DE4124223C2 - Verfahren zur Auswertung von Interferogrammen und Interferometer - Google Patents

Description

In modernen Zweistrahl-Interferometern z. B. vom Typ Fizeau, Twyman-Green oder Mach-Zehnder werden heute praktisch ausschließlich Laser als Beleuchtungsquellen verwendet. Dies hat den Vorteil, daß ein hoher Strahlstrom in einem sehr kleinen Raumwinkel und gleichzeitig in einem sehr kleinen Wellenlängenbereich erreicht werden kann. Für die Konstruktion und die Verwendung der Interferometer ergibt sich daraus der Vorteil, daß kontrastreiche Interferenzen entstehen, auch wenn die optischen Wege von Prüfwelle und Referenzwelle unterschiedlich lang sind. Dies ist eine Folge der Tatsache, daß derartiges Laserlicht aufgrund des geringen Raumwinkels eine hohe räumliche Kohärenz und aufgrund der geringen spektralen Bandbreite eine hohe zeitliche Kohärenz besitzt.

Aufgrund der hohen räumlichen und zeitlichen Kohärenz der Laserlichtquelle ergibt sich als unangenehmer Nebeneffekt, daß jedwedes Falschlicht im Interferometer, z. B. Streulicht aufgrund der Restrauhigkeit der Linsen oder Strahlteiler, das zusätzlich zu den beiden überlagerten Hauptwellen (Prüfwelle und Referenzwelle) auf die Kamera gelangt, der Hauptinter­ ferenzerscheinung kohärent überlagert ist und damit das Interferogramm verfälscht. Diese Überlagerung ist als kohärentes Rauschen bekannt.

In der Interferometrie besteht die Aufgabe, die Phasendifferenz ϕ(x, y) zwischen der Prüfwelle und der Referenzwelle sowohl mit hoher räumlicher Auflösung als auch mit hoher betragsmäßiger Auflösung zu ermitteln. Die Phasendifferenzen als Funktion der Ortskoordinate oder Ortskoordinaten werden als Phasenfunktion bezeichnet. Das kohärent überlagerte Falschlicht führt dann zu einer Aufrauhung der Phasenfunktion ϕ(x, y). Es entstehen in erster Linie hoch- und mittelfrequente Raumfrequenzanteile δ(x, y) zu der Phasenfunktion ϕ(x, y). Im Falle einer glatten Prüffläche, die zu einer glatten Prüfwelle und damit auch zu einer glatten Funktion ϕ(x, y) führen sollte, ergibt sich z. B. eine gemessene Phasenfunktion ϕ_m(x, y), die kurzperiodische Störungen δ(x, y) zeigt.

Aus der DE-OS 39 36 118 ist ein Mireau-Interferometer bekannt, bei dem zwischen dem Laser und dem Interferometereingang eine rotierende Mattscheibe angeordnet ist. Jedes Streuelement der Mattscheibe, welches das Licht in eine andere Raumrichtung streut, wirkt dabei als Sekundärlichtquelle. Das hinter der Mattscheibe von einer Linse kollimierte Licht hat dann eine geringe räumliche Kohärenz, da es aus der inkohärenten Überlagerung des Lichts der vielen Sekundärlichtquellen entsteht.

Aufgrund der geringen räumlichen Kohärenz führt dann das Falschlicht zu einer mehr oder minder gleichförmigen Lichtverteilung, die dem Interferogramm aus Prüflings- und Referenzlichtwelle überlagert ist. Nachteilig ist jedoch, daß aufgrund der geringen räumlichen Kohärenz auch der Interferenzkontrast im Interferogramm abnimmt. Diese Abnahme des Interferenzkontrastes ist umso größer, je größer der optische Wegunterschied zwischen der Prüflingswelle und der Referenzwelle ist. Bei geringem Interferenzkontrast ist jedoch die Genauigkeit, mit der die Phasendifferenz ϕ(x, y) ermittelt werden kann, geringer. Daher ist eine solche rotierende Mattscheibe in Interferometern mit ungleichen optischen Weglängen im Referenz- und Meßstrahlengang, wie z. B. bei einem Fizeau-Interferometer keine befriedigende Lösung.

Aus der US-PS 38 67 009 ist ein holographisches Mikroskop mit einer hinter einem Laser angeordneten Strahlablenkeinrichtung bekannt. Während der Belichtung des fotographischen Films wird die Richtung der Lichtstrahlen im Referenz- und im Meßstrahlengang variiert. Dadurch werden in der Hologrammebene die durch kohärentes Rauschen verursachten Speckel relativ zum Bild des Objektes bewegt. Das interferierende Licht hat zwar in jedem Zeitpunkt hohe räumliche Kohärenz. Jedoch wird durch die Variation der Einfallsrichtung der Lichtstrahlen einerseits und die zeitliche Integration, die der photographische Film andererseits durchführt, das Hologramm als zeitlich inkohärente Summe räumlich kohärenter Strahlung variierender Einfallsrichtung aufgezeichnet. Durch die zeitlich inkohärente Summation ist zwar das kohärente Rauschen unterdrückt, gleichzeitig ist aber wiederum der Interferenzkontrast reduziert, wenn nicht, wie es hier der Fall ist, Referenz- und Meßstrahlengang gleiche optische Weglängen haben.

