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OrTISC PROFILABTASTR Die rrfinr3ung betrifft eine Vorrichtung zur
Abtastung von Oberflächenprofilen, bei der das Meßobjekt an einem Abstandsfühler
senkrecht zu dessen Meßrichtung vorübergeführt werden kann und der Abstandsfiihler
in einem kleinen Meßfeld bestimmt, welche Ablage die Oberfläche des Meßobjektes
von einer zur Nullage erklärten Ebene hat.
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Es sind mehrere derartige Meßeinrichtungen bereits bekannt.
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Am gebräuchlichsten sind die mechanischen Profilabtaster. Bei diesen
Geräten wird ein feiner Taststift über die Oberfläche des Meßobjektes geführt und
die Auslenkung des Stiftes normal zur Probenoberfläche gemessen. Interessieren nur
integrale Meßgrößen wie Rauhtiefe, Welligkeit usw., so kann die Auslenkung des Taststiftes
piezoelektrisch oder magnetisch in Analogie zu Tonabnehmersystemen von Plattenspielern
gemessen werden. Soll dagegen das echte Profil statisch vermessen werden können,
so wird im allgemeinen ein induktiver Wegaufnehmer für die Messung der Taststiftauslenkung
eingesetzt. Die mit den mechanischen Abtastern erzielbare Auflösung der Profilmessung
ist besser als 0,01 11m . Der wesentliche Nachteil dieser Meßmethode ist die mechanische
Berührung des Prüflings. Auch bei sehr geringer Auflagekraft erzeugen die feinen
Taststifte einen Auflagedruck, der in weichen Materialien zu Meßfehlern führen kann.
Darüberhinaus ist zum Schutz von Meßobjekt und Taststift ein vorsichtiges Aufsetzen
des Stiftes erforderlich.
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Optische Methoden der Profilmessung vermeiden selbstverständlich die
mechanische Berührung; es ist aber schwierig, ähnlich gute Meßergebnisse wie mit
mechanischen Abtastern zu erhalten.
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Als Beispiel eines geometrisch-optischen Abstandsfühlers soll eine
Meßeinrichtung mit schwingender Lochblende erwähnt werden (IEEE Journal of Quantum
Electronics, Vol. QE-3,Nr, 11,Nov.1967,
nier wird ein möglichst
nunktförmiger Lichtfleck auf das Meßobjekt projiziert. Das von der Probe in die
Projektionslinse reflektierte Licht wird ausgespiegelt und von einer zweiten Linse
wieder zu einem Punktbild gesammelt. An der Stelle des Punktbildes schwingt eine
sehr enge Lochblende in Richtung der optischen Achse und moduliert damit den hindurchtretenden
Lichtstrom. Aus dem Signal des hinter der Lochblende stehenden Photoempfängrs kann
durch Phasenvergleich mit der Blendenscharingung ein vorzeichenrichtiges Maß für
die Ablage der Meßfläche von einer Nullage oder Soll-Lage abgeleitet werden0 In
der Deutschen Patentschrift 1 949 117 sind optische und elektronische Verbesserungen
dieses Meßprinzips angegeben worden, die einen größeren Erkennungsbereich des Fühlers
gestatten und das Signal für die Ablage weitgehend unabhängig von dem Reflexion
vermögen des Meßobjektes machen.
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Die Meßgenauigkeit dieses oder anderer modifizierter Lichtschnitt-Verfahren
dürfte aus Gründen, die hier nicht näher er-' läutert werden können, 1 um kaum übertreffen.
Das Anwendungsgebiet der geometrisch-optischen Abstandsmessung wird vorzugsweise
bei der Kontrolle feinmechanischer Arbeitsgänge liegen können.
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Für die extreme Feinmeßtechnik im Sub-Mikrometerbereich, die etwa
in der Mikroelektronik benötigt wird, versprechen interferenzoptische Meßmethoden
von vornherein eine höhere Meßgenauigkeit. Die Schwierigkeit bei interferometrischen
Profilbestimmungen liegt aber in der geeigneten Auswertung der Licht interferenzen.
