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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur interferometrischen Vermessung eines Objekts gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur interferometrischen Vermessung eines Objekts gemäß Oberbegriff des Anspruchs 14 und eine Verwendung einer Vorrichtung zur interferometrischen Vermessung eines Objekts gemäß Anspruch 18.
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Vorrichtungen zur interferometrischen Vermessung eines Objekts umfassen typischerweise eine Strahlungsquelle zum Erzeugen eines Ausgangsstrahls, ein optisches Interferometer sowie einen Detektor. Das Interferometer ist im Strahlengang des Ausgangsstrahls angeordnet und mittels des Interferometers wird ein Interferenzstrahl erzeugt, wobei der Detektor im Strahlengang des Interferenzstrahls angeordnet ist.
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Durch Auswertung der Messsignale des Detektors kann beispielsweise auf eine Bewegungsgeschwindigkeit der zu vermessenden Oberfläche des Objekts rückgeschlossen werden. Insbesondere bei Ausbildung solch einer Vorrichtung zur Messung der Schwingschnelle bzw. des zeitabhängigen Geschwindigkeits- und/oder Wegsignals eines Objekts wird üblicherweise von einem Vibrometer gesprochen.
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Wesentlich bei solchen Vorrichtungen ist, dass der Doppler-Effekt ausgenutzt wird: Der Ausgangsstrahl wird auf das Objekt geleitet und der zumindest teilweise reflektierte oder zurückgestreute Strahl weist aufgrund der Bewegung des Objekts eine Frequenzverschiebung auf, welche in dem Doppler-Effekt begründet ist.
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Durch Ausbilden einer Interferenz und Aufnehmen eines Interferenzsignals mittels des Detektors wird die vorgenannte Frequenzverschiebung in einen durch optische Detektoren wie beispielsweise Fotodetektoren hinreichend genau messbaren Frequenzbereich transferiert.
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Typische vorbekannte Vorrichtungen zur interferometrischen Vermessung eines Objekts weisen ein Interferometer auf, welches grundsätzlich nach dem Zweistrahlprinzip aufgebaut ist. Das Interferometer kann beispielsweise als Michelson-Interferometer aufgebaut sein, häufig wird jedoch ein Mach-Zehnder-Interferometer realisiert:
Der Ausgangsstrahl wird mittels eines Strahlteilers in einen Mess- und einen Referenzstrahl aufgespalten. Der Messstrahl wird auf das Objekt geleitet und der zumindest teilweise reflektierte oder gestreute Messstrahl wird wieder zumindest teilweise in den Strahlengang des Interferometers eingekoppelt und zusammen mit dem Referenzstrahl auf dem Detektor überlagert, so dass in diesem Fall der auf den Detektor überlagerte Mess- und Referenzstrahl den Interferenzstrahl darstellt, dessen Interferenzsignal mittels des Detektors gemessen wird.
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Die vorbekannten Vorrichtungen zur interferometrischen Vermessung eines Objekts werden neben der Bestimmung der Bewegungsgeschwindigkeit auch zur Bestimmung der Bewegungsrichtung des Objekts (typischerweise in einer heterodynen Ausgestaltung) verwendet. Ebenso ist es bekannt, die Vorrichtungen als scannende Vorrichtungen auszubilden, so dass für eine Vielzahl von Messpunkten auf dem Objekt entsprechende Messdaten vorliegen und hierdurch beispielsweise auch Höhengeometriedaten des Objekts ermittelt werden können.
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Die maximal erreichbare Messgenauigkeit solcher Vorrichtungen, beispielsweise die minimal erreichbare Amplitudenauflösung ist unter anderem durch den Schrotrauschstrom begrenzt. Bei Vorrichtungen zur interferometrischen Vermessung eines Objekts, deren Genauigkeit an oder nahe an der hierdurch gegebenen Grenze liegt, spricht man auch von schrotrauschbegrenzter Lichtdetektion.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für eine Vorrichtung einer interferometrischen Vermessung eines Objekts zu schaffen, welche gegenüber den vorbekannten Verfahren und Vorrichtungen eine höhere Messgenauigkeit, bevorzugt eine bessere Amplitudenauflösung ermöglichen.
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Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur interferometrischen Vermessung eines Objekts gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur interferometrischen Vermessung eines Objekts gemäß Anspruch 14 sowie durch eine Verwendung gemäß Anspruch 18. Vorzugsweise Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung finden sich in den Ansprüchen 2 bis 13; vorzugsweise Ausführungsformen des Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 15 bis 17. Hiermit wird explizit per Referenz der Wortlaut sämtliche Ansprüche in die Beschreibung einbezogen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer vorzugsweisen Ausführungsform hiervon ausgebildet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise zur Durchführung mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder einer vorzugsweisen Ausführungsform hiervon ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur interferometrischen Vermessung eines Objekts umfasst eine Strahlungsquelle zum Erzeugen eines Ausgangsstrahls, mindestens einen Strahlteiler sowie mindestens einen Detektor. Der Strahlteiler ist derart im Strahlengang des Ausgangsstrahls angeordnet, dass der Ausgangsstrahl in zumindest einen Messstrahl und einen Referenzstrahl aufgespalten wird. Weiterhin ist die Vorrichtung derart ausgebildet, den Referenzstrahl auf den Detektor mit einem Interferenzstrahl zur Ausbildung einer optischen Interferenz zu überlagern.
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Hinsichtlich dieses Grundaufbaus entspricht die erfindungsgemäße Vorrichtung vorbekannten Vorrichtungen zur interferometrischen Vermessung von Objekten.
