OPTISCHE MESSVORRICHTUNG FÜR HETERODYNINTERFEROMETRISCHE OBERFLACHENMESSUNGEN
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Messvorrichtung für heterodyninter- ferometrische Oberflächenmessungen mit einem Modulationsinterferometer, dem von einer Strahlungsquelle eine kurzkohärente Eingangsstrahlung zugeführt ist und in dem mindestens zwei Teilstrahlen gebildet sind, welche zueinander eine optische Wegdifferenz größer als die Kohärenzlänge der Strahlung besitzen und von welchen einer in seiner Lichtphase oder Lichtfrequenz bezüglich des anderen verschoben ist, einer mit dem Modulationsinterferometer optisch gekoppelten und davon räumlich getrennten, mindestens eine Sonde aufweisenden Messsondenanordnung, in der die zuvor wieder vereinigten Teilstrahlen in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt und in der der an der Oberfläche reflektierte Messstrahl und der an einer Referenzebene reflektierte Referenzstrahl zu einer Empfangsstrahlung überlagert werden, wobei die Referenzebene gegenüber der Oberfläche so positioniert ist, dass die Wegdifferenz aufgehoben
wird, und einer Empfängervorrichtung und einer Auswerteeinheit zum Umwandeln der ihr zugeleiteten Strahlung in elektrische Signale und zum Auswerten der Signale auf der Grundlage einer Phasendifferenz.
Stand der Technik
Eine derartige optische Messvorrichtung ist in der DE 198 19762 A1 angegeben. Bei dieser bekannten Messeinrichtung ist ein Teil, das sogenannte Modulationsinterferometer, räumlich von der eigentlichen Messsonde getrennt und mit dieser optisch über eine Lichtleitfaseranordnung verbunden, so dass die Messsonde an sich als relativ einfach aufgebaute, leicht handhabbare Einheit aus-geführt werden kann. Dem Modulationsinterferometer wird eine breitbandige, kurzkohärente Strahlung zugeführt, die am Eingang des Modulationsinterferometers mittels eines Strahlteilers in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, von denen der eine gegenüber dem anderen mittels einer Modulationseinrichtung, beispielsweise einem akustooptischen Modulator, in seiner Licht-Phase oder Licht-Frequenz verschoben wird. Einer der beiden Teilstrahlen durchläuft in dem Modulationsinterferometer ein Verzögerungselement, das eine optische Wegdifferenz der beiden Teilstrahlen erzeugt, die größer ist als die Kohärenzlänge der kurzkohärenten Strahlung. In der Messsonde wird in einem Messzweig bezüglich eines Referenzzweiges eine weitere optische Wegdifferenz in der Weise erzeugt, dass die durch das Verzögerungselement bewirkte Wegdifferenz kompensiert wird und somit eine Interferenz der von der Referenzebene des Referenzzweigs kommenden Referenzstrahlung und der von der Objektoberfläche in den Messzweig zurückkommenden Strahlung entsteht, die nachfolgend ausgewertet wird, um die gewünschte Oberflächeneigenschaft, z.B. Form, Rauigheit oder Abstand, über eine Phasenauswertung zu ermitteln.
Eine ähnliche interferometrische Messeinrichtung mit einem derartigen Modulationsinterferometer und einer daran über eine Lichtleitfaseranordnung angeschlossenen Messsonde ist auch in der DE 198 08 273 A1 angegeben, wobei mittels einer Empfängervorrichtung in einer Strahlzerlegungs- und Strahlempfangseinheit eine Aufspaltung der zur Interferenz gebrachten Strahlung in Strahlungsanteile unterschiedlicher Wellenlängen erfolgt, um daraus eine synthetische Wellenlänge zu bilden und den Messbereich (Eindeutigkeitsbereich) zu vergrößern.
