DE102004012426A1

DE102004012426A1 - Niederkohärenz-interferometrisches Verfahren und Gerät zur lichtoptischen Abtastung von Oberflächen

Info

Publication number: DE102004012426A1
Application number: DE200410012426
Authority: DE
Inventors: Alexander Knuettel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-13
Filing date: 2004-03-13
Publication date: 2005-09-29
Also published as: WO2005088241A1; WO2005088241A8; EP1728045A1

Abstract

Beschrieben wird eine Niederkohärenz-interferometrisches Gerät zur lichtoptischen Abtastung einer Oberfläche (19) eines Objektes, insbesondere einer konkaven Oberfläche (19), beispielsweise eines Bohrlochs, mit einem Kurzkohärenz-Interferometer, das eine kurzkohärente Meßlichtquelle (30), einen das von ihr ausgehende Licht auf einen Meßlichtstrahl (23) und einen Referenzlichtstrahl (22) aufteilenden Strahlteiler (13), einen Referenzreflektor (16), eine Meßoptik (17) und einen Detektor (35) umfaßt, dem der reflektierte Meßlichtstrahl (23) und der Referenzlichtstrahl (22) zum Erfassen eines Niederkohärenz-Interferenzsignals zugeführt werden. Der Meßlichtstrahl (23) wird von der Meßoptik (17), die eine numerische Apertur von nicht mehr als 0,3 hat, in einen sich in eine Abtastrichtung erstreckenden Fokusbereich (27) fokussiert, innerhalb welchem eine Steuer- und Auswerteeinheit (6) eine Abtastposition um einen Referenzpunkt variiert und eine dabei auftretende Übereinstimmung der Abtastposition mit der Oberfläche (19) registriert, um eine Abstandsinformation über einen Abstand des Referenzpunktes von der Oberfläche (19) des Objektes zu gewinnen. Aus der Abstandsinformation und der Position des Referenzpunktes wird eine Ortsinformation über eine lichtreflektierende Stelle der Oberfläche (19) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Niederkohärenz-interferometrisches Verfahren und ein Gerät zur lichtoptischen Abtastung einer Oberfläche eines Objektes, insbesondere einer gekrümmten Oberfläche, beispielsweise eines Bohrlochs.

Die Abtastung einer Oberfläche erfolgt in der Regel mit sequentiellen Verfahren, bei denen jeweils für eine bestimmte Stelle der Oberfläche eine Abstandsinformation über deren Abstand von dem Gerät (in der Regel von dessen Meßkopf) gewonnen wird und danach das Gerät mittels einer lateralen Verschiebung relativ zu der Oberfläche so positioniert wird, daß die Abstandsinformation für eine andere Stelle der Oberfläche gewonnen werden kann. Mit anderen Worten finden alternierend Abstandsabtastungen (distance scans) und Lateralverschiebungen statt, um nach und nach die gewünschte detaillierte dreidimensionale Information über den Verlauf der Oberfläche zu gewinnen.

Die Erfindung richtet sich speziell auf Niederkohärenzinterferometrische Verfahren und Geräte zur Oberflächenabtastung. Dabei erfolgt die Abstandsabtastung mittels eines von dem Meßkopf des Gerätes auf die zu untersuchende Oberfläche gerichteten Meßlichtstrahls. Die Richtung des Lichtstrahls definiert dabei eine quer (in der Regel senkrecht) zu der Oberfläche verlaufende Abtastlinie, die in der Praxis fast immer gerade verläuft, obwohl grundsätzlich auch eine Abstandsabtastung auf einer gekrümmten Abtastlinie möglich ist. Nachfolgend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf eine Abtastgerade Bezug genommen. Deren Richtung wird auch als "z-Richtung" bezeichnet. Da diese Abtastung in Längsrichtung des Lichtstrahls erfolgt, wird nachfolgend die Bezeichnung Longitudinalabtastung verwendet. In der englischsprachigen Literatur wird für solche Verfahren die Bezeichnung Low Coherence Distance Scan (LCDS) verwendet.

Die Longitudinalabtastung mit LCDS-Verfahren basiert darauf, daß Licht einer niederkohärenten (spektral breitbandig emittierenden) Lichtquelle in zwei Lichtwege, nämlich einen Meßlichtweg, der zu der abzutastenden Oberfläche führt und einen Referenzlichtweg aufgeteilt wird und die beiden Teillichtwege vor dem Auftreffen auf einem Detektor derartig zusammengeführt werden, daß sie miteinander interferieren. Zu diesem Zweck enthält das Gerät eine Interferometer-Anordnung, die üblicherweise außer der niederkohärenten Lichtquelle einen Strahlteiler, einen Referenzreflektor und den Detektor umfaßt. Die Lichtwege zwischen diesen Elementen bilden Interferometerarme. Das Licht der Lichtquelle gelangt durch einen Lichtquellenarm zu dem Strahlteiler und wird dort aufgeteilt. Ein erster Lichtanteil wird als Meßlicht über einen Objektarm in Abtastrichtung auf die zu untersuchende Oberfläche gestrahlt, während ein zweiter Lichtanteil als Referenzlicht über einen Reflektorarm zu dem Referenzreflektor gelangt. Beide Lichtanteile werden reflektiert (das Meßlicht an der zu untersuchenden Oberfläche, das Referenzlicht an dem Referenzreflektor) und auf dem gleichen Lichtweg (Objektarm bzw. Referenzarm) zu dem Strahlteiler zurückgeführt. Dort werden sie zusammengefaßt und über einen Detektionsarm des Interferometers derartig einem Detektor zugeführt, daß das aus der Zusammenfassung resultierende Licht ("Detektionslicht") beim Auftreffen auf den Detektor ein Interferenzsignal erzeugt, das eine Information über die Stärke der Reflexion des Meßlichts in Abhängigkeit von der jeweils eingestellten Longitudinal-Abtastposition enthält.

Die Variation der Abtastposition längs der Abtastgeraden erfolgt üblicherweise durch Veränderung der Relation der Längen des Referenzlichtweges und des Meßlichtweges. Dadurch wird diejenige Position auf der Abtastgeraden verändert, für die die Voraussetzung für die Interferenz des Meßlichts und des Referenzlichts (nämlich daß sich die optischen Weglängen beider Lichtwege maximal um die Kohärenzlänge der Lichtquelle voneinander unterscheiden) erfüllt ist. Die aktuelle Abtastposition ist dabei jeweils diejenige Position auf der Abtastgeraden, für die die optische Länge des Meßlichtweges mit der optischen Länge des Referenzlichtweges (jeweils von der Strahlteilung bis zur Strahlzusammenführung) übereinstimmen ("Kohärenzbedingung"). In der Regel wird, der Referenzlichtweg dadurch verkürzt oder verlängert, daß der Referenzspiegel in Richtung des Referenzlichtstrahles verschoben wird.

Bei der Longitudinalabtastung einer Oberfläche erreicht das Interferenzsignal ein Maximum, wenn die Abtastposition mit der Position der Oberfläche übereinstimmt. Dadurch wird die gewünschte Abstandsinformation für die Stelle der Oberfläche, auf die der Meßlichtstrahl gerichtet ist, ermittelt. Danach erfolgt eine Lateralverschiebung, um für eine andere Stelle der Oberfläche die Abstandsabtastung durchzuführen. Um das Verfahren zu beschleunigen, ist es selbstverständlich möglich, mit mehreren parallel auf die Oberfläche eingestrahlten Meßlichtstrahlen zu arbeiten und dadurch gleichzeitig in einem Longitudinal-Abtastschritt die Longitudinalabtastung für mehrere Punkte der Oberfläche durchzuführen. Auch dabei ist zur Abtastung einer größeren Oberfläche ein Verfahren erforderlich, bei dem alternierend eine Vielzahl von Longitudinal-Abtastschritten und Lateralverschiebungen stattfinden.

