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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Bestimmung des Höhenprofils eines Objekts, umfassend
mindestens eine Lichtquelle zur Erzeugung von Licht, wobei mindestens
ein Teilstrahl des Lichts auf eine zu untersuchende Oberfläche des Objekts
auftreffen und von dieser zumindest teilweise reflektiert werden
kann, sowie Erfassungsmittel, die sowohl den mindestens einen von
der zu untersuchenden Oberfläche
reflektierten Teilstrahl, als auch mindestens einen weiteren, als
Referenzstrahl dienenden Teilstrahl des Lichts erfassen können, wobei aus
der Interferenz zwischen reflektiertem Teilstrahl und Referenzstrahl
Informationen über
das Höhenprofil
der zu untersuchenden Oberfläche
des Objekts gewonnen werden können.
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Vorrichtungen der eingangs genannten
Art sind bereits bekannt. Mit ihnen lassen sich die Höhenprofile
relativ schwach profilierter Objekte mit ausreichender Genauigkeit
bestimmen. Problematisch wird der Einsatz derartiger Vorrichtungen
allerdings bei verhältnismäßig stark
profilierten Objekten, wie beispielsweise Zylinderlinsen. Die Höhenauflösung der
bisher bekannt gewordenen optischen Vorrichtungen reicht oft nicht
aus, um die optische Güte von
Mikrooptiken, insbesondere die Abweichung eines realen Linsenprofils
von einem theoretisch erwarteten Linsenprofil, zuverlässig bestimmen
zu können.
Bei den bisher bekannt gewordenen Vorrichtungen wird der mindestens
eine Teilstrahl stets nahezu parallel zur Oberflächennormalen auf das zu untersuchende
Objekt eingestrahlt. Eine derartige Einstrahlrichtung führt jedoch
dazu, dass die Reflexion des Teilstrahls gerade bei einer starken
Profilierung der Oberfläche
des Objekts relativ undefiniert erfolgt, wodurch die Bestimmung
des Höhenprofils
des Objekts nicht im gesamten zu untersuchenden Bereich möglich ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu
stellen, die auch die Untersuchung verhältnismäßig stark profilierter Objekte
ermöglicht.
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Diese Aufgabe durch eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs gelöst.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass mindestens
ein auf die zu untersuchende Oberfläche des Objekts treffender
Teilstrahl unter einem Winkel von etwa 5° bis 90° zur Normalen auf der Oberfläche auftrifft.
Die erfindungsgemäße Lösung hat
den Vorteil, dass bei schräg
zur Oberflächennormalen
verlaufender Inzidenz des mindestens einen Teilstrahls die Qualität der Höheninformationen,
(insbesondere die Höhenauflösung), die
sich aus der Interferenz zwischen dem reflektierten Teilstrahl und
dem Referenzstrahl ergeben, verbessert wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
trifft der mindestens eine Teilstrahl unter einem Winkel von 20° bis 89°, vorzugsweise
von 50° bis
87°, insbesondere
von 70° bis
85° zur
Normalen auf der Oberfläche
auf. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Inzidenz des mindestens
einen Teilstrahls die Höhenauflösung weiter
verbessert.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform,
bei der die Vorrichtung zur Bestimmung des Höhenprofils eines Objekts derart
gestaltet ist, dass mindestens ein Interferenzmuster vom auftreffenden Licht
auf der Oberfläche
des Objekts erzeugt werden kann. Aus dem mindestens einen Interferenzmuster sind
Informationen über
die Profilierung der Oberfläche
des Objekts ableitbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Laservorrichtung zur Erzeugung
des kohärenten
Lichts aufweist. Mit Hilfe einer Laservorrichtung können der
als Referenzstrahl dienende Teilstrahl sowie der mindestens eine
mit der zu untersuchenden Oberfläche
wechselwirkende Teilstrahl relativ einfach erzeugt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
weist die Vorrichtung Strahlführungsmittel auf,
die den mindestens einen von der zu untersuchenden Oberfläche des
Objekts reflektierten Teilstrahl und/oder den Referenzstrahl den
Erfassungsmitteln zuführen
können.