Eine weitere derartige interferometrische Messeinrichtung ist in der (nicht vorveröffentlichten) deutschen Patentanmeldung Nr. 10246798 gezeigt, wobei in den beiden Armen des Modulationsinterferometers Lichtleitfaseranordnungen und weitere optische Elemente angeordnet sind, um einen vereinfachten Aufbau mit verbesserten Strahlungsübertragungseigenschaften zu erhalten.
Bei den vorstehend genannten interferometrischen Messeinrichtungen, die auf dem Prinzip der Heterodyninterferometrie beruhen, aber die Eigenschaften einer breitbandigen, kurzkohärenten Strahlung ausnutzen, ist das Modulationsinterferometer als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet, wobei in den beiden Interferometerarmen mehrere optische Elemente angeordnet sind, die u.a. auch genaue Justierungen erfordern, womit insgesamt ein entsprechender Aufwand an Kosten und Gerätetechnik verbunden ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Messvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die einen möglichst einfachen und leicht handhabbaren und dabei kostengünstigen Aufbau ergibt.
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass zum Einführen der Eingangsstrahlung in das Modulationsinterferometer und Weiterführen der aus diesem zurückgeführten Teilstrahlen zu der Messsondenanordnung ein richtungsabhängiger Koppler vorhanden ist, dass in dem Modulationsinterferometer hinter dem Koppler ein gemeinsamer Lichtweg gebildet ist, über den die Eingangsstrahlung zu einem teilreflektierenden optischen Element zum Aufteilen in die mindestens zwei Teilstrahlen geführt ist, von denen ein Teilstrahl an dem Element reflektiert und über den gemeinsamen Lichtweg zurückgeführt ist und ein weiterer Teilstrahl an einem entsprechend der optischen Wegdifferenz nachgeordneten Spiegel reflektiert und über das Element in den gemeinsamen Lichtweg zurückgeführt ist.
Bei diesem Aufbau ist nach Art eines Mirau-Interferometers in dem Modulationsinterferometer nur ein Messarm vorhanden, so dass eine äußerst geringe Anzahl optischer Komponenten erforderlich ist und ein robuster, platzsparender Aufbau erhalten wird, der auch eine vereinfachte Handhabung bietet.
Um möglichst gute Strahleigenschaften zu erhalten, ist dabei vorgesehen, dass vor dem Spiegel eine Kollimationseinheit zum Aufbereiten des weiteren Teilstrahls angeordnet ist.
Verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten bestehen dabei darin, dass das teilreflektierende Element eine teilreflektierend ausgebildete Fläche aufweist, die am Ausgangsbereich eines vor der Kollimationseinheit angeordneten Lichtleitelements, am Eingang der Kollimationseinheit oder in einer Ebene angeordnet ist, in welcher eine Kollimation vorgenommen ist.
Der vereinfachte Aufbau kommt auch darin zum Ausdruck, dass zum Verschieben der Lichtphase oder der Lichtfrequenz ein Modulator vorhanden ist, auf dessen dem weiteren Teilstrahl zugekehrter Seite der Spiegel angeordnet ist.
Für eine einfache Justierung ist des Weiteren vorteilhaft vorgesehen, dass der Spiegel zum Verstellen der Wegdifferenz mit einer manuell oder motorisch betätigbaren Verstelleinheit gekoppelt ist.
Zur einfachen Bedienung bei einfachem Aufbau tragen dabei die Maßnahmen bei, dass der Modulator mit der Verstelleinheit verbunden ist.
Ferner werden der Aufbau und die Handhabung dadurch begünstigt, dass im Zuführweg der Messsondenanordnung ein weiterer richtungsabhängiger Koppler angeordnet ist, über den die vereinigten Teilstrahlen zur Messsondenanordnung geführt sind und als Empfangsstrahlung zu der Empfängervorrichtung gelenkt sind.
