DE4213638A1

DE4213638A1 - Interferometric measuring system for surface roughness or deflection of object - has probe for deflecting reflector in measurement beam path and has interference-patterned aperture before photodetector which stores light source and reflector imaging and unevenness characteristics.

Info

Publication number: DE4213638A1
Application number: DE19924213638
Authority: DE
Inventors: Alexis Dr Rer Nat Zounek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-04-25
Filing date: 1992-04-25
Publication date: 1993-10-28

Abstract

A coherent light source (1) provides a beam to an optical system (9) for propagation and parallel alignment of the beam, and a beam divider produces object and reference beams. A movable reflector (7) is located in the object beam path. A microstrip aperture (4) is arranged immediately in front of a photodetector at the point at which the object beam reflected from the reflector and the reference beam are superimposed. The aperture contains an interference stripe pattern in which the source's radiation characteristic, the reflector's and optical system's imaging characteristics and the reflector unevenness are stored. The reflector is mechanically deflected by a sensor (16) which senses the object (8). ADVANTAGE - Eliminates effects of source's radiation characteristic and unevenness of optical components on distortion of interference strip pattern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Messung der Oberflächenrauhigkeit bzw. der Auslenkung eines Meßobjektes auf interferometrischer Basis, mit einer kohärenten Lichtquelle, einem Optiksystem zum Aufweiten und Parallelausrichten des Strahlenbündels der Lichtquelle, einem Strahlteiler zum Aufteilen des Strahlbündels in einen Objekt- und einen Referenzstrahl und einen beweglichen Reflektor im Strahlengang des Objektstrahls.The invention relates to a measuring arrangement for measuring the Surface roughness or the deflection of a measurement object on an interferometric basis, with a coherent Light source, an optical system for expanding and Parallel alignment of the light source beam, a beam splitter to split the beam into one Object and a reference beam and a moving one Reflector in the beam path of the object beam.

Es ist bekannt, für akustische Untersuchungen Meßsysteme einzusetzen, die kohärente Lichtquellen, wie Laser, verwenden. In der Zeitschrift "Physik in unserer Zeit" 19. Jahrg., 1988, Nr. 3, Seiten 67-78, insbesondere Seiten 68 und 70 sind die Grundzüge der holografischen Interferometrie und der Schwingungsanalyse mit Laserlicht beschrieben.It is known for acoustic investigations measuring systems use coherent light sources, such as lasers, use. In the journal "Physics in our time" 19th year, 1988, No. 3, pages 67-78, especially pages 68 and 70 are the basics of holographic Interferometry and vibration analysis with laser light described.

Bei der Holografie wird die beispielsweise an einer Metallplatte gestreute Laserlichtwelle, nämlich die Objektwelle, gespeichert, indem ein lichtempfindliches Material das Interferenzmuster, das sich bei Überlagerung mit einer zweiten, leicht reproduzierbaren Welle vom gleichen Laser, nämlich der Referenzwelle, ergibt, aufzeichnet. Bei Beleuchtung des entwickelten Interferenzmusters, das heißt des Hologramms, mit der Referenzwelle wird durch Beugung die Objektwelle rekonstruiert und somit das vollständige Bild der an der Metallplatte gestreuten Laserlichtwelle.In holography, for example, on one Scattered laser light wave, namely the metal plate Object wave, stored by a photosensitive Material the interference pattern that occurs when superimposed with a second, easily reproducible wave from same laser, namely the reference wave, records. When lighting the developed Interference pattern, that is the hologram with which The reference wave becomes the object wave by diffraction reconstructed and thus the complete picture of the at the Scattered laser light wave metal plate.

Aufgrund der Speichereigenschaft eines Hologramms können Objektwellen, die ursprünglich nicht gleichzeitig vorhanden waren, dennoch interferometrisch überlagert werden. Sofern die Wellen sich nur in der relativen Phasenlage unterscheiden, wie dies bei kleinen Bewegungen und Deformationen des Objektes der Fall ist, resultiert ein System von Interferenzstreifen. Bei Bewegung eines Objektpunktes um eine Größe d, wird das Streulicht von diesem Punkt in der Phase verschoben. Zur vollkommenen Bestimmung von d sind Phasenmessungen bei verschiedenen Beobachtungs- oder Beleuchtungsrichtungen erforderlich. Sind die Objektbewegungen hinreichend langsam, so wird ein Ausgangszustand, z. B. die Ruhelage d=0, holografisch rekonstruiert und mit dem jeweils augenblicklichen Objektlicht überlagert. Beim Blick durch das Hologramm werden dann Streifen beobachtet, die in ihrer zeitlichen Änderung entsprechende Veränderungen am Objekt widerspiegeln. Zwei unterschiedliche Zustände des Objektes, z. B. die Umkehrpunkte einer Schwingung, werden nacheinander auf dem gleichen Hologramm gespeichert und dann gleichzeitig rekonstruiert. Das beobachtete Interferenz streifenmuster liefert die Phasenwerte, um die sich die Zustände unterscheiden.Due to the storage property of a hologram, you can Object waves that originally did not exist at the same time were interferometrically overlaid. Provided the waves are only in the relative phase distinguish how this with small movements and Deformations of the object is the result System of interference fringes. When moving one Object point by a size d, the scattered light of this point shifted in phase. To the perfect Determination of d are phase measurements at different Observation or lighting directions required. If the object movements are sufficiently slow, a becomes Initial state, e.g. B. the rest position d = 0, holographic reconstructed and with the current one Object light overlaid. Looking through the hologram stripes are then observed in their temporal Change corresponding changes to the object reflect. Two different states of the object, e.g. B. the reversal points of an oscillation are successively stored on the same hologram and then reconstructed at the same time. That observed interference stripe pattern provides the phase values around which the Differentiate states.

