DE69310947T2

DE69310947T2 - Kompakte Lasersonde für Profilometrie

Info

Publication number: DE69310947T2
Application number: DE69310947T
Authority: DE
Inventors: Peter J Degroot; Guy H Hayes; David H Kittell
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1992-02-12
Filing date: 1993-02-11
Publication date: 1997-12-18
Anticipated expiration: 2013-02-12
Also published as: IL104641A0; EP0556041A2; EP0556041B1; KR930018259A; JP2505360B2; JPH0611317A; US5448662A; EP0556041A3; US5239366A; DE69310947D1

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein optische Meßgeräte, und insbesondere einen Referenzstrahlmodulator für einen Lasermeßfühler.
Ein wichtiger Aspekt bei einem Oberflächen-Meßgerätesystem ist, daß das System unempfindlich gegenüber wärmeinduzierten Driftfehlern ist. Ein anderer wichtiger Aspekt ist für viele Anwendungen, daß das oberflächen-Meßgerätesystem verhältnismäßig kompakt ist und der Verbrauch elektrischer Energie gering ist.
Eine bekannte Systemart hat eine einzelne Diodenlaserquelle, deren Ausgang unter Verwendung eines piezoelektrisch angetriebenen fokussierenden Elements (Elementen) auf die Probe fokussiert wird. Das gestreute oder reflektierte Licht wird durch das fokussierende Element (die fokussierenden Elemente) auf einen Vierzellen- Fokusdetektor (quad cell focus detector) abgebildet, und das Profil der Probenoberfläche wird durch Verfolgen der Position des fokussierenden Elements (der fokussierenden Elemente) aufgenommen.
Ein Nachteil dieser "Laserfühler" ("laser stylust") ist ein begrenztes Entfernungs-/Auflösungsverhältnis von 1000/1 für jede Festlegung der Auflösung. Zum Beispiel ergibt eine Entfernung von einem Mikrometer eine Auslösung von einem Nanometer.
So gesehen ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, einen kompakten Lasermeßfühler mit geringem Leistungsverbrauch,
der im wesentlichen unempfindlich gegenüber wärmeinduzierten Fehlern ist, bereitzustellen.
Eine andere Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen kompakten Lasermeßfühler mit geringem Leistungsverbrauch, der ein großes dynamisches Entfernung/Auflösungs-Verhältnis von wenigstens 10&sup5;:1 aufweist, bereitzustellen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines kompakten Lasermeßfühlers mit geringem Leistungsverbrauch zum Einsatz beispielsweise in Anwendungen bei Fernvermessung oder Robotersteuerung, in-situ Meßanwendungen, als Ersatz für herkömmliche Berührungsmeßfühler oder für den Einsatz als Ausrichtgerät in Anwendungen bei der Halbleiterbearbeitung, wie etwa der Ausrichtung von Masken und/oder der Waferpositionierung.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen kompakten Lasermeßfühler mit geringem Leistungsverbrauch für den Einsatz als hochauflösender, berührungsloser Oberflächenabtaster für Halbleiter- und andere Anwendungen, bereitzustellen.
In der GB-A-2 073 414 ist eine Kompensationsvorrichtung für ein Interferometer offenbart, die externe Faktoren wie etwa meteorologische Einflußgrößen ausgleicht. Die Vorrichtung schließt eine Weglänge eines Referenzstrahles ein, die entsprechend der Ausgangsgröße von Sensoren, die physikalische Umgebungsgrößen messen, variiert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein optisches Meßgerät bereitgestellt, wie es in den Ansprüchen definiert ist.