In der US-PS 47 68 881 ist ein Verfahren beschrieben, mit dem die Phasenfunktion eines einzelnen Vielstreifeninterfero­ gramms durch Fourier-Transformation berechenbar ist. Hier wird desweiteren die Wahl geeigneter Filterfunktionen bei der Fourier-Transformation vorgeschlagen, um bei der Auswertung diejenigen mittel oder hochfrequenten Raumfrequenzanteile, die durch kohärentes Rauschen verursacht sind, zu unter­ drücken. Die Raumfrequenzfilterung hat jedoch den Nachteil, daß Signalanteile im ausgefilterten Raumfrequenzbereich, die vom Prüfling verursacht sind, gleichermaßen unterdrückt werden.

Aus einem Aufsatz eines der Miterfinder in "Workshop on Optical Fabrication and Testing", Oktober 1986, ist es bereits bekannt, bei der interferometrischen Spiegelprüfung mehrere Messungen zu mitteln und zwischen den Messungen den Prüfling um seine Flächennormale zu drehen. Dadurch lassen sich die Einflüsse der Gravitation aus dem gemittelten Meßergebnis eliminieren. Das Problem der kohärenten Streuung ist in diesem Aufsatz jedoch nicht angesprochen, und es ist auch kein Hinweis über die räumliche Kohärenz des Meßlichts zu entnehmen.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Auswirkungen des kohärenten Rauschens auf die Phasendifferenz zwischen Prüflings- und Referenzwelle in einem Interferometer bei gleichzeitig hohem Interferenzkontrast zu unterdrücken. Gleichzeitig sollen mittel- und hochfrequente Raumfrequenzan­ teile, die vom Prüfling verursacht sind, in der Phasen­ funktion erhalten bleiben.

Diese Problem wird erfindungsgemäß durch ein Auswertever­ fahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Inter­ ferometer mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung hat das auf einer Kamera interferierende Licht hohe räumliche und zeitliche Kohärenz. Aufgrund der hohen räumlichen Kohärenz ist in jedem einzelnen Interferogramm der Interferenzkontrast groß. Gleichzeitig enthält jedes einzelne Interferogramm die durch kohärentes Rauschen verursachten Störungen. Aus jedem einzelnen Interferogramm oder jeder einzelnen Interferogrammgruppe wird eine Phasenkarte, d. h. eine Karte der Phasenwerte im Interferogramm als Funktion des Ortes, erstellt. In diesen Phasenkarten sind die Störungen, die durch kohärentes Rauschen verursacht sind, enthalten. Zwischen der Aufzeichnung der Interferogramme wird eine Relativbewegung zwischen den vom Prüfling verursachten Interferogrammanteilen und denjenigen Interferogrammanteilen, die durch Streuung oder Reflexion, also durch kohärentes Rauschen, verursacht sind, erzeugt. Aufgrund dieser Relativbewegung können dann die durch kohärentes Rauschen verursachten Anteile der Phasenkarten im Rechner herausgerechnet werden.

Wesentlich ist demnach, daß die Interferogramme durch Inter­ ferenz von Licht hoher räumlicher und zeitlicher Kohärenz, d. h. durch Laserlicht ohne Zwischenschaltung von die Kohärenz des Lichts reduzierenden Mitteln entstehen, daß aus solchen Interferogrammen Phasenkarten berechnet und erst anschließend die durch kohärentes Rauschen verursachten Interferogramman­ teile durch Berücksichtigung mehrerer Phasenkarten beseitigt werden.

Es sind bereits zahlreiche Verfahren zur Berechnung der Phasenkarten bekannt. Eine gute Übersicht über solche Auswertealgorithmen ist in der Dissertation von B. Dörband, "Analyse optischer Systeme mit Hilfe von automatischer Streifenauswertung und Strahldurchrechnung", Stuttgart, 1986, gegeben. Prinzipiell sind alle diese Verfahren verwendbar. Bei den sogenannten dynamischen Verfahren werden mehrere Interferogramme, also eine Gruppe von Interferogrammen, benötigt, um eine einzige Phasenkarte zu berechnen. Besonders vorzuziehen sind jedoch die statischen Verfahren, bei denen nur ein einziges Vielstreifen-Interferogramm zur Berechnung der Phasenkarte nötig ist, beispielsweise das in der älteren Anmeldung DE 40 14 019.9 der Anmelderin beschriebene Verfahren.

Die rechnerische Beseitigung der durch kohärente Streuung verursachten Interferogrammanteile erfolgt vorzugsweise durch Mittelung mehrerer Phasenkarten, die jeweils nach Durchführung von Relativbewegungen erstellt sind. Mit einem speziellen hardware-mäßigen Auswerterechner kann die Mittelung in Videoechtzeit erfolgen.

