DE10324044A1

DE10324044A1 - Interferometeranordnung und Verwendung der Interferometeranordnung

Info

Publication number: DE10324044A1
Application number: DE10324044A
Authority: DE
Inventors: Elmar Krebs; Carsten Dr. Schuh; Andreas Wolff; Claus Zumstrull
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2023-05-28
Also published as: WO2004106848A1; DE10324044B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Interferometeranordnung (1) zum Bestimmen einer veränderlichen relativen Lage (45) einer ein Weißlicht zumindest teilweise reflektierenden Probenoberfläche (41) eines Probenkörpers (40) und einer das Weißlicht zumindest teilweise reflektierenden Referenzoberfläche (51) eines Referenzkörpers (50). Daneben wird die Verwendung der Interferometeranordnung angegeben. Aufgrund der kurzen Kohärenzlänge der Lichtquelle (2) des Weißlichts kann eine Änderung eines Ausmaßes eines beliebigen Probenkörpers mit einer Auflösung von wenigen zehntel mum erzielt werden. Die Interferometeranordnung wird beispielsweise zum Bestimmen von Alterungsprozessen eines Piezoaktors in monolithischer Vielschichtbauweise verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Interferometeranordnung zum Bestimmen einer veränderlichen relativen Lage einer ein Weißlicht zumindest teilweise reflektierenden Probenoberfläche eines Probenkörpers und eine das Weißlicht zumindest teilweise reflektierenden Referenzoberfläche eines Referenzkörpers zueinander, aufweisend mindestens eine Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahls mit dem Weißlicht, wobei die Lichtquelle eine bestimmten Kohärenzlänge aufweist, mindestens einen Strahlteiler zum Zerlegen des Lichtstrahls in ein Teilbündel mit einem Lichtweg und in mindestens ein weiteres Teilbündel mit einem weiteren Lichtweg, mindestens einen weiteren Strahlteiler zum Zerlegen des Teilbündels in ein Probenteilbündel zur Reflexion des Probenteilbündels an der Probenoberfläche und in ein Referenzteilbündel zur Reflexion des Referenzteilbündels an der Referenzoberfläche, mindestens ein Mittel zum Überlagern des weiteren Teilbündels, des von der Probenoberfläche reflektierten Probenteilbündels und des von der Referenzoberfläche reflektierten Referenzteilbündels, wobei durch das Überlagern ein Interferenzmuster entsteht, mindestens einen Detektor des Interferenzmusters zum Erstellen eines Weißlichtinterferogramms, mindestens ein Mittel zum Einstellen einer Längendifferenz zwischen dem Lichtweg des Teilbündels und dem Lichtweg des weiteren Teilbündels und mindestens ein Mittel zum Bestimmen der relativen Lage der Probenoberfläche des Probenkörpers zur Referenzoberfläche des Referenzkörpers aus mehreren, in Abhängigkeit von der eingestellten Längendifferenz der Lichtwege erstellten Weißlichtinterferogrammen. Daneben wird ein Verfahren zum Bestimmen einer veränderlichen relativen Lage einer Probenoberfläche eines Probenkörpers und einer Referenzoberfläche eines Referenzkörpers zueinander mit Hilfe der Interferometeranordnung angegeben.
Eine beschriebene Interferometeranordnung und ein Verfahren unter Verwendung der Interferometeranordnung ist beispielsweise aus DE 100 41 041 A1 bekannt. Die Interferometeranordnung basiert auf der sogenannten Weißlichtinterferometrie. Bei der Weißlichtinterferometrie wird Weißlicht verwendet, das sich aus elektromagnetischer Strahlung aus einem größeren Wellenlängenbereich zusammensetzt.
Die Lichtquelle des Weißlichts zeichnet sich durch eine vergleichsweise kurze Kohärenzlänge aus. Über die Kohärenzlänge einer Lichtquelle besteht eine bestimmte Phasenkorrelation der elektromagnetischen Strahlung der Lichtquelle. Für ein breitbandiges Weißlicht, beispielsweise das Licht der Sonne, beträgt die Kohärenzlänge nur wenige μm.
In Harry Chou et al., Hewlett Packard Journal, Februar 1993, Seiten 52–59, ist das Prinzip der Weißlichtinterferometrie beschrieben. Danach kann die Lichtquelle des Weißlichts mit der kurzen Kohärenzlänge als Lichtquelle verstanden werden, die kontinuierlich kohärente Wellenpakete emittiert. Diese Wellenpakete breiten sich wie optische Pulse aus. Die Länge bzw. die Breite der Wellenpakete in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls entspricht der Kohärenzlänge der Lichtquelle. Wird ein solches Wellenpaket durch einen Strahlteiler in zwei Teilbündel bzw. in zwei Teilwellenpakete aufgeteilt und durchlaufen diese beiden Teilwellenpakete unterschiedlich lange Lichtwege (optischen Weglängen), so führt ihre anschließende Überlagerung dann zu einem durch Interferenz erhöhten Messsignal, wenn die Lichtwege der Teilwellenpakete zwischen Aufteilung und anschließendem Überlagern mit einer Genauigkeit übereinstimmen, die der Länge des Wellenpakets und damit der Kohärenzlänge der Lichtquelle entspricht.
