DE4233336A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von Fokusablagen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Ablagen oder Ablageänderungen eines Objektes von der Brennebene eines Objektivs.

In der fertigungsbegleitenden Meßtechnik besteht eine der grundlegenden Aufgaben in der Messung von Längen und Abstän­ den. Vielfach wird hierzu eine berührungslose Antastung ge­ fordert, beispielsweise bei der Vermessung von Objekten mit einer weichen Objektoberfläche.

Aus der Druckschrift der Firma "Applied Laser Technology" mit dem Titel "A novel optoelectronic instrument for on-line precise measurements", Niederlande 1987, ist ein optoelektro­ nischer Meßkopf bekannt, bei dem zwei Laserdioden jeweils einen kollimierten Lichtstrahl erzeugen, die beide von einem gemeinsamen Hauptobjektiv in dessen Brennpunkt fokussiert werden. Das an einem Objekt gestreute Licht wird von dem Hauptobjektiv wieder aufgesammelt und von einer Kollimations­ linse auf einen positionsempfindlichen Detektor fokussiert. Die Position des Lichtflecks auf dem positionsempfindlichen Detektor ist ein Maß für den Abstand des Objektes vom Brenn­ punkt des Hauptobjektivs. Dieser nach dem Prinzip der Trian­ gulation arbeitende Meßkopf liefert eine Meßauflösung von unter 0,2 µm bei einem maximalen Meßbereich von 40 mm. Da die Meßauflösung innerhalb des Meßbereiches stark unterschiedlich ist, wird der Meßkopf zur Messung solange auf das Objekt zu bzw. von ihm weg bewegt, bis der zu vermessende Objektpunkt im Fokus des Hauptobjektivs liegt. Die Bewegung des Meßkopf es wird durch die Signale des positionsempfindlichen Detektors gesteuert.

Da sowohl der Antastpunkt auf dem Objekt als auch dessen Bild auf dem positionsempfindlichen Detektor einen endlichen Durchmesser hat, ist es zum erreichen der maximalen Meßauflö­ sung erforderlich, den Schwerpunkt des Bildpunktes auf dem positionsempfindlichen Detektor zu bestimmen. Hat das Meßob­ jekt innerhalb des angetasteten Bereiches unterschiedliche Streu- oder Reflexionseigenschaften, so treten bei der Schwerpunktsbestimmung Fehler auf, die das Meßergebnis ver­ fälschen.

Desweiteren sind zur Oberflächenvermessung interferdmetrische Meßverfahren bekannt. Ein recht guter Überblick über diese Verfahren ist in dem Aufsatz "Interferometrische Verfahren zur Rauhigkeitsmessung" in Laser und Optoelektronik Vol. 22, Seite 76, (1990) gegeben. Mit diesen Verfahren sind Meßauflö­ sungen im Bereich von Bruchteilen der Lichtwellenlänge mög­ lich. Durch Anwendung der Heterodyn-Interferometrie mit zwei geringfügig unterschiedlichen Lichtwellenlängen lassen sich von den Reflexionseigenschaften der Objektoberfläche unabhän­ gige Meßsignale gewinnen. Der Eindeutigkeitsbereich ist je­ doch auf die Hälfte der Lichtwellenlänge beschränkt. Eine Erweiterung des Meßbereiches ist zwar durch die Zwei-Wellen­ längen-Interferometrie, bei der das Meßobjekt nacheinander mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen vermessen wird, mög­ lich. Der Eindeutigkeitsbereich entspricht dann der aus den beiden Wellenlängen gebildeten Schwebungswellenlänge, die bei Verwendung von sichtbarem Licht bis zu etwa 100 µm betragen kann.

Sowohl aus dem letztgenannten Aufsatz als auch aus der US-PS 3 958 884 sind Anordnungen bekannt, bei denen das Meß­ objekt auch gleichzeitig die Referenzfläche darstellt. Es wird dann die Objektoberfläche relativ zu sich selbst ohne jeglichen Bezug zu einem außerhalb der Objektoberfläche lie­ genden Koordinatenursprung gemessen.

Es ist das Ziel der Erfindung, Verfahren und zugehörige Meß­ vorrichtung anzugeben, die Meßauflösungen von unter 1 µm bei Eindeutigkeitsbereichen über 100 µm ermöglichen, und bei denen die Meßergebnisse durch unterschiedliche Streu- oder Reflexionseigenschaften der angetasteten Objektbereiche nicht verfälscht werden.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein Meßverfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und eine Meßvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.

Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist, daß die Fokusablage oder Ablageänderung des Objektes anhand der Pe­ riodenfrequenz bzw. der mathematischen Ableitung der Phasenwerte eines durch Interferenz zweier Teilstrahlen­ gänge entstehenden Streifenmusters bestimmt wird. Zur Erzeu­ gung dieses Interferenzmusters können zwei kollimierte Licht­ strahlen, die parallel und in gleichem Abstand zur optischen Achse eines Objektivs geführt sind, in Richtung auf das Ob­ jekt fokussiert werden. Das Objektiv fokussiert beide Teil­ strahlengänge unter betragsmäßig gleichen Winkeln auf das Objekt. Das am Objekt reflektierte Licht beider Teilstrahlen­ gänge wird dann interferenzfähig überlagert und detektiert. Im Falle, daß der angetastete Objektbereich außerhalb des Brennpunktes des Objektivs liegt, sind die Teilstrahlengänge des am Objekt gestreuten und von dem Objektiv aufgesammelten Lichtes zueinander geneigt. Bei interferenzfähiger Überlage­ rung dieser beiden zueinander geneigten Teilstrahlengänge entstehen dann Kippungsstreifen, deren Streifenfrequenz von dem Winkel zwischen beiden Teilstrahlengängen und damit vom Abstand des angetasteten Objektbereiches vom Brennpunkt des Objektivs in Richtung der optischen Achse abhängt.

Bei Kenntnis der geometrischen Faktoren des Meßaufbaus ist es prinzipiell möglich, die Frequenz des Streifenmusters selbst als absolutes Abstandsmaß zu verwenden. Da jedoch auch bei diesem Meßverfahren die Meßauflösung innerhalb des Meßberei­ ches variiert, ist es zur Erzielung höchster Meßgenauigkeiten vorteilhaft, aus der Streifenfrequenz ein Fokussteuersignal zu gewinnen, mit dessen Hilfe der Abstand zwischen dem Meß­ kopf und dem Meßobjekt optimiert wird, d. h. das Meßobjekt wird in die Brennebene des Objektivs gebracht.

Eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung hat ein Objektiv, das das in zwei parallelen und im gleichen Abstand zur optischen Achse liegenden Teilstrahlengängen geführte Licht in Richtung auf das Objekt fokussiert und das am Objekt gestreute oder reflektierte Licht aufsammelt. Das Licht beider Teilstrahlen­ gänge wird von einer einzigen Lichtquelle erzeugt und von einem Strahlteiler in die beiden Teilstrahlengänge gelenkt, damit die spätere interferenzfähige Überlagerung des reflek­ tierten Lichts möglich ist. Desweiteren weist die erfindungs­ gemäße Vorrichtung Mittel zur interferenzfähigen Überlagerung des am Objekt reflektierten Lichts beider Teilstrahlengänge, mindestens einen Sensor zur Detektion des durch die interfe­ renzfähige Überlagerung entstehenden Musters und einen Aus­ werterechner zur Berechnung der Periodizität des Musters auf. Wichtig ist dabei, daß das Licht in beiden Teilstrahlengängen entweder eine gerade oder in beiden Teilstrahlengängen eine ungerade Anzahl an Reflexionen erfährt.

Der Strahlteiler ist vorzugsweise als Polarisationsstrahltei­ ler ausgebildet und dient gleichzeitig zur Überlagerung des am Objekt reflektierten Lichts beider Teilstrahlengänge. Dadurch treten einerseits bei der Überlagerung keine Verluste auf und andererseits entstehen auf dem Objekt selbst keine Interferenzfiguren, da dort das Licht beider Teilstrahlengän­ ge zueinander senkrecht polarisiert ist.

Grundsätzlich sind die Meßergebnisse mit der erfindungsgemä­ ßen Meßvorrichtung unempfindlich gegenüber Drehung der Meßob­ jektnormalen zur optischen Achse des Objektivs, solange die zurückreflektierten Bündel innerhalb der Objektivapertur liegen. Eine Neigung der Meßobjektnormalen zur Objektivachse führt lediglich zu einer Wanderung der Streifen auf dem De­ tektor bei konstanter Streifenfrequenz.

Zur Vermeidung einer solchen Steifenwanderung kann hinter dem Polarisationsstrahlteiler im überlagerten Bereich der Teil­ strahlengänge eine viertel Wellenlängenplatte und nachfolgend eine ebener Spiegel angeordnet sein. Dadurch ergibt sich eine Doppelpaßanordnung, bei der zu dem noch die Meßauflösung verdoppelt ist. Die Ausspiegelung auf den Detektor erfolgt dann über einen zweiten Strahlteiler.

Hat das Licht in den beiden Teilstrahlengängen eine zueinan­ der senkrechte Polarisation, so sind für die Bildung des Interferenzmusters zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Dazu kann vor dem Sensor ein Analysator vorgesehen sein, dessen Durchlaßrichtung in einem Winkel von 45° zur Polarisations­ richtung beider Teilstrahlengänge steht.

