Objektbereich einen sehr geringen Reflexionsgrad aufweist.
- 39. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie ist vorzugsweise mindestens ein Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor in einem Metall- oder Kunststoffkörper durch eine Single-Point-Diamantbearbeitungstechnik hergestellt. Dies kann hochgenau und vergleichsweise kostengünstig erfolgen (A11).
- 40. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie ist vorzugsweise mindestens ein Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor durch Abformtechnik hergestellt.
- 41. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie ist vorzugsweise mindestens ein Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor durch Ätztechnik hergestellt.
- 42. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie ist vorzugsweise mindestens ein Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor durch Abform-, Heiß- oder Kaltpräge- oder auch Drucktechnik hergestellt.
- 43. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie wird vorzugsweise die Phase mindestens eines räumlichen Interferogramms zur Gewinnung von Informationen über Abstand, Tiefe, Profil, Form, Welligkeit und/oder Rauheit oder optische Weglänge eines Objekts ausgewertet.
- 44. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie wird vorzugsweise der Schwerpunkt der Einhüllenden mindestens eines räumlichen Interferogramms zur Gewinnung von Informationen über Abstand, Tiefe, Profil, Form, Welligkeit und/oder Rauheit oder optische Weglänge eines Objekts ausgewertet.
- 45. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie wird vorzugsweise das Maximum der Einhüllenden mindestens eines räumlichen Interferogramms zur Gewinnung von Informationen über Abstand, Tiefe, Profil, Form, Welligkeit und/oder Rauheit oder optische Weglänge eines Objekts ausgewertet.
- 46. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie wird vorzugsweise der Gleichanteil mindestens eines räumlichen Interferogramms zur Gewinnung von Informationen über Abstand, Tiefe, Profil, Form, Welligkeit und/oder Rauheit oder optische Weglänge eines Objekts ausgewertet. Aus räumlichen Verteilung des Gleichanteils des räumlichen Interferogramms können Informationen über das Objekt gewonnen werden.
- 47. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie wird vorzugsweise im Objektstrahlengang eine chromatische Tiefenaufspaltung von Foki mit spektral brechkraftvariablen Mitteln im Objektstrahlengang vorbestimmt durchgeführt. Damit kann der Tiefenmessbereich vergrößert werden.
- 48. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie wird vorzugsweise Strahlung vom Objekt nach dem zweiten Passieren der spektral brechkraftvariablen Mittel konfokal diskriminiert. Anschließend wird diese Strahlung vom Objekt mit Strahlung aus dem Referenzstrahlengang zur Bildung von mindestens einem räumlichen Interferogramm überlagert und die Intensitätsverteilung des räumlichen Interferogramms wird einer Fourier-Transformation nach dem Verfahren der Fourier-Transformations-Spektroskopie unterzogen, um das Spektrum auch von konfokal diskriminierter Strahlung vom Objekt nach chromatischer Tiefenaufspaltung zu gewinnen, um aus diesem Spektrum den Abstand, die Tiefe, das Profil, die Form, Welligkeit und/oder die Rauheit oder die optische Weglänge eines Objekts zu ermitteln. Hierzu kann eine Schwerpunktauswertung erfolgen. Hierbei führen im Wesentlichen nur die Wellenlängenanteile zu merklichen Anteilen im Spektrum, die auf dem Objekt scharf fokussiert waren, also dort Foki ausgebildet haben, und demzufolge eine konfokale Blende passieren konnten. Der spektral breitbandige Intensitätsanteil aus dem Referenzstrahlengang schlägt sich nicht in einer Modulation im Interferogramm nieder und somit auch nicht im durch Fourier-Transformation errechneten Spektrum, da die breitbandigen Intensitätsanteile aus dem Objektstrahlengang aufgrund der Tiefenaufspaltung von Foki mit nachfolgender konfokaler Diskriminierung bereits verloren gegangen sind und somit nicht zur Interferenzbildung beitragen können. Spektral vergleichsweise breitbandig ist hier nur der Anteil des Lichts aus dem Referenzstrahlengang, der aber wegen der fehlenden spektral breitbandigen Objektlichtanteile nicht zu einer Modulation im Interferogramm führen kann. Somit ergibt sich nach der Fourier-Transformation des räumlichen Interferogramms ein vergleichsweise schmalbandiges Spektrum von an der konfokalen Blende hindurchgelassener Strahlung aus dem Objektstrahlengang. Die Modulation ist in einem derartigen Interferogramm bei starker chromatischer Tiefenaufspaltung nicht sehr groß, aber aufgrund der vergrößerten Kohärenzlänge durch die konfokale Separierung spektral eingegrenzter Lichtanteile räumlich vergleichsweise stärker ausgedehnt. Durch die Fourier-Transformation des räumlichen Interferogramms kann die Schwerpunktwellenlänge der an der konfokalen Blende jeweils – in Abhängigkeit vom Objektabstand – hindurchgelassenen Strahlung vergleichsweise genau numerisch ermittelt werden. So kann durch eine Kalibrierung der Abstand, die Tiefe, das Profil, die Form, Welligkeit und/oder die Rauheit oder die optische Weglänge eines Objekts ermittelt werden. Dieser Ansatz erübrigt die Verwendung eines dispersiven Spektrometers zur Bestimmung des Spektrums beim chromatisch-konfokalen Verfahren. Dieser Ansatz mit Fourier-Transformation des räumlichen Interferogramms zur Gewinnung eines chromatisch-konfokalen Signals kann hier zusätzlich eingesetzt werden, um multivariat oder multiskalig messen zu können.
- 49. Vorzugsweise wird Objektstrahlung aus der nachgeordneten Brennebene F13', welche die Fourier-Ebene des objektabbildenden Strahlenganges darstellt und in der Regel auch die Pupillenebene darstellen kann, durch die in Lichtrichtung dieser Brennebene F13' nachfolgende Strahlteilung aus dem Hauptstrahlengang ausgekoppelt. Diese Objektstrahlung wird zeitlich synchron zur Aufnahme von räumlichen Interferogrammen auf demselben oder einem zeitlich mit dem gerasterten Detektor synchronisierten Detektor mittels Abbildung zur Detektion gebracht. Damit können sowohl die von einem optisch angetasteten Objektpunkt sich ergebende Pupillenausleuchtung als auch das räumliche Interferogramm genau dieses Objektpunktes zeitgleich auf ein und demselben Kamera-Chip oder zwei zueinander elektronisch synchronisierten Kamera-Chips zur Verfügung stehen.
- 34. In the method for robust interferometry preferably a laterally finely structured illumination of the object and the three-plane mirror reference end reflector is performed in the form of a time-series switchable illumination pattern and after each switching operation, at least one spatial interferogram is recorded with the rastered detector.
- 35. In the method for robust interferometry preferably the measuring plane ME and the miniaturized to the measuring points of the measuring plane ME miniaturized three-mirror reference end reflectors in Reference beam path scanned laterally in time by the source of short-coherent electromagnetic radiation for laterally finely structured illumination, which is designed switchable, gradually illuminate different lateral areas of the object and spatial interferograms are recorded by rasterized detector with each illumination pattern.
- 36. In the method for robust interferometry, the lateral scan of the illumination pattern in the measurement plane ME preferably takes place stepwise and corresponding to the lateral distances of the individual three-mirror reference end reflectors in the reference beam path.
- 37. In the method of robust interferometry, the three-plane mirror reference end-reflector is preferably laterally shifted in synchronization with the illumination pattern. Thus, the measurement level ME can be scanned optically laterally over time, so over time.
- 38. In the method of robust interferometry, the reflectivities of adjacent micro-reference reflectors are preferably made very different. By illuminating another three-mirror reference end reflector, which has a very different reflectance, and later repositioning the sensor to the object, a better matching of the intensity of the reference beam to the intensity of the object beam can be achieved, especially if an object area has a very low reflectance having.
- 39. In the method of robust interferometry, preferably at least one three-plane mirror reference end reflector is fabricated in a metal or plastic body by a single-point diamond machining technique. This can be done with high precision and comparatively cheaply (A11).
- 40. In the method for robust interferometry, preferably at least one three-plane mirror reference end reflector is made by molding.
- 41. In the method for robust interferometry, preferably at least one three-plane mirror reference end reflector is made by etching.
- 42. In the method for robust interferometry, preferably at least one three-plane mirror reference end reflector is produced by molding, hot or cold embossing or also printing technology.
- 43. In the method of robust interferometry, the phase of at least one spatial interferogram is preferably evaluated to obtain information about distance, depth, profile, shape, waviness and / or roughness or optical path length of an object.
- 44. In the robust interferometry method, the center of gravity of the envelope of at least one spatial interferogram is preferably evaluated to obtain information about distance, depth, profile, shape, waviness and / or roughness or optical path length of an object.
- 45. In the method for robust interferometry, the maximum of the envelope of at least one spatial interferogram is preferably evaluated for obtaining information about distance, depth, profile, shape, waviness and / or roughness or optical path length of an object.