Gelöst werden die oben genannten und andere Schwierigkeiten und es werden die Gegenstände der Erfindung verwirklicht durch einen Referenzstrahlmodulator für einen kompakten Meßfühler, der eine Dehnungsrückkopplungschaltung zum Aufrechterhalten einer gewünschten Referenz-Zwischenraumlänge, wenn sich der Meßfühlerkörper ausdehnt oder zusammenzieht, aufweist. Diese Dehnungsrückkopplung führt zu einem im wesentlichen wärmeunempfindlich gemachten Meßfühler. Desweiteren wird der Meßfühlerkörper aus einem Material hergestellt, das einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, um so die mechanische und optische Stabilität des Systems weiter zu erhöhen und eine Unempfindlichkeit gegenüber Wärmegradienten bereitzustellen.
Das Verringern der Beiträge der Wärmeausdehnung zur Meßungenauigkeit erhöht die Meßgenauigkeit beträchtlich. Die kompakte Größe verbessert die Verwendbarkeit des Oberflächenmeßgerätes. Die Verwendung eines Niedervolt- Modulators verringert auch die erforderliche Energie für das Oberflächen-Meßgerätesystem.
Insbesondere stellt die Erfindung ein optisches Meßgerät bereit, speziell eine Lasersonde, und schließt einen Rahmen ein, der aus einem Material besteht, das so ausgewählt wird, daß es einen vorbestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt. Ein Strahlteiler ist mit dem Rahmen verbunden, um einen optischen Weg eines Probenstrahls und einen optischen Weg eines Referenzstrahles zu erzeugen. Der Strahlteiler ist mit einem Lichtleiter, der Strahlung zum Rahmen hin leitet und von diesem wegführt, optisch verbunden. Ein piezoelektrischer Stapel besitzt ein daran gekoppeltes Anregungssignal und schließt einen Spiegel zum Phasenmodulieren der optischen Weglänge des Referenzstrahles in Antwort auf das Anregungssignal ein. Der Lasermeßfühler schließt eine erste Dehnungsmeßeinrichtung, die mit dem piezoelektrischen Stapel verbunden ist, und eine zweite Dehnungsmeßeinrichtung, die mit dem Rahmen verbunden ist, ein. Ein Regelungssystem mit geschlossenem Ein- und Ausgang variiert das Anregungssignal entsprechend den erfaßten Dehnungen, damit die optische Weglänge des Referenzstrahles in einer vorbestimmten Relation zu einer Weglänge des optischen Weges des Probenstrahles gehalten wird.
Diese Technik macht den Meßfühler wirkungsvoll wärmeunempfindlich, indem jede Ausdehnung oder Kontraktion des Rahmens durch den piezoelektrischen Stapel abgeglichen wird, wodurch netto eine Nulländerung in außergewöhnlichen Strahlwegslängen erzielt wird. Diese Athermalisierungstechnik verringert Unsicherheiten durch thermische Drift in den Oberflächenmeßdaten.
Ebenso wird eine Vorrichtung zum Ankoppeln eines Lichtleiters an eine Struktur beschrieben. Diese Vorrichtung schließt einen Lichtleiterträger zum Aufnehmen eines Abschlußendes eines Lichtleiters ein. Der Lichtleiterträger hat eine solche Gestalt, daß er mit der Struktur drehbar verbunden werden kann, damit das Abschlußende des Lichtleiters in einer gewünschten Winkelbeziehung mit einer Oberfläche der Struktur positioniert werden kann. Der Lichtleiterträger schließt ferner einen Klemm-Mechanismus zum Fixieren des Lichtleiterträgers in einer gewünschten Winkelbeziehung zu der Oberfläche der Struktur ein.
