DE10337895A1 - Heterodyn-interferometrische Messvorrichtung - Google Patents

Heterodyn-interferometrische Messvorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine heterodyn-interferometrische Messvorrichtung zum Vermessen der Form oder des Abstandes von Oberflächen (O) mit einer Lichterzeugungseinheit (LQ) für kurzkohärentes Licht, mit einem dieses aufnehmenden, als Modulationsinterferometer (MI) ausgebildeten Abschnitt, in dem eine Vorrichtung (AOM1, AOM2) zur Verschiebung der Lichtfrequenz (Heterodynfrequenz) und mehrere Interferometerarme (IA1, IA2) mit unterschiedlichen Lichtweglängen (I¶1¶, I¶2¶) vorhanden sind, deren Weglängendifferenz größer ist als die Kohärenzlänge des durchlaufenden Lichts, mit einer über einen gemeinsamen Lichtweg (LW) an das Modulationsinterferometer (MI) angeschlossenen optischen Sondenanordnung (SA), die auf die Oberflächen (O) auszurichtende Sondenausgänge (SO) aufweist, und mit einer Auswerteeinrichtung, in der die Form bzw. der Abstand der Oberfläche (O) auf der Grundlage einer Phasendifferenz der erhaltenen Signale bestimmbar ist. Bei einfachem Aufbau und einfacher Handhabung wird eine Vermessung der Oberfläche über mehrere Messkanäle an mehreren Stellen dadurch erreicht, dass das Modulationsinterferometer (MI) in der Weise aufgebaut ist, dass mittels der unterschiedlichen Lichtweglängen (I¶1¶, I¶2¶) und der Vorrichtung (AOM1, AOM2) zur Lichtfrequenzverschiebung mindestens zwei Kombinationen aus einer Weglängendifferenz und einer Frequenzverschiebung gebildet werden, die verschiedenen Messkanälen mit jeweiligen Sondenausgängen (SO) zugeordnet sind (Fig.).

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine heterodyn-interferometrische Messvorrichtung zum Vermessen der Form oder des Abstandes von Oberflächen mit einer Lichterzeugungseinheit für kurzkohärentes Licht, mit einem dieses aufnehmenden, als Modulationsinterferometer ausgebildeten Abschnitt, in dem eine Vorrichtung zur Verschiebung der Lichtfrequenz (Heterodyn-Frequenz) und mehrere Interferometerarme mit unterschiedlichen Lichtweglängen vorhanden sind, deren Weglängendifferenz größer ist als die Kohärenzlänge des durchlaufenden Lichts, mit einer über einen gemeinsamen Lichtweg an das Modulationsinterferometer angeschlossenen optischen Sondenanordnung, die auf die Oberflächen auszurichtende Sondenausgänge aufweist, und mit einer Auswerteeinrichtung, in der die Form bzw. der Abstand der Oberfläche auf der Grundlage einer Phasendifferenz der erhaltenen Signale bestimmbar ist.
  • Eine derartige Zwei- oder Mehr-Wellenlängen-Heterodyn-interferometrische Messvorrichtung mit einer zeitlich kurzkohärenten Lichtquelle, ist in der DE 198 08 273 A1 als bekannt ausgewiesen. Es werden hierbei die an sich bekannten Verfahren der Heterodyn-Technik und der Zwei-Wellenlängen-Interferometre unter Nutzung kurzkohärenter Strahlung miteinander kombiniert. Wie in dieser Druckschrift näher beschrieben, lässt dieser Aufbau der Messvorrichtung vorteilhafterweise u.a. einen Kohärenzmultiplex zu, indem in einem Modulationsinterferometer, das z.B. die aufwändigeren Komponenten und optischen Anordnungen enthält, über die verschiedenen Interferometerarme unterschiedliche Lichtweglängen eingeprägt werden, die größer sind als die Kohärenzlänge des sie durchlaufenden Lichts und die anschließend in einem Messabschnitt mit einer optischen Sondenanordnung und auf die Objektoberfläche ausgerichteten Sondenausgängen wieder ausgeglichen werden, so dass die nur innerhalb der Kohärenzlänge auftretenden Interferenzerscheinungen erhalten werden und die Bestimmung der Oberflächenbereiche anhand der Phasendifferenzen in der angeschlossenen Auswerteeinrichtung ermöglicht wird. Auch können die für die Mehr-Wellenlängen-Interferometrie erforderlichen einzelnen Wellenlängen mittels einer Strahlzerlegungs- und Strahlempfangseinheit aus dem (relativ) breitbandigen Strahlungsspektrum leicht geeignet herausgegriffen werden, so dass auch der Eindeutigkeitsbereich der Abstands- oder Rauhigkeitsmessung durch Bilden einer oder mehrerer synthetischer Wellenlängen in an sich bekannter Weise gegenüber den einzelnen Wellenlängen vergrößert werden kann. Wegen weiterer Vorteile des Aufbaus einer optischen Messvorrichtung mit einem kurzkohärenten Zwei-Wellenlängen-Heterodyn-Interferometer sei auf die genannte Druckschrift hingewiesen. In der Praxis können sich allerdings Anforderungen ergeben, die auch bei einer derartigen Messvorrichtung relativ hohen Aufwand erfordern, beispielsweise wenn die Oberfläche an mehreren Stellen vermessen werden soll.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art bereit zu stellen, mit der insbesondere auch mehrere Stellen einer oder mehrerer Oberflächen mit möglichst wenig Aufwand vermessen werden können.