Eine in der Akustik ständig wiederkehrende Aufgabe ist die Analyse periodischer Bewegungen räumlicher Strukturen. An einem praktischen Beispiel aus dem Anwendungsbereich der Akustik läßt sich zeigen, wie Mikrofon, Vorverstärker und Übertragungskabel vollkommen durch Laseroptik ersetzt werden können. Es handelt sich hierbei um das Abhören von Gesprächen in einem Raum durch Abtasten der dadurch hervorgerufenen Schwingungen der Fensterscheibe. In einer einfachen Anordnung wird die Scheibe mit einem unaufgeweiteten Laserstrahl von wenigen Milliwatt Leistung beleuchtet. Der an der Fensterscheibe reflektierte Strahl erfährt im Takt der Scheibenschwingungen Winkelablenkungen. Diese lassen sich in ein elektroakustisches Signal umsetzen, indem am Empfangsort ein Fotodetektor hinter einer Mikro-Lochblende von ca. 100 µm Durchmesser an eine geeignete Flanke der Intensitätsverteilung im Strahlquerschnitt gebracht wird. Mit dieser Anordnung läßt sich verständliche Sprache gewinnen, deren Qualität allerdings durch die vielfältigen Schwingungsformen der Scheibe stark beeinträchtigt sein kann.A task that is constantly recurring in acoustics is that Analysis of periodic movements of spatial structures. At a practical example from the scope of the Acoustics can be shown, such as microphone, preamplifier and Transmission cable completely replaced by laser optics can be. It is about listening to Conversations in a room by scanning the thereby caused vibrations of the window pane. In a simple arrangement is the disc with a unexpanded laser beam of a few milliwatts of power illuminated. The beam reflected on the window pane experiences angular deflections in time with the disk vibrations. These can be converted into an electro-acoustic signal implement by placing a photodetector behind at the receiving location a micro pinhole of about 100 microns in diameter suitable edge of the intensity distribution in the Beam cross section is brought. With this arrangement lets gain understandable language, its quality however, due to the diverse forms of vibration of the Disk can be severely affected.

In der Zeitschrift "Optics and Photonics News", November 1991, Seiten 24 und 25 sind interferometrische Messungen beschrieben, deren Grundprinzip darin besteht, zwei Strahlen miteinander zu interferieren, sodaß ihre Phase proportional zu der Meßgröße ist. Hierzu ist ein Sensor erforderlich, der entweder so gestaltet ist, daß die gemessene Phase proportional zu der gewünschten physikalischen Meßgröße bzw. zu dem gewünschten physikalischen Parameter ist und nicht von anderen Parametern abhängt, die sich im allgemeinen leicht verändern können, oder es sind geeignete Einrichtungen für die Verarbeitung der von dem Sensor erhaltenen Meßdaten vorhanden. So ist es beispielsweise bekannt, ein Standard- Zweistrahl-Michelsoninterferometer zu verwenden, bei dem sich ein Spiegel bewegt, um das interferometrische Signal zu erzeugen. Falls der sich bewegende Spiegel an einer Linearstufe befestigt ist, kann der Sensor die Verschiebung dieser Stufe mit sehr hoher Präzision messen. So kann beispielsweise der Spiegel an der Membran eines Mikrofons befestigt sein, das Interferometer wird dann die akustischen Druckfelder, die auf die Membran einwirken, messen.In the magazine "Optics and Photonics News", November 1991, pages 24 and 25 are interferometric measurements described, the basic principle of which is two Rays to interfere with each other so that their phase is proportional to the measured variable. There is a sensor for this required, which is either designed so that the measured phase proportional to the desired physical measured variable or to the desired physical parameters and not by others Depends on parameters, which are generally easy can change, or there are suitable facilities for the processing of the measurement data received from the sensor available. For example, it is known to use a standard To use two-beam Michelson interferometer, in which a mirror moves around the interferometric signal to create. If the moving mirror on one Linear stage is attached, the sensor can shift measure this level with very high precision. So can for example the mirror on the membrane of a microphone attached, the interferometer will then be the acoustic pressure fields that act on the membrane, measure up.