Weiter verdeutlicht werden die oben angegebenen und andere Merkmale der Erfindung in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, worin:
Fig. 1 eine den kompakten Lasermeßfühler verdeutlichende Draufsicht ist;
Fig. 2 eine graphische Darstellung ist, die eine Variation in der Steuerspannung des piezoelektrischen Stapels zeigt;
Fig. 3 ein vereinfachtes, schematisches Diagramm einer Schaltung ist, die auf die Steuerspannung der Fig. 2 anspricht, um eine Positionsregelung mit geschlossenem Einund Ausgang für einen Referenzlaserstrahl-Modulator bereitzustellen, und
Fig. 4 eine Darstellung in aufgelösten Einzelteilen einer kompakten Faserpositioniereinrichtung ist, die eine Komponente des kompakten Lasermeßfühlers von Fig. 1 darstellt.
Nimmt man auf Fig. 1 Bezug, so wird dort eine Draufsicht eines kompakten Lasermeßfühlers 1 verdeutlicht, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist und betrieben wird.
Ein Rahmen, oder Meßfühlerkörper 10, wird vorzugsweise aus einem einzigen Materialstück mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt. In einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dieses Material Super-Invar, obwohl die Ausführung der Erfindung nicht auf dieses spezielle Material beschränkt ist. Der Körper 10 wird maschinell bearbeitet, um die (abmessungsmäßigen und thermischen) stabilen Eigenschaften dieses gegenwärtig bevorzugten Materials zu erhalten. In dem Meßfühlerkörper 10 enthaltene Bestandteile bestehen, sofern machbar, aus dem gleichen Material wie der Meßfühlerkörper 10, um Materialunverträglichkeiten mit dem Meßfühlerkörper 10 zu minimieren. Der Meßfühlerkörper 10 wird unter Verwendung eines einzigen 1/4-20 Bolzen 11a an einem Gestell 11 befestigt, um die Stabilität der Abmessungen des Meßfühlerkörpers 10 zu bewahren. Ungefähre Abmessungen des Meßfühlerkörpers 10 sind eine Länge von 6,5 cm, eine Breite von 5,0 cm und eine Höhe von 1,5 cm.
Ein Lichtleiter 12 überträgt Licht einer Laserdiode von einer Lichtquellen/Detektor-Einheit (nicht dargestellt) und überträgt ebenfalls aus Referenz- und Probenstrahl kombiniertes Licht zurück zur Lichtquellen/Detektor-Ein heit. Eine geeignete Ausführungsform für die Lichtquellen/Detektor-Einheit 10 ist in US-A-5 153 669, veröffentlicht am 6. Oktober 1992, mit dem Titel "Optisches Drei-Wellenlängen-Meßgerät und -verfahren" ("Three Wavelength Optical Measurement Apparatus and Method") von Peter J. de Groot, beschrieben.
Der Lichtleiter 12 wird zu den Elementen innerhalb des Lasermeßfühlers 1 mit einer Faser-Positionierungseinrichtung 14 ausgerichtet. Die Positioniereinrichtung 14 enthält eine bewegungsbegrenzte "Kugel" 16 zum winkelmäßigen Einstellen der Faser 12, einen Klemm-Mechanismus 18 und eine Faserhalterungsspindel 20. Nachdem die Faser 12 in der Halterungsspindel 20 positioniert ist, werden Spannschrauben 22 gelöst, um eine Einstellung der Kugel 16 zu ermög lichen. Wenn die Faser 12 korrekt eingestellt ist, werden die Spannschrauben 22 festgezogen, um die Kugel 16 in der gewünschten Position zu befestigen.