DD229208A1

DD229208A1 - Interferometer, insbesondere zur inkrementalen abtastung veraenderlicher interferenzstrukturen

Info

Publication number: DD229208A1
Application number: DD26976884A
Authority: DD
Inventors: Hans-Joachim Buechner; Gerd Jaeger; Wilfried Hirschfeld; Georg Ranft
Original assignee: Ilmenau Tech Hochschule
Priority date: 1984-11-22
Filing date: 1984-11-22
Publication date: 1985-10-30
Also published as: FR2573525A1; GB8528756D0; GB2168476A; DD229208B1; GB2168476B; DE3540856C2; DE3540856A1

Abstract

Die Erfindung kann vorzugsweise fuer solche Messaufgaben eingesetzt werden, bei denen waehrend der Messung Aenderungen der abzutastenden Interferenzstruktur auftreten. Diese Eigenschaft der Erfindung ermoeglicht die optisch-beruehrungslose Antastung ebener und beliebig gekruemmter Flaechen sowie beispielsweise den Einsatz in Druckmesskammern, wo durch das zu- und abstroemende Gas Verwirbelungen der Interferenzstruktur verursacht werden. Zwischen dem Interferometerteiler und einem diesem nachgeschalteten Strahlteiler befindet sich eine Blende und der durch die Blende hindurchtretende Strahl wird im Strahlteiler in zwei Teilstrahlen geteilt und jeder dieser Teilstrahlen wird je einem diskreten fotoelektrischen Empfaenger zugeleitet. Weiterhin befindet sich zwischen dem Interferometerteiler und dem Strahlteiler ein erster Strahlspalter und diesem nachgeschaltet ein zweiter Strahlspalter. Der vom ersten Strahlspalter in Richtung des zweiten Strahlspalters abgespaltene Strahl wird im zweiten Strahlspalter in zwei Teilstrahlen geteilt und jeder dieser Teilstrahlen faellt auf eine ihm zugeordnete zeilenfoermige Anordnung aus integrierten fotoelektrischen Abtastelementen.

Description

Titel der Erfindung

Interferometer, insbesondere zur inkrementalen Abtastung veränderlicher Interferenzstrukturen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Interferometer können für die Messung aller derjenigen technisch-physikalischen Größen eingesetzt werden, deren Einfluß eine Änderung des optischen Gangunterschiedes bewirkt. Insbesondere kann die vorliegende Erfindung darüber hinaus bei solchen Meßaufgaben eingesetzt werden, bei denen durch das Meßobjekt während der Messung Änderungen der Interferenzstruktur verursacht werden. Diese besondere Eigenschaft der Erfindung macht die berührungslose interferometrisch-inkrementale Messung bei auf Ebenheit zu prüfenden Planflächen z. B. Spiegel, Si-Scheiben, ^lattenspeichern möglich, sie erlaubt weiterhin die Antastung ebener Spiegel ohne die Forderung stellen zu müssen, daß diese streng parallel geführt werden müssen, und es ist auch die optisch berührungslose Antastung sphärischer und asphärischer Flächen möglich sowie fernerhin der Einsatz in Druckmeß kammern, wo durch das zu- oder abströmende Gas Verwirbelungen der Interferenzstruktur entstehen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist ein Interferometer nach DD-PS 201 191 bekannt, das die interferometrisch-inkrementale Messung in während der Messung veränderlichen Interferenzstrukturen ermöglicht.

ο λ-, g ;.-OQH ·3*2ίιί;

Bei diesem Interferometer ist es notwendig, die beiden für eine inkrementale Meßsignalerfassung notwendigen fotoelektrischen Abtastelemente exakt so zueinander zu positionieren, daß sie, in die vom Interferometer erzeugte Interferenzstruktur projiziert, zu einem funkt zusammenfallen·