Vorzugsweise sollte sowohl der Betrag der Fokusablage des Meßobjektes als auch dessen Richtung meßbar sein. Dazu sind in einem ersten Ausführungsbeispiel vier Sensoren vorgese­ hen, die jeweils um 90° phasenverschobene Muster detektieren. Jeder dieser vier Sensoren ist dabei als zweidimensionaler Kamerasensor ausgebildet. Bei einem zweiten, besonders einfa­ chen Ausführungsbeispiel ist nur ein einziger Sensor und vor dem Analysator zusätzlich ein Wollastonprisma vorgesehen. Durch die polarisationsabhängige Winkelablenkung des Wollaston- Prismas erhalten die beiden Teilstrahlengänge auf dem Sensor einen leichten Winkelversatz zueinander. Es entsteht dann bereits ein Steifenmuster, wenn das Meßobjekt im Fokus des Meßobjektivs angeordnet ist. Die Frequenz dieses Streifen­ musters ist durch die Winkelaufspaltung des Wollastonprismas gegeben. Eine Verschiebung des Meßobjektes in Richtung des Objektivs oder vom Objektiv weg führt dann zu einer Er­ niedrigung oder Vergrößerung der Streifenperiode, wodurch die Bewegung eindeutig detektierbar ist.

Der Sensor oder die Sensoren können zweidimensionale Kamera­ sensoren sein. Da das Interferenzmuster jedoch ein Streifen­ muster ist, und daher die Periodizität nur in einer Richtung auftritt, ist es besonders vorteilhaft als Sensoren Zeilen­ sensoren vorzusehen, und diese entlang der Fokuslinie einer jeweils vorgeschalteten Zylinderlinse anzuordnen. Die Zylin­ derlinse bewirkt dabei eine optische Mittelung in Echtzeit.

Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Ausführungsform, bei der das Licht eines jeden Teilstrahlenganges nach der Reflexion am Objekt jeweils im wesentlichen im jeweils ande­ ren Teilstrahlengang geführt ist. Bei einem im Fokus angeord­ neten Objekt stellt diese Anordnung ein Ring-Interferometer dar, in dem das Licht auf dem selben optischen Weg, jedoch je nach Polarisation in entgegengesetzter Richtung umläuft. Bei einem defokusierten Objekt haben die entgegengesetzt im Ringinterferometer umlaufenden Wellen lediglich diejenige Wegdifferenz, die aus der gegenseitigen Neigung beider Wellen resultiert. Daher kann als Lichtquelle eine solche mit geringer zeitlicher Kohärenz verwendet sein, wodurch auch bei der Antastung rauher Objektoberflächen das Auftreten von Speckeln gemindert ist.

Die Polarisationsstrahlteiler können gewöhnliche Polarisa­ tionsteilerwürfel sein. Für die parallele Ausrichtung beider Teilstrahlengänge ist dann noch ein zusätzlicher Spiegel erforderlich. Eine wesentlich weniger aufwendige Ausgestal­ tung sieht als Polarisationsteiler eine dicke planparallele Platte vor, dessen eine Fläche teilweise mit einer polarisa­ tionsteilenden und dessen andere Fläche teilweise mit einer einfachteilenden Beschichtung versehen ist. Ein zusätzlicher Spiegel ist dann nicht erforderlich.

Um einen maximalen Kontrast der Interferenzstreifen bzw. des Interferenzmusters auf dem Sensor zu erreichen, sollte jeder Teilstrahlengang innerhalb des Interferometers die gleiche Anzahl an Reflexionen erfahren und gleiche Glaswege durchlaufen. Dieses ist möglich mit einem zusammengesetzten Prisma, das in einer die optische Achse des Objektivs ent­ haltenden Ebene eine polarisationsteilende Schicht hat, und indem jeder Teilstrahl unabhängig von seiner Polarisation zwischen dem Ein- und dem Austritt drei Reflexionen erfährt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist kein zusätzlicher Spiegel erforderlich.

Um zusätzlich den bei der Reflexion am Objekt auftretenden Phasenspruch zu ermitteln, kann bei der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung noch ein zweites Interferometer über einen Strahlteiler mit einem eigenen Zeilensensor und einer Referenzfläche derart angeschlossen sein, daß eine an der Referenzfläche reflektierte Teilwelle mit einer an dem Objekt reflektierten Teilwelle interferiert.

Im folgenden werden Einzelheiten der Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläu­ tert.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung mit vier Sensoren;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä­ ßen Meßvorrichtung mit einem einzigen Zeilensensor;

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung mit einer Doppelpaß-Anordnung;

Fig. 4a den Meßkopf eines Ausführungsbeispiels mit einer planparallelen Platte als Polarisationsstrahlteiler und

Fig. 4b den Meßkopf einer Ausführungsbeispiels, bei dem die Anzahl der Reflexionen beider Teilstrahlengänge gleich ist;

Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel, bei dem die Meßvorrichtung Fig. 2 mit einem Michelsoninter­ ferometer kombiniert ist.