Bei der bekannten Interferometeranordnung wird ein semitransparenter Referenzkörper verwendet, der nicht nur die Referenzoberfläche aufweist, sondern der auch als weiterer Strahlteiler zum Zerlegen des Teilbündels in ein Probenteilbündel und in ein Referenzteilbündel fungiert. Der semitransparente Referenzkörper ist derart ausgestaltet, dass ein Teil des Weißlichts des Teilbündels reflektiert und ein weiterer Teil des Weißlichts des Teilbündels transmittiert wird. Der Referenzkörper und der Probenkörper sind derart angeordnet, dass das durch den Referenzkörper hindurchtretende Weißlicht des Teilbündels auf die Probenoberfläche des Probenkörpers gelangt, dort reflektiert wird und wieder durch den semitransparenten Referenzkörper hindurchtritt.
Nach der Reflexion des Probenteilbündels an der Probenoberfläche und der Reflexion des Referenzteilbündels an der Referenzoberfläche werden die reflektierten Teilbündel mit dem durch den Strahlteiler abgeteilten weiteren Teilbündel überlagert. Es kommt zur Interferenz des weiteren Teilbündels, des reflektierten Probenteilbündels und des reflektierten Referenzteilbündels. Es wird ein Interferenzmuster erhalten, das mit Hilfe einer CCD(charge coupled device)-Kamera detektiert und in ein Weißlichtinterferogramm umgewandelt wird.
Das durch das Überlagern erhaltene Interferenzmuster hängt vom Abstand der Probenoberfläche und der Referenzoberfläche zueinander ab. Dies wird zum Bestimmen des Abstands zwischen den Oberflächen ausgenutzt. Dazu werden bei unterschiedlichen Längendifferenzen des Lichtwege des auf die Probenoberfläche und die Referenzoberfläche gerichteten Teilbündels und des weiteren Lichtwegs des weiteren Teilbündels mehrere Weißlichtinterferogramme erstellt. Mit Hilfe eines Computers und eines entsprechenden Rechenprogramms wird aus dem bei den unterschiedlichen Längendifferenzen erstellten Weißlichtinterferogrammen der Abstand zwischen der Probenoberfläche und der Referenzoberfläche ermittelt.
Da das Teilbündel auf die Referenzoberfläche des Referenzkörpers und auf die Probenoberfläche des Probenkörpers gerichtet wird, funktioniert die bekannte Interferometeranordnung nur bei Verwendung eines transparenten Probenkörpers. Ein Teil des Teilbündels muss durch den Referenzkörper hindurchtreten können, um an die Probenoberfläche des Probenkörpers zu gelangen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Weißlicht-Interferometeranordnung zum Bestimmen einer veränderbaren relativen Lage einer Probenoberfläche eines Probenkörpers und einer Referenzoberfläche eines Referenzkörpers zueinander anzugeben, die unabhängig von einer Transparenzeigenschaft des Referenzkörper bezüglich des Weißlichts der Lichtquelle ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Interferometeranordnung zum Bestimmen einer veränderlichen relativen Lage einer ein Weißlicht zumindest teilweise reflektierenden Probenoberfläche eine Probenkörpers und eine das Weißlicht zumindest teilweise reflektierenden Referenzoberfläche eines Referenzkörpers zueinander angegeben, aufweisend mindestens eine Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahls mit dem Weißlicht, wobei die Lichtquelle eine bestimmten Kohärenzlänge aufweist, mindestens einen Strahlteiler zum Zerlegen des Lichtstrahls in ein Teilbündel mit einem Lichtweg und in mindestens ein weiteres Teilbündel mit einem weiteren Lichtweg, mindestens einen weiteren Strahlteiler zum Zerlegen des Teilbündels in ein Probenteilbündel zur Reflexion des Probenteilbündels an der Probenoberfläche und in ein Referenzteilbündel zur Reflexion des Referenzteilbündels an der Referenzoberfläche, mindestens ein Mittel zum Überlagern des weiteren Teilbündels, des von der Probenoberfläche reflektierten Probenteilbündels und des von der Referenzoberfläche reflektierten Referenzteilbündels, wobei durch das Überlagern ein Interferenzmuster entsteht, mindestens einen Detektor des Interferenzmusters zum Erstellen eines Weißlichtinterferogramms, mindestens ein Mittel zum Einstellen einer Längendifferenz zwischen dem Lichtweg des Teilbündels und dem Lichtweg des weiteren Teilbündels und mindestens ein Mittel zum Bestimmen der relativen Lage der Probenoberfläche des Probenkörpers zur Referenzoberfläche des Referenzkörpers aus mehreren, in Abhängigkeit von der eingestellten Längendifferenz der Lichtwege erstellten Weißlichtinterferogrammen. Die Interferometeranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Strahlteiler derart ausgestalten ist, dass das Probenteilbündel im Wesentlichen nur auf die Probenoberfläche und das Referenzteilbündel im Wesentlichen nur auf die Referenzoberfläche gerichtet ist.