Aus der WO 03/073041 ist es bekannt, die Abtastposition mittels einer variablen Wellenlängenselektionseinrichtung im Detektionsarm zu variieren. Diese Abtastung erfolgt ohne translatorisch bewegliche Teile und ist deshalb schneller als das räumliche Verschieben eines Referenzspiegels. Die Vorrichtung ermöglicht es beispielsweise, eine mit hoher Geschwindigkeit an einem Meßkopf vorbeigeführte Folie laufend daraufhin zu überwachen, ob eine gewünschte Schichtstärke eingehalten wird. Die WO 03/073041 und die darin zitierten Dokumente enthalten weitere Erläuterungen über LCDS-Verfahren, auf die hier Bezug genommen wird.

Um mit einem Niederkohärenz-interferometrischen Gerät präzise Messungen mit einer guten Signalausbeute durchführen zu können, muß das Meßlicht auf die zu untersuchende Stelle der Probenoberfläche fokussiert werden. Bei der Abtastung von ebenen Oberflächen, beispielsweise wenn eine Folie oder eine rotierende Scheibe an einem Meßkopf vorbeigeführt wird, kann der Fokus unverändert während der Abtastung der gesamten Oberfläche beibehalten werden. Bei der Abtastung von gekrümmten Oberflächen besteht hingegen die Notwendigkeit, den Fokus entsprechend den Konturen der abzutastenden Oberfläche nachzuführen und zu ändern.

In dem US-Patent 6,144,449 wird vorgeschlagen, die erforderliche Übereinstimmung der Fokussierung mit der jeweiligen Abtastposition mittels Fokuskorrekturmitteln sicherzustellen, durch die bei dem Abtastvorgang jederzeit die Position des Fokus in Übereinstimmung mit der jeweiligen Abtastposition gebracht wird. Die vorgeschlagenen Fokuskorrekturmittel sind jedoch aufwendig und/oder haben einen großen Raumbedarf. Sie sind deshalb für viele Anwendungsfälle nicht oder nur eingeschränkt geeignet.

Zwar erlauben bekannte Niederkohärenz-interferometrische Verfahren und Geräte die Abtastung von Oberflächen mit hoher Präzision. Sie sind jedoch zur Abtastung von Oberflächen mit starken Unebenheiten, d.h. mindestens abschnittsweise gekrümmten Oberflächen, weitgehend ungeeignet. Lediglich die Abtastung ebener Oberflächen, wie zum Beispiel einer rotierenden Scheibe ( US 5,473,431 ) oder der erwähnten, an einem Meßkopf vorbeigeführten Folie, ist mit bekannten Niederkohärenz-interferometrischen Geräten mit hoher Geschwindigkeit möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie mit einem Niederkohärenz-interferometrischen Gerät eine beliebige, insbesondere auch (mindestens abschnittsweise) gekrümmte Oberfläche eines Objektes schneller abgetastet werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Niederkohärenz-interferometrisches Verfahren zur lichtoptischen Abtastung einer Oberfläche eines Objektes, insbesondere einer gekrümmten Oberfläche, mittels eines auf die Oberfläche gerichteten Meßlichtstrahls und eines Kurzkohärenz-Inter ferometers, das eine kurzkohärente Meßlichtquelle, einen Referenzreflektor, eine Meßoptik, einen Detektor und eine mit dem Detektor verbundenen Steuer- und Auswerteeinheit umfaßt, bei welchem durch Bewegung des Meßlichtstrahls relativ zu der Oberfläche unterschiedliche Lateralabtastpositionen eingestellt werden, bei denen der Meßlichtstrahl auf unterschiedliche lichtreflektierende Stellen der Oberfläche auftrifft, zur Bestimmung einer Abstandsinformation über die jeweils von dem Meßlichtstrahl beleuchtete Stelle der Oberfläche Longitudinal-Abtastschritte durchgeführt werden, bei denen eine Übereinstimmung einer entlang einer quer zu der Oberfläche verlaufenden Abtastlinie veränderlichen Abtastposition mit der Position einer lichtreflektierenden Stelle an der Oberfläche des Objektes detektiert wird, das sich dadurch auszeichnet, daß der Meßlichtstrahl mittels einer Meßoptik, die eine numerische Apertur von nicht mehr als 0,3 hat, in einen sich in Abtastrichtung um einen Zentralpunkt erstreckenden Fokusbereich fokussiert wird, und die Abtastposition unter Kontrolle der Steuer- und Auswerteeinheit entlang der Abtastlinie innerhalb eines Feinabtastbereiches variiert wird, der mindestens teilweise mit dem Fokusbereich (27) übereinstimmt.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein entsprechendes Niederkohärenz-interferometrisches.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird das Meßlicht mittels einer Meßoptik, die eine numerische Apertur von nicht mehr als 0,3, vorzugsweise nicht mehr als 0,2 hat, in einen sich längs der Abtastgeraden erstreckenden Fokusbereich fokussiert.

Durch Verwendung einer Meßoptik mit einer so kleinen nu merischen Apertur wird das Meßlicht weniger scharf, d.h. zu einem größeren Lichtfleck, fokussiert. Dadurch werden die Signalintensität und die laterale Auflösung vermindert. Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, daß trotz dieser scheinbaren Nachteile bei der kombinierten Longitudinal- und Lateralabstatung von gekrümmten Oberflächen ausgezeichnete Ergebnisse bei Verwendung einer Meßoptik mit einer kleinen numerischen Apertur und damit verbundener "schlechterer" Fokussierung erreicht werden.

Im Rahmen der Erfindung werden die optischen Eigenschaften einer Linse mit ungewöhnlich kleiner numerischer Apertur, abhängig von den Eigenschaften der zu untersuchenden Oberfläche, in mehrerlei Hinsicht vorteilhaft genutzt:

– Ein erster Anwendungsfall bezieht sich auf Oberflächen, die insgesamt eben sind, jedoch relativ grobe strukturelle Unebenheiten aufweisen, die mit vorbekannten Verfahren nur mit ständig variierender Fokussierung und deswegen relativ langsam abgetastet werden konnten. In solchen Fällen erlaubt die Erfindung die Abtastung der Oberfläche mit sehr viel höherer Geschwindigkeit. Sie macht sich dabei zu nutze, daß sich innerhalb des Fokusbereiches die Größe des von dem Meßlichtstrahl auf der Oberfläche erzeugten Lichtflecks in Abhängigkeit von der Longitudinalposition der Oberfläche nur wenig ändert und demzufolge die Intensität des reflektierten Lichtes weitgehend unabhängig von der Longitudinalposition der Oberfläche ist. Dadurch ist ohne Neueinstellung der Fokussierung eine Variation der Abtastposition über einen so großen räumlichen Bereich möglich, daß durch Verschieben der Abtastposition mit hoher Geschwindigkeit auch erhebliche Oberflächenrauhigkeiten, Stufen und Sprünge erfaßt werden können. Die Abtastposition läßt sich wesentlich schneller verschieben als der Fokusbereich, da dafür keine oder nur wesentlich geringere Massen mechanisch beschleunigt werden müssen.
– Ähnliches gilt auch für gleichmäßig gekrümmte Oberflächen, beispielsweise die Innenwand eines Bohrlochs, sofern der Meßkopf bei der Änderung der Lateralabtastposition relativ zu der Oberfläche so bewegt wird, daß sich der Meßlichtweg um weniger als die Länge des Fokusbereiches ändert.
– Wenn die zu untersuchende Oberfläche einen unregelmäßig gekrümmten Verlauf hat findet gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bei Änderung der Lateralabtastposition zur Anpassung an die Form der Oberfläche eine Abtastungsgrobeinstellung (scanning coarse adjustment) statt, wobei der Feinabtastbereich und der Fokusbereich unter Kontrolle der Steuer- und Auswerteeinheit des Gerätes gleichgerichtet koaxial mit dem Meßlichtstrahl (d.h. auf der Abtastgeraden) verstellt werden. Sofern der unregelmäßig gekrümmte Verlauf der Oberfläche (beispielsweise als CAD/CAM-Daten) bekannt ist, kann eine Sollkurve vorgegeben werden, gemäß der der Fokusbereich in den unterschiedlichen Lateralabtastpositionen jeweils so eingestellt wird, daß die Oberfläche in dem Fokusbereich liegt. Für den Fall, daß die Oberflächenposition um mehr als einen vorbestimmten Grenzwert von der Sollkurve abweicht, ist der Steueralgorithmus bevorzugt so ausgebildet, daß bei der Abtastungsgrobeinstellung eine (von der vorbestimmten Sollkurve abweichende) Nachregelung der Position des Fokusbereiches stattfindet, wenn die Abweichung durch die Feinabtastung festgestellt wurde.
– Die Erfindung eignet sich in besonderem Maße auch zur Untersuchung von Oberflächen, die unregelmäßig ge krümmt sind, ohne daß der Verlauf der Krümmung so gut vorbekannt ist, daß die vorstehend erläuterte Abtastungsgrobeinstellung mittels einer Sollkurve möglich wäre. In diesem Fall wird für die Abtastungsgrobeinstellung die bei mindestens einem vorausgehenden Longitudinal-Abtastschritt gewonnene Abstandsinformation zum Steuern der Verschiebung des Fokusbereiches benutzt. Mit anderen Worten findet bei der Abtastungsgrobeinstellung eine geregelte Einstellung des Fokusbereiches statt, bei der zur Einstellung der Position des Fokusbereiches als Istwert Informationen verwendet werden, die bei einem oder mehreren Longitudinal-Abtastschritten gewonnen wurden. Im Gegensatz zu vorbekannten Geräten ( US 6,330,063 ) wird bei der Erfindung der Fokus nicht ständig synchron mit der Abtastposition eingestellt, sondern eine Nachführung des Fokusbereiches erfolgt im Rahmen der Abtastungsgrobeinstellung nur bei Bedarf, und zwar auf der Grundlage der Abstandsinformation mindestens einer vorhergehenden, von der aktuellen lichtreflektierenden Stelle beabstandeten Stelle.

Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung läßt sich die Länge L des Fokusbereiches aus der numerischen Apertur NA und der Wellenlänge λ_o des verwendeten Lichts berechnen gemäß:

Darin ist a ein Skalierungsfaktor, dessen Wert von der im Einzelfall vertretbaren Grad der Unschärfe in der Nähe der Grenze des Fokusbereiches abhängt. Bevorzugt ist a ≤ 2, besonders bevorzugt a ≤ 1,5. Der Feinabtastbereich liegt vorzugsweise vollständig innerhalb des so definier ten Fokusbereiches. Es sind aber auch Anwendungsfälle möglich, bei denen die Longitudinalabtastung auf Interferenzsignalen basiert, die aus Reflexionen innerhalb des Fokusbereiches resultieren, sich die Feinabtastung aber über die Grenzen des Fokusbereiches hinaus erstreckt.

Bevorzugt wird Meßlicht aus dem nahen infraroten Spektralbereich mit einer Zentralwellenlänge λ_o im Bereich von 800 bis 1.300 nm verwendet. Durch eine Meßoptik mit NA = 0,08 wird das Meßlicht aus diesem Spektralbereich in einen Fokusbereich mit einer Länge von über 150 μm fokussiert. Der Durchmesser des Fokusbereichs beträgt bei den als Beispiel angegebenen Werten von λ_o und NA (abhängig von der konkreten Wellenlänge λ_o und dem konkret betrachteten Teilabschnitt des Fokusbereiches) etwa 10 bis 20 μm. Im allgemeinen hat der Fokusbereich bevorzugt eine Länge von etwa 100 bis 300 μm und eine Breite von 5 bis 20 μm.

Die Variation der Abtastposition im Rahmen der Feinabtastung kann durch Änderung der Länge des Referenzlichtweges, insbesondere durch Verstellen der Position eines Referenzreflektors, erreicht werden. Bevorzugt wird die Longitudinal-Abtastposition mittels einer variablen Wellenlängenselektionseinrichtung im Detektionslichtweg gemäß der WO 03/073041 variiert. Auch andere Verfahren zur schnellen Longitudinalabtastung (mit möglichst wenig mechanischer Bewegung) können im Rahmen der Erfindung vorteilhaft verwendet werden. Beispiele werden in der WO 03/073041 als Zitate 4 bis 6 zitiert.

Die erfindungsgemäße Meßoptik mit einer numerischen Apertur von maximal 0,3 wird, insbesondere für die Abtastung von Bohrlöchern, vorzugsweise mittels einer GRIN-Linse realisiert. Dieser Linsentyp wird in der Optik für verschiedene Zwecke eingesetzt. Beispielsweise wird in der DE 19819762 A1 ein Modulationsinterferometer beschrieben, bei dem eine GRIN-Linse (gradient index lens) verwendet wird.