Vorzugsweise ist noch ein Bildspeicher vorgesehen, in dem die zu einem Prüflingspunkt gehörenden Phasenwerte unabhängig von der Relativbewegung stets an demselben Speicherplatz abgespeichert sind. Bei der anschließenden Mittelung ist dann sichergestellt, daß immer die Meßwerte für gleiche Prüflings­ punkte aufakkumuliert sind.

Aus der DE-PS 36 34 724 ist bereits ein Triangulationstaster bekannt, bei dem der Lichtstrahl gescannt und zur Unter­ drückung kohärenter Rauschfiguren das vom Bildaufnehmer em­ pfangene Signal zeitlich gemittelt wird. Bei solchen Trian­ gulationstastern kann die zeitliche Mittelung jedoch durch den Bildaufnehmer erfolgen, während gemäß der Erfindung die Mittelung im Rechner erfolgt. Desweiteren werden bei Trian­ gulationstastern auch keine Phasen ausgewertet oder Phasen­ karten erstellt.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Prüfling in zwei Richtungen senkrecht zur optischen Achse des Meßstrahlenganges bewegbar angeordnet. Die Relativbewegung der Prüflingswelle zu den Wellen der kohärenten Rauschanteile erfolgt dann durch Bewegung des Prüflings. Eine entsprechende Einrichtung zur Bewegung des Prüflings ist vorzugsweise vom Rechner, der auch die Phasenauswertung steuert, gesteuert. Zur Aufnahme der Interferogramme ist eine handelsübliche CCD- Kamera gut geeignet. Die Verschiebung des Abbildes des Prüflings in der Kameraebene sollte ein ganzzahliges Viel­ faches des Pixelabstandes der Kamera betragen. Es ist dann sichergestellt, daß ein Prüflingsdetail, das in einem Inter­ ferogramm auf einen lichtempfindlichen Bereich der Kamera abgebildet ist, auch nach der Verschiebung wieder auf einen lichtempfindlichen Bereich der Kamera abgebildet ist.

Desweiteren ist vorzugsweise eine virtuelle Kompensation der Bewegung des Prüflings relativ zur Kamera vorgesehen, indem die Adressenregister, die angeben in welchem Bereich des Bildspeichers die zu einem Kamerapixel gehörenden Meßwerte gespeichert sind, von Bild zu Bild entsprechend der Ver­ schiebung des Prüflings umgeschaltet wird. Bei der an­ schließenden Mittelung ist dann ebenfalls gewährleistet, daß immer Meßwerte für gleiche Prüflingspunkte akkumuliert werden.

Das Interferometer ist vorzugsweise ein Fizeau-Interferometer mit einer Referenzfläche, deren Flächennormale zur optischen Achse des Meßstrahlenganges geneigt ist. Es entstehen dann Vielstreifen-Interferogramme. Die Relativbewegung zwischen der Prüflingswelle und den Wellen der kohärenten Rauschan­ teile kann bei einem solchen Fizeau-Interferometer auch durch synchrones Drehen des Referenzspiegels und des Prüflings um die optische Achse des Meßstrahlenganges erzeugt sein. Der Referenzspiegel und der Prüfling sind vorzugsweise dann in einem gemeinsamen drehbaren Halter aufgenommen.

Alternativ zur Drehung oder Verschiebung des Prüflings kann bei einem Fizeau-Interferometer auch im gemeinsamen Bereich des Meß- und Referenzstrahlenganges eine um zwei zur optischen Achse senkrechte Achsen schwenkbare planparallele Platte angeordnet sein. Die Relativbewegung wird dann durch Schwenken der planparallelen Platte erzeugt. Es ist dann sichergestellt, daß in den nacheinander aufgezeichneten Interferogrammen der Prüfling und die Referenzfläche stets zueinander gleich orientiert sind.

Bei einem weiteren alternativen und sehr einfachen Aus­ führungsbeispiel der Erfindung ist eine Strahlablenkein­ richtung im Interferometereingang vorgesehen. Besonders ein­ fache Strahlablenkeinrichtungen sind dabei durch ein rotierendes Keilprisma oder durch zwei mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotierende Keilprismen realisierbar.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1a eine vereinfachte Darstellung eines ersten Fizeau- Interferometers mit einer planparallelen Platte im gemeinsamen Bereich des Meß- und Referenzstrahlen­ ganges;

Fig. 1b eine vereinfachte Darstellung eines zweiten Aus­ führungsbeispiels mit einem in zwei Richtungen senkrecht zur optischen Achse verschiebbaren Prüf­ ling;

Fig. 2a bis 2c drei Prinzipskizzen zur Erläuterung der virtuellen Verschiebungskompensation;

Fig. 3 ein drittes Fizeau-Interferometer, bei dem Re­ ferenzfläche und Prüfling in einem gemeinsamen rotierbaren Halter aufgenommen sind;

Fig. 4 den Strahlengang eines vierten Fizeau-Interfero­ meters mit einem rotierenden Keilprisma im Interferometereingang und

Fig. 5 eine Blockschaltbild des Auswerterechners zur schnellen Mittelung.

