DE4138562A1 - Mikroprofilometermesskopf - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Mikroprofilometermeßkopf nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die optische interferometrische Mikroprofilometrie dient zur
Vermessung der Rauheit glatter Oberflächen. Die Meßbereiche
dieser Verfahren liegen im allgemeinen in den Bereichen für die
vertikale Koordinate kleiner 300 nm bis 1 Å Meßpunktabstand und
für die laterale Koordinate im Bereich der beugungsbegrenzten
Auflösung, größer 0,5 µm.
Anwendungsbereiche dieser Meßverfahren liegen in der
Mikroelektronik, der Ultrapräzisionsbearbeitung, der optischen
Industrie, in der Untersuchung metallischer und magnetischen
Speicheroberflächen bis hin zur Vermessung
präzisionsbearbeiteter Keramikoberflächen. Profilometer können
auch in der in-process-Messung in der Ultrapräzisionsbearbeitung
eingesetzt werden.
Das Problem der bekannten Meßverfahren für oben genannte
Anwendungen besteht darin, daß für die angegebene vertikale
Meßgenauigkeit der Fehlereinfluß infolge Luftturbulenzen,
Relativbewegungen zwischen Meßkopf und zu vermessender
Oberfläche, infolge Schwankung der Referenzphase, sowie lokaler
Oberflächenneigungen minimiert werden muß.
Es existieren Profilometer, bei denen die Referenzphase durch
Mittelung der Phase über einen ausgedehnten Oberflächenbereich
gewonnen wird. Dies wird bei Huang (C.C. Huang, "Optical
Heterodyne Roughness Measurement System", US 48 48 908)
dadurch gelöst, daß bei einem Heterodyinterferometer Objekt- und
Referenzbündel senkrecht zueinander polarisiert sind, wobei das
Meßbündel auf die Oberfläche fokussiert ist, während das
Referenzbündel als aufgeweitetes Bündel eine koaxiale Referenz
durch ein kollimiertes Bündel schafft. Der Durchmesser des
Referenzbündels ist sehr groß im Vergleich zum Meßbündel, so daß
von einer gemittelten Referenzphase auszugehen ist.
Zwischen Meßkopf und Meßfläche ist das Interferometer als
common-path-Interferometer aufgebaut.
Das gleiche Prinzip (koaxiale aufgeweitete Referenz bezüglich
des Meßbündels und common-path Interferometer zwischen Meßkopf
und Oberfläche) ist bei Downs (M.J. Downs "Oberflächenprofil -
Interferometer", DE 32 40 234 A1) durch eine doppelbrechende
Fokussiereinrichtung gewährleistet, wobei die
Fokussiereinrichtung unterschiedliche Brennweiten für die
orthogonalen Polarisationsrichtungen realisiert.
Ein weiteres Problem der Heterodynmikroprofilometrie besteht
darin, daß lokale Profilsteigungen dazu führen, daß die
reflektierten Meß- und Referenzbündel nur teilweise nach der
Reflexion an der Meßfläche wieder in den Meßkopf gelangen, was
zu Fehlern bzw. zu Aussetzern in der Messung führt. Von
Leonhardt (K. Leonhardt, "Vorrichtung zur berührungslosen
Abtastung einer Oberfläche", DE 37 16 961) wird ein
Heterodynprofilometer vorgeschlagen, bei dem für das Meßbündel
durch eine Doppelpaßstrahlführung eine Kompensation lokaler
Profilsteigungen für das Meßbündel erreicht wird. Allerdings
wird bei dieser Anordnung die Referenzphase durch Reflexion an
einen Referenzspiegel (kein common-path Interferometer), so daß
Relativbewegungen zwischen Meßkopf und Meßfläche zu Meßfehlern
führen.
Mit der Erfindung soll das Problem gelöst werden ein kompaktes,
minituriasiertes common-path-Interferometer zur Vermeidung von
Phasenfehlern (-differenzen) infolge von Wegänderungen
(Schwingungen), lokalen Profilneigungen oder
Brechzahlinhomogenitäten zu schaffen. Es soll die Möglichkeit
der automatischen Fokussierung und Neigungskorrektur gegeben
sein, womit mittels der erfindungsgemäßen Anordnung auch die
Messung an gekrümmten Flächen möglich werden soll. Der Aufwand
für die Führung des Meßkopfes soll bei gleichbleibender oder
sogar höherer Meßgenauigkeit verringert werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Aus einer Lichtquelle (Laser) ausgesendetes Licht wird in ein
Meßlichtbündel und in ein Referenzlichtbündel aufgeteilt.
Das Meßlichtbündel und das Referenzlichtbündel sind zueinander
senkrecht polarisiert.
