WO2004106848A1 - Interferometer arrangement and use of the interferometer arrangement - Google Patents

Interferometer arrangement and use of the interferometer arrangement Download PDF

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WO2004106848A1
WO2004106848A1 PCT/EP2004/050756 EP2004050756W WO2004106848A1 WO 2004106848 A1 WO2004106848 A1 WO 2004106848A1 EP 2004050756 W EP2004050756 W EP 2004050756W WO 2004106848 A1 WO2004106848 A1 WO 2004106848A1
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WO
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sample
bundle
sub
relative position
white light
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PCT/EP2004/050756
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German (de)
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Elmar Krebs
Carsten Schuh
Andreas Wolff
Claus Zumstrull
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01B9/02—Interferometers
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    • G—PHYSICS
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    • G01B9/02017—Interferometers characterised by the beam path configuration with multiple interactions between the target object and light beams, e.g. beam reflections occurring from different locations
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    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/0209—Low-coherence interferometers

Definitions

  • the invention relates to an interferometer arrangement for determining a variable relative position of a sample surface of a sample body that at least partially reflects a white light and a reference surface of a reference body that at least partially reflects the white light, comprising at least one light source for emitting a light beam with the white light, the light source having a specific coherence length has, at least one beam splitter for splitting the light beam into a sub-bundle with a
  • At least one further beam splitter for splitting the sub-bundle into a sample sub-bundle for reflecting the sample sub-bundle on the sample surface and in a reference sub-bundle for reflecting the
  • Reference sub-bundles on the reference surface at least one means for superimposing the further sub-bundle, the sample sub-bundle reflected by the sample surface and the reference sub-bundle reflected by the reference surface, whereby an interference pattern results from the superimposition, at least one detector of the interference pattern for creating a white light interferogram, at least one means for Setting a length difference between the light path of the sub-bundle and the light path of the further sub-bundle and at least one means for determining the relative position of the sample surface of the specimen body with respect to the reference surface of the reference body from a plurality of white light interferograms which are produced as a function of the set length difference of the light paths.
  • the reference surface of a reference body is given to one another using the interferometer arrangement.
  • a described interferometer arrangement and a method using the interferometer arrangement is known for example from DE 100 41 041 AI.
  • the interferometer arrangement is based on so-called white light interferometry.
  • White light which is composed of electromagnetic radiation from a larger wavelength range, is used in white light interferometry.
  • the light source of the white light is characterized by a comparatively short coherence length. There is a certain phase correlation of the electromagnetic radiation from the light source via the coherence length of a light source.
  • the coherence length is only a few ⁇ m.
  • the principle of white light interferometry is described in Harry Chou et al., Hewlett Packard Journal, February 1993, pages 52-59.
  • the light source of the white light with the short coherence length can then be understood as a light source which continuously emits coherent wave packets. These wave packets spread like optical pulses. The length or the width of the wave packets in the direction of propagation of the light beam corresponds to the coherence length of the light source.
  • a semitransparent reference body which not only has the reference surface, but which also acts as a further beam splitter for breaking the partial bundle into one
  • Sample sub-bundle and acts in a reference sub-bundle acts in a reference sub-bundle.
  • the semi-transparent reference body is designed in such a way that part of the white light of the sub-bundle is reflected and another part of the white light of the sub-bundle is transmitted.
  • the reference body and the sample body are arranged in such a way that the white light of the partial bundle passing through the reference body reaches the sample surface of the sample body, is reflected there and again passes through the semitransparent reference body.
  • the reflected sub-bundle with the other divided by the beam splitter After the reflection of the sample sub-bundle on the sample surface and the reflection of the reference sub-bundle on the reference surface, the reflected sub-bundle with the other divided by the beam splitter
  • Sub-bundle overlaid. There is interference of the further sub-bundle, the reflected sample sub-bundle and the reflected reference sub-bundle. An interference pattern is obtained which is detected using a CCD (charge coupled device) camera and converted into a white light interferogram.
  • CCD charge coupled device
  • the interference pattern obtained by superimposing depends on the distance between the sample surface and the reference surface. D it is used to determine the distance between the surfaces.
  • D it is used to determine the distance between the surfaces.
