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Stand der Technik
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2006 015 387 A1 von M. Hering u. a. ist eine interferometrische Messvorrichtung auf der Basis der Weißlicht-Interferometrie, auch als Kurzkohärenz-Interferometrie bekannt, beschrieben, bei der die Wellenfronten des reflektierten Objektstrahls und die des reflektierten Referenzstrahls mittels einer Neigungsvorrichtung um einen bestimmten Winkelbetrag zueinander geneigt sind, so dass ein räumliches Interferogramm als Single-Shot-Datensatz entstehen kann.
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Es ist jedoch mit diesem Ansatz nicht möglich, in einem größeren Tiefenmessbereich als der mittels eines einzigen räumlichen Interferogramms adressierte, zu messen.
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Beschreibung der Erfindung
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Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Messverfahren zur robusten Erfassung von Abstand, Tiefe, Profil, Form, Welligkeit und/oder Rauheit oder der optischen Weglänge in oder an technischen oder biologischen Objekten, auch in Schichtenform, einschließlich eines oder auch mehrerer Luftabstände in Optiken, oder auch zur optischen Kohärenz-Tomografie (OCT) der wirtschaftlichen Nutzung zuzuführen. Ein Einsatzgebiet des erfinderischen Messverfahrens soll auch die Messung von Freiformflächen sein.
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Damit ist also die erfinderische Aufgabe zu lösen, beim optischen Antasten der Objektoberfläche oder eines Objektvolumens mit einem Interferometer optische Signale in möglichst gut auswertbarer Signalform für ein punktförmiges, linienhaftes Messfeld oder auch ein flächiges Messfeld mit vielen einzelnen Messpunkten bereitzustellen.
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Es soll dabei auch in einem größeren Tiefenbereich oder bei größeren Objektabständen gemessen werden können. Das heißt, es besteht die Aufgabe, gut auswertbare optische Signalpakete sukzessive, also in mehreren Schritten – mindestens in zwei Schritten – bei der optischen Antastung von Objekten durch das erfindungsgemäße Verfahren bereitzustellen.
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Eine besondere Motivation für die Anwendung der Erfindung ist die Nutzbarmachung der interferometrischen Verstärkung eines schwachen Objektsignals für Messungen auch in einer meso- oder makroskopischen Skala. Das ist beispielsweise im Maschinenbau von großem Vorteil. Durch die Nutzung der interferometrischen Verstärkung, auch als „Interferometric Gain” bekannt, sollen auch Objektelemente geringster Reflektivität messtechnisch noch vergleichsweise gut in der Tiefe, auch in einem größeren Abstand, erfasst werden können.
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Hier wird der Begriff Licht stets als Synonym für elektromagnetische Strahlung vom Terahertz-, über den Infrarot- bis zum tiefen UV-Bereich verwendet.
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Merkmale zum Hauptanspruch des Verfahrens
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Zu 1. Es handelt sich um ein Verfahren zur robusten, insbesondere weitskaligen Interferometrie nach dem Hauptpatent
DE 10 2010 006 239 zur Erfassung von Abstand, Tiefe, Profil, Form, Welligkeit und/oder Rauheit oder der optischen Weglänge in oder an technischen oder biologischen Objekten, auch in Schichtenform, auch zur Erfassung eines oder mehrerer Luftabstände in Optiken, oder auch zur optischen Kohärenz-Tomografie (OCT).