Gelingt es nicht oder nur unzureichend, die auf die Interferenzstruktur bezogene Identität der beiden Abtastelemente zu erzeugen, wird der Einsatzbereich dieses Interferometers eingeschränkt· Andernfalls ist es konstruktiv-technologisch schwierig, die Abtastelemente in einer exakt einjustierten Position von der Justiervorrichtung zu lösen und so mit den Interferometerbauteilen zu verbinden, daß keine Lageänderungen entstehen·

Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösung besteht darin, daß durch die zugelassene Veränderlichkeit der Interferenzstruktur der Meßfehler ansteigt·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist, ein Interferometer, insbesondere zur Abtastung veränderlicher Interferenzstrukturen zu schaffen, das auf technologisch niedrigem Niveau herstellbar ist und dennoch höchsten Anforderungen an die Meßgenauigkeit gerecht wird·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein von der Justierung der Abtastelemente unabhängiges Interferometer zur inkrementalen Abtastung veränderlicher Interferenzstrukturen zu schaffen und den aus der Neigung der Meßfläche resultierenden Meßfehler zu beseitigen·

Die breite Anwendung der Interferometrie in der Technik beruht auf der Grundlage der inkrementalen MeßSignalgewinnung· Bekanntlich setzt das Inkrementalverfahren zwei um 90° phasenverschobene Meßsignale voraus. Entsprechend dem Stand der Technik ist hierzu ein während der Messung unverändert»

liches Gitter erforderlich. Aus diesem Grunde waren der interferometrisch—inkrementalen Meßwerterfassung eine ganze Reihe wichtiger Anwendungen verschlossen, bei denen die Unveränderlichkeit des im Interferometer erzeugten Interferenzgitters während der Messung nicht gewährleistet ist· Das betrifft insbesondere die berührungslose Antastung ebener und gekrümmter Flächen, weil bei den bekannten Interferometern stets gewährleistet sein muß, daß sich die Winkelposition der Meß- und Referenzstrahl reflektierenden Flächen nicht ändern darf. Die Einhaltung dieser Bedingung sichert die für die inkrementale Meßsignalgewinnung geforderte Unveränderlichkeit der Interferenzstruktur. Für die bekannten Interferometer hat das zur Konsequenz, daß zumindest im Meßarm der Interferometer als Reflektoren kippinvariante optische Bauelemente, z. B. Tripelprismen, Tripelspiegel oder sog. Katzenaugen-Reflektoren verwendet werden müssen· Damit ist eine berührungslose Antastung verschiedener Meßobjekte von vornherein ausgeschlossen·

Eine Ausnahme stellt die o· g· Patentschrift dar, die durch Einführung des Prinzips der in bezug zur Interferenzstruktur örtlich identischen Abtastpunkte eine interferometrischinkrementale Meßsignalgewinnung bei während der Messung veränderlicher Interferenzstruktur ermöglicht. Die genannte Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß diese Eigenschaft des Interferometers nur durch eine exakte Positionierung beider fotoelektrischer Abtastelemente in bezug zur abgetasteten Interferenzstruktur erreicht wird. Obwohl die Justage der Empfänger in diese Position nicht problematisch ist und systematisch und kontrollierbar durchgeführt werden kann, muß beim Lösen dar Abtastelemente von der Justiervorrichtung und beim Verbinden derselben mit den Bauteilen des Interferometers mit neuerlichen Lageveränderungen gerechnet werden, die den vorher erreichten Justagezustand wieder zunichte machen können. Außerdem ist nicht gesichert, daß die Abtastelemente die nach erfolgter Justage in bezug zur Interferenzstruktur eingenommene Position ein für allemal beibehalten, woraus ebenfalls eine Verschlechte-

rung der vorgesehenen Daten des Interferometers resultiert "bzw. dessen Betriebsbereitschaft für die vorgesehene Meßaufgabe in Frage gestellt ist·

Die durch Einführung des Prinzips der örtlich-identischen Abtastpunkte möglich gewordene inkrementale Abtastung veränderlicher Interferenzstrukturen bedeutet, daß die im Meßarm des Interferometers angetastete Meßfläche nicht senkrecht zum ankommenden Meßstrahl stehen muß, sondern in gewissen Grenzen eine von der senkrechten Lage abweichende Position einnehmen kann· Damit ist es möglich, auf den Einsatz von kippinvarianten Reflektoren im Meßarm der Interferometer zu verzichten und ebene und gekrümmte Meßflächen mit dem Meß strahl unmittelbar optisch berührungslos anzutasten«