  • several white light interferograms are created with different length differences of the light paths of the sub-bundle directed at the sample surface and the reference surface and the further light path of the further sub-bundle. With the help of a computer and an appropriate computer program, the one created with the different length differences
  • White light interferograms determine the distance between the sample surface and the reference surface.
  • the known interferometer arrangement only works when using a transparent sample body. A part of the sub-bundle must be able to pass through the reference body in order to reach the sample surface of the sample body.
  • an interferometer arrangement for determining a variable relative position of a sample surface at least partially reflecting a white light, a sample body and a reference surface of a reference body at least partially reflecting the white light, are specified, comprising at least one light source for emitting a light beam with the white light, the light source has a certain coherence length, at least one beam splitter for splitting the light beam into a sub-bundle with one light path and into at least one further sub-bundle with another light path, at least one further beam splitter for splitting the sub-bundle into a sample sub-bundle for reflecting the sample sub-bundle on the sample surface and into one Reference sub-bundle for reflecting the reference sub-bundle on the reference surface, at least one means for superimposing the further sub-bundle, the one reflected by the sample surface Sample bundle and of
  • the interferometer arrangement is characterized in that the further beam splitter is designed in such a way that the sample sub-bundle is directed essentially only at the sample surface and the reference sub-bundle essentially only at the reference surface.
  • the reference surface of a reference body is given to one another using the interferometer arrangement.
  • the method has the following method steps: a) setting the length difference between the light path of the sub-bundle and the light path of the further sub-bundle, b) superimposing the further sub-bundle, the sample sub-bundle reflected by the sample surface and the reference sub-bundle reflected by the reference surface, an interference pattern being produced , c) detecting the interference pattern, d) creating a
  • White light interferogram from the detected interference pattern e) repeating the process steps a) to d) a number of times, so that white light interferograms are created with different length differences, and f) determining the relative position of the sample surface and the reference surface from one another
  • the sub-bundle is divided with the aid of the further beam part in such a way that a part of the sub-bundle is directed at the sample surface and a part of the sub-bundle is directed at the reference surface. So a
  • Reference body can be used, which is opaque for the white light of the light source, i.e. opaque.
  • An optical imaging system can be used as a further beam splitter, which couples out a part of the sub-bundle and directs it onto the sample surface of the sample body or the reference surface of the reference body.
  • the further beam splitter can also be formed by the sample body and the reference body. For this purpose, the sample body and the reference body are placed side by side in the same way in the
  • the beam path of the sub-bundle is set so that the sub-bundle is aimed at the sample surface and the reference surface. However, only a part of the sub-bundle (sample sub-bundle) reaches the sample surface and only a part of the sub-bundle (reference sub-bundle) reaches the reference surface.
  • the interferometer arrangement can be based on the principle of any two-beam interferometer (for example Michaelson or Twyman-Green interferometer) or
  • V elstrahlinterferometer for example Fabry-Perot interferometer
  • Fabry-Perot interferometer for example Fabry-Perot interferometer
  • Sample body and the reference surface of the reference body can be detected.
  • the change in relative location is based
  • a length of the sample body changes due to a thermal expansion of the sample body.
  • the length of the sample body changes as the temperature increases.
  • the resolution is a few tenths of a ⁇ m. In particular, the resolution is about 0.1 ⁇ m.
  • a light source with a coherence length of less than 50 ⁇ m is preferably used.
  • the further beam splitter has the sample body and / or the reference body.
  • the beam splitter consists of the reference body and the sample body.
  • the reference body and the sample body are arranged side by side.
  • the sub-bundle is directed towards this arrangement, so that a part of the sub-bundle (sample sub-bundle) reaches the sample surface of the sample body and a part of the sub-bundle (reference sub-bundle) reaches the reference surface of the reference body.
  • additional optical means laenses, mirrors, diaphragms, ...) a part of the sub-bundle on the
  • Specimen surface and part of the sub-bundle is directed onto the reference surface. Because the sample sub-bundle and the reference sub-bundle are aligned differently, it is no longer necessary for the reference body to be transparent to the white light of the sample sub-bundle.
  • the sample surface of the sample body and the reference surface of the reference body can be tilted against each other.
  • the sample surface of the sample body and the reference surface of the reference body can be tilted against each other.
