DE10317828B3

DE10317828B3 - Verfahren und Vorrichtung zur interferometrischen Untersuchung eines Messobjekts

Info

Publication number: DE10317828B3
Application number: DE2003117828
Authority: DE
Inventors: Alexander Dipl.-Phys. Bai; Christof Dipl.-Ing. Bosbach; Frank Dipl.-Ing. Depiereux
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-04-17

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur interferometrischen Untersuchung eines Messobjekts (1) vorgestellt, bei denen mehrere Messstrahlen gleichzeitig über die Oberfläche eines Messobjekts (1) gerastert werden. Zur Erzeugung der mehreren Messlichtbündel (21, 22) wird Quelllichtstrahlung in verschiedenen Zonen unterschiedlich codiert, zum Beispiel über eine Farbcodierung, und die utnerschiedlich codierten Anteile mittels eines Lichtmodulators, zum Beispiel einer DMD-Einheit (9), gebündelt und in der Rasterbewegung geführt. Die unterschiedlich codierten Lichtanteile werden in einer Auswerteeinheit (27) getrennt voneinander und gleichzeitig ausgewertet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur interferometrischen Untersuchung eines Messobjekts, wobei die Vorrichtung mindestens eine inkohärentes oder kurzkohärentes Quelllicht emittierende Lichtquelle, eine Quelllicht in Referenzlicht und Messlicht aufteilende erste Interferometereinheit und Mittel zur Einkopplung des vom Messobjekt reflektierten Messlichts und des Referenzlichts in eine zweite Interferometereinheit sowie einen Detektor aufweisende Auswerteinrichtung umfasst.

Ein interferometrisches Verfahren sowie eine interferometrische Messvorrichtung der vorgenannten Art sind zum Zwecke der absoluten Abstandsmessung aus der DE 195 20 305 A1 bekannt. Danach wird ein einzelnes Messlichtbündel an einem Messobjekt reflektiert, das sich in einem bestimmten, zu ermittelnden Abstand zu einem Referenzobjekt, nämlich einem Strahlteiler der ersten Interferometereinheit befindet. Dieser Abstand erzeugt zwischen Referenzlichtbündel und Messlichtbündel einen optischen Wegstreckenunterschied, der dem doppelten zu ermittelnden Abstand entspricht. Referenzlichtbündel und Messlichtbündel werden der zweiten Interferometereinheit zugeführt. Durch unterschiedliche Strahlengänge in der zweiten Interferometereinheit wird der optische Wegstreckenunterschied zwischen Messlichtbündel und Referenzlichtbündel ausgeglichen, so dass über eine Interferenz zwischen Messlichtbündel und Referenzlichtbündel in der zweiten Interferometereinheit eine Aussage über den zu messenden Abstand getroffen werden kann.

Aus der US 2003/0025913 A1 sind ein interferometrisches Messverfahren sowie eine interferometrische Messvorrichtung für kurzkohärentes Licht bekannt, denenzufolge eine Oberfläche mit einem Messlichtstrahl abgerastert wird. Es wird eine Frequenzcodierung des Messlichts eingesetzt, welche zur Unterscheidung unterschiedlicher optischer Verzögerungen dient, so dass unterschiedliche Tiefen am Messobjekt gleichzeitig gemessen werden können.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die eine erheblich erhöhte Messgeschwindigkeit erlauben.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem

a) ein eine Vielzahl von einzeln schaltbaren und/oder steuerbaren Modulatorelementen aufweisender räumlicher Lichtmodulator mit inkohärentem oder kurzkohärentem Quelllicht flächig beleuchtet wird, wobei mindestens zwei Anteile des Quelllichts auf unterschiedliche Weise codiert werden und jeder unterschiedlich codierte Anteil einen anderen Bereich des räumlichen Lichtmodulators flächig beleuchtet,
b) mittels der Modulatorelemente aus jedem unterschiedlich codierten Anteil des Quelllichts ein separates Quelllichtbündel gebildet und in eine erste Interferometereinheit eingekoppelt wird,
c) in der ersten Interferometereinheit jedes Quelllichtbündel jeweils in ein Messlichtbündel und ein zugehöriges Referenzlichtbündel aufgeteilt wird,
d) die Messlichtbündel flächig voneinander getrennt über die zu untersuchende Messobjektoberfläche gerastert werden,
e) die von der Messobjektoberfläche reflektierten Messlichtbündel und die zugehörigen Referenzlichtbündel einer zweiten Interferometereinheit zugeführt werden,
f) in der zweiten Interterometereinheit Anteile jedes Messlichtbündels jeweils mit Anteilen des zugehörigen Referenzlichtbündels nach Durchlaufen unterschiedlicher optischer Wegstrecken überlagert und auftretende Interferenzen in Zuordnung zur jeweiligen optischen Wegstrecke festgestellt werden, und
g) die von den miteinander interferierenden Anteilen des Messlichts und des zugehörigen Referenzlichts in der zweiten Interferometereinheit zurückgelegten optischen Wegstrecken nach den Codierungen getrennt ausgewertet werden.