Die Erfindung ermöglicht eine verbesserte Qualitätskontrolle in der industriellen Fertigung von Maschinenteilen mit gekrümmten, vor allem konkaven Oberflächen, zum Beispiel Zahnrädern, Einspritzdüsen und Bohrlöchern. Speziell in der Mikrosystemtechnik besteht ein Bedarf nach einer schnellen, präzisen und kostengünstigen Möglichkeit zum Untersuchen von Innenräumen von Bauteilen, da bereits kleinste Unregelmäßigkeiten an deren Innenwänden störend sind. Beispielsweise haben sie einen erheblichen Einfluß auf das Strömungsverhalten eines den Innenraum durchströmenden Fluids.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Die darin dargestellten Besonderheiten können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Niederkohärenzinterferometrischen Gerätes;
2 eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung der in ein Bohrloch eindringenden Meßsonde des in 1 dargestellten Gerätes;
3 eine Prinzipskizze des Meßkopfes eines Niederkohärenz-interferometrischen Gerätes in drei Phasen A, B und C zur Erläuterung des Zusammenwirkens von Feinabtastung und Abtastungsgrobeinstellung;
4 eine stark abstrahierte Prinzipskizze eines Abtastvorgangs in drei Phasen A, B und C mit verschiedenen Detektionspositionen des Fokusbereiches;
5 ein Ausführungsbeispiel eines Meßfühlers; und
6 die Abbildungsverhältnisse bei Verwendung mehrerer Meßlichtquellen.
Das in den 1 und 2 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Niederkohärenz-interferometrischen Gerätes besteht aus einem relativ zu einem zu untersuchenden Objekt beweglichen Meßkopf 1 und einer stationären Basiseinheit 4. Die Basiseinheit 4 enthält eine niederkohärente, breitbandige Meßlichtquelle 30, deren Licht über eine Linse 31 in eine Lichtleitfaser 32 eingekoppelt wird. Die Lichtleitfaser 32 leitet das Licht über einen optischen Verzweiger 33 der Lichtleitfaser 5 zu, die zu dem Meßkopf 1 führt. Die Lichtleitfasern 5 und 32 sind bevorzugt Single-Mode-Fasern.
In dem Meßkopf 1 wird das aus der Lichtleitfaser 5 austretende Licht mittels der Linse 10 kollimiert und einem Freistrahlteiler 13 zugeführt. Der Freistrahlteiler 13 teilt das Licht in einen Meßlichtweg 23 und einen Referenzlichtweg 22 auf.
Auf dem Referenzlichtweg 22 wird das Referenzlicht durch eine Linse 12 refokussiert und durch einen Spiegel 14 einer langgestreckten Referenzoptik 15 zugeführt. Die Referenzoptik 15 bildet einen von der Linse 12 erzeugten Fokus auf einen Referenzreflektor 16 ab. Nach Reflexion an dem Referenzreflektor 16 gelangt das Referenzlicht auf demselben Weg wieder zurück zu dem Freistrahlteiler 13. Der Freistrahlteiler 13 sowie die Referenzoptik 15 und der Referenzreflektor 16 sind in einer Strahlteilereinheit 2 des Meßkopfes 1 befestigt.
Auf dem Meßlichtweg 23 wird das Meßlicht von einer Linse 11 fokussiert und einer Meßoptik 17 zugeführt, die bevorzugt ebenso wie die Referenzoptik 15 des Referenzlichtweges als Staboptik mit einer GRIN-Linse ausgeführt ist. Die Meßoptik 17 ist Teil einer sehr dünnen Meßsonde 3 mit einem Durchmesser von ca. 500 bis 800 μm, die in Bohrlöcher mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm eingeführt werden kann. Auf der von dem Strahlteiler 13 abgewandten Seite der Meßoptik 17 ist in dem Meßlichtweg 23 ein Ablenkelement 18 angeordnet, das einen Meßlichtstrahl 23a auf die zu untersuchenden Oberfläche 19, im gezeigten Ausführungsbeispiel die Innenfläche eines Bohrloches, ablenkt. An einer lichtreflektierenden Stelle 19a der Oberfläche 19 der zu untersuchenden Probe wird das Meßlicht reflektiert und gelangt über das Ablenkelement 18, die Meßoptik 17 und die Linse 11 wieder zurück zu dem Strahlteiler 13, wo es mit dem Referenzlicht, das den Referenzlichtweg durchlaufen hat, zusammengeführt wird.
Die Intensität des von der untersuchten Oberfläche 19 reflektierten Meßlichtes ist je nach Beschaffenheit der Oberfläche großen Schwankungen unterworfen. Die damit verbundenen Probleme bei der Auswertung werden dadurch reduziert, daß bei dem in 1 gezeigten Niederkohärenz-interferometrischen Gerät der Referenzlichtweg eine konstante Länge hat. Deshalb sind die Intensitätsschwankungen des Referenzlichts, dessen Intensität in der Regel deutlich größer als die des Meßlichts ist, minimal.
Das in dem Strahlteiler 13 aus Meßlicht und Referenzlicht gebildete Detektionslicht wird über die Linse 10 wieder in die Lichtleitfaser 5 eingekoppelt und der Basiseinheit 4 und damit dem Detektor 35 zugeleitet. Im einfachsten Fall weist der Detektor 35 nur ein einziges Detektor-Element auf, bei dem es sich bevorzugt um eine PIN-Diode handelt.
Unterschiedliche Längen des Referenzlichtweges und des Meßlichtweges führen dazu, daß in dem Detektionslicht gewisse Wellenlängenbereiche aus dem Spektrum der Meßlichtquelle 30 durch destruktive Interferenz ausgelöscht sind. In der Basiseinheit 4 ist eine variable Wellenlängenselektionseinrichtung 34 angeordnet, die mit einer Steuer- und Auswerteeinheit 6 verbunden ist. Sie läßt bevorzugt Licht mit Wellenlängen, die einer vorbestimmten Folge von Wellenzahlen entsprechen, passieren. Diese Folge wird unter Kontrolle der Steuer- und Auswerteeinheit 6 so verstellt, daß die Abtastposition, auf die sich das von dem Detektor 35 erfaßte Niederkohärenzsignal bezieht, variiert wird. Nähere Informationen hierzu können der weiter oben zitierten WO 03/073041 A1 entnommen werden, deren Inhalt durch Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Stimmt die Abtastposition mit einer lichtreflektierenden Stelle der zu untersuchenden Oberfläche 19 überein, so wird von dem Detektor 35 ein Interferenzsignal erzeugt, das von der Steuer- und Auswerteeinheit 6 registriert wird. Für diese Abtastposition ermittelt die Steuer- und Auswerteeinheit 6 die gewünschte Abstandsinformation.
Eine Besonderheit des in 1 gezeigten Niederkohärenzinterferometrischen Gerätes besteht darin, daß der Meßlichtstrahl 23 von der Meßoptik 17 nicht in einen scharfen Lichtfleck (in der Größenordnung der Lichtwellenlänge) auf der zu untersuchenden Oberfläche 19 fokussiert wird, sondern in einen sich senkrecht zur Oberfläche 19 erstreckenden Fokusbereich 27, in dem sich die Breite des Meßlichtstrahles 23 nur geringfügig ändert. Dies wird, wie erläutert, durch eine Meßoptik 17 erreicht, die eine numerische Apertur von nicht mehr als 0,3, bevorzugt nur 0,05 bis 0,2 hat. Innerhalb des Fokusbereiches 27 wird die Abtastposition unter Kontrolle der Steuer- und Auswerteeinheit 6 längs einer Abtastgeraden 9 innerhalb eines Feinabtastbereiches 29 variiert, der ein Teil des Fokusbereiches ist und beispielsweise eine Länge von 100 μm haben kann (2).
Das Ablenkelement 18 ist, bevorzugt gemeinsam mit der Meßsonde 3, die die Meßoptik 17 enthält, mittels des Antriebs 20 um ihre Längsachse rotierbar, so daß ein ringförmiger Bereich der Innenfläche eines Bohrlochs untersucht werden kann. Zum Untersuchen der gesamten Innenfläche des Bohrlochs wird die Meßsonde 3 in Längsrichtung in das Bohrloch hineingeschoben. Bei schrittweiser Bewegung der Meßsonde 3 werden so die Innenflächen in aufeinanderfolgenden ringförmigen Bereichen abgetastet. Bevorzugt wird die Meßsonde 3 stetig bewegt, so daß die nacheinander abgetasteten lichtreflektierenden Stellen der Oberfläche 19 wendelförmig aneinander angrenzen.
