DE2528209B2 - Optischer Feintaster - Google Patents

Description

Ansteuerung des mechanischen Stellgliedes sinusförmig sein.

Wenn darüberhinaus das mechanische Stellglied, beispielsweise ein Hochtonlautsprecher, mit dem Referenzspiegel bei einer Frequenz schwingt, die beträchtlich unter seiner mechanischen Eigenresonanz liegt, kann in vorteilhafter Weise die momentane Ansteuerung des mechanischen Stellgliedes als Maß für die momentane Auslenkung des Referenzspiegels verwendet werden, d. h. die Phasenverschiebung zwi- in sehen Ansteuerung und Auslenkung ist vernachlässigbar klein.

Die Meßgenauigkeit für die Lage des Meßobjektes ist besonders groß, wenn der Referenzspiegel nur eine kleine Schwingung von etwa 1,5 μπι Amplitude ausführt. Soll der Meßbereich aber gleichzeitig groß sein, etwa 20μιη, dann muß der optische Gangunterschied des Interferometers zusätzlich statisch verstellt werden können. In einfacher Weise geschieht das, indem der Referenzspiegel selbst über das mechanische Stellglied auch statisch in Richtung der optischen Achse verstellt werden kann.

Als Photoempfänger für das Weißlicht-Modulationsinterferometer eignen sich schnelle, kapazitätsarme Photodioden. Derartige Photodioden aus Silizium in der Bauart als PIN- oder als Avalanche-Diode erfüllen auch die Anforderung nach möglichst breiter spektraler Empfindlichkeit.

Der mittlere Gleichspannungspegel des Empfängersignals ist proportional zur Summe der beiden m Teilbildintensitäten. Damit die Lampenhelligkeit und die Größe der Aperturblende des Strahlenganges über einen weiten Bereich keinen Einfluß auf die Messung haben, ist vorgesehen, daß das Ausgangssignal des Photoempfängers von einem in seiner Verstärkung verstellbaren Verstärker jeweils so hoch verstärkt wird, daß der Gleichspannungspegel des Verstärkungsausgangssignales einen vorgegebenen Wert erreicht. Als Ergebnis dieser Maßnahme wird auch die Amplitude des Wechselanteils dieses Signales wenig schwanken.

Die Information über den Abstand des Meßobjektes liegt ausschließlich in den Wechselanteilen des Interferenzensignales, deren Frequenzen größer als die Modulationsfrequenz für den Gangunterschied sind. Deshalb sollte nach dem Empfängerverstärker ein Hochpaß folgen, dessen Grenzfrequenz etwa bei der Modulationsfrequenz für den optischen Gangunterschied des Interferometers liegt.

Als eine der Möglichkeiten für die weitere elektronische Signalauswertung ist vorgesehen, daß das von 5<i seinem Gleichspannungsanteil abgetrennte Photoempfängersignal zunächst in einer Baugruppe zur Betragsbildung mit einheitlicher Polarität versehen wird, danach eine phasenempfindliche Gleichrichtung in Relation zu dem Modulationssignal für den Gangunterschied erfährt und sodann an einen Regelverstärker mit überwiegend integralem Regelverhalten geführt wird.

Das Ausgangssignal des Integralreglers kann auf verschiedene Weise den Meßkreis beeinflussen.

Als erste Möglichkeit kann das Reglerausgangssignal t>o dem Modulationssignal aufaddiert werden, um mit dem Summensignal die phasenempfindliche Gleichrichtung zu steuern. Der stationäre Zustand des Regelkreises ist erreicht, wenn der Gleichspannungsanteil nach der phasenempfindlichen Gleichrichtung im zeitlichen MitteL d.h. über eine Modulationsperiode, zu Null geworden ist Das Reglerausgangssignal ist in diesem Zustand lineares Maß für den Abstand des Meßobjek-

Als zweite Möglichkeit kann das Reglerausgangssignal von dem Modulationssignal subtrahiert werden, um mit dem Differenzsignal das mechanische Stellglied für den Referenzspiegel zu steuern. In diesem Falle wird das Zweistrahlinterferometer jeweils auf den Gangunterschied Null im zeitlichen Mittel zurückgeregelt. Das Reglerausgangssignal ist wieder lineares Maß für den Abstand des Meßobjektes.

Als dritte Möglichkeit, die nur für den Einsatz des beschriebenen optischen Feintasters zur Profilabtastung interessant ist, kann das Reglerausgangssigr.al einen höhenverstellbaren Objekttisch steuern. Dadurch nimmt das Meßobjekt jeweils diejenige Lage ein. die den augenblicklich vom optischen Feintaster angepeilten Oberflächenpunkt in einen konstanten Abstand zum Feintaster bringt. Eine solche Kompensationsmethode ist für Profilmessungen mit geometrisch-optischen Feintastern bereits bekannt. Für diese Meßart wird das Ausgangssignal des Reglers lineares Maß für die Profilhöhe des Meßobjektes.

Es wurde bereits erwähnt, daß ein hochgenauer optischer Feintaster besonders für die berührungslose Abtastung von Oberflächenprofilen im Mikrometerbereich Anwendung finden kann. Da der beschriebene optische Feinlaster eine Absolutmessung des Abstandes zum Meßobjekt gestattet, werden bei der Oberflächenprofilabtastung abrupte Stufen unverfälscht wiedergegeben.

Für eine laterale Abtastung der Oberfläche des Meßobjektes zum Zwecke der Profilaufzeichnung ist vorgesehen, daß das Interferenzenbild des Meßobjektes von der Meßblende mit dem nachfolgenden Photoempfänger in einer oder zwei lateralen Richtungen abgetastet wird. Diese Bildabtastung kann entweder durch eine Abtastbewegung des Photoempfängers oder durch eine Bildverschiebung über den feststehender Photoempfänger geschehen. Letzteres läßt sich für eine laterale Abtastrichtung durch definierte seitliche Ver-Schiebung eines Umkehrprismas nach DOVE ausführen. Der seitliche Versatz des Bildes ist jeweils doppelt so groß wie der Versatz des Prismas; die Lage der Schärfenebene des Inierferenzenbildes wird niehl beeinflußt.

Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung wird im folgenden anhand zweier Figuren erläutert.

F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung den optischen Teil der Meßvorrichtung auf der linken Seite und das Blockschaltbild der elektronischen Schaltung zur Meßwertgewinnung auf der rechten Seite.

F i g. 2 zeigt den typischen zeitlichen Verlauf einiger elektrischer Signale in der elektronischen Schaltung.

Der optische Aufbau (Fig. 1) ist ein Mikroskop· Zweistrahlinterferometer nach LINNIK, mit dem in der beschriebenen Weise ein optischer Feintaster zum Zwecke der Profilabtastting realisiert ist

Das ungefilterte Licht der Glühlampe 1 trifft auf einer Strahlteiler 2. Ein Teil des Lichtes, hier als Objektteil· strahl bezeichnet, gelangt über das objektseitige Objektiv 3 auf das Meßobjekt 4. Das Meßobjekt 4 liegi auf einem piezoelektrisch in der Höhe verstellbarer Objekttisch 5. Der Objekttisch 5 enthält einer Differentialtransformator als hochgenauen Weggeber der die tatsächliche Höhenverstellung mißt, und eine interne Regelschaltung, die für strenge linearitäi zwischen der Höhenverstellung und der elektrischer Ansteuergröße sorgt

Das vom Meßobjekt 4 reflektierte Licht durchläuft

wieder das Objektiv 3 und tritt durch den Strahlteiler 2 hindurch.

Das Licht des Referenzteilstrahles durchläuft — von der Glühlampe 1 kommend — den Strahlteiler 2 und das Objektiv 6 und gelangt auf den Referenzspiegel 7, der auf der Membrane des Hochtonlautsprechers 8 aufgeklebt ist und in Richtung der optischen Achse bei etwa 200 Hz Schwingungen von einigen Mikrometern Amplitude ausführt.

Das vom Referenzspiegel 7 reflektierte Licht läuft zurück durch das Objektiv 6 und wird vom Strahlteiler 2 nach oben reflektiert. Von hier ab überlagern sich die Strahlanteile vom Meßobjekt 4 und vom Referenzspiegel 7. Das nachfolgende Umkehr-Prisma 9 nach DOVE ist. zur Biidverschiebung eingesetzt. Eine seitliche iä Verschiebung dieses Prismas bewirkt eine doppelt so große Verschiebung des Interferenzbiides in der Ebene der Meßblende 10. Das durch die kleine Meßblende 10 treffende Licht wird von dem Photoempfänger 11, einer Silizium-Photodiode, in ein der Lichtintensität proportionales Empfängersignal umgewandelt.

Der mechanisch-optische Mikroskopaufbau ist über Signalkabel mit der elektronischen Auswerteeinheit verbunden, deren Blockschaltbild auf der rechten Seite von F i g. 1 dargestellt ist.

Das Signal des Photoempfängers 11 wird auf einen gleichwertgeregelten Verstärker V geführt. Dieser Verstärker ist in seiner Verstärkung im Verhältnis 1 : 20 verstellbar. Die Verstärkung stellt sich jeweils so hoch ein, daß der Gleichspannungspegel am Verstärkerausgang 1 V beträgt. Dieser Gleichspannungspegel wird immer gehalten, wenn die Glühlampe 1 eingeschaltet ist; auch ohne Meßobjekt 4 reicht die Intensität des Referenzteilstrahles aus, um den Pegel von 1V am Verstärkerausgang zu erzeugen.

Das Ausgangssignal des Verstärkers V über einen Hochpaß HP mit einer Grenzfrequenz von etwa 200 Hz geführt, damit der Gleichspannungsanteil des Signals verschwindet.

Der nunmehr verbliebene Wechselspannungsanteil *o des Empfängersignals wird in einer Schaltungsgruppe B zur Betragsbildung in einen Spannungsverlauf von einheitlich positiver Polarität und unverändertem Spannungsbetrag umgesetzt.

Die Modulationsspannung für den optischen Gangunterschied mit einer Frequenz von 200 Hz aus dem Signalgenerator W steuert sowohl über den Addierer ADi den Hochtonlautsprecher 8 als auch über den Addierer AD 2 einen phasenempfindlichen Gleichrichter G über dessen Steuereingang S. Am Eingang E des phasenempfindlichen Gleichrichters liegt das Ausgangssignal der Schaltungsgruppe B an. Der phasenempfindliche Gleichrichter G hat die Eigenschaft, daß er an seinem Ausgang den Spannungsverlauf des Einganges E reproduziert, falls an seinem Steuereingang S eine positive Spannung anliegt, und daß er am Ausgang A das invertierte Eingangssignal erzeugt, falls am Steuereingang Seine negative Spannung ansteht

Der Ausgang A ist auf einen Regelverstärker R mit überwiegend integraler Regelcharakteristik geführt Dieser Regelverstärker R kann an seinem Ausgang M, der zugleich Meßausgang Mder gesamten Meßvorrichtung ist, nur dann einen stationären Spannungswert halten, wenn der Gleichspannungsanteil am Ausgang A des phasenempfindlichen Gleichrichters G zu Null geworden ist

Je nach Stellung des Schalters Sch sind drei verschiedene Meßarten realisierbar.

!.Obere Schalterstellung: Direktmessung

Die Ausgangsgröße des Regelverstärkers R wird im Addierer AD 2 dem Modulationssignal aufaddiert und dem phasenempfindlichen Gleichrichter G als Steuersignal Us am Steuereingang 5 angeboten. Ein stationärer Zustand ist dann erreicht, wenn die Nulldurchgänge des Steuersignals bei den Zeitpunkten liegen, an denen das Empfängersignal die Mitte des annähernd symmetrischen Interferenzbündels meldet. Der Reglerausgang muß dazu eine Spannung liefern, die der Steuergröße des Hochtonlautsprechers 8 zum Zeitpunkt des Interferenzendurchlaufs entspricht. Die Ausgangsspannung des Regelverstärkers R ist ein Meßwert für den Abstand des rvießobjektes 4. Der Meßbereich ist gleich dem Schwingbereich des Spiegels.

2. Mittlere Schalterstellung: Kompensation über stati

sche Referenzspiegelverstellung

Die Ausgangsgröße des Regelverstärkers R wird im Addierer AD\ vom Modulationssignal subtrahiert und anschließend als Steuergröße auf den Hochtonlautsprecher 8 gegeben. Der stationäre Zustand ist dann erreicht, wenn durch die statische Verstellung des Referenzspiegels 7 der mittlere Abstand des Referenzspiegels 7 zum Strahlteiler 2 ebenso groß ist wie der Abstand des Meßobjektes 4 zum Strahlteiler 2. Der Meßausgang M liefert somit ein lineares Maß für den Abstand des Meßobjektes 4.

3. Untere Schalterstellung: Kompensation über Objekthöhenverstellung (nur für Profilabtastung)

Wie schon bei der Beschreibung des höhenverstellbaren Objekttisches 5 ausgeführt wurde, ist die Proportionalität der Höhenverstellung zur angelegten Steuergröße sichergestellt. Wenn diese Höhenverstellung durch den Regelverstärker R gesteuert wird, ist der stationäre Zustand dadurch zu erreichen, daß jeweils der angepeilte Oberflächenpunkt des Meßobjektes 4 in einen konstanten Abstand zum Strahlteiler 2 gerückt wird. Damit ist hier die Spannung am Meßausgang M lineares Maß für die Profilhöhe.

Die Aufzeichnung der Profilhöhe als Funktion des Meßortes am Meßobjekt 4 wird dadurch erreicht, daß durch seitliche Verschiebung des Umkehr-Prismas 9 nach DOVE das Interferenzbild des Meßobjektes 4 langsam über die Meßblende 10 geführt wird. Jeder Stellung des Umkehr-Prismas 9 entspricht ein bestimmter Meßort am Meßobjekt 4; der Zusammenhang ist linear. Eine Spannung, die der Verschiebung des Umkehr-Prismas 9 proportional ist, wird als Maß für den Meßort auf den x-Eingang eines x, y-Schreibers gegeben; der y-Eingang des Schreibers ist mit dem Meßausgang M verbunden. Bei einer Verschiebung des Umkehr-Prismas 9 mit konstanter Geschwindigkeit ist zur Profilaufzeichnung auch ein x, i-Schreiber geeignet

Die linke Seite der F i g. 2 stellt die Signalformen für die beiden Kompensationsmeßarten der (mittlere und untere Schalterstellung). Uw ist die sinusförmige Spannung des Signalgenerators W von Fig. 1. Das Empfängersignal Uv nach dem gleichwertgeregelten Verstärker V läßt den Durchlauf der Interferenzen jeweils mittig zu den Nulldurchgängen des Modulationssignals f/^erkennen. Der Spannungsverlauf Ub entsteht am Ausgang der Schaltungsgruppe B zur Betragsbildung. Die Spannung Uw ist hier zugleich Steuersignal für den phasenempfindlichen Gleichrichter G. Nach der bereits erläuterten Funktionsweise dieses phasenemp-

findlichen Gleichrichters entsteht an seinem Ausgang A der Signalverlauf Ua, der im eingeregelten Zustand keinen Gleichspannungsanteil mehr enthält.

Die rechte Seite der F i g. 2 stellt die Signalformen für die sog. Direktmeßart der (obere Schalterstellung). Die Amplitude der Modulationsspannung Uwist hier größer gewählt; entsprechend sind die Signalbündel der Interferenzen schmaler. Charakterisitscherweise treten die Interferenzen nicht mehr mittig zu den Nulldurchgängen des Modulationssignales Uw auf. Auf den Steuereingang S des phasenempfindlichen Gleichrichters G wird deshalb eine Steuerspannung U_s gegeben, die aus Uw durch Verschiebung um den Wert Um, nämlich die Ausgangsgröße des Regelverstärkers R, erzeugt worden ist. Damit bekommt die Steuerspannung Us ihre Nulldurchgänge mittig zu den Interferenzenbündeln und bewirkt eine Ausgangsspannung Ua des phasenempfindlichen Gleichrichters G, die keinen Gleichspannungsanteil mehr enthält.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur berührungsiosen Messung des Abstandes zu einem Meßobjekt, die als Modulator-Zweistrahlinterferometer ausgebildet ist, bestehend "i aus einer Beleuchtungseinrichtung, einem Strahlteiler, einem Referenzspiegel, einer Modulationseinrichtung für den optischen Gangunterschied des Zweistrahlinterferometers und einem Photoempfänger mit nachfolgender elektronischer Schaltung zur Gewinnung des Meßwertes für den Abstand des Meßobjektes, und dessen zweiter Teilstrahl zwischen dem Strahlteiler und dem Meßobjekt verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulations-Zweistrahlinterferometer von einer Weißlichtquelle (1) beleuchtet wird und daß der optische Gangunterschied zwischen dem Objektteilstrahl vom StrahUeiler (2) zum Meßobjekt (4) und dem Relerenzteilstrahl vom Strahlteiler (2) zum Referenzspiegel (7) um mehr als die Kohärenzlänge des von der Weilichtquelle (1) ausgesandten Lichtes moduliert wird und daß ein Photoempfänger (11) hinter einer Meßblende (10) die periodisch an- und abschwellenden Interferenzen des Weißlichtes in ein zur Lichtintensität proportionales elektrisches Signal umwandelt und daß eine nachfolgende elektronische Schaltung die den periodisch wiederkehrenden Zeitpunkten maximalen Kontrastes der Weißlichtinterferenzen und damit der maximalen Modulationstiefe des Empfängersignals zugeordnete mo- ^o mentane Verstellung des optischen Gangunterschiedes des Zweistrahlinterferometers als elektrischen Meßwert für den Abstand des Meßobjektes (4) am Meßausgang fA/^bereitstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Modulations-Zweistrahlinterferometer einen Strahlengang vom MICHELSON-Typ in der Bauart nach LINNIK besitzt, bei dem ein objektseitiges Objektiv (3) das Meßobjekt (4) in die Ebene der Meßblende (10) abbildet und ein baugleiches Objektiv (6) des Referenzteilstrahles den Referenzspiegel (7) ebenfalls in die Ebene der Meßblende (10) abbildet.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation des optischen Gangunterschiedes durch eine Schwingung des Referenzspiegels (7) in Richtung der optischen Achse erzielt wird.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung des Referenzspiegels (7) mittels eines Hochtonlautsprechers als mechanischem Stellglied (8) erzeugt wird.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung des mechanischen Stellgliedes (8) und die Schwingung des Referenzspiegels (7) zeitlich sinusförmigen Verlauf haben.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzspiegel (7) mit einer Frequenz schwingt, die beträchtlich unter der mechanischen Eigenresonanz des mechanischen Stellgliedes (8) liegt.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzspiegel (7) über das mechanische Stellglied (8) auch statisch in Richtung der optischen Achse verstellt werden kann.

8. Vorrichtung nach Anspurch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Photoempfänger (11) eine Silizium-Photodiode ist

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Photoempfängers (11) von einem in seiner Verstärkung verstellbaren Verstärker (V) jeweils so hoch verstärkt wird, daß der Gleichspannungspegel des Verstärkerausgangssignal einen vorgegebenen Wert erreicht

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 9 dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Verstärker (V) ein Hochpaß (HP) folgt, dessen Grenzfrequenz etwa bei der Modulationsfrequenz für den optischen Gangunterschied des Interferometers liegt

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1,9 und 10 dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Hochpaß (HP) eine Baugruppe zur Betragsbildung (B) folgt, die dem Signal einheitliche Polarität gibt, daß danach ein phasenempfindlicher Gleichrichter (G) folgt, der dem Signal an seinem Ausgang ^dieselbe Polarität gibt, die das Steuersignal am Steuereingang (S) des phasenempfindlichen Gleichrichters (G) hat und daß das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Gleichrichters (G) an einen Regelverstärker (R) mil überwiegend integralem Regelverhalten geführt ist

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 9 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (M) des Regelverstärkers (R) über den Umschalter (Sch) auf den Addierer (AD 2) geführt ist, der das von dem Signalgenerator (W) erzeugte Modulationssignal zum Ausgangssignal des Regelverstärkers (R) addiert und die Summe als Steuersignal an den Steuereingang (S) des phasenempfindlichen Gleichrichters (G) führt, und daß außerdem das von dem Signalgenerator (W) erzeugte Modulationssignal über den Addierer (ADl) unverändert an das mechanische Stellglied (8) für den Referenzspiegel (7) geleitet wird.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 9 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (M) des Regelverstärkers (R) über den Umschalter (Sch) auf den Addierer (ADi) geführt ist, der das Ausgar.gssignal des Regelverstärkers (R)von dem in dem Signalgenerator (W) erzeugten Modulationssignal subtrahiert und das resultierende Signal als Stellgröße an das mechanische Stellglied (8) für den Referenzspiegel (7) führt, und daß außerdem das von dem Signalgenerator (W) erzeugte Modulationssignal über den Addierer (AD 2) unverändert an den Steuereingang (S) des phasenempfindlichen Gleichrichters (Gjfgeleitet wird.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzenbild des Meßobjektes (4) von der Meßblende (10) mit dem nachfolgenden Photoempfänger (11) in einer oder zwei lateralen Richtungen abgetastet wird.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 14 dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung des Interferenzenbildes in einer lateralen Richtung durch seitliche definierte Verschiebung eines Umkehr-Prismas (9) nach DOVE ausgeführt wird.

16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1,2,9 bis 11 und 14 dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (M) des Regelverstärkers (R) über den Umschalter (Sch) mit dem elektrisch höhenverstellbaren Objekttisch (5) verbunden ist und daß das von dem Signalgenerator (W) erzeugte Modulationssignal über den Addierer (ADX) unverändert an das

mechanische Stellglied (8) und über den Addierer (AD2) unverändert an den Steuereingang (S) des phasenempfindlichen Gleichrichters (G) geführt wird.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung des Abstandes zu einem Meßobjekt, die als Modulations-Zweistrahlinterferometer ausgebildet ist, bestehend aus einer Beleuchtungseinrichtung, einem Strahlteiler, einem Referenzspiegel, einer Modulationseinrichtung für den optischen Gangunterschied des Zweistrahlinterferometers und einem Photoempfänger mit nachfolgender elektronischer Schaltung zur Gewinnung des Meßwertes für den Abstand, und dessen zweiter Teilstrahl zwischen dem Strahlteiler und dem Meßobjekt verläuft.

Feintaster messen den Abstand zu einem Meßobjekt mit Hilfe eines bewegliehen Taststiftes. Optische Feintaster verwenden statt des mechanischen Taststiftes einen geeignet ausgebildeten Lichtstrahl zur Abstandsmessung. Soll die erzielbare Meßgenauigkeit bis weit unter 1 μΐη gehen, so kommen nur lichtinterferometrische Meßverfahren in Frage.

Aus der DE-PS 10 17 799 ist ein Modulations-Zweistrahlinterferometer mit photoelektrischer Signalverarbeitung zur exakten Längenmessung bekannt. Diese Einrichtung verwendet monochromatische Beleuchtung. Die Modulation des optischen Gangunterschiedes um etwa eine halbe Lichtwellenlänge gestattet zusammen mit der elektronischen Signalverarbeitung eine sehr präzise Vermessung der Maxima und Minima der Zweistrahlinlerferenzen. Bei der Verschiebung eines Interferometer-Spiegels um größere Strecken zählt ein elektronischer Zähler die Durchläufe der Interferenzextremwerte. Mit dieser Meßeinriciitung sind nur stetig verlaufende Abstandsunterschiede meßbar.

Feintaster mit einer Meßgenauigkeit von ca. 10 nm haben ein Anwendungsgebiet in der Oberflächenprofilmessung hochgenau bearbeiteter Werkstücke.

Für eine Oberflächenprofilmessung an optischen Linsen und Spiegeln ist eine Meßvorrichtung (Appl. Optics, Vol.13, No. 11, Nov. 1974, S. 2693-2703) bekannt, bei der das Zweistrahlinterfere.izbild des Meßobjektes in monochromatischer Beleuchtung mit einer 32 χ 32 — Element-Photodiodenmatrix aufgenommen wird. Nach jeder Bildaufnahme wird der Referenzspiegel des Interferometers um einen Bruchteil der Lichtwellenlänge piezoelektrisch in Richtung der optischen Achse verstellt. Es handelt sich ako um ein Modulations-Zweistrahlinterferometer mit extrem langsamer Verstellung des optischen Gangunterschiedes. Nachdem 100 Bilder aufgenommen und gespeichert worden sind, berechnet ein Computer aus diesen Daten das Probenprofil.

Es ist aus der Herstellungstechnologie für geschliffene Glasflächen optischer Qualität selbstverständlich, daß das Oberflächenprofil stetig verläuft, wenn es auch von der jeweiligen Idealgestalt um einige Mikrometer abweichen kann. Daher ist das beschriebene Meßverfahren dem Meßproblem durchaus angemessen. Abrupte Höhenänderungen der Probenoberfläche wären nämlich mit monochromatischen Interferenzen nicht oder nur bis auf ein beliebiges Vielfaches der halben Lichtwellenlänge meßbar.

Es gibt aber viele fein bearbeitete Werkstücke, die Stufen im Mikrometerbereich aufweisen, z. B. angeätzte Metallschliffe, photolithographisch bearbeitete Proben in der Mikroelektronik und «icht zuletzt fast alle spanabhebend bearbeiteten Werkstücke.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Feintaster nach dem Modulationsinierferometer-Prinzip mit einer Meßgenauigkeit von etwa ig 10 nm derart weiterzubilden, daß mit ihm auch Profilabtastungen an Meßobjekten mit abrupten Höhenänderungen im Mikrometerbereich ausgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst

Die Verwendung von Weißlicht in Zweistrahlinterferometern ist an sich seit langem bekannt, speziell auch für den Einsatz in mechanischen Feintastern (DE-PS 9 70 724 und DE-PS 11 03 034).

Durch die Modulation des Gangunterschiedes im Zweistrahlinterferometer um mehr als die Kohärenzlänge des Lichtes registriert der Photoempfänger während einer Modulationsperiode des Gangunterschiedes zweimal anschwellende und wieder abklingende Interferenzen des Lichtes. Jeweils zu den Zeitpunkten der größten elektrischen Modulationstiefe des Empfängersignals ist der Gangunterschied des Zweistrahlinterferometers Null. Der optische Abstand des JO Meßobjektes vom Teilerspiegel ist dann genau gleich dem optischen Abstand des Referenzspiegels vom Teilerspiegel. Die Aufgabe der elektronischen Schaltung besteht darin, zu diesen Zeitpunkten maximaler Modulationstiefe des Empfängersignals die momentane Größe der Gangunterschiedsverstellung als Meßwert für den Abstand des Meßobjektes auszugeben.

Wenn hierbei von »optischem Abstand« die Rede ist, schließt das die Möglichkeit ein, daß das Zweistrahlinterferometer in seinem Gangunterschied nicht nur to durch geometrische Abstands-Verstellung, sondern auch durch Brechungsindex-Verstellung verändert werden kann.

Bei einer Messung mit der beschriebenen Vorrichtung sollte der Meßfleck am Meßobjekt möglichst klein sein und eine geringe Unebenheit des Meßobjektes nicht störend wirken. Dazu empfiehlt sich die Verwendung eines Mikroskop-Zweistrahlinterferometerstrahlenganges. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, daß das Modulations-Zweistrahlinterferometer einen Strahlengang vom MICHEL-SON-Typ in der Bauart nach LINNIK besitzt, bei dem ein objektseitiges Objektiv das Meßobjekt in die Ebene der Meßblende abbildet und ein baugleiches Objektiv des Referenzteilstrahles den Referenzspiegel ebenfalls in die Ebene der Meßblende abbildet.

Die Modulation des optischen Gangunterschiedes kann auf einfache Weise durch eine Schwingung des Referenzspiegels in Richtung der optischen Achse erzielt werden.

Als Schwingungserzeugendes mechanisches Stellglied für den Referenzspiegel ist ein Hochtonlautsprecher geeignet. Bei kleinen Abmessungen des Bauteils lassen sich Auslenkungen des Referenzspiegels um mehrere Hunderstel Millimeter bei guter Proportionalität zur elektrischen Ansteuerung realisieren.

Damit die tatsächlich ausgeführte Schwingung und elektrische Ansteuerung des mechanischen Stellgliedes einen zeitlich gleichartigen Verlauf haben, sollte dip