Das Meßlichtbündel trifft, in Lichtrichtung gesehen, auf eine
erste bündelformende Einrichtung, dann auf einen ersten Eingang
eines ersten Polarisations-Strahlteilers, dann auf ein
abbildendes Element und dann auf eine reflektierende Oberfläche,
die die zu untersuchende Probe ist.
Das Meßlichtbündel wird durch das erste bündelformende Element
und das abbildende Element auf einem Punkt auf der
reflektierenden Oberfläche fokussiert.
Das reflektierte Meßlicht trifft durch das abbildende Element
und dann in einen zweiten Polarisations-Strahlteiler.
Das Referenzlichtbündel trifft in Lichtrichtung gesehen auf eine
zweite bündelformende Einrichtung, dann auf einen zweiten
Eingang des ersten Polarisations-Strahlteilers, dann auf das
abbildende Element und dann auf eine Referenzfläche, die in der
Regel mit der reflektierenden Oberfläche, also dem Meßobjekt
identisch ist.
Das Referenzlichtbündel wird durch die zweite bündelformende
Einrichtung und das abbildende Element kollimiert und an der
Referenzfläche reflektiert.
Das reflektierte Referenzlicht trifft auf das abbildende Element
und dann in den zweiten Polarisations-Strahlteiler.
Die Teilerfläche des zweiten Polarisations-Strahlteilers teilt
das reflektierte Licht so auf, daß das reflektierte Meßlicht an
einem ersten Ausgang des Polarisations-Strahlteilers und das
reflektierte Referenzlicht an einem zweiten Ausgang des
Polarisations-Strahlteilers gelangt.
Der erste Ausgang ist als erster Reflektor und der zweite
Ausgang ist als zweiter Reflektor ausgebildet.
Diese reflektieren das reflektierte Meßlicht und das
reflektierte Referenzlicht jeweils in sich selbst und leiten es
als mehrfachreflektiertes Meßlicht und mehrfachreflektiertes
Referenzlicht entgegen der definierten Lichtrichtung.
Vor dem ersten Eingang des ersten Polarisations-Strahlteilers
liegt das mehrfachreflektierte Meßlicht und vor dem zweiten
Eingang des ersten Polarisations-Strahlteilers liegt das
mehrfachreflektierte Referenzlicht zur Auswertung an.
Die Auswertung der mehrfachreflektierten Lichtanteile erfolgt in
der Auswerteeinheit, indem die reflektierten Lichtanteile
ausgewertet werden.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist ein kompaktes common
path-Interferometer geschaffen, das auch an schlecht
zugänglichen Stellen einsetzbar ist. Durch die erfindungsgemäße
Ausführung des Mikroprofilometermeßkopfes verringern sich die
Anforderungen an die Führungsgenauigkeit des Meßkopfes.
Nach dem zweiten Ausgang des zweiten Polarisations-Strahlteilers
ist ein Neigungssensor, in Form eines Detektors zur Messung des
Intensitäts-Schwerpunktes, angeordnet.
Damit wird eine Messung auch an gekrümmten Oberflächen möglich.
Zwei Ausführungsvarianten sind vorteilhaft:
Die erste bündelformende Einrichtung liefert ein paralleles
Meßlichtbündel, das auf das Meßobjekt fokussiert wird.
Die zweite bündelformende Einrichtung ist vor dem zweiten
Eingang des ersten Polarisations-Strahlteilers - in
Lichtrichtung gesehen - aus einer zweiten Sammellinse und einer
Strahlumlenkung, vorzugsweise einem Prisma, aufgebaut. Sie
erzeugt das Referenzlichtbündel.
Nach dem ersten Ausgang des zweiten Polarisations-Strahlteilers
ist eine Fokus-Sensorbaugruppe angeordnet.
Die Fokus-Sensorbaugruppe ist so aufgebaut, daß in Lichtrichtung
eine erste Sammellinse und ein dritter Polarisations-
Strahlteiler angeordnet ist, wobei vor einer ersten
Austrittsfläche eine Lambda/4-Schicht angebracht ist. Die erste
Austrittsfläche des Polarisations-Strahlteilers ist teilweise
reflektierend und teilweise transmittierend oder absorbierend,
wodurch eine Focault′sche Schneide entsteht.
An einer zweiten Austrittsfläche ist ein Detektor zur Messung
des Intensitätsschwerpunktes angeordnet.
Die Lichteinkopplung des Meßlichtbündels und des
Referenzlichtbündels erfolgt über Lichtleitkabel.
Die erste bündelformende Einrichtung ist vor dem ersten Eingang
des ersten Polarisations-Strahlteilers - in Lichtrichtung
gesehen - angeordnet. Sie ist aus dem Strahlteiler und der
zweiten Sammellinse aufgebaut.