Ist vorgesehen, dass in der Empfängervorrichtung eine wellenlängenselektive Separatoreinheit angeordnet ist, mittels derer aus der breitbandigen, aus Anteilen unterschiedlicher Wellenlängen zusammengesetzten Empfangsstrahlung mindestens zwei Strahlungsanteile unterschiedlicher Wellenlänge herausgetrennt und einer optoelektrischen Wandleranordnung zugeführt sind, deren Signale in einer nachgeordneten Verarbeitungseinheit unter Bildung einer synthetischen Wellenlänge hinsichtlich zu messender Oberflächeneigenschaften auswertbar sind, kann mit relativ einfachen Maßnahmen der Eindeutigkeitsbereich für die Messungen erhöht werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass eine dem Spiegel zugekehrte Rückseite des teilreflektierenden Elements zum Mehrfach reflektieren des von dem Spiegel zurückgeworfenen weiteren Teilstrahls ausgebildet ist, dass mindestens einer der mehrfach reflektierten und zurückgeworfenen Teilstrahlen, der entsprechend einer Anzahl n der Mehrfachreflexionen die n -fache Wegdifferenz und die n-fache Phasen- oder Frequenzverschiebung erfährt, einer weiteren Sonde der Messsondenanordnung zugeführt ist, deren Abstand zwischen der Referenzebene und der Oberfläche so bemessen ist, dass die Wegdifferenz der betreffenden, mit dem zurückgeworfenen einen Teilstrahl überlagern zurückgeworfenen mehrfach reflektierten weiteren Teilstrahl aufgehoben wird, und dass die Verarbeitungseinheit zum getrennten Verarbeiten der Information der von den Sonden kommenden Empfangsstrahlen aufgrund der unterschiedlichen Phasenoder Frequenzverschiebungen ausgebildet ist. Hierbei können gleichzeitig oder gewünschtenfalls auch nacheinander mehrere Stellen einer Objektoberfläche oder verschiedener Objektoberflächen vermessen werden, wobei das Modulationsinterferometer praktisch keines erhöhten Aufwandsbedarf.
Zu einem einfachen und leicht handhabbaren Aufbau tragen des Weiteren die Maßnahmen bei, dass eine Lichtleitfaseranordnung mit zwischen der Strahlungsquelle und dem Koppler, zwischen dem Koppler und dem teilreflektierenden Element, zwischen dem Koppler und dem weiteren Koppler, zwischen dem weiteren Koppler und der Messsondenanordnung und/oder zwischen dem weiteren Koppler und der Empfangsvorrichtung angeordneten monomoden Lichtleitfasern vorhanden ist.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer optischen Messvorrichtung für heterodyninterferometrische Oberflächenmessungen mit einem Modulationsinterferometer und einer davon räumlich getrennten Messsondenanordnung in schematischer Darstellung,
Fig. 2 eine nähere Ansicht des Modulationsinterferometers,
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der optischen Messvorrichtung mit mehreren Messsonden in schematischer Darstellung und
Fig. 4 mehrere aus mehrfach reflektierten Teilstrahlen sich ergebende Wellenzüge.
Ausführungsbeispiel
Fig. 1 zeigt eine optische Messvorrichtung für heterodyninterferometrische Oberflächenmessungen mit einer Strahlungsquelle 1 , einem Modulationsinterferometer 4, einer Messsondenanordnung 6, einer Empfängervorrichtung 7 sowie einer dieser nachgeschalteten Verarbeitungseinheit 8.
Die Strahlungsquelle 1 gibt eine breitbandige, kurzkohärente Eingangsstrahlung ab, die in eine monomode optische Lichtleiterfaseranordnung 9 eingekoppelt wird. Die Lichtleiterfaseranordnung 9 ist mit einem richtungsabhängigen Koppler
3 verbunden, der auch als Zirkulator aufgebaut sein kann, wobei zwischen der Strahlungsquelle 1 und dem Koppler 3 ein optischer Isolator 2 zwischengefügt sein kann. Die Eingangsstrahlung durchläuft den Koppler 3 und wird über eine monomode Lichtleitfaser bzw. Faseroptik 10 dem Eingang des Modulationsinterferometers 4 zugeführt, das nach Art eines Mirau-Interferometers aufgebaut ist und dessen Funktion darin besteht, den Eingangsstrahl bzw. das Eingangsstrahlenbündel in zwei Teilstrahlen aufzuteilen, die örtlich um eine größere optische Wegdifferenz versetzt sind als die Kohärenzlänge der Strahlungsquelle 1 von der Stelle der Filter der Empfängervorrichtung 7 aus betrachtet, und ferner darin, den Teilstrahl mit dem größeren optischen Weg mittels eines Phasenmodulators mit einer elektrischen Frequenz / zu modulieren, wie an sich bei der Heterodyninterferometrie üblich.