- 46. In the method of robust interferometry, the DC component of at least one spatial interferogram is preferably evaluated to obtain information about distance, depth, profile, shape, waviness and / or roughness or optical path length of an object. From spatial distribution of the DC component of the spatial interferogram, information about the object can be obtained.
- 47. In the method for robust interferometry, a chromatic depth splitting of foci with spectrally refractive-power-variable means in the object beam path is preferably carried out in the object beam path in a predetermined manner. This allows the depth measuring range to be increased.
- 48. In the method for robust interferometry, radiation from the object is preferably confocally discriminated after the second passage of the spectrally refractive power variable means. Subsequently, this radiation is superimposed by the object with radiation from the reference beam path to form at least one spatial interferogram and the intensity distribution of the spatial interferogram is subjected to a Fourier transform according to the method of Fourier transform spectroscopy to the spectrum of confocal discriminated radiation from To extract the object after chromatic depth splitting to determine from this spectrum the distance, depth, profile, shape, waviness and / or roughness or optical path length of an object. For this purpose, a focus analysis can be done. In this case, essentially only the wavelength components lead to significant proportions in the spectrum, which were sharply focused on the object, that is, where they formed foci, and consequently could pass through a confocal diaphragm. The spectrally broadband intensity component from the reference beam path is not reflected in a modulation in the interferogram and thus not in the spectrum calculated by Fourier transformation, since the broadband intensity components from the object beam path have already been lost due to the depth splitting of foci with subsequent confocal discrimination and thus can not contribute to the formation of interference. Spectral In this case, only the proportion of light from the reference beam path is comparatively broad-band, but because of the lack of spectrally broadband object light components, this can not lead to a modulation in the interferogram. Thus, after the Fourier transformation of the spatial interferogram, a comparatively narrow-band spectrum of radiation transmitted through the confocal aperture results from the object beam path. The modulation is not very large in such an interferogram with strong chromatic depth splitting, but due to the increased coherence length by the confocal separation spectrally limited light components spatially relatively more extensive. By means of the Fourier transformation of the spatial interferogram, the centroid wavelength of the radiation transmitted at the confocal diaphragm in each case-as a function of the object distance-can be determined comparatively accurately numerically. Thus, calibration can be used to determine the distance, depth, profile, shape, waviness and / or roughness or optical path length of an object. This approach eliminates the need for a dispersive spectrometer to determine the chromatic confocal spectrum. This approach with Fourier transformation of the spatial interferogram to obtain a chromatic-confocal signal can additionally be used here in order to be able to measure multivariate or multiscale.
- 49. Preferably, object radiation from the downstream focal plane F13 ', which represents the Fourier plane of the object-imaging beam path and, as a rule, can also represent the pupil plane, is coupled out of the main beam path by the beam splitting following in the light direction of this focal plane F13'. This object radiation is brought into temporal synchronism with the recording of spatial interferograms on the same or a time synchronized with the rasterized detector detector by means of imaging for detection. Thus, both the pupil illumination resulting from an optically touched object point and the spatial interferogram of precisely this object point can be simultaneously available on one and the same camera chip or two camera chips synchronized with one another electronically.
Dabei wird die am Strahlteiler aus dem Hauptstrahlengang in diesen Nebenstrahlengang zur Pupillenbeobachtung hierbei gegebenenfalls mitausgekoppelte Referenzstrahlung beispielsweise in der Nähe eines Fokuspunktes derselben blockiert, also dort, wo Objekt- und Referenzstrahlung deutlich räumlich separiert sind. So ist es möglich, dass nur die Objektstrahlung zur Detektion kommen kann. Ein sowohl Objekt- als auch Referenzstrahlengang überdeckender Strahlteiler zur Auskopplung, der beispielsweise einen hochgenau gefertigten Würfel aus spannungsarmen Qualitätsglas darstellt, führt in gleicher oder nahezu gleicher Weise Dispersion und optische Weglängenänderung sowohl in den Objekt- und als auch den Referenzstrahlengang ein und ist damit für Weißlicht-Interferenzen praktisch nicht vorhanden, da im Idealfall sich der optische Gangunterschied als die Differenz der Weglängen von Objekt- und Referenzstrahlung durch das Einfügen dieses Auskoppel-Strahlteilerwürfel hier praktisch nicht ändert.In this case, the reference beam which is optionally coupled therewith at the beam splitter from the main beam path in this secondary beam path for pupil observation is thereby blocked, for example in the vicinity of a focal point thereof, ie where object and reference radiation are clearly spatially separated. So it is possible that only the object radiation can come to the detection. A beam splitter for decoupling covering both object and reference beam paths, which for example represents a high-precision manufactured cube of stress-free quality glass, introduces dispersion and optical path length change both in the object beam and the reference beam path in the same or almost the same way and is therefore white light Interference virtually absent, since ideally the optical path difference as the difference of the path lengths of object and reference radiation by inserting this decoupling beam splitter cube practically does not change here.
Damit ist in Echtzeit der Interferogramm-Aufnahme auch die Form der Ausleuchtung der Pupillenebene, also die Intensitätsverteilung in der Pupillenfläche detektierbar, die meist mit der Fourier-Ebene des objektabbildenden Objektivs zusammenfällt. Die Ausleuchtung dieser Pupillenebene wird weitgehend durch Objekteigenschaften wie beispielsweise Oberflächengradient und Mikrostruktur des angetasteten Objekts bestimmt und beinhaltet damit auch ganz wesentliche Informationen über die Charakteristik des angemessenen Objektpunkts. So können insbesondere wenig kooperative Messpunkte des Objekts oder gemessene Punkte mit besonderen Merkmalen wie Objektkanten eindeutig erkannt, entsprechend klassifiziert und der weiteren Bearbeitung oder der Aussonderung zugeführt werden.Thus, the form of the illumination of the pupil plane, that is to say the intensity distribution in the pupil surface, which coincides for the most part with the Fourier plane of the object-imaging objective, can also be detected in real time of the interferogram recording. The illumination of this pupil plane is largely determined by object properties, such as surface gradient and microstructure of the object being probed, and thus also contains very essential information about the characteristic of the appropriate object point. In particular, little cooperative measuring points of the object or measured points with special features such as object edges can be clearly recognized, correspondingly classified and fed to the further processing or to the sorting out.
Die Informationen aus der Ausleuchtung der Pupillenebene und räumlichen Interferogramm eines oder mehrerer Objektpunkte in einer konkreten Messsituation können zur umfassenderen Beschreibung des Objekts mittels eines Modells zusammengeführt werden.The information from the illumination of the pupil plane and the spatial interferogram of one or more object points in a specific measurement situation can be combined for a more comprehensive description of the object by means of a model.
Die Referenzstrahlung des Interferometers wird hierbei also eindeutig ausgeblendet, was durch diese Anordnung mit Lateral-Shear vergleichsweise einfach möglich ist. Diese relativ einfache Gewinnung der Pupillenausleuchtung stellt einen ganz besonderen Vorteil dieser erfindungsgemäßen Anordnung dar und kann bei bekannten scannenden Weißlicht-Interferometern eher nicht oder nur mit ganz erheblichem technischen Aufwand, beispielsweise zur Kompensation der optischen Wege und der Dispersion in einem Weißlicht-Interferometer, in Echtzeit realisiert werden.The reference radiation of the interferometer is thus clearly hidden, which is comparatively easy by this arrangement with lateral shear. This relatively easy acquisition of the pupil illumination represents a very particular advantage of this arrangement according to the invention and can not in known scanning white light interferometers rather or only with very considerable technical effort, for example, to compensate for the optical paths and the dispersion in a white light interferometer, in real time will be realized.
Die unbedingt gleichzeitige Gewinnung der Pupillenausleuchtung und des räumlichen Interferogramms ist bei Messungen rauer oder dreidimensional feinstrukturierter Oberflächen in einem Umfeld auch mit vergleichsweise kleinen Vibrationsamplituden zwingend notwendig, wobei hier eine gepulste oder geblitzte Lichtquelle eingesetzt werden kann. Bei Vibrationen können sich die Pupillenausleuchtung und das räumliche Interferogramm sehr schnell und signifikant, also auch in einer Zeitdauer von weniger als zehn Millisekunden, erheblich verändern, insbesondere wenn auch Speckle in den optischen Signalen auftreten.The absolutely simultaneous acquisition of the pupil illumination and the spatial interferogram is absolutely necessary for measurements of rough or three-dimensionally finely structured surfaces in an environment even with comparatively small vibration amplitudes, in which case a pulsed or flashed light source can be used. With vibrations, the pupil illumination and the spatial interferogram can be very fast and significant, so even in a period of less than ten milliseconds, change significantly, especially when speckle occur in the optical signals.