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Dieses Verfahren zur robusten Interferometrie nutzt die folgenden Mittel:
- – mindestens eine Quelle kurzkohärenter elektromagnetischer Strahlung zur Beleuchtung des Objekts, insbesondere auch in Form einer dem Interferometer vorgeordneten Frequenzkamm-Laser-Kavität mit der einfachen optischen Länge L oder/und mindestens einer der Quelle im Lichtweg nachgeordneten Vielstrahl-Interferenz-Kavität mit der einfachen optischen Länge L,
- – ein Interferometer, insbesondere auch in Form eines Interferenzmikroskops, mit einem Objekt- und mit mindestens einem Referenzstrahlengang, in dem mindestens ein End-Reflektor gemäß den Merkmalen des Hauptpatents DE 10 2010 006 239 angeordnet ist, und mit einer Messebene oder einem Messvolumen im Objektstrahlengang, in der sich zumindest näherungsweise die optisch anzumessenden Oberflächen- oder Volumenelemente des Objekts befinden,
- – sowie mindestens einen gerasterten Detektor zur Detektion elektromagnetischer Strahlung. Dabei werden die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt:
- – Erzeugen mindestens eines Objektstrahlenbündels elektromagnetischer Strahlung mittels Strahlteilung in einem Interferometer zur Beleuchtung des Objekts,
- – Erzeugen mindestens eines Referenzstrahlenbündels mittels Strahlteilung in einem Interferometer,
- – Erzeugen eines Lateralversatzes delta_q für das Referenzstrahlenbündel,
- – Erzeugen von räumlichen Überlagerungen von Objekt- und Referenzstrahlen durch Strahlvereinigung,
- – Detektion von räumlichen Überlagerungen von Objekt- und Referenzstrahlen auf einem gerasterten Detektor elektromagnetischer Strahlung. Im Fall der Interferenz bilden zwei zueinander geneigte Wellenfronten auf dem Detektor ein räumliches Kurzkohärenz-Interferogramm.
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Erfindungsgemäß werden zum Zeitpunkt t_i eine erste Überlagerung von Objekt- und Referenzstrahlung und eine erste Detektion von überlagerter Objekt- und Referenzstrahlung mittels gerastertem Detektor durchgeführt.
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Anschließend wird
- – entweder eine Relativbewegung in Richtung der Lichtausbreitung zwischen dem Interferometer und dem Objekt
- – oder eine Bewegung des Endreflektors im Referenzstrahlengang in Richtung der Lichtausbreitung
- – oder eine optische Längenänderung delta_L mindestens einer dem Interferometer vorgeordneten Frequenzkamm-Laser-Kavität oder mindestens einer der Quelle im Lichtweg nachgeordneten Vielstrahl-Interferenz-Kavität
in der Zeitdauer delta_tz durchgeführt.
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Dabei beträgt
- – der Stellweg s der Relativbewegung zwischen dem Interferometer und dem Objekt
- – oder der Stellweg s der Bewegung des Endreflektors im Referenzstrahlengang
- – oder die optische Längenänderung delta_L mindestens einer dem Interferometer vorgeordneten Frequenzkamm-Laser-Kavität oder/und mindestens einer der Quelle im Lichtweg nachgeordneten Vielstrahl-Interferenz-Kavität
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In der Zeitdauer delta_tz mindestens den halben Betrag der Schwerpunktwellenlänge Lambda_schwer.
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Die räumliche Änderung delta_xr_max des optischen Gangunterschieds xr weist im Überlagerungsgebiet von Objekt- und Referenzstrahlung auf dem gerasterten Detektor mindestens den ganzen Betrag der Schwerpunktwellenlänge Lambda_schwer der interferierenden Strahlung auf. Die Wellenfronten, welche die Objekt- und Referenzstrahlung darstellen, sind auf dem gerasterten Detektor zueinander geneigt. Vorzugsweise beträgt der Neigungswinkel zwischen den Wellenfronten wenige Zehntel Altgrad.
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Nach der Zeitdauer delta_tz werden zum Zeitpunkt t_i + 1 mindestens eine zweite Überlagerung von Objekt- und Referenzstrahlung und mindestens eine zweite Detektion von überlagerter Objekt- und Referenzstrahlung mittels gerastertem Detektor durchgeführt.
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Dadurch beträgt im Fall des Auftretens eines räumlichen Kurzkohärenz-Interferogramms die Verschiebung des räumlichen Interferogramms nach der Zeitdauer delta_tz auf dem gerasterten Detektor mindestens eine Periodenlänge dieses Interferogramms. In einer typischen Messung beträgt die schrittweise Verschiebung des räumlichen Interferogramms – jeweils nach der Zeitdauer delta_tz – vorzugsweise in der Größenordnung 10 bis 100 Perioden des räumlichen Interferogramms, um so auch einen größeren Tiefenbereich im Objektraum vergleichsweise schnell abtasten zu können. Wichtig für Messungen mit geringer Kohärenzlänge der interferierenden Strahlung ist, dass der gut modulierte Teil des räumlichen Interferogramms mit dem Maximum der Modulation wenigstens einmal bei mehreren Detektionen durch einen Frame des gerasterten Detektors erfasst werden kann.