  • sample surface of the sample body and the reference surface of the reference body are arranged with respect to one another such that a
  • averaged surface normal of the sample surface and an averaged surface normal of the reference surface are aligned essentially parallel to one another.
  • these surface normals are preferably aligned parallel to the direction of propagation of the sub-bundle.
  • the averaged surface normals and the direction of propagation of the sub-bundle are arranged coaxially in this way. This results in a simple implementation of the interferometer arrangement. Without further optical elements, part of the white light of the sub-beam can be directed onto the
  • Specimen surface and part of the white light are directed onto the reference surface. Thanks to the coaxial measurement arrangement, a resolution of a few tenths of a ⁇ m is possible, especially with a light path of over 20 cm. With a so-called triangulometric measurement method, for example, this would only be possible with great effort.
  • the sample body and the reference body can be arranged so as to be displaceable relative to one another. But preferably the
  • Sample body and the reference body are not arranged to be displaceable against each other.
  • the sample body and the reference body are connected to one another in such a way that essentially no change in the relative position of the sample body and the reference body can occur.
  • the change in the relative position of the surfaces relative to one another that can be detected with the aid of the interferometer arrangement is not influenced by a change in the relative position of the sample body and the reference body with respect to one another. If it is also ensured that a state of
  • the change in position can clearly be attributed to a change in the sample body or a change in the state of the sample body.
  • the reference body and the sample body are, for example, using a
  • Connection means firmly connected to one another in such a way that the relative position of the sample body and the reference body cannot change from one another. It is also conceivable for the reference body and the sample body to be arranged on a common support body which cannot be deformed when determining the relative position. For a firm connection, the sample body and the reference body can be connected to the support body with the aid of a connecting means.
  • a connecting means is, for example, a solder or an adhesive.
  • the reference body is a support body of the specimen body or the specimen body is a support body of the reference body.
  • the sample body is placed on a support body, which also acts as a reference body.
  • the reference body is a vessel with a vessel bottom, a vessel wall and a vessel interior separated from the vessel bottom and the vessel wall, a vessel rim formed by the vessel wall forming the reference surface and the specimen body being arranged on the vessel bottom in the interior of the vessel.
  • the specimen is placed on the bottom of the vessel.
  • steps a) to f) are carried out repeatedly, so that a change in the relative position can be determined. Due to the high resolution, a small change in the relative position can be determined. The change can occur suddenly, ie within a relatively short time. In particular, a small change can be determined that occurs over a longer period of time. Aging and creep processes can be recorded.
  • the interferometer arrangement will be used in particular as a so-called dilatometer.
  • the dilatometer is a device for determining a very small change in the dimension of a specimen (solid).
  • the change in dimension is based, for example, on a thermal expansion of the sample body or a phase transformation of the material of the sample body. Any other changes in state are also conceivable.
  • a crack is induced in the interior of the specimen by an external flow, which is noticeable in a length change of the specimen towards the outside. This can occur if the sample body is a composite body made of different materials. In this composite body, for example, a mechanical stress can be induced by varying the temperature due to the different coefficients of thermal expansion of the materials used.
  • a piezo actuator in a monolithic multilayer construction is used as the sample body.
  • An end face of the piezo actuator can be designed such that the white light of the light source is at least partially reflected.
  • a stamp with a die on the front of the piezo actuator is used as the sample body.
  • the stamp surface forms the sample surface of the sample body reflecting the white light of the sample bundle.
  • the stamp and the piezo actuator are connected to one another in such a way that the length of the
  • Piezo actuator leads to a change in the position of the stamp and thus to a change in the position of the stamp surface.
  • the relative position of the reference surface to the stamp surface changes.
  • the piezo actuator is repeatedly electrically controlled in dynamic operation, which leads to an extension (expansion) and shortening (contraction) of the piezo actuator. Cracks can occur in the piezo actuator, which lead to a permanent change in length during operation. To estimate the reliability of the piezo actuator, it is important to know the change in length due to the repeated electrical activation. To determine the length change of the piezo actuator, which is caused by the dynamic operation, the piezo actuator is firmly connected to the bottom of the vessel, for example with the aid of a thin film of an adhesive.
  • the vessel is, for example, a drive housing of the piezo actuator, in which the piezo actuator is in operation.
  • the electrical connections necessary for controlling the piezo actuator are routed through a vessel wall of the vessel.