In der EP-A-0324708 sind ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung der Bewegung einer vorgegebenen Zone eines Objektes beschrieben. Hierbei wird ein Laserstrahl in einen Objekt- und einen Referenzstrahl aufgeteilt, der Referenzstrahl um ein vorgegebenes Zeitintervall gegenüber dem Objektstrahl verzögert und mit diesem zur Interferenz gebracht. Der so erhaltene Kombinationsstrahl wird in eine Anzahl von etwa gleichen Strahlen aufgeteilt, von denen jeder entlang eines eigenen Strahlenpfades zu einer Stelle geleitet wird, die von der vorgegebenen Zone im wesentlichen um die halbe Distanz getrennt ist, die durch das Licht in dem vorgegebenen Zeitintervall zwischen der Stelle und der vorgebenen Zone zurückgelegt wird. Ein bestimmter Anteil jedes dieser Strahlen wird an der entsprechenden Stelle entlang dem zugehörigen Strahlenpfad refelektiert, während der verbleibende Teil jedes Strahls auf die vorgegebene Zone gerichtet ist und von dieser zu der entsprechenden Stelle entlang dem zugehörigen Strahlenpfad zurückkehrt, wobei der zurückkehrende Objektstrahlteil mit dem reflektierten Referenzstrahlteil des gleichen Kombinationsstrahls kohärent interferiert. Die zurückkehrenden Lichtstrahlen werden demoduliert, um die Bewegung der vorgegebenen Zone des Objekts anzuzeigen.EP-A-0324708 describes a method and an arrangement to measure the movement of a given zone Property described. Here, a laser beam is Object beam and a reference beam split, the Reference beam by a predetermined time interval delayed the object beam and with it for interference brought. The combination jet thus obtained is converted into a Number of roughly equal beams divided, of which each along its own ray path to a place is directed from the specified zone in the is essentially separated by half the distance by the light in the predetermined time interval between the Place and the specified zone is covered. A certain proportion of each of these rays is on the corresponding point along the associated radiation path reflected while the remaining part of each beam is directed to and from the specified zone the corresponding point along the associated Radiation path returns, with the returning Object beam part with the reflected reference beam part of the same combination beam interferes coherently. The returning light rays are demodulated to the Show movement of the given zone of the object.

In der DE-A-28 54 560 ist ein elektrodynamisches Mikrofon für Fernsprechgeräte zur Umwandlung von Schallsignalen in elektrische Signale beschrieben, mit einer von den Schallwellen beaufschlagbaren Membran, die mit einer in einen Magnettopf eingreifenden Schwingspule verbunden ist, und bei dem auf der Schalleingangsseite ein gut leitender Kurzschlußring vor der Membran angeordnet ist. Derartigen Mikrofonen sind in der Regel Transistorverstärker nachgeschaltet, um die erzeugten Sprechsignale im notwendigen Maße zu verstärken. Dabei zeigt sich, daß derartige, aus dynamischem Mikrofon und nachgeschaltetem Transistorverstärker bestehende, Kombinationen sehr empfindlich auf magnetische Fremdfelder reagieren. Magnetische Fremdfelder sind grundsätzlich in der Lage, Störsignale in elektrodynamischen Mikrofonen zu erzeugen, weil diese Felder in der Schwingungsspule eine Spannung induzieren können. Durch den Kurzschlußring vor der Membran werden derartige Fremdfelder praktisch ausgeschlossen. In DE-A-28 54 560 is an electrodynamic microphone for Telephone devices for converting sound signals into electrical signals described with one of the Sound wave actable membrane, which with a in a voice coil engaging a magnetic pot is connected, and a well conductive one on the sound input side Short circuit ring is arranged in front of the membrane. Such Microphones are usually transistor amplifiers downstream to the generated speech signals in reinforce necessary dimensions. It shows that such, from dynamic microphone and downstream Transistor amplifiers existing, combinations very are sensitive to external magnetic fields. External magnetic fields are generally able to Generate interference signals in electrodynamic microphones, because these fields in the voice coil create a voltage can induce. Through the short-circuit ring in front of the membrane such foreign fields are practically excluded.

In der DE-A-31 28 397 ist ein dynamisches Mikrofon beschrieben, bei dem Schwingungen, die auf das Gehäuse des Mikrofons übertragen werden, über einen sehr breiten Frequenzbereich unterdrückt sind. Dabei sind eine Mikrofoneinheit mit beweglicher Spule, die auf Schallwellen anspricht, und eine Schwingungsaufnehmereinheit mit beweglicher Spule, die auf die auf das Gehäuse des Mikrofons übertragenen Schwingungen anspricht, mit einem gemeinsamen magnetischen Kreis versehen. Die Ausgangssignale der Schwingungseinheit mit beweglicher Spule werden mit den Ausgangssignalen der Mikrofoneinheit gegenphasig gekoppelt, sodaß die Rauschkomponenten, die den auf das Gehäuse übertragenen Schwingungen entsprechen, unterdrückt werden.DE-A-31 28 397 is a dynamic microphone described, in which vibrations that affect the housing of the Microphones are transmitted over a very wide range Frequency range are suppressed. There are one Microphone unit with movable coil, based on sound waves responds, and a vibration pickup unit with movable coil which on the on the housing of the Addresses transmitted vibrations with a microphone common magnetic circuit. The Output signals of the vibration unit with movable Coil with the output signals of the microphone unit coupled in phase opposition, so that the noise components that the correspond to vibrations transmitted to the housing, be suppressed.