Der Strahlteiler und ein Prisma bilden die Fokussensorbaugruppe,
wobei an dem Koppelausgang des Strahlteilers das Prisma mit
einer ersten Kathetenfläche angesetzt ist. Die erste
Kathetenfläche ist teilweise transmittierend und teilweise
absorbierend, wodurch eine Focault′sche Schneide entsteht.
Auf einer zweiten Kathetenfläche des Prismas ist ein Detektor
zur Messung des Intensitätsschwerpunktes angeordnet.
Auf dem ersten Ausgang des zweiten Polarisations-Strahlteilers
ist ein Trippelprisma mit seiner Hypothenusenfläche angeordnet.
Die Erfindung soll in den Fig. 1 bis 3 näher erläutert
werden.
Es zeigen:
Fig. 1 Interferometermeßkopf mit Doppelstrahlführung
Fig. 2 Interferometermeßkopf mit Doppelstrahlführung, Fokus-
und Neigungssensor
Fig. 3 Interferometermeßkopf mit Doppelstrahlführung, Fokus-
und Neigungssensor, mit Faserankopplung.
In Fig. 1 wird eine mögliche allgemeine Realisierung des
Interferometermeßkopfes mit koaxialer Referenz und
Doppelpaßstrahlführung dargestellt.
Die Lichtquelle 1 sendet in Lichtrichtung 7 kohärentes Licht
aus, das in ein Meßlichtbündel 3 und in ein Referenzlichtbündel
4 geteilt wird.
Meßlichtbündel 3 und Referenzlichtbündel 4 sind senkrecht
zueinander polarisiert. Das Meßlichtbündel 3 wird mit Hilfe der
ersten bündelformenden Einrichtung 23 und dem abbildenden
Element 9 auf die reflektierende Oberfläche 8 fokussiert,
während das Referenzlichtbündel 4 mit Hilfe der zweiten
bündelformenden Einrichtung 24 und dem abbildenden Element 9 als
kollimiertes Bündel eine koaxiale Referenz für das fokussierte
Meßlichtbündel 4 schafft.
Ausgehend vom ersten Eingang 5 des ersten Polarisations-
Strahlteilers 6 verläuft der Strahlengang des Meßlichtbündels 3
in Lichtrichtung 7 über den ersten Polarisations-Strahlteiler 6,
wird vom abbildenden Element 9 in einem kleinen Abtastfleck auf
die reflektierende Oberfläche 8 fokussiert, das reflektierte
Meßlicht 10 wird nach dem zweiten Durchgang durch das abbildende
Element 9 wieder zum Parallelbündel, passiert den zweiten
Polarisations-Strahlteiler 12 und verläuft nach der Reflexion am
ersten Reflektor 19 des zweiten Polarisations-Strahlteilers 12
wieder in sich zurück zum ersten Eingang 5. Am Eingang 5 steht
mehrfach reflektiertes Meßlicht 21 zur Auswertung zur Verfügung.
Ausgehend vom zweiten Eingang 13 des ersten Polarisations-
Strahlteilers 6 verläuft der Strahlengang des
Referenzlichtbündels 4 in Lichtrichtung 7. Im ersten
Polarisations-Strahlteiler 6 wird das Referenzlichtbündel 4
entsprechend seines Polarisationszustandes in Richtung
abbildendes Element 9 abgelenkt, wobei das Referenzlichtbündel 4
in der hinteren Brennebene des abbildenden Elementes 9
fokussiert wird, so daß auf der Referenzfläche 14, die mit der
reflektierenden Probenoberfläche 8 zusammenfallen kann,
konzentrisch zum Meßfleck ein ausgedehnter Oberflächenbereich
von dem kollimierten Referenzlichtbündel 4 beleuchtet wird.
Reflektiertes Referenzlicht 15 wird mit dem abbildenden Element
9 über den Eingang 11 des zweiten Polarisations-Strahlteiler 12
und die Reflexion an der Teilerfläche 16 entsprechend des
Polarisationszustandes auf den zweiten Reflektor 20 abgebildet
und verläuft nach der Reflexion wieder in sich zurück zum
zweiten Eingang 13. Dort steht mehrfach reflektiertes
Referenzlicht 22 zur Auswertung zur Verfügung.
Vorzugsweise durchläuft das mehrfach reflektierte Meßlicht 21
die erste bündelformende Einrichtung 23 und das mehrfach
reflektierte Referenzlicht 22 durchläuft die zweite
bündelformende Einrichtung 24, bevor beide Bündel in der
Auswerteeinrichtung 2 zur Überlagerung gebracht und ausgewertet
werden.
Die Auswertung erfolgt nach dem Laser-Doppler-Verfahren durch
Frequenzdemodulation (zur Messung von Geschwindigkeiten) oder
durch Phasenmessung (zur Verschiebungsmessung).
