DE19504189C2 - Interferometervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit den Merk­ malen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

Eine Vorrichtung dieser Art ist bekannt aus H. Nau­ mann/G. Schröder "Bauelemente der Optik", Hanser Verlag, 4. Ausgabe, 1983, Seite 457 und unter der Bezeichnung "Michelson-Interferometer" geläufig.

Interferometer beinhalten immer mehrere Strahlengänge. Bei einigen Anwendungen müssen Prüf- und Referenzarm glei­ che Länge haben. Dies gilt immer bei einem Weißlicht-Inter­ ferometer, kann aber auch aus Gründen der Strahlführung der Fall sein. Ein Referenzarm von gleicher Länge wie der Prüf­ arm führt zu einem erhöhten Raumbedarf gegenüber nicht­ interferometrischen optischen Anordnungen. Darüber hinaus bestehen besondere Anforderungen an die Stabilität einer Interferometeranordnung, da bereits eine Längenänderung eines Arms um ein Viertel der Wellenlänge des verwendeten Lichts eine vollständige Änderung des Interferometersignals mit sich bringt. Als Beispiele werden im folgenden einige bekannte Interferometeranordnungen beschrieben.

Beim Michelson-Interferometer wird der Strahlengang durch einen vorzugsweise um 45° gegen den einfallenden Strahl geneigten Teilerspiegel in den Referenz- und Prüf­ strahlengang aufgespalten und die von Referenzspiegel und Objekt reflektierten Strahlen wieder zum ausfallenden Beob­ achtungsstrahl vereinigt. Dieser Aufbau ist im Labor ein­ fach zu realisieren, bringt aufgrund der räumlichen-Tren­ nung von Prüf-, Referenz- und Beobachtungsstrahlengang bei der Verwendung in einem optischen Sensor oder in einem Mi­ kroskop jedoch Raum- und Stabilitätsprobleme mit sich.

Die Anwendung eines Michelson-Interferometers mit breitbandiger Beleuchtung in der Mikroskopie wird in der europäischen Patentanmeldung EP 0 244 781 A2 (Davidson) und auch von B.S. Lee und T.C. Strand, Appl. Opt. 29, 3784 (1990) beschrieben. Ein Michelson-Aufbau für die Abstands- oder Profilmessung wird in der DE 25 28 209 C3 (Raith) dar­ gestellt. Für beide Interferometer gelten die beschriebenen Raum- und Stabilitätsprobleme.

Bei einem Mirau-Interferometer ist der Teilerspiegel zwischen Objektiv und Objekt angeordnet. Der Referenzspie­ gel befindet sich direkt vor dem Objektiv. Dieser Aufbau ist wesentlich raumsparender als das Michelson-Interferome­ ter. Es geht jedoch die Hälfte des freien Arbeitsabstandes zwischen Objektiv und Objekt verloren. Die Anwendung des Mirau-Interferometers in der Mikroskopie wird in "Mittei­ lungen aus dem Labor Anwendung Mikro", Nr. 26-68, Ernst Leitz GmbH Wetzlar, beschrieben, eine Anwendung in der Profilometrie in der US-PS 4,869,593.

In der US-PS 4,969,736 (Slotwinski) wird ein faserop­ tisches Mach-Zehnder-Interferometer für breitbandige Be­ leuchtung zur Abstands- oder Profilmessung benutzt. Ein fa­ seroptisches Interferometer hat zwar geringen Raumbedarf, unterliegt aber stets hohen Verlusten beim Ein- und Auskop­ peln.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung für interferometrische Untersuchungen an­ zugeben, die gegenüber nicht- interferometrischen Vorrich­ tungen keinen erhöhten Raumbedarf aufweist und zugleich be­ sonders stabil ist, wobei der freie Arbeitsabstand zwischen Objektiv und Objekt vollständig ausgenutzt werden kann.

Dieses technische Problem wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Oberbe­ griffes und durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspru­ ches 1 gelöst.