Das Ablenkelement 18 ist bevorzugt als Prisma ausgeführt, kann aber beispielsweise auch ein Spiegel sein. Bevorzugt beträgt sein Ablenkwinkel (Winkel α zwischen der Achse der Meßoptik 17 und der Abtastgeraden 9) 90°, jedoch ist dies nicht zwingend. Auch wenn der Meßlichtstrahl 23 von dem Ablenkelement 18 um weniger oder auch mehr als 90° abgelenkt wird, können Bohrlöcher untersucht werden, sofern die Anordnung so ist, daß durch Rotation der Meßsonde 3 die Innenflächen eines Bohrlochs lückenlos abgetastet werden können. Ein Ablenkwinkel von 90° ist aber vorteilhaft, weil bei senkrechter Reflexion ein maximaler Anteil des Meßlichtes zurück in die Meßsonde 3 reflektiert wird. Bevorzugt ist das Ablenkelement 18 austauschbar. Es kann beispielsweise abnehmbar an der Meßoptik 17 befestigt sein oder eine aus Meßoptik 17 und Ablenkelement 18 bestehende Baueinheit kann insgesamt austauschbar sein, so daß die Meßsonde 3 jeweils optimal an das zu untersuchende Objekt (beispielsweise ein Bohrloch oder ein Zahnrad) angepaßt werden kann.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der gesamte Meßkopf 1 mittels einer Mehrachsenaktorik (nicht gezeigt) dreidimensional beweglich, wobei die Bewegung unter Kontrolle der Steuer- und Auswerteeinheit 6 präzise steuerbar ist. Innerhalb des Meßkopfes 1 ist der Abstand der Meßoptik 17 von dem Strahlteiler 13 mittels eines Aktuators 21 verstellbar. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, daß die gesamte Strahlteilereinheit 2 relativ zu der Meßsonde 3 verschiebbar ist.
Durch Änderung des Abstandes der Meßoptik 17 von dem Strahlteiler 13 kann die Position des Zentrums F₀ des Fokusbereiches 27 in Abtastrichtung so verschoben werden, daß sich die Wände des Bohrlochs innerhalb des Fokusbereichs 27 (bei mittig in dem Bohrloch 36 positionierter Meßsonde 3) befinden. Insbesondere kann die Position des Fokusbereiches 27 an eine Durchmesseränderung des Bohrlochs angepaßt werden, ohne daß ein auf der zu untersuchenden Oberfläche gebildeter Meßlichtfleck lateral verschoben wird.
Bei der beschriebenen Konstruktion wird der Feinabtastbereich 29 gleichgerichtet und synchron koaxial mit dem Fokusbereich verschoben, wobei auch der Betrag der Verschiebung für beide Bereiche gleich ist, also das Zentrum Q₀ des Feinabtastbereiches während der Verschiebung einen konstanten Abstand zu dem Zentrum F₀ des Fokusbereiches hat. Generell ist es vorteilhaft, wenn bei der Abtastungsgrobeinstellung die Verschiebung des Fokusbereiches 27 und die Verschiebung des Feinabtastbereiches 29 gleichgerichtet und synchron stattfindet, wobei eine Verschiebung um gleiche Beträge besonders vorteilhaft ist.
Da der Durchmesser eines zu untersuchenden Bohrlochs in der Regel (zumindest auf 100 μm genau) bekannt ist, kann der Abstand zwischen der Meßoptik 17 und dem Strahlteiler 13 vor dem Einbringen in das Bohrloch so eingestellt werden, daß die Oberfläche in dem Fokusbereich 27 liegt. Beispielsweise kann über eine (nicht gezeigte) Tastatur der Durchmesser des zu untersuchenden Bohrlochs, z.B. 3 mm oder 5 mm, an die Steuer- und Auswerteeinheit 6 übertragen werden.
Bevorzugt wird aber die Position des Fokusbereiches 27 automatisch, im dargestellten Fall durch Änderung des Abstandes zwischen der Meßsonde 3 und der Strahlteilereinheit 2, eingestellt. Dazu verwendet die Steuer- und Auswerteeinheit 6 die bei der Feinabtastung gewonnene Abstandsinformation. Die automatische Positionierung des Fokusbereiches 27 basiert auf einem Zusammenwirken der Feinabtastung und der Abtastungsgrobeinstellung, die anhand von 3 näher erläutert wird.
3 zeigt als stark schematisierte Prinzipskizze die in diesem Zusammenhang wesentlichen Funktionen eines erfindungsgemäßen Gerätes in drei Bewegungsphasen A, B und C. Das Gerät entspricht weitgehend der anhand der 1 und 2 erläuterten Ausführungsform, wobei jedoch der Meßlichtstrahl 23a ohne Ablenkelement gerade auf die abzutastende Oberfläche 19 gestrahlt wird und die Variation der Longitudinal-Abtastposition durch entsprechende Variation der Position des Referenzreflektors 16 bewirkt wird. Die Längen des Abtastbereiches und des Fokusbereiches sind mit q bzw. f bezeichnet und zur besseren Erkennbarkeit stark übertrieben dargestellt. Obwohl die Meßoptik 17 einfachheitshalber als einfache Linse dargestellt ist, handelt es sich selbstverständlich um eine vorzugsweise als Staboptik ausgebildete optische Anordnung mit einer numerischen Apertur von weniger als 0,3.
Die Teilfigur A zeigt einen Zustand, bei dem das Zentrum F₀ des Fokusbereiches 27 mit der lichtreflektierenden Stelle 19a der Oberfläche 19 übereinstimmt. Die Länge des Referenzlichtweges 22 ist so eingestellt, daß die Mitte Q₀ des Feinmeßbereiches 29 mit F₀ übereinstimmt. Dies bedeutet, daß die mit Q₀' bezeichnete Position des Referenzspiegels 16 so eingestellt ist, daß die optische Weglänge des Referenzlichtweges 22 (zwischen Strahlteiler 13 und Referenzreflektor 16) und die optische Weglänge des Meßlichtweges 23 (zwischen Referenzreflektor 13 und reflektierender Stelle 19a) übereinstimmt, wenn sich der Referenzspiegel in der mit Q₀' bezeichneten Lage befindet. Bei der Feinabtastung wird der Referenzspiegel 16 um ± q/2 oszillierend bewegt. Entsprechend bewegt sich die Longitudinal-Abtastposition um ± q/2 in dem Feinabtastbereich 29.
Die Teilfigur B zeigt eine Bewegungsphase, bei der die Oberfläche 19 gegenüber der Teilfigur A um Δs nach rechts verschoben ist. Da die Feinabtastung sehr schnell ist, wird die neue Position der Oberfläche sofort detektiert. Das entsprechende Referenzsignal wird von dem Detektor erfaßt, wenn sich der Referenzspiegel 16 in der mit Q₁' bezeichneten um Δq verschobenen Position befindet. Die Position des Fokusbereiches 27 ist noch die gleiche wie bei Teilfigur A (Δf = 0).
Die im Rahmen der vorausgehenden Feinabtastung erkannte Verschiebung der Oberfläche 19 wird von der Steuer- und Auswerteeinheit des Gerätes zu einem Steuersignal für den Aktuator 21 verarbeitet, der die erforderliche Abtastgrobanpassung durch entsprechende Verschiebung des Fokusbereiches 27 und des Abtastbereiches 29 (d.h. der Mittelpunkte F₀ und Q₀ dieser Bereiche) bewirkt. Dadurch werden der Strahlteiler 13 und der Referenzreflektor 16 (bei der dargestellten Ausführungsform auch die Meßoptik 17) um einen Betrag Δf = Δs so verschoben, daß F₀ und Q₀ wieder in der Longitudinalposition der lichtreflektierenden Stelle liegen (Teilfigur C). Der Mittelpunkt des Abtastbereiches befindet sich wieder in der ursprünglichen (in Teilfigur A mit Q₀' bezeichneten) Position (Δq = 0).