Bei den zuvor beschriebenen Interferenzmessungen und den zugehörigen Meßanordnungen werden im allgemeinen hochpräzise Optikteile benötigt, wie oberflächenvergütete Spiegel, präzis gearbeitete Strahlteiler, Linsen und dergleichen, ebenso müssen Vorkehrungen getroffen werden, um Verformungen der Optikteile durch thermische Beeinflussung auszuschalten. Thermisch oder mechanisch bedingte Verformungen von Reflektor, Strahlteiler, Linsen bewirken Ungenauigkeit der Abbildungscharakteristik und beeinflussen somit die Meßergebnisse beträchtlich, da sie in das Interferenzbild eingehen. Dabei ist nicht festzustellen, ob diese Verformungen am Reflektor, am Strahlteiler oder an den Linsen vorliegen, ebensowenig ist eine Auftrennung dieser Verformungen und der Meßgröße möglich.With the interference measurements and the associated measuring arrangements are generally high-precision optical parts are required, such as surface-coated Mirrors, precisely crafted beam splitters, lenses and the like, arrangements must also be made to deform the optical parts due to thermal Switch off influence. Thermal or mechanical conditional deformations of reflector, beam splitter, lenses cause inaccuracy of the mapping characteristics and influence the measurement results considerably, since they go into the interference pattern. It is not determine whether these deformations on the reflector, on Beam splitter or on the lenses are just as little a separation of these deformations and the measurand possible.

Bei den bekannten elektrodynamischen Mikrofonen ist im allgemeinen das induzierte Signal in der Schwingungsspule innerhalb eines Magnettopfes ein Maß für die Membranauslenkung. Dabei kann das Signal dieser Membranauslenkung durch äußere Einflüsse wie Fremdfelder stark beeinträchtigt werden.In the known electrodynamic microphones is in generally the induced signal in the voice coil a measure for the inside of a magnetic pot Membrane deflection. The signal can be this Membrane deflection due to external influences such as external fields be severely impaired.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßanordnung auf interferometrischer Basis zu schaffen, bei der Verzerrungen des Interferenzstreifenmusters aufgrund der Abstrahl charakteristik der verwendeten Lichtquelle und der Abbildungscharakteristiken sowie der Unebenheiten der optischen Komponenten ausgeschaltet sind, und bei dem Veränderungen des Interferenzstreifenmusters eindeutig den Veränderungen der Meßgröße zuzuordnen sind.The object of the invention is to provide a measuring arrangement to create an interferometric basis at which distortions the interference fringe pattern due to the radiation characteristic of the light source used and the Mapping characteristics as well as the bumps of the optical components are turned off, and at Changes in the interference fringe pattern clearly the Changes in the measured variable are to be assigned.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß am Ort der Zusammenführung und Überlagerung des am Reflektor reflektierten Objektstrahls und des Referenz strahls eine Mikro-Streifenblende unmittelbar vor einem Fotodetektor angeordnet ist, daß die Mikro-Streifenblende ein Interferenzstreifenmuster aufweist, in dem die Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle, die Abbildungs charakteristiken des Reflektors und des Optiksystems und die Unebenheiten des Reflektors gespeichert sind und daß der Reflektor mechanisch durch einen Meßfühler, der das Meßobjekt abtastet, auslenkbar ist.This object is achieved in such a way that at the place where the am Reflected object beam and reference reflector a micro-strip diaphragm immediately in front of you Photo detector is arranged that the micro-strip aperture has an interference fringe pattern in which the Emission characteristics of the light source, the imaging characteristics of the reflector and the optical system and the bumps of the reflector are stored and that the reflector mechanically by a sensor that the Measured object scans, is deflectable.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist am Ort der Zusammenführung und Überlagerung des am Reflektor reflektierten Objektstrahls und des Referenzstrahls eine Mikro-Streifenblende unmittelbar vor einem Fotodetektor angeordnet, weist die Mikro-Streifenblende ein Interferenz streifenmuster auf, in dem die Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle, die Abbildungscharakteristiken des Reflektors und des Optiksystems und die Unebenheiten des Reflektors gespeichert sind, und ist der Reflektor durch akustische Druckwellen, die auf das Meßobjekt auftreffen, auslenkbar. In Weiterbildung der Erfindung besteht die Mikro- Streifenblende aus einer Fotolackschicht auf einem Glasplättchen, wobei die Fotolackschicht mit dem charakteristischen Interferenzstreifenmuster der Meßanordnung belichtet ist und dieses Interferenz streifenmuster in der Fotolackschicht entwickelt und fixiert ist.In a further embodiment of the invention is in place the merging and overlapping of the reflector reflected object beam and the reference beam one Micro-strip diaphragm immediately in front of a photo detector arranged, the micro-strip diaphragm exhibits interference striped pattern in which the radiation characteristic of the Light source, the imaging characteristics of the reflector and the optical system and the bumps of the reflector are stored, and is the reflector by acoustic Pressure waves that strike the test object can be deflected. In a further development of the invention, the micro Striped panel made of a layer of photoresist on one Glass plate, the photoresist layer with the characteristic interference fringe pattern of the Measuring arrangement is exposed and this interference stripe pattern developed in the photoresist layer and is fixed.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 4-10.Further details of the invention emerge from the Features of claims 4-10.