Durch die Erfindung wird eine interferometrische Vor­ richtung eingeführt, die keine räumliche Trennung von Be­ leuchtungs-, Prüf-, Referenz- und Beobachtungsstrahl vor­ nimmt und dadurch besonders kompakt und stabil ist. Durch die Anordnung des Referenzspiegels auf der objektabgewand­ ten Seite des Objektivs kann das Objektiv ohne Einschrän­ kung an das Objekt herangeführt werden. Die Vorrichtung eignet sich vorzugsweise zur Abstands- oder Profilmessung.

Ein von einer Lichtquelle ausgehender divergenter Lichtstrahl wird mit einem Objektiv auf eine zu prüfende Objektfläche abgebildet. Der Weg des Lichtstrahls von der Lichtquelle bis zum Objektiv wird als Beleuchtungsstrahlen­ gang bezeichnet. Als Lichtquelle kommen sowohl Lichtquellen kurzer Kohärenzlänge (zum Beispiel Weißlichtquellen) als auch Lichtquellen mit großer Kohärenzlänge in Frage. Die Lichtquelle kann eine Laserdiode sein, die in der Nähe des Übergangs vom Leuchtdioden- zum Laserdiodenbetrieb betrie­ ben wird und damit eine kurze, einstellbare Kohärenzlänge hat.

Das Objektiv besteht aus einem ersten, objektseitigen Objektivteil und einem zweiten, detektorseitigen Objektiv­ teil. Zwischen diesen beiden Objektivteilen ist zur Erzeu­ gung eines Prüfstrahls und eines Referenzstrahls ein Strahlteiler, vorzugsweise senkrecht zur Objektivachse in das Objektiv integriert. Der durchgehende Anteil des ankom­ menden Lichtstrahls wird auf die zu prüfende Objektfläche abgebildet und daher als Prüfstrahl, beziehungsweise sein Weg bis zur Vereinigung mit dem Referenzstrahl als Prüf­ strahlweg bezeichnet.

Der am Strahlteiler reflektierte Anteil des ankommen­ den Lichtstrahls wird koaxial in den Beobachtungsstrahlen­ gang zurückgeworfen und dabei durch das zweite, detektor­ seitige Objektivteil auf einen vorzugsweise senkrecht im Strahlengang angeordneten Referenzspiegel abgebildet. Die­ ser Strahlanteil wird als Referenzstrahl und sein Weg bis zur Vereinigung mit dem Prüfstrahl als Referenzstrahlweg bezeichnet. Die Größe des Referenzspiegels ist entsprechend der Größe des entstehenden Bildes der Lichtquelle gewählt und führt daher lediglich zu einer zentralen Abschattung des Beleuchtungsstrahlengangs.

Der am Referenzspiegel reflektierte Referenzstrahl und der an der zu prüfenden Objektfläche reflektierte Prüf­ strahl werden an dem Strahlteiler vereinigt und interferie­ ren genau dann, wenn die Differenz ihrer optischen Weglän­ gen kleiner als die Kohärenzlänge der Lichtquelle ist. Der weitere Weg dieser vereinigten Strahlen wird als Beobach­ tungsstrahlengang bezeichnet.

Die beiden vereinigten Strahlen werden, von dem Strahlteiler ausgehend, von dem zweiten, detektorseitigen Objektivteil koaxial in den Beleuchtungsstrahlengang über einen zwischen dem Referenzspiegel und der Lichtquelle angeordneten strahlenteilenden Umlenkspiegel auf eine Blende abgebildet. Danach gelangen sie zu einem hinter der Blende angeordneten Detektor.

Diese vorgeschlagene Interferometeranordnung dient vorzugsweise zur Abstands- oder Profilmessung.

Der gesamte Sensor wird hierzu an einer Koordinaten­ meßmaschine als Taster benutzt, so daß die Änderung der op­ tischen Weglänge des Objektarms durch die Bewegung des Sen­ sors (relativ zum Objekt) realisiert wird. Es sollen sowohl rauhe als auch spiegelnde Objektoberflächen beobachtet wer­ den. Beobachtungs- und Beleuchtungsapertur sind in etwa gleich.