Die Messsondenanordnung 6 ist u.a. über eine weitere Faseroptik 11 an das Modulationsinterferometer 4 gekoppelt. Um mehrfache Reflexionen zwischen dem Modulationsinterferometer 4 und der Messsondenanordnung 6 zu verhindern, kann die Faseroptik 11 mit einem optischen Isolator 15 versehen sein.
Die Messsondenanordnung 6 mit der darin enthaltenen Sonde weist vorliegend ebenfalls ein Interferometer des Mirau-Typs auf, dessen optische Weglängendifferenz bzw. Abstand zwischen einer Referenzebene 14 und der zu vermessenden Objektoberfläche gleich der optische Weglängendifferenz des Modulationsinterferometers 4 ist, um die in den zugeführten, zuvor vereinigten Teilstrahlen eingeprägte optische Wegdifferenz zurückzusetzen, wie an sich auch in den eingangs genannten Druckschriften erläutert. Die Messsondenanordnung 6 ist mit dem Modulationsinterferometer 4 über die Faseroptik 10 sowie weitere monomode Faseroptiken 11 und 12 verbunden, wobei die vereinigten Teilstrahlen in dem richtungsabhängigen Koppler 3 in die Faseroptik 11 eingeführt und über einen weiteren richtungsabhängigen Koppler 5 bzw. Zirkulator in die Faseroptik 12 eingekoppelt werden und als Referenzstrahl an der Referenzebene 14 sowie als diese durchlaufender Messstrahl an der Objektoberfläche zurückgeworfener
Messstrahl reflektiert werden. Der reflektierte Messstrahl und der reflektierte Referenzstrahl werden zu einer Empfangsstrahlung überlagert, die wegen der Kompensation der in dem Modulationsinterferometer eingeprägten optischen Wegdifferenz durch die Messsondenanordnung 6 Interferenzen aufweist und zur Auswertung über eine weitere monomode optische Faserordnung 13 der Empfängervorrichtung 7 und nach Umwandlung in elektrische Signale der Verarbeitungseinheit 8 zur Auswertung zugeführt wird. In der Empfängervorrichtung 7 ist eine wellenlängenselektive Separatoreinheit 7.1 angeordnet, um getrennten Photoempfängern gegebenenfalls über entsprechende Filter und weitere optische Elemente Wellenzüge gegebener unterschiedlicher Wellenlänge bzw. optischer Frequenz zuzuführen. Am Ausgang der Photoempfänger liegt ein mit der elektrischen Frequenz / moduliertes elektrisches Signal vor. Die von den Photoempfängern, beispielsweise Photodioden, abgegebenen elektrischen Signale sind zueinander phasenverschoben, und eine theoretische Berechnung zeigt, dass die Phasenverschiebung Δ_ = 2 π (2e/Λ) + _0 entspricht. Dabei sind _0 eine Konstante Λ = λi • λ2/ (λ2 - λi) die synthetische Wellenlänge der Messvorrichtung λi = die Wellenlänge an einem ersten photoelektrischen Empfänger λz = die Wellenlänge an einem zweiten photoelektrischen Empfänger und e = der Messabstand.
Daraus wird mittels der Verarbeitungseinheit 8 die jeweils erfasste Oberflächeneigenschaft bzw. der erfasste Abstand der Oberfläche an einer Messstelle bestimmt aus der Beziehung: e = Δ__/ (2π) • (Λ/2).