Der Meßkopf in Fig. 1 hat als Lichtquelle eine superhelle Leuchtdiode (1), dessen Licht eine geringe zeitliche Kohärenz aufweist. Die Leuchtdiode (1) ist im Brennpunkt eines Kollimators (2) angeordnet. Der kollimierte Lichtstrahl, der zwei zueinander senkrechte Polarisationsan­ teile enthält, wird von der polarisationsteilenden Schicht (3a) eines Polarisationsteiler-Prismas (3) in zwei Teilstrah­ lenbündel mit zueinander senkrechter Polarisation aufgeteilt. Mit Hilfe eines Spiegels (4) sind beide Teilstrahlengänge, deren optische Achsen mit (6) bzw. (7) bezeichnet sind, parallel zueinander ausgerichtet. In beiden Teilstrahlengän­ gen (6, 7) ist ein Objektiv (8) angeordnet, dessen optische Achse (5) zu den optischen Achsen der beiden Teilstrahlengän­ ge (6, 7) jeweils den gleichen Abstand hat. Die optischen Achsen (6, 7) beider Teilstrahlengänge und die optische Achse (5) des Objektivs (8) liegen in einer gemeinsamen Ebene. Das Objektiv (8) fokussiert das kollimierte Licht beider Teil­ strahlengänge (6, 7) in den Brennpunkt (9), in dem sich der anzutastende Punkt des Meßobjektes (10) befindet.

Nach der Reflexion an der Meßobjektoberfläche (10) wird das reflektierte Licht vom Objektiv (8) wieder aufgesammelt. Dabei durchläuft nun das an der Polarisationsteilerschicht (3a) transmittierte Licht, das entlang des Teilstrahlenganges (6) zum Objekt (10) geführt wurde, auf dem Rückweg den Teil­ strahlengang (7). Entsprechend umgekehrt durchläuft das an der Teilerschicht (3a) reflektierte Licht nach der Reflexion am Meßobjekt (10) den Teilstrahlengang (6). Beide Teilstrah­ lengänge werden dann durch die Teilerschicht (3a) wieder einander geometrisch überlagert zum Interferometerausgang (11) gelenkt. Da beide Polarisationsrichtungen -innerhalb des Interferometers, also zwischen der Teilung durch die polari­ sationsteilende Schicht (3a) zum Meßobjekt (10) und wieder zurück zur polarisationsteilenden Schicht (3a) gleiche opti­ sche Wege zurücklegen, ist die Anordnung weißlichtfähig.

Hinter dem Interferometerausgang (11) ist zunächst eine λ- halbe Platte (12) und darauf folgend ein 50%-Strahlteiler (13) angeordnet. Im transmittierten Zweig des 50%-Strahltei­ lers (13) ist unmittelbar dahinter ein Polarisationsstrahl­ teiler (14) angeordnet, der das Licht je nach Polarisation auf zwei Kamerasensoren (15, 16) lenkt. Die Kamerasensoren (15, 16) zeichnen dabei Interferenzstreifenmuster auf, die zueinander um 180° in der Phase verschoben sind. In dem am 50%- Strahlteiler (13) abgelenkten Strahlengang folgt zu­ nächst eine λ-viertel Platte (17) und darauf folgend ein weiterer Polarisationsstrahlteiler (18) , der das austretende Licht zu weiteren Kamerasensoren (19, 20) lenkt. Auch diese beiden Kamerasensoren (19, 20) zeichnen jeweils zueinander um 180° phasenverschobene Interferenzstreifenmuster auf. Gegen­ über mit den Kamerasensoren (15, 16) aufgezeichneten Mustern sind diese jedoch aufgrund der Polarisationsdrehung der λ- viertel Platte (17) jeweils um 90° phasenverschoben. Insge­ samt werden somit vier Streifenmuster aufgezeichnet, die zueinander jeweils um 90° phasenverschoben sind.

Ist der angetastete Meßpunkt der Objektoberfläche (10) wie in Fig. 1 dargestellt gerade im Fokus des Objektivs (8) ange­ ordnet, so ist die Streifenbreite, bzw. die Streifenperiode, unendlich. Wird der angetastete Meßobjektbereich um eine Verschiebung ΔX aus dem Fokus des Objektivs (8) bewegt, entstehen Streifen mit einem Gangunterschied ΔF über der halben Öffnungshöhe des Objektivs (8), wobei zwischen dem Gangunterschied ΔF und der Verschiebung ΔX der Zusammen­ hang

AF = ΔX / 2 K²

gilt, wobei K = F / Y die Öffnungszahl des Objektivs ist.

Dieser Gangunterschied führt zu den Streifenmustern auf den Kameradetektoren (15, 16, 19, 20). Die Periodizität, d. h. die Streifenbreite, ist dabei unabhängig von der Orientierung der Objektoberfläche (10) gegenüber der optischen Achse (5) des Objektivs (8). Eine Drehung der Meßobjektfläche (10) um eine senkrecht zur Zeichenebene liegende Achse führt lediglich zu einer Wanderung der Streifen auf den Detektoren.