Da auf diese Weise die Messobjektoberfläche durch mindestens zwei Messlichtbündel gleichzeitig gerastert wird, kann gegenüber dem oben dargestellten Stand der Technik die Messgeschwindigkeit entsprechend um mindestens den Faktor zwei erhöht werden. Zudem kann mit hoher Flexibilität gemessen werden. So ist es z.B. möglich, die Messlichtbündel unabhängig voneinander über lediglich die Bereiche der Objektoberfläche zu rastern, die in besonderer Weise interessieren. Ein Abrastern der gesamten Oberfläche ist somit nicht erforderlich.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass als räumlicher Lichtmodulator eine digitale Spiegeleinheit (Digital Mirror Device, DMD) verwendet wird. Derartige Mikrospiegel sind zum Beispiel aus der DE 198 11 202 C2 bekannt, wo sie dazu verwendet werden, bei einem konfokalen Scanmikroskop eine zu vermessende Oberfläche mit einer Mehrzahl von Lichtpunkten abzurastern. Die einzelnen Mikrospiegelelemente der Spiegeleinheit sind unabhängig voneinander steuerbar, so dass Gruppen von Mikrospiegelelementen jeweils für ein Quelllichtbündel zuständig sein können. Ein Quelllichtbündel kann alternativ auch durch ein einzelnes Mikrospiegelelement erzeugt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass als räumlicher Lichtmodulator eine Flüssigkristallanzeige (LCD) eingesetzt wird. Die Flüssigkristallanzeige kann für bestimmte Bereiche undurchlässig für die eingesetzte Strahlung geschaltet werden, so dass separate Quelllichtbündel erzeugbar sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgeführt werden, dass eine Farbcodierung verwendet wird, indem das Quelllicht in mindestens zwei Anteile mit unterschiedlichen Wellenlängen oder unterschiedlichen Wellenlängenbereichen aufgeteilt wird. Quelllichtbündel mit unterschiedlichen Wellenlängen können völlig unabhängig voneinander über die Messobjektoberfläche geführt und separat ausgewertet werden.

Alternativ ist es auch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren so auszuführen, dass eine Intensitätscodierung verwendet wird, indem das Quelllicht in mindestens zwei Anteile mit unterschiedlichen Intensitätswerten aufgeteilt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass die Oberflächentopographie des Messobjekts bestimmt wird oder ein dreidimensionales Tiefenprofil des Messobjekts bestimmt wird.

Es kann vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren so auszuführen, dass

a) jedes Messlichtbündel und jedes Referenzlichtbündel in der zweiten Interferometereinheit jeweils in ein erstes und ein zweites Teilbündel aufgeteilt wird,
b) jedes erste Messlichtteilbündel und jedes erste Referenzlichtteilbündel einen ersten Strahlengang durchläuft und dabei an einem mindestens ein Messstufenfeld aufweisenden Stufenkörper reflektiert wird, wobei die optische Wegstrecke im ersten Strahlengang vom Ort der Reflexion auf dem Stufenkörper abhängt,
c) jedes zweite Messlichtteilbündel und jedes zweite Referenzlichtteilbündel einen zweiten Strahlengang der zweiten Interferometereinheit durchläuft,
d) sämtliche Teilbündel einem Detektor zugeführt werden, der sich am Ende einer beiden Strahlengängen gemeinsamen Interferenzstrecke befindet,
e) die Stufen des mindestens einen Messstufenfeldes optisch auf ein Bildsensorfeld des Detektors abgebildet werden und
g) die Position der Abbildungen von zwischen jedem Messlichtteilbündel und dem zugehörigen Referenzlichtteilbündel auftretenden Messinterferenzen in der Abbildung des Messstufenfeldes auf dem Detektor zur Messung herangezogen wird.

Aufgrund der kurzen Kohärenzlänge des eingesetzten Lichts interferiert lediglich der Anteil des Referenzlichtteilbündels mit dem zugehörigen Messlichtteilbündel, der an dem die geeignete Wegstrecke erzeugenden Ort am Stufenkörper reflektiert wurde. Dies ist dann der Fall, wenn der in der ersten Interferometereinheit erzeugte Wegstreckenunterschied zwischen dem Referenzlichtbündel und dem Messlichtbündel in der zweiten Interterometereinheit ausgeglichen wurde. Die Messinterferenz zwischen den überlagerten Teillichtbündeln wird zusammen mit der Reflexionsfläche des Stufenkörpers in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene optisch auf das Bildsensorfeld des Detektors abgebildet. In dieser Abbildung kann die die Messinterferenz erzeugende Reflexionsstelle am Stufenkörper ermittelt und hieraus sowie aus den bekannten optischen Wegstreckenlängen unmittelbar auf einen zu bestimmenden Wert, z. B. einen Abstand, geschlossen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass

a) der Stufenkörper derart angeordnet wird, dass eine durch Reflexion an der Reflexionsfläche einer Kalibrierstufe erzeugte optische Kalibrierwegstrecke im ersten Strahlengang mit der optischen Wegstrecke im zweiten Strahlengang exakt übereinstimmt,
b) die Kalibrierstufe ebenfalls optisch auf das Bildsensorfeld des Detektors abgebildet wird und
c) die durch die jeweilige Überlagerung der Messlichtteilbündel mit dem zugehörigen Referenzlichtteilbündel beim Durchlaufen der Kalibrierwegstrecke und des zweiten Strahlenganges in der Interferenzstrecke erzeugten Kalibrierinterferenzen zur Überprüfung der Position des Stufenkörpers festgestellt werden