Darüber hinaus wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zum Bestimmen einer veränderlichen relativen Lage einer Probenoberfläche eines Probenkörpers und einer Referenzoberfläche eines Referenzkörpers zueinander mit Hilfe der Interferometeranordnung angegeben. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf: a) Einstellen der Längendifferenz zwischen dem Lichtweg des Teilbündels und dem Lichtweg des weiteren Teilbündels, b) Überlagern des weiteren Teilbündels, des von der Probenoberfläche reflektierten Probenteilbündels und des von der Referenzoberfläche reflektierten Referenzteilbündels, wobei ein Interferenzmuster entsteht, c) Erfassen des Interferenzmusters, d) Erstellen eines Weißlichtinterferogramms aus dem erfassten Interferenzmuster, e) mehrfaches Wiederholen der Verfahrensschritte a) bis d), so dass Weißlichtinterferogramme bei unterschiedlichen Längendifferenzen erstellt werden, und f) Ermitteln der relativen Lage der Probenoberfläche und der Referenzoberfläche zueinander aus den Weißlichtinterferogrammen, die bei unterschiedlichen Längendifferenzen erstellt wurden.

Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik, bei dem das Teilbündel gleichzeitig auf die Probenoberfläche und die Referenzoberfläche gerichtet wird, wird bei der vorliegenden Erfindung das Teilbündel mit Hilfe des weiteren Strahlteiles derart aufgeteilt, dass ein Teil des Teilbündels auf die Probenoberfläche und ein Teil des Teilbündels auf die Referenzoberfläche gerichtet ist. Somit kann auch ein Referenzkörper verwendet werden, der für das Weißlicht der Lichtquelle opak, also undurchlässig ist.

Als weiterer Strahlteiler kann ein optisches Abbildungssystem dienen, das einen Teil des Teilbündels auskoppelt und auf die Probenoberfläche des Probenkörpers oder die Referenzoberfläche des Referenzkörpers richtet. Der weitere Strahlteiler kann auch durch den Probenkörper und den Referenzkörper gebildet sein. Dazu werden der Probenkörper und der Referenzkörper nebeneinander derart in den Strahlengang des Teilbündels gestellt, dass das Teilbündel auf die Probenoberfläche und die Referenzoberfläche gerichtet ist. Aber nur ein Teil des Teilbündels (Probenteilbündel) gelangt auf die Probenoberfläche und nur ein Teil des Teilbündels (Referenzteilbündel) gelangt auf die Referenzoberfläche.

Die Interferometeranordnung kann auf dem Prinzip eines beliebigen Zweistrahlinterferometers (beispielsweise Michaelson- oder Twyman-Green-Interferometer) oder Vielstrahlinterferometers (beispielsweise Fabry-Perot-Interferometer) basieren.

Mit Hilfe der Interferometeranordnung ist eine Veränderung der relativen Lage zwischen der Probenoberfläche des Probenkörpers und der Referenzoberfläche des Referenzkörpers erfassbar. Die Änderung der relativen Lage beruht beispielsweise auf einer Änderung einer Abmessung des Probenkörpers. Beispielsweise verändert sich eine Länge des Probenkörpers aufgrund eines thermischen Ausdehnung des Probenkörpers. Durch Temperaturerhöhung ändert sich die Länge des Probenkörpers.

Da auf die Weißlichtinterferometrie zurückgegriffen wird, resultiert eine sehr hohe Auflösung der Änderung der Abmessung. Die Auflösung beträgt wenige Zehntel μm. Insbesondere beträgt die Auflösung etwa 0,1 μm. Dazu wird vorzugsweise eine Lichtquelle mit einer Kohärenzlänge von unter 50 μm verwendet.

Insbesondere weist der weitere Strahlteiler den Probenkörper und/oder den Referenzkörper auf. Beispielsweise besteht der Strahlteiler aus dem Referenzkörper und dem Probenkörper. In einer derartigen Ausgestaltung werden beispielsweise der Referenzkörper und der Probenkörper nebeneinander angeordnet. Das Teilbündel wird auf diese Anordnung gerichtet, so dass ein Teil des Teilbündels (Probenteilbündel) auf die Probenoberfläche des Probenkörpers und ein Teil des Teilbündels (Referenzteilbündel) auf die Referenzoberfläche des Referenzkörpers gelangt. Denkbar ist aber auch, dass mit zusätzlichen optischen Mitteln (Linsen, Spiegeln, Blenden, ...) ein Teil des Teilbündels auf die Probenoberfläche und ein Teil des Teilbündels auf die Referenzoberfläche gerichtet wird. Dadurch, dass Probenteilbündel und Referenzteilbündel unterschiedlich ausgerichtet werden, ist es nicht mehr notwendig, dass der Referenzkörper für das Weißlicht des Probenteilbündels transparent ist.

Die Probenoberfläche des Probenkörpers und die Referenzoberfläche des Referenzkörpers können dabei gegeneinander verkippt sein. Vorzugsweise sind die Probenoberfläche des Probenkörpers und die Referenzoberfläche des Referenzkörpers derart zueinander angeordnet, dass eine gemittelte Flächennormale der Probenoberfläche und eine gemittelte Flächennormale der Referenzoberfläche im Wesentlichen zueinander parallel ausgerichtet sind. Diese Flächennormalen sind zusätzlich vorzugsweise parallel zur Ausbreitungsrichtung des Teilbündels ausgerichtet. Die gemittelten Flächennormalen und die Ausbreitungsrichtung des Teilbündels sind auf diese Weise koaxial zueinander angeordnet. Dadurch resultiert eine einfache Realisierung der Interferometeranordnung. Ohne weitere optische Elemente kann ein Teil des Weißlichts des Teilbündels auf die Probenoberfläche und ein Teil des Weißlichts auf die Referenzoberfläche gerichtet werden. Durch die koaxiale Messanordnung ist insbesondere auch bei einem Lichtweg von über 20 cm die Auflösung von wenigen zehntel μm möglich. Dies wäre beispielsweise bei einer sogenannten Triangulometrischen Messmethode nur unter großem Aufwand möglich.

Zur Bestimmung der veränderlichen relativen Lage können der Probenkörper und der Referenzkörper gegeneinander verschiebbar angeordnet sein. Vorzugsweise aber der Probenkörper und der Referenzkörper nicht gegeneinander verschiebbar angeordnet. Der Probenkörper und der Referenzkörper sind derart miteinander verbunden, dass im Wesentlichen keine Änderung der relativen Lage des Probenkörpers und des Referenzkörpers zueinander eintreten kann. Die mit Hilfe der Interferometeranordnung erfassbare Änderung der relativen Lage der Oberflächen zueinander wird nicht durch Änderung der relativen Lage des Probenkörpers und des Referenzkörpers zueinander beeinflusst. Wenn darüber hinaus dafür gesorgt wird, dass ein Zustand des Referenzkörpers annähernd konstant bleibt, kann die Änderung der Lage eindeutig auf eine Änderung des Probenkörpers bzw. eine Zustandsänderung des Probenkörpers zurückgeführt werden.

Um dies zurealisieren, werden beispielsweise der Referenzkörper und der Probenkörper mit Hilfe eines Verbindungsmittels derart miteinander fest verbunden, dass sich die relative Lage von Probenkörper und Referenzkörper zueinander nicht ändern kann. Denkbar ist auch, den Referenzkörper und den Probenkörper auf einem gemeinsamen, im Rahmen des Bestimmens der relativen Lage nicht deformierbaren Trägerkörpers angeordnet. Zum festen Verbinden können der Probenkörper und der Referenzkörper mit Hilfe eines Verbindungsmittels mit dem Trägerkörper verbunden sein. Ein derartiges Verbindungsmittel ist beispielsweise ein Lot oder ein Klebstoff.

In einer besonderen Ausgestaltung ist der Referenzkörper ein Trägerkörper des Probenkörpers oder der Probenkörper ein Trägerkörper des Referenzkörpers. Beispielsweise wird der Probenkörper auf einen Trägerkörper gestellt, der gleichzeitig als Referenzkörper fungiert.

In einer besonderen Ausgestaltung ist der Referenzkörper ein Gefäß mit einem Gefäßboden, einer Gefäßwandung und einem von dem Gefäßboden und der Gefäßwandung getrennten Gefäßinneren, wobei ein durch die Gefäßwandung gebildeter Gefäßrand die Referenzoberfläche bildet und der Probenkörper auf dem Gefäßboden im Gefäßinneren angeordnet ist. Beispielsweise wird der Probenkörper auf den Gefäßboden gestellt.

In einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens werden die Schritte a) bis f) wiederholt durchgeführt, so dass eine Änderung der relativen Lage ermittelt werden kann.

Aufgrund der hohen Auflösung kann eine kleine Änderung der relativen Lage ermittelt werden. Die Änderung kann dabei sprunghaft, also innerhalb einer relativ kurzen Zeit auftreten. Es kann aber insbesondere eine kleine Änderung bestimmt werden, die über einen längeren Zeitraum eintritt. Es können Alterungs- und Kriechprozesse erfasst werden.

Die Interferometeranordnung wird insbesondere als sogenannter Dilatometer verwendet werden. Der Dilatometer ist ein Gerät zur Bestimmung einer sehr kleinen Änderung einer Abmessung eines Probenkörpers (Festkörpers). Die Änderung der Abmessung basiert beispielsweise auf einer thermischen Ausdehnung des Probenkörpers oder einer Phasenumwandlung des Materials des Probenkörpers. Denkbar sind daneben beliebige weitere Zustandsänderungen. Beispielsweise wird durch einen äußeren Einfluss ein Riss im Inneren des Probenkörpers induziert, der sich in einer Längenänderung des Probenkörpers nach außen hin bemerkbar macht. Dies kann dann auftreten, wenn der Probenkörper ein Verbundkörper aus unterschiedlichen Materialien ist. In diesem Verbundkörper kann beispielsweise aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien eine mechanische Spannung durch Variation der Temperatur induziert werden. Die induzierte mechanische Spannung kann zu dem Riss im Probenkörper führen.

In einer besonderen Ausgestaltung wird als Probenkörper ein Piezoaktor in monolithischer Vielschichtbauweise verwendet. Dabei kann eine Stirnfläche des Piezoaktors derart ausgestaltet sein, dass das Weißlicht der Lichtquelle zumindest teilweise reflektiert wird. Hilfsweise kann auch an der Stirnseite des Piezoaktors ein Stempel mit einer das Weißlicht der Lichtquell reflektierenden Stempeloberfläche angebracht sein. Die Stempeloberfläche bildet die das Weißlicht des Probenbündels reflektierende Probenoberfläche des Probenkörpers. Der Stempel und der Piezoaktor sind derart miteinander verbunden, dass eine Längenänderung des Piezoaktors zu einer Änderung der Lage des Stempels und damit zu einer Änderung der Lage der Stempeloberfläche führt. Infolge davon ändert sich die relative Lage der Referenzoberfläche zur Stempeloberfläche (Probenoberfläche).

Beispielsweise wird von einem ungepolten Piezoaktor ausgegangen. Durch elektrische Ansteuerung des Piezoaktors kommt es zur Polung und in Folge davon zu einer Änderung der Länge des Piezoaktors. Mit Hilfe der Interferometeranordnung kann diese Änderung exakt und schnell bestimmt werden.

Der Piezoaktor wird im dynamischen Betrieb wiederholt elektrisch angesteuert, wodurch es zu einer Verlängerung (Expansion) und Verkürzung (Kontraktion) des Piezoaktors kommt. Dabei können im Piezoaktor Risse auftreten, die im Betrieb zu einer bleibenden Längenänderung führen. Für eine Abschätzung einer Zuverlässigkeit des Piezoaktors ist die Kenntnis der Änderung der Länge durch die wiederholte elektrische Ansteuerung wichtig. Zur Ermittlung der Längenänderung des Piezoaktors, die durch den dynamischen Betrieb verursacht wird, wird der Piezoaktor beispielsweise mit Hilfe eines dünnen Films eines Klebstoff mit dem Gefäßboden des Gefäßes fest verbunden. Das Gefäß ist beispielsweise ein Antriebsgehäuse des Piezoaktors, in dem sich der Piezoaktor im Betrieb befindet. Um den dynamischen Betrieb des Piezoaktors nachvollziehen zu können, werden die für die Ansteuerung des Piezoaktors notwendigen elektrischen Anschlüsse durch eine Gefäßwandung des Gefäßes geführt. Zwischen dem wiederholten Bestimmen der relativen Lage der Probenoberfläche und der Referenzoberfläche zueinander wird der Piezoaktor elektrisch angesteuert. Aufgrund der hohen Auflösung ist die Anordnung dazu geeignet, eine langsame Änderung (Langzeitdrift) der Abmessung des Piezoaktors zu erfassen, die durch die wiederholte elektrische Ansteuerung des Piezoaktors verursacht wird.

Mit Hilfe der Interferometeranordnung der vorliegenden wird die relative Lage der Probenoberfläche zur Referenzoberfläche ermittelt. Durch geeignete Maßnahmen kann dafür gesorgt werden, dass die Änderung der Lage und damit die Änderung einer Abmessung des Probenkörpers erfassbar ist. Die Änderung der Abmessung des Probenkörpers kann dabei verschiedenste Ursachen haben. Umgekehrt kann die Ursache für die festgestellte Änderung der Abmessung ermittelt werden. Beispielsweise kann mit der Interferometeranordnung auf elegante Weise ein Temperaturausdehnungskoeffizient des Materials bestimmt werden, aus dem der Probenkörper besteht. Durch Änderung der Temperatur kommt es zur Änderung der Abmessung eines Probenkörpers aus dem Material. In Folge davon ändert sich die relative Lage der Probenoberfläche und der Referenzoberfläche zueinander. Durch Bestimmen der relativen Lage als Funktion der Temperatur kann auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Probenkörpers geschlossen werden.