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung in aufgelösten Einzelheiten der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Faserpositionierungseinrichtung 14. Die Faserhalterungsspindel 20 wird in die bewegungsbegrenzte Kugel 16 auf Press-Sitz eingepaßt Die Spindel 20 dient zur Halterung der Faser (nicht dargestellt) und zum Einstellen der Winkelposition der Kugel 16. Die Kugel 16 wird beispielsweise durch Walzen einer Lagerkugel hergestellt, um eine im wesentlichen zylindrische Gestalt zu formen. Die Kugel 16 kann auch durch Formen einer abgerundeten Kante an oberen und unteren Kanten eines Stabes hergestellt werden. Nach welcher Methode die Kugel 16 auch hergestellt wird, das Endergebnis ist, daß ein erstes Ende 16a mit einem einen Krümmungsradius aufweisenden Rand bereit gestellt wird, und ein zweites Ende 16b mit einem einen Krümmungsradius aufweisenden Rand. Die Krümmungsradien der Ränder 16a und 16b werden üblicherweise gleich gewählt, obwohl sie nicht gleich sein müssen.
Die Lagebefestigung umfaßt den Meßfühlerkörper 10, die Klemme 18 und die vier Spannschrauben 22, von denen lediglich eine in Fig. 4 gezeigt ist. Eine kugelförmige Vertiefung oder Sitz 10a, die einen Krümmungsradius aufweist, der geringfügig größer ist als der Krümmungsradius der abgerundeten Kante 16a, wird in die Oberfläche 10b des Meßfühlerkörpers 10 gedreht. Ein zweiter, ähnlicher kugelförmiger Sitz 18a wird in die Oberfläche 18b der Klemme 18 zum Aufnehmen der Kante 16b gedreht. Die Klemme 18 wird vorzugsweise aus dem gleichen Material hergestellt, wie der Meßfühlerkörper 10, damit die Stabilität der Faserpositioniereinrichtung erhöht wird.
Ein Ergebnis dieses mechanischen Aufbaus ist, daß die Kugel 16 und die faserenthaltende Spindel 20 drehbar mit dem Körper 10 des Meßfühlers verbunden sind und auf diese Weise einstellbar positioniert werden können, um das Abschlußende der Faser 12 in einer gewünschten Winkelbeziehung mit der Oberfläche 10b festzusetzen. Nach dem Festsetzen der Faser 12 in einer gewünschten Winkelposition werden Schrauben 22 zum Fixieren der Kugel 16 in der gewünschten Position festgezogen.
Das Laserlicht, das das Abschlußende der Faser 12 verläßt, gekennzeichnet durch den Buchstaben A, wird durch einen Linsenaufbau 28 auf eine Probenoberfläche 24, und auch auf einen Referenzspiegel 26, fokussiert. Der Linsenaufbau 28 enthält eine Super-Invar-Linsenzelle 30, in der eine oder mehrere Abbildungslinsen 32 befestigt sind. Der Brennpunkt wird durch Verschieben der Linsenzelle 30 innerhalb des Meßfühlerkörpers 10 eingestellt. Nach Festlegung einer gewünschten Position für die Linsenzelle 30 wird die Linsenzelle mit Justierschrauben 34 festgespannt. Der "Arbeitsabstand" des Lasermeßfühlers 1 wird so durch Bewegen des Linsenzellenaufbaus 28 fein justiert, um das Licht von der Faser 12 auf eine optische Planfläche zu fokussieren, in der darauffolgend die Probenoberfläche 24 angeordnet wird. Ein nomineller Arbeitsabstand ist 2,5 cm. Die korrekte Brennpunktlage wird bestimmt durch Beobachten der Signalstärke an der Lichtquellen-/Detektor-Einheit während der Positionierung der Linsenzelle 30, bis man eine maximale Signalamplitude erhält.