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Schon seit Jahrzehnten werden Oberflächenformen von Werkstücken mit
Hilfe von Auflicht-Zweistrahlinterferenz-Mikroskopen untersucht und vermessen. Das
Zweistrahlinterferenzbild im monochromatischen Licht enthält im gesamten Gesichtsfeld
helle und dunkle Streifen, die als Höhenlinien des Meßobjektes gegenüber einer beliebig
verkippten Referenzebene gedeutet werden können. Sie folgen einander im Abstand
einer halben Wellenlänge des verwendeten Lichts. Aus diesen Höhenlinien kann aber
nicht mit völliger Sicherheit auf das Höhenprofil der Probe geschlossen werden,
weil an Höhensprüngen der Oberfläche keine sichere Numerierung der Interferenzstreifen
mehr angegeben werden kann; sie sind
ununterscheidbar. Das Interferenzbild
-ner abrupten Stufe weist zwar meistens einen deutlich sichtbaren Versatz der Streifen
entlang der Stufe auf; die daraus errechnete Stufenhöhe ist aber vieldeutig um additive
Mehrfache der halben Wellenlänge.
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Anders verhält sich das Zweistrahlinterferenzbild im weißen Licht.
Wegen der extrem kurzen Kohärenzlänge von ca. 1 »n treten nur wenige Interferonzstreifn
auf. Das Streifenbünal. bssteht aus einem mittleren unbunten Streifen und beidseitig
einigen farbigen Streifen, die nach außen hin bald verblassen. Der mittlere unbunte
Streifen ist visuell gut zu verfolgen, auch bei einem abrupten Versatz an einer
Stufe des Meßobjektes.
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Für eine sichere und quantitative Vermessung einer Stufe wird daher
sowohl ein monochromatisches als auch das Weißlicht-Interfernzbild bei gleicher
Stellung des Referenzspiegels herangezogen.
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Eine solche Auswertung ist mühsam und, falls photographische Schritte
zur genaueren Messung eingeschlossen sind, auch zeitraubend. Außerdem ist es für
eine visuelle Auswertung des InterEerenzstreifenverlaufes Voraussetzung, daß das
Oberflächenprofil der Probe sich nur in einer lateralen Richtung ändert, damit überhaupt
noch äquidistante Streifensysteme entstehen.
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Eine in beiden lateralen Richtungen variable Profilhöhe ergibt nur
in seltenen Fällen, etwa für Kugelflächen, Streifensysteme, die sich quantitativ
auswerten lassen.
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Es sind elektrooptische Meßsysteme bekannt geworden, die schon automatisch
aus einem monochromatischen Zweistrahlinterferenzbild das Probenprofil über einen
flächenhaften Meßbereich an der Probe ermitteln.
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In einer Meßvorrichtung (Appl. Optics, Vol. 13, No. 11, Nov.1974,
S. 2693-2703) geschieht die Bildaufnahme mit einer 32 x 32 -Element-Photodiodenmatrix,
wobei der Referenzspiegel des Zweistrahlinterferometers nach jeder Bildaufnahme
um einen Bruchteil der Lichtwellenlänge piezoelektrisch in Richtung der optischen
Achse verstellt wird. Nachdem 100 Bilder aufgenommen worden sind, berechnet ein
Computer aus diesen Daten das Probenprofil.
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In einer weiteren Einrichtung (Microscopica Acta, Bd. 76, H. 1, 1974,
S. 28-37) wird das Interferenzbild abgerastert durch eine schrittweise Verschiebung
eines Scanning-Mikroskoptisches.
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Auch in diesem Fall übernimmt ein Digitalrechner die relativ schwierige
Umformung der Daten des Interferenzbildes in Daten über das Probenprofil.
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Beide Auswerteverfahren erfordern sehr geringe Höhendifferenzen an
der Probe und einen stetigen Verlauf des Profiles in beiden lateralen Richtungen.