Der Interferometermeßkopf nach Fig. 1 verfügt über einen
optischen Doppelpaß für das Meßlichtbündel 3 und das
Referenzlichtbündel 4, wobei das Meßlichtbündel 3 auf die
reflektierende Oberfläche 8 fokussiert ist, während die Referenz
durch Beleuchtung - im allgemeinen der gleichen zu vermessenden,
reflektierenden Oberfläche 8 - mit kollimierten Bündel eine
koaxiale Referenz schafft. Durch die Doppelpaßstrahlführung des
Meßlichtbündels 3 und des Referenzlichtbündels 4 wird gesichert,
daß bei lokalen Oberflächenneigungen das Meßlichtbündel 3 und
das Referenzlichtbündel 4 in sich vollständig zurückreflektiert
werden. So kann es nicht zu Aussetzern und Fehlern in der
Messung kommen, die dadurch entstehen, daß das
mehrfachreflektierte Meßlicht 21 und/oder das
mehrfachreflektierte Referenzlicht 22 nicht zur
interferometrischen Auswertung in der Auswerteeinrichtung 2 zur
Verfügung stehen.
Im Interferometermeßkopf wird für die Beleuchtung der
reflektierenden Oberfläche 8 mit dem Meßlichtbündel 3 und dem
Referenzlichtbündel 4 nur die Hälfte der Apertur
des abbildenden Elementes 9 genutzt, während die andere Hälfte
für die Gestaltung der Doppelpaßstrahlführung verwendet wird.
Das Meßlichtbündel 3 wird auf die reflektierende Meß-Oberfläche
8 fokussiert.
Dies wird realisiert, indem das Meßlicht als Parallelbündel
auf den ersten Eingang 5 des ersten Polarisations-Strahlteiler 6
fällt, entsprechend seiner Polarisationsrichtung den ersten
Polarisations-Strahlteiler 6 durchläuft und mittels des
abbildenden Elements 9 auf die Meßoberfläche 8 fokussiert wird.
Da das Meßlichtbündel 3 parallel zur optischen Achse und
außerhalb dieser auf das abbildende Element 9 fällt, liegt der
Fokuspunkt im Schnittpunkt der optischen Achse mit der
Brennebene des abbildenden Elementes 9. Das von der
reflektierenden Meß-Oberfläche 8 reflektierte Meßlicht 10
durchläuft das abbildende Element 9 ein zweites Mal, trifft auf
den zweiten Polarisations-Strahlteiler 12 und wird entsprechend
seiner Polarisationsrichtung am ersten Ausgang 17 am ersten
Reflektor 19 in sich zurückreflektiert.
In Fig. 2 und in Fig. 3 sind jeweils eine Darstellung einer
Variante des Interferometermeßkopfes nach Fig. 1 dargestellt.
Im Interferometermeßkopf ist eine Fokussensorbaugruppe mit
Teilerwürfel 25 oder eine Fokussensorbaugruppe mit Prisma 25′
zur Kontrolle des Fokuszustandes des Interferometermeßkopfes
angebaut.
Am zweiten Ausgang 18 des zweiten Polarisations-Strahlteilers 12
ist ein Neigungssensor 26 zur Kontrolle der Neigung des
Interferometermeßkopfes bezüglich der zu vermessenden Oberfläche
integriert.
Gemäß Fig. 2 wird das Referenzlichtbündel 4 mit der ersten
bündelformenden Einrichtung 24 durch Verwendung einer zweiten
Sammellinse 33 und einer Strahlumlenkung 34 in die vordere
Brennebene des abbildenden Elementes 9 fokussiert.
Am ersten Polarisations-Strahlteiler 6 wird das
Referenzlichtbündels 4 entsprechend der Polarisationsrichtung,
die senkrecht zum Meßlichtbündel 3 ist, in Richtung der optischen
Achse des abbildenden Elementes 9 umgelenkt und mit dem
abbildenden Element 9 auf die Meßoberfläche kollimiert. Das von
der Referenzfläche 14 reflektierte Referenzlicht 15 durchläuft
abermals das abbildende Element 9, trifft auf den zweiten
Polarisations-Strahlteiler 12 und wird an dessen Teilerfläche
umgelenkt. Das reflektierte Referenzlicht 15 fällt auf einen
zweiten Ausgang 18, der als zweiter Reflektor 20 ausgebildet ist
und das reflektierte Referenzlicht 15 ebenfalls in sich
zurückreflektiert.
Die Fokussensorbaugruppe mit Teilerwürfel 25 ist hinter dem
ersten Ausgang 17 des zweiten Polarisations-Strahlteilers 12
angeordnet und nutzt den nicht reflektierten Teil des Meßlichts
10.