  • the piezo actuator is controlled electrically between the repeated determination of the relative position of the sample surface and the reference surface. Due to the high resolution, the arrangement is suitable for detecting a slow change (long-term drift) in the dimension of the piezo actuator, which is caused by the repeated electrical activation of the piezo actuator.
  • the interferometer arrangement of the present the relative position of the sample surface to the reference surface is determined. Suitable measures can be taken to ensure that the change in position and thus the change in dimension of the sample body can be detected.
  • the change in the dimension of the sample body can have various causes. Conversely, the cause of the determined change in dimension can be determined.
  • the interferometer arrangement can be used to elegantly determine a temperature expansion coefficient of the material from which the specimen is made. Changing the temperature changes the dimensions of a sample body made of the material. As a result, the relative position of the sample surface and the reference surface to one another changes. By determining the relative position as a function of temperature, the thermal expansion coefficient of the material of the sample body can be inferred.
  • the following advantages result with the present invention: With the aid of the interferometer arrangement, the relative position of the sample surface and the reference surface with respect to one another can be detected exactly.
  • a reference body can be used for this, which is opaque for the white light of the light source.
  • the resolution of the interferometer arrangement is a few tenths of a ⁇ m.
  • the interferometer arrangement does not have a mechanical displacement sensor for determining the relative position of the reference surface to the sample surface. In such a case, the necessary and time-consuming correction measurements are not necessary.
  • FIG. 1 shows an interferometer arrangement according to the invention.
  • FIG. 2A shows a section of the interferometer arrangement with sample body and reference body.
  • FIG. 2B shows a section along the line 2B from FIG. 2A.
  • FIG. 3 shows a method for determining a change in the relative position of the sample surface
  • the sample body 40 is a piezo actuator 43 in a monolithic multilayer construction.
  • the piezo actuator has a composite of piezoceramic layers and electrode layers arranged between the piezoceramic layers. To produce the composite, the electrode layers and the piezoceramic layers are sintered together. The internal electrodes of the piezo actuator are contacted alternately with the aid of external electrodes. The piezo actuator is deflected by an electrical control of the external electrodes connected to the internal electrodes.
  • the piezo actuator is arranged in a vessel 53 (FIGS. 2A and 2B).
  • the vessel is the control housing for the piezo actuator.
  • the vessel has a vessel bottom 54, a vessel wall 55, a vessel interior 56 and a vessel rim 57.
  • the vessel edge 57 is formed by the vessel wall 55.
  • the vessel edge 57 represents the reference surface 51.
  • the piezo actuator 43 and the vessel 53 are firmly connected to one another with the aid of a connecting means 60.
  • the lanyard is an adhesive.
  • the piezo actuator is glued to the bottom of the vessel.
  • the connecting means 60 is one
  • the piezo actuator is located in a tubular spring that clamps the piezo actuator with a defined force.
  • the bottom plate of the Bourdon tube is welded to the bottom of the vessel.
  • electrical connections 44 of the piezo actuator are guided through the vessel bottom 54 of the vessel 53.
  • the vessel 53 acts as the support body 70 of the sample body.
  • the piezo actuator itself does not form the sample surface of the sample body. To form the sample surface of the sample body, the piezo actuator itself does not form the sample surface of the sample body.
  • a sample 46 is arranged on the end face of the piezo actuator, which faces away from the bottom of the vessel.
  • the stamp is firmly connected to the piezo actuator 43.
  • the stamp has sample surface 41.
  • the stamp is formed, for example, by a base plate of the tubular spring described above.
  • the sample surface 41 which is formed by the stamp
  • the reference surface 51 which is formed by the edge of the vessel, at least partially reflect the white light of the
  • Sub-bundle 20 The vessel 53 and the piezo actuator 43 or the stamp 46 of the piezo actuator are arranged coaxially to the sub-bundle. This means that an averaged surface normal 52 of the reference surface 51 and an averaged surface normal 42 of the sample surface 41 are arranged parallel to one another.
  • This coaxial arrangement ensures that only white light from the sample sub-bundle 24 of the sub-bundle 20 reaches the sample surface. Likewise, only white light from the reference sub-bundle 25 of the sub-bundle reaches the reference surface.