Befindet sich jedoch die Meßfläche in einer nicht senkrechten Position zum ankommenden Meßstrahl sondern in einer um den Winkel α davon abweichenden Lage, wird der Meß strahl unter dem Winkel 2<x reflektiert und die Polge ist ein gegenüber der senkrechten Winkelposition vergrößerter Meßfehler·

Diese Mangel zu beseitigen ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung·

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß sich zwischen dem Interferometerteiler und dem Strahlteiler eine Blende befindet und der durch die Blende hindurchtretende Strahl im Strahlteiler in zwei Teilstrahlen geteilt und jeder dieser !Teilstrahlen je einem fotolektrischen Empfänger zugeleitet wird· Weiterhin befindet sich zwischen dem Interferometerteiler und dem Strahlteiler ein erster Strahlspalter und diesem nachgeschaltet ein zweiter Strahlspalter· Der vom ersten Strahlspalter in Richtung des zweiten Strahlspalters abgespaltene Strahl wird im zweiten Strahlspalter in zwei Teilstrahlen geteilt und jeder dieser Teilstrahlen fällt auf eine ihm zugeordnete zellenförmige Anordnung aus integrierten fotoelektrischen Abtastelementen. Weiterhin

kann an einem der beiden Ausgänge des ersten Strahlspalters auch eine matrixförmige Anordnung aus integrierten fotoelektrischen Abtastelementen angeordnet werden.

Durch Einführung der Blende zwischen Interferometerteiler und Strahlteiler wird der für beide Abtastelemente identische Abtastpunkt durch die gemeinsame Blende repräsentiert, und es ist der Zwang aufgehoben, den identischen Abtastpunkt durch Justage beider Abtastelemente zu erzeugen. Es wird ein im Vergleich zum Blendendurchmesser großflächiges Interferenzbild erzeugt, das durch die Blende im tatsächlichen Sinne punktförmig abgetastet wird. Damit ist primär nicht mehr der Ort der Abtastelemente in bezug zur Interferenzstruktur für den Abtastvorgang maßgeblich, sondern es muß lediglich gewährleistet sein, daß die durch die Blende hindurchtretende Strahlung den strahlungsaktiven Teil des Abtastelementes trifft. Das ist insofern leicht zu realisieren, da i. a. der Blendendurchmesser wesentlich kleiner ist als der Durchmesser der strahlungsaktiven Fläche der Abtastelemente. Da die Blende in bezug zur Interferenzstruktur in eine absolut feste Position gebracht werden kann, sind Lageveränderungen zwischen Blende und Interferenzstruktur ausgeschlossen. Auch die Relativlage zwischen Blende und fotoelektrischen Abtastelementen ist unkritisch, da die Lage der Abtastelemente keinen Einfluß mehr auf die Phasenlage der inkrementalen MeßSignalgewinnung hat.

Damit sind durch Einführung der Blende zwei optische Signale vorhanden, die völlig unabhängig von der jeweiligen Interferenzstruktur und unabhängig von Justagevorgängen und konstruktiv-technologischen Problemen der Befestigung von Bauelementen in jedem Moment exakt die zur inkrementalen Meßwerterfassung notwendige 900-Phasenverschiebung aufweisen·

Den Ausgangspunkt für die Korrektur des Fehlers» der durch eine nicht senkrechte Winkelposition der Meßfläche gegenüber dem ankommenden Meßstrahl verursacht wird, liefert das

