DE10246798B3 - Interferometric measuring device for surface examination with setting device for determining optical path difference between 2 partial beams in modulation interferometer - Google Patents

Interferometric measuring device for surface examination with setting device for determining optical path difference between 2 partial beams in modulation interferometer Download PDF

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Abstract

The measuring device uses a modulation interferometer (2), supplied with coherent radiation from a radiation source (1) and having a light conducting structure and a beam splitter, providing 2 partial beams which are given a relative phase or frequency shift, before being recombined and supplied to a test probe (3) via an optical fibre (6). The test probe provides a measuring beam and a reference beam directed onto the examined surface, a detector (4) receiving the reflected beams from a second optical fibre, evaluates their phase difference by an evaluation stage (5). The modulation interferometer has a setting device for adjusting the optical path difference between the 2 partial beams provided by the beam splitter.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Interferometrische Messvorrichtung zum Erfassen der Form, der Rauheit oder des Abstandes von Oberflächen mit einem Modulationsinterferometer, dem von einer Strahlungsquelle kurzkohärente Strahlung zugeführt wird und das zumindest teilweise eine lichtleitende Struktur in Form eines optischen Faserleiters oder einer integrierten Optik aufweist und einen ersten Strahlteiler zum Aufteilen der zugeführten Strahlung in einen über einen ersten Arm geführten ersten Teilstrahl und einen über einen zweiten Arm geführten zweiten Teilstrahl umfasst, von denen der eine gegenüber dem anderen mittels einer Modulationseinrichtung in seiner Licht-Phase oder Lichtfrequenz verschoben wird und eine Verzögerungsstrecke durchläuft, und die anschließend an einem weiteren Strahlteiler des Modulationsinterferomters vereinigt werden, mit einer von dem Modulationsinterferometer räumlich getrennten und mit diesem über eine Lichtleitfaseranordnung gekoppelten oder koppelbaren Messsonde, in der die vereinigten Teilstrahlen in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt und in der der an der Oberfläche reflektierte Messstrahl und der an einer Referenzebene reflektierte Referenzstrahl überlagert werden, und mit einer Empfängervorrichtung und einer Auswerteeinheit zum Umwandeln der ihr zugeleiteten Strahlung in elektrische Signale und zum Auswerten der Signale auf der Grundlage einer Phasendifferenz.The invention relates to a Interferometric measuring device for detecting the shape, the roughness or the distance from surfaces with a modulation interferometer, that of a radiation source short-coherent Radiation is supplied and at least partially a light-guiding structure in the form an optical fiber or an integrated optics and a first beam splitter for splitting the supplied radiation into one over a first arm led first partial beam and one over a second arm guided second Partial beam, one of which compared to the other by means of a Modulation device shifted in its light phase or light frequency and goes through a delay line, and which then are combined at a further beam splitter of the modulation interferometer, with a spatially separated from the modulation interferometer and with this via an optical fiber arrangement coupled or couplable measuring probe, in which the combined partial beams divided into a measuring beam and a reference beam and in the the one on the surface reflected measuring beam and the reference beam reflected at a reference plane are superimposed and with a receiver device and an evaluation unit for converting the radiation supplied to it into electrical signals and based on evaluating the signals a phase difference.

Eine derartige interferometrische Messeinrichtung ist in der US 4,627,731 und ähnlich auch in der DE 198 19 762 A1 angegeben. Bei diesen bekannten Messeinrichtungen ist ein Teil, das sogenannte Modulationsinterferometer, räumlich von der eigentlichen Messsonde getrennt und mit dieser optisch über eine Lichtleitfaseranordnung verbunden, so dass die Messsonde an sich als relativ einfach aufgebaute, leicht handhabbare Einheit ausgeführt werden kann. Dem Modulationsinterferometer, das gemäß der US 4,627,731 in beiden Armen eine Lichtleitfaseranordnung aufweist, wird eine breitbandige, kurzkohärente Strahlung zugeführt, die am Eingang des Modulationsinterferometers mittels eines Strahlteilers in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, von denen der eine gegenüber dem anderen mittels einer Modulationseinrichtung, beispielsweise einem akustooptischen Modulator, in seiner Licht-Phase oder Licht-Frequenz verschoben wird. Einer der beiden Teilstrahlen durchläuft in dem Modulationsinterferometer ein Verzögerungselement, das eine optische Wegdifferenz der beiden Teilstrahlen erzeugt, die größer ist als die Kohärenzlänge der kurzkohärenten Strahlung. In der Messsonde wird in einem Messzweig bezüglich eines Referenzzweigs eine weitere optische Wegdifferenz in der Weise erzeugt, dass die durch das Verzögerungselement bewirkte Wegdifferenz kompensiert wird und somit eine Interferenz der von der Referenzebene des Referenzzweigs kommenden Referenzstrahlung und der von der Objektoberfläche in dem Messzweig zurückkommenden Strahlung entsteht, die nachfolgend ausgewertet wird, um die gewünschte Oberflächeneigenschaft (Form, Rauhigkeit, Abstand) über eine Phasenauswertung zu ermitteln.Such an interferometric measuring device is in the US 4,627,731 and similar in the DE 198 19 762 A1 specified. In these known measuring devices, a part, the so-called modulation interferometer, is spatially separated from the actual measuring probe and optically connected to it via an optical fiber arrangement, so that the measuring probe itself can be designed as a relatively simple, easy-to-use unit. The modulation interferometer, which according to the US 4,627,731 Having an optical fiber arrangement in both arms, a broadband, short-coherent radiation is supplied, which is split into two partial beams at the input of the modulation interferometer by means of a beam splitter, one of which is compared to the other by means of a modulation device, for example an acousto-optical modulator, in its light phase or light frequency is shifted. One of the two partial beams passes through a delay element in the modulation interferometer, which generates an optical path difference of the two partial beams that is greater than the coherence length of the short-coherent radiation. In the measuring probe, a further optical path difference is generated in a measuring branch with respect to a reference branch in such a way that the path difference caused by the delay element is compensated and thus an interference of the reference radiation coming from the reference plane of the reference branch and the radiation returning from the object surface in the measuring branch arises, which is subsequently evaluated in order to determine the desired surface property (shape, roughness, distance) via a phase evaluation.

Eine ähnliche interferometrische Messeinrichtung mit einem derartigen Modulationsferometer und einer daran über eine Lichtleitfaseranordnung angeschlossenen Messsonde ist auch in der DE 198 08 273 A1 angegeben, wobei mittels einer Empfängervorrichtung in einer Strahlzerlegungs- und Strahlempfangseinheit eine Aufspaltung der zur Interferenz gebrachten Strahlung in Strahlungsanteile unterschiedlicher Wellenlängen erfolgt, um daraus eine synthetische Wellenlänge zu bilden und den Messbereich (Eindeutigkeitsbereich) zu vergrößern.A similar interferometric measuring device with such a modulation ferometer and a measuring probe connected to it via an optical fiber arrangement is also shown in FIG DE 198 08 273 A1 specified, with a receiver device in a beam splitting and beam receiving unit splitting the radiation brought into interference into radiation components of different wavelengths in order to form a synthetic wavelength therefrom and to enlarge the measuring range (uniqueness range).

Bei den vorstehend genannten interferometrischen Messeinrichtungen nach der DE 198 19 762 A1 und der DE 198 08 273 A1 , die auf dem Prinzip der Heterodyninterferometrie beruhen, aber die Eigenschaften einer breitbandigen, kurzkohärenten Strahlung ausnutzen, weist das als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildete Modulationsinterferometer eine Anordnung klassischer optischer Bauteile auf, wie eine vor dem eingangsseitigen Strahlteiler liegende Kollimationsoptik, den eingangsseitigen und ausgangsseitigen Strahlteiler und Umlenkspiegel. Die Teilstrahlen erfahren dabei mehrere Reflexionen an den Strahlteilerflächen und an den Spiegeln, bevor sie in die optische Lichtleiterfaseranordnung eingekoppelt werden. Die optischen Bauelemente müssen mit hoher Genauigkeit positioniert werden, da jeder Winkelfehler sich bei der Reflexion doppelt auswirkt. Dabei ist eine dauerhafte Justierung schwer sicher zu stellen. Auch im Zusammenhang mit der Einfügung einer Glasplatte zum Ausgleich von optischen Unsymmetrien können sich zusätzliche Schwierigkeiten bei der Justierung ergeben.In the above-mentioned interferometric measuring devices according to DE 198 19 762 A1 and the DE 198 08 273 A1 , which are based on the principle of heterodyne interferometry, but take advantage of the properties of broadband, short-coherent radiation, the modulation interferometer designed as a Mach-Zehnder interferometer has an arrangement of classic optical components, such as a collimation optics located in front of the input-side beam splitter, the input-side and output-side beam splitters and deflecting mirror. The partial beams experience several reflections on the beam splitter surfaces and on the mirrors before they are coupled into the optical fiber arrangement. The optical components must be positioned with high accuracy, since every angle error has a double effect on the reflection. It is difficult to ensure permanent adjustment. Additional difficulties in the adjustment can also arise in connection with the insertion of a glass plate to compensate for optical asymmetries.

Mit diesen Schwierigkeiten ist ein aufwendiger Aufbau verbunden, wobei außerdem eine genaue Anpassung an die Eigenschaften der Messsonde erforderlich ist.With these difficulties is one complex structure, and also an exact adjustment to the properties of the probe is required.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Messeinrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die mit vereinfachtem Aufbau eine möglichst hohe Messgenauigkeit erreichen lässt.The invention has for its object a to provide interferometric measuring device of the type mentioned at the outset, with a simplified structure, the highest possible measurement accuracy can be achieved.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, dass in dem Modulationsinterferometer eine Verstellvorrichtung vorhanden ist, mit der die optische Wegdifferenz beider Arme verstellbar ist.This object is achieved with the features of claim 1. According to this, an adjustment device is provided in the modulation interferometer device is available with which the optical path difference of both arms is adjustable.

Mit der Verstellvorrichtung wird nicht nur eine einfache Variationsmöglichkeit der optischen Wegdifferenz in den beiden Armen und eine einfache Anpassung an unterschiedliche Messsonden ermöglicht, sondern auch eine genau Abstimmung und Auswahl des Messstrahls erreicht.With the adjustment device not just a simple way to vary the optical path difference in both arms and easy adjustment to different Measuring probes enables but also an exact coordination and selection of the measuring beam achieved.

Die Genauigkeit der Messergebnisse wird dadurch begünstigt, dass die lichtleitende Struktur polarisationserhaltend ausgebildet ist. Diese Ausbildung der lichtleitenden Struktur ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Lichtwelle polarisiert ist und/oder wenn die Modulationseinrichtung, beispielsweise akustooptische Modulatoren, aus doppelbrechenden Kristallen gebildet sind oder wenn der Einbau von Koppelelementen eine nicht genügende Stabilität der Polarisationsrichtungen in den Armen des Modulationsinterferometers ergibt.The accuracy of the measurement results is favored by that the light-guiding structure is polarization-maintaining is. This formation of the light-guiding structure is special advantageous if the light wave is polarized and / or if the Modulation device, for example acousto-optical modulators, are formed from birefringent crystals or when fitting coupling elements have insufficient stability of the polarization directions in the arms of the modulation interferometer.

Mit der Maßnahme, dass die lichtleitende Struktur zumindest eines Arms aufgetrennt ist, lässt sich eine einfache Anpassung der optischen Wegdifferenz erzielen.With the measure that the light-guiding structure at least one arm is separated, a simple adjustment can be made achieve the optical path difference.

Für die Handhabung und eine einfache Anpassung der Messeinrichtung z.B. in Verbindung mit unterschiedlichen Messsonden sind weiterhin die Maßnahmen vorteilhaft, dass Faserabschnitte des oder der Faserleiter mit Steckkupplungen versehen sind.For the handling and simple adjustment of the measuring device e.g. the measures are still in connection with different measuring probes advantageous that fiber sections of the fiber or the fiber with plug-in couplings are provided.

Die Funktionsweise und der Aufbau werden weiterhin dadurch begünstigt, dass die Verzögerungsstrecke eine optische Wegdifferenz zwischen den beiden Teilstrahlen erzeugt, die größer ist als die Kohärenzlänge der von der kurzkohärenten Strahlungsquelle abgegebenen Strahlung und dass in der Messsonde zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl eine weitere optische Wegdifferenz erzeugt wird, mit der die durch die Verzögerungsstrecke erzeugte Wegdifferenz kompensiert wird. Hierdurch wird ein Interferieren der beiden Teilstrahlen vor dem Eintritt in die Messsonde vermieden und erst nach der Reflexion an der Oberfläche und an der Referenzebene erzeugt und ein Kohärenzmultiplex erreicht.The way it works and the structure continue to benefit from that the delay line generates an optical path difference between the two partial beams, which is bigger than the coherence length of the from the short-coherent Radiation source emitted radiation and that in the measuring probe another optical between the measuring beam and the reference beam Path difference is generated with which through the delay line generated path difference is compensated. This will interfere of the two partial beams avoided before entering the measuring probe and only after reflection on the surface and on the reference plane generated and a coherence multiplex reached.

Ein erweiterter Messbereich (Eindeutigkeitsbereich) wird dadurch erhalten, dass die Empfängervorrichtung eine über eine weitere Lichtleitfaseranordnung an die Messsonde gekoppelte Strahlzerlegungseinheit zum Zerlegen der aufgenommenen Strahlung in Spektralanteile unterschiedlicher Wellenlängen aufweist, die jeweils zugeordneten photoelektrischen Empfängern zugeführt werden, um in einer nachgeordneten Empfängereinheit eine größere synthetische Wellenlänge Λ zu bilden. Hierdurch wird die breitbandige Strahlung vorteilhaft ausgenutzt.An extended measuring range (uniqueness range) is obtained in that the receiver device has a further optical fiber arrangement coupled to the measuring probe beam splitting unit to split the recorded radiation into different spectral components wavelength which are assigned to assigned photoelectric receivers, around in a downstream receiver unit a larger synthetic To form wavelength Λ. As a result, the broadband radiation is advantageously used.

Unsymmetrien in der optischen Übertragung innerhalb der beiden Arme können günstig beeinflusst und eine optische Wegdifferenz kann dadurch allein oder zusätzlich vorgegeben werden, dass in zumindest einem Arm eine Glasplatte fest oder austauschbar eingebracht ist.Asymmetries in optical transmission within of the two arms can Cheap influenced and an optical path difference can alone or additionally be specified that a glass plate is fixed in at least one arm or is interchangeably introduced.

Für einen einfachen Aufbau sind weiterhin die Maßnahmen vorteilhaft, dass zum zumindest teilweisen Erzeugen der Verzögerungsstrecke in einem Arm eine längere Lichtleitfaser als optischer Umweg eingesetzt ist als in dem anderen.For a simple structure, the measures are advantageous that at least partially generating the delay line in one arm a longer one Optical fiber is used as an optical detour than in the other.

Ein einfacher Aufbau, mit dem genaue Messergebnisse erzielbar sind, besteht darin, dass in jedem Arm eine an dem ersten Strahlteiler angeschlossene eingangsseitige Lichtleitfaser und eine zu dem weiteren Strahlteiler führende ausgangsseitige Lichtleitfaser angeordnet sind und dass zwischen den eingangsseitigen Lichtleitfasern und den ausgangsseitigen Lichtleitfasern in den beiden Armen jeweils ein akustooptischer Modulator zwischengeschaltet ist, wobei den Ausgängen der eingangsseitigen Lichtleitfasern und den Eingängen der aus gangsseitigen Lichtleitfasern jeweils linsenförmige Koppelelemente zugeordnet sind.A simple structure with the exact Measurement results can be achieved is that in each arm an input-side optical fiber connected to the first beam splitter and an output-side optical fiber leading to the further beam splitter are arranged and that between the input-side optical fibers and the optical fibers on the output side in each of the two arms an acousto-optical modulator is interposed, the outputs the input-side optical fibers and the inputs of the lens-shaped coupling elements are assigned to each of the optical fibers on the aisle side are.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below of embodiments explained in more detail with reference to the drawings. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Gesamtaufbaus einer interferometrischen Messeinrichtung mit Modulationsinterferometer und Messsonde und 1 a schematic representation of an overall structure of an interferometric measuring device with modulation interferometer and measuring probe and

2 eine nähere Ausgestaltung des in 1 gezeigten Modulationsinterferometers. 2 a more detailed description of the in 1 modulation interferometer shown.

Ausführungsbeispielembodiment

Wie 1 zeigt, weist die auf dem Prinzip der Heterodyninterferometrie beruhende interferometrische Messeinrichtung eine breitbandige, kurzkohärente Lichtquelle 1 auf, deren Strahlung einem sogenannten Modulationsinterferometer 2 zugeführt wird. In dem Modulationsinterferometer 2, das in 2 näher dargestellt ist, wird die Strahlung an einem ersten Strahlteiler 2.3 in einen über einen ersten Arm geführten ersten Teilstrahl 2.1 und einen über einen zweiten Arm geführten zweiten Teilstrahl 2.1' aufgeteilt und ausgangsseitig an einem weiteren Strahlteiler 2.10 wieder zusammengeführt und von dort über eine Lichtleitfaseranordnung 6 in eine entfernte Messsonde 3 geleitet. Von der Messsonde 3, die z.B. als Michelson-Interferomter oder Mirau-Interferometer aufgebaut ist, wie in den eingangs genannten Druckschriften näher erläutert, gelangt die Strahlung anschließend über eine weitere Lichtleitfaseranordnung 7 in eine Empfängervorrichtung 4 mit einer Strahlzerlegungseinheit 4.1 und anschließenden photoelektrischen Empfängern 4.2, in denen eine Umwandlung in elektrische Signale erfolgt. In einer anschließenden Auswerteeinheit 5 mit Phasendetektor 5.1 und Recheneinheit 5.2 werden dann die mittels der Messsonde 3 aufgenommenen Eigenschaften der Messoberfläche (z.B. Rauhigkeit, Form, Abstände) ermittelt.How 1 shows, the interferometric measuring device based on the principle of heterodyne interferometry has a broadband, short-coherent light source 1 on whose radiation is a so-called modulation interferometer 2 is fed. In the modulation interferometer 2 , this in 2 is shown in more detail, the radiation at a first beam splitter 2.3 into a first partial beam guided over a first arm 2.1 and a second partial beam guided over a second arm 2.1 'split and on the output side on another beam splitter 2.10 merged again and from there via an optical fiber arrangement 6 into a distant probe 3 directed. From the measuring probe 3 Which is constructed, for example, as a Michelson interferometer or Mirau interferometer, as explained in more detail in the publications mentioned at the outset, the radiation then passes through a further optical fiber arrangement 7 into a receiver device 4 with a beam splitting unit 4.1 and subsequent photoelectric receivers 4.2 in which a conversion into electrical signals takes place. In a subsequent evaluation unit 5 with phase detector 5.1 and arithmetic unit 5.2 are then by means of the measuring probe 3 recorded properties of the measuring surface (e.g. roughness, shape, Ab levels) determined.

Das Modulationsinterferometer 2 ist als Mach-Zehnder-Interferometer aufgebaut, wobei die beiden Arme im Anschluss an den ersten Strahlteiler 2.3 erste bzw. zweite eingangsseitige Lichtleitfasern 2.1 1, 2.1 1' und erste bzw. zweite ausgangsseitige Lichtleitfasern 2.12, 2.12' aufweisen, die zu dem weiteren Strahlteiler 2.10 führen. Der erste Strahlteiler 2.3 ist dabei in einem Faserlichtleiter ausgebildet, mit dem die von der Lichtquelle 1 kommende Strahlung herangeführt wird. Am Ausgang des so gebildeten Kopplers werden die Teilstrahlen mittels linsenartiger Koppelelemente 2.4, 2.4' kollimiert, und die beiden kollimierten Teilstrahlen durchlaufen eine erste bzw. zweite Modulationseinheit 2.2, 2.2', beispielsweise in Form eines akustooptischen Modulators, eines faseroptischen Piezomodulators oder eines thermischen Phasenmodulators, wobei die Modulationseinheiten 2.2, 2.2' vorteilhaft auch als integrierte optische Bauteile ausgebildet sein können. Um die chromatische Dispersion zu korrigieren, durchläuft zumindest einer der Teilstrahlen 2.1, 2.1' eine Glasplatte 2.7', die in einer ersten bzw. zweiten Licht-strecke 2.5, 2.5' angeordnet ist. Die Wahl zur Anord nung der Glasplatte 2.7' und/oder auch deren Dicke bestimmt sich durch Rechnung. Im weiteren Verlauf werden der erste Teilstrahl 2.1 und der zweite Teilstrahl 2.1' auf ein erstes bzw. zweites linsenartiges Lichtleitelement 2.6, 2.6' geleitet und in die erste bzw. zweite ausgangsseitige Lichtleitfaser 2.12, 2.12' eingekoppelt. Die erste oder die zweite ausgangsseitige Lichtleitfaser 2.12, 2.12' besitzt eine größere optische Weglänge als die andere Lichtleitfaser in dem Ausmaß, dass der optische Wegunterschied zwischen den beiden Armen größer ist als die Kohärenzlänge der kurzkohärenten Strahlung nach ihrem Durchlauf durch die Filter 4.3 und 4.3'. Eines der linsenartigen Koppelelemente 2.4, 2.4' oder der Lichtleitelemente 2.6, 2.6', beispielsweise das Lichtleitelement 2.6' ist an einer Justiervorrichtung 2.8' befestigt, mit der die optische Wegdifferenz von Hand oder mit einem Motor z.B. unter Benutzung eines Mikrometertisches in der Weise verstellt werden kann, dass die Wegdiffe-renz zwischen den beiden Armen auf diejenige der Messsonde 3 abgestimmt wird, um mit der Messsonde 3 eine Interferenz zu bewirken. Die verwendeten Lichtleitphasern 2.11, 2.11', 2.12, 2.12' sind monomod. Außerdem sind sie vorteilhafterweise polarisationserhaltend, insbesondere, wenn die Lichtquelle 1 polarisiert ist und/oder wenn die Modulationseinheiten 2.2, 2.1' aus doppel-brechenden Kristallen gebildet sind und/oder wenn die Montage an den Koppel-stellen keine befriedigende Stabilität bezüglich der Polarisationsrichtungen in den beiden Interferometerarmen ergibt. Zum Erzielen der optischen Wegdifferenz ist beispielsweise in der zweiten ausgangsseitigen Lichtleitfaser 2.12' ein optischer Umweg 2.9' vorgesehen.The modulation interferometer 2 is constructed as a Mach-Zehnder interferometer, with the two arms following the first beam splitter 2.3 first and second input-side optical fibers 2.1 1, 2.1 1 ' and first and second output-side optical fibers 2.12 . 2.12 ' have to the further beam splitter 2.10 to lead. The first beam splitter 2.3 is formed in a fiber optic with which the light source 1 coming radiation is introduced. At the output of the coupler thus formed, the partial beams are created by means of lens-like coupling elements 2.4 . 2.4 'collimated, and the two collimated partial beams pass through a first and a second modulation unit 2.2 . 2.2 ', for example in the form of an acousto-optical modulator, a fiber-optic piezo modulator or a thermal phase modulator, the modulation units 2.2 . 2.2 'can advantageously also be designed as integrated optical components. In order to correct the chromatic dispersion, at least one of the partial beams passes through 2.1 . 2.1 'a glass plate 2.7 ', in a first or second light range 2.5 . 2.5 'is arranged. The choice for arranging the glass plate 2.7 'and / or their thickness is determined by invoice. In the further course, the first partial beam 2.1 and the second sub-beam 2.1 'on a first or second lens-like light guide element 2.6 . 2.6 'passed and into the first or second optical fiber on the output side 2.12 . 2.12 ' coupled. The first or the second optical fiber on the output side 2.12 . 2.12 ' has a greater optical path length than the other optical fiber to the extent that the optical path difference between the two arms is greater than the coherence length of the short-coherent radiation after it has passed through the filter 4.3 and 4.3 '. One of the lens-like coupling elements 2.4 . 2.4 'or the light guide elements 2.6 . 2.6 ', for example the light guide element 2.6 'is on an adjustment device 2.8 'with which the optical path difference can be adjusted by hand or with a motor, for example using a micrometer table, in such a way that the path difference between the two arms is that of the measuring probe 3 is tuned to with the measuring probe 3 to cause interference. The optical fibers used 2.11 . 2.11 ' . 2.12 . 2.12 ' are monomod. In addition, they are advantageously polarization-maintaining, especially when the light source 1 is polarized and / or if the modulation units 2.2 . 2.1 'are formed from birefringent crystals and / or if the assembly at the coupling points does not result in satisfactory stability with regard to the polarization directions in the two interferometer arms. To achieve the optical path difference is, for example, in the second optical fiber on the output side 2.12 ' an optical detour 2.9 ' intended.

Die zum Aufnehmen der Objektoberfläche dienende Sonde 3, die beispielsweise als Michelson-Interferometer oder Mirau-Interferometer aufgebaut ist, weist einen Referenzzweig mit einer Referenzebene und einen zu der Objektoberfläche führen den Messzweig auf, deren optischen Wegdifferenzen so gewählt sind, dass die in dem Modulationsinterferometer 2 erzeugte optische Wegdifferenz kompensiert wird, so dass der von der Objektoberfläche kommende Messstrahl und der von der Referenzebene kommende Referenzstrahl bei ihrer Überlagerung interferieren. Die interferierende Strahlung wird zur spektralen Aufteilung in Anteile unterschiedlicher Wellenlängen der Strahlzerlegungseinheit 4.1 und anschließend den zugeordneten photoelektrischen Empfängern 4.2 zugeführt. Aus der interferierenden Strahlung und den daraus gewonnen elektrischen Signalen wird durch Auswertung der Phasendifferenzen die gewünschte Oberflächeneigenschaft mittels des Phasendetektors 5.1 und der anschließenden Recheneinheit 5.2 ermittelt. Dabei entsteht die ausgewertete Phasendifferenz durch die mit der ersten und/oder zweiten Modulationseinheit 2.2, 2.2' erzeugte Frequenzdifferenz, die entsprechend dem Heterodynverfahren bezogen auf die Grundfrequenz relativ gering ist. Die Berechnung erfolgt aufgrund der Beziehung: Δφ = 2π·(2e/Λ) + φ0wobei
φ0 eine Konstante,
Λ = λ1·λ2/(λ2 – λ1) synthetische Wellenlänge der Messvorrichtung
λ1 Wellenlänge an einem ersten photoelektrischen Empfänger
λ2 Wellenlänge an einem zweiten photoelektrischen Empfänger
e Messabstand
sind. Daraus wird mittels der Auswerteeinheit 5 der jeweils erfasste Abstand der Oberfläche an einer Messstelle bestimmt aus der Beziehung: e = Δφ/(2π)·(Λ/2). The probe used to record the surface of the object 3 , which is constructed, for example, as a Michelson interferometer or Mirau interferometer, has a reference branch with a reference plane and the measuring branch leading to the object surface, the optical path differences of which are selected such that those in the modulation interferometer 2 generated optical path difference is compensated so that the measuring beam coming from the object surface and the reference beam coming from the reference plane interfere when they are superimposed. The interfering radiation becomes the spectral division into portions of different wavelengths of the beam splitting unit 4.1 and then the associated photoelectric receivers 4.2 fed. The interfering radiation and the electrical signals obtained from it, by evaluating the phase differences, become the desired surface property by means of the phase detector 5.1 and the subsequent computing unit 5.2 determined. The evaluated phase difference arises from that with the first and / or second modulation unit 2.2 . 2.2 'Generated frequency difference, which is relatively small in relation to the fundamental frequency according to the heterodyne method. The calculation is based on the relationship: Δφ = 2π · (2e / Λ) + φ0 in which
φ0 a constant,
Λ = λ 1 · λ 2 / (λ 2 - λ 1 ) synthetic wavelength of the measuring device
λ 1 wavelength at a first photoelectric receiver
λ 2 wavelength at a second photoelectric receiver
e measurement distance
are. This becomes by means of the evaluation unit 5 the distance between the surface at a measuring point determines the relationship: e = Δφ / (2π) · (Λ / 2).

Das Abstandsmaß e wird also bestimmt aus einer Messung der Phase zwischen zwei elektrischen Signalen, wodurch die Messung unabhängig von der durch die Photodioden empfangenen optischen Intensität ist.The distance measure e is therefore determined from a Measurement of the phase between two electrical signals, resulting in the Measurement regardless of is the optical intensity received by the photodiodes.

Claims (9)

Interferometrische Messvorrichtung zum Erfassen der Form, der Rauheit oder des Abstandes von Oberflächen – mit einem Modulationsinterferometer (2), dem von einer Strahlungsquelle (1) kurzkohärente Strahlung zugeführt wird und das zumindest teilweise eine lichtleitende Struktur in Form eines optischen Faserleiters oder einer integrierten Optik aufweist und einen ersten Strahlteiler (2.3) zum Aufteilen der zugeführten Strahlung in einen über einen ersten Arm geführten ersten Teilstrahl (2.1) und einen über einen zweiten Arm geführten zweiten Teilstrahl (2.1') umfasst, von denen der eine gegenüber dem anderen mittels einer Modulationseinrichtung (2.2, 2.2') in seiner Licht-Phase oder Lichtfrequenz verschoben wird und eine Verzögerungsstrecke (2.9') durchläuft, und die anschließend an einem weiteren Strahlteiler (2.10) des Modulationsinterferomters (2) vereinigt werden, – mit einer von dem Modulationsinterferometer (2) räumlich getrennten und mit diesem über eine Lichtleitfaseranordnung (6) gekoppelten oder koppelbaren Messsonde (3), in der die vereinigten Teilstrahlen in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt und in der der an der Oberfläche reflektierte Messstrahl und der an einer Referenzebene reflektierte Referenzstrahl überlagert werden, und – mit einer Empfängervorrichtung (4) und einer Auswerteeinheit (5) zum Umwandeln der ihr zugeleiteten Strahlung in elektrische Signale und zum Auswerten der Signale auf der Grundlage einer Phasendifferenz, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Modulationsinterferometer (2) eine Verstellvorrichtung (2.8') vorhanden ist, mit der die optische Wegdifferenz zwischen beiden Armen verstellbar ist.Interferometric measuring device for detecting the shape, roughness or distance of surfaces - with a modulation interferometer ( 2 ) from a radiation source ( 1 ) short-coherent radiation is supplied and which at least partially has a light-guiding structure in the form of an optical fiber guide or integrated optics and a first beam splitter ( 2.3 ) for dividing the radiation supplied into a guided over a first arm th first beam ( 2.1 ) and a second partial beam guided over a second arm ( 2.1 '), one of which is compared to the other by means of a modulation device ( 2.2 . 2.2 ') is shifted in its light phase or light frequency and a delay line ( 2.9 ') passes through, and which is then connected to another beam splitter ( 2.10 ) of the modulation interferometer ( 2 ) are combined - with one of the modulation interferometers ( 2 ) spatially separated and with this via an optical fiber arrangement ( 6 ) coupled or couplable measuring probe ( 3 ), in which the combined partial beams are divided into a measuring beam and a reference beam and in which the measuring beam reflected on the surface and the reference beam reflected on a reference plane are superimposed, and - with a receiver device ( 4 ) and an evaluation unit ( 5 ) for converting the radiation supplied to it into electrical signals and for evaluating the signals on the basis of a phase difference, characterized in that in the modulation interferometer ( 2 ) an adjustment device ( 2.8 ') is available with which the optical path difference between the two arms can be adjusted. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtleitende Struktur (2.11, 2.11', 2.12, 2.12') polarisationserhaltend ausgebildet ist.Measuring device according to claim 1, characterized in that the light-guiding structure ( 2.11 . 2.11 ' . 2.12 . 2.12 ' ) is designed to maintain polarization. Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtleitende Struktur (2.11, 2.11', 2.12, 2.12') zumindest eines Arms aufgetrennt ist.Measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the light-conducting structure ( 2.11 . 2.11 ' . 2.12 . 2.12 ' ) at least one arm is separated. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Faserabschnitte des oder der Faserleiter (2.11, 2.11', 2.12, 2.12') mit Steckkupplungen versehen sind.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that fiber sections of the fiber conductor or fibers ( 2.11 . 2.11 ' . 2.12 . 2.12 ' ) are provided with plug-in couplings. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsstrecke eine optische Wegdifferenz zwischen den beiden Teilstrahlen (2.1, 2.1') erzeugt, die größer ist als die Kohärenzlänge der von der kurzkohärenten Strahlungsquelle (1) abgegebenen Strahlung nach ihrem Durchlauf durch die Filter 4.3 und 4.3' und dass in der Messsonde (3) zwischen dem Messstrahl und dem Referenzstrahl eine weitere optische Wegdifferenz erzeugt wird, mit der die durch die Verzögerungsstrecke erzeugte Wegdifferenz kompensiert wird.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the delay line has an optical path difference between the two partial beams ( 2.1 . 2.1 ') which is greater than the coherence length of the short-coherent radiation source ( 1 ) emitted radiation after it has passed through the filter 4.3 and 4.3 'and that in the measuring probe ( 3 ) a further optical path difference is generated between the measuring beam and the reference beam, with which the path difference generated by the delay path is compensated. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängervorrichtung (4) eine über eine weitere Lichtleitfaseranordnung (7) an die Messsonde (3) gekoppelte Strahlzerlegungseinheit (4.1) zum Zerlegen der aufgenommenen Strahlung in Spektralanteile unterschiedlicher Wellenlängen aufweist, die jeweils zugeordneten photoelektrischen Empfängern (4.2) zugeführt werden, um in einer nachgeordneten Empfängereinheit (5) eine größere synthetische Wellenlänge Λ zu bilden.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the receiver device ( 4 ) via a further optical fiber arrangement ( 7 ) to the measuring probe ( 3 ) coupled beam splitting unit ( 4.1 ) for decomposing the recorded radiation into spectral components of different wavelengths, the respectively assigned photoelectric receivers ( 4.2 ) to be fed in a downstream receiver unit ( 5 ) to form a larger synthetic wavelength Λ. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Arm eine Glasplatte (2.7') fest oder austauschbar eingebracht ist.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that in at least one arm a glass plate ( 2.7 ') is fixed or interchangeable. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum zumindest teilweisen Erzeugen der Verzögerungsstrecke in einem Arm eine längere Lichtleitfaser (2.12') als optischer Umweg (2.9') eingesetzt ist.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that for the at least partial generation of the delay line in an arm a longer optical fiber ( 2.12 ' ) as an optical detour ( 2.9 ') is used. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Arm eine an dem ersten Strahlteiler (2.3) angeschlossene eingangsseitige Lichtleitfaser (2.11, 2.11') und eine zu dem weiteren Strahlteiler (2.10) führende ausgangsseitige Lichtleitfaser (2.12, 2.12') angeordnet sind und dass zwischen den eingangsseitigen Lichtleitfasern (2.11, 2.11') und den ausgangsseitigen Lichtleitfasern (2.12, 2.12') in den beiden Armen jeweils ein akustooptischer Modulator (2.2, 2.2') zwischengeschaltet ist, wobei den Ausgängen der eingangsseitigen Lichtleitfasern (2.11, 2.11') und den Eingängen der ausgangsseitigen Lichtleitfasern (2.12, 2.12') jeweils linsenförmige Koppelelemente (2.4, 2.4', 2.6, 2.6') zugeordnet sind.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that in each arm one on the first beam splitter ( 2.3 ) connected optical fiber on the input side ( 2.11 . 2.11 ' ) and one to the other beam splitter ( 2.10 ) leading optical fiber on the output side ( 2.12 . 2.12 ' ) are arranged and that between the optical fibers on the input side ( 2.11 . 2.11 ' ) and the optical fibers on the output side ( 2.12 . 2.12 ') an acousto-optical modulator in each of the two arms ( 2.2 . 2.2 ') is interposed, the outputs of the input-side optical fibers ( 2.11 . 2.11 ' ) and the inputs of the optical fibers on the output side ( 2.12 . 2.12 ' ) each lens-shaped coupling elements ( 2.4 . 2.4 ' . 2.6 . 2.6 ' ) assigned.
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