Vorrichtung zur interferomet i sehen Erfassung von Ober¬ flächenstrukturen
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur interfero- metrischen Erfassung von Oberflächenstrukturen durch Messung der Phasendifferenz in Laser-Speckle-Paaren in den Me߬ punkten auf dieser Oberfl che.
Eine derartige Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren sind in der DE-OS 33 18 678 oder im Fachbuch "Laser-Speckle" , J.C. Dainty, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1975, ausführlich beschrieben. Bei der bekannten Vorrichtung wird das von einem Laser emitierte Licht in einen Referenz- und in einen Meßstrahl aufgespalten, wobei eine Vorrichtung die Frequenz des Referenzstrahls verschiebt. Der Meßstrahl wird an der zu messenden rauhen Oberfläche reflektiert und dann gemeinsam mit dem Referenzstrahl in der Interfero- grammebene abgebildet. Bei derartigen rauhen Oberflächen erhält man in der Interferogrammebene kein übliches Inter- ferogra m, sondern ein Speck!e-Muster. Durch Bestimmung der Phasendifferenz kann dann auf die geometrische Form der rauhen Oberfläche geschlossen werden, wie dies im ein-
gangs angegebenen Stand der Technik näher beschrieben ist.
Zur Erzeugung der verschiedenen Wellenlängen bzw. Frequenzen der beiden Strahlen wird ein aufwendiges optisches System mit Linsen, Spiegeln und Prismen sowie ein nicht näher beschriebener Frequenzwandler eingesetzt. Ein solches System ist jedoch nicht nur aufwendig und teuer in der Herstellung, sondern auch schwierig bei der erforderlichen Genauigkeit zu justieren. Weiterhin beansprucht diese Anordnung eine so große räuml iche Ausdehnung, daß sie schwer in einem kleinen und handlichen Gerät unterzubringen ist.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil , daß zur Strahl auftei 1 ung und Frequenzänderung eines Strahls eine sehr einfache Anordnung von optischen Faserleitungen verwendet werden kann. Optische Koppler und Teiler für solche Faserleitungen sind als g ngige Bauteile er ltlich. Die Strahlführung ist dadurch variabel und bedarf zumindest in diesem Bereich keinerlei Justierung. D e Frequenzver¬ schiebung wird durch eine bestimmte Verlängerung einer Faserleitung und Frequenzmodulation bzw. Wellenlängenmodu¬ lation erzielt, wodurch der "Frequenzwandler" sehr einfach und kostengünstig wird. Da die Faserleitungen sehr dicht nebeneinander geführt werden können, ohne daß es dabei auf irgendwelche Genauigkeit ankommt, wird die gesamte Anordnung nicht nur sehr kostengünstig, sondern auch sehr kompakt .
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Ein besonderes Problem bei der Messung besteht darin, daß
die zu messenden Höhenunterschiede auf der Meßoberfläche bei den bekannten Verfahren kleiner als eine halbe Wellen¬ länge des Meßstrahls sein müssen. Höhenunterschiede, die sich um eine halbe Wellenlänge unterscheiden, ergeben näm¬ lich dasselbe Signal , nä lich einen Phasenuntersc ied von 360°. Um diesem Problem zu begegnen, muß bei den bekannten Meßvorrichtungen die Wellenlänge des Meßstrahls entsprechend gewählt werden, das heißt, man benötigt gewisse Vorinforma¬ tionen oder Abschätzungen über die Rauhigkeit und Struktur der zu messenden Oberfläche. Durch die Verwendung von mehre¬ ren gekoppelten Laserquellen mit unterschiedlichen Wellen¬ längen tritt dieses Problem in den Hintergrund. In der Auswertevorrichtung aus den interferometri seh überlagerten Signalen von jeder Laserquelle für sich werden die Phasen¬ differenzen in bekannter Form bestimmt, und danach wird ein Vergleich der ve sc iedenen ermittelten Phasendifferen¬ zen vorgenommen. Bei der Differenzbildung ergeben sich nun deutl iche Unterschiede im Hi nbl i ck ■ darauf, ob sich Untersc iede in der Höhenstruktur um weniger als eine halbe Wellenlänge oder um ganzzahlige Vielfache davon unterschei¬ den. Eine Anpassung der Wellenlänge an die jeweils zu messende Oberfläche ist in weiten Grenzen nicht mehr- erforde lich, so daß au-ch sehr unterschiedliche Oberflächen mit derselben Meßvorrichtung ohne besondere Einstellung untersucht werden können .