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Wesentlich ist, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung einen optischen offenen Resonator umfasst. Der optische offene Resonator ist derart im Strahlengang der Vorrichtung angeordnet, dass der Messstrahl in den offenen optischen Resonator eintritt und der aus dem offenen optischen Resonator austretende Interferenzstrahl mit dem Referenzstrahl auf dem Detektor zur Ausbildung einer optischen Interferenz überlagert wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich somit wesentlich von den vorbekannten Vorrichtungen zur interferometrischen Vermessung eines Objekts, indem ein Zweistrahl-Interferometer mit einem offenen optischen Resonator kombiniert wird:
Der Messstrahl des Zweistrahl-Interferometers trifft auf den optischen offenen Resonator und der aus dem offenen optischen Resonator austretende Strahl wird als Interferenzstrahl mit dem Referenzstrahl des Zweistrahl-Interferometers auf den Detektor zur Ausbildung einer optischen Interferenz überlagert.
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In Zusammenwirkung zwischen dem optischen offenen Resonator und dem zu vermessenden Objekt bildet sich somit ein optischer Resonator aus, mittels dessen der vorbeschriebene Interferenzstrahl erzeugt wird.
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Die Erfindung ist in der Erkenntnis des Erfinders begründet, dass durch Änderung der vorbekannten Vorrichtungen die ebenfalls vorgenannte Begrenzung aufgrund des Schrotrauschens nicht oder nur unwesentlich verändert werden kann, um eine höhere Messauflösung zu erzielen. Dies gilt insbesondere dann, wenn die ausgestrahlte Lichtleistung und die Wellenlänge des von der Strahlungsquelle erzeugten Ausgangsstrahls nicht beliebig gewählt werden kann, da z. B. das Rauschverhalten des Lasers, die Leistungsgrenze des Detektors und die Empfindlichkeit des Messobjekts die mögliche Messlichtleistung beschränkt oder es wünschenswert ist, eine Wellenlänge des Ausgangsstrahls vorzugeben. Steht somit die Wellenlänge des Ausgangsstrahls nicht als Optimierungsparameter zur Verfügung, so kann die durch das Schrotrauschen bedingte Messgenauigkeitsgrenze allenfalls durch Präparierung spezieller Photonenzustände, das heißt sehr aufwändigen und kostenintensiven apparativen Vorrichtungen, erzielt werden. Darüber hinaus ist fraglich, ob selbst hierdurch eine erhebliche Steigerung der Messgenauigkeit erzielt werden könnte, da insbesondere bereits geringe Verluste in der Lichtintensität die Messgenauigkeit wieder verringern würden.
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Die Erfindung basiert nun insbesondere auf der Erkenntnis des Erfinders, dass bei der interferometrischen Vermessung ein so genannter Phasendiskriminator, welcher durch die Flanke eines Interferenzstreifens definiert ist, als weitere Größe für die Messgenauigkeit relevant ist: Die Steilheit des Phasendiskriminators, das heißt dessen Steigung, ist ebenfalls ein Maß für die Messauflösung.
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Wenn nun jedoch ein optischer Resonator zum Erzeugen des Interferenzstrahls verwendet wird, in dem – wie zuvor beschrieben – das Interferometer als offener optischer Resonator ausgebildet ist, so dass in Zusammenwirkung mit dem zu vermessenden Objekt ein optischer Resonator ausgebildet werden kann, so wird bei richtiger Wahl der Resonatorreflektivität eine höhere Phasendiskriminatorsteigung erzielt.
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Durch die Kombination des Zweistrahl-Interferometers mit dem offenen optischen Resonator kann mittels der Messsignale des Detektors die Amplitude des elektrischen Feldvektors, der auf den Detektor überlagerten Mess- und Interferenzstrahlen bestimmt werden. Vorzugsweise erfolgt diese Bestimmung in an sich bekannter Weise mittels Demodulation der Messsignale, insbesondere mittels der an sich bekannten ARCTAN-Demodulation. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, andere an sich bekannte Auswerte bzw. Demodulationsverfahren zu verwenden.
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Die Kombination eines Zweistrahl-Interferometers mit einem optischen offenen Resonator ermöglicht insbesondere aus den Messsignalen des Detektors die Amplitude und/oder die Phase, bevorzugt die Amplitude und die Phase eines elektrischen Feldvektors der auf dem Detektor überlagerten Mess- und Referenzstrahlen zu bestimmen. Bei Bestimmung der Phase ist es insbesondere vorteilhaft, die Arbeitspunktregelung abhängig von einer entsprechenden Kurve, bei welcher die Phase über die Regelungsgröße aufgetragen ist, zu bestimmen. Insbesondere kann hier vorteilhafterweise ein Wendepunkt dieser Kurve als Arbeitspunkt gewählt werden.
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Die vorliegende Erfindung realisiert somit erstmals das Prinzip, einen optischen Resonator auszubilden, indem ein offener optischer Resonator mit einem in der Funktion als Resonatorspiegel verwendeten Objekt zur Ausbildung eines optischen Resonators nach Art eines Fabry-Perot-Interferometers verwendet wird.
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Die vorliegende Erfindung zeichnet sich in einem weiteren Aspekt durch die Verwendung eines offenen optischen Resonators zur optischen interferometrischen Vermessung eines Objekts aus, indem das Objekt derart angeordnet wird, dass der offene optische Resonator und das Objekt einen optischen Resonator, vorzugsweise nach Art eines Fabry-Perot-Interferometers ausbilden.