Merkmale zum Nebenanspruch der AnordnungCharacteristics of the secondary claim of the arrangement
- 50. Es handelt sich um ein Verfahren und eine Anordnung zur robusten Interferometrie zur Erfassung von Abstand, Tiefe, Profil, Form, Welligkeit und Ebenheitsabweichung an technischen, spiegelnden Objekten, insbesondere polierte oder ultrapräzisions-bearbeitete Glas- und Metalloberflächen. Im Folgenden wird die Anordnung beschrieben. Dabei werden im Verfahren die folgenden Mittel eingesetzt: • eine monochromatische oder quasi-monochromatische Quelle elektromagnetischer Strahlung zur Beleuchtung des Objekts, • ein Interferometer, insbesondere auch in Form eines Interferenzmikroskops, mit einem Objekt- und mit mindestens einem Referenzstrahlengang, in dem mindestens ein End-Reflektor angeordnet ist, und einer Messebene im Objektstrahlengang, in der sich zumindest näherungsweise die optisch anzumessenden Oberflächen- oder Volumenelemente des Objekts befinden. • sowie mindestens einen gerasterten Detektor zur Detektion elektromagnetischer Strahlung in Form mindestens eines räumlichen Interferogramms.50. It is a method and arrangement for robust interferometry for detecting distance, depth, profile, shape, waviness and flatness deviation on technical specular objects, in particular polished or ultra-precision machined glass and metal surfaces. The arrangement will be described below. The following means are used in the process: A monochromatic or quasi-monochromatic source of electromagnetic radiation for illuminating the object, An interferometer, in particular also in the form of an interference microscope, with an object and at least one reference beam path, in which at least one end reflector is arranged, and a measuring plane in the object beam path, in which at least approximately the optically to be measured surface or volume elements of Object are located. And at least one screened detector for detecting electromagnetic radiation in the form of at least one spatial interferogram.
Die Quelle elektromagnetischer Strahlung wird im Folgenden auch als Lichtquelle bezeichnet, wobei hier Licht im Sinne elektromagnetischer Strahlung von Terahertz- über IR-, VIS- bis UV-Strahlung verstanden wird.The source of electromagnetic radiation is also referred to below as light source, in which case light in the sense of electromagnetic radiation of terahertz over IR, VIS to UV radiation is understood.
Die Lichtquelle stellt also eine monochromatische oder quasi-monochromatische Lichtquelle dar, beispielsweise eine Laserlichtquelle.The light source thus represents a monochromatic or quasi-monochromatic light source, for example a laser light source.
Die Lichtquelle kann ein lateral feinstrukturiertes Beleuchtungsmuster auf dem Objekt erzeugen. Dabei kann die Lichtquelle einen Punktstrahler, einen lateralen Linienstrahler oder eine Gruppe von Punktstrahlern in Linien- oder Matrixform auch mit einzeln schaltbaren punktförmigen oder linienförmigen Leuchtelementen darstellen.The light source can produce a laterally finely structured illumination pattern on the object. In this case, the light source can be a point emitter, a lateral line emitter or a group of point emitters in line or matrix form even with individually switchable point-shaped or line-shaped lighting elements.
Erfindungsgemäß ist im Referenzstrahlengang des Interferometers mindestens ein End-Reflektor mit drei Planspiegeln als Referenzreflektor, also mindestens ein Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor, angeordnet und die Flächen dieser drei Planspiegel liegen jeweils zumindest näherungsweise senkrecht zu einer gemeinsamen Bezugsebene BE.According to the invention, at least one end reflector with three plane mirrors as the reference reflector, ie at least one three-plane mirror reference end reflector, is arranged in the reference beam path of the interferometer, and the surfaces of these three plane mirrors each lie at least approximately perpendicular to a common reference plane BE.
Dabei bilden die drei Spurgeraden der Ebenen, welche durch die Flächen der drei Planspiegel dargestellt werden, in der Bezugsebene BE ein Dreieck ABC, damit bei diesem Interferometer zwischen Referenz- und Objektbündel eine Lateral-Shear besteht, die eine Strecke mit dem Betrag delta_q darstellt. Die Strecken AB, BC und CA dieses Dreiecks ABC müssen dazu eine gewisse Länge aufweisen. Beispielsweise kann die Länge dieser Strecken typischerweise jeweils in der Größenordnung von einigen Zehntel Millimetern bis zu einigen Millimetern mm liegen. Die Winkel dieses Dreiecks sind dabei weder extrem spitz, noch stellt dieses Dreieck ein rechtwinkliges Dreieck dar. Die sich ergebende Lateral-Shear kann einen Betrag delta_q in der Größenordnung typischerweise von 0,1 mm bis zu einigen Millimetern aufweisen. Bei einer Anordnung mit einem lateral hochauflösenden Mikroskop und einer Schwerpunktwellenlänge im UV-Bereich kann der Betrag delta_q jedoch auch in der Größenordnung von wenigen Hundertstel Millimetern sein. Dies basiert auf entsprechend kleinen Längen der Strecken AB, BC und CA und den entsprechenden drei Winkeln des Dreiecks ABC. Dieser Ansatz ist hinsichtlich des Betrages delta_q weit skalierbar.The three spur lines of the planes, which are represented by the surfaces of the three plane mirrors, form in the reference plane BE a triangle ABC, so that there is a lateral shear between reference and object bundles in this interferometer, which represents a distance with the amount delta_q. The distances AB, BC and CA of this triangle ABC must have a certain length. For example, the lengths of these sections may typically each be on the order of a few tenths of a millimeter to a few millimeters mm. The angles of this triangle are neither extremely pointed, nor is this triangle a right triangle. The resulting lateral shear may have an amount delta_q on the order of typically from 0.1 mm to several millimeters. In an arrangement with a laterally high-resolution microscope and a centroid wavelength in the UV range, however, the amount delta_q can also be on the order of a few hundredths of a millimeter. This is based on correspondingly small lengths of the distances AB, BC and CA and the corresponding three angles of the triangle ABC. This approach is widely scalable in terms of the amount delta_q.
Die Lateral-Shear vom Betrag delta_q zwischen Referenz- und Objektbündel besteht in der virtuellen Spiegelebene VSE des Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektors im Referenzstrahlengang. Die virtuelle Spiegelebene VSE ist mit der Messebene ME des Objektstrahlenganges durch Strahlteilung zumindest näherungsweise optisch konjugiert. Dabei ist der Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor winkelmäßig so ausgerichtet, dass elektromagnetische Strahlung aus dem Referenzstrahlengang auf den gerasterten Detektor gelangt.The lateral shear of the amount delta_q between reference and object bundles exists in the virtual mirror plane VSE of the three-plane mirror reference end reflector in the reference beam path. The virtual mirror plane VSE is at least approximately optically conjugate with the measurement plane ME of the object beam path by beam splitting. In this case, the three-plane mirror reference end reflector is angularly aligned so that electromagnetic radiation passes from the reference beam path to the screened detector.
Eine laterale Verschiebung eines Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektors führt nicht zu einer Veränderung des Betrages der Lateral-Shear delta_q. Diese Invarianz wird als ein großer technischer Vorteil angesehen, da sich somit eine hohe Robustheit der Signalentstehung gegenüber derartigen Dejustierungen ergibt.A lateral displacement of a three-plane mirror reference end reflector does not result in a change in the amount of lateral shear delta_q. This invariance is regarded as a great technical advantage, since this results in a high robustness of the signal generation over such misalignments.
Der Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor ist ein im erfindungsgemäßen Interferometer Lateral-Shear erzeugender Reflektor. Dabei weist der Drei-Spiegel-Referenz-Endreflektor, wie bereits dargestellt, eine virtuelle Spiegelebene VSE auf. Dieser virtuellen Spiegelebene VSE kann das Auftreten der Lateral-Shear räumlich zugeordnet werden. Beispielsweise führt die Interferenz von einer Objektkugelwelle und einer Referenzkugelwelle, die durch das Interferometer erzeugt werden und deren Kugelzentren durch eine Lateral-Shear vom Betrag delta_q separiert sind, zumindest in einem begrenzten Teilbereich der Detektorebene zu einem räumlichen Interferogramm mit einer zumindest näherungsweise konstanten Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge, da die interferierenden Wellenflächen auf dem Detektor zueinander geneigt sind. In einem begrenzten Ausschnitt der Kugelwellenflächen sind diese in der Regel hinreichend gut durch Planwellen zu approximieren. Diese auf einem Detektor zu registrierende Interferenzerscheinung von zwei räumlich kohärenten Kugelwellenflächen ist dem Fachmann in der Optik als das klassische Youngsche Doppelspaltexperiment hinreichend bekannt, wobei der Spaltabstand d im Doppelspaltexperiment hier der Lateral-Shear mit dem Betrag delta_q entspricht.The three-plane mirror reference end reflector is a reflector which generates a lateral shear in the interferometer according to the invention. As already mentioned, the three-mirror reference end reflector has a virtual mirror plane VSE. This virtual mirror plane VSE can be spatially assigned to the occurrence of the lateral shears. For example, the interference of an object spherical wave and a reference spherical wave, which are generated by the interferometer and whose spherical centers are separated by a lateral shear of the amount delta_q, at least in a limited portion of the detector plane to a spatial interferogram with an at least approximately constant spatial frequency for the Center wavelength because the interfering wave surfaces on the Detector are inclined to each other. In a limited section of the spherical wave surfaces, these are generally sufficiently well approximated by plane waves. This interference phenomenon of two spatially coherent spherical wave surfaces to be registered on a detector is sufficiently known to the person skilled in the art as the classic Young's double-slit experiment, the gap distance d in the double-slit experiment corresponding here to the lateral shear with the amount delta_q.