Bei Übereinstimmung der Kalibrierwegstrecke mit der des zweiten Strahlenganges wird in der zweiten Interferometereinheit auch mit kurzkohärentem Licht stets eine Interferenz, die Kalibrierinterferenz, erzeugt, nämlich jeweils zwischen den beiden Teilbündeln eines jeden Referenzlichtbündels oder Messlichtbündels, da jeweils ein – Anteil der den ersten Strahlengang durchlaufenden Teilbündel an der Kalibrierstufe reflektiert wird. Wird eine solche Kalibrierinterferenz detektiert, steht fest, dass der Stufenkörper korrekt innerhalb des zweiten Messinterferometers positioniert ist. Aus der bekannten Geometrie des Stufenkörpers sowie aus der Position der Messinterferenzen im Bereich der Messstufen kann dann direkt die zu messende Größe, z. B. ein Abstand, ermittelt werden.

Ist die Reflexionsfläche der Kalibrierstufe genau senkrecht zur optischen Achse des ersten Strahlenganges, kommt die Kalibrierinterferenz nur zustande, wenn der Stufenkörper in der geeigneten Position steht und müsste bei fehlender Kalibrierinterferenz entsprechend nachjustiert werden. Aufgrund dessen kann es vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren so auszuführen, dass der Stufenkörper derart angeordnet wird, dass die Flächennormalen der Reflexionsflächen der Kalibrierstufe und/oder der Stufen des Messstufenfeldes zur optischen Achse des ersten Strahlenganges geneigt sind, und die Position der Kalibriennterferenzen in der Abbildung der Reflexionsfläche der Kalibrierstufe auf dem Detektor festgestellt und zur Kalibrierung des Messergebnisses verwendet wird.

Bei einer geeigneten Ausdehnung der Kalibrierstufe senkrecht zur Kippachse ist für die Position des Stufenkörpers in der zweiten Interferometereinheit ein entsprechender Spielraum gegeben. Mit dem Detektor kann festgestellt werden, von welchem Ort auf der Kalibrierstufe die die Kalibrierinterferenz erzeugende Reflexion ausgeht. Bei Positionsverschiebungen aufgrund mechanischer Einwirkungen und/oder Wärmeausdehnungseffekten kann sich diese Stelle auf der Kalibrierstufe verschieben. Diese Verschiebung wird festgestellt und für die Berechnung der zu messenden Größe berücksichtigt. Eine Positionsanpassung durch mechanisches Verschieben des Stufenkörpers ist somit überflüssig. Da sowohl die Kalibrierinterferenz als auch die Messinterferenzen gleichzeitig ausgewertet werden können, ist eine laufende Kalibrierung während der Messung möglich. Die Neigung der Messstufenfelder zur optischen Achse kann so gewählt werden, dass ein kontinuierlicher Messbereich abgedeckt ist. Alternativ oder auch zusätzlich zur Verkippung kann die Kalibrierstufe und können auch die Messstufen in sich nochmals gestuft sein, wobei die Richtung dieser Unterstufung senkrecht zu der der Hauptstufung ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass die Kalibrierstufe und/oder die Stufen des Messstufenfeldes einzeln und jeweils mittels separater optischer Mittel auf jeweils eine oder zwei zueinander benachbarte Bildsensorzeilen abgebildet werden. Hierzu kann es vorteilhaft sein, als separate optische Mittel Stablinsen zu verwenden. Schließlich kann es auch vorteilhaft sein, nur die Bildsensorzeilen auszulesen, auf die die Stufen des Stufenkörpers abgebildet werden. Die Verwendung von Stablinsen hat den Vorteil, dass die Abbildung der einzelnen Stufen auf den Bildsensorzeilen mit erhöhter Intensität erfolgt. Zudem brauchen nur die Bildsensorzeilen ausgelesen zu werden, auf denen Stufen des Messstufenfeldes abgebildet sind, wodurch sich die Messgeschwindigkeit weiter deutlich erhöhen lässt. Zudem könnte es sinnvoll sein, die Reihenfolge der Auslesung der einzelnen Bildsensorzeilen abhängig vom erwarteten Messergebnis zu machen. Wird z. B. mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein sich in eine bestimmte Richtung laufend ändernder Abstand durch eine Vielzahl von Messungen kontrolliert, so könnte anhand der jüngsten Messergebnisse eine Tendenz festgestellt werden, aus der für die nächste zukünftige Messung ein zu erwartendes Messergebnis abgeleitet werden kann. Das erwartete Messergebnis könnte dann zum Festlegen der Bildsensorzeile dienen, die als erstes ausgelesen wird. Solange keine Messinterferenz festgestellt wird, werden anschließend die benachbarten Bildsensorzeilen ausgelesen. Ständig ausgelesen wird hingegen die Bildsensorzeile, auf die die Kalibrierstufe und die Kalibrierinterferenz abgebildet sind.