Dieses nicht reflektierte Meßlicht 10 durchläuft eine erste
Sammellinse 27, einen dritten Polarisations-Strahlteiler 44 und
eine auf der ersten Austrittsfläche 28 befindlichen Lambda/4-
Schicht 41, ein Teil des Lichtes wird von der teilweise
reflektierenden und teilweise transmittierenden oder
absorbierenden ersten Austrittsfläche 28 in sich
zurückreflektiert, wodurch die Wirkung einer Focault′schen
Schneide 32 erzielt wird, durchläuft die Lambda/4-Schicht 41
abermals, wodurch die Polarisationsrichtung des Lichtes um 90
Grad gedreht wird, so daß das Licht an der Teilerfläche des
dritten Polarisations-Strahlteiler 44 reflektiert wird und auf
eine zweite Austrittsfläche 29 fällt, an der ein Detektor zur
Messung des Intensitätsschwerpunktes 30 angeordnet ist. Eine
Defokussierung des Meßlichtbündels 3 bezüglich der Oberfläche
führt zu einer Verschiebung des meßbaren
Intensitätsschwerpunktes.
Die Neigung der Oberflächennormale bezüglich der optischen Achse
des Interferometermeßkopfes wird mit dem Neigungssensor 26
detektiert. Hierzu wird nach dem zweiten Ausgang 18 des zweiten
Polarisations-Strahlteilers 12 ein Neigungssensor 26 vorgesehen,
der ebenfalls den Intensitätsschwerpunkt ermittelt. Ein Winkel
zwischen der Oberflächennormale und der optischen Achse des
Meßkopfes führt zu einer Verschiebung des
Intensitätsschwerpunktes.
In Fig. 3 ist eine kompakte Darstellung einer weiteren Variante
des Interferometermeßkopfes dargestellt. Im Unterschied zu der
in Fig. 2 beschriebenen Ausführung werden die senkrecht
zueinander polarisierten Meßlichtbündel 3 und
Referenzlichtbündel 4 durch optische polarisationserhaltende
Lichtleitkabel 42 in den ersten Interferometermeßkopf 6
eingekoppelt. Da die Fasern der Lichtleitkabel 42 naturgemäß an
ihren Ausgängen divergente Bündel erzeugen, ergeben sich
gegenüber Fig. 2, bei der ebene Bündel verarbeitet wurden,
einige Veränderungen. Der Interferometermeßkopf verfügt
ebenfalls über einen optischen Doppelpaß für das Meßlichtbündel
3 und das Referenzlichtbündel 4, wobei das Meßlichtbündel 3 auf
die reflektierende Oberfläche 8 fokussiert ist, während das
Referenzlichtbündel 4 durch Beleuchtung im allgemeinen der
gleichen zu vermessenden Oberfläche 8 mit kollimierten Bündel
eine koaxiale Referenz schafft.
Durch die Doppelpaßstrahlführung von Meßlichtbündel 3 und
Referenzlichtbündel 4 wird gesichert, daß bei lokalen
Oberflächenneigungen das reflektierte Meßlicht 10 und das
reflektierte Referenzlicht 15 in sich vollständig
zurückreflektiert werden.
Das mehrfachreflektierte Licht wird in die optischen
polarisationserhaltenden Fasern eingekoppelt und von diesen der
Auswerteeinrichtung 2 zugeführt.
Im Interferometermeßkopf wird für die Beleuchtung der
reflektierenden Oberfläche 8 mit dem Meßlichtbündel 3 und dem
Referenzlichtbündel 4 nur die Hälfte der Apertur des abbildenden
Elementes 9 genutzt, während die andere Hälfte für die
Gestaltung des Doppelpasses verwendet wird.
Das Meßlichtbündel 3 wird mit einem optischen
polarisationserhaltenden Lichtleitkabel 42 in die erste
bündelformende Einrichtung 23 eingekoppelt, durchläuft einen
Strahlteiler 31 und wird mit Hilfe einer zweiten Sammellinse 43
und einem abbildenden Element 9 auf die Meß-Oberfläche 8
fokussiert. Zwischen der zweiten Sammellinse 43 und dem
abbildenden Element 9 ist der erste Polarisations-Strahlteiler 6
angeordnet. Das Meßlichtbündel 3 durchläuft entsprechend
seiner Polarisationsrichtung den Polarisations-Strahlteiler 6.
Da das Meßlichtbündel 3 parallel zur optischen Achse und
außerhalb dieser auf das abbildende Element 9 fällt, liegt der
Fokuspunkt im Schnittpunkt der optischen Achse mit der
Brennebene des abbildenden Elementes 9. Das von der Meß-
Oberfläche 8 reflektierte Meßlicht 10 durchläuft das abbildende
Element 9 ein zweites Mal, trifft auf den zweiten Polarisations-
Strahlteiler 12 und wird entsprechend seiner
Polarisationsrichtung am ersten Ausgang 17 mit einem
Trippelprisma 39 in sich zurückreflektiert.