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Die prinzipielle physikalische Ausführbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bereits durch die universitäre Forschung belegt. So sind zur Untersuchung der quantenmechanischen Eigenschaft von Licht interferometrische Versuchaufbauten bekannt, bei denen ein optischer Resonator modifiziert wird, indem ein Spiegel des Resonators als oszillierender Spiegel ausgebildet ist. So ist in
Breitenbach, Gerd; "Quantum state reconstruction of classical and nonclassical light and a cryogenic optomechanical sensor for high-precision interferometry", Dissertation, Universität Konstanz, Juni 1998 insbesondere in Kapitel 6, Figur 6.12 und der zugehörigen Beschreibung ein solcher Aufbau beschrieben. Hierbei ist jedoch keine Arbeitspunktregelung vorgesehen und der oszillierende Spiegel ist Teil des Gesamtaufbaus, beispielsweise, indem der Spiegel mit dem zweiten, nicht oszillierenden Spiegel in einem gemeinsamen LHe-Cryostat angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind jedoch nach Art an sich bekannter Vibrometer für von der Vorrichtung separate Objekte verwendbar, insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt als separate Messeinheit zur Anordnung an Messobjekten oder mit einer entsprechenden Halterung für Messobjekte ausgebildet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur interferometrischen Vermessung eines Objekts umfasst folgende Verfahrensschritte:
- – Erzeugen eines Ausgangsstrahls mittels einer Lichtquelle;
- – Aufteilen des Ausgangsstrahls in zumindest einen Messstrahl und einen Referenzsstrahl;
- – Überlagern des Referenzstrahl und eines Interferenzstrahls auf einen Detektor zur Ausbildung einer optischen Interferenz.
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Wesentlich ist, dass der Messstrahl in einen offenen optischen Resonator eintritt, dass zwischen dem offenen optischen Resonator und dem zu vermessenden Objekt eine optische Resonanz ausgebildet wird und dass der aus dem offenen optischen Resonator austretende Interferenzstrahl mit dem Referenzstrahl auf dem Detektor zur Ausbildung einer optischen Interferenz überlagert wird.
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Hierdurch ergeben sich die zuvor bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen Vorteile.
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Vorzugsweise weist das Interferometer der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen optischen Resonatorspiegel auf, welcher im Strahlengang des Ausgangsstrahls angeordnet ist. Hierbei liegt es im Rahmen der Erfindung, bei Fabry-Perot-Interferometern an sich bekannte Resonatorspiegel zu verwenden.
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Der Resonatorspiegel weist vorzugsweise an der dem Objekt zugewandten Seite eine Oberfläche mit der Form einer Teilkugelfläche auf. Der Radius dieser Teilkugelfläche entspricht vorzugsweise dem Abstand des Resonatorspiegels zu der zu vermessenden Oberfläche des Objekts. Vorzugsweise wird der Abstand zwischen Resonatorspiegel und der zu vermessenden Oberfläche des Objekts mittels der Arbeitspunktregelung in etwa konstant gehalten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Interferometer einen zweiten Strahlteiler auf, welcher im Strahlengang des Ausgangsstrahls zwischen Strahlungsquelle und Resonatorspiegel angeordnet ist. Der Strahlteiler ist derart ausgebildet, dass ein aus dem Resonatorspiegel austretender Interferenzstrahl mittels des Strahlteilers aus der Strahlachse des Ausgangsstrahls abgelenkt wird.
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Hierdurch ist es in konstruktiv einfacher und kosteneffektiver Weise möglich, einerseits ein Einkoppeln des Ausgangsstrahls in den optischen Resonator zu erwirken und andererseits den aus dem optischen Resonator austretenden Interferenzstrahl mittels des Strahlteilers auf den Detektor abzubilden.
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Insbesondere ist es hierbei vorteilhaft, dass der Strahlteiler als Polarisationsstrahlteiler ausgebildet ist und dass im Strahlengang des Ausgangsstrahls und/oder des Interferenzstrahls eine optische Polarisationseinrichtung, vorzugsweise ein λ/4-Plättchen, angeordnet ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Polarisationseinrichtung im Strahlengang des Interferenzstrahls zwischen Polarisationsstrahlteiler und Resonatorspiegel angeordnet ist.
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Hierdurch kann durch Zurückgreifen auf an sich bekannte Komponenten wie Polarisationsstrahlteiler und λ/4-Plättchen die zuvor beschriebene vorteilhafte Funktion des Abbildens des Interferenzstrahls auf dem Detektor nahezu ohne Intensitätsverluste erzielt werden.
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Vorzugsweise weist das Interferometer eine Verschiebevorrichtung auf, zum Verschieben des Resonatorspiegels relativ zu dem Objekt. Die Verschiebung erfolgt hier vorzugsweise parallel zur Strahlachse der Strahlengänge in dem optischen Resonator. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Verschiebevorrichtung mindestens ein Piezoelement zum Verschieben des Resonatorspiegels umfasst. Hierdurch kann eine kostengünstige und hochgenaue Verschiebung realisiert werden.
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Die Verschiebung des Resonatorspiegels ermöglicht insbesondere, Einfluss auf die optische Weglänge des Resonators zu nehmen, um den Arbeitspunkt des Interferometers konstant zu halten. Vorzugsweise wird die optische Weglänge in etwa konstant gehalten.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist somit erstmals eine Erhöhung der Messgenauigkeit, insbesondere eine niedrigere Auflösungsgrenze hinsichtlich der Amplitudenauflösung möglich.