Für den praktischen Erfolg der Erfindung ist wichtig, daß die Feinabtastung sehr viel schneller stattfindet, als die Abtastgrobeinstellung. Quantitativ kann man sagen, daß die mittlere Abtastgeschwindigkeit der Feinabtastung v_q, die sich aus der Länge q des Abtastbereiches und der Periodendauer T der Feinabtastung berechnen läßt gemäß v_q = q/T, mindestens zehn mal so groß ist wie die maximale Geschwindigkeit v_f,max der Bewegung des Zentrums F₀ des Fokusbereiches bei der Abtastungsgrobeinstellung. Dadurch wird jede Änderung der Position der bei der Feinabtastung erfaßten lichtreflektierenden Stelle sofort detektiert. Dies ermöglicht nicht nur eine schnelle Erfassung auch feiner Oberflächenstrukturen, sondern auch eine praktisch verzögerungsfreie Nachregelung der Position von F₀ und Q₀ im Rahmen der Abtastungsgrobeinstellung.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform erfolgt die Abtastungsgrobeinstellung dadurch, daß innerhalb des Meßkopfes 1 eine entsprechende Verschiebung (der Komponenten 13, 16 und 17) stattfindet. Für manche Anwendungszwecke, insbesondere für die Abtastung relativ großer Objekte mit komplizierten Oberflächen ist es vorteilhaft, wenn stattdessen der gesamte Meßkopf 1 präzise kontrolliert dreidimensional bewegt wird. Entsprechende Technologien stehen beispielsweise aus der Robotertechnik zur Verfügung.
4 veranschaulicht eine Oberflächenprofildetektion einer Oberfläche 19, die eine Stufe aufweist. Zum Abtasten verschiedener lichtreflektierender Stellen 19a der Oberfläche 19 wird der Meßlichtstrahl 23 lateral in die gezeigten Detektionspositionen A, B und C bewegt. Bei der Detektionsposition A befindet sich das Zentrum F₀ des Fokusbereiches 27, das im folgenden als mit dem Zentrum Q₀ des Feinabtastbereiches übereinstimmend angenommen wird, unterhalb der Oberfläche 19. Von der Steuer- und Auswerteeinheit 6 wird deshalb der Abstand zwischen Q₀ und der Oberfläche 19 mit einem negativen Vorzeichen registriert. Anschließend wird der Meßlichtstrahl durch eine Lateralbewegung des Meßkopfes 1 entlang der Oberfläche 19 in die Detektionsposition B bewegt. Bedingt durch die in 2 gezeigte Stufe in dem Profil der Oberfläche 19 befinden sich Q₀ und F₀ nun oberhalb der Oberfläche 19, so daß der Abstand zwischen dem Zentrum 28 des Fokusbereiches 27 und der lichtreflektierenden Stelle der Oberfläche 19 mit einem positiven Vorzeichen registriert wird.
Während für die Detektionsposition A der Abstand zwischen dem Zentrum F₀ des Fokusbereiches 27 und der Oberfläche 19 relativ klein ist, ist in der Detektionsposition B der Abstand des Zentrums F₀ von der Oberfläche 19 relativ groß. Bei der anschließenden Lateralbewegung in die Detektionsposition C werden deshalb der Fokusbereich 27 und der Feinabtastbereich 29 von der Steuer- und Auswerteeinheit näher zur Oberfläche 19 bewegt. Ein solches Verschieben in Abtastrichtung erfordert eine Bewegung des Meßkopfes 1 oder der Strahlteilereinheit 2 relativ zu der Meßsonde 3. Dies ist wegen der zu bewegenden Masse nur wesentlich langsamer möglich als das Variieren der Abtastposition innerhalb des Fokusbereiches. Deshalb sind Bewegungen des Meßkopfes 1 in Abtastrichtung in der Regel auch langsamer, als dessen gleichmäßige Lateralbewegung entlang der Oberfläche 19. Obwohl von der Steuer- und Auswerteeinheit bereits während der Lateralbewegung des Meßkopfes von der Detektionsposition B zur Detektionsposition C (z.B. durch Betätigen des in 1 gezeigten Aktuators) eine Bewegung des Fokusbereiches 27 in Abtastrichtung gestartet wurde, hat F₀ in der Detektionsposition C noch nicht seine optimale Lage nahe der Oberfläche 19 erreicht. Der beim Übergang von der Detektionsposition B in die Detektionsposition C eingeleitete Einstellvorgang der Lage des Fokusbereiches 27 wird deshalb auch beim Übergang in (nicht gezeigte) weitere Detektionspositionen fortgesetzt, bis der Abstand zwischen F₀ und der Oberfläche 19 einen vorgegebenen Schwellenwert nicht mehr überschreitet.
Um möglichst rasch ein Oberflächenprofil einer Oberfläche 19 ermitteln zu können, wird also von der Steuer- und Auswerteeinheit 6 die in einer ersten Detektionsposition beim Abtasten einer ersten lichtreflektierenden Stelle der Oberfläche 19 gewonnene Abstandinformation von der Oberfläche 19 dazu genutzt, bereits während einer Lateralbewegung zu einer zweiten Detektionsposition eine Bewegung des Fokusbereiches 27 in Abtastrichtung zu steuern. Auf diese Weise muß der Fokusbereich 27 nicht für jede Detektionsposition einzeln eingestellt werden. Statt dessen wird der Fokusbereich 27 kontinuierlich unter Benutzung der für die jeweils vorhergehende Detektionsposition ermittelten Abstandsinformation in Abtastrichtung verschoben. Da sich Oberflächenprofile auf einer Längenskala von einigen 10 Mikrometern bei konkaven Oberflächen 19 von Bauteilen meist stetig ändern, läßt sich durch die beschriebene Steuerung einer Bewegung des Fokusbereiches 27 die Geschwindigkeit, mit der eine konkave Oberfläche 19 untersucht werden kann, wesentlich erhöhen.
Eine Besonderheit des in 1 gezeigten interferometrischen Gerätes besteht darin, daß in dem Meßkopf 1 eine CCD-Kamera 42 angeordnet ist. Mittels dieser CCD-Kamera 42 wird ein Bild der zu untersuchenden Oberfläche 19 im sichtbaren Spektralbereich erfaßt, während der Detektor 35 bevorzugt für Licht im nahen infraroten Spektralbereich sensitiv ist.
Der Meßkopf 1 enthält eine zweite Lichtquelle 46 zum Erzeugen von sichtbarem Licht für die CCD-Kamera 42. Diese zweite Lichtquelle 46 ist eine Ringleuchte, die um den Meßlichtweg herum angeordnet ist. Von der zweiten Lichtquelle 46 ausgesandtes Licht gelangt durch die Meßoptik 17 zu dem zu untersuchenden Objekt. Das Ablenkelement 18 ist als ein Strahlteiler-Würfel ausgebildet, der an seiner 45° Grenzschicht eine Reflexionsschicht 37 aufweist, die für Licht des nahen infraroten Spektralbereichs reflektierend wirkt und für Licht des sichtbaren Spektralbereichs durchlässig ist. Folglich wird das in 2 mit dem Pfeil 25 symbolisierte Licht für die CCD-Kamera 42 von ihm nicht abgelenkt, während Licht des nahen infraroten Spektralbereichs von dem Ablenkelement 18 zu der zu untersuchenden Oberfläche abgelenkt wird. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird das von der CCD-Kamera 42 erfaßte Licht des sichtbaren Spektralbereiches vom Grund eines Bohrlochs reflektiert.
Das vom Grund des Bohrloches reflektierte sichtbare Licht gelangt durch das Ablenkelement 18 zurück in die Meßoptik 17 und wird über die Linse 11 dem Strahlteiler 13 zugeführt. Dort wird es über eine Linse 40 und einen Spiegel 41 auf eine CCD-Kamera 42 gelenkt. Zur Verbesserung der Bildqualität ist vor der CCD-Kamera 42 ein optisches Filter 44 angeordnet, das Licht aus dem nahen infraroten Spektralbereich abhält. Die CCD-Kamera 42 ist über ein Kabel 45 mit einer Bildverarbeitungseinheit verbunden, die Teil der im Basisteil 4 angeordneten Steuer- und Auswerteeinheit 6 ist.
Mittels der Bildverarbeitungseinheit werden aus dem von der CCD-Kamera 42 erfaßten Bild des Objektes Koordinaten zur Steuerung des Meßkopfes 1 gewonnen, insbesondere der Mittelpunkt eines zu untersuchenden Bohrloches bestimmt. Auf Basis dieser Daten kann die Meßsonde 3 zu diesem Mittelpunkt hingeführt werden. Auf diese Weise ist es leichter und schneller möglich, die Meßsonde 3 in ein Bohrloch einzuführen, da die Gefahr einer Beschädigung des Meßfühlers 3 durch eine Kollision mit dem Objekt vermieden wird.