Die Abstands- oder Profilmessung kann sowohl durch konventionelle interferometrie durchgeführt werden, bei der Interferenzstreifen beziehungsweise Interferenzmaxima oder -minima gezählt werden, als auch durch "Kontrast-interfero­ metrie", bei der der Ort maximalen Kontrasts der Interfe­ renzstreifen beziehungsweise der interferenzminima und -maxima bestimmt wird. Ebenso ist sowohl punktweise als auch linienförmige oder flächenförmige Beobachtung sowohl spiegelnder als auch rauher Objektoberflächen möglich.

Die Kohärenzlänge des verwendeten Lichts wird dem An­ wendungsfall angepaßt. Beispielsweise wird zur Untersuchung rauher Oberflächen die Kohärenzlänge des verwendeten Lichts größer als die Rauheitstiefe gewählt.

Zur Anwendung der Erfindung für die Weißlichtinterfe­ rometrie, also der Verwendung einer Lichtquelle mit kurzer Kohärenzlänge, muß die optische Weglänge von Prüf- oder Re­ ferenzstrahl gleich gewählt werden. Um die gleichzeitige Fokussierung beider Strahlen auf das Objekt beziehungsweise auf den Referenzspiegel zu ermöglichen, sollten die Brenn­ weiten der beiden Objektivteile möglichst gleich sein.

Es kann auch dann ein interferenzsignal detektiert werden, wenn die Blende entfällt und der mit dem Referenz­ strahl wiedervereinigte Prüfstrahl nicht auf den Detektor abgebildet wird. Damit wird die Justierung der Blende überflüssig. Die Auflösung kann jedoch hierbei geringer werden.

Es ist möglich, den Strahlteiler leicht gegenüber der Objektivachse zu neigen. Dementsprechend wird der Referenz­ spiegel direkt neben dem Beleuchtungsstrahlengang angeord­ net. Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß keine zentrale Ab­ schattung von Beleuchtungs- und Beobachtungsstrahlengang stattfindet.

Für den Fall, daß das zweite, detektorseitige Objek­ tivteil eine sehr lange Brennweite besitzt, kann der geome­ trische Weg des Referenzstrahls vom Strahlenteiler zum Re­ ferenzspiegel länger sein als der Beleuchtungsstrahlengang. Für diesen Fall kann der Referenzspiegel nicht, wie bean­ sprucht, zwischen dem zweiten, detektorseitigen Objektiv­ teil und dem strahlenteilenden Umlenkspiegel liegen, son­ dern dann muß der Referenzspiegel zwischen dem strahlentei­ lenden Umlenkspiegel und dem Detektor angeordnet werden. Diese Variante hat den Nachteil einer größeren zentralen Abschattung, weil der Beobachtungsstrahlengang an dieser Stelle nur wenig auf geweitet ist.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist der Referenzspiegel als Tubenspiegel ausgebildet. Der Referenzspiegel kann dann den gesamten Querschnitt des Be­ leuchtungsstrahlengangs überdecken, ohne daß eine zentrale Abschattung des Lichtflecks auf dem Objekt auftritt. In diesem Fall ist auch ein paralleler Referenzstrahlengang möglich, bei dem die Lichtquelle nicht auf dem Referenz­ spiegel, sondern ins Unendliche abgebildet wird.

Der Referenzstrahlengang kann aber auch vollständig zwischen den beiden Objektivteilen angeordnet sein.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind den Unteran­ sprüchen zu entnehmen.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung dargestellt.

Die Figur zeigt eine Lichtquelle (1), von der ein divergenter Lichtstrahl ausgeht. Der Lichtstrahl durchtritt geradlinig mit einem Teil seiner Intensität einen strahlen­ teilenden Umlenkspiegel (4) und wird von einem Objektiv (3), das aus einem ersten, objektseitigen Objektivteil (3a) und einem zweiten, detektorseitigen Objektivteil (3b) be­ steht, auf die zu prüfende Objektfläche (6) abgebildet.

Die Brennweiten der Objektivteile sind gleich groß ge­ wählt. Ein Anteil des Lichtstrahls passiert einen zwischen den beiden Objektivteilen (3a, 3b) senkrecht zur Objektiv­ achse im Objektiv (3) angeordneten Strahlteiler (2). Dieser durchgehende Strahlanteil ist der Prüfstrahl (10).