Aus den Bildern der vier Kameras (15, 16, 19, 20) wird in einem Rechner (21) Betrag und Richtung der Verschiebung ΔX berechnet. Aus diesen Werten wird dann ein Fokussteuersignal gewonnen, das über einen hier als Motor (22) dargestellten Fokusantrieb das Meßobjekt soweit verschiebt, bis sich der angetastete Objektpunkt im Fokus (9) des Objektivs (8) be­ findet.

Zur Berechnung der Verschiebung wird zunächst mit dem in der Interferometrie häufig gebräuchlichen Vier-Stufen- Auswertealgorithmus, der beispielsweise in der Dissertation von B. Dörband, Universität Stuttgart, 1986 beschrieben ist, zu jedem Kamerapixel ein Phasenwert berechnet (die vier Kameras liefern genau vier um jeweils 90° phasenverschobene Interferenzmuster). Dazu ist eine genaue Kenntnis der Anordnung der vier Kameras zueinander erforderlich. Die Streifenfrequenz ist dann direkt proportional zur Ableitung der Phasenwerte innerhalb einer jeden Streifenperiode. Der Betrag der Ableitung (Steigung der Phasenwerte senkrecht zur Streifenrichtung) ist dann proportional zum Betrag der Verschiebung ΔX und das Vorzeichen der Ableitung bestimmt die Verschiebungsrichtung.

Das anhand der Fig. 1 beschriebene Ausführungsbeispiel benö­ tigt insgesamt vier zweidimensionale Kameradetektoren, die beispielsweise als CCD-Chips ausgebildet sein können. Wollte man nur den Betrag der Verschiebung ΔX bestimmen, so genügt es eine einzige Kamera hinter einem Analysator anzuordnen, dessen Durchlaßrichtung mit den Polarisationsrichtungen bei­ der Teilstrahlengänge einen Winkel von 45° einschließt. Die zusätzlichen Kameras sind lediglich erforderlich, um auch die Richtung der Verschiebung ΔX zu bestimmen. Dies wird in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wesentlich ele­ ganter gelöst. Diejenigen Komponenten, die denen im Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 1 entsprechen, sind dort mit um die Zahl 100 größeren Bezugszeichen bezeichnet. Der Strahlengang zwischen der Leuchtdiode (101), dem Objekt (110) bis hin zum Interferometerausgang (111) ist identisch mit dem Strahlen­ gang im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel. Hinsichtlich dieses Strahlenganges sei daher auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen.

Hinter dem Interferometerausgang (111) ist ein Wollaston- Prisma (123) und nachfolgend ein Analysator (124) angeordnet, dessen Durchlaßrichtung mit den beiden Polarisationen der Teilstrahlengänge (106, 107) gerade 45° beträgt, und damit beide Polarisationsanteile etwa gleich stark transmittieren läßt. Das Wollaston-Prisma (123) verursacht einen leichten Winkelversatz der beiden Polarisationen zueinander. Beide Polarisationen interferieren am Analysator (124). Aufgrund des Winkelversatzes der beiden Polarisationsrichtungen ent­ steht am Analysator (124) bereits ein Streifenmuster, wenn sich der angetastete Bereich des Meßobjektes (110) exakt im Fokus (109) des Objektivs (108) befindet. Die beiden möglichen Verschiebungsrichtungen der Objektoberfläche (110) relativ zum Objektiv (108) entlang der optischen Achse (105) des Objektivs haben eine Vergrößerung bzw. eine Verkleinerung der Streifenbreite zur Folge. Die zu messende, durch eine Fokusablage bedingte Streifenfrequenz ist damit als Modu­ lationsphase auf der durch das Wollaston-Prisma (123) ver­ ursachten Trägerfrequenz aufmoduliert. Derartige Phasenmodu­ lationen lassen sich einfach und sehr genau mit den in der DE-OS 40 14 019 beschriebenen Verfahren bestimmen.

Da sich die Streifen senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 2 erstrecken, ist in der Lichtintensität entlang der Streifen­ richtung keine zusätzliche Information enthalten. Deshalb ist hinter dem Analysator (124) eine Zylinder-Linse (125) angeord­ net, deren Zylinderachse in Richtung des durch das Wollaston- Prisma (123) verursachten Strahlversatzes liegt. Entlang der Brennlinie dieser Zylinder-Linse ist ein einziger Zeilensen­ sor (115), eine Diodenzeile angeordnet. Ein Rechner (121) liest den Zeilensensor (115) aus und berechnet die Modula­ tionsphase des vom Sensor (115) aufgezeichneten Helligkeits­ muster durch Faltung und bestimmt anschließend die Modula­ tionsfrequenz. Aus dieser Modulationsfrequenz wird wiederum ein Fokussteuersignal gewonnen, das auf einer hier nicht dargestellten Art und Weise eine Verschiebung zwischen dem Objektiv (108) und dem Meßobjekt (110) bewirkt, bis sich der angetastete Bereich des Meßobjektes (110) im Fokus (109) des Objektivs (108) befindet. Da die Verschiebung zwischen Objektiv und Meßobjekt aus der eingangs genannten Literatur­ stelle bekannt ist, braucht darauf an dieser Stelle nicht näher eingegangen zu werden. Die Berechnung der Modulations­ phase erfolgt mit den in der DE-OS 40 14 019 beschriebenen Verfahren, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.