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Untersuchungen des Anmelders haben gezeigt, dass eine geeignete Wahl des Reflektionsverhältnisses der optischen Refklektivität des optischen Resonators im Verhältnis zu der optischen Reflektivität der vermessenen Oberfläche des Objekts sich weiter vorteilhaft auf eine niedrige Auflösungsgrenze auswirkt. Vorzugsweise weist daher der offene optische Resonator eine optische Reflektivität auf, die größer als die optische Reflektivität der Probe ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die optische Reflektivität des Resonators im Bereich 2% bis 20% größer ist als die optische Reflektivität der vermessenen Oberfläche des Objekts.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, indem der offene optische Resonator mit einer änderbaren optischen Reflektivität ausgebildet wird. Hierdurch kann manuell durch den Benutzer oder automatisch durch eine entsprechend ausgebildete Steuervorrichtung die Reflektivität des optischen Resonators derart angepasst werden, dass in Zusammenwirkung mit der optischen Reflektivität der vermessenen Oberfläche des Objekts sich eine maximale Auflösung ergibt.
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Insbesondere ist bevorzugt der offene optische Resonator mit einer änderbaren optischen Reflektivität zumindest im Bereich der Wellenlänge des Messstrahls ausgebildet, bevorzugt größer und maximal doppelt so groß (200%) wie die Reflektivität der Messoberfläche ist, wobei der bevorzugte Bereich bis 10% über der Reflektivität der Messoberfläche liegt (besonders bevorzugt ist die Relfektivität des Resonators somit zumindest im Bereich der Wellenlänge des Messstrahls größer als die Reflektivität der Messoberfläche, beträgt jedoch maximal 110% der Reflektivität der Messoberfläche). Insbesondere ist es vorteilhaft, dass der offene optische Resonator einen Resonatorspiegel aufweist, dessen optische Reflektivität gegenüber dem Objekt zumindest im Bereich der Wellenlänge des Messstrahls änderbar ausgebildet ist. Die Reflektivität kann geändert werden, indem man z. B. einen Spiegel mit wellenlängenabhängiger Reflektivität wählt und einen wellenlängenabstimmbaren Laser wählt. Die Wellenlängenänderung muss allerdings gering genug sein, so dass die Änderung der Reflektivität des Messobjekts vernachlässigt werden kann. Bei konstanter Wellenlänge kann die Reflektivität variiert werden, indem man den Referenzspiegel selbst aus mehereren reflektierenden Schichten aufbaut, bei denen man den Abstand variieren kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Zweistrahl-Interferometer vorzugsweise als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet. Ebenso liegt jedoch auch die Ausbildung des Interferometers als Michelsen-Interferometer im Rahmen der Erfindung.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Arbeitspunktregelung für das Interferometer auf. Dies ist in der Erkenntnis des Anmelders begründet, dass eine ausreichende Messgenauigkeit weiterhin eine Arbeitspunktregelung des Interferometers erfordert. Der Begriff „Arbeitspunkt” ist im Zusammenhang mit Interferometern an sich bekannt und kann beispielsweise als Punkt auf einem Kurvenverlauf angegeben werden, wenn die Intensität des Detektorsignals über die mittels der Arbeitspunktregelung beeinflusste Größe aufgetragen wird. Diese beeinflusste Größe kann beispielsweise die optische Weglänge des optischen Resonators sein. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise als mittels der Arbeitspunktregelung beeinflusste Größe die Wellenlänge des Ausgangsstrahls gewählt werden. Es ist beispielsweise bekannt, als Arbeitspunkt einen Punkt auf einer Flanke vorgenannter Intensitätskurve zu wählen, beispielsweise einen mittleren Punkt (z. B. ein Wendepunkt der Kurve). Ebenso ist es bekannt, als Arbeitspunkt ein Maximum der vorgenannten Intensitätskurve zu wählen.
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Wesentlich ist, dass eine Regelung des Arbeitspunktes des Interferometers erfolgt, da dies nach Erkenntnissen des Anmelders wesentlich für eine ausreichende Messgenauigkeit ist.
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Die Arbeitspunktregelung ist vorzugsweise ausgebildet, den Arbeitspunkt des Interferometers in Abhängigkeit von Messsignalen des Detektors zu regeln. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, den Arbeitspunkt in Abhängigkeit eines zweiten Detektors, welcher gegebenenfalls über weitere Strahlteiler im Strahlengang des Interferometers angeordnet ist, zu regeln. Hierdurch ist jedoch meist ein konstruktiv aufwändigerer und kostenintensiverer Aufbau notwendig, so dass es vorteilhaft ist, lediglich einen Detektor zur Signalauswertung hinsichtlich der gewünschten Messdaten und zur Arbeitspunktregelung zu verwenden.
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Vorzugsweise weist die Arbeitspunktregelung eine Frequenzweiche auf und ist insbesondere bevorzugt derart ausgebildet, dass der Arbeitspunkt in Abhängigkeit niederfrequenter Anteile der Messsignale des Detektors geregelt wird. Dies stellt einen robusten und konstruktiv unaufwändigen Regelungsmechanismus für den Arbeitspunkt dar.
