DE2348272A1

DE2348272A1 - Dehnungsmesser

Info

Publication number: DE2348272A1
Application number: DE19732348272
Authority: DE
Inventors: Richard R Baldwin; Bruce J Ruff
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1972-10-02
Filing date: 1973-09-26
Publication date: 1974-04-18
Also published as: GB1450692A; JPS4970649A; US3788746A; DE2348272C3; DE2348272B2; CH569254A5; JPS5441341B2; FR2201764A5; IT996218B

Description

Patentanwalt K. Schulte. D-703 Böblingen, Gerokweg P .

Case 765 25. September 1973

KS/is

Hewlett-Packard Company

DEHNUNGSMESSER

Die Erfindung betrifft allgemein Interferometer und insbesondere einen verbesserten Dehnungsmesser. Ein herkömmlicher Dehnungsmesser nach Fizeau benutzt die visuelle Beobachtung von Interferenzringen zwischen einem polierten Prüfblock und einer optischen Platte, um die relative Ausdehnung zwischen dem Prüfblock und einem Satz von Schrauben zu bestimmen, welche die optische Platte über dem Prüfblock halten. Da die Interferenzringe von einem konischen Abstand zwischen dem Prüfblock und der optischen Platte herrühren, ist diese Einrichtung empfindlich gegenüber einer geringfügigen Neigung des Prüfblockes oder der optischen-Platte. Um den absoluten Ausdehnungskoeffizienten des Prüfblockes aus diesen Daten zu entnehmen, ist es erforderlich, daß unabhängig davon der absolute Ausdehnungskoeffizient der Schrauben ermittelt wird.

Ein Dehnungsmesser, welcher diese Nachteile vermeidet, wurde beschrieben in einem Aufsatz von S. J. Bennet, "A Double-Passed Michelson Interferometer", Optics Communications, Band.4, Nr. 6 (Februar/Märζ 1972). In diesem Aufsatz wurde ein Verfahren zur Dehnungsmessung erläutert, bei welchem ein polarisierender Strahlspalter und ein optischer Winkelspiegel verwendet wurden. Mittels des Strahlspalters und des Winkelspiegels wurde ein erster Lichtstrahl zweimal von der Fläche einer Platte reflektiert, an welcher

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ein Prüfling angeordnet war. Die optischen Wege bei jedem Reflexionsvorgang waren parallel zueinander und symmetrisch zur Flächennormalen angeordnet. Die Interferenzringe wurden auf der Fläche an einem Ausgangsstrahlspalter zwischen dem ersten Lichtstrahl und einem zweiten Lichtstrahl gebildet, weicher zweimal von der Fläche des Prüflings in ähnlicher Weise reflektiert wurde. Da die Abstände bestimmt wurden, indem Licht erfaßt wurde, welches zweimal von den Oberflächen des Prüflings und der Platte in der beschriebenen symmetrischen Weise reflektiert wurde, ist diese Einrichtung gegenüber Translation oder Rotation unempfindlich. Nur die lineare Ausdehnung des Prüflings in einer ' zur Oberfläche senkrechten Richtung wird erfaßt, so daß der lineare Ausdehnungskoeffizient direkt bestimmt werden kann.

Bei dieser Vorrichtung erfolgt die ursprüngliche Aufspaltung des einfallenden Lichtstrahles in zwei Strahlen in einem zusätzlichen Eingangsstrahlspalter, durch welchen der Lichtstrahl nur einmal gelangt. In ähnlicher Weise erfolgt die Rekombination' der Ausgangsstrahlen zur Bildung der optischen Ringe in einem zusätzlichen Ausgangsstrahlspalter, der wiederum nur einmal von dem Lichtstrahl durchquert wird. Zur genauen Erfassung der Beugungsringe müssen die Wellenfronten der austretenden Strahlen am Ausgangsstrahlspalter parallel sein. Dieses erfordert, daß die Ein gangs- und Ausgangsstrahlspalter mit sehr exakten Toleranzen ausgerichtet werden, beispielsweise wird in dem Artikel von Bennet eine Toleranz von 10 Bogensekunden erwähnt. Es ist schwierig und kostspielig, diese Toleranzen herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dehnungsmesser zu schaffen, der die lineare Ausdehnung eines auf einer Platte befestigten Prüflings derart mißt, daß die Translation oder Rotation des Prüflings oder der Platte unberücksichtigt bleiben und daß keine genaue Ausrichtung der verschiedenen optischen Bauteile des Systemes erforderlich ist. Vorzugsweise sollen die Interferenz ringe derart erzeugt und gemessen werden, daß die Empfindlichkeit der Anordnung elektronisch wesentlich durch die Verwendung einer Einrichtung zum Erweitern des Auflösungsvermögens verbessert wird.

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Die Lösung dieser Aufgabe gemäß der Erfindung ist durch den Anspruch 1 gegeben. Es wird kein genau ausgerichteter Ausgangsstrahlspalter benötigt, an welchem die Ringe durch die Interferenz zwischen dem von der Probe oder dem Prüfling reflektierten Strahl und dem von der Platte reflektierten Strahl gebildet werden. Statt dessen wird ein erster Satz von Interferenzringen zwischen einem Strahl, der den Abstand zu dem Prüfling zweimal längs getrennter aber paraller Wege durchmessen hat und einem Referenzstrahl erzeugt, der von einem Winkelspiegel reflektiert worden ist. Um die lineare Ausdehnung des Prüflings zu bestimmen, wird dieser erste Satz von Ringen elektronisch mit einem zweiten Satz von Ringen verglichen, der zwischen einem Strahl erzeugt wird, der den Abstand zu der Platte zweimal entlang getrennter aber paralleler Wege durchmessen hat und einem anderen Referenzstrahl, der von dem gleichen Winkelspiegel reflektiert worden ist. Die optische Interferenz, welche jeden Satz von Beugungsringen erzeugt, tritt auf der Oberfläche des gleichen Strahlspalters auf,-der dazu benutzt wird, die eintreffenden Strahlen längs ihren entsprechenden Wegen zu .richten. Dementsprechend.ist es nicht erforderlich, die Eingangs- oder Ausgangsstrahlspalter genau auszurichten, damit die interferierenden Strahlen an der Oberfläche parallel sind, wo die Interferenz stattfindet.

Da die Entfernungsmessung durch den elektronischen Vergleich zweier Sätze von Beugungsringen erfolgt, ist es möglich, eine Schaltung zur Auflösungserweiterung vorzusehen, welche die Empfindlichkeit des Dehnungsmessers wesentlich erhöht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; es stellen dar:

Fig. 1 ein Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines optischen Dehnungsmessers;

Fig. 2 ein Diagramm, aus welchem die Verwendung einer Einrichtung zur Erweiterung des Auflösungsvermögens in Verbindung mit einem optischen Dehnungsmesser hervorgeht.

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Der Dehnungsmesser verwendet eine Lichtquelle 1, welche in dieser bevorzugten Ausführungsform aus einem mit zwei Frequenzen arbeitenden Laserbestsht/äer einen Ausgangsstrahl mit zwei Frequenzen abgibt. Eine erste Strahlkomponente des Ausgangsstrahles hat die Frequenz f, und ist linear in der Zeichnungsebene polarisiert, was durch einevertikale Linie angedeutet ist. Eine zweite Strahlkomponente hat die Frequenz f„ und ist linear rechtwinklig zu der Zeichungsebene polarisiert, was durch einen Kreis angedeutet wird. Ein Strahlspalter 2 überträgt einen Teil 3 des doppelt-frequenten Strahles direkt zu einem polarisierenden Strahlspalter 4 und reflektiert einen anderen Teil 5 des doppeltfrequenten Strahles zu einem Spiegel 5. Dieser reflektiert wiede rum den Anteil 5 des Strahles zu einem polarisierenden Strahlspalter 4. An der Oberfläche 7 des polarisierenden Strahlspalters 4 wird der Teil 5 des doppelt-frequenten Strahles wiederum unterteilt. Zwei Strahlkomponenten mit verschiedenen Frequenzen und verschiedenen Polarisationszuständen werden entlang getrennter Wege ausgesendet. Die Strahlkomponente mit der Frequenz 1 und der vertikalen Polarisationsebene wird zu einem Winkelspiegel 8 und die Strahlkomponente der Frequenz f_' und der horizontalen Polarisationsebene wird zu der Fläche einer Platine 9 reflektiert . Die Strahlkomponente mit der Frequenz fj gelangt durch eine Viertelwellenplatte 10 und wird von der Fläche der Platine 9 zurück entlang dem gleichen Weg zu der Oberfläche 7 des Strahlspalters 4 gerichtet. Nach dem zweimaligen Durchgang durch die Viertelwellenplatte 10 ist die Polarisationsebene der Strahlkomponente mit der Frequenz f_ in die vertikale Polarisationsebene umgewandelt worden, so daß die Strahlkomponente mit der Frequenz f« nun durch die Fläche 7 des Strahlspalters zu dem reflektierenden Winkelspiegel 11 übertragen wird. Die Strahlkomponente mit der Frequenz f_ wird von dem Winkelspiegel 11 reflektiert und wiederum durch die Oberfläche 7 des Strahlspalters und die Viertelwellenplatte 10 zurück zu der Oberfläche der Platine 9 übertragen. Dort wird sie wieder durch die Viertelwellenplatte 10 zu der Fläche 7 des Strahlspalters reflektiert. Nach dem wiederholten zweifachen Durchgang durch die Viertelwellenplatte 10, hat die Strahlkomponente eine horizontale Polarisationsebene.

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C*

Daher wird die Strahlkomponente mit der Frequenz f_? nun durch die Fläche 7 des Strahlspalters zu einem Detektor 12 reflektiert. In der Zwischenzeit ist die Strahlkomponente mit der Frequenz f und der vertikalen Polarisationsebene durch den Winkelspiegel 8 reflektiert und durch die Fläche 7 des Strahlspalters zu dem gleichen Detektor 12 übertragen worden. Der Detektor 12 verwendet in,bekannter Weise einen Mischpolarisator und einen photoelektrischen· Detektor (vergleiche Fig. 2 in der US-Patentschrift 3 4 58 259), um die beiden Strahlkomponenten zu mischen. Die Frequenz des Ausgangssignales ist gleich der Differenz zwischen den Frequenzen f und f_ und einer Dopplerverschiebung um einen Betrag, welcher der Bewegung der Oberfläche der Platine 9 in einer zu dieser Oberfläche senkrechten Richtung entspricht. Die Messung ist offensichtlich unabhängig von kleinen seitlichen Verschiebungen der Platine parallel zu ihrer Oberfläche. Sie ist auch unabhängig von kleinen Rotationen um .eine Achse in der Ebene der Zeichnung und senkrecht zur Oberfläche oder um eine Achse in der. Ebene der Zeichnung und parallel zur Oberfläche. Wie schon durch Bennet gezeigt wurde, ist die Messung auch unempfindlich gegenüber kleinen Drehungen der Platine um eine Achse .senkrecht zu der Zeichnungsebene, da der Strahl zweimal den Abstand von dem polarisierenden Strahlspalter zu der Platine durchläuft. Jede derartige kleine Drehung um eine Achse, die in der Mitte zwischen den beiden Strahlen angeordnet ist, verlängert den einen optischen Weg geringfügig, verkürzt aber den anderen optischen Weg um einen ähnlichen Betrag, so-daß die gesamte optische Weglänge durch die kleine Drehung nicht beeinträchtigt wird. Falls sich die Achse nicht in der Mitte zwischen den Strahlen befindet, gelten die gleichen Ergebnisse, da die resultierende Neigung in zwei Translationsbewegungen und eine Rotationsbewegung um eine Achse in der Mitte zwischen den Strahlen aufgelöst werden kann.

In ähnlicher Weise kann ein Paar Strahlkomponenten erläutert werden, dessen Interferenzmuster auf die Bewegung der Probe bzw. des Prüflings 15 anspricht. Diese Strahlen sind die beiden Strahlkomponenten des Anteiles 3 des doppelt-frequenten Strahles, der durch den Strahlspalter 2 direkt zu dem polarisierenden Strahlspalter 4 übertragen wurde. Der gesamte Vorgang findet in einer

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zu der Zeichnungsebene senkrechten Ebene statt,, wobei die interferierenden Strahlen letztlich auf einen Detektor 13 gerichtet werden.

Die Geometrie der Anordnung ist die gleiche, wie sie bei der Messung der vorbeschriebenen Messung der Platinenbewegung erfolgt. Daher ist die Messung des Abstandes zur Oberfläche des Prüflings auch gegenüber kleinen Verschiebungen parallel zur Oberfläche und zu kleinen Drehungen um irgendeine Achse unempfindlich.

Es ist anzumerken, daß gemäß der Erfindung der Strahl, welcher den Abstand zu der Platine durchläuft, nicht direkt mit dem Strahl interferiert, welcher den Abstand zu dem Prüfling durchlaufen hat. Vielmehrj-dxe Interferenz zwischen dem Strahl statt, der den Abstand zu der Platine durchlaufen hat, und einem Referenzstrahl, der einen festen Abstand zu einem Winkelspiegelreflektor durchlaufen hat. Auch sei angemerkt, daß die Interferenz zwischen diesen Strahlen an der Oberfläche 7 des polarisierenden Strahlspalters 4 stattfindet, wobei die Geometrie der Anordnung sicherstellt, daß die interferierenden Strahlen parallel sind. In der gleichen Weise findet die Interferenz zwischen dem Strahl, der den Abstand zu der Probe zweimal durchlaufen hat, und dem zugeordneten Referenzstrahl an der Oberfläche 7 des polarisierenden Strahlspalters 4 statt, welcher genau den gleichen Abstand durch den Winkelspiegel wie der erste Referenzstrahl durchlaufen hat. Durch die Erfindung ist es daher nicht erforderlich, einen getrennten genau ausgerichteten Ausgangsstrahlspalter vorzusehen, um die optische Interferenz zwischen parallen Strahlen zu erzeugen,

Die tatsächliche Messung der Ausdehnung einer Probe erfolgt durch den Vergleich der Ausgangssignale der Detektoren 12 und 13 in einem elektronischen, reversiblen Zähler 14, der die Differenz zwischen den Frequenzen dieser Signale integriert. Das Ausgangssignal des Zählers 14 ist daher proportional der summierten Differenz der Versetzungen zwischen der Oberfläche der Probe und der Oberfläche der Platine. Aus der von der Probe erfahrenen Temperaturänderung kann" dann durch eine einfache Rechnung ihr linearer Ausdehnungskoeffizient ermittelt v/erden.

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Gemäß Fig. 2 kann eine elektronische Einrichtung 16 zur . . Erweiterung des Auflösungsvermögens in Verbindung mit dem Dehnungsmesser verwendet werden. Die Ausgangssignale der Detektoren 12 und 13 werden auf diese Einrichtung 16 zur Erweiterung des Auflösungsvermögens gerichtet, welche die Dopplerverschiebung Af des auf die Platine fallenden Strahles mit einer ganzen Zahl η multipliziert und die Dopplerverschiebung Af des auf die Probe fallenden Strahles mit einer ganzen Zahl (n-1) multipliziert. Das Ausgangssignal der Einrichtung 16 wird dann in dem reversiblen Zähler 14 mit dem Ausgangssignal des Detektors 13 verglichen, dessen Dopplerverschiebung Af direkt von der Bewegung der Probe abhängt. Der reversible Zähler erzeugt daher ein Ausgangssignal, welches proportional der aufsummierten Differenz der Verschiebungen zwischen der Oberfläche der Probe und der Oberfläche der Platine und mit dem Faktor η multipliziert ist. .

Diese Erweiterung des Auflösungsvermögens ist insbesondere bei Dehnungsmessungen von Bedeutung, da es häufig erforderlich ist, sehr kleine Verschiebungen zu erfassen.

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Claims

Case 765

Hewlett-Packard Company, Palo Alto 25. September 1973

KS/is

Patentansp r ti ehe

Dehnungsmesser zum Messen der Ausdehnung eines Prüfblocks auf einer Platine mit einer Lichtquelle, einem ersten Strahlspalter zum Aufspalten eines Strahles in zwei Strahlen, einer optischen Einrichtung mit einem zweiten Strahlspalter zum Aufspalten eines der beiden Strahlen in eine erste und eine zweite Strahlkomponente und zum Aufspalten des anderen Strahles in eine dritte und eine vierte Strahlkomponente, einem ersten Detektor zum Erkennen der durch die ersten und zweiten Strahlkomponenten erzeugten Interferenzringe, einem zweiten Detektor zum Erkennen der durch die dritten und vierten Strahlkomponenten erzeugten Interferenzringe und einem Schaltkreis zum Vergleichen der Ausgangssignale der ersten und zweiten Detektoren und zur Abgabe eines Ausgangssignales entsprechend der absoluten Verschiebung der Oberfläche der Probe abzüglich der absoluten Verschiebung der Oberfläche der Platine, dadurch g e k e η η ζ eichnet, daß die optische Einrichtung (4, 13, 12, 14) die erste Strahlkomponente auf die Oberfläche des Prüflings (15) auf der Platine (9) in einer derartigen Weise richtet, daß die erste Strahlkomponente den Weg zu dem Prüfling zweimal längs getrennter aber paralleler Wege durchläuft und die zweite Strahlkomponente längs eines ersten Referenzweges derart richtet, daß die zweite Strahlkomponente nach dem Durchlaufen des ersten Referenzweges optisch mit der ersten Strahlkomponente an dem zweiten Strahlspalter (4) interferiert und die optische Einrichtung die dritte Strahlkomponente auf die Oberfläche der Platine derart richtet, daß die dritte Strahlkomponente den Weg zu der Platine zweimal entlang getrennter aber paralleler Wege durchläuft und die vierte Strahlkomponente längs eines zweiten Referenzweges derart gerichtet wird, daß sie nach dem Durchlaufen des zv/eiten Referenzweges mit der dritten Strahlkomponente an der strahlspaltenden Oberfläche (7) des zweiten Strahlspalters (4) interferiert. 409816/0349
2. Dehnungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) einen Zweistrahllaser enthält, v/elcher einen Lichtstrahl mit einer ersten linear polarisierten Strahlkomponente mit einer ersten Frequenz und einer zweiten Strahlkomponente mit einer zweiten Frequenz erzeugt, die zweite Strahlkomponente bezüglich der ersten Strahlkomponente in einer orthogonalen Ebene polarisiert ist, die optische Einrichtung einen polarisierenden Strahlspalter (4) enthält, der jeden der beiden Strahlen in seiner beiden linear polarisierten Strahlkomponenten aufspaltet, ein erster Winkelspiegelreflektor (8) die zweiten und vierten Strahlkomponenten in den ersten und zweiten Referenzwegen reflektiert, ein"zweiter Winkelspiegelreflektor (11) und eine Viertelwellenplatte (10) die erste Strahlkoinponente auf die Oberfläche der Platine und die dritte Strahlkomponente auf die Oberfläche des Prüflings richtet, die ersten und zweiten Detektoren jeweils einen Polarisationsanalysator und eine Mischeinrichtung zur Abgabe eines Ausgangssignales enthalten, dessen Frequenz der Differenz zwischen den beiden Frequenzen des Zweistrahllasers entspricht und aufgrund des Dopplereffektes entsprechend der Bewegung der Oberfläche der Platine im Falle des ersten Detektors phasenverschoben ist und welches der Bewegung der Oberfläche der Probe im Falle des zweiten Detektoxs entspricht, und der Ausgangsschaltkreis einen reversiblen Zähler (14) enthält, der in einer Richtung die Frequenz des Ausgangssignales des ersten Detektors und in einer anderen Richtung die Frequenz des Ausgangssignales des zweiten Detektors zählt und ein Ausgangssignal erzeugt, welches der akkumulierten Differenz der Zählerstände in jeder Richtung entspricht.
3. Dehnungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsschaltkreis eine elektronische Einrichtung (16) zur Erweiterung des Auflösungsvermögens enthält, welche den Effekt der Dopplerverschiebung auf das Ausgangssignal des ersten Detektors mit einem ausgewählten Faktor multipliziert, den Effekt der Dopplerverschiebung auf das Ausgangssignal des zweiten Detektors mit dera ausgewählten Faktor

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minus 1 multipliziert und der reversible. Zähler in einer
Richtung die Frequenz des Ausgangssignales der Einrichtung zur Erweiterung des Auflösungsvermögens und in der anderen Richtung das Ausgangssignal des zweiten Detektors zählt.

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