Das Referenzlichtbündel 4 wird mit dem polarisationserhaltenden
Lichtleitkabel 42 in den zweiten Eingang 13 des ersten
Polarisations-Strahlteiler 6 eingekoppelt.
Die Ebene des zweiten Einganges 13 fällt mit der vorderen
Brennebene des abbildenden Elementes 9 zusammen. Das divergente
Bündel wird am ersten Polarisations-Strahlteiler 6 entsprechend
der Polarisationsrichtung, die senkrecht der des Meßlichtbündels
3 ist, in Richtung optische Achse des abbildenden Elementes 9
umgelenkt, und mit dem abbildenden Element 9 auf die
Referenzfläche 14, entspricht der Meß-Oberfläche 8, kollimiert.
Das von der Referenzfläche 14 reflektierte Referenzlicht 15
durchläuft abermals das abbildende Element 9, trifft auf den
zweiten Polarisations-Strahlteiler 12 und wird an dessen
Teilerfläche umgelenkt. Das reflektierte Referenzlicht 15 fällt
auf einen zweiten Ausgang 18, der als zweiter Reflektor 20
ausgebildet ist und das reflektierte Referenzlicht in sich
zurückreflektiert.
Die Fokussensorbaugruppe mit Prisma 25′ ist mit dem Strahlteiler
31 verbunden. Ein Teil des mehrfachreflektierten Meßlichtes 21
wird an der Teilerfläche des Strahlteilers 31 in Richtung
Koppelausgang 35 umgelenkt, trifft auf das Prisma 36, wobei die
erste Kathedenfläche 37 teilweise transmittierend und teilweise
absorbierend ist, wodurch die Wirkung einer Focault′schen
Schneide 32 entsteht. Das Bündel wird in Richtung einer zweiten
Kathedenfläche 38 umgelenkt, auf der ein Detektor zur Messung
des Intensitätsschwerpunktes 30 angeordnet ist. Eine
Defokussierung des Meßlichtbündels 3 bezüglich der Oberfläche 8
führt zu einer Verschiebung des meßbaren
Intensitätsschwerpunktes.
Die Neigung der Oberflächennormale bezüglich der optischen
Achse des Interferometermeßkopfes wird mit dem Neigungssensor 26
detektiert. Hierzu ist nach dem zweiten Ausgang 18 des zweiten
Polarisations-Strahlteilers 12 ein Neigungssensor 26 angeordnet,
der ebenfalls den Intensitätsschwerpunkt ermittelt. Ein Winkel
zwischen der Oberflächennormale und der optischen Achse des
Meßkopfes führt zu einer Verschiebung des Intensitäts
schwerpunktes.
Bezugszeichen
1 Lichtquelle
2 Auswerteeinrichtung
3 Meßlichtbündel
4 Referenzlichtbündel
5 erster Eingang
6 erster Polaristations-Strahlteiler
7 Lichtrichtung
8 reflektierende Oberfläche
9 abbildendes Element
10 reflektiertes Meßlicht
11 Eingang
12 zweiter Polarisations-Strahlteiler
13 zweiter Eingang
14 Referenzfläche
15 reflektiertes Referenzlicht
16 Teilerfläche
17 erster Ausgang
18 zweiter Ausgang
19 erster Reflektor
20 zweiter Reflektor
21 mehrfachreflektiertes Meßlicht
22 mehrfachreflektiertes Referenzlicht
23 erste bündelformende Einrichtung
24 zweite bündelformende Einrichtung
25 Fokus-Sensorbaugruppe mit Teilerwürfel
25′ Fokus-Sensorbaugruppe mit Prisma
26 Neigungssensor
27 erste Sammellinse
28 erste Austrittsfläche
29 zweite Austrittsfläche
30 Detektor zur Messung des Intensitätsschwerpunktes
31 Strahlteiler
32 Focault'sche Schneide
33 zweite Sammellinse
34 Strahlumlenkung
35 Koppelausgang
36 Prisma
37 erste Kathetenfläche
38 zweite Kathetenfläche
39 Trippelprisma
40 Hypothenusenfläche
41 Lambda/4-Schicht
42 Lichtleitkabel
43 zweite Sammellinse
44 dritter Polarisations-Strahlteiler
2 Auswerteeinrichtung
3 Meßlichtbündel
4 Referenzlichtbündel
5 erster Eingang
6 erster Polaristations-Strahlteiler
7 Lichtrichtung
8 reflektierende Oberfläche
9 abbildendes Element
10 reflektiertes Meßlicht
11 Eingang
12 zweiter Polarisations-Strahlteiler
13 zweiter Eingang
14 Referenzfläche
15 reflektiertes Referenzlicht
16 Teilerfläche
17 erster Ausgang
18 zweiter Ausgang