Eine einfache konstruktive Ausbildung wird dadurch erzielt, daß die Teilervorrichtung mit einem optischen Koppler für die wenigstens zwei eingangsseitigen optischen Faser1 ei tungen versehen ist.
Die Wellenlängen der verschiedenen Laserquellen unterschei¬ den sich nur geringfügig. Bei einer größeren Anzahl von Laserquellen erhöht sich die Genauigkeit des Ergebnisses.
Eine konstruktive Ausgestaltung besteht nun darin, daß
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alle Laserquellen gleichzeitig arbeiten und daß eine der Zahl der Laserquellen entsprechende Anzahl von Fotoempf ngern in der Fotoempfangseinrichtung vorgesehen ist, wobei vor diesen Fotoempfängern Mittel zur Aufspaltung des Laser¬ strahls in seine Komponenten mit verschiedenen Wellenlängen und zur Zuführung zu den einzelnen Fotoempf ngern vorge¬ sehen ist. Bei diesem Simultanbetrieb können die Laser¬ quellen sehr einfach gesteuert werden, und es ist eine sehr einfache Auswertung durch das gleichzeitige Vorliegen der Meßergebnisse möglich. Allerdings sind hierbei mehrere Fotoempfänger sowie eine Vorrichtung zum Aufspalten des Laserstrahls erforderlich. Andererseits können die Laser¬ quellen auch sequentiell arbeiten, wobei dann in der Foto¬ empfängereinrichtung nur ein einziger Fotoempf nger er¬ forderlich ist. Für die Auswertung ist hier eine Speicher¬ einrichtung zum Zwischenspeichern der Meßergebnisse er¬ forderlich, und die Laserquellen müssen sequentiell ge¬ steuert werden.
Ze i chnung
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich¬ nung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Meßaufbaus für den sequentiellen Betrieb und Fig. 2 eine Detai 1 darstell ung des Meßaufbaus für den
Simultanbetrieb der Laserquellen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Bei dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel sind drei als Laser-Dioden ausgebildete Laserquellen 10 bis 12 vorgesehen, deren Frequenz durch Strommodulation,
insbesondere Injektionsstrommodulation, moduliert wird. Die punktierte Linie zwischen den Laserquellen 11 und 12 soll andeuten, daß die Zahl der Laserquellen auch höher sein kann. Es müssen jedoch wenigstens zwei Laser-Dioden vorgesehen sein. Die aus diesen Laser- Dioden austretenden Laserstrahlen werden jeweils über optische Faser1 eitungen 13 bis 15 einer Koppler- und Teilervorrichtung 16 zugeführt, wo sie zun chst zu einem einzigen Strahl gekoppelt und anschließend wieder in zwei identische Ausgangsstrahlen aufgeteilt werden, und zwar in einen Referenz- und in einen Meßstrahl. Der Referenzstrahl wird in einer optischen Faser¬ leitung 17 und der Meßstrahl in einer optischen Faserleitung 18 weitergef hrt. Die optische Faserleitung 17 weist für den Referenzstrahl eine Schleife 19 auf, die diese Faser¬ leitung 17 gegenüber der Faserleitung 18 um die Länge dieser Schleife 19 verl ngert.
Infolge der Frequenzmodulation und des Durchgangs durch die verschiedenen optischen Wege entsteht ein relativer Frequenzunterschied im Referenzstrahl gegenüber dem Me߬ strahl , der prozentual äußerst gering ist im Hinblick auf übliche Frequenzen von Laserlicht und z.B. einige kHz be¬ tragen kann.
Der Referenz- und der Meßstrahl verlassen die Faser1 eitungen 17, 18 an deren Enden, werden kollimiert und einer Umlenk¬ vorrichtung zugeleitet, die aus einem unter 45 schräg¬ gestellten Spiegel 22 und aus einem Strahlteiler 23 besteht, der unter einem Winkel von 45° in Gegen ichtung geneigt ist. Der aus dem Ende 20 austretende Referenzstrahl wird am Spiegel 22 rechtwinklig umgelenkt, verläuft durch den Strahlteiler 23 und gelangt zu einem als Fotodiode ausge¬ bildeten Fotoempf nger 24 in einer Fotoempfängereinrichtung 25. Der Meßstrahl verläuft vom Ende 21 aus durch den Strahl-
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teiler 23 zur zu messenden Oberfläche eines Objekts 26, wird von dort aus reflektiert und vom Strahlteiler 23 eben¬ falls zum Fotoempfänger 24 geleitet. Die beiden .Komponenten überlagern sich nach dem Interferometerpr inz ip und beleuch¬ ten so die Fotoempf nger-Einheit.
Das empfangene Signal der Fotoempfänger-E nheit 24 wird in der Fotoempf ngereinrichtung 25 aufgearbeitet, sofern nötig, und einer Auswerteein ichtung 27 zugeführt, die zusammen mit einem Frequenzmodulator 28 die Steuer- und Auswerteelektronik 29 bildet. Durch den Frequenzmodulator 28 können die Laserquellen 10 bis 12 zur Veränderung ihrer Frequenz bzw. Wellenlänge strommoduliert, insbesondere i n jekti ons-strommodul iert , und sequentiell in bestimmten Zeitbereichen eingeschaltet werden.
Die in Fig. 1 dargestellte Meßvor ichtung arbeitet im so¬ genannten Monocolorbetrieb, das heißt, -die Laserquellen 10 bis 12 werden sequentiell in ihrem jeweiligen Zeitbereich eingeschaltet, so daß immer nur Laserlicht von einer Wellen¬ länge vorliegt. Dieses Laserlicht einer Wellenlänge wird in der Koppler- und Teilervorrichtung 16 - wie bereits beschrieben - in einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt. Infolge der Frequenzmodulation und des Durch¬ gangs durch die Schleife 19 erfährt der Referenzstrahl gegenüber dem Meßstrahl eine relative Frequenzverschiebung von z.B. einigen kHz. Dieser Referenzstrahl und der an der Oberfläche des Objekts 26 reflektierte Meßstrahl werden dann nach dem Interferometerpr inzip überlagert und beleuch¬ ten den Fotoempf nger 24, dessen Meßsignal somit ebenfalls eine Frequenz von z.B. einigen kHz aufweist, die dem Fre¬ quenzunterschied zwischen Meß- und Referenzstrahl entspricht
Entsprechend den Unebenheiten und Höhendifferenzen auf der Oberfläche des Objekts 26 entsteht dabei eine Phasen¬ differenz, die von diesen Höhenunterschieden abhängt. Dies
ist im eingangs angegebenen Stand der Technik näher be¬ schrieben. Beispielsweise ergibt eine Profiländerung, die einer halben Wellenlänge des Laserlichts entspricht, eine Meßs ignal ersch iebung von 360 .
Anschließend werden nun nacheinander die anderen Laser¬ quellen 11 und 12 eingeschaltet, die jeweils beispielsweise eine um 10 % erhöhte Wellenlänge aufweisen. Dies würde entsprechend zu Phasenverschiebungen des Meßsignals von 324 und 298 führen. Durch Differenzbildung werden somit Phäsendifferenzwi nkel von 36 und 72 erkannt. Würden dagegen Höhendifferenzen auf dem Objekt 26 eine ganze Wellenlänge des Laserlichts der ersten Laserquelle 10 betragen, so ürden sich Phasendifferenzwinkel von 72 und 144° ergeben. Auf diese Weise sind auch noch exakte Messungen von Ober¬ flächenstrukturen möglich, deren Höhenuntersc iede Viel¬ fache einer halben Wellenlänge betragen.
Das in Fig. 2 ausschnittsweise dargestellte zweite Aus¬ führungsbeispiel entspricht weitgehend dem ersten Ausführungs- beispiel. Lediglich tritt nunmehr anstelle der Fotoempf nger¬ einrichtung 25 die Fotoempf ngerein chtung 30, die eine der Zahl der Laserquellen entsprechende Anzahl von Foto¬ empfängern 31 bis 33 aufweist, beim dargestellten Ausfüh¬ rungsbeispiel sind dies drei. Bei diesem Ausführungsbeispiel arbeiten alle drei Laserquellen 10 bis 12 simultan, und die entsprechend überlagerten Laserstrahlen mit den drei unterschiedlichen Wellenlängen werden kurz vor der Foto¬ empfängereinrichtung 30 durch ein Prisma 34 oder einen anderen Wellenl ngenteiler, z.B. ein optisches Gitter, in ihre einzelnen Komponenten mit unterschiedlichen Wellen¬ längen aufgespaltet. Die Auswertung kann hier simultan erfolgen, da alle drei Meßwerte gleichzeitig vorliegen, während beim ersten Ausführungsbeispiel eine Zwi schenspe i - cherung erforderlich ist, bevor die Phasendifferenzen be-
stimmt werden können. Die der Fig. 2 zugrundeliegende Ar¬ beitsweise kann auch als Mul ticol orbetrieb bezeichnet werden