Das läßt erkennen, daß es sich um Meßverfahren für sehr spezielle Probleme handelt
und daß die Verfahren nicht in Konkurrenz zur mechanischen Profilabtastung treten
können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine automatische Profilabtastung
zu ermöglichen, die eine Berührung der Probenoberfläche vermeidet, eine Auflösung
von ca. 0,01 zum gestattet und auch abrupte Stufen der Probenoberfläche eindeutig
wiedergibt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer Vorrichtung
zur Abtastung von Oberflächenprofilen der Abstandsfühler als Weißlicht-Zweistrahlinterferometer
ausgebildet ist, dessen optische Weglängendifferenz zwischen Objekt-und Referenzteilstrahl
um mehr als die Kohärenzlänge des verwendeten Lichts gewobbelt wird, so daß im Bild
des Meßfeldes Interferenz erscheinungen periodisch nur dann auftreten, wenn die
optische Weglänge des Referenzteilstrahles etwa mit der des Objektteilstrahles übereinstimmt,
und daß die Interferenzerscheinungen im Bild durch einen Photodetektor in ein elektrisches
Signal gewandelt werden, aus dem die Ablage der Meßfläche vorzeichenrichtig durch
eine elektronische Signalverarbeitung erkannt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Wobbelung
der optischen Weglängendifferenz durch einen Schwingspiegel erreicht wird, der sich
an der zum Meßobjekt bei Nullage konjugierten Stelle im Referenzteilstrahl befindet.
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Diese Schwindung des Spiegels läßt sich in bekannter Weise mittels
eines Hochtonlautsprechers als mechanischem Stellglied erzeugen.
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Es ist günstig, den Schwingspiegel weit unter der mechanischen Eigenresonanz
des Schwingsystems zu betreiben, weil dann die tatsächliche Lage des Spiegels annähernd
phasengleich zur elektrischen Ansteuerung des Stellgliedes ist. Dieses Ansteuersignal
kann deshalb als Steuersignal für die später beschriebene Synchrongleichrichtung
dienen.
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Um zu vermeiden, daß Oberwellen des Steuersignals für den Schwingspiegel
in den Bereich der mechanischen Eigenresonanz fallen, ist vorgesehen, mit einem
sinusförmigen Steuersignal eine ebenfalls sinusförmige Schwingung zu erzeugen.
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Wenn die Wobbelung der optischen Weglängendifferenz der beiden zur
Interferenz gelangenden Teilstrahlen wesentlich größer ist als die Kohärenzlänge
des Lichtes, so wird eine bestimmte Stelle des Bildes fast immer konstante Intensität
haben bis auf die Zeitpunkte, wo die durch die Wobbelung erzeugte Weglängenänderung
gerade so groß ist wie die Ablage des Meßobaektes von der Nullage. In diesen Augenblicken
tritt durch Interferenz eine schnell an- und wieder abklingende Modulation der Lichtintensität
auf. Die Frequenz dieser Modulation ist von der mittleren Lichtwellenlänge sowie
der Frequenz und dem Hub der Wobbelung bestimmt. Die Anzahl der auftretenden Modulationsperioden
ist proportional zur Kohärenzlänge des Lichtes. Auf eine genaue mathematische Beschreibung
dieser Zusammenhänge soll hier verzichtet werden, weil sie für das Verständnis der
Meßvorrichtung entbehrlich ist.
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Wenn die optischen Weglängen der beiden Teilstrahlen genau gleich
sind, tritt der maximale Kontrast der Interferenzen.
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auf. Daher entspricht also die Ablage des Meßobjektes von der Nullage
dem Momentanwert der optischen Weglängenänderung zu dem Zeitpunkt, in dem der maximale
Kontrast der Weißlicht-Zweistrahlinterferenz, im idealen Fall einer MICHELSON-Interferometeranordnung
der mittlere Extremwert der Lichtintensität, vom Photodetektor angezeigt wird.
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Fjr den Fall, daß die \Yeglnngencinderllng durch einen \^hvinspiegel
- wie bereits beschrieben - bewirkt wird, ist der Momentanwert der Auslenkung des
Spiegels aus seiner Ruhelage ein Maß für die Ablage des Meßobjektes. Ist die Schwingfrequenz
des Spiegels klein gegen die mechanische Resonanzfrequenz des Schwingsystems und
besitzt das elektromechanische Stellglied ausreichende Linearität zwischen der elektrischen
Steuergröße und der resultierenden Auslenkung, Bo kann bereits der Momentanwert
der elektrischen Stellgröße als Maß für die Ablage des ßobektes gelten.
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Bei der bisher beschriebenen Art der Signalauswertung ist der Meßbereich
durch den Hub des Schwingspiegels gegeben. Die Meßgenauigkeit ist aber für geringen
Spiegelhub, etwa + 1 )un, höher als für eine große Schwingung von + 10 Fm . Es können
aber eine hohe Meßgenauigkeit und ein ausgedehnter Meßbereich miteinander kombiniert
werden, wenn der Referenzspiegel zusätzlich zur Wobbelung noch statisch verstellt
werden kann.
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Mit der statischen Verstellung wird die Ablage der Meßfläche von der
Nullage für das Detektorsignal kompensiert, d.h. das Detektorsignal weist die Interferenzen
immer symmetrisch zu den Nulldurchgängen des Wobbelsignals auf. Damit ist die gesuchte
Profilhöhe gleich der statischen Verstellung des Referenzspiegels.
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Ein Nachteil solcher statischer Spiegelverstellung ist darin zu sehen,
daß sowohl Meßobjekt als auch Referenzspiegel aus der idealen Schärfenebene des
Mikroskopstrahlenganges auswandern.
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Für langbrennweitige Objektive geringer Apertur ist eine Auslenkung
von beispielsweise + 10 Fm tolerierbar. Bei hochvergrößernden Objektiven mit großer
Apertur sollte jedoch eine Defokussierung um mehrere Mikrometer vermieden werden.
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Für den letztgenannten Fall ist die Möglichkeit vorgesehen, das Meßobjekt
berührungslos im Abstand zum Abstandsfühler derart nachzuführen, daß sich das Meßfeld
des Objektes jeweils in der Nullage des Abstandsfühlers befindet und damit der Meßwert
für die jeweilige Profilhöhe in der Höhenlage des Meßobjektes besteht.
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Durch den zusätzlichen Aufwand der Objekthöhenverstellung erkauft
man sich den Vorteil, daß das Meßfeld der Probe immer in der ontimalen Schärfe abgebildet
wird und die laterale Auflösung auch bei großen Gesamthöhendifferenzen der Probe
erhalten bleibt.
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Es ist bereits bekannt, die Ob;jekthalterung von Mikroskopen mittels
nieæokerarnischer Ba1AeZemente in der Höhenlage zu variieren. Piezokeramiken, die
eine gute Linearität zwischen angelegter Spannung und Deformation einhalten, zeigen
aber eine sehr geringe Deformation bezogen auf die angelegte Spannung; Piezokeramiken
mit starker spezifischer Deformation sind wiederum wegen ihrer Hysterese und einem
zeitlich langanhaltendem Kriechen weit von einem linearen Verhalten entfernt.
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Es ist daher zusätzlich vorgesehen, daß die jeweilige Lage der piezoelektrisch
verstellten Objekthalterung mittels eines hochgenauen Weggebers, beispielsweise
eines Differentialtransformators, erkannt wird, so daß der Meßwert für die jeweilige
Profilhöhe durch den Meßwert des Weggebers bestimmt ist.
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Als ein Vorteil der interferometrischen Profilabtastung ist es anzusehen,
daß das abzutastende Probengebiet gleichzeitig im Mikroskop beobachtet werden kann.
Deshalb ist vorgesehen, daß das Meßobjekt über ein großes Gesichtsfeld zur gleichzeitigen
Beobachtung ausgeleuchtet wird und die Größe des Meßfeldes durch eine Blende im
Interferenzen-Bild des Meßobjektes bestimmt ist, indem alles durch diese Blende
tretende Licht auf besagten Photodetektor gelangt.
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Für diesen Photodetektor kann beispielsweise eine schnelle, kapazitätsarme
Silizium-Photodiode verwendet werden.
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Der mittlere Gleichspannungspegel des Detektorsignals ist proportional
zur Summe- der beiden Teilbildintensitäten. Damit die Einstellungen von Lampenhelligkeit
und Aperturblende des Mikroskopstrahlenganges über einen weiten Bereich keinen Einfluß
auf das Detektorsignal nach dessen Verstärkung haben, ist vorgesehen, daß das Signal
des Photodetektors jeweils so hoch verstärkt wird, daß der Gleichspannungsanteil
einen vorgegebenen Wert erreicht.
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Der Sinn dieser Vorstärkungsregelung liegt darin, daß die durch Interferenz
erzeugten Wechselsnannungssignale in ihrer Amplitude von der Lampenhelligkeit und
der Aperturblendeneinstellung unabhängig werden. Eine nachfolgende Regelungsschaltung
läßt sich dann sicherer dimensionieren.
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In dem konstanten Gleichspannungsanteil des Detektorsignals liegt
keine Information mehr; er sollte abgetrennt werden.
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Alle interessierenden Interferenzensignale liegen in ihrer Frequenz
über der Wobbelfrequenz für die optische Weglängendifferenz. Daher ist vorgesehen,
daß für die weitere Signalyerarbeitung nur Anteile aus dem Signal des Detektors
verwendet werden, deren Frequenzeirößer oder gleich der Wobbelfrequenz für die optische
Weglängendifferenz sind.
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Es sind mehrere Methoden denkbar, um aus dem Detektorsignal zusammen
mit dem Wobbelsignal auf ein vorzeichenrichtiges Maß für die Ablage der Meßfläche
von der Nullage zu schließen.
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Als eine dieser Möglichkeiten ist vorgesehen, daß von dem Wechselsignal
des Photodete1ftors der Betrag gebildet wird und dieses Signal mit dem Wobbelsignal
phasenempfindlich gleichgerichtet wird, so daß der Gleichspannungsanteil aus dem
derart gewonnenen Signal als vorzeichenrichtiges Maß für die Ablage der Meßfläche
von der Nullage gelten kann.
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Der Gleichspannungsanteil des Signals aus der phasenempfindlichen
Gleichrichtung folgt der Ablage der Meßfläche von der Nullage vörzeichenrichtig
und monoton, aber bei weitem nicht linear; er kann daher noch nicht als Meßgröße
für die Profilhöhe ausgegeben werden.
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Um auf ein lineares Maß für die Profilhöhe zu kommen ist vorgesehen,
daß das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Gleichrichters auf einen Regler geführt
wird, dessen Ausgangsgröße entweder eine statische Referenzspiegelverstellung oder
eine Höhenverstellung der eßobjekthalterung derart bewirkt, daß der Gleichspannungsanteil
des Ausgangssignals des phasenempfindlichen Gleichrichters zu Null wird. Das lineare
Maß für die Profilhöhe ist in diesem Fall die Größe der Verstellung von Referenzspiegel
oder Meßobjekt.
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Ist jedoch eine statische Verstellung des Referenzspiegels oder des
,feßobDektes nicht erwünscht, so ist vorgesehen, daß die Ausgangsgröße des erkannten
Reglers dem Wobbelsignal aufaddiert wird, bevor es den phasenempfindlichen Gleichrichter
steuert. Das Wobbesignal zusammen mit der additiven Konstante bekommt dadurch seine
Niildurchgänge zu den Zeitpunkten, an denen das Detektorsipnal die durchlaufenden
Interferenzen anzeigt. Damit wird das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Gleichrichters
wieder im zeitlichen Mittel zu Null. In diesem Fall ist die Ausgangsgröße des Reglers
lineares Maß für die Profilhöhe, sofern genügende Linearität der Wobbelung sichergestellt
ist.
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Üblicherweise kommt eine Profilmessung dadurch zustande, daß das Meßobjekt
an einem Abstandsfühler senkrecht zu dessen Meßrichtung vorübergeführt wird oder
daß der Abstandsftihler iiber das Meßobjekt gezogen wird. Diese Art der Profilaufnahme
bringt zwei wesentliche Schwierigkeiten mit sich.
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Die Lateralbewegung des Meßobjektes oder des Fühlers darf keine Höhenschwankungen
hervorrufen, die eine merkliche Verringerung der Meßgenauigkeit bedingten. Bei einer
Auflösung von 0,01 H ist das eine harte Forderung an die Konstruktion des Meßgerätes.
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Besitzt außerdem der Prüfling einen geringen Keilwinkel, so ergibt
sich wegen der hohen Vertikalvergrößerung bei einer Profilmessung eine an- oder
absteigende Meßkurve auch bei ebener Oberfläche. Dieser unerwünschte Effekt läßt
sich meist durch Verkippung einer Referenzfläche beheben; zur Einstellung sind jedoch
mehrere Probedurchläufe des Meßgerätes erforderlich.
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Eine Weißlicht-Zweistrahlinterferometer-Anordnung als Abstandsfühler
bei der Profilmessung erlaubt es, die ebengenannten Schwierigkeiten zu umgehen.
Das Zweistrahlinterferenzbild liefert Höheninformationen über ein ausgedehntes Feld
des Meßobjekt tes. Bognügt man sich mit einer maximalen Länge des Profilschnittes
gleich dem Gesichtsfeld-Durchmesser des Interferometers, so ist eine Neßobjektbewegung
nicht erforderlich. Es ist für diesen Fall vorgesehen, daß die Profilmessung erfolgt,
indem das Interferenzbild von einem Photodetektor in einer oder zwei lateralen Richtungen
abgetastet wird.
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Bei (1ieoer Art der Mess1lng stört ein geringer Ksillriniel des Prüflings
nicht, weil er durch eine Verkippung des Referenzspiegels ausgeglichen werden kann.
Vor Beginn der Messung wird dazu das Interferometer auf Interferenzkontrast, d.h.
auf ttunendlichen Streifenabstand, eingestellt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Meßvorrichtung wird im folgenden erläutert.
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In Fig. 1 ist der optische und elektronische Aufbau in Blockdarstellung
gezeigt. Auf der linken Seite der Figur ist ein Zweistrahlinterferometer nach LINNIK
angedeutet. Das ungefilterte Licht der Glühlampe 1 trifft auf einen Strahlteiler
2 Ein Teil des Lichtes, hier als Objektteilstrahl bezeichnet, gelangt über das Mikroskopobjektiv
3 auf das Meßobjekt 4. Das Meßobjekt liegt auf einer piezoelektrisch in der Höhe
verstellbaren Objekthalterung 5. Die Objekthalterung enthält einen Differentialtransformator
als hochgenauen Weggeber, der die tatsächliche Höhenverstellung mißt, und eine interne
Regelschaltung, die für strenge Linearität zwischen der Höhenverstellung und der
elektrischen Ansteuergröße sorgt.
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Das vom Meßobjekt 4 reflektierte Licht durchläuft wieder das Objektiv
3 und tritt durch den Strahlteiler 2 hindurch.
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Das Licht des Referenzteilstrahles durchläuft - von der Lampe 1 kommend
- den Strahlteiler 2 und das Objektiv 6 und gelangt auf den Referenzspiegel 7, der
auf der Membrane des Hochtonlautsprechers 8 aufgeklebt ist und in Richtung der optischen
Achse bei etwa 200 Hz Schwingungen von einigen Mikrometern Amplitude ausführt.
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Das vom Referenzspiegel 7 reflektierte Licht läuft zurück durch das
Objektiv 6 und wird vom Strahlteiler 2 nach oben reflektiert. Von hier ab überlagern
sich die Strahlanteile vom Meßobjekt und vom Referenzspiegel. Das nachfolgende ROCHON-Prisma
9 ist zur Bildverschiebung eingesetzt. Eine seitliche Verschiebung dieses Prismas
bewirkt eine doppelt so große Verschiebung des Interferenzbildes in der Ebene der
Meßblende 10. Das durch die kleine Meßblende 10 treffende Licht wird von dem Photodetektor
11, einer Silizium-Photodiode, in ein dem Lichtstrom proportionales Photostromsignal
umgewandelt.
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Dr mechanisch-optische Mikroskonaufbau ist iiber Sinalkabel mit der
elektronischen Auswerteeinheit verbunden, deren Blockschaltbild auf der rechten
Seite von Fig.1 dargestellt ist.
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Das Signal des Photodetektors 11 wird auf einen gleichwertgeregelten
Verstärker V geführt. Dieser Verstärker ist in seiner Verstärkung im VerhältniS
1:20 verstellbar. Die Verstärkung stellt sich jeweils so hoch ein, daß der Gleichspannungswert
am Verstärkerausgang 1 V beträgt. Dieser Gleichspannungswert wird immer gehalten,
wenn die Lampe 1 eingeschaltet ist; auch ohne Meßobjekt 4 reicht die Intensität
des Referenzteilstrah-'es aus, um den Pegel von 1 V am Verstärkerausgang zu erzeugen.
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Das Ausgangssignal des Verstärkers V wird über einen Hochpaß HP mit
einer Grenzfrequenz von 50 Hz geführt, damit der Gleichspannungsanteil des Signales
abgetrennt werden kann.
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Der nunmehr verbliebene Wechselspannungsverlauf des Detektors signals
wird in einer Schaltungsgruppe B zur Betragsbildung in einen Spannungsverlauf von
einheitlich positiver Polarität und unverändertem Spannungsbetrag umgesetzt.
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Die Wobbelspannung mit einer Frequenz von 200 Hz aus dem Wobbelgenerator
W steuert sowohl über den Addierer AD 1 den Hochtonlautsprecher 8 als auch über
den Addierer AD 2 einen phasenempfindlichen Gleichrichter G über dessen Steuereingang
S.
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Am Eingang E des gesteuerten Gleichrichters liegt daS Ausgangssignal
der Schaltungsgruppe B an. Der gesteuerte Gleichrichter hat die Eigenschaft, daß
er an seinem Ausgang den Spannungsverlauf des Einganges E reproduziert, falls an
seinem Steuereingang S eine positive Spannung anliegt, und daß er am Ausgang A das
invertierte Eingangssignal erzeugt, falls am Steuereingang eine negative Spannung
ansteht.
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Der Ausgang A ist auf einen Regler R mit überwiegend integraler Regelcharakteristik
geführt. Dieser Integralregler kann an seinem Ausgang, der zugleich Meßausgang M
der gesamten Meßvorrichtung ist, nur dann einen stationären Spannungswert halten,
wenn der Gleichspannungsanteil am Ausgang A des gesteuerten Gleichrichter G zu Null
geworden ist.
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Je nach Stellung des Schalters Sch sind drei verschiedene Meßwarten
realisierbar: 1. Obere Schalterstellung: Direktmessung Die Ausgangsgröße des Reglers
R wird im Addierer AD 2 dem Wobbelsignal aufaddiert und dem phasenempfindlichen
Gleichrichter G als Steuersignal U5 am Eingang S angeboten. Ein stationärer Zustand
ist dann erreicht, wenn die Nullqllrchgänge des Steuersignals bei den Zeitpunkten
liegen, an denen das Detektorsignal die Mitte des annähernd symmetrischen Interferenzenbündels
meldet. Der Reglerausgang muß dazu eine Spannung liefern, die der Steuergröße des
Lautsprechers 8 zum Zeitpunkt des Interferenzendurchlaufs entspricht. Die Reglerausgangsspannung
kann als Neßwert für die Profilhöhe gelten, wenn der Lautsprecher 8 ausreichende
Linearität seiner 200 Hz-Schwingung zur angelegten Wobbelspannung garantiert. Der
Meßbereich ist gleich dem Schwingbereich des Spiegels.
