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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.
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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.
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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.
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Vorteile der Erfindungs
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläuert.
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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.
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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.
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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
I
3 + 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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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Der
gezeigte Aufbau ergibt eine einfache und preisgünstige Realisierung eines Multiplex
zwischen mehreren Messkanälen
mit gemeinsamem Lichtweg LW und nur einer Nachweiskette NW.