Die Grundlagen der erfindungsgemäßen Meßanordnung werden bei einem Mikrofon zur Umwandlung von Schallwellen in elektrische Signale eines Fotodetektors gleichfalls angewandt. Ein derartiges Mikrofon mit einer von Schallwellen beaufschlagbaren Membran zeichnet sich in der Weise aus, daß auf der Rückseite der mit Schall beaufschlagbaren Membran des Mikrofons ein Reflektor angeordnet ist, daß die Auslenkung der Membran bzw. des Reflektors mittels einer Interferometeranordnung meßbar ist, die aus einer kohärenten Lichtquelle, einem Optiksystem zur Aufweitung des Strahlenbündels der Lichtquelle, einem Strahlteiler, der das Strahlenbündel in einen reflektierten Objektstrahl und einen transmittierten Referenzstrahl aufteilt, wobei der Objektstrahl in Richtung Reflektor reflektiert wird, einer Mikro-Streifenblende am Ort der Überlagerung von Objekt- und Referenzstrahl besteht und daß der Mikro-Streifenblende ein Fotodetektor nachgeordnet ist, der die von der Mikro-Streifenblende durchgelassene Strahlungsintensität in elektrische Signale umsetzt.The basics of the measuring arrangement according to the invention are with a microphone for converting sound waves into electrical signals from a photodetector as well applied. Such a microphone with one of Diaphragm exposed to sound waves excels in the Way out that on the back of the with sound actable membrane of the microphone a reflector is arranged that the deflection of the membrane or Reflector measurable by means of an interferometer arrangement is that from a coherent light source, one Optical system for expanding the beam of rays Light source, a beam splitter that the beam of rays in a reflected object beam and a transmitted one Split reference beam, the object beam in the direction Reflector is reflected, a micro-strip aperture on The location of the superimposition of the object and reference beam exists and that the microstrip stop is a photodetector is subordinate to that of the micro-strip diaphragm transmitted radiation intensity in electrical signals implements.

Die weitere Ausgestaltung des Mikrofons nach der Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 12-16.The further embodiment of the microphone according to the invention results from the features of claims 12-16.

Bei diesem Mikrofon nach der Erfindung erfolgt eine berührungslose Abtastung der Membran, sodaß die normalerweise auftretenden Beeinflussungen wie bei den bekannten elektrodynamischen Mikrofonen nicht auftreten können. Die Anzahl der digitalisierten Stromimpulse des Detektors, nämlich die Hell-Dunkel-Zählung der Interferenz streifen, stellt dabei ein Maß der Membranauslenkung dar.In this microphone according to the invention there is a contactless scanning of the membrane, so that the influences that usually occur as with the known electrodynamic microphones do not occur can. The number of digitized current pulses of the Detector, namely the light-dark counting of the interference streak represents a measure of membrane deflection.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be described with reference to two embodiments shown in the drawing explained. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Meßan ordnung zur interferometrischen Messung der Oberflächenrauhigkeit eines Objekts, und Fig. 1 is a schematic representation of a Meßan arrangement for interferometric measurement of the surface roughness of an object, and

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Meßan ordnung, ähnlich derjenigen in Fig. 1, zur interferometrischen Messung der Auslenkung einer Membran. Fig. 2 is a schematic view of a Meßan arrangement, similar to that in Fig. 1, for interferometric measurement of the deflection of a membrane.

Die in Fig. 1 gezeigte Meßanordnung zur Messung der Oberflächenrauhigkeit eines Meßobjektes 8 umfaßt eine kohärente Lichtquelle 1, ein Optiksystem 9 zum Aufweiten und Parallelausrichten des Strahlenbündels der kohärenten Lichtquelle, einen Strahlteiler 2 und einen beweglichen Reflektor 7. Der Strahlteiler 2 teilt das Strahlenbündel der Lichtquelle 1 in einen Objektstrahl O und einen Referenzstrahl R auf. Der Objektstrahl O trifft auf den Reflektor 7 auf und wird von diesem in Richtung einer Mikro-Streifenblende 4 reflektiert. Der Referenzstrahl R, der den Strahlteiler 2 ohne Richtungsänderung durchläuft, trifft gleichfalls auf die Mikro-Streifenblende 4 auf und interferiert auf dieser mit dem reflektierten Objektstrahl O. Die Mikro-Streifenblende 4 ist unmittelbar vor einem Fotodetektor 5 angeordnet und enthält ein Interferenzstreifenmuster, in dem die Abstrahl charakteristik der Lichtquelle 1, die Abbildungs charakteristiken des Reflektors 7 und des Optiksystems 9 und die Unebenheiten des Reflektors 7 gespeichert sind.The measuring arrangement shown in FIG. 1 for measuring the surface roughness of a measurement object 8 comprises a coherent light source 1 , an optical system 9 for expanding and aligning the beam of the coherent light source, a beam splitter 2 and a movable reflector 7 . The beam splitter 2 splits the beam of the light source 1 into an object beam O and a reference beam R. The object beam O strikes the reflector 7 and is reflected by it in the direction of a micro-strip diaphragm 4 . The reference beam R, which passes through the beam splitter 2 without changing its direction, also strikes the microstrip diaphragm 4 and interferes with it with the reflected object beam O. The microstrip diaphragm 4 is arranged immediately in front of a photodetector 5 and contains an interference fringe pattern in which the radiation characteristic of the light source 1 , the imaging characteristics of the reflector 7 and the optical system 9 and the unevenness of the reflector 7 are stored.