Da im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 das Interferenzmuster mit einem einzigen Zeilensensor (115) aufgezeichnet wird und bei solchen Zeilensensoren durchaus Pixelfrequenzen von eini­ gen MHz erreichbar sind, sind bei diesem Ausführungsbeispiel Meßfrequenzen bis zu einigen 10 kHz erreichbar. Damit ist dieser Sensor auch in der Schwingungsmeßtechnik einsetzbar.

Der Meßkopf in Fig. 3 hat eine Doppel-Paßanordnung. Wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen erzeugt ein Kollimator (202) einen kollimierten Lichtstrahl der Leucht­ diode (201). Über einen Polarisationsstrahlteiler (203) und einen Spiegel (204) wird der kollimierte Lichtstrahl in zwei parallele Teilstrahlengänge (206, 207) aufgespalten, die über ein Objektiv (208) in Richtung auf das Objekt (210) fokus­ siert werden. Die reflektierten Teilstrahlenbündel (206, 207) durchlaufen nach der Überlagerung durch den Polarisations­ strahlteiler (203) zunächst eine λ/4 Platte (212) und wer­ den anschließend von einem senkrecht zum Strahlengang ange­ ordneten Spiegel (213) in sich selbst reflektiert. Aufgrund des zweimaligen Durchganges durch die λ/4 Platte (212) wird die Polarisation beider Teilstrahlengänge um 90° gedreht, so daß sie nach nochmaliger Aufspaltung am Polarisationsstrahl­ teiler (203) ein zweites Mal in Richtung auf das Objekt (210) fokussiert werden. Nach der zweiten Reflexion am Meßobjekt (210) werden beide Teilstrahlengänge vom Polarisationsstrahl­ teiler (203) ein zweites Mal überlagert und von einem im kollimierten Eingangsstrahlengang angeordneten 50%-Strahl­ teiler (214) zum Interferometerausgang ausgespiegelt. Im Interferometerausgang sind wie im zuvor beschriebenen Aus­ führungsbeispiel nacheinander ein Wollaston-Prisma (223), ein Analysator (224) , eine Zylinderlinse (225) und ein Zeilen­ sensor (215) angeordnet. Analog zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 erzeugt die Strahlaufspaltung durch das Wollaston- Prisma (223) ein Muster mit einer Trägerfrequenz, dem die Information über die Fokusablage des Meßobjektes (210) als Phasenmodulation überlagert ist. Die Frequenz dieser Phasen­ modulation wird im Auswerterechner (221) mit den bekannten Algorithmen berechnet und daraus ein Fokussteuersignal für eine Relativ-Verschiebung zwischen dem Meßobjekt (210) und dem Objektiv (208) erzeugt. Aufgrund der Doppelpaßanordnung, d. h. der Tatsache, daß das Meßlicht die Teilstrahlengänge (206, 207) jeweils zweimal in der gleichen Richtung durch­ läuft, ist bei diesem Sensor die Meßempfindlichkeit, d. h. die Genauigkeit, mit der die Fokusablage bestimmt werden kann, verdoppelt. Gleichzeitig wird die bei einer Kippung des Meßobjektes (210) relativ zur optischen Achse (205) des Ob­ jektivs (208) bewirkte Wanderung des Interferenzmusters auf dem Sensor (215) gerade kompensiert. Das mit dem Sensor (215) detektierte Muster ist daher unabhängig von dem Winkel zwischen der optischen Achse (205) und dem Meßobjekt (210).

In den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen ist für die Zerlegung des kollimierten Eingangsstrahlenganges in zwei zueinander versetzte parallele Teilstrahlengänge jeweils eine Kombination aus einem Polarisationsteilerwürfel (3, 103, 203) und einem Spiegel (4, 104, 204) vorgesehen. Zur Reduzierung des Bauteile- und des Justageaufwandes ist in dem Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 4a eine dicke planparallele Platte (303) vorgesehen. Die dem Objektiv (308) zugewandte Fläche der planparallelen Platte (303) ist teilweise mit einer pola­ risationsteilenden Schicht (303a) und die dem Objektiv (308) abgewandte Fläche der planparallelen Platte ist etwa zur Hälfte mit einer hochreflektierenden Schicht (303b) versehen. Das unpolarisierte, kollimierte Eingangsstrahlenbündel (302) wird beim Austritt aus der planparallelen Platte (303) in einen ersten, die polarisationsteilende Schicht (303a) trans­ mittierenden Teilstrahlengang (306) und einen zweiten, an der polarisationsteilenden Schicht (303a) reflektierten Teil­ strahlengang mit senkrechter Polarisation aufgeteilt. Dieser zweite Teilstrahlengang (307) ist nach Reflexion an der hoch­ reflektierenden Schicht (303b) und Austritt aus der planpa­ rallelen Platte (303) parallel zum ersten Teilstrahlengang (306) ausgerichtet.