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Die Auslegung der Frequenzweise hängt wesentlich von dem zu vermessenden Objekt und hierbei insbesondere von der gewünschten Regelbandbreite der Arbeitspunktregelung ab. Wird beispielsweise ein sich drehendes Objekt vermessen und sollen beispielsweise alle Welligkeiten von 1/10 des Umfangs entlang der Messkurve ausgeregelt werden, so muss die Regelbandbreite bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von beispielsweise 6000 U/min etwa 1000 Hz betragen. Die Auslegung der Frequenzweiche und die Definition von hochfrequenten und niederfrequenten Signalen sind somit wesentlich von dem Anwendungsbereich abhängig. Die niederfrequenten Signale werden somit zur Arbeitspunktregelung verwendet und die hochfrequenten Signale als Messdaten zur Bestimmung der gewünschten Messgröße wie beispielsweise von Schwingungsdaten des Objekts.
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Vorzugsweise weist die Arbeitspunktregelung zusätzlich einen Regler-Verstärker auf, welcher an den niederfrequenten Ausgang der Frequenzweiche angeschlossen ist. Hierdurch kann in konstruktiv einfacher Weise eine Übertragung der niederfrequenten Signale des Detektors unmittelbar auf einen entsprechenden Regelmechanismus erfolgen. Dieser Regelmechanismus kann beispielsweise eine Verschiebeeinheit zum Verschieben des Resonatorspiegels wie zuvor beschrieben sein, so dass die Arbeitspunktregelung über eine Regelung der optischen Weglänge des Resonators erfolgt. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, die Wellenlänge des Ausgangsstrahls abhängig von den niederfrequenten Signalen des Detektors zu regeln, beispielsweise durch Verwendung eines durchstimmbaren Lasers.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn zwischen Frequenzweiche und Regler-Verstärker ein Off-Set zwischengeschaltet ist, so dass durch einfache Vorgabe eines Basisniveaus eine Justierung erfolgen kann.
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Hinsichtlich der Anwendung und Auswertung der Messsignale des Detektors liegt es im Rahmen der Erfindung, die erfindungsgemäße Vorrichtung analog zur vorbekannten Vorrichtungen und insbesondere bevorzugt als Vibrometer auszubilden. Es liegt somit im Rahmen der Erfindung, dass die Vorrichtung eine Auswerteeinheit zum Auswerten der Messsignale des Detektors aufweist, welche Auswerteeinheit ausgebildet ist, um aus dem Messsignal des Detektors die Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts bzw. der Objektoberfläche und/oder Höhengeometriedaten des Objekts zu bestimmen. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass mittels der Messsignale des Detektors zumindest die Amplitude des elektrischen Vektors des Interferenzstrahls ausgewertet wird.
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Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, die Vorrichtung als scannende Vorrichtung in an sich bekannter Weise auszubilden, so dass eine Vielzahl ortsverschiedener Messpunkte auf dem Objekt vermessen werden können.
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Die Vermessung einer Topografie mittels eines Interferometers ist an sich bekannt und beispielsweise in
US 5,504,571 beschrieben.
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Eine weitere Erweiterung der Auswertungsmöglichkeiten der Messsignale des Detektors ergibt sich indem das vorgenannte Zweistrahl-Interferometer als hetrodynes Interferometer ausgebildet ist. Vorzugsweise weist das Zweistrahl-Interferometer hierzu eine Frequenzschiebeeinheit auf, welche im Strahlengang des Referenz- oder des Interferenzstrahls angeordnet ist. Die Frequenzschiebeeinheit ist vorzugsweise in an sich bekannter Weise als Braggzelle ausgebildet.
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Durch den heterodynen Aufbau kann beispielsweise aufgrund der Frequenzverstimmung zwischen Mess- und Referenzstrahl mittels der Frequenzschiebeeinheit zusätzlich auf die Bewegungsrichtung des Objekts bzw. der Oberfläche des Objekts relativ zu der Vorrichtung rückgeschlossen werden.
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Besonders gute Messergebnisse werden erzielt, wenn das Objekt bei der Wellenlänge des Ausgangsstrahls eine optische Reflektion größer 0.1%, bevorzugt größer 1%, weiter bevorzugt größer 10% und insbesondere bevorzugt größer 50% aufweist.
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Der Resonatorspiegel kann in an sich bekannter Weise ausgebildet sein. Insbesondere ist die Verwendung eines beschichteten Trägersubstrats vorteilhaft, wobei die Beschichtung vorzugsweise durch Aufdampfen ausgebildet ist. Insbesondere ist die Verwendung einer dielektrischen Beschichtung vorteilhaft, bei der die Reflektionseigenschaften durch das Schichtdesign vorgegeben werden können. Die Beschichtung kann aber auch aus einer Metallschicht wie z. B. Gold oder Silber ausgebildet sein, wenn die Reflektivitäten auf dem Messobjekt entsprechend günstig liegen. Der Resonatorspiegel wird vorzugsweise mit einer Reflektion zwischen 10% bis 150%, bevorzugt zwischen 100% und 110%, weiter bevorzugt zwischen 100% und 101% der Messoberflächenreflektivität ausgebildet.
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Wie zuvor beschrieben, kann der grundsätzliche Aufbau und insbesondere können die verwendeten einzelnen optischen Komponenten bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens analog zu vorbekannten Vorrichtungen und insbesondere vorbekannten Vibrometern gewählt werden.
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Insbesondere wird bevorzugt eine Strahlungsquelle zum Erzeugen eines monochromatischen Ausgangsstrahls, insbesondere ein Laser, verwendet. Je nach Wellenlängenbereich der zu vermessenden Schwingung können unterschiedliche Laser zum Einsatz kommen, beispielsweise ein DPSS-Laser. Typische Wellenlängen des Ausgangsstrahls sind 532 nm, 632,8 nm oder 1550 nm.