Ein weiterer Vorteil der CCD-Kamera 42 liegt darin, daß das von ihr erfaßte Bild dazu genutzt werden kann, eine in der Praxis kaum vermeidbare Exzentrizität der rotierenden Meßsonde 3 zu erfassen und zu kalibrieren. Da das von der CCD-Kamera 42 erfaßte Licht von der Meßoptik 17 abgebildet wird und sichtbares Licht von dem Ablenkelement 18 allenfalls unwesentlich beeinflußt wird, macht sich eine Exzentrizität der rotierenden Meßsonde 3 darin bemerkbar, daß das sichtbare Licht von der Meßoptik 17 nicht in einen kreisförmigen Bereich, sondern in einen sich zyklisch bewegenden Bereich auf die zu untersuchende Oberfläche 19 abgebildet wird. Mittels der CCD-Kamera 42 kann auf diese Weise eine Exzentrizität der rotierenden Meßsonde 3 erfaßt und beim Ermitteln einer Ortsinformation über die zu untersuchende Oberfläche 19 berücksichtigt werden.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Meßsonde 3. Wie im Vorhergehenden erläutert wurde, sind die wesentlichen Elemente der Meßsonde 3 die Staboptik 17 und das Ablenkelement 18. Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Ablenkelement 18 als Strahlteiler ausgeführt, der mit einem im nahen infraroten Spektralbereich wirksamen Spiegel 38 kombiniert ist. Dieser Strahlteiler weist eine Reflexionsschicht 37 auf, die für Licht des nahen infraroten Spektralbereichs halb durchlässig ist. Auf diese Weise wird das aus der Meßoptik 17 austretende Meßlicht 23 in zwei entgegengesetzt verlaufende Teilstrahlen 23b und 23c aufgeteilt, so daß gleichzeitig zwei gegenüberliegende lichtreflektierende Stellen 7, 8 eines Bohrlochs abgetastet werden können.
Mittels des als Strahlteiler ausgebildeten Ablenkelements 18 werden zwei Meßlichtwege geschaffen, die sich geringfügig unterscheiden. Auf einem ersten Meßlichtweg wird der erste Teilstrahl des Meßlichts nämlich sofort von der Reflexionsschicht 37 des Ablenkelements 18 um 90° abgelenkt und der zu untersuchenden Oberfläche 19 zugeführt. Auf dem zweiten Meßlichtweg tritt der zweite Teilstrahl des Meßlichts zunächst durch die Reflexionsschicht 37 hindurch, wird dann von dem Spiegel 38 reflektiert und nach erneutem Eintritt in den Strahlteiler von der Reflexionsschicht 37 reflektiert und der zweiten lichtreflektierenden Stelle 8 der zu untersuchenden Oberfläche 19 zugeführt. Von der Oberfläche 19 reflektiertes Meßlicht gelangt über die beiden beschriebenen Meßlichtwege wieder zurück zu der Meßoptik 17 und von dort zu dem Detektor 35. Der Spiegel 38 ist bevorzugt leicht gewölbt, damit die beiden Fokusbereiche 27 jeweils denselben Abstand zu dem Ablenkelement 18 haben.
Der durch die Anordnung des Strahlteilers 37 und des Spiegels 38 bedingten Weglängenunterschied der beiden Meßlichtwege ist aus den Abmessungen der Meßsonde 3 bekannt. Der übrige Weglängenunterschied der beiden Meßlichtwege hängt davon ab, wie genau der Meßfühler 3 im Mittelpunkt des Bohrloches sitzt. Mittels der Steuer- und Auswerteeinheit 6 kann (beispielsweise gemäß der WO 03/073041) für jeden der beiden Meßlichtwege und damit für die beiden gegenüberliegenden lichtreflektierenden Stellen 7, 8 der zu untersuchenden Oberflächen 19 jeweils eine Abstandsinformation gewonnen werden.
Mit der in 5 gezeigten Meßsonde 3 kann folglich nicht nur die Geschwindigkeit erhöht werden, mit der ein Bohrloch untersucht werden kann, sondern es läßt sich auch unabhängig von der beschriebenen CCD-Kamera 42 eine mechanische Exzentrizität der Meßsonde 3 bestimmen und kompensieren. Wenn sich nämlich der Strahlteiler 37 in einer vom Mittelpunkt des Bohrlochs abweichenden Position befindet, ist der Abstand der gegenüberliegenden lichtreflektierenden Stellen 7, 8 der zu untersuchenden Oberfläche 19 zum Strahlteiler 37 unterschiedlich. Dieser Unterschied wird über die in der Steuer- und Auswerteeinheit 6 gewonnene Abstandsinformation ermittelt und kann zum Kompensieren der Exzentrizitäten genutzt werden. Insbesondere läßt sich auf diese Weise die Präzision, mit der ein Durchmesser des Bohrlochs ermittelt werden kann, erhöhen.
Bei einer geeigneten Ausgestaltung der Reflexionsschicht 37 ist es möglich, zwei Wellenlängen gleichzeitig zur Niederkohärenz-interferometrischen Abtastung verschiedener Oberflächenpunkte zu nutzen. Dazu ist die Reflexionsschicht 37 für Licht eines ersten Wellenlängenbereichs, beispielsweise um 830 nm, halb durchlässig und für Licht eines zweiten Wellenlängenbereiches, beispielsweise um 1.300 nm, durchlässig. In der Steuer- und Auswerteeinheit 6 lassen sich diese beiden Wellenlängenbereiche trennen und daraus verschiedene Niederkohärenz-interferometrische Signale erzeugen und auswerten. Während das Meßlicht im Bereich des ersten Wellenlängenbereichs durch den im vorhergehenden beschriebenen Strahlverlauf eine Information über Wände des Bohrlochs vermittelt, kann mit dem Meßlicht des zweiten Wellenlängenbereichs der Grund eines Bohrlochs untersucht werden. Dabei ist es insbesondere auch möglich, hinter dem ersten Ablenkelement 18 ein weiteres Ablenkelement (nicht gezeigt) anzuordnen, mit dem Licht des zweiten Wellenlängenbereichs um einen Winkel zwischen 0° und fast 180°, bevorzugt 90°, abgelenkt und so ebenfalls zur Untersuchung der Wände des Bohrlochs genutzt werden kann. Auf diese Weise können gleichzeitig benachbarte lichtreflektierende Stellen der Oberfläche 19 untersucht werden.
Um die Geschwindigkeit, mit welcher eine Oberfläche 19 untersucht werden kann, weiter zu erhöhen, können – wie in 6 dargestellt – mehrere voneinander beabstandete Meßlichtquellen 30 verwendet werden. Die Meßlichtquellen 30 sind beispielsweise mittels eines parallelen Lichtleitfaser-Arrays entlang einer Linie angeordnet. Über eine rotierende Zusatzoptik 50 werden Meßlichtquellen 30 von der ebenfalls rotierenden Meßoptik 17 stets winkelrichtig auf die Innenfläche eines Bohrlochs übertragen.
In dem Basisteil 4 ist für jede einzelne der Meßlichtquellen 30 ein eigener Detektor 35 oder ein Detektorelement eines gemeinsamen Detektors 35 vorgesehen. Auf diese Weise läßt sich bei Verwendung von drei Meßlichtquellen 30 eine Oberfläche 19 dreimal so schnell untersuchen. Selbstverständlich ist die Anzahl der verwendeten Meßlichtquellen 30 aber nicht notwendigerweise auf drei beschränkt.
Die Zusatzoptik 50 ist als Prisma mit einer ungeraden Anzahl von Reflexionen, beispielsweise als Dove-Prisma oder ein Schmidt-Pechan-Prisma ausgebildet. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Zusatzoptik 50 als kegelstumpfförmiges Dove-Prisma ausgeführt, das mittels eines Motors 51 um dieselbe geometrische Achse wie die Meßsonde 3 rotierbar ist. Wie man anhand des gezeigten Strahlengangs des Meßlichts durch das Dove-Prisma 50 erkennt, wird von der Linse 11 kommendes Meßlicht bei Eintritt in das Prisma 50 dessen Basisfläche 52 zugeführt und dort reflektiert, so daß es zur Seite 53 austritt. Rotiert das Dove-Prisma 50 um dieselbe Achse wie die Meßoptik 17 der Meßsonde 3 mit der halben Umdrehungsgeschwindigkeit der Meßoptik 17, so werden die entlang einer Linie angeordneten Meßlichtquellen 30 stets winkelrichtig auf die zu untersuchende Oberfläche 19 eines Bohrlochs projiziert.