Das in der Fig. 4b dargestellte Ausführungsbeispiel hat zur Aufteilung des einfallenden Strahlenbündels (402) in zwei zueinander parallele Teilstrahlengänge (406, 407) ein aus zwei Prismenteilen (403, 404) zusammengesetztes Prisma. Zwi­ schen den beiden Prismenteilen (403, 404) ist eine polarisa­ tionsteilende Schicht (403a) in einer Ebene angeordnet, die die optische Achse (405) des Objektivs (408) enthält. Beide Teilstrahlengänge (406, 407) mit zueinander senkrechter Pola­ risation erfahren innerhalb der Prismenkombination jeweils drei Reflexionen und durchlaufen gleiche Glaswege sowohl vor Eintritt ins Objektiv als auch nach Eintritt ins Objektiv (408). Dadurch haben beide Teilstrahlengänge (406, 407) die selbe Intensität, so daß auf einem hier nicht darge­ stellten, im Interferometerausgang (411) angeordneten Sensor ein Interferenzmuster mit einem starken Modulationskontrast entsteht.

Da in diesem Ausführungsbeispiel die optischen Weglängen beider Teilstrahlengänge vor und nach dem Eintritt ins Objektiv (408) jeweils gleich sind, kann hier durch Verwendung von Zylinderlinsen im Interferometereingang (402) auf dem Objekt eine Brennlinie erzeugt werden. Mit Hilfe eines zweidimensionalen Kamerasensors (nicht dargestellt) im Interferometerausgang (411) ist dann die simultane Topographiemessung entlang dieser Fokuslinie möglich. Im Interferometerausgang ist dazu noch eine Abbildungsoptik erforderlich, die jeweils einen Punkt der Fokuslinie auf eine Zeile der Kamera abbildet.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist sehr ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 aufgebaut. Daher sind hier diejenigen Komponenten, die denen aus Fig. 2 entsprechen mit denselben Bezugszeichen versehen. Hinsichtlich dieser Komponenten sei daher auf die Beschreibung zu Fig. 2 verwiesen. Der entscheidende Unterschied zu den bisherigen Ausführungsbeispielen besteht darin, daß in Fig. 5 ein 50% Strahlteilerwürfel (504) (anstelle des Spiegels (104)) im Ringinterferometer angeordnet ist, mit dessen Hilfe zusätzlich eine Art Michelsoninterferometer aufgebaut ist. Hinter einem für das Ringinterferometer nicht benötigten Ausgang des Strahlteilerwürfels ist ein ebener Spiegel (526) angeordnet, und hinter dem zweiten zusätzlichen Ausgang des Strahlteilerwürfels (504) ist eine zweite aus Wollastonprisma (523) , Polarisator (524) , Zylinderlinse (525) und Zeilensensor (515) bestehende Detektionsanordnung vorgesehen. Auf dem zusätzlichen Zeilensensor entsteht ein Interferenzmuster durch Überlagerung der durch beide Strahlteilerprismen (103, 504) transmittierten und über das Objekt (110) geführten Teilwelle einerseits und der am Polarisationsstrahlteiler (103) und am Spiegel (526) reflektierten Teilwelle andererseits.

Während die auf dem ersten Zeilensensor (115) interferierenden Teilwellen beide über das Meßobjekt (110) geführt sind und daher beide den bei der Reflexion am optisch dichteren Medium der Probe (110) auftretenden Phasensprung enthalten, ist dieser Phasensprung nur in der über das Objekt (110) geführten Teilwelle der am zweiten Zeilensensor (515) interferierenden Teilwellen enthalten. Aus der im Auswerte­ rechner (121) gebildeten Differenz beider Interferenzmuster läßt sich daher der am Objekt (110) auftretende Phasensprung ermitteln. Da die optischen Weglängen der am zweiten Zeilen­ sensor (515) interferierenden Teilwellen stark unter­ schiedlich sind, ist hier eine Lichtquelle, z. B. eine Laser­ diode (501) , mit großer zeitlicher Kohärenz erforderlich.

