DE10317828B3 - Interferometric investigation of measurement object involves forming measurement and reference beams in first interferometer unit, scanning object and passing reflected beams to second unit with reference beams - Google Patents
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Abstract
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.The invention relates to a method and a device for the interferometric examination of a Measurement object, the device being at least one incoherent or short-coherent source light emitting light source, a source light in reference light and measuring light dividing first interferometer unit and coupling means of the measurement light reflected by the measurement object and the reference light into a second interferometer unit and a detector Evaluation device includes.
Ein interferometrisches Verfahren
sowie eine interferometrische Messvorrichtung der vorgenannten Art
sind zum Zwecke der absoluten Abstandsmessung aus der
Aus der
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.It is now the task of the present Invention, a method and an apparatus of the aforementioned Kind available to provide, which allow a significantly increased measuring speed.
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.
- a) a spatial light modulator having a plurality of individually switchable and / or controllable modulator elements is illuminated areally with incoherent or short-coherent source light, at least two parts of the source light being coded in different ways and each differently coded part illuminating a different area of the spatial light modulator areally,
- b) by means of the modulator elements, a separate source light bundle is formed from each differently coded portion of the source light and is coupled into a first interferometer unit,
- c) in the first interferometer unit, each source light bundle is divided into a measurement light bundle and an associated reference light bundle,
- d) the measurement light bundles are scanned across the surface of the measurement object to be examined,
- e) the measurement light bundles reflected by the surface of the measurement object and the associated reference light bundles are fed to a second interferometer unit,
- f) in the second interterometer unit, portions of each measurement light bundle are overlaid with portions of the associated reference light bundle after passing through different optical paths and interferences occurring are determined in association with the respective optical path, and
- g) the optical distances covered by the interfering portions of the measurement light and the associated reference light in the second interferometer unit are evaluated separately according to the codings.
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.Because in this way the surface of the measuring object at least two measuring light bundles is rasterized at the same time, compared to the above State of the art the measurement speed accordingly by at least increased by a factor of two become. In addition, measurements can be carried out with great flexibility. That's the way it is e.g. possible, the measuring light bundles independently from each other about just rasterize the areas of the object surface that are in particular Interesting way. There is a scanning of the entire surface therefore not necessary.
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
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.The method according to the invention can also be carried out such that as a spatial light mo a liquid crystal display (LCD) is used. The liquid crystal display can be switched opaque to the radiation used for certain areas, so that separate source light beams can be generated.
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.The method according to the invention can be carried out that color coding is used by the source light in at least two portions with different wavelengths or different wavelength ranges is divided. Source light beam with different wavelengths can completely independently from each other via the Target surface guided and evaluated separately.
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.Alternatively, it is also possible that inventive method to do so that an intensity coding is used by the source light in at least two parts with different intensity values is divided.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass die Oberflächentopographie des Messobjekts bestimmt wird oder ein dreidimensionales Tiefenprofil des Messobjekts bestimmt wird.The method according to the invention can also be carried out that the surface topography of the measurement object or a three-dimensional depth profile of the measurement object is determined.
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.
- a) each measurement light bundle and each reference light bundle in the second interferometer unit is divided into a first and a second sub-bundle,
- b) each first measuring light sub-bundle and each first reference light sub-bundle passes through a first beam path and is thereby reflected on a step body having at least one measuring step field, the optical path in the first beam path depending on the location of the reflection on the step body,
- c) every second measurement light sub-bundle and every second reference light sub-bundle passes through a second beam path of the second interferometer unit,
- d) all sub-bundles are fed to a detector which is located at the end of an interference path common to both beam paths,
- e) the steps of the at least one measuring step field are optically mapped onto an image sensor field of the detector and
- g) the position of the images of measurement interferences occurring between each measurement light partial bundle and the associated reference light partial bundle in the image of the measurement stage field on the detector is used for the measurement.
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.Due to the short coherence length of the only the proportion of the reference light sub-bundle interferes with the light used the associated Measuring light partial bundle, that reflects at the location on the step body that creates the appropriate path has been. This is the case when in the first interferometer unit generated distance difference between the reference light beam and the measuring light beam was compensated in the second interterometer unit. The measurement interference between the superimposed ones Partial light bundles is in together with the reflective surface of the step body a plane perpendicular to the optical axis optically onto the image sensor field of the detector. In this figure, the measurement interference generating reflection point on the step body determined and from there and from the known optical path lengths directly to one value to be determined, e.g. B. a distance to be closed.
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
- a) the step body is arranged in such a way that an optical calibration path in the first beam path generated by reflection on the reflection surface of a calibration step corresponds exactly to the optical path in the second beam path,
- b) the calibration stage is also imaged optically on the image sensor field of the detector and
- c) the calibration interferences generated by the respective superimposition of the measuring light partial bundles with the associated reference light partial bundles when passing through the calibration path and the second beam path in the interference path are ascertained to check the position of the step body
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.If the calibration distance is the same with that of the second beam path in the second interferometer unit also with short-coherent Light always creates an interference, the calibration interference, namely between the two sub-beams of each reference light beam or measurement light beam, because each one - share the sub-bundle passing through the first beam path at the calibration stage is reflected. If such a calibration interference is detected, is certain that the step body is correctly positioned within the second measurement interferometer. From the known geometry of the step body and from the position The measurement interference in the area of the measurement levels can then be directly the size to be measured, e.g. B. a distance to be determined.
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.If the reflection surface of the calibration stage is exactly perpendicular to the optical axis of the first beam path, the calibration interference only occurs when the stage body is in the appropriate position and would have to be readjusted accordingly if there is no calibration interference. Because of this, it can be advantageous to carry out the method according to the invention in such a way that the step body is arranged in such a way that the surface normals of the reflection surfaces of the calibration step and / or the steps of the measurement step field are inclined to the optical axis of the first beam path, and the position of the calibration interference in the Illustration the reflection surface of the calibration stage is determined on the detector and used to calibrate the measurement result.
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.With a suitable expansion of the Calibration level perpendicular to the tilt axis is for the position of the step body in the second interferometer unit is given adequate scope. With the detector it can be determined from which location on the Calibration level the reflection generating the calibration interference emanates. In the event of position shifts due to mechanical influences and / or Thermal expansion effects this position can shift on the calibration level. This shift is determined and for the calculation of the size to be measured is taken into account. A position adjustment mechanical displacement of the step body is therefore superfluous. There both the calibration interference and the measurement interference at the same time can be evaluated is an ongoing calibration during measurement possible. The inclination of the measuring stage fields to the optical axis can be selected that a continuous measuring range is covered. Alternatively or also additionally the calibration level and the measurement levels in to be graded again, taking the direction of this substation is perpendicular to that of the main grading.
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.The method according to the invention can also be carried out that the calibration level and / or the levels of the measurement level field individually and in each case by means of separate optical means on each one or two image sensor lines adjacent to one another are imaged become. For this purpose, it can be advantageous as separate optical means Use rod lenses. Finally it can also be advantageous to read only the image sensor lines, to the the steps of the step body be mapped. The use of rod lenses has the advantage that the mapping of the individual stages on the image sensor lines with increased intensity he follows. In addition, only the image sensor lines need to be read out which levels of the measurement level field are shown, which means the measuring speed can be increased significantly. It could also make sense, the order of reading the individual image sensor lines dependent from the expected measurement result. Is z. B. with the inventive method a continuously changing distance in a certain direction by a Large number of measurements checked, based on the most recent measurement results a tendency can be determined from the one to be expected for the next future measurement Measurement result can be derived. The expected measurement result could then serve to define the image sensor line that is read out first becomes. As long as no measurement interference is found, the neighboring image sensor lines read out. However, it is constantly read out the image sensor line to which the calibration level and the calibration interference are shown.
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.The task mentioned above will continue solved by a device of the type mentioned a coding unit with at least two surfaces separated from one another Coding areas for coding the source light, in the beam direction the source light seen behind the coding unit and before the first Interterometer unit from a differently coded source light spatially illuminated in different areas Light modulator with a variety of individually switchable and / or controllable Modulator elements that are used to control at least two surfaces against each other Delimited, differently coded source light bundles can be generated are, and an evaluation device for separate after coding Evaluation.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 15 bis 24.Further advantageous configurations of the inventions result from subclaims 15 to 24.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine vorteilhafte Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden im Folgenden anhand von Figuren erläutert.An advantageous embodiment of the method according to the invention and an advantageous embodiment of the device according to the invention are explained below with reference to figures.
Es zeigen schematischThey show schematically
Sowohl die hier nicht gesondert dargestellten Referenzlichtbündel als
auch die vom Messobjekt
Der nicht vom dritten Strahlteilerwürfel
Die optische Wegstrecke im ersten
Strahlengang hängt
davon ab, an welchem Ort am Stufenspiegel
Um eine eindeutige Aussage zum zu
bestimmenden Abstand machen zu können,
ist eine Kalibrierung des Michelson-Interferometers
Aus der bekannten Höhe der Kalibrierstufe
Es ist vorteilhaft, den Stufenspiegel
In den
In
Durch die Fixierung der Gehäusehalterung
Durch Drehen des Gehäuses
In allen Ausführungsbeispielen der Detektoroptik
- 11
- Messobjektmeasurement object
- 22
- Lichtquellelight source
- 33
- Einkoppeloptik coupling optics
- 44
- Zuleitungsfasersupply fiber
- 55
- Aufweitungsoptikexpansion optics
- 66
- QuelllichtstrahlSource light beam
- 77
- Messstufenfeld Measuring levels of field
- 88th
- StrahlteilerwürfelBeam splitter cube
- 99
- DMD-Einheit DMD unit
- 1010
- Codierplattecoding plate
- 1111
- FarbcodierplatteFarbcodierplatte
- 12 bis 1412 until 14
- Zonen der Farbcodierplattezones the color coding plate
- 15 bis 1615 until 16
- QuelllichtbündelSource light beam
- 1717
- zweiter Strahlteilerwürfelsecond Beam splitter cube
- 1818
- Mirau-InterterometerMirau interferometer
- 1919
- StrahlteilerplatteBeam splitter plate
- 2020
- StrahlteilerplatteBeam splitter plate
- 2121
- MesslichtbündelMeasuring light beam
- 2222
- MesslichtbündelMeasuring light beam
- 2323
- zweite Einkoppeloptiksecond coupling optics
- 2424
- Lichtleiterkabel Optical fiber cable
- 2525
- zweite Aufweitungsoptiksecond expansion optics
- 2626
- dritter Strahlteilerwürfelthird Beam splitter cube
- 2727
- Michelson-InterterometerMichelson interferometer
- 2828
- Stufenspiegel stepped mirror
- 2929
- Detektoroptikdetector optics
- 3030
- Detektor detector
- 3131
- Spiegelmirror
- 3232
- InterterenzstreckeInterterenzstrecke
- 3333
- Messstufemeasuring stage
- 3434
- Kalibrierstufecalibration stage
- 3535
- Platinecircuit board
- 3636
- Schraublochscrew
- 3737
- Gehäusehalterunghousing support
- 3838
- Gehäusecasing
- 3939
- Fixierungsschraube fixing screw
- 4040
- Linsenhalterunglens holder
- 4141
- Stablinserod lens
- 4242
- Ausgleichsringcompensation ring
- 4343
- Kante edge
- 4444
- Abstandhalterspacer
- 4545
- Codierplattecoding plate
Claims (24)
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