In der Fig. 1a ist der zeitlich und räumlich kohärente Lichtstrahl eines Lasers (1) über ein Teleskop (2) aufge­ weitet. Hinter einem Strahlteiler (3) sind eine Fizeau-Platte (4) und der Prüfling (5) angeordnet. Die dem Prüfling (5) zugewandte Fläche (4a) der Fizeau-Platte (4), die Referenz­ fläche, ist zur optischen Achse (8) des Meßstrahlenganges geneigt. Das an der Referenzfläche (4a) und am Prüfling (8) reflektierte Licht wird vom Strahlteiler (3) aus dem Be­ leuchtungsstrahlengang ausgelenkt und interferiert auf dem Sensor einer CCD-Kamera (7). Zwischen dem Strahlteiler (3) und der Kamera (7) ist eine Optik (6) angeordnet, die den Prüfling (5) auf die lichtempfindliche Fläche der Kamera (7) abbildet.

Aufgrund der hohen räumlichen und zeitlichen Kohärenz des Lichts hat das Interferogramm einen hohen Interferenzkon­ trast. Jedoch entsteht das Interferogramm nicht nur aus einer Überlagerung von Prüflingswelle und Referenzwelle. Aufgrund von Streuung und Reflexion am Strahlteiler (3) oder der Optik (6) entsteht sogenanntes kohärentes Rauschen, d. h. diese gestreuten oder reflektierten Wellen interferieren mit der Prüflings- und der Referenzwelle.

Im gemeinsamen Bereich des Meß- und Referenzstrahlenganges ist eine planparallele Platte (9) angeordnet, die kardanisch gelagert ist. Aufgrund der kardanischen Lagerung ist die Platte (9) um zwei zur optischen Achse (8) senkrechte Achsen (16, 17) schwenkbar. Eine Verschwenkung dieser Planplatte (9) erzeugt eine Relativbewegung der Referenz- und der Prüflings­ welle relativ zu den Wellen des kohärenten Rauschens im In­ terferogramm.

Mit der Kamera (7) wird eine Serie von Interferogrammen bei unterschiedlichen Verschwenkungen der Planplatte (9) aufge­ zeichnet. Die Verschwenkung der Planplatte (9) erfolgt über zwei Schrittmotoren (14, 15) die von einem Rechner (10) ange­ steuert sind. Die Summe aller Verschwenkungen der Planplatte (9) erfolgt derart, daß ein nichtzentraler Punkt der Plan­ platte (9) eine rechteckförmige Fläche durchläuft. Jede einzelne Verschwenkung erfolgt um einen solchen Betrag, daß sich das Abbild des Prüflings (5) in der Ebene der CCD-Kamera (7) um ein ganzzahliges Vielfaches des Pixelabstandes ver­ schiebt.

Aus jedem Interferogramm erstellt der Rechner (10) mit Hilfe der Verfahren zur Auswertung statischer Viel-Streifenbilder eine Phasenkarte, die in einem Bildspeicher (11) abgelegt wird. Der Rechner (10) steuert dabei die Adressenregister des Bildspeichers (11) derart an, daß unabhängig von den Schwenk­ stellungen der Planplatte (9) die zu einem Prüflingspunkt gehörigen Phasenwerte im Bildspeicher (11) auf den selben Speicherplatz abgelegt werden.

Über eine rekursiv geschaltete arrythmetische Recheneinheit (12) werden die im Bildspeicher (11) abgelegten Phasenkarten in Videoechtzeit, also mit der Auslesefrequenz der Kamera (7) gemittelt. Zur videoschnellen Mittelung sei hier auf die Fig. 5 verwiesen. Die Mittelung der Phasenkarten bewirkt, daß die Beiträge δ(x, y) des kohärenten Rauschens zur gemittelten Phasenkarte mit einer rechteckförmigen Fläche gefaltet werden. Diese Faltung stellt eine starke Tiefpaßfilterung dar, der jedoch nur die Beiträge des kohärenten Rauschens unterworfen sind. Die mittel- und hochfrequenten Raumfrequenzanteile des kohärenten Rauschens werden dadurch stark unterdrückt, während die hoch- und mittelfrequenten Anteile der Prüflings- und Referenzwelle in der gemittelten Phasenkarte voll enthalten bleiben.

Nachdem Phasenkarten bei der gewünschten Anzahl von Schwenkstellungen der Planplatte (9) gemittelt sind, liest der Rechner (10) den Bildspeicher (11) aus, wertet die gemittelte Phasenkarte aus und stellt das Ergebnis auf dem Monitor (13) dar.

In dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1b ist zur Er­ zeugung der Relativbewegung zwischen den Interferogramman­ teilen des Prüflings (25) und den Interferogrammanteilen der übrigen optischen Komponenten (Fizeau-Platte (24), Strahl­ teiler (23), Abbildungsoptik (26)) der Prüfling (25) auf einem Halter (29) aufgenommen, der in die beiden zur optischen Achse (28) senkrechten Richtungen verschiebbar ist. Für die Verschiebung des Prüflings (25) sind zwei Schrittmotoren (34, 35) und Gewindespindeln (36, 37) vorge­ sehen. Die Schrittmotoren (34, 35) sind wiederum von einem Rechner (30) gesteuert.