Das Abstandsmaße wird also bestimmt aus einer Messung der Phase zwischen zwei elektrischen Signalen, wodurch die Messung unabhängig von der durch die
Photodioden empfangenen optischen Intensität ist (sofern das erfasste Signal sich genügend aus dem Rauschen abhebt).
Fig. 2 zeigt das nach dem Aufbau eines Mirau-Interferometers ausgelegte Modulationsinterferometer 4 näher. Die von der monomoden Lichtleitfaser 10 bzw. deren Endabschnitt 4.1 zugeführte Eingangsstrahlung wird mittels einer nach-f olgenden Kollimationseinheit 4.3 kollimiert. Eine teilreflektierende Beschichtung 4.2 bewirkt eine Aufteilung der Eingangsstrahlung in zwei Teilstrahlen 4.8, 4.9, die unterschiedliche optische Weglängen durchlaufen, wobei die optische Weglängendifferenz L größer ist als die Kohärenzlänge der von der Strahlungsquelle 1 abgegebenen Strahlung betrachtet an der Stelle der Filter der Empfängervorrichtung 7. Die teilreflektierende Beschichtung 4.2 kann ausgangsseitig der Lichtleitfaser 10 bzw. 4.1 , auf der Eingangsseite der Kollimationseinheit 4.3 in der Nähe des Endes der Lichtleitfaser 4.1 oder auf einer optischen Fläche angeordnet sein, die in einer Ebene positioniert ist, in der die Eingangsstrahlung bzw. der durchgehende weitere Teilstrahl 4.9 kollimiert wird oder ist. Der nichtreflektierte weitere Teilstrahl 4.4 wird an einem Spiegel 4.5 reflektiert, der senkrecht zu einer optischen Achse des weiteren Teilstrahls 4.4 angeordnet und in einem gewissen Abstand von der teilreflektierenden Beschichtung 4.2 positioniert ist. Dieser Abstand kann mittels einer Verstelleinheit 4.7, beispielsweise eines translatorisch verstellbaren Mikrometertisches, von Hand oder motorgetrieben eingestellt werden, wodurch die optische Weglängendifferenz zwischen den beiden Teilstrahlen 4.8, 4.9 bestimmt wird. Der weitere Teilstrahl 4.9 bzw. Wellenzug der kollimierten optischen Strahlung 4.4 wird mittels eines Phasenmodulators 4.6 mit einer Frequenz / moduliert. Der Modulator 4.6 kann ein PZT-Aktuator sein, auf dessen einer
Oberfläche der Spiegel 4.5 angeordnet ist und der mit einer anderen Seite, nach
Fig. 2 beispielsweise der Unterseite, mittelbar oder unmittelbar mit der Verstelleinheit 4.7 verbunden ist.
Mittels der teilreflektierenden Beschichtung 4.2 und des Spiegels 4.5 können Mehrfachreflexionen des betreffenden Teilstrahls erzeugt werden, wobei der von dem Spiegel 4.5 zurückkehrende Teilstrahl zum Teil durch die teilreflektierende Beschichtung 4.2 hindurch läuft und zum anderen Teil an dieser wieder auf den Spiegel 4.5 zurückgeworfen wird. Dadurch ist die Aufteilung der Wellenzüge mehrfach, und durch die Wahl der teilreflektierenden Beschichtung 4.2 ist es möglich, mehrere Wellenzüge s^t), s2(t), s3(t) entsprechend Fig.4 zu erhalten, die örtlich bezüglich eines Referenzsignals r(t) um die Wegdifferenz L bei der Frequenz /, um die Wegdifferenz 2L bei der Frequenz 2/, um die Wegdifferenz 3L bei der Frequenz 3/ usw. versetzt sind, wobei die jeweilige Frequenzverschiebung sich durch die weitere Frequenzverschiebung bei jedem Auftreffen auf den mit dem Modulator 4.6 verbundenen Spiegel 4.5 vervielfacht.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der optischen Messvorrichtung mit drei in der Messsondenanordnung vorhandenen Sonden 6.1, 6.2 und 6.3. Mittels der drei Sonden 6.1, 6.2, 6.3 können gleichzeitig Messungen an drei verschiedenen Oberflächenstellen durchgeführt werden, wobei lediglich ein Modulationsinterferometer 4 mit dem Aufbau nach Fig. 1 bzw. 2 benötigt wird. Die von der Strahlungsquelle 1 abgegebene breitbandige Eingangsstrahlung wird entsprechend dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel in die Lichtleitfaser 9 eingekoppelt. Die Eingangsstrahlung gelangt über den richtungsabhängigen Koppler 3 in das Modulationsinterferometer 4, das entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ausgeführt ist, wobei die teilreflektierende Beschichtung 4.2 zur Mehrfachreflexion des von dem Spiegel 4.5 zurückgeworfenen weiteren Teilstrahls ausgebildet ist, wodurch sich mehrere Wellenzüge sι(t), s2(t), s3(t) gemäß Fig. 4 ergeben, die gegenüber einem Bezugswellenzug r (t) um Wegdifferenzen L, 2L, 3L versetzt sind. Diese Wellenzüge bzw. die sich daraus ergebenden überlagerten
Strahlungen aus dem Teilstrahl und jeweiligen mehrfach reflektierten weiteren Teilstrahl werden den drei Sonden 6.1 , 6.2, 6.3 über den weiteren richtungsabhängigen Koppler 5 und jeweilige monomode Faseroptiken 12.1, 12.2, 12.3 zugeführt. Auch hierbei kann die weitere Faseroptik 11 zur Vermeidung von Mehrfach-Reflexionen mit einem optischen Isolator 15 versehen sind. Die Sonde 6.1 ist so ausgebildet, dass sie in der im Zusammenhang mit dem vorstehenden Ausführungsbeispiel erläuterten Weise eine optische Wegdifferenz L erzeugt, mit der die in den überlagerten Teilstrahlen eingeprägte optische Wegdifferenz kompensiert wird, so dass der aus der Sonde 1 austretende reflektierte Referenzstrahl und der reflektierte Messstrahl entsprechend dem Wellenzug s-ι(t) mit der Frequenz / interferieren. Die Sonde 6.2 erzeugt eine optische Wegdifferenz 2L in der Weise, dass der reflektierte Referenzstrahl bzw. der entsprechende Wellenzug und der mit der Frequenz 2/ modulierte Wellenzug s2(t) interferieren, die Sonde 6.3 erzeugt eine optische Wegdifferenz 3L in der Weise, dass der Wellenzug des reflektierten Referenzstrahls und der Wellenzug s3(t) mit der Frequenz 3/ interferieren. Am Ausgang der Messsonden 6.1 , 6.2 und 6.3 werden die Wellenzüge über die monomoden Faseroptiken 12.1, 12.2, 12.3 zu dem weiteren richtungsabhängigen Koppler 5 geleitet und von dort in die Faseroptik 13 gelenkt und zu der wellenlängenselektiven Separatoreinheit 7.1 der Empfängervorrichtung 7 geführt, so dass jeder Photodetektor die Wellenzüge einer gegebenen, unterschiedlichen optischen Frequenz empfängt. Am Ausgang der Photoempfänger ergibt sich ein elektrisches Signal, das mit der Frequenz /, 2/, 3/ vervielfacht ist bzw. einen Multiplex aufweist, deren Phase dem von der jeweiligen Sonde 6.1 , 6.2, 6.3 gemessenen Oberflächenabstand entspricht. Die Verarbeitungseinheit 8 misst die Phasendifferenz Δ_, für jede Frequenz f\ der beiden Photoempfänger und berechnet das Maß e,-, das von der Sonde i als Funktion der Phasendifferenz Δ_,- und der synthetischen Wellenlänge Λ nach dem Heterodynverfahren erhalten wird.