Das Licht, das die Linsenzelle 30 verläßt, angezeigt durch den Buchstaben B, wird durch einen polarisierenden Strahlteiler 36 in einen Referenzstrahl (C) und einen Objektstrahl (D) aufgespalten. Der Referenzstrahl (C) wird von einem Umlenkspiegel 38 zum Referenzspiegel 26 reflektiert. Der Winkel des Umlenkspiegels (38) wird mit Kipp-Einstell/Feststell-Schrauben 40 und Roll-Einstell/Feststell-Schrauben 42 eingestellt. Diese Schrauben (40,42) verbinden einen Spiegelträger 44 mit dem Meßfühlerkörper 10.
Der Referenzspiegel 26 ist auf einer Modulationsstufe 46 montiert. Die Modulationsstufe 46 ist auf einen Niedervolt-piezoelektrischen Stapel 48, der in einem vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Meßfühlerkörper 10 bestehenden Rohr eingebaut ist, aufgesetzt. Der piezoelektrische Stapel 48 ist über eine Verdrahtung 52 an eine Elektronikeinheit 54 angeschlossen, die durch eine Kabelanordnung 56 mit einer entfernt angeordneten Energieversorgung (nicht dargestellt) verbunden ist.
Die Referenzstrahl-Weglänge wird durch Bewegen des piezoelektrischen Stapels 48 eingestellt, damit man einen Brennpunkt des Referenzstrahls bei einer nominellen Weglänge von 2,5 cm erhält. Wie bei der Einstellung des Brennpunkts des Probenstrahls wird das Signal an der Lichtquellen-/Detektor-Einheit beobachtet, und der Brennpunkt des Referenzstrahls liegt vor, wenn dieses Signal maximal ist. Der Probenstrahl wird während dieser Einstellung vorzugsweise unterbrochen.
Im Betrieb wird vom Referenzspiegel und von der Oberfläche der Probe 24 reflektiertes Licht in dem polarisierenden Strahlteiler 36 wieder zusammengeführt und durch die Linseneinheit 28 in die Faser 12 eingekoppelt. Das kombinierte Licht wird dann in der Lichtquellen-/Detektor- Einheit interferometrisch verglichen, um die Auslenkung der Probenoberfläche 24 bezüglich dem Strahlteiler 36 zu bestimmen. Diese Auslenkung ist ein Maß für den Abstand zur Probenoberfläche 24 oder für eine ihrer Charakteristika.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird der Niedervoltpiezoelektrische Modulationsstapel 48 für den Referenzspiegel 26 durch zwei Signale gesteuert: einem Gleichstrom(dc)-Vorspannungssignal und einem Wechselstrom-(ac) Modulationssignal. Das Gleichstrom-(dc) -Vorspannungssignal kontrolliert die Nominallänge des piezoelektrischen Stapels 48, während das Wechselstrom-(ac)-Modulationssignal einen Bewegungsbereich des Stapels 48 um die Nominallage herum regelt. Eine geeignete Frequenz für das Wechselstrom-(ac) Modulationssignal beträgt 5 Hz. Die Feineinstellungen des Brennpunktes für den Referenzkanal, und daher der Nominallänge, erfolgen durch Einstellung der Gleichstrom-(dc)-Vorspannung des piezoelektrischen Stapels 48.