Der Reflektor 7 ist mechanisch mit einem Meßfühler 16 verbunden, der die Oberfläche des Meßobjektes 8, beispielsweise einer Metallplatte, abtastet. Bei dem Meßfühler 16 kann es sich um einen mechanischen Abtastkopf handeln, der entsprechend der Oberflächenrauhigkeit bzw. der Unebenheiten des Meßobjektes 8 ausgelenkt wird und diese Auslenkungen unmittelbar auf den Reflektor 7 überträgt. Entsprechend den Auslenkungen des Reflektors 7 ändert sich der optische Weg des reflektierten Objektstrahls O und dementsprechend verändert sich auch das durch Überlagerung mit dem Referenzstrahl R gebildete Interferenzstreifenmuster. Die von der Mikro- Streifenblende 4 durchgelassene Intensität des Interferenz streifenmusters wird von dem Fotodetektor 5 abgetastet und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das in einer Verarbeitungs- und Aufzeichnungseinheit 6 umgeformt und verstärkt wird und anschließend aufgezeichnet oder angezeigt werden kann. Auf diese Weise können sämtliche Veränderungen der durch die Mikro-Streifenblende transmittierten Intensität des Interferenzstreifenmusters dargestellt werden.The reflector 7 is mechanically connected to a sensor 16 , which scans the surface of the measurement object 8 , for example a metal plate. The sensor 16 can be a mechanical scanning head, which is deflected in accordance with the surface roughness or the unevenness of the measurement object 8 and transmits these deflections directly to the reflector 7 . The optical path of the reflected object beam O changes in accordance with the deflections of the reflector 7 , and accordingly the interference fringe pattern formed by superimposition with the reference beam R also changes. The light transmitted by the micro strip diaphragm 4 intensity of the fringe pattern is sampled by the photodetector 5 and is converted into an electrical signal which is converted in a processing and recording unit 6 and can be amplified and then recorded or displayed. In this way, all changes in the intensity of the interference fringe pattern transmitted through the microstrip diaphragm can be represented.

Die Mikro-Streifenblende 4 besteht aus einer Foto lackschicht auf einem Glasplättchen, wobei die Fotolackschicht mit dem charakteristischen Interferenz streifenmuster der Meßanordnung belichtet ist und dieses Interferenzstreifenmuster in der Fotolackschicht entwickelt. und fixiert ist. Als kohärente Lichtquelle 1 kann ein Gas-, Festkörper- oder Halbleiterlaser eingesetzt werden, insbesondere kann die Lichtquelle 1 eine lichtemittierende Diode (LED) sein. Durch die Wahl einer Fotodiode mit maximaler spektraler Empfindlichkeit bei der Wellenlänge der Lichtquelle 1 bzw. des Lasers, kann auf eine Abschirmung gegen Streulicht aus der Umgebung verzichtet werden.The micro-strip diaphragm 4 consists of a photo lacquer layer on a glass plate, the photoresist layer being exposed to the characteristic interference stripe pattern of the measuring arrangement and developing this interference stripe pattern in the photoresist layer. and is fixed. A gas, solid-state or semiconductor laser can be used as the coherent light source 1 , in particular the light source 1 can be a light-emitting diode (LED). By choosing a photodiode with maximum spectral sensitivity at the wavelength of the light source 1 or the laser, shielding against stray light from the surroundings can be dispensed with.

Wie schon voranstehend erwähnt wurde, besteht die Mikro- Streifenblende 4 aus einem dünnen Glasplättchen, das mit Fotolack beschichtet ist. Der Einbau des Glasplättchens erfolgt in unbelichtetem Zustand des Fotolacks. Durch kurzes Einschalten der Lichtquelle 1 bzw. des Lasers, wird die Fotoschicht auf dem Glasplättchen mit dem spezifischen Interferenzstreifenmuster der Meßanordnung, die im wesentlichen ein Interferometer darstellt, belichtet. Erst nach der Entwicklung und Fixierung des Interferenz streifenmusters in der Fotolackschicht wird der Fotodetektor 5 eingebaut.As already mentioned above, the micro-strip diaphragm 4 consists of a thin glass plate which is coated with photoresist. The glass plate is installed in the unexposed state of the photoresist. By briefly switching on the light source 1 or the laser, the photo layer on the glass plate is exposed with the specific interference fringe pattern of the measuring arrangement, which essentially represents an interferometer. Only after the development and fixing of the interference fringe pattern in the photoresist layer is the photodetector 5 installed.

Der Reflektor 7 besteht aus einer verspiegelten, elastisch deformierbaren Metallmembran, der durch eine Vorspannung vor dem Einbau eine sphärische Krümmung aufgeprägt wird. Diese Vorspannung stabilisiert die Membran und bei geeigneter Kopplung mit dem Meßfühler 16 erfolgt ihre Auslenkung bevorzugt in radialer Richtung und direkt proportional zur Auslenkung des Meßfühlers 16, der das Meßobjekt 8 abtastet.The reflector 7 consists of a mirrored, elastically deformable metal membrane which is pre-stressed with a spherical curvature before installation. This pretension stabilizes the membrane and, with a suitable coupling to the sensor 16, it is preferably deflected in the radial direction and directly proportional to the deflection of the sensor 16 , which scans the measurement object 8 .

Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Meßanordnung zur Messung der Auslenkung einer Membran auf interfero metrischer Basis zeigt einen ähnlichen Aufbau bezüglich der Optik wie die Meßanordnung nach Fig. 1. Der von der Lichtquelle 1 ausgehende Lichtstrahl wird durch das Optiksystem 9 aufgeweitet und parallel ausgerichtet und trifft auf den Strahlteiler 2 auf, der den Lichtstrahl in einen transmittierten Referenzstrahl R und einen reflektierten Objektstrahl O aufteilt. Durch Reflexion am Reflektor 11 wird der Objektstrahl O im Bereich der Mikro- Streifenblende 4 zur Überlagerung mit dem Referenzstrahl R gebracht. Mit dem Fotodetektor 5 wird die von der Mikro- Streifenblende 4 transmittierte Intensität gemessen.The measuring arrangement schematically shown in Fig. 2 for measuring the deflection of a membrane on an interferometric basis shows a similar structure with regard to the optics as the measuring arrangement according to Fig. 1. The light beam emanating from the light source 1 is widened by the optical system 9 and aligned in parallel and strikes the beam splitter 2 , which splits the light beam into a transmitted reference beam R and a reflected object beam O. By reflection on the reflector 11 , the object beam O is brought to be superimposed with the reference beam R in the area of the microstrip diaphragm 4 . The intensity transmitted by the microstrip diaphragm 4 is measured with the photodetector 5 .

Der Reflektor 11 ist beweglich ausgebildet und ist auf der Rückseite einer mit Schall beaufschlagten Membran 10 eines Mikrofons 13 angeordnet. Die Auslenkung der Membran 10 bzw. des Reflektors 11 durch die Schallwellen, die auf eine Deckschale 12 des Mikrofons auftreffen, verändern das Interferenzstreifenmuster. Der Energiefluß der Laser strahlung ist räumlich auf Bereiche beschränkt, die den Interferenzstreifen entsprechen. Bei einer Änderung des optischen Gangunterschiedes zwischen Objekt- und Referenzstrahl um eine Wellenlänge, gehen ausgeleuchtete Interferenzstreifen in dunkle über und umgekehrt.The reflector 11 is designed to be movable and is arranged on the back of a membrane 10 of a microphone 13 which is subjected to sound. The deflection of the membrane 10 or of the reflector 11 by the sound waves that strike a cover shell 12 of the microphone change the interference fringe pattern. The energy flow of the laser radiation is spatially limited to areas that correspond to the interference fringes. If the optical path difference between object and reference beam changes by one wavelength, illuminated interference fringes change into dark ones and vice versa.

Das Ausgangssignal des Fotodetektors 5 ist eine periodische Funktion der Membran- bzw. Reflektorauslenkung und dient nach elektronischer Verarbeitung in einem elektro akustischen Wandler 14 als Maß der Auslenkung und bewirkt eine entsprechende Schwingung einer Membran eines dem elektroakustischen Wandler 14 nachgeschalteten Lautsprechers 15.The output signal of the photodetector 5 is a periodic function of the membrane or reflector deflection and, after electronic processing in an electro-acoustic transducer 14, serves as a measure of the deflection and causes a corresponding vibration of a membrane of a loudspeaker 15 connected downstream of the electro-acoustic transducer 14 .

Eine fotografische Platte, die beispielsweise am Ort der Mikro-Streifenblende 4 belichtet wird, zeigt nach der Entwicklung ein Streifenmuster, dessen typische Form durch die Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle 1, die Unebenheiten am Reflektor 11 und am Strahlteiler 2 sowie die Abbildungscharakteristiken des Optiksysteme 9 bestimmt wird. Hieraus ergibt sich die Forderung, daß für jede Meßanordnung die Mikro-Streifenblende 4 vorab adaptiert, das heißt für jede Meßanordnung eigens hergestellt werden muß.After development, a photographic plate, which is exposed, for example, at the location of the microstrip diaphragm 4 , shows a stripe pattern, the typical shape of which is determined by the emission characteristics of the light source 1 , the unevenness on the reflector 11 and the beam splitter 2, and the imaging characteristics of the optical systems 9 . This results in the requirement that the microstrip diaphragm 4 be adapted in advance for each measuring arrangement, that is to say that it must be manufactured specifically for each measuring arrangement.

Ebenso wie bei der Meßanordnung nach Fig. 1 ist die Meßanordnung nach Fig. 2 mit einem Gas-, Festkörper- oder Halbleiterlaser als Lichtquelle 1 ausgestattet, insbesondere wird als Lichtquelle 1 eine lichtemittierende Diode (LED) eingesetzt.As with the measuring arrangement according to FIG. 1, the measuring arrangement according to FIG. 2 is equipped with a gas, solid-state or semiconductor laser as the light source 1 , in particular a light-emitting diode (LED) is used as the light source 1 .

Der Reflektor 11 ist wieder als verspiegelte, elastisch deformierbare Metallmembran ausgeführt, die durch eine aufgeprägte Vorspannung während des Einbaus sphärisch gekrümmt ist.The reflector 11 is again designed as a mirrored, elastically deformable metal membrane, which is spherically curved due to an impressed pre-tension during installation.

Mit den Meßanordnungen nach den Fig. 1 und 2 können zeitabhängige Auslenkungen mit einer Genauigkeit im Sub-µm- Bereich gemessen werden. Insbesondere können Auslenkungen gemessen werden, die mit Frequenzen im akustischen Bereich, aber auch höheren Frequenzen erfolgen.Are measured with the measuring arrangements according to FIGS. 1 and 2, time-dependent deflections can with an accuracy in the sub-micron range. In particular, deflections can be measured which occur with frequencies in the acoustic range, but also with higher frequencies.