Zwischen der Aufzeichnung der Interferogramme mit der CCD- Kamera (27) wird hier der Prüfling um solche Beträge verschoben, daß das Abbild der Verschiebung in der Kameraebene ein ganzzahliges Vielfaches des Pixelabstandes des Kamerasensors beträgt. Die Auswertung der Interfero­ gramme, insbesondere die imaginäre Verschiebungskompensation durch den Rechner (30) und die Mittelung der Phasenkarten erfolgt analog zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1a. Da hier jedoch der Prüfling relativ zur Fizeau-Platte (24) verschoben wird, bewirkt die Mittelung der Phasenkarten auch eine Tief­ paßfilterung der von der Fizeau-Platte verursachten Inter­ ferogrammbeiträge.

Zur Erläuterung der virtuellen Kompensation der Verschiebung durch den Rechner ist in den Fig. 2a-c jeweils ein Kamerasensor (40) gestrichelt dargestellt. Aus Gründen der Übersicht sind hier lediglich 12 × 12 Pixel durch gestrichelte Quadrate dargestellt. Im Rechner wird zu jedem Pixel der Kamera aus den Intensitätsmeßwerten in der Nachbarschaft des Pixels ein Phasenwert berechnet. Die berechnete zweidimensionale Funktion der Phasenwerte, die Phasenkarte, wird im Bildspeicher (42) abgespeichert, der hier durch ein zweidimensionales Feld von 10 × 10 Speicherplätzen angedeutet ist.

Das schraffierte Quadrat (41) bezeichnet einen charakteristischen Prüflingsbereich. Im ersten Kamerabild (Fig. 2a) ist dieser Prüflingsbereich (41) auf das Kamera­ pixel abgebildet, das sich (von links oben gezählt) in der siebten Zeile und in der siebten Spalte befindet. Der zu diesem Prüflingsbereich (41) gehörige Phasenwert wird an den Speicherplatz der fünften Zeile in der fünften Spalte (wiederum von links oben gezählt) des Bildspeichers (42) abgespeichert.

Vor der Aufnahme des zweiten Interferogrammes ist aufgrund der Verschiebung des Prüflings das Abbild des Prüflings auf dem Kamerasensor (40) um zwei Pixel nach links verschoben (Fig. 2b). Demzufolge ist der charakteristische Prüfungsbereich (41) jetzt auf das Pixel in der siebten Zeile und der fünften Spalte abgebildet. Bei der Speicherung des zugehörigen Phasenwertes im Bildspeicher (42) wird nun jedoch die Prüflingsverschiebung kompensiert, so daß der zum Prüf­ lingsbereich (41) gehörige Phasenwert wieder am Speicherplatz der fünften Zeile und der fünften Spalte des Bildspeichers (42) abgespeichert wird. Analoges gilt, wenn das Prüflings­ bild bei der Aufnahme des dritten Interferogrammes um zwei Pixel nach oben verschoben ist (Fig. 2c).

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die Fizeau- Platte (54) und der Prüfling (58) in einem gemeinsamen Halter (59) aufgenommen. Der Halter (59) ist um die optische Achse (58) des Meßstrahlenganges mit Hilfe eines Schrittmotors (60) und eines Getriebes (61) drehbar. Die Relativbewegung zwischen Prüflings- und Referenzwelle einerseits und den vom Strahlteiler (53) oder dem Teleskop (52) ausgehenden Streuwellen oder Reflexionswellen andererseits ist hier durch eine Drehbewegung erzeugt. Zwischen dem Strahlteiler (53) und der Kamera (57) ist ein ebenfalls um die optische Achse drehbares, bildumkehrendes Prisma, ein Dove-Prisma (62), angeordnet. Die Drehung des Dove-Prismas (62) erfolgt über einen weiteren Schrittmotor (64) und Getriebe (63) um den gleichen Winkelbetrag wie die Drehung des Halters (59). Dazu werden die beiden Schrittmotoren (64, 60) über eine Synchronisationseinheit (65) gemeinsam angesteuert. Durch diese Synchronisation ist sichergestellt, daß die Linse (56) den selben Punkt des Prüflings (55) unabhängig von der Winkelstellung des Halters (59) stets auf den selben Punkt der Kamera (57) abbildet. Die Auswertung der Kamerabilder kann dann durch den in Fig. 5 beschriebenen Auswerterechner erfolgen. Alternativ kann die Rotation des Kamerabildes auch ohne synchrongedrehtes Dove-Prisma durch elektronische Mittel beim Ablegen der Phasenwerte im Bildspeicher kompensiert werden.

Selbstverständlich kann auch in den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1a und 1b die Bewegung des Prüflings relativ zur Kamera mechanisch kompensiert werden, in dem die Kamera ebenfalls entsprechend der Prüflingsverschiebung verschoben wird, oder im Strahlengang zwischen der Kamera und dem Strahlteiler eine zweite schwenkbare planparallele Platte angeordnet ist.