Die Steuerelektronik 54 des piezoelektrischen Stapels legt die Ausgangsgröße einer Dehnungsmeßeinrichtung 58 auf den piezoelektrischen Modulatorstapel 48, um die Bewegung mit der Wechselstrom-(ac)-Modulationsspannung linear zu halten. Die Elektronik 54 verwendet den Ausgang einer ähnlichen, sich auf dem Super-Invar-Meßfühlerkörper 10 angeordneten Dehnungsmeßeinrichtung 60, um die an den piezoelektrischen Modulatorstapel 48 angelegte Gleichstromvorspannung einzustellen, so daß gleichzeitig alle Längenänderungen im Meßfühlerkörper 10 ausgeglichen werden. Diese Technik stabilisiert das piezoelektrische Material des Stapels 48 am Super-Invar-Material des Meßfühlerkörpers 10 und macht dadurch den Referenzstrahlweg thermisch unempfindlich. Signale von der Steuerelektronik 54 werden zu den rauscharmen piezoelektrischen Energieversorgungen über den Aufbau 56 von elektrischen Kabeln übertragen.
Das heißt, der piezoelektrische Modulatorstapel 48 wird mit der ersten, am piezoelektrischen Stapel 48 befestigten Dehnungsmeßeinrichtung 58 und mit der zweiten, an der zentralen Halteplatte 10 des Meßfühlerkörpers befestigten Dehnungsmeßeinrichtung 60 gesteuert. Diese Technik sorgt dafür, daß der piezoelektrische Stapel thermisch unempfindlich wird, in dem die zweite Dehnungsmeßeinrichtung 60, die an dem Super-Invar-Meßfühlerkörper 10 befestigt ist, dazu verwendet wird, ein Gleichstrom(dc)-Offset für die an dem piezoelektrischen Stapel 48 angelegte Wechselstrom-(ac)-Modulationsspannung bereitzustellen.
Dies ist in dem Wellenform-Diagramm von Fig. 2 und in dem vereinfachten schematischen Diagramm von Fig. 3 gezeigt. Dadurch, daß das gegenwärtig bevorzugte Material für den Meßfühlerkörper 10 Super-Invar ist, das einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, nimmt die Gleichstrom-(dc)-Vorspannung mit zunehmender Temperatur ab. Weist das ausgewählte Material einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, so wird die Gleichstrom-(dc)-Vorspannung veranlaßt, mit steigender Temperatur zuzunehmen. Das Endergebnis ist, daß die Gleichstrom-(dc)-Offsetspannung die Null-Modulationslänge des piezoelektrischen Stapels 48 so ändert, daß sich das piezoelektrische Material des Stapels 48 in einer dem Super-Invar des Meßfühlerkörpers 10 ähnlichen Weise verhält.
Die Wellenform von Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Steuerspannung, die den piezoelektrischen Stapel 48 antreibt. Die Steuerspannung ist nominell eine Sägezahn Wellenform mit einer Frequenz von beispielsweise 5 Hz.
Das Regelungssystem mit geschlossenem Ein- und Ausgang von Fig. 3 betreibt den piezoelektrischen Stapel 48. Die Positionssteuerspannung des piezoelektrischen Stapels wird an einen Eingangsanschluß und, über einen Widerstand R1, an einen Fehlerverstärker A1 angelegt. Der Fehlerverstärker A1 enthält ein Potentiometer R2 zum Einstellen der Servoverstärkung des Regelkreises. Das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers wird über den Widerstand R3 an einen Leistungsverstärker A2 angelegt. Die Ausgangsgröße des Verstärkers A2 ist ein Strom, der proportional zur Ausgangsgröße des Fehlerverstärkers A1 ist. Dieser Strom wird an den piezoelektrischen Stapel 48 angelegt, der diesen integriert und seine Position (Länge) in Reaktion auf das Sägezahn-Steuersignal ändert. Der piezoelektrische Stapel 48 ist über einen Widerstand R4 auf Masse gelegt. Befestigt ist am piezoelektrischen Stapel 48 für die Erfassung einer Längenänderung davon die Dehnungsmeßeinrichtung 58. Die Dehnungsmeßeinrichtung 58 bildet in Verbindung mit der an dem Super-Invar-Körper 10 