Die Lateral-Shear mit dem Betrag delta_q dient hier also als Grundlage für die Erzeugung von einem oder mehreren räumlichen Interferogrammen, welche in ihrem Streifenabstand nicht oder nur ganz unwesentlich durch die Neigung der Objektoberfläche zu beeinflussen sind, wenn das punktförmige Zentrum der Objekt-Kugelwelle auf einem Oberflächenelement liegt, also das Objekt auch durch fokussiertes Licht zumindest näherungsweise punktförmig beleuchtet wird. Diese Invarianz des Streifenabstandes ist für die Auswertung räumlicher Interferogramme von sehr großem Vorteil, da hier beispielsweise aufgrund der Vorabkenntnis des Streifenabstandes im Signal robuste und vergleichsweise schnelle Lock-in Ansätze zur Bestimmung der Phasenlage des räumlichen Interferogramms zur Anwendung kommen können, die zumindest näherungsweise auf die Ortsfrequenz des räumlichen Interferogramms eingestellt sind, welche vorab zumindest näherungsweise bekannt ist. Zur Bestimmung der Phasenlage des räumlichen Interferogramms können aber auch vergleichsweise einfache Phasenauswerte-Ansätze kommen wie der 5-Phasen-Auswerte-Algorithmus nach J. Schwider. Es können aber auch Phasen-Auswerte-Algorithmen zur Anwendung kommen, die in der Größenordnung 100 Intensitätswerte zu einem Phasenwert modulo 2 PI verrechnen.The lateral-shear with the amount delta_q serves as a basis for the generation of one or more spatial interferograms, which are not or only slightly influenced by the inclination of the object surface in their stripe spacing, if the point-like center of the object spherical wave on a surface element is located, so the object is illuminated by focused light at least approximately punctiform. This invariance of the stripe distance is for the evaluation of spatial interferograms of great advantage, since here, for example, due to the advance knowledge of the stripe spacing in the signal robust and relatively fast lock-in approaches for determining the phase position of the spatial interferogram can be used, at least approximately to the Spatial frequency of the spatial interferogram are set, which is at least approximately known in advance. In order to determine the phase position of the spatial interferogram, however, comparatively simple phase evaluation approaches may also be used, such as the 5-phase evaluation algorithm according to J. Schwider. However, it is also possible to use phase evaluation algorithms which calculate on the order of magnitude 100 intensity values to a phase value modulo 2 PI.
Auf dem gerasterten Detektor wird vorzugsweise für jeden Objektpunkt in einem lateral ausgedehnten Bereich ein räumliches Interferogramm detektiert, so dass durch Aufnahme eines einzigen Bildes mit vorzugsweise vielen nebeneinander liegenden räumlichen Interferogrammen, die durch Strahlformung gebildet werden, und deren Auswertung ein vollständiges Linienprofil gewonnen werden kann.On the rasterized detector, a spatial interferogram is preferably detected for each object point in a laterally extended area, so that a complete line profile can be obtained by taking a single image with preferably many adjacent spatial interferograms, which are formed by beam shaping, and their evaluation.
Diese Anordnung kann mit besonderem Vorteil eingesetzt werden, wenn polierte ebene oder schwach gekrümmte Objekte in einem schwingenden Umfeld in sehr kurzer Zeit gemessen werden sollen, wo der interferometrische Ansatz mit zeitlichem Phasenschieben nicht eingesetzt werden kann und nur wenige Messpunkte, beispielsweise entlang einer Linie, zur Prüfung genügen. Besonders einfach stellt sich hier die Messung dar, wenn über das Messobjekt a priori-Kenntnisse bestehen, eine stetige Oberfläche desselben vorausgesetzt werden kann und die typischen, zu erwarteten Abweichungen von der Sollgeometrie in der Größenordnung der verwendeten Lichtwellenlänge oder erheblich darunter liegen oder die Abweichungen von der Sollgeometrie sich lateral über dem Messobjekt nur sehr wenig ändern (A12).This arrangement can be used with particular advantage when polished flat or weakly curved objects are to be measured in a vibrating environment in a very short time, where the interferometric approach with temporal phase shifting can not be used and only a few measuring points, for example along a line to Suffice testing. The measurement is particularly simple here if there is a priori knowledge about the measurement object, a steady surface of the same can be assumed and the typical, expected deviations from the desired geometry are on the order of magnitude of the wavelength of light used or significantly lower or the deviations from the setpoint geometry changes very little laterally over the measurement object (A12).
Merkmale zu einem weiteren Nebenanspruch der AnordnungCharacteristics of another additional claim of the arrangement
- 51. Es handelt sich um ein Verfahren und eine Anordnung zur robusten Interferometrie zur Erfassung von Abstand, Tiefe, Profil, Form, Welligkeit und Ebenheitsabweichung an technischen, spiegelnden Objekten, insbesondere polierte oder ultrapräzisions-bearbeitete Glas- und Metalloberflächen. Im Folgenden wird die Anordnung beschrieben. Dabei werden im Verfahren die folgenden Mittel eingesetzt:51. It is a method and arrangement for robust interferometry for detecting distance, depth, profile, shape, waviness and flatness deviation on technical specular objects, in particular polished or ultra-precision machined glass and metal surfaces. The arrangement will be described below. The following means are used in the process:
- • eine monochromatische oder quasi-monochromatische Quelle elektromagnetischer Strahlung und auch eine Quelle kurzkohärenter elektromagnetischer Strahlung zur Beleuchtung des Objekts,A monochromatic or quasi-monochromatic source of electromagnetic radiation and also a source of short-coherent electromagnetic radiation for illuminating the object,
- • ein Interferometer, insbesondere auch in Form eines Interferenzmikroskops, mit einem Objekt- und mit mindestens einem Referenzstrahlengang, in dem mindestens ein End-Reflektor angeordnet ist, und einer Messebene im Objektstrahlengang, in der sich zumindest näherungsweise die optisch anzumessenden Oberflächen- oder Volumenelemente des Objekts befinden.An interferometer, in particular also in the form of an interference microscope, with an object and at least one reference beam path, in which at least one end reflector is arranged, and a measuring plane in the object beam path, in which at least approximately the optically to be measured surface or volume elements of Object are located.
- • sowie mindestens einen gerasterten Detektor zur Detektion elektromagnetischer Strahlung in Form mindestens eines räumlichen Interferogramms.And at least one screened detector for detecting electromagnetic radiation in the form of at least one spatial interferogram.
Die Quelle elektromagnetischer Strahlung wird im Folgenden auch als Lichtquelle bezeichnet, wobei hier Licht im Sinne elektromagnetischer Strahlung von Terahertz- über IR-, VIS- bis UV-Strahlung verstanden wird.The source of electromagnetic radiation is also referred to below as light source, in which case light in the sense of electromagnetic radiation of terahertz over IR, VIS to UV radiation is understood.
Die Lichtquelle stellt eine monochromatische oder auch quasi-monochromatische Lichtquelle dar, beispielsweise eine Laserlichtquelle. Zusätzlich ist auch eine Quelle kurzkohärenter elektromagnetischer Strahlung zur Beleuchtung des Objekts angeordnet. Diese Wellenlänge ist im Gesamtspektrum dominant. Bei dieser Wellenlänge weisen die Aberrationen der optischen Anordnung, insbesondere in der Pupille des optischen Systems zur Objektabbildung, ein Minimum auf.The light source is a monochromatic or quasi-monochromatic light source, for example a laser light source. In addition, a source of short-coherent electromagnetic radiation for illuminating the object is also arranged. This wavelength is dominant in the overall spectrum. At this wavelength, the aberrations of the optical arrangement, especially in the pupil of the optical system for object imaging, have a minimum.
Die Lichtquelle kann ein lateral feinstrukturiertes Beleuchtungsmuster auf dem Objekt erzeugen. Dabei kann die Lichtquelle einen Punktstrahler, einen lateralen Linienstrahler oder eine Gruppe von Punktstrahlern in Linien- oder Matrixform auch mit einzeln schaltbaren punktförmigen oder linienförmigen Leuchtelementen darstellen.The light source can produce a laterally finely structured illumination pattern on the object. In this case, the light source can be a point emitter, a lateral line emitter or a group of point emitters in line or matrix form even with individually switchable point-shaped or line-shaped lighting elements.