Das Interferometer nach der Fig. 4 hat zwei Helium-Neon- Laser, die räumlich und zeitlich kohärentes Licht bei zwei verschiedenen Wellenlängen ausstrahlen. Über einen Shutter (73) kann alternativ einer der beiden Strahlen unterbrochen werden, je nachdem bei welcher Wellenlänge gearbeitet werden soll. Über zwei phasenverschobene Chopper (74a, 74b), die synchron rotieren, ist die Belichtungszeit der beiden Kameras (75, 76) einstellbar. Ein erstes Teleskop (77) weitet den Laserstrahl auf. Hinter dem Teleskop (77) ist ein Keilprisma (90) angeordnet, das um eine zur optischen Achse parallele Achse drehbar ist. Durch Drehung des Keilprismas (90) bewegt sich der kollimierte Laserstrahl (78) auf einer Kreisbahn.

Hinter einem Polarisationsstrahlteiler (81) ist ein zweites Teleskop (79, 80) auf einem Revolver angeordnet. Durch Drehung des Revolvers sind unterschiedliche Linsenkombinationen (79, 80) in den Strahlengang einschalt­ bar, und daher unterschiedliche Vergrößerungen einstellbar. Im weiteren Verlauf des Strahlenganges sind zwei Fokussier­ spiegel (82, 83) und ein weiteres fokussierendes Linsensystem (84) angeordnet. Hinter einem teildurchlässigen Spiegel (86), einem Kollimatorobjektiv (85) und einer λ/4-Platte (87) sind im kollimierten Lichtstrahl eine Fizeau-Platte (88) und der Prüfling (89) angeordnet. Die am Prüfling (89) und an der dem Prüfling (89) zugewandten Fläche (88b) der Fizeau-Platte (88) reflektierten Wellen werden im wesentlichen in sich selbst zurückreflektiert, vom Polarisationsstrahlteiler (81) zur Kamera (75) gespiegelt und erzeugen in der Ebene des Kamera­ sensors ein Vielstreifen-Interferogramm. Zur Erzeugung dieses Vielstreifen-Interferogramms ist die dem Prüfling (89) zuge­ wandte Fläche (88a) der Fizeau-Platte (88) zur Flächen­ normalen (89a) des Prüflings (89) geneigt.

Der Prüf- und der Referenzwelle sind jedoch noch die Wellen, die durch Reflexion oder Streuung an den zahlreichen optischen Komponenten im Strahlengang entstehen, überlagert. Über die Fokussierspiegel (82, 83) ist die optische Weglänge im Interferometer derart eingestellt, daß der Prüfling (89) scharf auf die Kamera (75) abgebildet ist. Das Abbild des Prüflings (89) auf der Kamera (75) ist daher unabhängig von der momentanen Richtung des einfallenden Lichtstrahls (78) fest. Im Gegensatz dazu sind die übrigen im Strahlengang angeordneten Komponenten unscharf auf die Kamera (75) abgebildet. Die von diesen Komponenten ausgehenden kohärenten Rauschanteile wandern daher in Abhängigkeit von der Richtung des einfallenden Lichtstrahls über die Kamera. In der nachfolgenden Verarbeitung mit dem Auswerterechner nach Fig. 5 wird der Einfluß dieser Rauschanteile unterdrückt.

Der Auswerterechner nach Fig. 5, der bereits in der älteren Anmeldung DE 40 13 309.5 beschrieben ist, hat eine CCD- Kamera (K), mit der die Interferogramme aufgezeichnet sind. Die Kamera (K) hat insgesamt 512 Zeilen und 512 Spalten, von denen hier lediglich vier Zeilen und vier Spalten dargestellt sind. Die in den Datenpunkten (P(i, j)) gemessenen Intensi­ tätswerte werden in einem Analog/Digital-Wandler auf jeweils 8 Bit Datenbreite digitalisiert. Aus den digitalisierten Intensitätswerten werden nach dem 4-Stufen-Algorithmus, (der in der oben zitierten Dissertation von B. Dörband beschrieben ist), oder nach den in der älteren Anmeldung DE 40 14 019 beschriebenen Verfahren in einer Recheneinheit (101) die zugehörigen Phasenwerte berechnet. Diese Phasenwerte liegen alle innerhalb des Intervalls -π und +π(1-1/128), d. h. die Phasenkarten enthalten noch sogenannte Sprungstellen.

Die in der Recheneinheit (101) berechneten Phasenwerte werden in einem Bildspeicher (102) abgespeichert. Der Bildspeicher (102) wird mit einer festen Frequenz, die durch eine Synchro­ nisationseinheit (103) vorgegeben ist, seriell ausgelesen. Die Auslesefrequenz entspricht derjenigen Frequenz, mit der auch die CCD-Kamera (K) ausgelesen wird.