Die beschriebenen Meßvorrichtungen haben alle gemeinsam, daß die Fokusablage anhand der Streifenfrequenz der entstehenden Interferenzmuster ermittelt wird. Bei transparenten Meßobjekten mit mehreren unterschiedliche Brechzahlen aufweisenden Schichten wird an jeder Schichtgrenze aufgrund des Brechzahlsprunges ein Teil des Lichts reflektiert. Jede Reflexion führt dann aufgrund der unterschiedlichen Fokusablagen der jeweiligen Grenzschicht zu einer eigenen Modulationsfrequenz. Werden diese Modulationsfrequenzen durch eine Analyse der Ortsfrequenzen selektiert, so erhält man auch eine Information über die Fokusablagen der einzelnen Grenzschichten und damit über die Dicken der einzelnen Schichten. Da die Analyse der Ortsfrequenzen einfacher bei einer inkohärenten Addition der an unterschiedlichen Grenz­ schichten reflektierten Teilwellen durchführbar ist, sollte die Lichtquelle eine geringe zeitliche Kohärenz aufweisen. Damit sind die erfindungsgemäßen Meßvorrichtungen beispiels­ weise auch zur Schichtdickenmessung bei schichtweise aufge­ bauten Kunststoffolien einsetzbar.

Claims (15)

1. Verfahren zur Detektion von Ablagen oder Ablageänderungen eines Objektes (10) vom Brennpunkt (9) eines Objektivs (8) , wobei

• - das in zwei parallelen und im gleichen Abstand zur optischen Achse (5) des Objektivs (8) liegenden Teil­ strahlengängen (6, 7) geführte Licht vom Objektiv (8) in Richtung des Objektes (10) fokussiert wird,
• - das reflektierte Licht beider Teilstrahlengänge (6, 7) überlagert und detektiert wird, und
• - die Ablage oder Ablageänderung anhand der Perioden­ frequenz oder der Ableitung der Phasenwerte des an mindestens einem Detektor (15, 16, 19, 20) ent­ stehenden Interferenzmusters bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Frequenz des Streifenmusters ein Signal gewonnen wird, das eine Relativ-Bewegung zwischen dem Objektiv (8) und dem Meßobjekt (10) in Richtung der optischen Achse (5) des Objektivs (8) bewirkt.

3. Vorrichtung zur Detektion von Ablagen oder Ablageänderun­ gen eines Objektes (10) vom Brennpunkt (9) eines Objek­ tivs (8) , wobei

• - das Objektiv (8) das in zwei parallelen und im gleichen Abstand zur optischen Achse (5) liegenden Teilstrahlen­ gängen (6, 7) geführte Licht in Richtung des Objektes (10) fokussiert und das am Objekt (10) gestreute oder reflektierte Licht aufsammelt, mit
• - einem Strahlteiler (3) , der das Licht einer Lichtquelle (1) in beide Teilstrahlengänge (6, 7) lenkt,
• - Mitteln (14, 18) zur interferenzfähigen Überlagerung des am Objekt (10) reflektierten Lichts beider Teil­ strahlengänge (6, 7)
• - mindestens einem Sensor (15, 16, 19, 20) zur Detektion des durch die interferenzfähige Überlagerung entstehen­ den Musters und
• - einem Auswerterechner (21) zur Berechnung der Periodi­ zität oder der Ableitung der Phasenwerte des Musters.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (3) ein Polarisationsstrahlteiler ist, und daß der Polarisationsstrahlteiler (3) das am Objekt (10) gestreute oder reflektierte Licht beider Teilstrah­ lengänge (6, 7) überlagert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Polarisationsstrahlteiler (203) im überlager­ ten Bereich der Teilstrahlengänge eine Viertel-Wellenlän­ gen-Platte (212) und ein Spiegel (213) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Strahlteiler (214) vorgesehen ist, der das Licht zu dem mindestens einen Sensor (215) lenkt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vor dem mindestens einen Sensor (215) ein Analysator (224) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vier Sensoren (15, 16, 19, 20) zur Detektion von vier jeweils um 90° phasenverschobenen Mustern vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Senor (115) vorgesehen ist, und daß vor dem Analysator ein Wollaston-Prisma (123; 223) ange­ ordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 73-9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der mindestens eine Sensor (115, 215) ein Zeilensensor ist, der entlang der Fokuslinie einer jeweils vorgeschalteten Zylinderlinse (125, 225) angeord­ net ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisationsstrahlteiler eine planparallele Platte (303) mit einer polarisationsabhängig reflektierenden und transmittierenden Beschichtung (303a) ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zeitlich teilkohährentes Licht emittieren­ de Lichtquelle (1) vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisationsstrahlteiler ein zusammengesetztes Pris­ ma (403, 404) ist, in dem ein einfallender Strahl (402) unabhängig von der Polarisation drei Reflexionen erfährt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht eines jeden Teilstrahlenganges (6, 7) nach der Reflexion am Objekt (10) im jeweils anderen Teilstrahlen­ gang (7, 6) geführt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Strahlteiler (504) vorgesehen ist, daß in einem Ausgang des zusätzlichen Strahlteiler (504) eine reflektierende Referenzfläche (526) und in einem zweiten Ausgang des zusätzlichen Strahlteilers (504) ein zusätzlicher Sensor (515) angeordnet ist.