Erfindungsgemäß ist im Referenzstrahlengang des Interferometers mindestens ein End-Reflektor mit drei Planspiegeln als Referenzreflektor, also mindestens ein Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor, angeordnet und die Flächen dieser drei Planspiegel Liegen jeweils zumindest näherungsweise senkrecht zu einer gemeinsamen Bezugsebene BE. According to the invention, at least one end reflector with three plane mirrors as a reference reflector, ie at least one three-plane mirror reference end reflector, is arranged in the reference beam path of the interferometer, and the surfaces of these three plane mirrors lie at least approximately perpendicular to a common reference plane BE.
Außerdem sind in der Anordnung Mittel zur spektralen Aufspaltung im Detektionsstrahlengang vorgesehen, so dass räumliche Interferogramme nach der Wellenlänge separiert sind. Hier kommt der bekannte Ansatz zur Spektral-Interferometrie zur Anwendung. So kann auch das räumliche Interferogramm der Lichtquelle mit monochromatischer oder quasi-monochromatischer Strahlung auf dem gerasterten Detektor zur hochgenauen Phasenauswertung separiert werden. Gleichzeitig liegen räumliche Interferogramme mit unterschiedlichen Wellenlängen separiert vor, so dass ein Multi-Wellenlängen-Ansatz zur Auswertung kommen kann. Durch Addition mehrerer räumlicher Interferogramme mit unterschiedlichen Wellenlängen kann ein numerisch generiertes Kurzkohärenz-Interferogramm errechnet werden und in bekannter Art und Weise zur Auswertung gebracht werden. So kann mittels Kurzkohärenz-Interferogramm- oder Multiwellenlängen-Technik die absolute Streifenordnung oder ein Referenzstreifen im räumlichen Interferogramm-Muster bestimmt werden. Aus dem räumlichen Interferogramm der Lichtquelle mit monochromatischer oder quasi-monochromatischer Strahlung wird die Phasenlage zur Bestimmung einer höchstgenauen Tiefen oder Abstandsinformation in einem Messpunkt numerisch ermittelt. Hier geht es um die höchstgenaue Messung an polierten oder ultrapräzisionsbearbeiteten Oberflächen, also um Auflösung und Messunsicherheit im Sub-Lambda-Bereich, beispielsweise für die Formmessung an Optiken im EUV-Bereich.In addition, means for spectral splitting in the detection beam path are provided in the arrangement, so that spatial interferograms are separated according to the wavelength. Here is the well-known approach to spectral interferometry used. Thus, the spatial interferogram of the light source with monochromatic or quasi-monochromatic radiation on the screened detector for highly accurate phase evaluation can be separated. At the same time, spatial interferograms with different wavelengths are separated so that a multi-wavelength approach can be used for evaluation. By adding several spatial interferograms with different wavelengths, a numerically generated short-coherence interferogram can be calculated and evaluated in a known manner. Thus, by means of short-coherence interferogram or multi-wavelength technique, the absolute fringe order or a reference fringe in the spatial interferogram pattern can be determined. From the spatial interferogram of the light source with monochromatic or quasi-monochromatic radiation, the phase position for determining a highly accurate depth or distance information in a measuring point is determined numerically. This involves the highest-precision measurement of polished or ultra-precision machined surfaces, ie resolution and measurement uncertainty in the sub-lambda range, for example for measuring the shape of optics in the EUV range.
Erfindungsgemäß bilden die drei Spurgeraden der Ebenen, welche durch die Flächen der drei Planspiegel dargestellt werden, in der Bezugsebene BE ein Dreieck ABC, damit bei diesem Interferometer zwischen Referenz- und Objektbündel eine Lateral-Shear besteht, die eine Strecke mit dem Betrag delta_q darstellt. Die Strecken AB, BC und CA dieses Dreiecks ABC müssen dazu eine gewisse Länge aufweisen. Beispielsweise kann die Länge dieser Strecken typischerweise jeweils in der Größenordnung von einigen Zehntel Millimeter bis zu einigen Millimetern liegen. Die Winkel dieses Dreiecks sind dabei weder extrem spitz, noch stellt dieses Dreieck ein rechtwinkliges Dreieck dar. Die sich ergebende Lateral-Shear kann einen Betrag delta_q in der Größenordnung typischerweise von 0,1 mm bis zu einigen Millimeter aufweisen. Bei einer Anordnung mit einem lateral hochauflösenden Mikroskop und einer Schwerpunktwellenlänge im UV-Bereich kann der Betrag delta_q jedoch auch in der Größenordnung von wenigen Hundertstel Millimetern sein. Dies basiert auf entsprechend kleinen Längen der Strecken AB, BC und CA und den entsprechenden drei Winkeln des Dreiecks ABC. Dieser Ansatz ist hinsichtlich des Betrages delta_q weit skalierbar.According to the invention, the three spur lines of the planes, which are represented by the surfaces of the three plane mirrors, form in the reference plane BE a triangle ABC, so that there is a lateral shear between reference and object bundles in this interferometer, which represents a distance with the amount delta_q. The distances AB, BC and CA of this triangle ABC must have a certain length. For example, the lengths of these sections may typically each be on the order of a few tenths of a millimeter to a few millimeters. The angles of this triangle are neither extremely pointed nor is this triangle a right triangle. The resulting lateral shear may have an amount delta_q on the order of typically from 0.1 mm to several millimeters. In an arrangement with a laterally high-resolution microscope and a centroid wavelength in the UV range, however, the amount delta_q can also be on the order of a few hundredths of a millimeter. This is based on correspondingly small lengths of the distances AB, BC and CA and the corresponding three angles of the triangle ABC. This approach is widely scalable in terms of the amount delta_q.
Die Lateral-Shear vom Betrag delta_q zwischen Referenz- und Objektbündel besteht in der virtuellen Spiegelebene VSE des Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektors im Referenzstrahlengang. Die virtuelle Spiegelebene VSE ist mit der Messebene ME des Objektstrahlenganges durch Strahlteilung zumindest näherungsweise optisch konjugiert. Dabei ist der Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor winkelmäßig so ausgerichtet, dass elektromagnetische Strahlung aus dem Referenzstrahlengang auf den gerasterten Detektor gelangt.The lateral shear of the amount delta_q between reference and object bundles exists in the virtual mirror plane VSE of the three-plane mirror reference end reflector in the reference beam path. The virtual mirror plane VSE is at least approximately optically conjugate with the measurement plane ME of the object beam path by beam splitting. In this case, the three-plane mirror reference end reflector is angularly aligned so that electromagnetic radiation passes from the reference beam path to the screened detector.
Eine laterale Verschiebung eines Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektors führt nicht zu einer Veränderung des Betrages der Lateral-Shear delta_q. Diese Invarianz wird als ein großer technischer Vorteil angesehen, da sich somit eine hohe Robustheit der Signalentstehung gegenüber derartigen Dejustierungen ergibt.A lateral displacement of a three-plane mirror reference end reflector does not result in a change in the amount of lateral shear delta_q. This invariance is regarded as a great technical advantage, since this results in a high robustness of the signal generation over such misalignments.
Der Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor ist ein im erfindungsgemäßen Interferometer Lateral-Shear erzeugender Reflektor. Dabei weist der Drei-Spiegel-Referenz-Endreflektor, wie bereits dargestellt, eine virtuelle Spiegelebene VSE auf. Dieser virtuellen Spiegelebene VSE kann das Auftreten der Lateral-Shear räumlich zugeordnet werden. Beispielsweise führt die Interferenz von einer Objektkugelwelle und einer Referenzkugelwelle, die durch das Interferometer erzeugt werden und deren Kugelzentren durch eine Lateral-Shear vom Betrag delta_q separiert sind, zumindest in einem begrenzten Teilbereich der Detektorebene zu einem räumlichen Interferogramm mit einer zumindest näherungsweise konstanten Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge, da die interferierenden Wellenflächen auf dem Detektor zueinander geneigt sind. In einem begrenzten Ausschnitt der Kugelwellenflächen sind diese in der Regel hinreichend gut durch Planwellen zu approximieren. Diese auf einem Detektor zu registrierende Interferenzerscheinung von zwei räumlich kohärenten Kugelwellenflächen ist dem Fachmann in der Optik als das klassische Youngsche Doppelspaltexperiment hinreichend bekannt, wobei der Spaltabstand d im Doppelspaltexperiment hier der Lateral-Shear mit dem Betrag delta_q entspricht.The three-plane mirror reference end reflector is a reflector which generates a lateral shear in the interferometer according to the invention. As already mentioned, the three-mirror reference end reflector has a virtual mirror plane VSE. This virtual mirror plane VSE can be spatially assigned to the occurrence of the lateral shears. For example, the interference of an object spherical wave and a reference spherical wave, which are generated by the interferometer and whose spherical centers are separated by a lateral shear of the amount delta_q, at least in a limited portion of the detector plane to a spatial interferogram with an at least approximately constant spatial frequency for the Center wavelength because the interfering wave surfaces on the detector are inclined to each other. In a limited section of the spherical wave surfaces, these are generally sufficiently well approximated by plane waves. This interference phenomenon of two spatially coherent spherical wave surfaces to be registered on a detector is sufficiently known to the person skilled in the art as the classic Young's double-slit experiment, the gap distance d in the double-slit experiment corresponding here to the lateral shear with the amount delta_q.