19 erster Reflektor
20 zweiter Reflektor
21 mehrfachreflektiertes Meßlicht
22 mehrfachreflektiertes Referenzlicht
23 erste bündelformende Einrichtung
24 zweite bündelformende Einrichtung
25 Fokus-Sensorbaugruppe mit Teilerwürfel
25′ Fokus-Sensorbaugruppe mit Prisma
26 Neigungssensor
27 erste Sammellinse
28 erste Austrittsfläche
29 zweite Austrittsfläche
30 Detektor zur Messung des Intensitätsschwerpunktes
31 Strahlteiler
32 Focault'sche Schneide
33 zweite Sammellinse
34 Strahlumlenkung
35 Koppelausgang
36 Prisma
37 erste Kathetenfläche
38 zweite Kathetenfläche
39 Trippelprisma
40 Hypothenusenfläche
41 Lambda/4-Schicht
42 Lichtleitkabel
43 zweite Sammellinse
44 dritter Polarisations-Strahlteiler
Claims (8)
1. Mikroprofilometermeßkopf zur Messung von Abstandsänderungen
oder Geschwindigkeitsänderungen zwischen einer Referenzfläche
(14) und einer reflektierenden Oberfläche (8), bestehend aus
einer Lichtquelle (1), die interferenzfähiges Licht aussendet,
und einer Auswerteeinrichtung (2), die über die Auswertung der
Phasenverschiebung zur Verschiebungsmessung eine
Abstandsänderung anzeigt oder über die Auswertung der Doppler-
Frequenzverschiebung eine Geschwindigkeit anzeigt, dadurch
gekennzeichnet, daß
- - aus der Lichtquelle (1) ausgesendetes Licht in ein Meßlichtbündel (3) und ein Referenzlichtbündel (4) aufgeteilt ist, Meßlichtbündel (3) und Referenzlichtbündel (4) zueinander senkrecht polarisiert sind,
- - - das Meßlichtbündel (3), in Lichtrichtung (7) gesehen, auf eine erste bündelformende Einrichtung (23), dann auf einen ersten Eingang (5) eines ersten Polarisations- Strahlteilers (6), auf ein abbildendes Element (9) und dann auf eine reflektierende Oberfläche (8) trifft, wobei das Meßlichtbündel (3) durch das erste bündelformende Element (23) und das abbildende Element (9) auf einem Punkt auf der reflektierenden Oberfläche (8) fokussiert ist, reflektiertes Meßlicht (10) das abbildende Element (9) durchläuft, durch einen Eingang (11) in einen zweiten Polarisations-Strahlteiler (12) trifft,
- - - das Referenzlichtbündel (4) auf eine zweite bündelformende Einrichtung (24) und dann auf einen zweiten Eingang (13) des ersten Polarisations-Strahlteilers (6), auf das abbildende Element (9) und dann auf eine Referenzfläche (14) trifft, wobei das Referenzlichtbündel (4) mit der zweiten bündelformenden Einrichtung (24) und dem abbildenden Element (9) kollimiert und an der Referenzfläche (14) reflektiert, das reflektierte Referenzlicht (15) das abbildende Element (9) durchläuft, durch den Eingang (11) in den zweiten Polarisations-Strahlteiler (12) trifft,
- - die Teilerfläche (16) des zweiten Polarisations-Strahlteilers (12) das reflektierte Licht so aufteilt, daß das reflektierte Meßlicht (10) an einem ersten Ausgang (17) des Polarisations-Strahlteilers (12) gelangt und das reflektierte Referenzlicht (15) an einem zweiten Ausgang (18) des Polarisations-Strahlteilers (12) gelangt,
- - - der erste Ausgang (17) als erster Reflektor (19) und
- - - der zweite Ausgang (18) als zweiter Reflektor (20) ausgebildet sind, die das reflektierte Meßlicht (10) und das reflektierte Referenzlicht (15) jeweils in sich selbst reflektieren, und mehrfachreflektiertes Meßlicht (21) und mehrfachreflektiertes Referenzlicht (22) der Lichtrichtung (7) entgegengesetzt verläuft und
- - nach dem ersten Eingang (5) des ersten Polarisations-Strahlteilers (6) das mehrfachreflektierte Meßlicht (21) und an dem zweiten Eingang (13) des ersten Polarisations-Strahlteilers (6) das mehrfachreflektierte Referenzlicht (22) zur Auswertung in der Auswerteeinheit (2) austreten.