1: Meßkopf
2: Strahlteilereinheit
3: Meßsonde
4: Basiseinheit
5: Lichtleitfaser
6: Steuer- und Auswerteeinheit
7: lichtreflektierende Stelle
8: lichtreflektierende Stelle
9: Abtastgerade
10: Linse
11: Linse
12: Linse
13: Strahlteiler
14: Spiegel
15: Referenzoptik
16: Referenzreflektor
17: Meßoptik
18: Ablenkelement
19: Oberfläche
19a: lichtreflektierende Stelle
20: Antrieb
21: Aktuator
22: Referenzlichtweg
23: Meßlichtweg
23a: Meßlichtstrahl
24: Referenzpunkt
25: CCD-Licht
27: Fokusbereich
28: Zentrum des Fokusbereiches
29: Feinabtastbereich
30: Meßlichtquelle
31: Linse
32: Lichtleitfaser
33: Verzweiger
34: Wellenlängenselektionseinrichtung
35: Detektor
36: Bohrloch
37: Reflexionsschicht
38: Spiegel
40: Linse
41: Spiegel
42: CCD-Kamera
44: Filter
45: Kabel
46: Lichtquelle
50: Zusatzoptik
51: Motor
52: Basisfläche
53: Seite

Claims

Niederkohärenz-interferometrisches Verfahren zur lichtoptischen Abtastung einer Oberfläche (19) eines Objektes, insbesondere einer gekrümmten Oberfläche, mittels eines auf die Oberfläche gerichteten Meßlichtstrahls (23a) und eines Kurzkohärenz-Interferometers, das eine kurzkohärente Meßlichtquelle (30), einen Referenzreflektor (16), eine Meßoptik (17), einen Detektor (35) und eine mit dem Detektor (35) verbundenen Steuer- und Auswerteeinheit (6) umfaßt, bei welchem durch Bewegung des Meßlichtstrahls (23a) relativ zu der Oberfläche unterschiedliche Lateralabtastpositionen eingestellt werden, bei denen der Meßlichtstrahl (23a) auf unterschiedliche lichtreflektierende Stellen (19a) der Oberfläche auftrifft, zur Bestimmung einer Abstandsinformation über die jeweils von dem Meßlichtstrahl beleuchtete Stelle (19a) der Oberfläche Longitudinal-Abtastschritte durchgeführt werden, bei denen eine Übereinstimmung einer entlang einer quer zu der Oberfläche verlaufenden Abtastlinie veränderlichen Abtastposition mit der Position einer lichtreflektierenden Stelle (19a) an der Oberfläche (19) des Objektes detektiert wird, wobei – das von der Meßlichtquelle (30) ausgehende Licht mittels eines Strahlteilers (13) auf einen Meßlichtweg (23) und einen Referenzlichtweg (21) aufgeteilt wird, – ein erster Teil des Lichtes als fokusierter Meßlichtstrahl (23a) auf das Objekt gestrahlt und an der lichtreflektierenden Stelle (19a) reflektiert wird, – ein zweiter Teil des Lichtes als Referenzlicht auf den Referenzreflektor (16) gestrahlt und dort reflektiert wird, und – das reflektierte Meßlicht und das reflektierte Referenzlicht an einer Strahlzusammenführung so zusammengeführt werden, daß das resultierende Detektionslicht beim Auftreffen auf den Detektor (35) ein Interferenzsignal erzeugt, das eine Information über die Stärke der Reflexion des Meßlichtes in Abhängigkeit von der jeweils eingestellten Longitudinal-Abtastposition enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßlichtstrahl (23a) mittels einer Meßoptik (17), die eine numerische Apertur von nicht mehr als 0,3 hat, in einen sich in Abtastrichtung um einen Zentralpunkt (28) erstreckenden Fokusbereich (27) fokussiert wird, und die Abtastposition unter Kontrolle der Steuer- und Auswerteeinheit (6) entlang der Abtastlinie innerhalb eines Feinabtastbereiches (29) variiert wird, der mindestens teilweise mit dem Fokusbereich (27) übereinstimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Änderung der Lateralabtastposition zur Anpassung an die Form der Oberfläche eine Abtastungsgrobeinstellung stattfindet, bei der der Feinabtastbereich (29) und der Fokusbereich (27) mittels der Steuer- und Auswerteeinheit (6) gleichgerichtet koaxial mit dem Meßlichtstrahl verschoben werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abtastungsgrobeinstellung das Zentrum (Q₀) des Feinabtastbereiches einen konstanten Abstand zu dem Zentrum (F₀) des Fokusbereichs (27) hat, vorzugsweise mit dem Zentrum (F₀) des Fokusbereichs (27) übereinstimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abtastungsgrobeinstellung die Position des Fokusbereichs (27) unter Kontrolle der Steuer- und Auswerteeinheit (6) unter Verwendung einer vorgegebenen Sollkurve verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß von der vorgegebenen Sollkurve abgewichen wird, wenn die Longitudinal-Abtastung ergibt, daß der Abstand des Zentrums (F₀) des Fokusbereichs (27) von der Oberfläche (19) einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abtastungsgrobeinstellung die bei mindestens einem vorausgehenden Longitudinal-Abtastschritt gewonnene Abstandsinformation zum Steuern der Verschiebung des Fokusbereiches (27) genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßlicht zwischen der Meßoptik (17) und der Oberfläche (19) ein Ablenkelement (18) durchläuft, durch welches es, vorzugsweise um 90°, in Richtung auf die Oberfläche abgelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkelement (18) ein Prisma ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkelement (18) mittels eines Antriebes (20) rotiert wird, um den Meßlichtstrahl (23a) auf einen ringförmigen Bereich der Oberfläche (19) der Probe zu richten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkelement (18) das Meßlicht in zwei Teilstrahlen aufteilt, die in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkelement (18) ein Strahlteiler ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß, der Meßlichtstrahl in Teilstrahlen verschiedener Wellenlängenbereiche aufgeteilt wird, die Teilstrahlen verschiedenen lichtreflektierenden Stellen der Oberfläche zugeführt werden, die reflektierten Teilstrahlen gemeinsam mit dem Referenzlicht zusammengeführt werden, und für jeden der verschiedenen Wellenlängenbereiche ein Niederkohärenz-Interferenzsignal erzeugt und von der Steuer- und Auswerteeinheit (6) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß, die beiden Teilstrahlen jeweils durch ein Ablenkelement (18) in Richtung auf die Oberfläche (19) abgelenkt werden, vorzugsweise um 90° abgelenkt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektionslicht mittels einer variablen Wellenlängenselektionseinrichtung (34) in Abhängigkeit von seiner Wellenlänge derartig selektiert wird, daß zu dem Detektor (35) selektiv bevorzugt Licht mit Wellenlängen gelangt, die einer vorbestimmten Folge von Wellenzahlen entsprechen.
Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Kurzkohärenz-Interferometer, das eine kurzkohärente Meßlichtquelle (30), einen Referenzreflektor (16), einen Strahlteiler (13), eine Meßoptik (17), einen Detektor (35) und eine mit dem Detektor (35) verbundenen Steuer- und -Auswerteeinheit (6) umfaßt, und einer Steuer- und Auswerteeinheit (6) zur Steuerung der zur Einstellung unterschiedlicher Lateralabtastpositionen erforderlichen Relativbewegung des Meßlichtstrahls relativ zu der Oberfläche und zur Steuerung der Longitudinalabtastung, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßoptik eine numerische Apertur von nicht mehr als 0,3 hat, so daß das Meßlicht in einen sich in Abtastrichtung um einen Zentralpunkt (28) erstreckenden Fokusbereich (27) fokussiert wird, und die Steuer- und Auswerteeinheit (6) eine Feinabtastung steuert, bei der die Abtastposition entlang der Abtastlinie innerhalb eines Feinabtastbereiches variiert wird, der ein Teilbereich des Fokusbereiches ist.
Gerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßoptik (17) eine Staboptik ist.
Gerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßoptik (17) eine GRIN-Linse einschließt.
Gerät nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßoptik (17) eine numerische Apertur von mindestens 0,05 und höchstens 0,2 hat.
Gerät nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abtastungsgrobeinstellung der Abstand der Meßoptik (17) von dem Strahlteiler (13) veränderlich ist.
Gerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (13) und der Referenzreflektor (16) an einer Strahlteilereinheit (2) befestigt sind, die zur Änderung des Abstandes, von der Meßoptik (17) relativ zu dieser verschiebbar ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßoptik (17) in eine dünne Meßsonde, vorzugsweise mit einem Durchmesser von weniger als 3 mm, besonders bevorzugt weniger als 1 mm, integriert ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (13), der Referenzreflektor (16) und die Meßoptik (17) in einem relativ zu der Probe beweglichen Meßkopf (1) angeordnet sind.
Gerät nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinheit (6) einen Motor steuert, mittels dem der Meßkopf (1) relativ zu dem Objekt beweglich ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 15 bis 23; dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (1) eine CCD- Kamera (42) enthält, die ein Bild des Objektes erfaßt, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (6) mittels einer Bildverarbeitungseinheit aus dem Bild Koordinaten zur Steuerung des Meßkopfes (1) ermittelt.
Gerät nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das von der CCD-Kamera (42) erfaßte Bild von der Meßoptik (17) abgebildet wird.
Gerät nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (35) und die CCD-Kamera (42) in unterschiedlichen spektralen Wellenlängenbereichen sensitiv sind.
Gerät nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die CCD-Kamera (42) für Licht aus dem sichtbaren Spektralbereich sensitiv ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (35) für Licht aus dem infraroten, insbesondere dem nahen infraroten Spektralbereich sensitiv ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Lichtquelle (46) zum Erzeugen des von der CCD-Kamera (42) erfaßten Lichtes vorgesehen ist.
Gerät nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lichtquelle (46) eine Ringleuchte ist, die im Meßkopf (1) um den Meßlichtweg herum angeordnet ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 15 bis 30; dadurch gekennzeichnet, daß es mehrere kurzkohärente Meßlichtquellen (30) aufweist, die Licht zum Erzeugen eines Interferenz-Signals aussenden, wobei eine Zusatzoptik (50) diese Meßlichtquellen (30) über die Meßoptik (17) entlang einer Linie auf die zu untersuchende Oberfläche (19) abbildet.
Gerät nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzoptik (50) ein Prisma mit einer ungeraden Anzahl von Reflexionen, vorzugsweise ein Dove-Prisma oder ein Schmidt-Pechan-Prisma, enthält, das mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit rotierbar ist, die halb so groß, wie die Umdrehungsgeschwindigkeit der Meßoptik (17) ist.