befestigten Dehnungsmeßeinrichtung 60 zwei Schenkel einer abgeglichenen Brückenschaltung Für die gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform weist jede Dehnungsmeßeinrichtung (58,60) einen Nennwiderstand von 350 Ohm im ungedehnten Zustand auf. Ein Eingangsknoten jeder der Dehnungsmeßeinrichtungen ist mit einer Bezugsspannungsquelle (VR), die eine positive Referenzspannung an einen Eingangsknoten der Dehnungsmeßeinrichtung 58 und ein gleiches, aber entgegengesetztes Potential an einen Eingangsknoten der Dehnungsmeßeinrichtung 60 liefert, verbunden. Ein Meßverstärker A3 ist an einem Knoten, der zwischen einem Ausgangsknoten von jedem der Dehnungsmeßeinrichtungen 58 und 60 und in Verbindung damit eingesetzt ist, angeschlossen. Ein zweiter Eingang des Verstärkers A3 wird mit einer Bezugsspannung, die von VR ausgegeben wird, beaufschlagt. Diese Referenzspannung ist nominell gleich Null Volt. A3 verstärkt eine Differenzspannung, die von der ½ Brückenschaltung, die durch die Dehnungsmeßeinrichtungen 58 und 60 gebildet wird, geliefert wird. Die Höhe der Differenzspannung ist eine Funktion der Differenz in der Dehnung, die an die Dehnungsmeßeinrichtungen 58 und 60 infolge der erzwungenen Längenänderung des piezoelektrischen Stapels 48 angelegt wird, und, gemäß einem Aspekt der Erfindung, einer thermischen Ausdehnung oder Kontraktion des Super-Invar-Körpers 10. Diese Fehlerspannung wird an den Verstärker A4 angelegt. A4 enthält ein Potentiometer RS zum Einstellen der Rückkoppelungsverstärkung und ein Potentiometer R6 zum Einstellen des Offset (Null). Der Ausgang des Verstärkers A4 wird mit dem Eingang des Verstärkers A1 zum Schließen des Regelkreises um den Spiegel 26, der mit dem piezoelektrischen Stapel 48 verbunden ist, verbunden.
Diese Technik macht den Meßfühler 1 thermisch unempfindlich, indem jede Ausdehnung oder Kontraktion des Super-Invar von dem piezoelektrischen Stapel 48 abgeglichen wird, wodurch man eine Nettoänderung von Null bei den außergewöhnlichen Strahlwegslängen erhält. Diese Technik, mit der thermische Unempfindlichkeit erzielt wird, verringert im wesentlichen die durch thermische Drift verursachten Unsicherheiten in den Oberflächenmeßdaten.
Die offene Zellenkonstruktion des kompakten Meßfühlers 1 verringert auch vorteilhafterweise Unsicherheiten in den Oberf lächenmeßdaten aufgrund von Umgebungseffekten, indem sowohl Referenzstrahl- als auch Probenstrahlwege gemeinsame Umgebungen aufweisen.
Diese Techniken ergeben so einen kompakten Lasermeßfühler mit niedriger Leistungsaufnahme, der im wesentlichen unempfindlich gegenüber thermisch induzierten Fehlern ist und der ein großes dynamisches Entfernung/Auflösungs-Verhältnis von wenigstens 10&sup5;:1 zeigt. Im Ergebnis ist der Lasermeßfühler 1 gut geeignet für den Einsatz in den beispielhaften Anwendungen, die bei den Aufgaben der Erfindung oben aufgeführt worden sind.
Während die Erfindung im einzelnen im Hinblick auf die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann selbstverständlich, daß Änderungen in der Ausgestaltung und in Einzelheiten durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Optisches Meßgerät (1) mit einem Rahmen (10);