Bei diesen Strahlführungsmitteln
kann es sich um ein oder mehrere Linsenmittel und/oder Reflexionsmittel
handeln.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Vorrichtung Strahlteilermittel zur Erzeugung
mindestens eines ersten und eines zweiten Teilstrahls aufweist,
die das Licht beispielsweise in mindestens einen Referenzstrahl
und mindestens einen mit der Oberfläche des Objekts wechselwirkenden
Strahl aufteilen können.
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Eine Weiterbildung der vorliegenden
Erfindung sieht vor, dass der erste Teilstrahl und der zweite Teilstrahl
aus zwei voneinander verschiedenen, insbesondere im Wesentlichen
gegenüberliegenden, Beleuchtungsrichtungen
auf das Objekt treffen, so dass dadurch das mindestens eine Interferenzmuster auf
der Oberfläche
des Objekts erzeugt wird. Das Interferenzmuster, das sich in diesem
Fall auf der Oberfläche
des Objekts bildet, ist ein Streifenmuster mit der Periode T = ½·λ/sin (α/2). Dabei
beträgt
der Winkel α etwa
180° und λ bezeichnet
die Wellenlänge des
eingesetzten kohärenten
Lichts.
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Vorzugsweise dient hierbei der zweite
Teilstrahl als Referenzstrahl, so dass durch den ersten und den
zweiten Teilstrahl ein Interferenzmuster auf den Erfassungsmitteln
erzeugt wird. Der erste und der zweite Teilstrahl dienen somit gleichzeitig
zur Erzeugung von Interferenzmustern auf dem Objekt und auf den
Erfassungsmitteln, so dass keine zusätzlichen, nicht von dem Objekt
reflektierten Teilstrahlen benötigt
werden.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, dass die Strahlführungsmittel und/oder
Strahlteilermittel eine interferometrische Anordnung mit mindestens
einem Arm bilden. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige interferometrische Anordnung
die Qualität
der Höheninformationen
der Oberfläche
des Objekts verbessern kann.
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Überraschenderweise
hat es sich gezeigt, dass eine interferometrische Anordnung mit
einem zweiten Arm, dessen Strahlführungsmittel und/oder Strahlteilermittel
im Wesentlichen symmetrisch zu denjenigen des ersten Arms angeordnet
sind, die Höhenauflösung weiter
verbessert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
ist vorgesehen, dass einer der Arme der interferometrischen Anordnung
eine Einrichtung zur Transformation der Wellenfront des Lichts,
insbesondere eine Einrichtung zur 180°-Drehung oder zur Spiegelung
des Lichts aufweist, wobei die Spiegelung an einer zur untersuchenden
Oberfläche
des Objektes parallelen Ebene erfolgt. Durch die in diesem Arm des
Profilometers durchgeführte
Wellenfrontransformation wird die Auflösung der Vorrichtung zur Ermittlung
des Höhenprofils
eines Objekts weiter verbessert.
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Vorzugsweise handelt es sich bei
der Einrichtung zur Spiegelung des Laserlichts um ein Porro-Prisma
oder ein König-Prisma.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, dass die Erfassungsmittel mindestens ein CCD-Array umfassen.
Dieses CCD-Array ist vorzugsweise zweidimensional ausgeführt, so
dass Informationen über die
Höhenprofilierung
unterschiedlicher Bereich der Oberfläche erfasst werden können.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass
die Vorrichtung Scannmittel zur Bewegung des Objekts relativ zu
dem mindestens einen auf die Oberfläche des Objekts auftreffenden
Teilstrahl aufweist. Die Verwendung derartiger Scannmittel erlaubt die
ortsaufgelöste
Bestimmung der Höhenprofilierung
der Oberfläche
des Objekts.
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Alternativ oder zusätzlich dazu
kann die Vorrichtung Scannmittel zur Bewegung der Erfassungsmittel
gegenüber
dem auf sie auftreffenden Licht aufweisen. Dadurch können auch
bei sehr hoch aufgelösten
Messungen CCD-Chips mit einer im Vergleich zu der Menge der zu erwartenden
Messdaten geringeren Verarbeitungskapazität verwendet werden.
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Es besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit,
dass die Vorrichtung Mittel zur Phasenverzögerung in einem der Arme der
interferometrischen Anordnung aufweist. Das kann beispielsweise
dadurch realisiert werden, dass die Mittel zur Phasenverzögerung mindestens
ein verdrehbares Halbwellenlängenplättchen oder
mindestens einen beispielsweise durch ein Piezoelement verschiebbaren
Spiegel umfassen. Durch eine derartige, beispielsweise in mehreren
aufeinanderfolgenden Messungen schrittweise durchgeführte Phasenverzögerung kann
die Auflösung
deutlich, beispielsweise um einen Faktor 100 gesteigert werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beiliegende Abbildung. Darin zeigt
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1 eine
Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Ermittlung des Höhenprofils
eines Objekts gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist
eine schematisierte Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung
des Höhenprofils
eines Objekts 2 gezeigt, die im folgenden auch kurz als
Profilometer bezeichnet werden soll.
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Mit Hilfe einer derartigen Vorrichtung
können Höhenprofile
profilierter Objekte experimentell bestimmt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet
sich unter anderem dazu, die Höhenprofile profilierter
Mikrooptiken, beispielsweise Linsen zu untersuchen und die durch
den Herstellungsprozess auftretenden Abweichungen des realen Linsenprofils von
einem theoretisch erwarteteten Linsenprofil zu ermitteln.
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Dem Profilometer liegt eine interferometrische
Anordnung der optischen Komponenten zugrunde, die zunächst überblicksartig
beschrieben werden soll.
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Das Profilometer weist eine Laservorrichtung 1 zur
Erzeugung eines kohärenten
monochromatischen Laserstrahls 8a auf. Anstelle einer Laseranordnung 1 kann
erfindungsgemäß auch eine
andere Lichtquelle, insbesondere eine Weißlichtquelle verwendet werden.
Bezogen auf die Oberfläche
des zu untersuchenden Objekts 2 wird der Laserstrahl 8a in der
vorliegenden Ausführungsform
in einem verhältnismäßig großen Winkel
(nämlich
größer als
70° aber kleiner als
90°) relativ
zur Oberflächennormalen
abgestrahlt. Gegebenenfalls können
auch zusätzliche Mittel
zur Ablenkung des Laserstrahls 8a vorgesehen sein, so dass
die Ausrichtung der Laservorrichtung 1 bezüglich der
Oberflächennormalen
des Objekts 2 auch anders gewählt sein kann.
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Die interferometrische Anordnung
des Profilometers umfasst in dieser Ausführungsform ferner drei Strahlteilerelemente 4a, 4b, 4c,
vier Linsenmittel 5a, 5b, 5c, 5d,
sowie sechs Reflexionsmittel 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f.
Zur Lichtdetektion ist in diesem Ausführungsbeispiel ein zweidimensionales
als Erfassungsmittel 3 dienendes CCD-Array vorgesehen.
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Gegebenenfalls kann die interferometrische Anordnung
darüber
hinaus eine Einrichtung 7 zur 180°-Drehung des Laserlichts aufweisen,
auf deren Funktionsweise später
noch näher
eingegangen werden soll.
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Aus 1 wird
deutlich, dass die interferometrische Anordnung des Profilometers
zwei sogenannte Arme besitzt, deren optische Elemente im Wesentlichen
symmetrisch zueinander angeordnet sind. Dabei wird der erste (in 1 der linke) Arm vom Strahlteilerelement 4b,
den Linsenmitteln 5a und 5c sowie den Reflexionsmitteln 6a, 6c und 6e gebildet.
Entsprechend wird der zweite (in 1 der rechte)
Arm aus dem Strahlteilerelement 4c, den Linsenmitteln 5b und 5d sowie
den Reflexionsmitteln 6b, 6d, 6f und
gegebenenfalls der bereits erwähnten Einrichtung 7 zur
180°-Drehung
des Laserlichts gebildet.
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Der von der Laservorrichtung 1 emittierte
Laserstrahl 8a trifft zunächst auf ein Strahlteilerelement 4a,
so dass der Laserstrahl 8a teilweise transmittiert und
teilweise reflektiert und somit in zwei Teilstrahlen 8b und 8c zerlegt
wird.
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Der vom Strahlteilerelement 4a reflektierte Teilstrahl 8c tritt
seinerseits mit dem Strahlteilerelement 4b in Wechselwirkung,
so dass wiederum ein Teilstrahl 8f des Strahls 8c transmittiert
und ein Teilstrahl 8g des Strahls 8c reflektiert
wird. Dabei breitet sich der reflektierte Teilstrahl 8g in
Richtung auf die Oberfläche
des zu untersuchenden Objekts 2 aus. Der vom Strahlteilerelement 4b transmittierte
Teilstrahl 8f, der aus dem von der Oberfläche des
Objekts 2 reflektierten Teilstrahl 8e hervorgegangen
ist, durchläuft
auf seinem weiteren Weg durch den ersten Arm der interferometrischen
Anordnung zunächst das
Linsenmittel 5a und trifft anschließend auf das Reflexionsmittel 6a,
das so orientiert ist, dass der Strahl in Richtung des Linsenmittels 5c und
des nachfolgend im Strahlengang angeordneten Reflexionsmittels 6c reflektiert
wird. Nach dem Durchtritt durch das Linsenmittel 5c und
nach der Reflexion am Reflexionsmittel 6c trifft der Strahl
auf das Reflexionsmittel 6e, das so orientiert ist, dass
der dort reflektierte Strahl auf das zweidimensionale CCD-Array trifft
und dort detektiert wird.
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Auf diese Weise wird ein erster Teilstrahl
auf das CCD-Array abgebildet, der mit dem Objekt 2 in Wechselwirkung
getreten ist.
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Ein zweiter als Referenzstrahl dienender Teilstrahl
wird ganz analog zum ersten Teilstrahl durch den zweiten Arm der
interferometrischen Anordnung, der durch das Strahlteilerelement 4c,
die Linsenmittel 5b und 5d, die Reflexionsmittel 6b, 6d und 6f sowie
gegebenenfalls durch die Einrichtung 7 zur 180°-Drehung
des Laserlichts gebildet wird, auf das CCD-Array abgebildet. Dabei
wird der vom Strahlteilerelement 4a transmittierte Teilstrahl 8b vom
Strahlteilerelement 4c teilweise in Richtung der Oberfläche des
Objekts 2 reflektiert (Teilstrahl 8e). Der aus
dem an der Oberfläche
des Objekts 2 reflektierten Teilstrahl 8g hervorgegangene
transmittierte Teilstrahl 8d durchläuft die übrigen optischen Elemente des
zweiten Arms der interferometrischen Anordnung und wird schließlich auf
das CCD-Array abgebildet.
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Der vom Strahlteilerelement 4c reflektierte Teilstrahl 8e wird
seinerseits nach der Wechselwirkung mit der Oberfläche des
Objekts 2 reflektiert und durchläuft als erster Teilstrahl den
ersten Arm der interferometrischen Anordnung bis zum CCD-Array in der
oben beschriebenen Weise.
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Gleiches gilt für den vom Strahlteilerelement 4b in
Richtung der Oberfläche
reflektierten Lichtstrahl 8g, der nach der Reflexion an
der Oberfläche des
Objekts 2 als zweiter Teilstrahl den zweiten Arm der interferometrischen
Anordnung bis zum CCD-Array durchläuft.
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Die auf das Objekt 2 treffenden
kohärenten Teilstrahlen 8e und 8g erzeugen
Interferenzmuster auf der Oberfläche
des Objekts 2, die stark von der Profilierung der Oberfläche abhängen und
folglich zur Ermittlung des Höhenprofils
des Objekts 2 geeignet sind. Diese Interferenzmuster werden
nach dem Durchgang durch den ersten bzw. zweiten Arm der interferometrischen
Anordnung auf das CCD-Array abgebildet und treten dort miteinander
in Wechselwirkung.
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Die auf das CCD-Array abgebildeten
Interferenzmuster enthalten Höheninformationen
und damit Informationen über
die Profilierung der Oberfläche des
Objektes 2, die mittels einer hier nicht dargestellten
Verarbeitungseinrichtung ausgewertet werden können.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird also ein Interferenzmuster der Oberfläche des Objekts 2 direkt
auf das CCD-Array
oder alternativ auf einen anderen lichtempfindlichen Detektor abgebildet.
Daraus ergeben sich über
die Verbiegungen und Verzerrungen des Bildes Informationen über die
Profilierung des Objekts 2.
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Um insbesondere die Höhenauflösung des Profilometers
zu verbessern, kann in einem Arm der interferometrischen Anordnung
eine Einrichtung 7 zur 180°-Drehung oder auch zur Spiegelung
des Laserlichts vorgesehen sein. Bei der Einrichtung zur Spiegelung
kann es sich beispielsweise um ein Porro-Prisma oder ein König-Prisma
handeln. Mit Hilfe dieser Einrichtung zur Spiegelung des Laserlichts wird
in dem betreffenden Arm der interferometrischen Anordnung eine Wellenfronttransformation
durchgeführt,
die einer Spiegelung des Laserstrahls an einer zur untersuchenden
Oberfläche
des Objekts parallelen Ebene entspricht, so dass das Interferenzmuster von
der Oberfläche
des Objekts 2 so auf das CCD-Array abgebildet wird, als
ob es aus einem Bereich unterhalb der Oberfläche des Objekts 2 betrachtet
werden würde. Ähnlich gilt
für die
Einrichtung 7 zur 180°-Drehung des Lichts.
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Alternativ oder zusätzlich kann
auch der Winkel der Lichtstrahlen, die auf das CCD-Array treffen, willkürlich verändert werden,
wodurch die Auflösung und
darüber
hinaus auch das Sichtfeld besser angepasst werden können.
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Wie oben bereits erwähnt, kann
die erfindungsgemäße Vorrichtung
beispielsweise zur Vermessung von Linsenoberflächen eingesetzt werden, um
die Abweichung des realen Linsenprofils von einer theoretischen
Kurve zu bestimmen. Bei der Herstellung von Linsen treten aufgrund
von Prozessungenauigkeiten Abweichungen von der theoretisch berechneten
Linsenkurve auf. In der Praxis ist es für die Beurteilung der Linsengüte sehr
wichtig, Profilabweichungen in der Größenordnung von 10 nm experimentell
nachweisen zu können.
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Diese Höhenauflösung kann mit der hier vorgestellten
Vorrichtung erreicht werden.
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Die Verwendung von reflektiertem
Laserlicht hat darüber
hinaus den Vorteil, dass das Problem des sogenannten Speckle-Rauschens,
das insbesondere bei gestreutem kohärenten Licht auftritt, umgangen werden
kann.
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Das erfindungsgemäße Profilometer kann auch so
ausgeführt
sein, dass die Oberfläche
des Objekts 2 mit kohärenten
Laserstrahlen aus zwei zueinander entgegengesetzten Richtungen (Teilstrahlen 8e und 8g)
beleuchtet wird, wobei der Winkel zwischen den beiden Beleuchtungsrichtungen
beinahe 180° beträgt. Das
Interferenzmuster, das sich auf der Oberfläche des Objekts 2 bildet,
ist in diesem Fall ein Streifenmuster mit der Periode T = ½·λ/sin (α/2), wobei
der Winkel α etwa
180° beträgt und λ die Wellenlänge des
eingesetzten Laserlichts bezeichnet. Wird das Objekts 2 in
dieser Weise aus zwei beinahe zueinander entgegengesetzten Richtungen
beleuchtet, wird mittels der oben beschriebenen Anordnung das Interferenzmuster
der Oberfläche
zweimal auf das CCD-Array abgebildet. Vorzugsweise weist dabei einer
der Arme der interferometrischen Anordnung des Profilometers zur
Verbesserung der Höhenauflösung die
bereits erwähnte
Einrichtung 7 zur 180°-Drehung des
Laserlichts auf, damit eine der beiden Abbildungen spiegelverkehrt
auf das CCD-Array erfolgt.
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Die interferometrische Anordnung
des Profilometers kann in einer alternativen Ausführungsform lediglich
einen Arm aufweisen. Werden beispielsweise, abgesehen vom Strahlteilerelement 4c,
sämtliche optischen
Elemente des zweiten (in 1 des
rechten) Arms des Profilometers weggelassen, ergeben sich die Informationen über die
Profilierung des Objekts 2 aus einem unter Umständen nicht
von der Oberfläche
reflektierten Referenzstrahl und dem vom Teilstrahl 8e erzeugten
Interferenzmusters der Oberfläche
des Objekts 2, die jeweils den ersten (in 1 den linken) Arm der interferometrischen
Anordnung des Profilometers durchlaufen und auf das CCD-Array abgebildet
werden.