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Eine besonders vorteilhafte Anwendung erfolgt in Verbindung mit einem Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope): Vorzugsweise ist die Vorrichtung als Rasterkraftmikroskop und zur Aufnahme einer Messspitze ausgebildet, so dass eine Oberfläche der Messspitze mittelbar oder unmittelbar einen optischen Resonator zusammen mit dem offenen optischen Resonator der Vorrichtung ausbildet.
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Diese vorzugsweise Ausführungsform ist in der Erkenntnis begründet, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausbildung eines Mikroskops mit bisher nicht erreichter Auflösung geeignet ist:
Die Erhöhung der Messgenauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich vorzugsweise zum Vermessen der Bewegung der Oberfläche einer Messspitze eines Rasterkraftmikroskops anwenden. Hierdurch kann mit bisher nicht erreichter Genauigkeit die Bewegung der Messspitze gemessen werden und somit mit bisher nicht erreichter Genauigkeit auf die Oberflächenbeschaffenheit eines mittels der Messspitze des Rasterkraftmikroskops vermessenen Objekts rückgeschlossen werden. Hierzu bildet der offene optische Resonator der Vorrichtung zusammen mit einer Oberfläche der Messspitze mittelbar oder unmittelbar den optischen Resonator aus. In dieser vorzugsweisen Ausführungsform trifft der Messstrahl somit nicht unmittelbar auf das zu vermessende Objekt auf. Es ist hingegen die Messnadel (in typischen Ausführungen auch als „Cantilever” bezeichnet) zwischen Messstrahl und Objekt zwischengeschaltet. Mittels der Messnadel wird die Oberfläche in an sich bekannter Weise abgetastet und im Unterschied zu vorbekannten Rasterkraftmikroskopen wird die Bewegung der Messnadel, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Erstreckung der zu vermessenden Oberfläche des Objekts, mittels des Messstrahls wie zuvor beschrieben vermessen.
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Hierzu kann der Messstrahl unmittelbar auf die Messnadel auftreffen, vorzugsweise auf einer dem zu vermessenden Objekt abgewandten Seite der Messnadel. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, weitere Komponenten zwischenzuschalten, insbesondere, auf der Messnadel eine reflektierende Fläche anzuordnen, auf welche der Messstrahl auftrifft.
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Die vorbeschriebene vorzugsweise Ausführungsform weist weiterhin den Vorteil auf, dass die Oberfläche der Messnadel, auf welche der Messstrahl auftritt bzw. ein zwischengeschaltetes optisches Element hinsichtlich der Reflexionseigenschaften im Wellenlängenbereich des Messstrahls derart ausgebildet werden kann, dass in Zusammenwirkung mit der Reflexionseigenschaften des offenen optischen Resonators eine optimale Messgenauigkeit erzielt wird. Bei dieser vorzugsweisen Ausführungsform ist somit die optische Reflektivität des zu vermessenden Objekts irrelevant, da der Messstrahl nicht auf das Objekt, sondern auf die Messnadel oder ein zwischengeschaltetes optisches Element auftrifft.
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Vorzugsweise wird die Messung mittels des Rasterkraftmikroskops im so genannten „Highspeed AFM Mode” durchgeführt. In diesem Messmodus wird die Messspitze über das zu vermessende Objekt geführt und anhand der Bewegung der Messspitze auf die Oberflächenbeschaffenheit rückgeschlossen. Ein solcher Messmodus ist an sich bekannt und beispielsweise in „Experimental Observation of Contact Mode Cantilever Dynamics With Nanosecond Resolution", Payton, et al. DOI: http:/dx.doi.org/10.1063/1.3575321 beschrieben.
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Entsprechend wird in einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens der Messstrahl des optischen Resonators nicht direkt auf das zu vermessende Objekt geleitet, sondern erfasst die Höhenbewegung einer AFM-Messspitze, welche Messspitze bevorzugt im Fast-Scan-Modus oder High-Speed-AFM-Modus betrieben wird.
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Wie zuvor beschrieben, ist das Betreiben der Messspitze eines Rasterkraftmikroskops im Fast-Scan-Modus oder High-Speed-AFM-Modus bereits bekannt. Wesentlich ist hier jedoch, dass die Bewegung der Messspitze bestimmt wird, in dem die Messspitze zusammen mit dem offenen optischen Resonator der Vorrichtung mittelbar oder unmittelbar einen optischen Resonator ausbildet und somit aus der interferometrischen Messung auf die Bewegung der Messspitze rückgeschlossen werden kann.
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Die Erfindung umfasst daher weiterhin die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, um mittels einer Oberfläche einer Messnadel eines Rasterkraftmikroskops mittelbar oder unmittelbar einen optischen Resonator auszubilden.
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Weitere vorzugsweisen Merkmale und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden anhand von den Figuren und Ausführungsbeispielen beschrieben. Dabei zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei zusammen mit der Oberfläche einer Messnadel eines Rasterkraftmikroskops ein optischer Resonator ausgebildet wird.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur interferometrischen Vermessung eines Objekts umfasst eine Strahlungsquelle 1 welche als Laser ausgebildet ist. Der Laser ist als DPSS-Laser ausgebildet und erzeugt einen Ausgangsstrahl 2 mit einer Wellenlänge von 532 nm.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein Interferometer sowie einen Detektor 3, welcher als Photodetektor ausgebildet ist.
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Das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur interferometrischen Vermessung eines Objekts umfasst zusätzlich ein Zweistrahl-Interferometer, welches als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet ist. Dieses umfasst einen Strahlteiler 9, welcher im Strahlengang des Ausgangsstrahls 2 zwischen Strahlungsquelle 1 und dem als Polarisationsstrahlteiler ausgebildeten Strahlteiler 4 angeordnet ist.