einer mit dem Rahmen (10) verbundenen Einrichtung zum Erzeugen eines Lichtweges eines Probenstrahls und eines Lichtweges eines Referenzstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät ebenfalls eine Einrichtung (48) umfaßt, die auf eine Änderung in der Größe des Rahmens (10) anspricht, zum Verändern der Länge des Lichtweges des Referenzstrahls, so daß die Länge des Lichtweges des Referenzstrahls in einem vorbestimmten Verhältnis zur Länge des Lichtweges des Probenstrahls gehalten wird.

2. Optisches Meßgerät (1) nach Anspruch 1, worin das vorbestimmte Verhältnis Gleichheit ist.

3. Optisches Meßgerät (1) nach Anspruch 1, worin die Veränderungseinrichtung (48) eine Mehrzahl von übereinander in Serie angeordneten piezoelektrischen Elementen, wobei zu dieser Mehrzahl piezoelektrischer Elemente ein daran angekoppeltes Erregungssignal gehört, und eine Einrichtung (60), die auf eine Größenänderung des Rahmens (10) anspricht, zum Einstellen des Erregungssignals derart, daß eine Größenänderung des Rahmens (10) ausgeglichen wird, einschließt.

4. Optisches Meßgerät (1) nach Anspruch 3, worin die Veränderungseinrichtung (48) ferner eine erste Dehnungsmeßeinrichtung (58), die mit der Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen zum Erfassen einer Längenänderung davon verbunden ist, und eine zweite Dehnungsmeßeinrichtung (60), die mit dem Rahmen (10) zum Erfassen einer Größenänderung davon und eine Einrichtung, die mit der ersten Dehnungsmeßeinrichtung (58) und mit der zweiten Dehnungsmeßeinrichtung (60) verbunden ist, um das Erregungssignal entsprechend einer mit der ersten Dehnungsmeßeinrichtung (58) und mit der zweiten Dehnungsmeßeinrichtung (60) erfaßten Dehnungsdifferenz zu verändern, einschließt.

5. Optisches Meßgerät (1) nach Anspruch 1, worin die Veränderungseinrichtung (48) ein Regelungssystem mit geschlossenem Ein- und Ausgang, das auf eine Größenänderung des Rahmens (10) anspricht, zum Verändern der Weglänge des Lichtweges des Referenzstrahls einschließt.

6. Optisches Meßgerät (1) nach Anspruch 1, worin der Rahmen (10) aus einem Material, das so ausgewählt ist, daß es einen vorbestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, aufgebaut ist.

7. Optisches Meßgerät (1) nach Anspruch 1, worin die Erzeugungseinrichtung eine Einrichtung (14) zum Verbinden eines Lichtleiters (12) mit dem Rahmen (10) einschließt.

8. Optisches Meßgerät (1) nach Anspruch 7, worin der Lichtweg des Probenstrahls eine Linseneinrichtung (28), die optisch mit einem Ausgang des Lichtleiters (12) zum Fokussieren eines Probenstrahis an einer gewünschten Stelle verbunden ist, und einen Reflektor (38), der innerhalb des Lichtweges des Referenzstrahls angeordnet ist zum Ausrichten eines Referenzstrahls auf eine gewünschte Brennpunktlage, einschließt.

9. Optisches Meßgerät (1) nach Anspruch 8, worin die gewünschte Brennpunktlage eines Probenstrahls in der Oberfläche (24) eines Probenobjekts liegt und worin die gewünschte Brennpunktlage des Referenzstrahls in der Oberfläche eines phasenmodulierenden Spiegels (46) liegt.

10. Optisches Meßgerät (1) nach Anspruch 71 worin die Erzeugungseinrichtung einen optisch mit dem Ausgang der Lichtleiters (12) verbundenen Strahlteiler (36) zum Aufteilen des Ausganges des Lichtleiters (12) in einen Probenstrahl und einen Referenzstrahl einschließt.

11. Optisches Meßgerät (1) nach Anspruch 10, worin der Strahlteiler (36) ebenso einen reflektierten Probenstrahl und einen reflektierten Referenzstrahl vereint und den kombinierten Strahl zurück in den Lichtleiter (12) bringt.

12. Optisches Meßgerät (1) nach Anspruch 1, worin der Lichtweg des Referenzstrahls ganz innerhalb des Rahmens (10) liegt.

13. Optisches Meßgerät (1) nach Anspruch 7, worin die Verbindungseinrichtung des Lichtleiters eine Trägereinrichtung (14) für den Lichtleiter, die zum Aufnehmen eines Abschlußende eines Lichtleiters (12) angepaßt ist, wobei die Trägereinrichtung (14) drehbar mit dem Rahmen (10) verbunden ist, um das Abschlußende des Lichtleiters (12) in eine gewünschte Winkelbeziehung mit dem Rahmen (10) bringen zu können, einschließt.

14. Optisches Meßgerät (1) nach Anspruch 13, das ferner eine mit der Trägereinrichtung für den Lichtleiter verbundene Einrichtung zum Fixieren der Trägereinrichtung für den Lichtleiter in der gewünschten Winkelbeziehung mit dem Rahmen (10) einschließt.

15. Optisches Meßgerät (1) nach Anspruch 1, worin der Lichtweg des Probenstrahls teilweise innerhalb des Rahmens (10) liegt.