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Die Bewegungs- oder die Stellvorgänge zur Längenänderung werden also stets so lange fortgesetzt bis mindestens ein auswertbares räumliches Interferogramm von relevanten Objektpunkten detektiert werden kann oder aus räumlichen oder zeitlichen technischen Gründen die Bewegungs- oder Stellvorgänge nicht mehr weiter ausgeführt werden können. Ob sich ein räumliches Interferogramm auf dem gerasterten Detektor ausbildet, bestimmen jeweils auch der jeweils aktuelle optische Gangunterschied, der sich auf dem gerasterten Detektor ausbildet, und die Kohärenzlänge der dort überlagerten Strahlung.
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Es sind hierbei zwei Falle, Fall 1 und Fall 2, zu betrachten. Der Fall 1 gilt, wenn die Kohärenzlänge der interferierenden Strahlung kleiner als die räumliche Änderung des optischen Gangunterschieds im räumlichen Interferogramm auf dem gerasterten Detektor oder die Kohärenzlänge gleich der räumlichen Änderung des optischen Gangunterschieds ist. Dann kann zumindest der gut modulierte Teil eines Kurzkohärenz-Interferogramms vollständig in einem Detektor-Frame aufgenommen werden.
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Der Fall 2 beschreibt den Sachverhalt, dass die Kohärenzlänge größer als die räumliche Änderung des optischen Gangunterschieds des Kurzkohärenz-Interferogramms ist, das sich auf dem gerasterten Detektor ausbildet. Dann kann der stark modulierte Teil dieses Interferogramms nicht vollständig mittels einem einzigen Detektor-Frame erfasst werden. Durch mehrere, nacheinander erfolgende Aufnahmen eines räumlichen Interferogramms mittels gerastertem Detektor – jeweils nach einem Bewegungs- oder einem Stellvorgang zur Längenänderung, der in der Zeitdauer delta_tz erfolgt – kann in diesem Fall die Lage des Maximums der Einhüllenden zumindest näherungsweise aus mehreren Detektor-Frames bestimmt werden. Dies ist von Vorteil, wenn weiter entfernte Objekte in der makroskopischen Skale gemessen werden sollen und dabei eine geringere Messauflösung, beispielsweise in der Größenordnung von 10 μm, für den Objektabstand akzeptabel ist.
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Im Fall 1 ist es von Vorteil, wenn der Stellweg s oder die Änderung der optischen Länge delta_L in der Regel ein Viertel der Änderung des optischen Gangunterschieds des auf dem gerasterten Detektor aufgenommenen räumlichen Interferogramms nicht überschreitet, damit im Messvorgang jeder kooperative Objektpunkt mindestens ein vergleichsweise gut auswertbares räumliches Interferogramm liefern kann. Ausnahmen kann es geben, wenn vergleichsweise sichere a priori-Informationen über die Objektform vorliegen, beispielsweise bei der Messung von mit geringen Formtoleranzen gefertigten Objekten. Dann werden beispielsweise nur die somit hinreichend genau bekannten Solllagen der Objektoberflächen optisch angefahren, von dessen Objektpunkten dann gegebenenfalls sofort gut modulierte räumliche Interferogramme gewonnen werden können. So kann mit einer gewissen Sicherheit das Maximum der Einhüllenden vergleichsweise schnell detektiert werden und die Formmessung eines komplex geformten Objekts schnell durchgeführt werden.
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Für den Fall 2 ist es von Vorteil, wenn der Stellweg s oder die Änderung der optischen Länge delta_L in der Regel ein Viertel der Kohärenzlänge der detektierten Strahlung nicht überschreitet, damit im Messvorgang jeder kooperative Objektpunkt mindestens ein vergleichsweise gut auswertbares räumliches Interferogramm liefern kann. So kann die Lage des Maximums der Einhüllenden oder deren Schwerpunkt hinreichend genau ermittelt werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Kohärenzlänge als eine in der Regel eher wenig veränderliche Größe zumindest näherungsweise bekannt ist oder aus einem vorab aufgenommenen räumlichen Interferogramm hinreichend genau bestimmt werden kann.
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Wenn die Kohärenzlänge der detektierten Strahlung gleich oder zumindest näherungsweise gleich dem Betrag der Änderung des optischen Gangunterschieds der überlagerten Strahlung auf den Detektor ist, sollte der Stellweg s oder die Änderung der optischen Längenänderung delta_L in der Regel ein Viertel dieser Änderung des optischen Gangunterschieds der überlagerten Strahlung auf den Detektor nicht überschreiten. Dann ist die Verschiebung des Maximums der Einhüllenden eines räumlichen Interferogramms, also wenn ein räumliches Interferogramm – bedingt durch die Größe des absoluten optischen Gangunterschieds der überlagerten Strahlung – auftritt, pro Stell- oder Bewegungsvorgang nicht größer als die halbe Länge des gerasterten Detektors. Dies gestaltet das Auffinden des Maximums der Einhüllenden eines räumlichen Interferogramms und damit die Auswertung desselben vergleichsweise einfach.
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Bei Einsatz einer Frequenzkamm-Laser-Kavität oder einer Vielstrahl-Interferenz-Kavität soll bekannterweise die Verzögerungslänge der Frequenzkamm-Laser-Kavität oder die doppelte optische Länge der Vielstrahl-Interferenz-Kavität zumindest näherungsweise einem ganzzahligen Bruchteil oder dem gesamten optischen Gangunterschied im Interferometer – bezogen auf Objektpunkte in der Messebene oder im Messvolumen – gleichgemacht werden, um ein Kurzkohärenz-Interferogramm gewinnen zu können. Diese Komponenten mit Frequenzkamm-Charakteristik ermöglichen bekannterweise, auch von weiter entfernten Objektpunkten noch ein Kurzkohärenz-Interferogramm zu erzeugen und aufzunehmen. So können auch weiter entfernte makroskopische Objekte mittels Durchstimmen einer Frequenzkamm-Laser-Kavität oder einer Vielstrahl-Interferenz-Kavität optisch angetastet werden. Dabei sollte sich ein Objektpunkt jeweils im wellenoptischen Schärfentiefebereich, Depth of View = DOV, eines Fokus im Objektstrahlengang befinden. Befinden sich Objektpunkte, die gemessen werden sollen, außerhalb des gegebenen wellenoptischen Schärfentiefebereiches, ist dabei ein Nachfokussieren erforderlich.
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Merkmale zu den Unteransprüchen des Verfahrens
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Zu 2. Vorzugsweise weist bei dem Verfahren zur robusten, insbesondere weitskaligen Interferometrie der Stellweg s oder die optische Längenänderung delta_L in der Zeitdauer delta_tz zumindest näherungsweise jeweils den Betrag von einem Viertel der maximalen räumlichen Änderung delta_xr_max des optischen Gangunterschieds xr des auf dem gerasterten Detektor aufgezeichneten räumlichen Interferogramms auf.
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Zu 3. Vorzugsweise wird bei dem Verfahren zur robusten, insbesondere weitskaligen Interferometrie die Relativbewegung zwischen dem Interferometer und dem Objekt in der Zeitdauer delta_tz kontinuierlich, quasi-kontinuierlich oder schrittweise durchgeführt.
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Zu 4. Vorzugsweise wird bei dem Verfahren zur robusten, insbesondere weitskaligen Interferometrie die Bewegung des Endreflektors in der Zeitdauer delta_tz kontinuierlich, quasi-kontinuierlich oder schrittweise durchgeführt.
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Zu 5. Vorzugsweise wird bei dem Verfahren zur robusten, insbesondere weitskaligen Interferometrie die optische Längenänderung delta_L in der Zeitdauer delta_tz kontinuierlich, quasi-kontinuierlich oder schrittweise durchgeführt.
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Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird beispielhaft anhand der 1 bis 3 beschrieben.
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Hier wird der Begriff Licht stets als Synonym für elektromagnetische Strahlung vom Terahertz-, über das Infrarot- bis zum tiefen UV-Spektrum verwendet.
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Die 1 zeigt jeweils eine Objektwellenfront OW und eine Referenzwellenfront RW zu fünf unterschiedlichen Zeitpunkten t_i bis t_i + 4, die jeweils einer Kurzkohärenz-Lichtquelle nach dem Passieren des Ausgangs eines Zweistrahl-Interferometers zur Objekterfassung entstammen. Die Kohärenzlänge Lk der Strahlung ist hierbei deutlich kleiner als die räumliche Änderung des optischen Gangunterschieds auf dem gerasterten Detektor im räumlichen Interferogramm. In der 1 ist im Interferometer sukzessive der optische Laufweg der Objektwelle in vier Schritten immer weiter verkleinert dargestellt, was sich aus fünf unterschiedlichen Positionen eines optisch angetasteten Objekts in einem her nicht dargestellten Interferometer zu den fünf unterschiedlichen Zeitpunkten t_i bis t_i + 4 ergibt. Die Lagen der Wellenfronten sind hierbei über der Länge Ld des gerasterten Detektors jeweils zu den verschiedenen Zeitpunkten t_i bis t_i + 4 in den Kästchen i bis i + 4 als Kurzzeitaufnahme abgebildet und wurden her jeweils zentriert dargestellt. Im Kästchen i zum Zeitpunkt t_i sind die Wellenfronten gleicher Laufzeit – also die Objekt- und die Referenzwelle – um mehr als die Kohärenzlänge Lk voneinander separiert, so dass keine Interferenz zu detektieren ist, wobei der optische Laufweg der Objektwelle großer als der der Referenzwelle ist. Der Gleichanteil des Interferogramms ist hier nicht dargestellt. Zum Zeitpunkt t_i + 1, dargestellt im Kästchen i + 1, beträgt am unteren Ende des gerasterten Detektors der optische Gangunterschied xr = 0, so dass ein Kurzkohärenz-Interferogramm KKI dort mit seinem Modulationsmaximum entsteht und sicher detektiert werden kann. Am oberen Ende des gerasterten Detektors tritt die maximale Änderung des optischen Gangunterschiedes delta_xr_max auf dem Detektor auf, die her etwa 20 Schwerpunkt-Wellenlängen der detektierten Strahlung beträgt.
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Die Änderung des optischen Gangunterschiedes delta_xr_max über der Länge Ld des Detektors soll mindestens eine Schwerpunktwellenlänge betragen, so dass eine Phasenauswertung im Intervall +/–180° für einen Messpunkt gut möglich ist, was bei optisch glatten Objekten in vielen Fällen ausreichend ist. In diesem Fall werden nur wenige Pixel des gerasterten Detektors zur Gewinnung der Phaseninformation eines Messpunktes genutzt. Umso größer kann hierbei die Anzahl der in einen Kamerabild erfassten Messpunkte sein.
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Im Kästchen i + 2 zum Zeitpunkt t_i + 2 beträgt in der Mittenposition des gerasterten Detektors der optische Gangunterschied xr = 0, so dass ein Kurzkohärenz-Interferogramm KKI hier mit seinem Modulationsmaximum und auch mit den relevanten Nebenmaxima zu detektieren ist.
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Der optische Laufweg der Objektwelle im Interferometer ist im Kästchen i + 3 kleiner als der der Referenzwelle, nur am oberen Ende des gerasterten Detektors beträgt der optische Gangunterschied xr = 0, so dass ein Kurzkohärenz-Interferogramm KKI dort mit seinem Modulationsmaximum detektiert werden kann. Aufgrund des noch kleineren Laufweges der Objektwelle im Interferometer sind zum Zeitpunkt t_i + 4 die Objektwellenfront OW und die Referenzwellenfront gleicher Laufzeit im Kästchen i + 4 um mehr als die optische Kohärenzlänge Lk voneinander entfernt, so dass auch hier – wie zum Zeitpunkt t_i – keine Interferenz zu detektieren ist.
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Die 2 stellt den Zusammenhang zwischen delta_x(t), der zeitlichen Änderung des optischen Gangunterschieds im räumlichen Interferogramm in einem Punkt, sowie die Verhältnisse zwischen Stellzeit delta_tz und Integrationszeit des gerasterten Detektors delta_t_In dar. Die Integrationszeit delta_t_In ist deutlich kürzer als die Stellzeit delta_tz zwischen zwei Bildaufnahmen mittels gerastertem Detektor gewählt.
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Die 3 zeigt einen Sensor zur weitskaligen Abstandsmessung eines Objekts 7 auf der Basis eines Michelson-Interferometers mit einem makroskopischen Abbildungssystem.
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Der Frequenzkamm-Laser 111 mit der einfachen optischen Länge L1 erzeugt zum Zeitpunkt t1 ein Vielstrahl-Interferenz-Spektrum im nah-infraroten Bereich mit Frequenzkamm-Charakteristik. Wie im Detail A dargestellt, bilden die transmittierten, schmalbandigen Spektralanteile dabei im Wellenzahlraum, dem k-Raum, einen Kamm mit äquidistanten Abständen Δk. Das Licht mit Spektralkamm-Charakteristik, welches die Lichtquelle 111 verlässt, wird mittels einer Strahlformungsoptik 2 in einen kleinen Fokusfleck FF gebracht, nachfolgend durch ein Objektiv 3 kollimiert und durch ein vergleichsweise gering-aperturiges Fokussierobjektiv 4 mit einer numerischen Apertur von 0,05 wieder fokussiert. Dieses Licht gelangt anschließend in ein Michelson-Typ-Interferometer mit einem Strahlteiler 5 und einer Strahlteilerfläche 6, wo es in ein Referenzbündel R und ein Objektbündel O aufgespaltet wird.
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Das Licht, welches nach dem Eintritt in das Interferometer an der Strahlteilerfläche 6 in den Referenzstrahlengang R reflektiert wird, gelangt auf einen Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor 8.
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Am Drei-Planspiegel-Referenz-Endreflektor 8 erfährt das einfallende Referenzstrahlenbündel eine Lateral-Shear vom Betrag delta_q, wird dort reflektiert und passiert den Strahlteiler 5 mit der Strahlteilerfläche 6. Das zurückkommende Referenzstrahlenbündel, dargestellt durch den Referenzhauptstrahl RHS, verlässt das Interferometer über den Interferometer-Ausgang IA, gelangt auf den gerasterten Detektor 12.
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Das die Strahlteilerfläche 6 geradlinig passierende Objektlichtbündel O wird in den Zwischenfokus ZF fokussiert. Dieser Zwischenfokus ZF wird vom Spiegel-Objektiv 113 in den Messraum als Fokus FO mit dem wellenoptischen Schärfentiefebereiche DOV abgebildet. Der angetastete Punkt P der Objektoberfläche des Objekts 7 befindet sich zum Zeitpunkt t1 nahe am Fokus FO und innerhalb des wellenoptischen Schärfentiefebereiches DOV des fokussierten Lichts, welcher aufgrund der numerischen Apertur von 0,05 in der Größenordnung von wenigen 100 μm liegt. Zum Zeitpunkt t1 beträgt die optische Weglänge zum Objektpunkt P näherungsweise 4L1, also etwa das Vierfache der optischen Weglänge L1 der Lichtquelle 111 mit Frequenzkamm-Charakteristik.
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Das vom angetasteten Punkt P der Objektoberfläche des Objekts 7 zurückkehrende Licht wird an der Strahlteilerfläche 6 durch Reflexion über den Interferometer-Ausgang IA in Richtung des gerasterten Detektors 12 gelenkt. Dargestellt ist hier der Objekthauptstrahl OHS. Auf dem Detektor 12 kommt es zur Überlagerung mit dem Licht aus dem Referenzstrahlengang. Dadurch kann ein räumliches Interferogramm auf dem gerasterten Detektor 12 mit zumindest näherungsweise konstanter Ortsfrequenz für die Schwerpunktwellenlänge entstehen. Die Verhältnisse bei der Interferenz entsprechen bei hinreichend guter Fokussierung zumindest näherungsweise denen im Youngschen Doppelspaltversuch mit zwei Pinholes. Auf dem gerasterten Detektor 12 sind hier eine Objektwellenfront OW und eine Referenzwellenfront RW dargestellt.
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Der angetastete Punkt P der Objektoberfläche des Objekts 7 befindet sich im wellenoptischen Schärfentiefe-Bereich DOV. Jedoch ist der optische Gangunterschied zum Zeitpunkt t1 zwischen den beiden sich überlagernden Wellen trotz Kompensation durch die Lichtquelle 111 mit Frequenzkamm-Charakteristik im Mittel vergleichsweise groß, so dass nur ein Teil eines räumlichen Kurzkohärenz-Interferogramms KKI – also nicht das Maximum der Einhüllenden des räumlichen Kurzkohärenz-Interferogramms KKI – auf dem Detektor 12 beobachtet werden kann, siehe Detail B.
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Im Zeitintervall delta_tz wird nun die optische Weglänge der Lichtquelle 111 mit Frequenzkamm-Charakteristik um delta_L vergrößert, so dass zum Zeitpunkt t2 in der Lichtquelle 111 mit Frequenzkamm-Charakteristik die einfache optische Weglänge L2 besteht. Die Änderung delta_L der optischen Weglänge der Lichtquelle 11l mit Frequenzkamm-Charakteristik, hier eine Vergrößerung der optischen Weglänge L2, beträgt etwa den zehnfachen Betrag der Schwerpunktwellenlänge Lambda_schwer. Diese Änderung delta_L der optischen Weglänge wird beim Scannen hier mit einer Wegauflösung von 10 nm, also hochaufgelöst, gemessen. Zum Zeitpunkt t2 entspricht die vierfache optische Weglänge L2 der Lichtquelle 111 in der Messebene ME2 nahezu der Tiefenposition des Objektpunkts P, so dass ein räumliches Kurzkohärenz-Interferogramm KKI im Überlagerungsbereich U der Wellenfronten, dargestellt im Detail C, entstehen kann. Die Positionsabweichung der Messebene ME2 von der Tiefenposition des Objektpunkts P liegt im einstelligen Mikrometerbereich. Das Detail C zeigt, dass das Maximum der Einhüllenden des räumlichen Kurzkohärenz-Interferogramms KKI hierbei um (–)y(t2) auf dem gerasterten Detektor 12 aus der Detektormitte verschoben ist. Aufgrund der Kenntnis der einfachen optischen Weglänge L2 der Lichtquelle 111 mit Frequenzkamm-Charakteristik und der a priori-Kenntnis, dass die Messebene ME2 sich in der vierfachen optischen Weglänge L2, also bei 4L2 befindet, sowie durch die Kenntnis des Neigungswinkels der interferierenden Wellenfronten RW und OW aus der Geometrie der Anordnung, der Schwerpunktwellenlänge und durch die rechnerische Bestimmung der Verschiebung (–)y(t2) kann durch den kundigen Fachmann mit beim Stand der Technik bekannter Algorithmik die Tiefenposition des Objektpunkts P rechnergestützt mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Dies erfolgt hier unter anderem durch eine Einhüllendenauswertung des Kurzkohärenz-Interferogramms KKI, das beispielsweise hier entlang der Spalte Sk des Detektors 12 erfasst wird. Durch die Möglichkeit der vergleichsweise groben Änderung delta_L der optischen Weglänge der Lichtquelle 111 mit Frequenzkamm-Charakteristik erfolgt hierbei eine wesentlich schnellere Tiefenabtastung eines Objektpunktes P im Vergleich zur klassischen Weißlichtinterferometrie, wo ein Scanschritt bei der Abtastung eines Kurzkohärenz-Interferogramms typischerweise nur ein Achtel der Schwerpunktwellenlänge beträgt.
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Für den Fall, dass auch nach der ersten Änderung delta_L der optischen Weglänge das Maximum der Einhüllenden des Kurzkohärenz-Interferogramms KKI sich nicht auf dem gerasterten Detektor 12 befindet, wird eine weitere Änderung delta_L der optischen Weglänge in der Lichtquelle 111 mit Frequenzkamm-Charakteristik im Zeitintervall delta_tz durchgeführt. Dies kann so oft wiederholt werden bis sich das Maximum der Einhüllenden des Kurzkohärenz-Interferogramms KKI auf dem Detektor ergibt. Dabei muss sich jedoch die aktuelle Messebene ME stets im wellenoptischen Schärfentiefebereich befinden. Anderenfalls muss nachfokussiert werden.
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Nach Beendigung des optischen Antastens des Punktes P erfolgt eine laterale Verschiebung des Objekts 7, welches hier ein Profil mit Vertiefungen aufweist, durch einen hier nicht dargestellten Schlitten und es wird nun der Punkt Q in der Vertiefung des Objekts 7 optisch angetastet. Auch dieser Punkt Q liefert in der Regel erst nach mehrmaligem Verändern der optischen Weglänge um delta_L in der Lichtquelle 111 mit Frequenzkamm-Charakteristik – jeweils in einem Zeitintervall delta_tz – auf dem gerasterten Detektor 12 ein räumliches Kurzkohärenz-Interferogramm KKI mit seinem Modulationsmaximum. Dazu sind jedoch – im Vergleich zur klassischen Weißlicht-Interferometrie mit einer Änderung der optischen Weglänge im Sub-Lamda-Bereich pro Detektion – hierbei nur wenige Veränderungen der optischen Weglänge um ΔL, also nur wenige Schritte und Aufnahmen mittels gerastertem Detektor 12, erforderlich.