Die oben erwähnte Aufgabe wird des Weiteren bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst durch eine Codiereinheit mit mindestens zwei flächig voneinander getrennten Codierbereichen zur Codierung des Quelllichts, in Strahlrichtung des Quelllichts gesehen hinter der Codiereinheit und vor der ersten Interterometereinheit einen vom unterschiedlich codierten Quelllicht in unterschiedlichen Bereichen flächig beleuchtbaren, räumlichen Lichtmodulator mit einer Vielzahl einzeln schaltbarer und/oder steuerbarer Modulatorelementen, mit denen kontrolliert mindestens zwei flächig gegeneinander abgegrenzte, unterschiedlich codierte Quelllichtbündel erzeugbar sind, und eine Auswerteeinrichtung zur nach Codierung getrennten Auswertung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 15 bis 24.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine vorteilhafte Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden im Folgenden anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen schematisch
1: eine Vorrichtung zur Messung der Oberflächentopografie eines Messobjekts,
2: eine Codierplatte für eine Farbcodierung,
3: eine Codierplatte für eine Intensitätscodierung,
4: eine Grafik zur Darstellung der Abhängigkeit der Transmissivität der Codierplatte gemäß 3,
5: einen Stufenkörper,
6: ein Gehäuse und eine Gehäusehalterung für eine Detektoroptik,
7: einen seitlichen Schnitt durch die Detektoroptik mit Gehäuse und Gehäusehalterung und
8: eine geschnittene Schrägaufsicht auf das Gehäuse mit Stablinsen.
1 zeigt eine Vorrichtung, mit der die Oberflächentopografie eines Messobjekts 1 ermittelt werden kann. Kurzkohärentes Licht einer Lichtquelle 2 wird mittels einer Einkoppeloptik 3 in eine lichtleitende Zuleitungsfaser 4 eingekoppelt und über eine Aufweitungsoptik 5 als paralleler Quelllichtstrahl 6 auf einen Strahlteilwürfel 8 geleitet. Von dort wird der Quelllichtstrahl 6 auf eine DMD-Einheit 9 (Digital Mirror Decvice) gelenkt. Die DMD-Einheit 9 besteht aus einer großen Anzahl einzeln beweg- und steuerbarer Mikrospiegelelemente, die hier nicht im Einzelnen dargestellt sind. Vor Auftreffen auf die DMD-Einheit 9 durchläuft der Quelllichtstrahl 6 eine Codierplatte 10. Dabei kann es sich um eine Farbcodierplatte 11 handeln, wie sie in 2 schematisch wiedergegeben ist. Die Farbcodierplatte 11 ist hier beispielhaft in drei Zonen 12, 13 und 14 aufgeteilt, die jeweils für unterschiedliche Wellenlängen λ1, λ2, λ3 selektiv durchlässig sind. Entsprechend der Codierung durch die Codierplatte 10 treffen auf die DMD-Einheit 9 nun drei Quelllichtteilstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen auf. Mittels der Mikrospiegelelemente der DMD-Einheit 9 wird aus jedem Quelllichtteilstrahl ein Quelllichtbündel 15, 16 erzeugt, von denen in 1 lediglich zwei gezeigt sind. Die Quelllichtbündel 15 und 16 durchlaufen einen zweiten Strahlteilerwürfel 17 sowie als erste Interferometereinheit ein Mirau-Interferometer 18 und treffen anschließend auf die Oberfläche des zu untersuchenden Messobjekts 1. Das Mirau-Interferometer 18 umfasst zwei Strahlteilerplatten 19 und 20. Der Anteil jedes Quelllichtbündels 15, 16, der an der hinteren Strahlteilerplatte 20 reflektiert wird und das Messobjekt 1 nicht erreicht, bildet jeweils ein Referenzlichtbündel. Der Anteil der Quelllichtbündel 15, 16, der das Messobjekt erreicht, ist jeweils ein Messlichtbündel 21, 22.
Sowohl die hier nicht gesondert dargestellten Referenzlichtbündel als auch die vom Messobjekt 1 reflektierten Messlichtbündel 21, 22 werden über den zweiten Strahlteilenwürfel 17 über eine zweite Einkoppeloptik 23 in ein Lichtleiterkabel 24 eingespeist. Über eine zweite Aufweitungsoptik 25 werden die Referenzlichtbündel und Messlichtbündel 21, 22 als jeweils parallele Bündel auf einen dritten Strahlteilerwürfel 26 eines Michelson-Interferometers 27 gegeben. Am dritten Strahlteilerwürfel 26 werden Anteile der Messlichtbündel 21, 22 und Referenzlichtbündel in Richtung auf einen Stufenspiegel 28 gelenkt. Der Stufenspiegel 28 ist in 5 in vergrößerter Weise und anderer Orientierung als in 1 dargestellt und wird in seiner Funktionsweise weiter unten erläutert. Der Pfeil in 5 zeigt in Richtung der optischen Achse des ersten Strahlengangs. Die vom Stufenspiegel 28 reflektierten Messlichtteilbündel und Referenzlichtteilbündel durchlaufen anschließend wieder den dritten Strahlteilerwürfel 26 und treffen dort über eine Detektoroptik 29 auf einen Detektor 30.