  • a first step (301, FIG. 3), the length difference between the light path 21 of the sub-bundle 20 and the further light path 31 of the further sub-bundle 30 is set. Any actuator 10 is used for this.
  • a light beam 11 is emitted with light pulses from a white light.
  • the beam splitter 6 With the help of the beam splitter 6, the light beam 11 is divided into the sub-bundle 20 and the further sub-bundle 30.
  • the sub-bundle 20 reaches partly on the reference surface and partly on the sample surface.
  • the partial bundle 20 is reflected from these surfaces and guided further with the aid of a mirror 8 in the direction of the detector 9.
  • the further sub-bundle 30 is reflected on the mirror 32 and also reaches the detector 9.
  • the mirror 8 is transparent to the radiation of the further sub-bundle reflected by the mirror 32.
  • the mirror 8 acts as a means for superimposing the further sub-bundle, the sample sub-bundle and the reference sub-bundle. These bundles of light are superimposed (302, FIG. 3). Due to the overlay, an interference pattern is formed.
  • the interference pattern is detected with the aid of the detector 9 (303, FIG. 3).
  • the detector is a CCD camera. Alternatively, a corresponding photodetector array is used. With these detectors it is possible to achieve a spatial resolution of the interference.
  • a white light interferogram is created (304, Figure 3). After the white light interferogram has been recorded, steps 301 to 304 are repeated (305, FIG. 3).
  • the change in the relative position 45 between the sample surface and the reference surface is caused by a change in the state of the sample body.
  • the piezo actuator is repeatedly electrically controlled. Due to the repeated activation of the piezo actuator, the length of the piezo actuator may change. This change in the length of the piezo actuator can be determined using the interferometer arrangement. For this purpose, the above-described steps for determining the relative position of the sample surface to the reference surface are repeated after the electrical actuation of the piezo actuator has ended. The influence of the repeated electrical activation of the piezo actuator on the length of the piezo actuator can be determined from the comparison of the determined relative positions.
  • the piezo actuator is subjected to a static, that is to say non-changing, electrical control voltage. It will change the relative location of the sample surface and the
  • Reference surface to each other determined depending on the electrical control voltage. With a longer measurement period, a long-term drift in the change in the relative position can also be determined.
  • the influence of temperature on the change in length of the piezo actuator is determined (e.g. shortening of the piezo actuator by depolarization when the temperature rises).
  • the piezo actuator is brought to a certain temperature in a warm chamber.
  • the vessel consists essentially of a glass that is a small one
  • the influence of temperature on the length change of the piezo actuator is determined in a temperature range from -50 ° C to 150 ° C.
  • the piezo actuator in the temperature chamber is tempered to the appropriate temperature and at this temperature
  • the dimension of the piezo actuator is inferred at the corresponding temperature.
  • a change in the state of the piezo actuator is brought about by changing the temperature, which in turn brings about a change in the dimension of the piezo actuator and, as a result thereof, a change in the relative position of the sample surface and the reference surface, which can be determined with the aid of the interferometer arrangement, with one another.
  • Piezo actuator due to depolarization in the event of force surges from outside or if the piezo actuator is worn due to mechanical stress.

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Abstract

The invention relates to an interferometer arrangement (1), for determining a changing relative position (45) of a sample surface (41), at least partly reflecting for white light, of a sample body (40) and a reference surface (51), at least partly reflecting for white light, of a reference body (50). The use of the interferometer arrangement is also disclosed. Due to the short coherence length of the light source (2) for the white light, a change in a measurement of any sample body can be achieved with a resolution of a few tenths of a νm. The interferometer arrangement is used, for example, for determining aging processes in a piezoactuator of monolithic multi-layer construction.