Die Lateral-Shear mit dem Betrag delta_q dient hier also als Grundlage für die Erzeugung von einem oder mehreren räumlichen Interferogrammen, welche in ihrem Streifenabstand nicht oder nur ganz unwesentlich durch die Neigung der Objektoberfläche zu beeinflussen sind, wenn das punktförmige Zentrum der Objekt-Kugelwelle auf einem Oberflächenelement liegt, also das Objekt auch durch fokussiertes Licht zumindest näherungsweise punktförmig beleuchtet wird. Diese Invarianz des Streifenabstandes ist für die Auswertung räumlicher Interferogramme von sehr großem Vorteil, da hier beispielsweise aufgrund der Vorabkenntnis des Streifenabstandes im Signal robuste und vergleichsweise schnelle Lock-in Ansätze zur Bestimmung der Phasenlage des räumlichen Interferogramms zur Anwendung kommen können, die zumindest näherungsweise auf die Ortsfrequenz des räumlichen Interferogramms eingestellt sind, welche vorab zumindest näherungsweise bekannt ist. Zur Bestimmung der Phasenlage des räumlichen Interferogramms können aber auch vergleichsweise einfache Phasenauswerte-Ansätze zum Einsatz kommen wie der 5-Phasen-Auswerte-Algorithmus nach J. Schwider. Es können aber auch Phasen-Auswerte-Algorithmen zur Anwendung kommen, die in der Größenordnung 100 Intensitätswerte zu einem Phasenwert modulo 2 PI verrechnen.The lateral-shear with the amount delta_q serves as a basis for the generation of one or more spatial interferograms, which are not or only slightly influenced by the inclination of the object surface in their stripe spacing, if the point-like center of the object spherical wave on one Surface element is located, so the object is illuminated by focused light at least approximately punctiform. This invariance of the stripe distance is for the evaluation of spatial interferograms of great advantage, since here, for example, due to the advance knowledge of the stripe spacing in the signal robust and relatively fast lock-in approaches for determining the phase position of the spatial interferogram can be used, at least approximately to the Spatial frequency of the spatial interferogram are set, which is at least approximately known in advance. In order to determine the phase position of the spatial interferogram, it is also possible to use comparatively simple phase evaluation approaches, such as the 5-phase evaluation algorithm according to J. Schwider. However, it is also possible to use phase evaluation algorithms which calculate on the order of magnitude 100 intensity values to a phase value modulo 2 PI.
Auf dem gerasterten Detektor wird vorzugsweise für jeden Objektpunkt in einem lateral ausgedehnten Bereich ein räumliches Interferogramm der Lichtquelle mit mono- oder quasi-monochromatischer Strahlung detektiert als auch räumliche Kurzkohärenz-Interferogramme, die durch die spektralen Mittel im Detektionsstrahlengang räumlich separiert sind. So dass durch Aufnahme eines einzigen Bildes mit vorzugsweise vielen nebeneinander liegenden räumlichen Interferogrammen, die durch Strahlformung gebildet werden, eine eindeutige und höchstgenaue Tiefen- oder Abstandsinformation gewonnen werden.On the rasterized detector, a spatial interferogram of the light source with mono- or quasi-monochromatic radiation is preferably detected for each object point in a laterally extended area, as well as spatial short-coherence interferograms, which are spatially separated by the spectral means in the detection beam path. So that by recording a single image with preferably many adjacent spatial interferograms, which are formed by beam shaping, a unique and highly accurate depth or distance information can be obtained.
Diese Anordnung kann mit besonderem Vorteil eingesetzt werden, wenn polierte ebene oder schwach gekrümmte Objekte in einem schwingenden Umfeld in sehr kurzer Zeit gemessen werden sollen, wo der interferometrische Ansatz mit zeitlichem Phasenschieben nicht eingesetzt werden kann und nur wenige Messpunkte, beispielsweise entlang einer Linie, zur Prüfung genügen. Besonders einfach stellt sich hier die Messung dar, wenn über das Messobjekt a priori-Kenntnisse bestehen, eine stetige Oberfläche desselben vorausgesetzt werden kann und die typischen, zu erwartenden Abweichungen von der Sollgeometrie in der Größenordnung der verwendeten Lichtwellenlänge oder erheblich darunter liegen oder die Abweichungen von der Sollgeometrie sich lateral über dem Messobjekt nur sehr wenig ändern (A13).This arrangement can be used with particular advantage when polished flat or weakly curved objects are to be measured in a vibrating environment in a very short time, where the interferometric approach with temporal phase shifting can not be used and only a few measuring points, for example along a line to Suffice testing. The measurement is particularly simple here if there is a priori knowledge about the object to be measured, a steady surface of the same can be assumed and the typical, expected deviations from the desired geometry are on the order of magnitude of the wavelength of light used or significantly less, or the deviations from the setpoint geometry changes very little laterally over the measurement object (A13).
Merkmale zu einem Nebenanspruch des VerfahrensCharacteristics of a secondary claim of the procedure
- 52. Beim Verfahren zur robusten Interferometrie zur Erfassung von Abstand, Tiefe, Profil, Form, Welligkeit und/oder Rauheit oder der optischen Weglänge in oder an technischen oder biologischen Objekten, auch in Schichtenform, oder auch zur optischen Kohärenz-Tomografie (OCT), mit den Mitteln der Anordnung im Oberbegriff werden die Verfahrensschritte: durchgeführt. • Erzeugen mindestens eines Objektstrahlenbündels elektromagnetischer Strahlung zur Beleuchtung des Objekts, • Erzeugen mindestens eines Referenzstrahlenbündels mittels Strahlteilung in einem Interferometer, • Erzeugen von räumlichen Kurzkohärenz-Interferenzen von Objekt- und Referenzstrahlen, • Detektion von räumlichen Kurzkohärenz-Interferenzen auf einem gerasterten Detektor elektromagnetischer Strahlung durchgeführt.52. In the method of robust interferometry for the detection of distance, depth, profile, shape, waviness and / or roughness or the optical path length in or on technical or biological objects, also in layer form, or also for optical coherence tomography (OCT), with the means of the arrangement in the preamble, the method steps are performed. Generating at least one object beam of electromagnetic radiation for illuminating the object, Generating at least one reference beam by means of beam splitting in an interferometer, Generating spatial short-coherence interference of object and reference beams, • Detection of spatial short-coherence interference on a screened detector of electromagnetic radiation carried out.
Erfindungsgemäß werden
- • im Referenzstrahlengang drei direkt aufeinanderfolgende Reflexionen an je drei Planspiegeln durchgeführt.
- • Dabei liegen die Flächen dieser drei Planspiegel jeweils zumindest näherungsweise senkrecht zu einer gemeinsamen Bezugsebene BE und bilden somit einen Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor.
- • Durch die drei Reflexionen wird eine Lateral-Shear mit dem Betrag delta_q zwischen Objektstrahlenbündel und Referenzstrahlenbündel im Interferometer eingeführt, wodurch auf dem gerasterten Detektor mindestens ein räumliches Kurzkohärenz-Interferogramm erzeugt wird.
- • Es wird eine spektrale Aufspaltung von Objekt- und Referenzstrahlung im Detektionsstrahlengang durchgeführt.
- • Mindestens ein räumliches Interferogramm-Muster mit spektraler Aufspaltung wird zur Gewinnung von Informationen über Abstand, Tiefe, Profil, Form, Welligkeit und/oder Rauheit oder der optischen Weglänge eines Objekts, auch in der optischen Kohärenz-Tomografie, detektiert und ausgewertet.
- • In the reference beam path, three directly successive reflections are performed on each of three plane mirrors.
- The surfaces of these three plane mirrors are each at least approximately perpendicular to a common reference plane BE and thus form a three-plane mirror reference end reflector.
- • The three reflections introduce a lateral shear of the amount delta_q between the object beam and the reference beam in the interferometer, producing at least one spatial short-coherence interferogram on the screened detector.
- • A spectral splitting of object and reference radiation in the detection beam path is performed.
- • At least one spatial interferogram pattern with spectral splitting is detected and evaluated to obtain information about distance, depth, profile, shape, waviness and / or roughness or the optical path length of an object, also in optical coherence tomography.
Damit ist es möglich, räumliche Interferogramme gezielt spektral auszuwählen. Beispielsweise, wenn der Quelle kurzkohärenter Strahlung eine Laserdiode beigeordnet ist. Dadurch kann in einem Spektralbereich, in welches die Aberrationen des optischen Systems ein Minimum darstellen, die Phasenlage des Interferogramms hochgenau bestimmt werden. Die Interferogramme anderer Spektralbereiche dienen zum Bestimmen des Streifens der nullten Ordnung (A14).This makes it possible to selectively select spatial interferograms spectrally. For example, if the source of short-coherent radiation is associated with a laser diode. As a result, in a spectral range in which the aberrations of the optical system represent a minimum, the phase position of the interferogram can be determined with high precision. The interferograms of other spectral regions serve to determine the zero order stripe (A14).