2. Mikroprofilometermeßkopf nach Anspruch 1 dadurch
gekennzeichnet, daß
nach dem zweiten Ausgang (18) des zweiten Polarisations-
Strahlteilers (12) ein Neigungssensor (26), in Form eines
Detektors zur Messung des Intensitäts-Schwerpunktes, angeordnet
ist.
3. Interferometermeßkopf nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,
daß
nach dem ersten Ausgang (17) des zweiten Polarisations-
Strahlteilers (12) eine Fokus-Sensorbaugruppe mit Teilerwürfel
(25) angeordnet ist.
4. Interferometermeßkopf nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet,
daß
die Fokus-Sensorbaugruppe mit Teilerwürfel (25) so aufgebaut
ist, daß in Lichtrichtung (7) eine erste Sammellinse (27) und
ein dritter Polarisations-Strahlteiler (44) angeordnet sind,
wobei
- - vor einer ersten Austrittsfläche (28) eine Lambda/4-Schicht angebracht ist, die erste Austrittsfläche (28) des Polarisations-Strahlteilers (44) teilweise reflektierend und teilweise transmittierend oder absorbierend ist, wodurch eine Focault′sche Schneide (32) entsteht und
- - an einer zweiter Austrittsfläche (29) ein Detektor zur Messung des Intensitätsschwerpunktes (30) angeordnet ist.
5. Mikroprofilometermeßkopf nach Anspruch 4 dadurch
gekennzeichnet, daß
die zweite bündelformende Einrichtung (24) vor dem zweiten
Eingang (13) des ersten Polarisations-Strahlteilers (6) - in
Lichtrichtung (7) gesehen - aus einer zweiten Sammellinse (33)
und einer Strahlumlenkung (34), vorzugsweise einem Prisma,
aufgebaut ist.
6. Mikroprofilometermeßkopf nach Anspruch 1 oder Anspruch 2
dadurch gekennzeichnet, daß
die erste bündelformende Einrichtung (23) vor dem ersten Eingang
(5) des ersten Polarisations-Strahlteilers (6) - in
Lichtrichtung (7) gesehen - aus dem Strahlteiler (31) und der
zweiten Sammellinse (43) aufgebaut ist.
7. Mikroprofilometermeßkopf nach Anspruch 6 dadurch
gekennzeichnet, daß
der Strahlteiler (31) und ein Prisma (36) die
Fokussensorbaugruppe mit Prisma (25′) bilden, wobei
- - an dem Koppelausgang (35) des Strahlteilers (31) das Prisma (36) mit einer ersten Kathetenfläche (37) angesetzt ist und die erste Kathetenfläche (37) teilweise transmittierend und teilweise absorbierend ist, wodurch eine Focault′sche Schneide (32) entsteht,
- - auf einer zweiten Kathetenfläche (38) des Prismas (36) ein Detektor zur Messung des Intensitätsschwerpunktes (30) angeordnet ist.
8. Mikroprofilometermeßkopf nach Anspruch 6 und Anspruch 7
dadurch gekennzeichnet, daß
auf dem ersten Ausgang (17) des zweiten Polarisations-
Strahlteilers (12) ein Trippelprisma (39) mit seiner
Hypothenusenfläche (40) angeordnet ist.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19914138562 DE4138562C2 (de) | 1991-11-25 | 1991-11-25 | Mikroprofilometermeßkopf |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19914138562 DE4138562C2 (de) | 1991-11-25 | 1991-11-25 | Mikroprofilometermeßkopf |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE4138562A1 true DE4138562A1 (de) | 1993-05-27 |
| DE4138562C2 DE4138562C2 (de) | 1995-11-23 |
Family
ID=6445436
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19914138562 Expired - Fee Related DE4138562C2 (de) | 1991-11-25 | 1991-11-25 | Mikroprofilometermeßkopf |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE4138562C2 (de) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19525903A1 (de) * | 1995-07-06 | 1997-01-09 | Inst Halbleiterphysik Gmbh | Vorrichtung zur Auswertung der Oberflächeneigenschaften von reflektierenden Meßobjekten mit kleinen Abmaßen |
| DE102006020384A1 (de) * | 2006-04-28 | 2007-10-31 | Bundesrepublik Deutschland, vertr. durch d. Bundesministerium f. Wirtschaft und Technologie, dieses vertreten durch d. Präsidenten d. Physikalisch-Technischen Bundesanstalt | Vorrichtung zur Vermessung der Topographie einer Oberfläche |
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-
1991
- 1991-11-25 DE DE19914138562 patent/DE4138562C2/de not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE4138562C2 (de) | 1995-11-23 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FOERDERUNG DER ANGEWAN |
|
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8320 | Willingness to grant licenses declared (paragraph 23) | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |