DE19721881C2

DE19721881C2 - Interferometrische Meßvorrichtung

Info

Publication number: DE19721881C2
Application number: DE19721881A
Authority: DE
Inventors: Pawel Drabarek
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-05-26
Filing date: 1997-05-26
Publication date: 1999-05-20
Anticipated expiration: 2017-05-27
Also published as: DE19721881A1; JP4026929B2; GB2325739A; GB2325739B; JPH116719A; GB9811288D0; US6252669B1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf eine interferometrische Meßvorrichtung zur Form vermessung an rauhen Oberflächen eines Meßobjekts mit einer Strahlungser zeugungseinheit zur Abgabe einer kurzkohärenten Strahlung, einem ersten Strahlteiler zum Bilden eines ersten und eines zweiten Teilstrahls, von denen der eine auf die zu vermessende Oberfläche und der andere auf eine Vorrichtung mit einem reflektierenden Element zum periodischen Ändern des Lichtweges gerichtet ist, mit einem Überlagerungselement, an dem die von der Oberfläche und der Vorrichtung kommende Strahlung zur Interferenz gebracht werden und mit einem Photodetektor, der die Strahlung aufnimmt.

Eine interferometrische Meßvorrichtung dieser Art ist in der Veröffentlichung T. Dresel, G. Häusler, H. Venzke "Three-Dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar", App. Opt., Vol. 31, S. 919-925, No. 7, vom 01. März 1992 S. 919-925 und auch in der DE 41 08 944 A1 als bekannt ausgewiesen. In diesen Veröffentlichungen wird ein Interferometer mit kurzkohärenter Lichtquelle und piezobewegtem Spiegel zur Formvermessung an rauhen Oberflächen vorgeschlagen. In der Meß vorrichtung wird ein erster Teilstrahl in Form einer Lichtwelle, die von einem Meßobjekt zurückgestrahlt ist, mit einem zweiten Teilstrahl in Form einer Re ferenzwelle überlagert. Die beiden Lichtwellen haben eine sehr kurze Kohärenz länge (einige µm), so daß der Interferenzkontrast ein Maximum erreicht, wenn die optische Wegdifferenz null ist. Zum Ändern des Lichtwegs der Referenz welle ist ein reflektierendes Element in Form eines piezobewegten Spiegels vorgesehen. Durch den Vergleich der Lage des piezobewegten Spiegels mit der Zeit des Auftretens des Interferenzmaximums, läßt sich der Abstand zum Meß objekt bestimmten. Die genaue Erfassung des Interferenzmaximums und dessen Zuordnung zu dem Lichtweg ist relativ aufwendig.

Eine weitere interferometrische Meßvorrichtung ist in der DE 43 36 318 A1 an gegeben. Hierbei ist ein Heterodyn-Verfahren vorgesehen, das durch eine Fre quenzverschiebung erzeugt wird. Auch ein verschiebbares reflektierendes Ele ment ist erwähnt, durch das ein Lichtweg geändert wird, jedoch ist nicht an gegeben, welcher Art diese Verschiebung ist und wie sie erzeugt wird.

Weitere interferometrische Meßverfahren unter Anwendung der Heterodyn- Technik sind in der DE 39 06 118 A1 und der DE 195 22 262 A1 gezeigt, wo bei die DE 195 22 262 A1 zur Frequenzverschiebung einen akustooptischen Modulator angibt.

Vorteile der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Meßvorrich tung der eingangs genannten Art bereit zu stellen, bei der der Aufbau verein facht und die Meßgenauigkeit erhöht ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hiernach ist in dem Strahlengang des ersten Teilstrahls und/oder in dem Strahlengang des zweiten Teilstrahls eine Anordnung vorgesehen, die eine Frequenzverschiebung zwischen beiden interferierenden Teilstrahlen bewirkt. Durch diese heterodyn interferometrische Auswertung wird das Interferenzmaximum genauer bestimm bar. Weiterhin ist vorgesehen, daß die Vorrichtung zum Ändern des Lichtweges eine im Strahlengang des zweiten Teilstrahls zum Ändern dessen Lichtwegs an geordnete akustooptische Deflektoreinrichtung mit mindestens zwei akusto optischen Deflektoren und dahinter ortsfest angeordnet das reflektierende Ele ment aufweist. Die Deflektoren werden frequenzmoduliert angesteuert und sind in bezug auf den ankommenden zweiten Teilstrahl sowie auf das reflektierende Element derart angeordnet, daß der zu dem Überlagerungselement geführte zweite Teilstrahl durch seine Ablenkung in den Deflektoren die Änderung seines Lichtweges erfährt. Mit diesen Maßnahmen werden bewegte Teile zur Änderung des Lichtweges und entsprechende Ansteuerungselemente völlig vermieden. Durch die Ansteuerung der Deflektoreinrichtung ist der Lichtweg zu jeder Zeit genau bestimmt und kann dem Interferenzmaximum eindeutig zugeordnet wer den. Auch hierdurch wird die Meßgenauigkeit erhöht.

Ein einfacher Aufbau der Meßvorrichtung wird z. B. dadurch erhalten, daß die Anordnung als von einem Modulator-Treiber angesteuerter akustooptischer Modulator ausgebildet ist, der in dem Strahlengang des ersten Teilstrahls zwi schen dem ersten Strahlteiler und dem Meßobjekt angeordnet ist.

Mit der Maßnahme, daß die beiden Deflektoren mit derart geringfügig unter schiedlichen Trägerfrequenzen von zwei Deflektor-Treibern angesteuert werden, daß der zweite Teilstrahl eine Frequenzverschiebung erfährt, erübrigt sich der Einsatz eines zusätzlichen akustooptischen Modulators zum Erzeugen der Hete rodyn-Frequenz. Für die Bildung der Heterodyn-Frequenz werden vielmehr die vorhandenen akustooptischen Deflektoren ausgenutzt, die auch zur Änderung des Lichtwegs dienen. Bei einer Modulationsfrequenz der Trägerfrequenzen von z. B. einigen 10 MHz kann die geringfügige Frequenzdifferenz 0,5 MHz zwi schen den Trägerfrequenzen betragen. Die Deflektor-Treiber können durch zwei Treiberstufen einer Deflektor-Treibereinheit gebildet sein.

Zum Erzeugen der Modulationsfrequenz der Trägerfrequenzen ist für einen ein fachen Aufbau eine gemeinsame Steuereinheit vorgesehen, an die auch die bei den Deflektor-Treiber angeschlossen sein können. Ein einfacher Aufbau für eine genaue Auswertung besteht z. B. darin, dass der erste Deflektor den ankommen den zweiten Teilstrahl in Abhängigkeit von der Frequenz um einen zeitlich vari ablen Winkel ablenkt und der zweite Deflektor die Winkelablenkung zurück setzt, so dass der zweite Teilstrahl wieder in der Einfallsrichtung bezüglich des ersten Deflektors parallel versetzt weiter verläuft, und dass das reflektierende Element als Beugungsgitter ausgebildet ist, das bezüglich des aus dem zweiten Deflektor austretenden Teilstrahles derart schräg ausgerichtet ist, dass der Teil strahl in Einfallsrichtung zurückgeführt wird.

Für die Signalverarbeitung und Auswertung besteht ein vorteilhafter Aufbau darin, dass die Steuereinheit mit einer Ansteuereinheit zu einer Auswerteschal tung zusammengefaßt ist und dass eine Information über die Modulationsfre quenz der Trägerfrequenzen an die Auswerteeinheit gegeben wird, der auch das Ausgangssignal des Photodetektors zugeführt ist, und dass in der Auswerte schaltung auf der Basis der Information und des Ausgangssignals ein Abstand zwischen einem festen Punkt der Meßvorrichtung und einem Meßpunkt des Meßobjekts bestimmbar ist.

Ein geeignetes Ausführungsbeispiel besteht darin, daß zwischen der Strah lungserzeugungseinrichtung und dem ersten Strahlteiler ein Kollimator angeord net ist, dass zwischen dem Strahlteiler und dem Meßobjekt ein zweiter Strahl teiler zum Führen des ersten Teilstrahls über eine Fokussierungslinse auf das Meßobjekt und des von dem Meßobjekt reflektierten ersten Teilstrahls auf das Überlagerungselement in Form eines weiteren Strahlteilers angeordnet ist, und dass zwischen dem ersten Strahlteiler und dem ersten Deflektor ein dritter Strahlteiler angeordnet ist, mit dem der über den ersten Deflektor zurückkeh rende zweite Teilstrahl auf den weiteren Strahlteiler zum Interferieren mit dem von dem Meßobjekt reflektierten ersten Teilstrahl gerichtet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Be zugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Aufbau einer interferometri schen Meßvorrichtung zur Formvermessung an rauhen Oberflä chen eines Meßobjekts und

Fig. 2 einen alternativen Aufbau der in Fig. 1 gezeigten Meßvorrichtung.

Ein kollimierter Strahl einer kurzkohärenten Strahlungserzeugungseinheit in Form einer Lichtquelle 1, z. B. einer Laserdiode, wird in einem ersten Strahlteiler ST1 in einen ersten und einen zweiten Teilstrahl 3 bzw. 4 aufgeteilt. Der erste Teilstrahl 3 wird über einen akustooptischen Modulator 5 über einen zweiten Strahlteiler ST2 und eine Fokus sierungslinse 6 auf die Oberfläche des Meßobjekts 7 gerichtet. Nach der Rückreflexion erreicht der erste Teilstrahl 3 einen vierten Strahlteiler ST4.

Der an dem ersten Strahlteiler ST1 abgeteilte zweite Teilstrahl 4 läuft durch einen drit ten Strahlteiler ST3 und anschließend durch zwei akustooptische Deflektoren 8, 9, die mittels eines gemeinsamen Deflektor-Treibers 12 frequenzmoduliert angesteuert wer den. Durch die Frequenzmodulation wird der Ablenkwinkel des zweiten Teilstrahls 4 in dem ersten akustooptischen Deflektor 8 um einen Winkel α variiert. In dem zweiten akustooptischen Deflektor 9 wird der zweite Teilstrahl 4 anschließend wieder in die Richtung abgelenkt, in der er auf den ersten akustooptischen Deflektor 8 auftrifft. Auf diese Weise entsteht ein Parallelversatz des aus dem zweiten akustooptischen Deflektor 9 austretenden zweiten Teilstrahls 4, der anschließend ein reflektierendes Element in Form eines Beugungsgitters 10 beleuchtet. Das Beugungsgitter 10 ist unter einem be stimmten Winkel so geneigt, daß der zurückgebeugte zweite Teilstrahl 4 unabhängig von dem Parallelversatz in die interferometrische Anordnung über den Strahlteiler ST3 zurückläuft und sich in dem Strahlteiler ST4 mit dem von dem Meßobjekt 7 kommenden ersten Teilstrahl 3 überlagert. Wenn die beiden Teilstrahlen 3 und 4 die gleiche optische Strecke zurücklegen, hat der Interferenzkontrast ein Maximum erreicht.

Da die beiden akustooptischen Deflektoren 8, 9 so angeordnet sind, daß die Winkelab lenkung des ersten Deflektors 8 in dem zweiten Deflektor 9 zurückgesetzt und der zweite Teilstrahl 4 nur parallel verschoben wird, wird der Lichtweg, bzw. die optische Strecke (Laufzeit) des zweiten Teilstrahls 4 moduliert. Wenn die optische Wegdifferenz beider Teilstrahlen 3, 4 null ist, sieht auch ein im Strahlengang hinter dem vierten Strahlteiler ST4 angeordneter Photodetektor 11 das Interferenzmaximum. Durch den Vergleich des Zeitpunkts des Interferenzmaximus bzw. Signalmaximums des Photode tektors 11 mit der momentanen Frequenz des Deflektor-Treibers 12 in einer Auswerte schaltung 14 läßt sich der Abstand zu dem Meßobjekt 7 genau bestimmen. Wird dabei ein zwischen dem ersten Strahlteiler ST1 und dem zweiten Strahlteiler ST2 angeordne ter akustooptischer Modulator 5 zur Verschiebung der Frequenz des ersten Teilstrahls angesteuert, so erfaßt der Photodetektor 11 das Interferenzmaximum in Form eines Wechselsignals mit der Frequenz, mit der der akustooptische Modulator 5 mittels eines Modulator-Treibers 13 angesteuert wird. Auf diese Weise wird eine heterodyn interferometrische Auswertung erzielt, die es erlaubt, die Zeit des Auftretens des Inter ferenzmaximums genauer zu bestimmen.

Einen alternativen Aufbau der Meßvorrichtung zur Formvermessung an rauhen Ober flächen mittels kurzkohärenter Strahlung in Verbindung mit einer heterodyn-interferome trischen Auswertung zeigt die Fig. 2. Hierbei wird wiederum ein kollimierter Strahl einer kurzkohärenten Lichtquelle 1 in dem ersten Strahlteiler ST1 in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Der erste Teilstrahl 3 verläuft über eine Fokussierungslinse 6 zur Oberfläche des Meßobjekts 7. Der zweite Teilstrahl 4 läuft durch die zwei akustooptischen Deflek toren 8, 9 und beleuchtet das Beugungsgitter 10. Auch hierbei ist das Beugungsgitter 10 unter einem bestimmten Winkel so geneigt, daß der zurückgebeugte zweite Teilstrahl 4 unabhängig von dem Parallelversatz in die interferometrische Anordnung zurückläuft und sich in dem Strahlteiler ST1 mit dem ersten Teilstrahl 3, der von dem Meßobjekt 7 reflektiert wird, überlagert wird. Die überlagerten Teilstrahlen 3, 4 beleuchten den Photodetektor 11. Die beiden akustooptischen Deflektoren 8, 9 werden mit geringfügig unterschiedlichen Trägerfrequenzen von zwei Deflektor-Treibern 1, 2 angesteuert, wobei die Frequenzdifferenz beispielsweise bei einer Trägerfrequenz von einigen 10 MHz 0,5 MHz beträgt. Dadurch weist der zweite Teilstrahl 4 eine der doppelten Trägerfrequenz differenz entsprechende Frequenzverschiebung, beispielsweise 1 MHz auf. Die Träger frequenzen werden von einer Steuereinheit, die mit einer Auswerteeinheit zu einer Aus werteschaltung 14 zusammengefaßt sein kann, moduliert, wodurch eine Modulation des Lichtwegs (Laufzeit) des zweiten Teilstrahls 4 bewirkt wird, wie bei dem vorhergehen den Ausführungsbeispiel. Durch den Vergleich des Zeitpunkts des Maximums des He terodyn-Interferenzsignals z. B. mit der momentanen Frequenz der Steuereinheit läßt sich der Abstand zu dem Meßobjekt 7 bestimmen.

Claims

1. Interferometrische Meßvorrichtung zur Formvermessung an rauhen Ober flächen eines Meßobjekts mit einer Strahlungserzeugungseinheit zur Abgabe einer kurzkohärenten Strahlung, einem ersten Strahlteiler zum Bilden eines ersten und eines zweiten Teilstrahls, von denen der eine auf die zu vermessende Oberfläche und der andere auf eine Vorrichtung mit einem reflektierenden Element zum periodischen Ändern des Lichtweges gerichtet ist, mit einem Überlagerungselement, an dem die von der Ober fläche und der Vorrichtung kommende Strahlung zur Interferenz gebracht werden, und einem Photodetektor, der die Strahlung aufnimmt, dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Strahlengang des ersten Teilstrahls (3) und/oder in dem Strahlengang des zweiten Teilstrahls (4) eine Anordnung (5; 8, 9) vor gesehen ist, die eine Frequenzverschiebung zwischen beiden interferie renden Teilstrahlen (3, 4) bewirkt,
dass die Vorrichtung zum Ändern des Lichtwegs eine im Strahlengang des zweiten Teilstrahls (4) zum Ändern dessen Lichtwegs angeordnete akustooptische Deflektoreinrichtung mit mindestens zwei akustoop tischen Deflektoren (8, 9) und dahinter ortsfest angeordnet das re flektierende Element (10) aufweist und
dass die Deflektoren (8, 9) frequenzmoduliert angesteuert und in bezug auf den ankommenden zweiten Teilstrahl (4) sowie auf das reflektierende Element (10) derart angeordnet sind, dass der zu dem Überlagerungs element (ST1; ST4) geführte zweite Teilstrahl (4) durch seine Ablenkung (α) in den Deflektoren (8, 9) die Änderung seines Lichtwegs erfährt.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung als von einem Modulator-Treiber (13) angesteuerter akustooptischer Modulator (5) ausgebildet ist, der in dem Strahlengang des ersten Teilstrahls (3) zwischen dem ersten Strahlteiler (ST1) und dem Meßobjekt (7) angeordnet ist.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Deflektoren (8, 9) mit derart geringfügig unterschiedlichen Trägerfrequenzen von zwei Deflektor-Treibern (12.1, 12.2) angesteuert werden, dass der zweite Teilstrahl (4) eine Frequenzverschiebung erfährt.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfrequenzen der beiden Deflektoren (8, 9) mittels einer ge meinsamen Steuereinheit (14) moduliert werden.

5. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Deflektor (8) den ankommenden zweiten Teilstrahl (4) in Abhängigkeit von der Frequenz um einen zeitlich variablen Winkel ablenkt und der zweite Deflektor (9) die Winkelablenkung zurücksetzt, so dass der zweite Teilstrahl (4) wieder in der Einfallsrichtung bezüglich des ersten Deflektors (8) parallel versetzt weiterverläuft, und
dass das reflektierende Element als Beugungsgitter (10) ausgebildet ist, das bezüglich des aus dem zweiten Deflektor (9) austretenden Teil strahles derart schräg ausgerichtet ist, dass der Teilstrahl in Einfallsrich tung zurückgeführt wird.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit mit einer Ansteuereinheit zu einer Auswerteschal tung (14) zusammengefaßt ist,
dass eine Information über die Modulationsfrequenz der Trägerfrequenzen an die Auswerteeinheit gegeben wird, der auch das Ausgangssignal des Photodetektors (11) zugeführt ist, und
dass in der Auswerteschaltung (14) auf der Basis der Information und des Ausgangssignals ein Abstand zwischen einem festen Punkt der Meß vorrichtung und einem Meßpunkt des Meßobjekts (7) bestimmbar ist.

7. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen der Strahlungserzeugungseinrichtung (1) und dem ersten Strahlteiler (ST1) ein Kollimator (2) angeordnet ist,
dass zwischen dem Strahlteiler (ST1) und dem Meßobjekt (7) ein zweiter Strahlteiler (ST2) zum Führen des ersten Teilstrahls (3) über eine Fokus sierungslinse (6) auf das Meßobjekt (7) und des von dem Meßobjekt (7) reflektierten ersten Teilstrahls (3) auf das Überlagerungselement in Form eines weiteren Strahlteilers (ST4) angeordnet ist und
dass zwischen dem ersten Strahlteiler (ST1) und dem ersten Deflektor (8) ein dritter Strahlteiler (ST3) angeordnet ist, mit dem der über den ersten Deflektor (8) zurückkehrende zweite Teilstrahl (4) auf den weiteren Strahlteiler (ST4) zum Interferieren mit dem von dem Meßobjekt (7) reflektierten ersten Teilstrahl (3) gerichtet ist.