Mit der Erfindung wird gegenüber bekannten interfero metrischen Meßsystemen der Vorteil erzielt, daß die im allgemeinen aus Gründen der Stabilisierung der optischen Wege und der optischen Elemente recht aufwendigen und teueren Systeme durch eine kompakte, robuste und billig herzustellende Interferometeranordnung ersetzt werden, bei der die einzelnen Komponenten der Meßanordnung beispiels weise auf einer gemeinsamen Trägerplatte montiert sind.With the invention compared to known interfero metric measuring systems achieved the advantage that the im general for the sake of stabilizing the optical Paths and the optical elements are quite complex and expensive systems through a compact, robust and cheap Interferometer arrangement to be manufactured are replaced at of the individual components of the measuring arrangement, for example are mounted on a common carrier plate.

Claims

1.Measuring arrangement for measuring the surface roughness of an object to be measured on an interferometric basis, with a coherent light source, an optical system for expanding and aligning the beam of the light source, a beam splitter for splitting the beam into an object and a reference beam and a movable reflector in the beam path of the object beam , characterized in that at the location of the merging and superimposition of the object beam (O) reflected on the reflector ( 7 ) and the reference beam (R), a micro-strip diaphragm ( 4 ) is arranged directly in front of a photodetector ( 5 ) that the micro-strip diaphragm ( 4 ) has an interference fringe pattern in which the radiation characteristic of the light source ( 1 ), the imaging characteristics of the reflector ( 7 ) and the optical system ( 9 ) and the bumps of the reflector ( 7 ) are stored and that the reflector ( 7 ) is mechanical by a sensor ( 16 ) which the measuring ob jekt ( 8 ) scans, is deflectable.

2. Measuring arrangement for measuring the deflection of a measurement object on an interferometric basis, with a coherent light source, an optical system for expanding and aligning the beam of the light source, a beam splitter for dividing the beam into an object and a reference beam and a movable reflector in the beam path of the object beam , characterized in that at the location of the merging and superimposition of the object beam (O) reflected on the reflector ( 11 ) and the reference beam (R), a microstrip diaphragm ( 4 ) is arranged directly in front of a photodetector ( 5 ) that the microstrip diaphragm ( 4 ) has an interference fringe pattern in which the radiation characteristics of the light source ( 1 ), the imaging characteristics of the reflector ( 11 ) and the optical system ( 9 ) and the bumps of the reflector ( 11 ) are stored and that the reflector ( 11 ) by acoustic pressure waves that hit the measurement object ( 10 ) fen is deflectable.

3. Measuring arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the micro-strip diaphragm ( 4 ) consists of a photoresist layer on a glass plate, that the photoresist layer is exposed to the characteristic interference stripe pattern of the measuring arrangement and that this interference stripe pattern is developed and fixed in the photoresist layer is.

4. Measuring arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the light source ( 1 ) is a gas, solid-state or semiconductor laser.

5. Measuring arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the light source ( 1 ) is a light-emitting diode (LED).

6. Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the reflector ( 7 ) is designed as a mirrored, elastically deformable metal membrane and that the metal membrane is stamped by a bias before installation a spherical curvature.

7. Measuring arrangement according to claim 2, characterized in that the reflector ( 11 ) is arranged as a mirrored, elastically deformable metal membrane on the back of a soundable membrane ( 10 ).

8. Measuring arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the photodetector ( 5 ) is a photodiode with maximum spectral sensitivity for the wavelength of the coherent light source ( 1 ).

9. Measuring arrangement according to claim 8, characterized in that the photodetector ( 5 ) is connected to a processing and recording unit ( 6 ) for its output signals.

10. Measuring arrangement according to claim 2, characterized in that the photodetector ( 5 ) is connected via an electroacoustic transducer ( 14 ) to a loudspeaker ( 15 ).

11. Microphone for converting sound waves into electrical signals of a photodetector, with a membrane acted upon by the sound waves, characterized in that a reflector ( 11 ) is arranged on the back of the membrane acted upon with sound ( 10 ) of the microphone ( 13 ) the deflection of the membrane ( 10 ) or of the reflector ( 11 ) can be measured by an interferometer arrangement which consists of a coherent light source ( 1 ), an optical system ( 9 ) for expanding the beam of the light source, a beam splitter ( 2 ) which detects the beam splits into a reflected object beam (O) and a transmitted reference beam (R), the object beam being reflected in the direction of the reflector ( 11 ), a micro-strip diaphragm ( 4 ) at the location where the object and reference beams are superimposed, and that the micro- Strip diaphragm ( 4 ) is followed by a photodetector ( 5 ) which i. The radiation intensity let through the micro-strip diaphragm n converts electrical signals.

12. Microphone according to claim 11, characterized in that the light source ( 1 ) is a gas, solid-state, semiconductor laser or a light-emitting diode (LED).

13. Microphone according to claim 11, characterized in that in the micro-strip aperture ( 4 ), which consists of a photoresist layer on a glass plate, the characteristic interference fringe pattern of the interferometer arrangement is stored by exposure, development and fixing of the photoresist layer.

14. Microphone according to claim 11, characterized in that the reflector ( 11 ) is designed as a mirrored, elastically deformable metal membrane which is spherically curved by an impressed bias.

15. Microphone according to claim 11, characterized in that the photodetector ( 5 ) is a photodiode with maximum spectral sensitivity for the wavelength of the coherent light source ( 1 ).

16. Microphone according to claim 11, characterized in that the photodetector ( 5 ) via an electroacoustic transducer ( 14 ) is connected to a loudspeaker ( 15 ).