Zusammenfassend ergeben sich mit der vorliegenden Erfindung folgende Vorteile:

– Mit Hilfe der Interferometeranordnung kann die relative Lage der Probenoberfläche und der Referenzoberfläche zueinander exakt erfasst werden. Dazu kann ein Referenzkörper eingesetzt werden, der für das Weißlicht der Lichtquelle opak ist.
– Aufgrund der kurzen Kohärenzlänge der Lichtquelle des Weißlichts beträgt die Auflösung der Interferometeranordnung wenige Zehntel μm.
– Durch eine koaxiale Anordnung sind Messungen über größere Entfernungen (über 20 cm) auch an räumlich schwer zugänglichen Stellen mit der hohen Auflösung möglich.
– Die Interferometeranordnung verfügt über keinen mechanischen Wegaufnehmer zur Bestimmung der relativen Lage der Referenzoberfläche zur Probenoberfläche. Die in einem solchen Fall normalerweise notwendigen und aufwändigen Korrekturmessungen sind nicht nötig.
– Aufgrund der optischen Messmethode können dynamische Messungen trägheitslos durchgeführt werden.

Anhand eines Beispiels und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Interferometeranordnung.
2A zeigt einen Ausschnitt der Interferometeranordnung mit Probenkörper und Referenzkörper.
2B zeigt einen Schnitt entlang der Linie 2B aus 2A.
3 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen einer Änderung der relativen Lage von Probenoberfläche zur Referenzoberfläche.
Der Probenkörper 40 ist ein Piezoaktor 43 in monolithischer Vielschichtbauweise. Dies bedeutet, dass der Piezoaktor einen Verbund aus piezokeramischen Schichten und zwischen den piezokeramischen Schichten angeordneten Elektrodenschichten aufweist. Zum Herstellen des Verbundes werden die Elektrodenschichten und die piezokeramischen Schichten gemeinsam gesintert. Die Innenelektroden des Piezoaktors sind mit Hilfe von Außenelektroden elektrisch alternierend kontaktiert. Durch eine elektrische Ansteuerung der mit den Innenelektroden verbundenen Außenelektroden kommt es zur Auslenkung des Piezoaktors.
Der Piezoaktor wird in einem Gefäß 53 angeordnet (2A und 2B). Das Gefäß ist das Ansteuergehäuse des Piezoaktors. Das Gefäß weist einen Gefäßboden 54, eine Gefäßwandung 55, ein Gefäßinneres 56 und einen Gefäßrand 57 auf. Der Gefäßrand 57 wird von der Gefäßwandung 55 gebildet. Der Gefäßrand 57 stellt die Referenzoberfläche 51 dar.
Mit Hilfe eines Verbindungsmittels 60 sind der Piezoaktor 43 und das Gefäß 53 fest miteinander verbunden. Das Verbindungsmittel ist ein Klebstoff. Der Piezoaktor ist auf den Gefäßboden geklebt. In einer dazu alternativen Ausführungsform ist das Verbindungsmittel 60 ein Schweißwerkstoff. Der Piezoaktor befindet sich dabei in einer Rohrfeder, die den Piezoaktor mit einer definierten Kraft einklemmt. Die Bodenplatte der Rohrfeder ist mit dem Gefäßboden verschweißt. Zur elektrischen Ansteuerung des Piezoaktors sind elektrische Anschlüsse 44 des Piezoaktors durch den Gefäßboden 54 des Gefäßes 53 geführt. Das Gefäß 53 fungiert als Trägerkörper 70 des Probenkörpers.
Der Piezoaktor selbst bildet nicht die Probenoberfläche des Probenkörpers. Zur Bildung der Probenoberfläche des Probenkörpers ist an der Stirnseite des Piezoaktors, die dem Gefäßboden abgewandt ist, ein Stempel 46 angeordnet. Der Stempel ist mit dem Piezoaktor 43 fest verbunden. Der Stempel verfügt über die Probenoberfläche 41. Der Stempel wird beispielsweise durch eine Bodenplatte der oben beschriebenen Rohrfeder gebildet.
Die Probenoberfläche 41, die vom Stempel gebildet wird, und die Referenzoberfläche 51, die vom Gefäßrand gebildet wird, reflektieren zumindest teilweise das Weißlicht des Teilbündels 20. Das Gefäß 53 und der Piezoaktor 43 bzw. der Stempel 46 des Piezoaktors sind koaxial zum Teilbündel angeordnet. Dies bedeutet, dass eine gemittelte Flächennormale 52 der Referenzoberfläche 51 und eine gemittelte Flächennormale 42 der Probenfläche 41 parallel zueinander angeordnet sind.
Durch diese koaxiale Anordnung ist dafür gesorgt, dass nur Weißlicht des Probenteilbündels 24 des Teilbündels 20 auf die Probenoberfläche gelangt. Ebenso gelangt nur Weißlicht des Referenzteilbündels 25 des Teilbündels auf die Referenzoberfläche.
In einem ersten Schritt (301, 3) wird die Längendifferenz zwischen dem Lichtweg 21 des Teilbündels 20 und des weiteren Lichtwegs 31 des weiteren Teilbündels 30 eingestellt. Dazu wird ein beliebiges Stellglied 10 verwendet. Ausgehend von der Lichtquelle 2 mit der Kohärenzlänge von unter 50 μm wird ein Lichtstrahl 11 mit Lichtpulsen eines Weißlichts ausgesandt. Mit Hilfe des Strahlteilers 6 wird der Lichtstrahl 11 in das Teilbündel 20 und in das weiteres Teilbündel 30 aufgeteilt. Das Teilbündel 20 gelangt teilweise auf die Referenzoberfläche und teilweise auf die Probenoberfläche. Von diesen Oberflächen wird das Teilbündel 20 reflektiert und mit Hilfe eines Spiegels 8 in Richtung des Detektors 9 weitergeleitet. Das weitere Teilbündel 30 wird am Spiegel 32 reflektiert und gelangt ebenfalls zum Detektor 9. Dazu ist der Spiegel 8 für die vom Spiegel 32 reflektierte Strahlung des weiteren Teilbündels transparent. Der Spiegel 8 fungiert dabei als Mittel zum Überlagern des weiteren Teilbündels, des Probenteilbündels und des Referenzteilbündels. Diese Lichtbündel werden überlagert (302, 3). Aufgrund der Überlagerung kommt es zur Ausbildung eines Interferenzmusters. Das Interferenzmuster wird mit Hilfe des Detektors 9 erfasst (303, 3). Der Detektor ist eine CCD-Kamera. Alternativ dazu wird ein entsprechendes Photodetektor-Array verwendet. Durch diese Detektoren ist es möglich, eine räumliche Auflösung der Interferenz zu erzielen. Es wird ein Weißlichtinterferogramm erstellt (304, 3). Nach Erfassen des Weißlichtinterferogramms werden die Schritte 301 bis 304 wiederholt (305, 3). Durch die Wiederholung entstehen mehrere Weißlichtinterferogramme. Mit Hilfe der Vorrichtung 100 werden diese Weißlichtinterferogramme ausgewertet. Über diese Auswertung ist die relative Lage der Probenoberfläche zur Referenzoberfläche zugänglich (306, 3).
Die Änderung der relativen Lage 45 zwischen der Probenoberfläche und der Referenzoberfläche wird durch eine Zustandsänderung des Probenkörpers hervorgerufen. Im vorliegenden Beispiel wird der Piezoaktor wiederholt elektrisch angesteuert. Aufgrund der wiederholten Ansteuerung des Piezoaktors kann es zu einer Änderung der Länge des Piezoaktors kommen. Diese Änderung der Länge des Piezoaktors kann mit Hilfe der Interferometeranordnung bestimmt werden. Dazu werden nach beendeter elektrischer Ansteuerung des Piezoaktors die oben beschriebenen Schritte zur Bestimmung der relativen Lage der Probenoberfläche zur Referenzoberfläche wiederholt. Aus dem Vergleich der bestimmten relativen Lagen kann der Einfluss der wiederholten elektrischen Ansteuerung des Piezoaktors auf die Länge des Piezoaktors ermittelt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Einfluss der Temperatur auf die Längenänderung des Piezoaktors bestimmt. Dazu wird der Piezoaktor in einer Wärmekammer auf eine bestimmte Temperatur gebracht. Das Gefäß besteht beispielsweise im Wesentlichen aus einem Glas, das einen geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist. In einem Temperaturbereich von –50°C bis 150°C wird der Einfluss der Temperatur auf die Längenänderung des Piezoaktors bestimmt. Dazu wird der Piezoaktor in der Temperaturkammer auf die entsprechende Temperatur temperiert und bei dieser Temperatur die relative Lage von Probenoberfläche zur Referenzoberfläche bestimmt. Aufgrund der relativen Lage wird auf die Abmessung des Piezoaktors bei der entsprechenden Temperatur geschlossen. Durch Änderung der Temperatur wird eine Zustandsänderung des Piezoaktors hervorgerufen, die wiederum eine Änderung der Abmessung des Piezoaktors und infolge davon eine Änderung der mit Hilfe der Interferometeranordnung bestimmbaren relativen Lage der Probenoberfläche und der Referenzoberfläche zueinander mit sich bringt.

Claims

Interferometeranordnung (1) zum Bestimmen einer veränderlichen relativen Lage einer ein Weißlicht zumindest teilweise reflektierenden Probenoberfläche (41) eines Probenkörpers (40) und einer das Weißlicht zumindest teilweise reflektierenden Referenzoberfläche (51) eines Referenzkörpers (50) zueinander, aufweisend – mindestens eine Lichtquelle (2) zum Aussenden eines Lichtstrahls (11) mit dem Weißlicht, wobei die Lichtquelle eine bestimmten Kohärenzlänge aufweist, – mindestens einen Strahlteiler (6) zum Zerlegen des Lichtstrahls in ein Teilbündel (20) mit einem Lichtweg (21) und in mindestens ein weiteres Teilbündel (30) mit einem weiteren Lichtweg (31), – mindestens einen weiteren Strahlteiler (7) zum Zerlegen des Teilbündels (20) in ein Probenteilbündel (24) zur Reflexion des Probenteilbündels an der Probenoberfläche und in ein Referenzteilbündel (25) zur Reflexion des Referenzteilbündels an der Referenzoberfläche, – mindestens ein Mittel (8) zum Überlagern des weiteren Teilbündels, des von der Probenoberfläche reflektierten Probenteilbündels und des von der Referenzoberfläche reflektierten Referenzteilbündels, wobei durch das Überlagern ein Interferenzmuster entsteht, – mindestens einen Detektor (9) des Interferenzmusters zum Erstellen eines Weißlichtinterferogramms, – mindestens ein Mittel (10) zum Einstellen einer Längendifferenz zwischen dem Lichtweg des Teilbündels und dem Lichtweg des weiteren Teilbündels und – mindestens ein Mittel (11) zum Bestimmen der relativen Lage der Probenoberfläche des Probenkörpers zur Referenzoberfläche des Referenzkörpers aus mehreren, in Abhängigkeit von der eingestellten Längendifferenz der Lichtwege erstellten Weißlichtinterferogrammen, dadurch gekennzeichnet, dass – der weitere Strahlteiler (7) derart ausgestalten ist, dass das Probenteilbündel im Wesentlichen nur auf die Probenoberfläche und das Referenzteilbündel im Wesentlichen nur auf die Referenzoberfläche gerichtet ist.
Interferenzanordnung nach Anspruch 1, wobei der weitere Strahlteiler den Probenkörper und/oder den Referenzkörper aufweist.
Interferenzanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Probenoberfläche des Probenkörpers und die Referenzoberfläche des Referenzkörpers derart zueinander angeordnet sind, dass eine gemittelte Flächennormale (42) der Probenoberfläche und eine gemittelte Flächennormale (52) der Referenzoberfläche im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind.
Interferenzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Probenkörper und der Referenzkörper derart miteinander verbunden sind, dass eine relative Lage des Probenkörpers und des Referenzkörpers zueinander im Wesentlichen unabhängig von einer Zustandsänderung des Referenzkörpers und/oder des Probenkörpers ist.
Interferenzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Probenkörper und der Referenzkörper mit Hilfe eines Verbindungsmittels (60) fest miteinander verbunden sind.
Interferenzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Referenzkörper ein Trägerkörper (70) des Probenkörpers oder der Probenkörper ein Trägerkörper (70) des Referenzkörper ist.
Interferenzanordnung nach Anspruch 6, wobei der Referenzkörper ein Gefäß (53) mit einem Gefäßboden (54), einer Gefäßwandung (55) und einem von dem Gefäßboden und der Gefäßwandung begrenzten Gefäßinneren (56) ist und ein durch die Gefäßwandung gebildeter Gefäßrand (57) die Referenzoberfläche bildet und der Probenkörper auf dem Gefäßboden im Gefäßinneren angeordnet ist.
Verfahren zum Bestimmen einer veränderlichen relativen Lage einer Probenoberfläche eines Probenkörpers und einer Referenzoberfläche eines Referenzkörpers zueinander mit Hilfe einer Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Einstellen der Längendifferenz zwischen dem Lichtweg des Teilbündels und dem Lichtweg des weiteren Teilbündels, b) Überlagern des weiteren Teilbündels, des von der Probenoberfläche reflektierten Probenteilbündels und des von der Referenzoberfläche reflektierten Referenzteilbündels, wobei ein Interferenzmuster entsteht, c) Erfassen des Interferenzmusters, d) Erstellen eines Weißlichtinterferogramms aus dem erfassten Interferenzmuster, e) mehrfaches Wiederholen der Verfahrensschritte a) bis d), so dass Weißlichtinterferogramme bei unterschiedlichen Längendifferenzen erstellt werden, und f) Ermitteln der relativen Lage der Probenoberfläche und der Referenzoberfläche zueinander aus den Weißlichtinterferogrammen, die bei unterschiedlichen Längendifferenzen erstellt wurden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine Lichtquelle mit einer Kohärenzlänge von unter 50 μm verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Schritte a) bis f) wiederholt durchgeführt werden, so dass eine Änderung der relativen Lage ermittelt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Probenkörper und der Referenzkörper derart miteinander verbunden werden, dass sich im Wesentlichen nur die relative Lage der Probenoberfläche und der Referenzoberfläche zueinander ändern kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei als Probenkörper ein Piezoaktor (43) in monolithischer Vielschichtbauweise und eine Stirnfläche des Piezoaktors als Probenoberfläche verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Piezoaktor zwischen dem wiederholten Bestimmen der relativen Lage elektrisch derart angesteuert wird, dass es zur Auslenkung des Piezoaktors kommt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Änderung der relativen Lage durch eine Zustandsänderung des Probenkörpers verursacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Änderung der relativen Lage als Funktion der Temperatur ermittelt wird.