Der reflektierte Strahlanteil ist der Referenzstrahl (11). Er wird durch das zweite, detektorseitige Objektiv­ teil (3b) auf einen Referenzspiegel (5) abgebildet. Dieser ist koaxial im Beleuchtungsstrahlengang zwischen dem zwei­ ten, detektorseitigen Objektivteil (3b) und dem strahlen­ teilenden Umlenkspiegel (4) angeordnet. Der am Referenz­ spiegel (5) reflektierte Referenzstrahl gelangt durch das zweite, detektorseitige Objektivteil (3b) zurück zum Strahlteiler (2), wo er mit dem von der zu prüfenden Ob­ jektfläche (6) reflektierten Prüfstrahl interferiert. Die beiden vereinten Strahlen werden durch das zweite, detek­ torseitige Objektivteil (3b) über den strahlenteilenden Um­ lenkspiegel (4) auf eine Blende (7) abgebildet und gelangen sodann zu einem hinter der Blende (7) angeordneten Detektor (8).

Bezugszeichenliste

1 Lichtquelle
2 Strahlteiler
3 Objektiv
3a Objektivteil
3b Objektivteil
4 strahlenteilender Umlenkspiegel
5 Referenzspiegel
6 Objektfläche
7 Blende
8 Detektor
9 Lichtstrahl
10 Prüfstrahl
11 Referenzstrahl

Claims (7)

1. Interferometervorrichtung mit

• - einer Lichtquelle (1) zur Erzeugung eines Lichtstrahls,
• - einem Strahlteiler (2) zur Aufteilung des Lichtstrahls in einen Prüfstrahl (10) und einen Referenzstrahl (11) und zur Vereinigung des zu ihm zurückkehrenden Prüfstrahls (10) mit dem ebenfalls zu ihm zurückkehrenden Referenz­ strahl (11)
• - einem vorzugsweise senkrecht im Referenzstrahl (11) ange­ ordneten Referenzspiegel (5),
• - einer im Prüfstrahl (10) angeordneten zu prüfenden Ob­ jektfläche (6),
• - einem Detektor (8) zum Empfang des mit dem Referenzstrahl (11) vereinigten Prüfstrahls (10),
• - einem Objektiv (3), welches in dem Lichtstrahl angeordnet ist, das aus einem ersten, objektseitigen Objektivteil (3a) und einem zweiten, detektorseitigen Objektivteil (3b) besteht,
• - wobei der Strahlteiler (2) in dem Objektiv (3) zwischen den beiden Objektivteilen (3a, 3b) integriert ist,
• - einer Gestaltung und Anordnung der beiden Objektivteile (3a, 3b), derart, daß der Prüfstrahl (10) auf die zu prü­ fende Objektfläche (6) und der Referenzstrahl (11) auf den Referenzspiegel (5) abgebildet wird und
• - einem strahlenteilenden Umlenkspiegel (4), der zwischen der Lichtquelle (1) und dem Objektiv (3) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzspiegel (5) im Beleuchtungsstrahlengang zwi­ schen dem zweiten, detektorseitigen Objektivteil (3b) und der Lichtquelle (1) am Ort des Bildes der Lichtquelle (1) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Strahlteiler (2) zur Erzeugung des Prüf- und Referenzstrahls zwischen den Objektivteilen (3a, 3b) senk­ recht zur optischen Achse angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Referenzspiegel (5) koaxial im Beleuchtungs­ strahlengang zwischen dem zweiten, detektorseitigen Objek­ tivteil (3b) und der Lichtquelle (1) am Ort des Bildes der Lichtquelle (1) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Strahlteiler (2) gegenüber der Objektivachse leicht geneigt ist und der Referenzspiegel (5) unmittelbar neben dem von der Lichtquelle (1) ausgehenden Lichtstrahl angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lichtquelle (1) eine kurze Kohärenzlänge be­ sitzt und Referenz- und Prüfstrahlengang die gleiche opti­ sche Weglänge aufweisen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem strahlentei­ lenden Umlenkspiegel (4) und dem Detektor (8) eine Blende (7) am Ort des Bildes der Lichtquelle (1) angeordnet ist.