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Mittels des Strahlteilers 9 wird aus dem Ausgangsstrahl 2 ein Referenzstrahl 10 abgeteilt. Gemäß der üblichen Bezeichnung bei Beschreibung eines Zweistrahl-Interferometers kann der Ausgangsstrahl 2, welcher den Strahlteiler 9 zumindest anteilig geradlinig durchläuft, anschließend somit auch als Messstrahl bezeichnet werden.
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Der Referenzstrahl 10 wird mittels eines Prismas 9a und eines weiteren Strahlteilers 9b auf den Detektor 3 geleitet.
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Der Interferenzstrahl 8 wird mittels des Strahlteilers 4 und den Strahlteilers 9b ebenfalls auf den Detektor 3 geleitet. Auf dem Detektor 3 sind somit Referenzstrahl 10 und Interferenzstrahl 8 überlagert.
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Die Vorrichtung weist darüber hinaus einen heterodynen Aufbau auf, indem weiterhin eine Frequenzschiebeeinheit 11, welche als Braggzelle ausgebildet ist, im Strahlengang des Interferenzstrahls 8 zwischen Strahlteiler 4 und Strahlteiler 9b angeordnet ist.
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Mittels der Vorrichtung ist es somit möglich, mittels der Auswerteeinheit 12, welche eine Demodulationseinheit in Form einer ARCTAN-Demodulation umfasst, sowohl die Amplitude als auch die Phase des elektrischen Feldvektors des Interferenzsignals aus den Messdaten des Detektors 3 zu bestimmen.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen offenen optischen Resonator: Im Strahlengang des Ausgangsstrahls 2, welcher nach Durchlaufen des Strahlteilers 9 als Messstrahl bezeichnet werden kann ist ein Strahlteiler 4 angeordnet, welcher als Polarisationsstrahlteiler ausgebildet ist. Der Ausgangsstrahl 2 durchläuft den Strahlteiler 4 und trifft anschließend auf eine Polarisationseinrichtung 4a, welche als λ/4-Plättchen ausgebildet ist. Über optische Linsen 5, 5', 5'' wird der Ausgangsstrahl 2 auf einen Resonatorspiegel 6 abgebildet. Die Linsen 5, 5' und 5'' sind derart ausgebildet und angeordnet, dass die Lichtbündel senkrecht auf die Oberfläche des Resonatorspiegels 6 auftreffen.
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Der Ausgangsstrahl 2 trifft auf einen Messpunkt A auf einem zu vermessenden Objekt 7 auf, welches in den 1 und 2 eine Magnetscheibe einer Festplatte ist.
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Die dem Objekt 7 zugewandte Seite des Resonatorspiegels 6 weist die Form einer Teilkugeloberfläche auf, wobei der zu vermessende Punkt A auf dem Objekt im Kugelmittelpunkt dieser Teilkugeloberfläche liegt.
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Der Resonatorspiegel 6 bildet zusammen mit dem Objekt 7 einen optischen Resonator nach Art eines Fabry-Perot-Interferometers aus. Das Interferometer, umfassend Strahlteiler 4, Polarisationseinrichtung 4a, optische Linsen 5, 5', 5'' und Resonatorspiegel 6 ist somit als offener optischer Resonator ausgebildet.
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Aufgrund der Ausbildung eines optischen Resonators tritt ein Interferenzstrahl 8 aus dem Resonatorspiegel 6 aus, durchläuft die optischen Linsen 5'', 5' und 5 sowie die Polarisationseinrichtung 4a und wird aufgrund der geänderten optischen Polarisation von dem Stahlteiler 4 und den 1 und 2 nach rechts abgelenkt und trifft somit auf den Detektor 3 auf.
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Die Vorrichtung umfasst eine Arbeitspunktregelung zur automatischen Regelung des Arbeitspunktes des Interferometers. Die Arbeitspunktregelung umfasst eine Frequenzweiche 20 mit einem Niederfrequenzausgang 20a und einem Hochfrequenzausgang 20b. Der Hochfrequenzausgang ist mit einer Auswerteeinheit verbunden.
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Der Niederfrequenzausgang 20a ist mit einem Regler-Verstärker 21 verbunden, wobei ein Off-Set 22 zwischen Frequenzweiche 20 und Reglerverstärker 21 zwischengeschaltet ist.
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Der Regler-Verstärker 21 ist mit einer Verschiebeeinheit 23 verbunden.
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Mittels der Verschiebeeinheit 23, welche als Piezo-Elemente ausgebildet ist, kann der Resonatorspiegel 6 zusammen mit der Linse 5'' in 1 nach oben und nach unten bewegt werden, so dass mittels der Verschiebeeinheit 23 die optische Weglänge des optischen Resonators, welcher zwischen Resonatorspiegel 6 und Objekt 7 ausgebildet ist, beeinflusst werden kann.
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Die Arbeitspunktregelung erfolgt somit, indem mittels der Frequenzweiche 20 über den Niederfrequenzausgang 20a das niederfrequente Signal des Detektors 3, gegebenenfalls über nach Addition eines Off-Sets mittels des Off-Sets 22, an den Regler-Verstärker 21 geleitet wird.