Beschreibung der FigurenDescription of the figures
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der
Hier wird der Begriff Licht stets als Synonym für elektromagnetische Strahlung vom Terahertz-, über das Infrarot- bis zum tiefen UV-Spektrum verwendet.Here, the term light is always synonymous with terahertz electromagnetic radiation, used across the infrared to the deep UV spectrum.
Die
Die drei Spurgeraden der drei Ebenen, welche durch die drei Flächen der Planspiegel
Am Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor
Der optische Gangunterschied kann im Interferometer für alle Wellenlängen nahezu zu null gemacht werden, wenn hier ein nahezu perfekter Strahlteilerwürfel mit gleichen optischen Weglängen eingesetzt wird. Kleinere Abweichungen der beiden optischen Weglängen im Würfel im Bereich einiger weniger Mikrometer sind jedoch in der Regel noch gut zu tolerieren und führen im räumlichen Interferogramm auf dem gerasterten Detektor
Der optische Gangunterschied ist im hier dargestellten Interferometer durch eine geringe Ablage der spiegelnden Oberfläche des Objekts
Diese Anordnung eines Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektors
Hier nicht dargestellt sind Mittel zur flächigen Beleuchtung des Objekts
Die
Die drei Planspiegel
Der Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor
Hierbei ist von Vorteil, dass der reale Fokuspunkt BF des homozentrischen Bündels
Für ein parallel versetztes Bündel mit den Hauptstrahlen EHS_2 und AHS_2 beträgt der Betrag der Lateral-Shear delta_q_2. Bei perfekten Planspiegeln und jeweils senkrechter Position zur Bezugsebene BE gilt hier: Der Betrag der Lateral-Shear delta_q ist gleich dem Betrag delta_q_1. und auch gleich dem Betrag delta_q_2 und somit gilt
Die
Jedoch ist der Einfluss einer Kippung der Baugruppe „Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor
Die
Die
Die
Die
Die
Das Licht, welches nach dem Eintritt in das Interferometer am Strahlteiler
Am Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor
Die virtuelle Spiegelebene VSE stellt hierbei, bezogen auf den Interferometer-Ausgang IA, eine zur Messebene ME des Objektstrahlenganges optisch konjugierte Ebene dar, was durch die Justierung des Interferometers gegeben ist. Das am Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor
Dem vergleichsweise langbrennweitigen Objektiv
Im Detail A ist die Zylinderspiegel-Baugruppe
Das Detail B stellt die Ebene des gerasterten Detektors
Das Detail C zeigt das räumliche Interferogramm eines Messpunktes Pi und das Detail D stellt ein aus den räumlichen Kurzkohärenz-Interferogrammen punktweise errechnetes Profil z(x) des Objekts
Die
Die
Die
Die
In der
So kann der Verlauf der optischen Dicke oD des biologischen Schichtenobjekts
In der
Im Objektstrahlengang dieses Linnik-Typ-Interferometers ist hier ein brechkraft-kompensiertes Objektivsystem
Die Auswertung der räumlichen Interferogramme erfolgt hier durch eine Schwerpunktauswertung des durch die chromatisch–konfokale Diskriminierung erheblich verbreiterten räumlichen Interferogramms KKI, welches aber immer noch ein Kurzkohärenz-Interferogramm darstellt. Das vom Objekt
Deshalb bietet sich hier, also im Fall einer chromatischen Tiefenaufspaltung von Foki im Objektstrahlengang, alternativ zur Schwerpunktauswertung der Einhüllenden des räumlichen Kurzkohärenz-Interferogramms KKI an, eine Fourier-Transformation der Intensitätsverteilung des räumlichen Interferogramms durchzuführen, um aus dem räumlichen Kurzkohärenz-Interferogramm KKI, s. a. Detail F, das Spektrum des konfokal diskriminierten, also des hindurch gelassenen Lichtes zu bestimmen. Dies ist im Detail G dargestellt. Die Schwerpunktwellenzahl kS, mit kS = 2Pi/Schwerpunktwellenlänge, dieses Spektrum hängt in jedem Messpunkt – aufgrund der chromatischen Tiefenaufspaltung im Objektstrahlengang – direkt von der Tiefe z eines angemessenen Objektpunktes ab. Dies entspricht dem chromatisch-konfokalen Ansatz, der hier über die Bestimmung der Schwerpunktwellenzahl kS mittels einer schnellen Fourier-Transformation der Intensitätsverteilung von räumlichen Interferogrammen zur Anwendung kommt. Der numerische Zusammenhang zwischen der Schwerpunktwellenzahl kS und der Tiefe z eines angemessenen Objektpunktes kann im Ergebnis einer Sensor-Kalibrierung in einer Tabelle abgespeichert werden und mittels Rechner im Messvorgang zur Verfügung gestellt werden.Therefore, here, so in the case of a chromatic depth splitting of foci in the object beam path, alternatively to the emphasis analysis of the envelope of the spatial short-coherence interferogram KKI to perform a Fourier transform the intensity distribution of the spatial interferogram to from the spatial short-coherence interferogram KKI, s , a. Detail F, to determine the spectrum of the confocal discriminated light. This is shown in detail G. The centroid wave number kS, with kS = 2Pi / centroid wavelength, this spectrum depends in each measurement point - due to the chromatic depth splitting in the object beam path - directly from the depth z of a suitable object point. This corresponds to the chromatic-confocal approach, which is used here by determining the centroid wave number kS by means of a fast Fourier transformation of the intensity distribution of spatial interferograms. The numerical relationship between the center of gravity wave number kS and the depth z of a suitable object point can be stored as a result of a sensor calibration in a table and made available by computer in the measurement process.
Die
Das Detail I in
Die
Das Licht von einer spektral vergleichsweise breitbandigen Lichtquelle
Die
Die
Die
Claims (14)
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102010006239A DE102010006239B3 (en) | 2010-01-22 | 2010-01-22 | Interferometric arrangement e.g. Michelson interferometer, for determining e.g. distance of polished glass surface, has track lines for forming triangle such that preset amount of lateral shear is caused between reference and object bundles |
US13/574,707 US8934104B2 (en) | 2010-01-22 | 2011-01-21 | Method and arrangement for robust interferometry for detecting a feature of an object |
EP11701455.5A EP2526373B1 (en) | 2010-01-22 | 2011-01-21 | Method and assembly for robust interferometry |
PCT/EP2011/000248 WO2011089010A1 (en) | 2010-01-22 | 2011-01-21 | Method and assembly for robust interferometry |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102010006239A DE102010006239B3 (en) | 2010-01-22 | 2010-01-22 | Interferometric arrangement e.g. Michelson interferometer, for determining e.g. distance of polished glass surface, has track lines for forming triangle such that preset amount of lateral shear is caused between reference and object bundles |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102010006239B3 true DE102010006239B3 (en) | 2011-03-10 |
Family
ID=43536377
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102010006239A Expired - Fee Related DE102010006239B3 (en) | 2010-01-22 | 2010-01-22 | Interferometric arrangement e.g. Michelson interferometer, for determining e.g. distance of polished glass surface, has track lines for forming triangle such that preset amount of lateral shear is caused between reference and object bundles |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102010006239B3 (en) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102010046907A1 (en) | 2010-08-16 | 2012-02-16 | Universität Stuttgart | Method for forming robust one shot-interferometer i.e. short coherency interference microscopy, involves evaluating interferogram for determination form, micro form, ripple and/or roughness or optical path length |
DE102010056122B3 (en) * | 2010-12-20 | 2012-06-28 | Universität Stuttgart | Assembly for robust interferometry for recording e.g. distance, in or on biological objects for optical coherence tomography, has interferometer consists of absolute lateral-shear between reference-and object bundles |
EP2843360A1 (en) | 2013-09-03 | 2015-03-04 | Universität Stuttgart | Robust one shot interferometer and OCT method, in particular for material measurement and tumour cell detection |
CN104964982A (en) * | 2015-06-30 | 2015-10-07 | 浙江大学 | Glass surface authentic and false defect identification method and system based on OCT complex signal |
CN109238153A (en) * | 2018-09-12 | 2019-01-18 | 清华大学深圳研究生院 | Double frequency comb thickness measuring light channel structures, system, method, apparatus and storage medium |
CN111207844A (en) * | 2020-01-17 | 2020-05-29 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | Bilateral multi-plane inclined wave surface interferometer and detection method thereof |
EP3760990A1 (en) | 2020-03-31 | 2021-01-06 | Universität Stuttgart | Method and shear-invariant michelson type interferometer for single-shot-imaging ft-spectroscopy |
US11530982B2 (en) | 2020-03-31 | 2022-12-20 | Universität Stuttgart | Method and Fourier Transformation spectrometer with double beam interferometer for Single Shot Imaging Fourier Spectroscopy |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US1565533A (en) * | 1923-11-10 | 1925-12-15 | Hilger Ltd Adam | Manufacture of lenses and in apparatus therefor |
DE4413758C2 (en) * | 1993-04-21 | 1998-09-17 | Fraunhofer Ges Forschung | Device and method for checking the shape of a surface of an object to be measured |
DE10142001A1 (en) * | 2001-08-28 | 2003-03-20 | Zeiss Carl Jena Gmbh | Method and arrangement for obtaining topographs and tomographs of the eye structure using multiple simultaneous short-coherence interferometric deep scans of the pupil that are obtained simultaneously |
US20050168755A1 (en) * | 2002-03-04 | 2005-08-04 | Zygo Corporation | Spatial filtering in interferometry |
DE102006015387A1 (en) * | 2006-04-03 | 2007-10-04 | Robert Bosch Gmbh | Interferometric measuring device for e.g. measuring surface or volume of device-under-test, has object arm and reference arm formed for line-like focusing of object beam on object surface and reference e.g. mirror |
-
2010
- 2010-01-22 DE DE102010006239A patent/DE102010006239B3/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US1565533A (en) * | 1923-11-10 | 1925-12-15 | Hilger Ltd Adam | Manufacture of lenses and in apparatus therefor |
DE4413758C2 (en) * | 1993-04-21 | 1998-09-17 | Fraunhofer Ges Forschung | Device and method for checking the shape of a surface of an object to be measured |
DE10142001A1 (en) * | 2001-08-28 | 2003-03-20 | Zeiss Carl Jena Gmbh | Method and arrangement for obtaining topographs and tomographs of the eye structure using multiple simultaneous short-coherence interferometric deep scans of the pupil that are obtained simultaneously |
US20050168755A1 (en) * | 2002-03-04 | 2005-08-04 | Zygo Corporation | Spatial filtering in interferometry |
DE102006015387A1 (en) * | 2006-04-03 | 2007-10-04 | Robert Bosch Gmbh | Interferometric measuring device for e.g. measuring surface or volume of device-under-test, has object arm and reference arm formed for line-like focusing of object beam on object surface and reference e.g. mirror |
Non-Patent Citations (5)
Title |
---|
Hering, M. et al.: Correlated speckle noise in white-light interferometry: theoretical analysis of measurement uncertainty. Applied Optics, Vol. 48, No. 3, 2009, 525-538 * |
Hering, M. et al.: One-Shot Line-Profiling White Light Interferometer with Spatial Phase Shift for Measurement Rough Surfaces. Proc. of SPIE, Vol. 6188, 2006, 61880E-1 bis 61880E-11 * |
Kelsall, D.: Optical Frequency Response Characteristics in the presence of Sherical Aberration measured by an automatically recording Interferometric Instrument. Proc. Phys. Soc. 73, 1959, 465-479 * |
Malacara, D.: Optical Shop Testing. John Wiley & Sons, Inc., 1992, 140-141 * |
Steel, W.H.: Interferometry. Cambridge University Press, 1967, 83-84 * |
Cited By (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102010046907A1 (en) | 2010-08-16 | 2012-02-16 | Universität Stuttgart | Method for forming robust one shot-interferometer i.e. short coherency interference microscopy, involves evaluating interferogram for determination form, micro form, ripple and/or roughness or optical path length |
DE102010046907B4 (en) * | 2010-08-16 | 2013-01-31 | Universität Stuttgart | Robust one-shot interferometer and method, especially as a scout sensor for multi-sensor material measurement or tumor cell detection |
DE102010056122B3 (en) * | 2010-12-20 | 2012-06-28 | Universität Stuttgart | Assembly for robust interferometry for recording e.g. distance, in or on biological objects for optical coherence tomography, has interferometer consists of absolute lateral-shear between reference-and object bundles |
US9739594B2 (en) | 2013-09-03 | 2017-08-22 | Universität Stuttgart | Robust one-shot interferometer |
DE102013016752A1 (en) | 2013-09-03 | 2015-03-05 | Universität Stuttgart | Method and arrangement for robust one-shot interferometry, in particular also for optical coherence tomography according to the Spatial Domain Approach (SD-OCT) |
EP2843360A1 (en) | 2013-09-03 | 2015-03-04 | Universität Stuttgart | Robust one shot interferometer and OCT method, in particular for material measurement and tumour cell detection |
CN104964982A (en) * | 2015-06-30 | 2015-10-07 | 浙江大学 | Glass surface authentic and false defect identification method and system based on OCT complex signal |
CN109238153A (en) * | 2018-09-12 | 2019-01-18 | 清华大学深圳研究生院 | Double frequency comb thickness measuring light channel structures, system, method, apparatus and storage medium |
CN109238153B (en) * | 2018-09-12 | 2024-03-26 | 清华大学深圳研究生院 | Dual-optical-frequency comb thickness measuring optical path structure, system, method, device and storage medium |
CN111207844A (en) * | 2020-01-17 | 2020-05-29 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | Bilateral multi-plane inclined wave surface interferometer and detection method thereof |
CN111207844B (en) * | 2020-01-17 | 2021-07-27 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | Bilateral multi-plane inclined wave surface interferometer and detection method thereof |
EP3760990A1 (en) | 2020-03-31 | 2021-01-06 | Universität Stuttgart | Method and shear-invariant michelson type interferometer for single-shot-imaging ft-spectroscopy |
US11530982B2 (en) | 2020-03-31 | 2022-12-20 | Universität Stuttgart | Method and Fourier Transformation spectrometer with double beam interferometer for Single Shot Imaging Fourier Spectroscopy |
US11566998B2 (en) | 2020-03-31 | 2023-01-31 | Universität Stuttgart | Method and shear-invariant Michelson-type interferometer for single shot imaging FT-spectroscopy |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2526373B1 (en) | Method and assembly for robust interferometry | |
DE102010006239B3 (en) | Interferometric arrangement e.g. Michelson interferometer, for determining e.g. distance of polished glass surface, has track lines for forming triangle such that preset amount of lateral shear is caused between reference and object bundles | |
EP2843360B1 (en) | Robust one shot interferometer and OCT method, in particular for material measurement and tumour cell detection | |
DE102008062879B4 (en) | Method and arrangement for scalable interferometry | |
EP1984770B1 (en) | Method and arrangement for a rapid and robust chromatic confocal 3d measurement technique | |
EP1794540B1 (en) | Optical measuring device for measuring several surfaces of a measuring object | |
DE10035667B4 (en) | Infrared scanning interferometry apparatus and method | |
EP0126475B1 (en) | Process and device for the contactless measuring of the position in situ and/or of the profiles of rough surfaces | |
DE102011016660B4 (en) | Method and arrangement for short coherence holography | |
DE102010016862A1 (en) | Material processing device with in-situ measurement of the machining distance | |
DE102015001421A1 (en) | Device and method for beam diagnosis on laser processing optics (PRl-2015-001) | |
DE10039239A1 (en) | Optical measurement device has image flattening optics for detecting/flattening curved surface area or panoramic optics for detecting radial symmetrical surface area over 360 degrees | |
EP3555557B1 (en) | Arrangement and method for robust single-shot interferometry | |
DE102010046907B4 (en) | Robust one-shot interferometer and method, especially as a scout sensor for multi-sensor material measurement or tumor cell detection | |
DE102006015387A1 (en) | Interferometric measuring device for e.g. measuring surface or volume of device-under-test, has object arm and reference arm formed for line-like focusing of object beam on object surface and reference e.g. mirror | |
EP1311801B1 (en) | Interferometric, low coherence shape measurement device for a plurality of surfaces (valve seat) via several reference planes | |
WO2006081998A1 (en) | Device for determining the position of spaced-apart areas in transparent and/or diffuse objects | |
DE10131779B4 (en) | Interferometric short coherent shape measuring device for valve seat surfaces has beam splitter to form object beam guided over optical path to object and reference beam guided to reference plane | |
EP1805476B1 (en) | Interferometer comprising a mirror assembly for measuring an object to be measured | |
DE10131780A1 (en) | Interferometric measuring device | |
DE102004045807B4 (en) | Optical measuring device for measuring curved surfaces | |
DE10321887A1 (en) | Optical sensor for high speed scanning of an object, e.g. for use in optical metrology, has a light source and a focussing objective that generates an astigmatic image on a sensor camera chip | |
WO2002004888A1 (en) | Interferometric, short coherent form-measuring device for several surfaces (valve seats) using multi-focal optics, optical segments or high depth of focus | |
DE102010056122B3 (en) | Assembly for robust interferometry for recording e.g. distance, in or on biological objects for optical coherence tomography, has interferometer consists of absolute lateral-shear between reference-and object bundles | |
DE102011077982B4 (en) | Method and device for the optical analysis of a test object |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8322 | Nonbinding interest in granting licences declared | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20110702 |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |