DE2528209B2 - Optischer Feintaster - Google Patents
Optischer FeintasterInfo
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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
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 Us 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)
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
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DE (1) | DE2528209C3 (de) |
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