  • Vorteile der Erfindungs
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass das Modulationsinterferometer in der Weise aufgebaut ist, dass mittels der unterschiedlichen Lichtweglängen und der Vorrichtung zur Lichtfrequenzverschiebung mindestens zwei Kombinationen aus einer Weglängendifferenz und einer Frequenzverschiebung gebildet werden, die verschiedenen Messkanälen mit jeweiligen Sondenausgängen zugeordnet sind.
  • Mit diesen Maßnahmen können mindestens zwei Oberflächenstellen parallel über mindestens zwei Messkanäle mit den jeweiligen Sondenausgängen vermessen werden, wobei entsprechend mindestens zwei Kombinationen aus Heterodyn-Frequenzen und optischen Weglängendifferenzen für die Signaltrennung ausgenutzt werden. Mit diesen Maßnahmen wird ein Multiplex zwischen mehreren Messkanälen einfach und preisgünstig realisiert. Aufgrund der parallelen Ansteuerung ist die Geschwindigkeit der Messvorrichtung hoch und unabhängig von der Anzahl der Kanäle.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Messvorrichtung mit einfachem Aufbau wird dadurch erhalten, dass in mindestens einem Arm des Modulationsinterferometers eine Rückkopplungsschleife gebildet ist, in der zum Bilden einer Mehrfach-Frequenzverschiebung und/oder unterschiedlicher Lichtweglängen mindestens ein akustooptischer Modulator angeordnet ist. Mit der oder den Rückkopplungsschleifen kann also ein in dem betreffenden Interferometerarm angeordneter akustooptischer Modulator und/oder gebildete bestimmte Lichtweglänge mehr fach durchlaufen werden, so dass sich mit jedem Durchlauf eine definierte Frequenzverschiebung des Lichts und/oder Änderung der Lichtweglänge ergibt. Auf diese Weise können mit einfachem Aufbau mehrere Kombinationen aus der Weglängendifferenz und der Frequenzverschiebung erzielt werden.
  • Eine weitere oder ergänzende Möglichkeit, Lichtfrequenzverschiebungen und/oder unterschiedliche Lichtweglängen für mehrere Kombinationen aus Weglängendifferenzen und Frequenzverschiebungen zu erhalten, besteht darin, dass das Modulationsinterferometer zum Erzeugen der Lichtfrequenzverschiebung und/oder unterschiedlicher Weglängen in zusätzlichen Interferometerarmen akustooptische Modulatoren aufweist. Bei diesem Aufbau mit zusätzlichen Interferometerarmen wird pro gebildetem Kanal ein akustooptischer Modulator benötigt, wodurch sich insbesondere bei vielen Kanälen ein entsprechend hoher Aufwand ergibt. Vorteilhaft bei dieser Lösung ist die Flexibilität in der Wahl der Heterodyn-Frequenzen und der Lichtweglängen bzw. Weglängendifferenzen, sowie ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis.
  • Für einen einfachen, robusten Aufbau sind weiterhin die Maßnahmen vorteilhaft, dass das Modulationsinterferometer zum Leiten des Lichts über die Interferometerarme eine Lichtleitfaseranordnung mit Faserkopplern aufweist.
  • Der Aufbau und die Handhabung werden auch dadurch begünstigt, dass der gemeinsame Lichtweg zwischen dem Modulationsinterferometer und der Sondenanordnung zumindest abschnittsweise über eine gemeinsame Lichtleitfaseranordnung gebildet ist.