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2. Mittlere Schalterstellung: Kompensation über statische Referenzspiegelverstellung
Die Ausgangsgröße des Reglers R wird im Addierer AD 1 vom Wobbelsignal subtrahiert
und anschließend als Steuergröße auf den Hochtonlautsprecher 8 gegeben. Der stationäre
Zustand ist dann erreicht, wenn die statische Verstellung des Referenzspiegels 7
gleich der Ablage der Meßfläche des Meßobjektes 4 von der Nullage ist. Der Meßausgang
M liefert ein lineares Maß für die Profilhöhe, sofern der Hochtonlautsprecher 8
ausreichende Linearität seiner statischen Vetstellung zur Steuergröße garantiert.
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3. Untere Schalterstellung: Kompensation über Objekthöhenverstellung
Wie schon bei der Beschreibung der verstellbaren Meßob;jekthalterung 5 ausgeführt
wurde, ist die Proportionalität der Höhenverstellung zur angelegten Steuergröße
sichergestellt.
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Wenn diese Höhenverstellung durch den Regler R gesteuert wird, ist
der stationäre Zustand dadurch zu erreichen, daß fläche des Meß.objektes 4 jeweils
in die Nullage des Abstandsfühlers gerückt wird. Damit ist auch hier die Spannung
am Meßausgang M lineares Maß für die Profilhöhe.
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Die AufzPichn1lng dpr Profilhöhe als Funktion des Meßort am Meßobkt
A wird dadurch bricht, daß durch seitliche Verschiebung des ROCHON-Prismas 9 das
Interferenzbild des Meßobjektes langsam über die MoßblendP 10 geführt wird. Jeder
Stellung des Prismas 9 entspricht ein bestimmter Meßort am Meßobjekt 4; der Zusammenhang
ist linear. Eine Spannung, die der Verschiebung des Prismas 9 nroportiona-] ist,
wird als Maß für den Meßort auf den x-Bingang eines x,y-Scnreibers gegeben; der
y-Eingang des Schreibers ist mit dem Meßausgang M verbunden. Bei einer Verschiebung
des Prismas 9 mit konstanter Geschwindigkeit ist zur Profilaufzeichnung auch ein
x,t-Schreiber geeignet.
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Die Fig. 2 zeigt einige charakteristische Spannungsverläufe innerhalb
der elektronischen Signalauswertung.
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Die linke Seite der Fig. 2 stellt die Signalformen für die beiden
Kompensationsmeßarten dar. UW ist die sinusförmige Spannung des Wobbelgenerators
W von Fig.1 . Das Detektorsignal nach der gleichwertgeregelten Verstärkung, hier
mit UV bezeichnet, läßt den Durchlauf der Interferenzen jeweils mittig zu den Nulldurchgängen
des Wobbelsignales Uw erkennen. Der Spannungsverlauf UB entsteht am Ausgang der
Schaltungsgruppe B zur Betragsbildung. Die Spannung Uw ist hier zugleich Steuersignal
für den phasenempfindlichen Gleichrichter G. Nach der bereits erläuterten Funktionsweise
dieses Gleichrichters entsteht am Ausgang A des gesteuerten Gleichrichters der Signalverlauf
UA, der im eingeregelten Zustand keinen Gleichspannungsanteil mehr enthält.
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Die rechte Seite der Fig. 2 stellt die Signalformen für die sog. Direktmeßart
dar. Die Amplitude der Wobbelspannung UW ist hier größer gewählt; entsprechend sind
die Signalbündel der Interferenzen schmaler. Charakteristischerweise treten die
Interrerenzen nicht mehr mittig zu den Nulldurchgängen des Wobbelsignales Uw auf.
Auf den Steuereingang S des phasenempfindlichen Gleichrichters G wird deshalb eine
Steuerspannung Us gegeben, die aus Uw durch Verschiebung um den Wert UM, nämlich
die Ausgangsgröße des Reglers R, erzeugt worden ist. Damit bekommt die Steuerspannung
US ihre Nulldurchgänge mittig zu den Interferenzenbündeln und bewirkt eine Ausgangsspannung
UA des Gleichrichters, die keinen Gleichspannungsanteil mehr enthält.