Die in dem Zwischenspeicher (102) gespeicherten Phasenwerte werden den beiden Eingängen eines ersten Subtrahierers (104) zugeleitet. In einem der beiden Eingänge des Subtrahierers (104) ist eine Verzögerungsleitung (105) vorgesehen, deren verzögernde Wirkung gerade eine Periode der durch die Synchronisationseinheit (103) vorgegebenen Frequenz beträgt. Dieser erste Differenzierer (104) subtrahiert deshalb die Phasenwerte zweier benachbarter Datenpunkte derselben Zeile der Kamera (K). Die Ausgangssignale dieses ersten Differenzierers (104) werden in derselben Datenbreiten von 8 Bit dargestellt, wie die Eingangssignale. Dies entspricht im mathematischen Sinne einer modulo 2π-Darstellung der von diesem Differenzier (104) berechneten Differenzen. Erst im Eingang einer ersten Additionsstufe (106) werden diese Differenzen auf 16 Bit-Datenbreite transformiert. Dem zweiten Eingang der Additionsstufe (106) sind die Ausgangssignale eines zweiten Bildspeichers (107) zugeführt. Diese Signale haben bereits eine Datenbreite von 16 Bit. Der zweite Bildspeicher (107) wird synchron zum ersten Bildspeicher (102) seriell ausgelesen. Die Ausgangssignale der Additionsstufe (106) werden in dem Bildspeicher (107) wieder mit 16 Bit Datenbreite abgespeichert.

Parallel zum ersten Subtrahierer (104) ist ein zweiter Sub­ trahierer (108) geschaltet. Seinen Eingängen sind ebenfalls die Ausgänge des ersten Bildspeichers (102) zugeführt. Jedoch ist in einem der Eingänge dieses zweiten Subtrahierers (108) eine Verzögerungsleitung (109) vorgesehen, deren verzögernde Wirkung gerade das a-Fache der Periode der durch die Syn­ chronisationseinheit (103) vorgegebenen Frequenz beträgt. Dabei ist (a) die Anzahl der Datenpunkte in einer Zeile der Kamera (K). Der zweite Subtrahierer (108) bildet deshalb die Differenz der Phasenwerte zweier benachbarter Punkte der­ selben Spalte der Kamera (K). Auch die Ausgangssignale dieses zweiten Subtrahierers werden in derselben Datenbreite von 8 Bit dargestellt, wie die Eingangssignale und erst im Eingang eines zweiten Addierers (110) auf 16 Bit Datenbreite trans­ formiert. Dem zweiten Eingang der zweiten Additionsstufe (110) sind die Ausgangssignale eines dritten Bildspeichers (111) zugeführt. Diese Signale haben bereits eine Datenbreite von 16 Bit. Der dritte Bildspeicher (111) wird wiederum synchron zum Zwischenspeicher (102) ausgelesen, und die Aus­ gangssignale der zweiten Additionsstufe (110) werden wiederum in dem dritten Bildspeicher (111) mit 16 Bit Datenbreite abgespeichert.

Der dem Datenpunkt P(i, j) zugeordnete Speicherplatz des zweiten Bildspeichers (107) enthält die über mehrere Bilder der Kamera (K) aufsummierten Differenz zwischen den Phasenwerten in dem Datenpunkt P(i, j) und dem benachbarten Datenpunkt derselben Zeile P(i + 1, j). Der dem Datenpunkt P(i, j) zugeordnete Speicherplatz des dritten Bildspeichers (111) enthält die über die gleiche Anzahl an Bildern der Kamera (K) aufsummierte Differenz zwischen den Phasenwerten in dem Datenpunkt P(i, j) und dem benachbarten Datenpunkt derselben Spalte P(i, j + 1). Mit diesem Auswerterechner ist es möglich, die von der Recheneinheit (101) berechneten sprungstellenbehafteten Phasenkarten in Videoechtzeit zu mitteln. Ein Zähler (112) zählt die Anzahl der gemittelten Phasenkarten. In einem Rechner (113) kann dann aus den Speicherinhalten der Bildspeicher (107) und (111) die Phasen­ funktion als Funktion der Ortskoordinaten hochgenau ermittelt und eine sogenannte Sprungstellenbeseitigung durchgeführt werden. Das Auswerteergebnis wird dann anschließend auf einem Monitor (114) dargestellt.

Für die Mittelung der Interferogramme, die mit den An­ ordnungen nach den Fig. 1a und 1b aufgenommen werden, kann ein analog zur Fig. 5 aufgebauter Rechner verwendet werden. Lediglich beim Einlesen der Phasenkarten in den ersten Bild­ speicher (102) muß die Adressierung zur Bewegungskompensation durch den Rechner erfolgen, der auch die Bewegung des Prüf­ lings oder der Planplatte steuert.

In den Ausführungsbeispielen sind für die Relativbewegungen nur Verschiebungen und Rotationen beschrieben worden. Es ist jedoch auch möglich, beide Bewegungsformen zu kombinieren, beispielsweise den Prüfling zu verschieben und gleichzeitig um eine Achse senkrecht zur Prüflingsfläche zu drehen.

Desweiteren ist die Erfindung nicht nur auf Fizeau- Interferometer beschränkt, sondern ist auch in Twyman-Green- oder Mach-Zehnder-Interferometer vorteilhaft einsetzbar.

Claims (17)

1. Verfahren zur Auswertung von Interferogrammen, bei dem

• - ein erstes Interferogramm oder eine erste Gruppe von Interferogrammen aufgezeichnet wird und in einem Rechner (10) aus dem Interferogramm oder der Gruppe von Interferogrammen eine erste Phasenkarte erstellt wird,
• - eine Relativbewegung durchgeführt wird zwischen den Interferogrammanteilen, die von einem Prüfling (5; 25; 55; 89) verursacht sind und denjenigen Interferogrammanteilen, die durch Reflexion oder Streuung an anderen optischen Komponenten verursacht, sind
• - mindestens eine zweite Phasenkarte nach Durchführung der Relativbewegung erstellt wird,
• - die durch kohärentes Rauschen verursachten Anteile der Phasenkarten in einem Rechner herausgerechnet werden und
• - die Interferogramme mit räumlich und zeitlich kohärentem Licht aufgenommen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Relativbewegungen durchgeführt werden, nach jeder Relativbewegung eine Phasenkarte erstellt und die Phasenkarten anschließend gemittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das räumlich und zeitlich kohärente Licht Laserlicht ist und daß die Interferogramme ohne Zwischenschaltung von die Kohärenz des Lichtes reduzierenden Mitteln aufge­ zeichnet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Prüfling (89) auf die Kameraebene abgebildet wird und zur Erzeugung der Relativbewegung die Strahlrichtung der interferierenden Lichtstrahlen variiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Erzeugung der Relativbewegung der Prüfling (25; 55) bewegt wird.

6. Interferometer mit einer räumlich und zeitlich kohärenten Lichtquelle (1; 51; 71, 72) einem Meßstrahlengang, in dem ein Prüfling (5; 25; 55; 89) angeordnet ist und ein Interferogramm durch kohärente Überlagerung des Lichts einer Prüf- und einer Referenzwelle erzeugt ist, einer Kamera (7; 27; 57; 75; K) zur Aufzeichnung der Interfero­ gramme und einem Rechner (10; 30; 101) zur Erstellung von Phasenkarten aus den aufgezeichneten Interferogrammen, wobei Mittel (9; 29; 59; 90) vorge­ sehen sind zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen den vom Prüfling (5; 25; 55; 89) verursachten Interfero­ grammanteilen und denjenigen Interferogrammanteilen, die durch Streuung oder Reflexion an anderen optischen Komponenten (3, 6; 23; 53; 79/88) im Strahlengang ver­ ursacht sind, und wobei im Rechner (10; 30; 101) Phasen­ karten aus den vor und nach der Relativbewegung aufge­ zeichneten Interferogrammen erstellt sind und die durch kohärenten Rauschen verursachten Anteile der Phasenkarten herausgerechnet sind.

7. Interferometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die räumlich und zeitlich kohärente Lichtquelle (1; 51; 71, 72) ein Laser ist und daß das Laserlicht ohne Vorschaltung von die Kohärenz des Laserlichts reduzierenden Mitteln in das Interferometer eingekoppelt ist.

8. Interferometer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bildspeicher (11; 102) vorgesehen ist und daß die zu festen Prüflingspunkten gehörenden Phasenwerte unabhängig von der Relativbewegung stets an denselben Speicherplätzen des Bildspeichers (11; 102) abgespeichert sind.

9. Interferometer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (12; 103-111) zur Mittelung der Phasenkarten vorgesehen ist.

10. Interferometer nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Bewegung des Prüflings (25) senkrecht zur optischen Achse (28) und/oder um die optische Achse des Meßstrahlengangs vor­ gesehen ist.

11. Interferometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bewegung (29) des Prüflings (25) vom Rechner (10) gesteuert ist.

12. Interferometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (27) eine CCD-Kamera ist, und die Ver­ schiebung des Abbildes des Prüflings (25) in der Kamera­ ebene ein ganzzahliges Vielfaches des Pixelabstandes der Kamera (27) beträgt.

13. Interferometer nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bildspeicher (11) zur Speicherung der Phasenkarten vorgesehen ist und daß der Rechner (30) den Bildspeicher derart ansteuert, daß die Bewegung des Prüflings (25) virtuell kompensiert ist.

14. Interferometer nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer ein Fizeau-Inter­ ferometer ist und daß der Prüfling (55) und der Re­ ferenzspiegel (54) in einem gemeinsamen um die optische Achse (58) des Meßstrahlenganges drehbaren Halter (59) aufgenommen sind.

15. Interferometer nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer ein Fizeau- Interferometer ist und daß im gemeinsamen Bereich des Meß- und Referenzstrahlenganges eine um zwei zur optischen Achse (8) senkrechte Achsen (16, 17) schwenkbare planparallele Platte (9) angeordnet ist.

16. Interferometer nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der Relativbewegung eine Strahlablenkeinrichtung (90) sind.

17. Interferometer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkeinrichtung ein rotierendes Keil­ prisma (90) oder ein Paar von Keilprismen mit unter­ schiedlichen Geschwindigkeiten ist.