Interferenzbild selbst, indem die abgetastete Interferenzstruktur die Information über die gesuchte Winkelposition enthält· Im Interferenzbild drückt sich diese Winkelposition in der im Abtastpunkt vorhandenen Dichte der Interferenzstreifen aus. Die Dichte der Interferenzstreifen kann ermittelt werden, wenn man die Interferenzstruktur auf eine Vielzahl dicht beieinanderliegender fotoelektrischer Abtastelemente abbildet, beispielsweise auf eine CCD-Zeile. . Jedes einzelne Element einer solchen Anordnung erzeugt ein der jeweiligen Bestrahlungsstärke entsprechendes elektrisches Signal« Die zyklische Abfrage der Elemente der CCD-Zeile ergibt ein in eine elektrische Größe umgesetztes Abbild der Interferenzstruktur· Aus diesem Abbild können diejenigen Elemente ermittelt werden, auf denen sich beispielsweise die Maxima der Interferenz struktur befinden und aus dem bekannten Abstand dieser Elemente und der im Interferometer verwendeten Wellenlänge der monochromatischen Strahlung ergibt sich die Neigung der Meßfläche im betreffenden Meßpunkt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden· Es zeigti

Fig. 1! Interferometer mit Blende

Pig. 2: Interferometer mit Blende und CCD-Zeilen zur Erfassung der Winkelposition der Meßfläche

Das Interferometer nach Pig. 1 besteht aus dem Interferometerteiler 1 und dem gtrahlteiler 2, zwischen denen sich die Blende 3 befindet. Der linear polarisierte monochromatische Laserstrahl 4 tritt durch das Polarisationsfilter 5 und die 4 -Platte 6 in den Interferometerteiler 1 ein, in dem er an der Teilersehicht 7 in Meßstrahl 8 und Referenzstrahl 9 geteilt wird. Der Meßstrahl 8 durchläuft die 4 Platte 10 und trifft auf den Meßspiegel 11 auf, der ihn in den Interfereometerteiler 1 zurückreflektiert. Der Referenzstrahl 9 wird am Referenzspiegel 12 reflektiert. Meßstrahl 8

und Referenzstrahl 9 überlagern sich an der Teilerschicht 7 und das Ergebnis ist die Interferenzstruktur 20, die bei ebenem Meßspiegel 11 und ebenem Referenzspiegel 12 streifenförmig ist, wenn Meßspiegel 11 und Referenzspiegel 12 nicht exakt senkrecht zueinander stehen. Derjenige Teil 13 der Interferenzstruktur, der durch die Blende 3 hindurchtritt, wird am Strahlteiler 2 in die Strahlen 14 und 15 geteilt, die nach Durchlaufen der Analysatoren 16 und 17 auf die fotoelektrischen Abtastelemente 18 und 19 auftreffen· Die zur inkrementalen Meßwerterfassung notwendige 90°- Phasendifferenz zwischen den Strahlen 14 und 15 wird durch den Winkel eingestellt, den die Durchlaßrichtungen der Analysatoren 16 und 17 miteinander bilden. Die Blende 3 wird zweckmäßigerweise mit Aufdampf- und fotolithografischen Techniken auf den miteinander verkitteten Flächen des Interferometerteilers 1 oder des Strahlteilers 2 hergestellt. Mit diesen Technologien ist es unproblematisch, kreisrunde Blendenöffnungen mit Durchmessern bis in die Größenordnung von einigen /um herzustellen· Das ist für die vorliegende Erfindung insofern von Bedeutung, da die kleinste abtastbare Gitterkonstante der Interferenzstruktur vom jeweiligen Blendendurchmesser abhängt. Damit kann durch Wahl des Blendendurchmessers das Interferometer der vorliegenden Aufgabenstellung genau angepaßt werden· Man kann davon ausgehen, daß an den diskreten fotoelektrischen Empfängern 18, 19 dann noch auswertbare elektrische Ausgangssignale erzeugt werden, wenn der Blendendurchmesser dreiviertel des Gitterabstandes der Interferenz struktur ist. Dann können beispielsweise bei einem Blendendurchmesser von 20 /um noch Interferenzstrukturen mit Gitterkonstanten >26 /um abgetastet werden· In diesem Falle hat die Normale auf die Meßfläche im Meßpunkt eine Winkelposition von 41^f zum ankommenden Meßstrahl bei λ = 633 nm.

In Fig. 2 ist eine Ausführung des Interferometers dargestellt, bei dem die^eweilige Winkelposition der Meßfläche zum ankommenden Meßstrahl ermittelt und der daraus resultierende Meßfehler rechnerisch korrigiert werden kann. Zu

diesem Zweck werdenzwischen den Interferometerteiler 1 und den Strahlteiler 2 zwei Strahlspalter 30 und 34 zwischengeschaltet, die die Aufgabe haben, den mit der Interferenzstruktur modulierten Strahl 20 auf zwei CCD-Zeilen 38 und 40 abzubilden. Der von der monochromatischen Strahlungsquelle ankommende Strahl 4 tritt in den Interferometerteiler 1 ein, wird an der Teilerschicht 7 in Meßstrahl 8 und Referenzstrahl 9 geteilt, aus deren Wiedervereinigung der Strahl 20 resultiert, der mit der Interferenzstruktur moduliert ist. Dieser Strahl 20 tritt in einen ersten Strahlspalter 30 ein, an dessen Teilerschicht 31 er in einen Teil 32 gespalten wird, der der Blende 3 zugeführt wird, die einen Teil 13 des Strahls 32 hindurchläßt, der wie in Pig. 1 beschrieben weiter verarbeitet wird, sowie in einen Teil 33, der um 90° umgelenkt wird und in einen zweiten Strahlspalter 34 eintritt, der den Strahl 33 in Teilstrahlen 35 und 36 aufspaltet· Strahl 34 fällt nach Durchtritt durch einen Analysator 37 auf eine CCD-Zeile 38 und Strahl 35 durchläuft den Analysator 39 und fällt auf die CCD-Zeile 40. Die CCD-Zeile 38 ist so angeordnet, daß ihre fotoelektrisch aktiven Elemente in der Zeichenebene liegen, während die fotoelektrisch aktiven Elemente der CCD-Zeile 40 senkrecht zur Zeichenebene angeordnet sind. *

In Fig· 3 ist die Abbildung des mit der Interferenzstruktür 50 modulierten Strahls 20 auf die CCD-Zeile 38 dargestellt. Es ist angenommen, daß die Meßfläche ein ebener Spiegel sei, so daß die Interferenzstruktur 50 aus geradlinigen parallelen Streifen besteht, die getriggert als Hell-Dunkel-Verteilung dargestellt sind. Ausgezeichnete Linien dieser Interferenzstruktur hinsichtlich der Abtastung sind die Linien der Maxima 51 oder der Minima 52. Der natürliche sinusförmige Verlauf der Interferenzstruktur 50 erzeugt an den i-fotoelektrischen Elementen der CCD-Zeile 38 elektrische Signale e, wie in Pig. 4 dargestellt. Beispielsweise fällt auf die Elemente i » 2 und i = 14 ein Maximum und auf die Elemente i β 8 und i = 20 ein Minimum

der Interferenzstruktur· Da die Abstände zwischen den i-Elementen bekannt sind, ergibt sich daraus die Gitterkonstante der Interferenzstruktur 50 in Richtung der CCD-Zeile 38.

Für die gesuchte Winkelposition der Meß fläche zum ankommenden Meßstrahl benötigt man jedoch die Gitterkonstante der Interferenzstruktur senkrecht zur Richtung der Interferenzstreifen. Diese erhält man aus der gekreuzten Anordnung zweier CCD-Zeilen. Pig. 5 zeigt die gesamte für die Meßsignalgewinnung wesentliche Anordnung des Interferometers nach Fig. 2 aus der Richtung der Strahlen 32, 35 und 36. Die Blende 3 ist innerhalb des Kreises transparent und außerhalb des Kreises nicht transpaarent. Die Zeilenrichtungen der CCD-Zeilen 38 und 40 stehen senkrecht aufeinander und die abzutastende Interferenzstruktur 50 ist in der Projektion auf die CCD-Zeilen 38 und 40 sowie auf die Blende 3 dargestellt. Die CCD-Zeilen 38 und 40 stellen ein (x»y) Koordinatensystem dar, wobei die CCD_Zeile 38 die x- und die CCD-Zeile 40 die y-Koordinate repräsentiert und der Kreuzungspunkt des Koordinatensystems gleichzeitig auch der Nullpunkt des Koordinatensystems ist, der mit dem Zentrum der Blende 3 zusammenfällt. Die Bestimmung des Gitterabstandes g der Interferenzstruktur wird anhand der Dreiecke AOB und COD vorgenommen. Die Strecken AO, BO, CO, DO sind die x- bzw. y-Koordinaten der Schnittpunkte der benachbarten Maxima 51, 51 * mit den Koordinatenachsen. Mit diesen Koordinaten bestimmt man die Höhen h«. _t ho der Dreiecke, deren Summe die gesuchte Gitterkonstante g ergibt.

Bekannt ist z. B. die CCD-Zeile L 110 des VEB WF Berlin, die auf einer Strecke von 3,6 mm über 256 integrierte fotoelektrisch-aktive Elemente verfügt. Die Interferenzstruktur kann dann noch sicher aufgelöst werden, wenn eine Periode des Gitters von 5 Elementen der CCD-Zeile abgetastet wird. Unter dieser Toraussetzung erhält man für das kleinste auflösbare g = 0,056 mm, dem bei λ = 633 mn eine Abweichung der Winkelposition aus der Kormallage von 20 * entspricht. Der wesentliche Vorteil dieser Anordnung besteht einerseits darin, daß durch die Erfassung der Winkelposition

der Meßfläche bei gleichem Meßfehler wesentlich größere Meßbereiche zulässig sind und andererseits die Winkelposition der Meßfläche unmittelbar im Meßpunkt, d· h· in der Blende erfaßt wird, wodurch fehlerfreie Messungen auch an Objekten mit lokal sehr unterschiedlichen Krümmungen möglich sind» Selbstverständlich kann anstelle der zwei CCD-Zeilen 38 und 40 auch eine matrixförmige Anordnung aus integrierten fotoelektrischen Abtastelementen unmittelbar im Strahl 33 nach dem ersten Strahlspalter angeordnet werden»

Claims

Erfindungsanspruch

1, Interferometer, insbesondere zur inkrementalen Abtastung veränderlicher Interferenz strukturen,, bestehend aus einer monochromatischen Strahlungsquelle, einem Interferometerteiler und einem Strahlteiler, reflektierenden, polarisationsoptischen und optisch-doppelbrechenden Elementen sowie diskret angeordneten fotoelektrischen Abtastelementen und integrierten fotoelektrischen Abtastelementen in Zeilen- oder Matrixform, gekennzeichnet dadurch, daß sich zwischen dem Interferometerteiler (1) und dem Strahlteiler (2) eine Blende (3) befindet und der Strahl (13) durch die Blende (3) im Strahlteiler (2) in Teilstrahlen (14, 15) geteilt ist und in den Strahlwegen (14, 15) je ein diskreter fotoelek trischer Empfänger (18, 19) angeordnet ist, daß sich zwischen dem Interferometerteiler (1) und dem Strahlteiler (2) ein erster Strahlspalter (3) befindet und diesem ein zweiter Strahlspalter (34) nachgeschaltet ist und der Strahl (33) im zweiten Strahlspalter (34) in Teilstrahlen (35, 36) gespalten ist und in den Strahlwegen (35, 36) je eine zeilenförmige Anordnung aus integrierten fotoelektrischen Abtastelementen angeordnet ist und die Richtungen beider Zeilen senkrecht aufeinander stehen und sich der Kreuzungspunkt beider Zeilen im Zentrum der Blende (3) befindet«

2· Interferometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß in einem der beiden Ausgänge des ersten Strahlspalters (30) und damit im Weg des Strahls (33) eine matrixfö'rmige Anordnung aus integrierten foto elektrischen Abtastelementen angeordnet ist.

Hierzu. jLieiten Zeichnungen