Der nicht vom dritten Strahlteilerwürfel 26 abgelenkte Anteil der Messlichtbündel 21, 22 sowie der Referenzlichtbündel trifft auf einen planen Spiegel 31, wird von dort reflektiert und vom dritten Strahlteilerwürfel 26 ebenfalls über die Detektoroptik 29 auf den Detektor 30 gegeben. Im Michelson-Interferometer 27 ist ein erster Strahlengang durch den dritten Strahlteilerwürfel 26, den Stufenspiegel 28 und den Detektor 30 definiert. Ein zweiter Strahlengang ist durch den dritten Strahlteilerwürfel 26, den planen Spiegel 31 und den Detektor 30 definiert.
Die optische Wegstrecke im ersten Strahlengang hängt davon ab, an welchem Ort am Stufenspiegel 28 das Licht reflektiert wird. Die Abstände des planen Spiegels 31 vom Strahlteiler 26 und des Stufenspiegels 28 vom Strahlteiler 26 sind so gewählt, dass der durch das Mirau-Interferometer 18 erzeugte Unterschied in der optischen Wegstrecke zwischen den Messlichtbündeln einerseits und den Referenzlichtbündeln andererseits in etwa ausgeglichen ist, wenn einer der Referenzlichtteilbündel z. B. den ersten Strahlengang und das zugehörige Messlichtteilbündel den zweiten Strahlengang durchläuft. In diesem Fall kommt es auf der dem ersten Strahlengang und dem zweiten Strahlengang gemeinsamen Interferenzstrecke 32 zu Messinterferenzen zwischen zueinander gehörenden Referenzlichtteilbündeln und Messlichtteilbündeln. Eine Messinterferenz wird jedoch nur von dem Anteil des Referenzlichtteilbündels erzeugt, für den bei der gegebenen kurzen Kohärenzlänge des eingesetzten Quelllichts der Ausgleich des in der ersten Interferometereinheit 7 erzeugten Wegunterschiedes zum zugehörigen Messlichtbündel hinreichend genau ist. Dies gilt in der Regel nur für einen auf einer bestimmten Messstufe 33 (siehe 5) eines Messstufenfeldes 7 des Stufenspiegels 28 reflektierten Anteil. Sowohl die Messinterferenz als auch der Stufenspiegel 28 werden auf dem hier nicht dargestellten Bildsensorarray des Detektors 30 optisch abgebildet. Somit kann festgestellt werden, welche Messstufe 33 die Interferenz erzeugt. Aus den bekannten geometrischen Gegebenheiten kann dann unmittelbar auf den zu bestimmenden Abstand zwischen der zweiten Strahlteilerplatte 20 und der Oberfläche des Messobjekts 1 für eine bestimmte Rasterstellung geschlossen werden.
Um eine eindeutige Aussage zum zu bestimmenden Abstand machen zu können, ist eine Kalibrierung des Michelson-Interferometers 27 notwendig. Hierzu ist am Stufenspiegel 28 eine Kalibrierstufe 34 (siehe 5) vorgesehen. Die Kalibrierstufe 34 erzeugt im ersten Strahlengang eine Kalibrierwegstrecke, welche die kürzeste optische Wegstrecke im ersten Strahlengang ist. Der Stufenspiegel 28 und der plane Spiegel 31 werden so platziert, dass der Abstand der Reflexionsfläche 35 der Kalibrierstufe 34 vom Strahlteiler 26 möglichst exakt mit dem Abstand des planen Spiegels 31 vom Strahlteiler 26 übereinstimmt. Der Abstand des Messstufenfeldes 7 von der Reflexionsfläche 35 der Kalibrierstufe 34 und die Ausdehnung des Messstufenfeldes 7 in Richtung der optischen Achse des ersten Strahlenganges legt somit den Messbereich fest. Sämtliche am Strahlteiler 26 erzeugten Teilbündel der Referenzlichtbündel sowie der Messlichtbündel 21, 22 interferieren bei hinreichend genauer Übereinstimmung der Kalibrierwegstrecke mit der optischen Wegstrecke des zweiten Strahlenganges in der Interferenzstrecke 32 miteinander. Diese von der Kalibrierstufe 34 erzeugte Kalibrierinterferenz bestätigt somit die gewünschten geometrischen Verhältnisse.
Aus der bekannten Höhe der Kalibrierstufe 34 und den bekannten Stufenhöhen der Messstufen 33 lässt sich aus der Position der in der Interferenzstrecke 32 erzeugten Messinterferenzen in der Abbildung im Detektor 30 der optische Wegstreckenunterschied zwischen dem den interferierenden Anteilen der einander zugeordneten Referenzlichtteilbündel und Messlichtteilbündel und damit der jeweils zu bestimmende Abstand pro Rasterpunkt ermitteln. Über sämtliche Rasterpunkte hinweg ergibt sich somit das Oberflächenprofil des Messobjekts. Beim Detektor 30 handelt es sich um eine farbempfindliche CCD-Kamera, so dass die verschiedenen Messlichtbündel 21, 22 gleichzeitig ausgewertet werden können.
Es ist vorteilhaft, den Stufenspiegel 28 um einen zur optischen Achse ersten Strahlenganges sowie zur Flächennormalen der Spiegelflächen des Stufenspiegels 28 senkrechten Kippachse zu neigen. Aufgrund der gegebenen Breite der Kalibrierstufe 34 entsteht mit der Neigung ein die Kalibrierwegstrecke enthaltender Kalibrierbereich. Somit können aufgrund mechanischer oder thermischer Einflüsse erzeugte Verschiebungen des Stufenspiegels 28 festgestellt werden, in dem sich die Kalibrierinterferenz in der optischen Abbildung im Detektor 30 auf der Reflexionsfläche 35 der Kalibrierstufe 34 verschiebt. Wird eine solche Verschiebung festgestellt, braucht der Stufenspiegel 28 nicht mit mechanischen Hilfsmitteln neu positioniert zu werden. Vielmehr kann die Verschiebung mittels der Bildverarbeitung festgestellt und in die Berechnung des zu bestimmenden jeweiligen Abstands eingearbeitet werden. Somit ist es möglich, selbst während einer Messung entstehende Verschiebungen oder Positionsänderungen des Stufenspiegels 28 festzustellen und für die Ermittlung des Messergebnisses zu berücksichtigen.
In den 6 bis 8 ist die Detektoroptik 29 näher erläutert.
In 6 ist der Detektor 30 abgebildet, der sich dort auf einer in 1 nicht gezeigten Platine 35 befindet. Auf der Platine 35 ist mittels in Schraublöchern 36 versenkten, hier nicht dargestellten Schrauben eine Gehäusehalterung 37 fixiert. Ein Gehäuse 38 ist in einer zylindrischen Durchführung der Gehäusehalterung 37 in Richtung senkrecht zur Platine 35 geführt. Das Gehäuse 38 kann mittels einer Fixierungsschraube 39 fixiert werden.
8 zeigt eine geschnittene Schrägaufsicht auf das Gehäuse 38. In dem Gehäuse 38 ist eine Linsenhalterung 40 angeordnet, auf der zwei Stablinsen 41 fixiert sind. Wenn das Gehäuse 38 auf das Deckglas des Detektors 30 (6) abgesenkt wird, stützt sich die Linsenhalterung 40 unmittelbar auf diesem Deckglas ab und wird gegen einen elastischen Ausgleichsring 42 gepresst, der sich wiederum an einer als Abstützelement dienenden Kante 43 in der Wand des Gehäuses 38 abstützt.
Durch die Fixierung der Gehäusehalterung 37 auf der Platine 35 ist die Längsachse der Durchführung in der Gehäusehalterung 37 und somit die Längsachse des Gehäuses 38 senkrecht zur Ebene der Platine 35 ausgerichtet. Aufgrund fertigungstechnischer Toleranzen kann der Detektorchip 30 und damit das zum Detektorchip 30 in aller Regel parallele Deckglas zur Ebene der Platine 35 verkippt sein. Durch den elastischen Ausgleichsring 42 wird diese Verkippung aufgefangen, so dass bei fixiertem Gehäuse 38 die Linsenhalterung 40 und damit die Linsen 41 parallel zum Detektorchip 30 ausgerichtet bleibt.
Durch Drehen des Gehäuses 38 um seine Längsachse können die Stablinsen 41 parallel zu den hier nicht gesondert dargestellten Sensorzeilen des Detektorchips 30 ausgerichtet werden, so dass von jeder Stablinse 41 die Strahlung auf zum Beispiel genau eine bestimmte Sensorzeile fokussiert wird. Den Auslesevorgang kann man auf die mit der fokussierten Strahlung beaufschlagten Sensorzeilen beschränken, so dass hohe Messfrequenzen möglich sind.
7 zeigt eine Alternative Ausbildungsform der Detektoroptik 29 in einem seitlichen Querschnitt. Einander entsprechende Elemente sind den 6 bis 8 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. So ist auch hier die Gehäusehalterung 37 auf der Platine 35 fixiert. Alternativ zu einer Befestigung mit Schrauben, kann die Gehäusehalterung 37 beispielsweise auch aufgeklebt sein. In der Gehäusehalterung 37 ist das Gehäuse 38 mit zylindrischer Form geführt, in welchem die Linsenhalterung 40 mit einer oder mehreren Stablinsen 41 angeordnet ist. Je nach der gewählten Optik ist es erforderlich, zum Detektorchip 30 einen bestimmten Abstand einzuhalten. Aufgrund dessen ist ein zylinderförmiger Abstandhalter 44 vorgesehen, der sich unmittelbar auf dem Deckglas des Detektorchips 30 abstützt. Bei Absenken des Gehäuses 38 wird die Linsenhalterung 40 über die Kante 43 und den Ausgleichsring 42 auf den Abstandhalter 44 gestützt. Es ist möglich, Linsenhalterung 40 und Abstandhalter 44 einstöckig auszubilden.
In allen Ausführungsbeispielen der Detektoroptik 29 können im Gehäuse 38 oder vor dem Gehäuse 38 weitere, in den Fig. nicht dargestellte optische Elemente, wie z.B. eine Sammellinse, vorgesehen sein, die im Zusammenspiel mit den im Gehäuse angeordneten Linsen 41 die gewünschten Effekte bewirken.
3 zeigt als Alternative zur farbgestützten Codierung des Quelllichts eine Codierplatte 45, deren Durchlässigkeit für die verwendete Strahlung in einer Richtung zunimmt. Dies ist in 3 durch die abnehmende Dichte der eingezeichneten Linien angedeutet. 4 stellt die Durchlässigkeit der Codierplatte in Abhängigkeit von ihrer Längsausdehnung grafisch dar. Die Codierung erfolgt hier mittels der Intensitätsunterschiede zwischen verschiedenen Quellstrahlbündeln. Die am Detektor 30 festgestellten Interferenzen können anhand ihrer Intensitätsunterschiede den zugehörigen Quellstrahlbündeln zugeordnet werden.

1: Messobjekt
2: Lichtquelle
3: Einkoppeloptik
4: Zuleitungsfaser
5: Aufweitungsoptik
6: Quelllichtstrahl
7: Messstufenfeld
8: Strahlteilerwürfel
9: DMD-Einheit
10: Codierplatte
11: Farbcodierplatte
12 bis 14: Zonen der Farbcodierplatte
15 bis 16: Quelllichtbündel
17: zweiter Strahlteilerwürfel
18: Mirau-Interterometer
19: Strahlteilerplatte
20: Strahlteilerplatte
21: Messlichtbündel
22: Messlichtbündel
23: zweite Einkoppeloptik
24: Lichtleiterkabel
25: zweite Aufweitungsoptik
26: dritter Strahlteilerwürfel
27: Michelson-Interterometer
28: Stufenspiegel
29: Detektoroptik
30: Detektor
31: Spiegel
32: Interterenzstrecke
33: Messstufe
34: Kalibrierstufe
35: Platine
36: Schraubloch
37: Gehäusehalterung
38: Gehäuse
39: Fixierungsschraube
40: Linsenhalterung
41: Stablinse
42: Ausgleichsring
43: Kante
44: Abstandhalter
45: Codierplatte

Claims

Verfahren zur interferometrischen Untersuchung eines Messobjekts (1 ), bei dem a) ein eine Vielzahl von einzeln schaltbaren und/oder steuerbaren Modulatorelementen aufweisender räumlicher Lichtmodulator (9) mit inkohärentem oder kurzkohärentem Quelllicht flächig beleuchtet wird, wobei mindestens zwei Anteile des Quelllichts auf unterschiedliche Weise codiert werden und jeder unterschiedlich codierte Anteil einen anderen Bereich des räumlichen Lichtmodulators (9) flächig beleuchtet, b) mittels der Modulatorelemente aus jedem unterschiedlich codierten Anteil des Quelllichts ein separates Quelllichtbündel gebildet und in eine erste Interferometereinheit (18) eingekoppelt wird, c) in der ersten Interferometereinheit jedes Quelllichtbündel jeweils in ein Messlichtbündel (21, 22) und ein zugehöriges Referenzlichtbündel aufgeteilt wird, d) die Messlichtbündel (21, 22) flächig voneinander getrennt über die zu untersuchende Messobjektoberfläche gerastert werden, e) die von der Messobjektoberfläche reflektierten Messlichtbündel (21, 22) und die zugehörigen Referenzlichtbündel einer zweiten Interferometereinheit (27) zugeführt werden, f) in der zweiten Interferometereinheit (27) Anteile jedes Messlichtbündels (21, 22) jeweils mit Anteilen des zugehörigen Referenzlichtbündels nach Durchlaufen unterschiedlicher optischer Wegstrecken überlagert und auftretende Interferenzen in Zuordnung zur jeweiligen optischen Wegstrecke festgestellt werden, und g) die von den miteinander interferierenden Anteilen des Messlichts und des zugehörigen Referenzlichts in der zweiten Interferometereinheit zurückgelegten optischen Wegstrecken nach den Codierungen getrennt ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als räumlicher Lichtmodulator (9) eine digitale Spiegeleinheit (Digital Mirror Device, DMD) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als räumlicher Lichtmodulator (9) eine Flüssigkristallanzeige (LCD) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Farbcodierung verwendet wird, indem das Quelllicht in mindestens zwei Anteile mit unterschiedlichen Wellenlängen oder unterschiedlichen Wellenlängenbereichen aufgeteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Intensitätscodierung verwendet wird, indem das Quelllicht in mindestens zwei Anteile mit unterschiedlichen Intensitätswerten aufgeteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentopographie des Messobjekts (1) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein dreidimensionales Tiefenprofil des Messobjekts (1) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass a) jedes Messlichtbündel (21, 22) und jedes Referenzlichtbündel in der zweiten Interferometereinheit (27) jeweils in ein erstes und ein zweites Teilbündel aufgeteilt wird, b) jedes erste Messlichtteilbündel und jedes erste Referenzlichtteilbündel einen ersten Strahlengang durchläuft und dabei an einem mindestens ein Messstufenfeld (7) aufweisenden Stufenkörper (28) reflektiert wird, wobei die optische Wegstrecke im ersten Strahlengang vom Ort der Reflexion auf dem Stufenkörper (28) abhängt, c) jedes zweite Messlichtteilbündel und jedes zweite Referenzlichtteilbündel einen zweiten Strahlengang der zweiten Interferometereinheit (27) durchläuft, d) sämtliche Teilbündel einem Detektor (30) zugeführt werden, der sich am Ende einer beiden Strahlengängen gemeinsamen Interferenzstrecke (32) befindet, e) die Stufen (33) des mindestens einen Messstufenfeldes (7) optisch auf ein Bildsensorfeld des Detektors (30) abgebildet werden und g) die Position der Abbildungen von zwischen jedem Messlichtteilbündel und dem zugehörigen Referenzlichtteilbündel auftretenden Messinterferenzen in der Abbildung des Messstufenfeldes (7) auf dem Detektor (30) zur Messung herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Stufenkörper (28) derart angeordnet wird, dass eine durch Reflexion an der Reflexionsfläche (35) einer Kalibrierstufe (34) erzeugte optische Kalibrierwegstrecke im ersten Strahlengang mit der optischen Wegstrecke im zweiten Strahlengang exakt übereinstimmt, b) die Kalibrierstufe (34) ebenfalls optisch auf das Bildsensorfeld des Detektors (30) abgebildet wird und c) die durch die jeweilige Überlagerung der Messlichtteilbündel mit dem zugehörigen Referenzlichtteilbündel beim Durchlaufen der Kalibrierwegstrecke und des zweiten Strahlenganges in der Interterenzstrecke erzeugten Kalibrierinterferenzen zur Überprüfung der Position des Stufenkörpers (28) festgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufenkörper (28) derart angeordnet wird, dass die Flächennormalen der Reflexionsflächen (35) der Kalibrierstufe (34) und/oder der Stufen (33) des Messstufenfeldes (7) zur optischen Achse des ersten Strahlenganges geneigt sind, und die Position der Kalibrierinterferenzen in der Abbildung der Reflexionsfläche (35) der Kalibrierstufe (34) auf dem Detektor (30) festgestellt und zur Kalibrierung des Messergebnisses verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierstufe (34) und/oder die Stufen (33) des Messstufenfeldes (7) einzeln und jeweils mittels separater optischer Mittel auf jeweils eine oder zwei zueinander benachbarte Bildsensorzeilen abgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als separate optische Mittel Stablinsen (41) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Bildsensorzeilen ausgelesen werden, auf die Stufen (33, 34) des Stufenkörpers (28) abgebildet werden.
Vorrichtung zur interferometrischen Untersuchung eines Messobjekts, umfassend a) mindestens eine inkohärentes oder kurzkohärentes Quelllicht emittierende Lichtquelle (2), b) eine Quelllicht in Referenzlicht und Messlicht (21, 22) aufteilende erste Interferometereinheit (18) und c) Mittel zur Einkopplung des vom Messobjekt (1) reflektierten Messlichts (21, 22) und des Referenzlichts in eine eine zweite Interterometereinheit (27) sowie einen Detektor (30) aufweisende Auswerteeinrichtung, gekennzeichnet durch d) eine Codiereinheit (10) mit mindestens zwei flächig voneinander getrennten Codierbereichen (12, 13, 14) zur Codierung des Quelllichts e) in Strahlrichtung des Quelllichts gesehen hinter der Codiereinheit (10) und vor der ersten Interferometereinheit (18) einen vom unterschiedlich codierten Quelllicht in unterschiedlichen Bereichen flächig beleuchtbaren, räumlichen Lichtmodulator (9) mit einer Vielzahl einzeln schaltbarer und/oder steuerbarer Modulatorelementen, mit denen kontrolliert mindestens zwei flächig gegeneinander abgegrenzte unterschiedlich codierte Quelllichtbündel erzeugbar sind, und f) eine Auswerteeinrichtung zur nach Codierung getrennten Auswertung.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Codiereinheit (10) eine Farbfiltereinheit (11) mit mindestens zwei flächig voneinander getrennten, für unterschiedliche Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche durchlässigen Filterbereichen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (30) eine digitale Farbkamera umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Codiereinheit (10) eine Intensitätsfiltereinheit (45) mit mindestens zwei flächig voneinander getrennten Intensitätsfilterbereichen mit unterschiedlicher Intensitätsdurchlässigkeit für das eingesetzte Licht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass a) die zweite Interferometereinheit (27) aa) Mittel zur Aufteilung jedes in der ersten Interferometereinheit aus den unterschiedlich codierten Quelllichtbündeln erzeugten und in die zweite Interferometereinheit (27) eintretenden Referenzlichtbündels und Messlichtbündels (21, 22) in jeweils zwei Teilbündel, von denen eines einen ersten Strahlengang und das andere einen zweiten Strahlengang durchläuft, bb) einen im ersten Strahlengang angeordneten, mindestens ein Messstufenfeld (7) aufweisenden Stufenkörper (28), wobei die optische Wegstrecke im ersten Strahlengang vom Ort der Reflexion auf dem Stufenkörper (28) abhängt, und cc) eine dem ersten Strahlengang und zweiten Strahlengang gemeinsame Interferenzstrecke (32), auf der die Teilbündel einander überlagert sind, umfasst und b) Mittel (29) zur optischen Abbildung der Stufen (33) des Stufenkörpers (28) auf ein zur ortsaufgelösten Detektion geeignetes Bildsensorfeld des Detektors (30) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine von einer Kalibrierstufe (34) des Stufenkörpers (28) bestimmte Kalibrierwegstrecke im ersten Strahlengang der zweiten Interferometereinheit (27), wobei die Länge der Kalibrierwegstrecke mit der optischen Wegstrecke im zweiten Strahlengang exakt übereinstimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufenkörper (28) derart angeordnet ist, dass die Flächennormale der Reflexionsfläche (35) zumindest der Kalibrierstufe (34) zur optischen Achse des ersten Strahlenganges geneigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Interferometereinheit (27) einen Michelson-Interferometer umfasst und der Stufenkörper (28) ein Spiegel mit gestufter Reflexionsfläche ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Interferometereinheit (18) ein Mirau-Interferometer ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (29) zur optischen Abbildung des mindestens einen Messstufenfeldes (7) sowie der Kalibrierstufe (34) mehrere unabhängig voneinander abbildende Einrichtungen umfassen, die jeweils die Kalibrierstufe (34) und/oder die Stufen (33) des mindestens einen Messstufenfeldes (7) einzeln auf jeweils eine oder auf zwei zueinander benachbarte Bildsensorzeilen abbilden.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Einrichtungen Stablinsen (41) sind.