  • Weiterhin tragen zu einem einfachen Aufbau und einer einfachen Handhabung die Maßnahmen bei, dass der gemeinsame Lichtweg teilweise auch zur Weiter leitung des von der Objektoberfläche zurückgeworfenen Lichts zu der mit einer Nachweiskette versehenen Auswerteeinrichtung genutzt ist.
  • Zeichnung
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläuert.
  • Die Fig. zeigt eine interferometrische Messvorrichtung mit einem kurzkohärenten Mehr-Wellenlängen-Heterodyn-Interferometer. Dabei ist an einen als ein Modulationsinterferometer MI aufgebauten Abschnitt über einen gemeinsamen Lichtweg LW eine Sondenanordnung SA mit mehreren Sondenausgängen SO angeschlossen, wobei der gemeinsame Lichtweg LW mittels einer Lichtleitfaseranordnung gebildet ist. In dem gemeinsamen Lichtweg LW ist an einer Koppelstelle ein Faserkoppler FK in Y-Ausführung angeordnet, um über einen der drei Anschlusszweige eine Auswerteeinrichtung DAQ mit mindestens einem Auswertekanal aufweisenden Nachweiskette NW über einen weiteren Faserkoppler FK anzuschließen. Eingangsseitig wird zwei Interferometerarmen IA1, IA2 des Modulationsinterferometers relativ breitbandiges Licht einer kurzkohärenten Lichtquelle LQ bzw. Lichterzeugungseinheit über einen weiteren Faserkoppler FK in Y-Anordnung zugeführt. Das die beiden Interferometerarme IA1, IA2 durchlaufende Licht wird am Ausgang des Modulationsinterferometers über einen dort angeordneten weiteren Faserkoppler FK in Y-Anordnung in den gemeinsamen Lichtweg LW geleitet.
  • Auch die beiden Interferometerarme IA1, IA2 enthalten bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mehrere Lichtleitfasern LF, die an Übergangsstellen ebenfalls mittels entsprechender Faserkoppler FK versehen sind. In den beiden Interferometerarmen IA1, IA2 sind des Weiteren unterschiedliche Lichtweglängen innerhalb der Rückkopplungsschleifen I1, I2 gebildet, die zueinander eine Weglängendifferenz ΔI = I1 – I2 ergeben, sowie eine unterschiedliche Lichtweglänge I3 außerhalb der Rückkopplungssschleifen. Ferner sind in den beiden Interferometerarmen IA1, IA2 jeweils ein akustooptischer Modulator AOM1, AOM2 zum Erzeugen einer Frequenzverschiebung des durchlaufenden Lichts um Ω1, Ω2 angeordnet. In den beiden Interferometerarmen IA1, IA2 ist jeweils ein Rückkopplungszweig RK1, RK2 in der Weise gebildet, dass das Licht am Ausgang des jeweiligen Interferometerarms IA1, IA2 vor dem Zusammenführen der beiden Interferometerarme über jeweilige Faserkoppler FK teilweise ausgekoppelt und am jeweiligen Eingang der Interferometerarme IA1, IA2 hinter der Aufzweigstelle der beiden Interferometerarme über entsprechende Faserkoppler FK wieder eingekoppelt wird und die gebildeten Lichtweglängen I1, I2 sowie die beiden akustooptischen Modulatoren AOM1, AOM2 wiederholt durchläuft. Somit können beim n-fachen Durchlaufen der Interferometerarme IA1, IA2 n Weglängendifferenzen I3 + nΔI sowie n verschiedene Frequenzverschiebungen nΔΩ mit ΔΩ = Ω1 – Ω2 gebildet werden. Den ausgangsseitigen Kanälen mit den auf die Objektoberfläche O gerichteten Sondenausgängen können dadurch entsprechend viele unterschiedliche Kombinationen aus Weglängendifferenzen I3 + nΔI und Differenzen von Frequenzverschiebungen nΔΩ bereitgestellt werden, die anschließend in der Auswerteeinrichtung über die Nachweiskette NW ausgewertet werden können.
  • Der Messteil mit der Sondenanordnung SA kann in geeigneter Weise als Mess-Interferometer beispielsweise in sogenannter "common path"-Anordnung, d.h. als Interferometer mit gemeinsamem Referenzlichtweg und Messlichtweg, oder in anderer geeigneter Anordnung aufgebaut sein. Der Messlichtweg wird hierbei über den Sondenausgang auf das zu vermessende Objekt O gerichtet und von diesem zurück reflektiert, wodurch ein abstandsabhängiger Gangunterschied erzeugt wird. Die Messinterferometer des Kanals n sind so ausgelegt, dass in abgeglichenem Zustand die im Modulationsinterferometer MI aufgeprägte Weglängendifferenz I3 + nΔI gerade wieder aufgehoben wird, so dass von der Oberflächenstruktur abhängige interferenzen auftreten. Beispiele hierfür sind in der eingangs erwähnten DE 198 08 273 A1 genannt. Der über eine Lichtleitfaseranordnung als gemeinsamer Lichtweg LW an das Modulationsinterferometer MI angeschlossene Messteil mit der Sensoranordnung SA ermöglicht einen platzsparenden, robusten Aufbau des Messteils.
  • Die Nachweiskette NSW weist zum Bilden der für das Zwei-Wellenlängen-Verfahren erforderlichen einzelnen Lichtfrequenzen zwei Spektral-Filter FI1 und FI2 auf, so dass mit den zwei verschiedene Wellenlängen die zur Vergrößerung des Eindeutigkeitsbereiches synthetische Wellenlänge gebildet werden kann. Ferner enthält sie Nachweiskette NW weitere an sich bekannte optische und optoelektronische Elemente (Aus- und Einkoppelelemente, Photodiode, Vorverstärker ...) zur elektronischen Vorverarbeitung der sich aus den Interferenzen ergebenden Heterodyn-Signale. Diese erhaltenen überlagerten Heterodyn-Signale aller Kanäle werden von einer PC-basierenden DAQ digital erfasst und durch eine Auswertesoftware analysiert.
  • Die Signaltrennung zwischen den durch die Interferenzen gebildeten Interferenzsignalen der einzelnen Sonden 1...n wird durch verschiedene Heterodyn-Frequenzen und verschiedene optische Wegunterschiede realisiert. Jedem Kanal n der Mehrkanal-Sondenanordnung SA wird genau eine Heterodyn-Frequenz nΔΩ und eine Wegdifferenz I3 + nΔI zugeordnet. Der zu messende Abstand des Kanals n ist in der Phasenlage der Heterodyn-Oszillation mit der Frequenz nΔΩ codiert. Die Berechnung der Phasenlage und damit der erfassten Abstände der Oberfläche über die einzelnen Kanäle erfolgt vorteilhaft über digitale Fourier-Analyse (DFT), die an den durch das Modulationsinterferometer MI aufgeprägten Heterodyn-Frequenzen nΔΩ ausgewertet wird.
  • Das in der Fig. gezeigte Modulationsinterferometer MI ist als Mach-Zender-Interferometer mit zwei Interferometerarmen IA1, IA2 aufgebaut. Die beiden in den Interferometerarmen IA1, IA2 angeordneten, gegeneinander verstimmten akustooptischen Modulatoren arbeiten z.B. als Bragg-Zellen mit den Frequenzen Ω1 und Ω2, aus denen die Frequenzverschiebung ΔΩ = Ω1 – Ω2, d.h. die entsprechende Heterodyn-Frequenz gebildet wird.
  • Durch die bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. gebildeten Rückkopplungen werden die Lichtwellen mehrfach durch die Bragg-Zellen geführt, so dass in dem einen Interferometerarm IA1 die Frequenzen ω0 + nΩ1, in dem zweiten Interferometerarm IA2 die Frequenzen ω0 + nΩ2 erzeugt werden, wobei ω0 = 2πc/λ die Mittenfrequenz der verwendeten Strahlung darstellt. Des Weiteren entsteht bei jedem Durchlauf durch die Rückkopplungsschleife mit dem betreffenden Rückkopplungszweig RK1, RK2 eine optische Weglängenverzögerung um die Weglänge I1 bzw. I2 (zuzüglich der vorliegend mittels Lichtwellenleiter gebildeten Rückkopplungsschleifen).
  • Aufgrund der endlichen Kohärenzlänge der verwendeten kurzkohärenten bzw. breitbandigen Strahlung interferieren in dem Lichtweg, d.h. vorliegend Licht wellenleiter vor der Nachweiskette NW nur diejenigen Lichtwellen miteinander, welche dieselbe Anzahl an Umläufen in den Rückkopplungsschleifen durchlaufen haben. Damit entstehen Heterodyn-Oszillationen mit den Heterodyn-Frequenzen ΔΩn = nΔΩ und Wegunterschiede ΔIn = I3 + nΔI (mit ΔI = I1 – I2, ΔΩ = Ω1 – Ω2). Die n Sonden umfassende Sondenanordnung SA ist so ausgelegt, dass die Wegunterschiede der n Kanäle in den entsprechenden jeweiligen Mess-Interferometern entsprechend den Wegunterschieden des Modulations-Interferometers MI ausgefegt sind, so dass die Wegunterschiede in den betreffenden Mess-Interferometern aufgehoben werden.
  • Alternativ kann die Erzeugung der verschiedenen Heterodyn-Frequenzen ΔΩn auch durch mehrere akustooptische Modulatoren in zusätzlichen Interferometer-Armen realisiert werden, wobei keine oder weniger Rückkopplungsschleifen vorgesehen sind. Mit einem derartigen Aufbau kann eine größere Flexibilität in der Wahl der Heterodyn-Frequenzen und der Wegunterschiede mit Einstellmöglichkeit in jedem Kanal erreicht werden. Bei einem derartigen Aufbau werden jedoch entsprechend der Anzahl der Kanäle mehr akustooptische Modulatoren AOM benötigt, so dass der Aufbau aufwändiger und teurer wird als mit Rückkopplungsschleifen.
  • Mit den genannten Maßnahmen wird eine parallele Ansteuerung mehrerer Kanäle erhalten, so dass die Geschwindigkeit der Messvorrichtung hoch und insbesondere unabhängig von der Anzahl der Kanäle ist.
  • Der gezeigte Aufbau ergibt eine einfache und preisgünstige Realisierung eines Multiplex zwischen mehreren Messkanälen mit gemeinsamem Lichtweg LW und nur einer Nachweiskette NW.

Claims (7)

  1. Heterodyn-interferometrische Messvorrichtung zum Vermessen der Form oder des Abstandes von Oberflächen (O) mit einer Lichterzeugungseinheit (LQ) für kurzkohärentes Licht, mit einem dieses aufnehmenden, als Modulationsinterferometer (MI) ausgebildeten Abschnitt, in dem eine Vorrichtung (AOM1, AOM2) zur Verschiebung der Lichtfrequenz (Heterodynfrequenz) und mehrere Interferometerarme (IA1, IA2) mit unterschiedlichen Lichtweglängen (I1, I2) vorhanden sind, deren optische Weglängendifferenz größer ist als die Kohärenzlänge des durchlaufenden Lichts, mit einer über einen gemeinsamen Lichtweg (LW) an das Modulationsinterferometer (MI) angeschlossenen optischen Sondenanordnung (SA), die auf die Oberflächen (O) auszurichtende Sondenausgänge (SO) aufweist, und mit einer Auswerteeinrichtung, in der die Form bzw. der Abstand der Oberfläche (O) auf der Grundlage einer Phasendifferenz der erhaltenen Signale bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsinterferometer (MI) in der Weise aufgebaut ist, dass mittels der unterschiedlichen Lichtweglängen (I1, I2) und der Vorrichtung (AOM1, AOM2) zur Lichtfrequenzverschiebung mindestens zwei Kombinationen aus einer Weglängendifferenz und einer Frequenzverschiebung gebildet werden, die verschiedenen Messkanälen mit jeweiligen Sondenausgängen (SO) zugeordnet sind.
  2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Arm (IA1, IA2) des Modulationsinterferometers (MI) eine Rückkopplungsschleife (RK1, RK2) gebildet ist, in der zum Bilden einer Mehrfach-Frequenzverschiebung und/oder unterschiedlicher Lichtweglängen (nI1, nI2) mit n = 1, 2, ... mindestens ein akustooptischer Modulator (AOM1, AOM2) angeordnet ist.
  3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsinterferometer zum Erzeugen der Lichtfrequenzverschiebung und/oder unterschiedlicher Weglängen (I1, I2) in zusätzlichen Interferometerarmen (IA1, IA2, ...) akustooptische Modulatoren (AOM1, AOM2, ...) aufweist.
  4. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsinterferometer (MI) zum Leiten des Lichts über die Interferometerarme (IA1, IA2) eine Lichtleitfaseranordnung (LF) mit Faserkopplern (FK) aufweist.
  5. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Lichtweg (LW) zwischen dem Modulationsinterferometer (MI) und der Sondenanordnung (SA) zumindest abschnittsweise über eine Lichtleitfaseranordnung gebildet ist.
  6. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Lichtweg (LW) teilweise auch zur Weiterleitung des von der Objektoberfläche zurückgeworfenen Lichts zu der mit einer Nachweiskette (NW) versehenen Auswerteeinrichtung genutzt ist.
  7. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Arm (z.B. IA1) des Modulationsinterferometers (MI) außerhalb der Rückkopplungsschleife (z.B. RK1) ein zusätzlicher optischer Wegunterschied (I3) vorhanden ist.
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