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Der Regler-Verstärker kann zum Beispiel ein einfacherer PID-Regler sein (P: Proportionalglied, I: Integralglied, D: Differentialglied). Je nach Definition des Vorzeichens und in Abhängigkeit von den Regler- und den Systemparametern wird aufgrund des durch den Regler-Verstärker an die Verschiebeeinheit 23 gegebenen Signals der Arbeitspunkt der Vorrichtung in einer bestimmten Regelbandbreite konstant gehalten, in dem abhängig von den an der Verschiebeeinheit 23 anliegenden Signalen der Resonatorspiegel 6 und die Linse 5'' nach oben oder unten bewegt werden.
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Die vorgenannte Regelbandbreite wird hierbei derart gewählt, dass alle unerwünschten Störungen ausgeregelt werden. Sollen zum Beispiel alle Welligkeiten des Objekts 7 von 1/10 des Umfangs ausgeregelt werden, so muss die Regelbandbreite bei einer angenommenen Umdrehungsgeschwindigkeit von 6000 U/min des Objekts 7 etwa 1000 Hz betragen. Diese Frequenzanteile müssen somit der Frequenzweiche an dem Niederfrequenzausgang 20a für die Regelung bereitgestellt werden. Alle kürzeren räumlichen Wellenlängen in Atzimutrichtung werden von der Frequenzweiche als hochfrequentes Messsignal an den HF-Ausgang 20b weitergeleitet und von einer entsprechenden Auswerteeinheit ausgewertet.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin die Auswerteeinheit, zur Auswertung der Messsignale des Detektors 3.
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Die Arbeitspunktregelung ist mit der Auswerteeinheit 12 verbunden und regelt in an sich bekannter Weise das Amplitudensignal des Detektors 3 auf die Flanke der Transmissionskurve. Die Regelung erfolgt, indem – wie bei 1 bereits beschrieben – ein entsprechendes Steuersignal an die Verschiebeeinheit 23 geleitet wird, welche Verschiebeeinheit 23 abhängig von dem Steuersignal den Referenzspiegel 6 und die Linse 5'' nach oben oder nach unten bewegt, so dass die optische Weglänge des optischen Resonators entsprechend geregelt wird.
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2 zeigt ebenfalls eine schematische Darstellung. Die bereits in 1 beschriebenen Komponenten mit gleichen Bezugszeichen haben auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 die gleiche oder gleichwirkende Ausbildung. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird daher nachfolgend auf die wesentlichen Unterschiede zu 1 eingegangen:
Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet sich wesentlich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 dadurch, dass der Ausgangsstrahl 2 als Messstrahl nicht unmittelbar auf das zu vermessende Objekt M auftrifft. Die Vorrichtung gemäß 2 umfasst weiterhin ein lediglich schematisch dargestelltes Rasterkraftmikroskop 30 an welchem in an sich üblicherweise eine Messspitze 31 angeordnet ist. Das Rasterkraftmikroskop 30 ist dazu ausgebildet, die Messspitze 31 (auch „Cantilever” genannt) im High-Speed-AFM-Modus über die Oberfläche des zu vermessenden Objekts M zu bewegen. Die Bewegung der Messspitze 31 in Z-Richtung (siehe Pfeil gemäß 2), d. h. in etwa senkrecht zu der zu vermessenden Oberfläche des Objekts M wird jedoch nicht in herkömmlicher Weise mittels des Rasterkraftmikroskops ausgewertet, sondern in dem der Messstrahl 2 an einem Messpunkt A auf die dem Objekt M abgewandte Oberfläche der Messnadel 31 trifft. Diese Oberfläche, auf welche der Messstrahl 2 auftrifft, ist als optischer Spiegel ausgebildet, um zumindest im Wellenlängenbereich des Messstrahls 2 eine hohe Reflektivität aufzuweisen.
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Wird nun mittels des Rasterkraftmikroskops 30 die Messnadel 31 über die Oberfläche des Objekts M bewegt, so wird in zuvor beschriebener Weise die Bewegung der Messnadel 31 interferometrisch ausgewertet, so dass aus den Bewegungsdaten der Messnadel 31 eine Oberflächentopografie der Oberfläche des Objekts M berechnet wird.
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Hierzu wird vorzugsweise ein Scannen des Messens durchgeführt, um die gesamte Oberfläche des Objekts M oder zumindest in einem Teilbereich eine vorgegebene Teilfläche der Oberfläche des Objekts M zu erfassen.
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Der Messpunkt A an der Messnadel 31 liegt auf der optischen Achse der optischen Linsen 5'', 5' und 5, um Messfehler zu vermeiden.
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In der Darstellung gemäß 2 ist die Messnadel 31 als Cantilever ausgebildet. Ebenso liegen andere, an sich bekannte Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung. Beispielsweise kann die Messnadel an einer rechteckigen, bevorzugt quadratischen Platte angeordnet sein, welche Platte an allen Ecken über jeweils eine Feder mit einer Aufhängung verbunden ist. Grundsätzlich ist es wünschenswert, die Messnadel derart anzuordnen, dass eine Bewegung in Z-Richtung möglich ist, jedoch ein Kippen bzw. eine Drehung der Messnadel um eine Anchse senkrecht zur Z-Achse möglichst vermieden wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Breitenbach, Gerd; ”Quantum state reconstruction of classical and nonclassical light and a cryogenic optomechanical sensor for high-precision interferometry”, Dissertation, Universität Konstanz, Juni 1998 insbesondere in Kapitel 6, Figur 6.12 [0024]
- „Experimental Observation of Contact Mode Cantilever Dynamics With Nanosecond Resolution”, Payton, et al. DOI: http:/dx.doi.org/10.1063/1.3575321 [0061]