Description

Beschreibungdescription
Interferometeranordnung und Verwendung der InterferometeranordnungInterferometer arrangement and use of the interferometer arrangement
Die Erfindung betrifft eine Interferometeranordnung zum Bestimmen einer veränderlichen relativen Lage einer ein Weißlicht zumindest teilweise reflektierenden Probenoberflache eines Probenkorpers und eine das Weißlicht zumindest teilweise reflektierenden Referenzoberflache eines Referenzkorpers zueinander, aufweisend mindestens eine Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahls mit dem Weißlicht, wobei die Lichtquelle eine bestimmten Koharenzlange aufweist, mindestens einen Strahlteiler zum Zerlegen des Lichtstrahls in ein Teilbundel mit einemThe invention relates to an interferometer arrangement for determining a variable relative position of a sample surface of a sample body that at least partially reflects a white light and a reference surface of a reference body that at least partially reflects the white light, comprising at least one light source for emitting a light beam with the white light, the light source having a specific coherence length has, at least one beam splitter for splitting the light beam into a sub-bundle with a
Lichtweg und in mindestens ein weiteres Teilbundel mit einem weiteren Lichtweg, mindestens einen weiteren Strahlteiler zum Zerlegen des Teilbundeis in ein Probenteilbundel zur Reflexion des Probenteilbundel s an der Probenoberflache und in ein Referenzteilbundel zur Reflexion desLight path and in at least one further sub-bundle with a further light path, at least one further beam splitter for splitting the sub-bundle into a sample sub-bundle for reflecting the sample sub-bundle on the sample surface and in a reference sub-bundle for reflecting the
Referenzteilbundcls an der Referenzoberflache, mindestens ein Mittel zum Überlagern des weiteren Teilbundeis, des von der Probenoberflache reflektierten Probenteilbundels und des von der Referenzoberflache reflektierten Referenzteilbundeis, wobei durch das Überlagern ein Interferenzmuster entsteht, mindestens einen Detektor des Interferenzmusters zum Erstellen eines Weißlichtinterferogramms, mindestens ein Mittel zum Einstellen einer Langendifferenz zwischen dem Lichtweg des Teilbundeis und dem Lichtweg des weiteren Teilbundeis und mindestens ein Mittel zum Bestimmen der relativen Lage der Probenoberflache des Probenkorpers zur Referenzoberflache des Referenzkorpers aus mehreren, in Abhängigkeit von der eingestellten Langendifferenz der Lichtwege erstellten Weißlichtinterferogrammen. Daneben wird ein Verfahren zum Bestimmen einer veränderlichen relativen Lage einer Probenoberflache eines Probenkorpers und einer Reference sub-bundles on the reference surface, at least one means for superimposing the further sub-bundle, the sample sub-bundle reflected by the sample surface and the reference sub-bundle reflected by the reference surface, whereby an interference pattern results from the superimposition, at least one detector of the interference pattern for creating a white light interferogram, at least one means for Setting a length difference between the light path of the sub-bundle and the light path of the further sub-bundle and at least one means for determining the relative position of the sample surface of the specimen body with respect to the reference surface of the reference body from a plurality of white light interferograms which are produced as a function of the set length difference of the light paths. In addition, a method for determining a variable relative position of a sample surface of a sample body and a
Referenzoberflache eines Referenzkorpers zueinander mit Hilfe der Interferometeranordnung angegeben .The reference surface of a reference body is given to one another using the interferometer arrangement.
Eine beschriebene Interferometeranordnung und ein Verfahren unter Verwendung der Interferometeranordnung ist beispielsweise aus DE 100 41 041 AI bekannt. Die Interferometeranordnung basiert auf der sogenannten Weißlichtinterferometrie . Bei der Weißlichtinterferometrie wird Weißlicht verwendet, das sich aus elektromagnetischer Strahlung aus einem größeren Wellenlangenbereich zusammensetzt .A described interferometer arrangement and a method using the interferometer arrangement is known for example from DE 100 41 041 AI. The interferometer arrangement is based on so-called white light interferometry. White light, which is composed of electromagnetic radiation from a larger wavelength range, is used in white light interferometry.
Die Lichtquelle des Weißlichts zeichnet sich durch eine vergleichsweise kurze Koharenzlange aus. über die Koharenzlange einer Lichtquelle besteht eine bestimmte Phasenkorrelation der elektromagnetischen Strahlung der Lichtquelle. Für ein breitbandiges Weißlicht, beispielsweise das Licht der Sonne, betragt die Koharenzlange nur wenige μm.The light source of the white light is characterized by a comparatively short coherence length. There is a certain phase correlation of the electromagnetic radiation from the light source via the coherence length of a light source. For a broadband white light, for example the light of the sun, the coherence length is only a few μm.
In Harry Chou et al., Hewlett Packard Journal, Februar 1993, Seiten 52-59, ist das Prinzip der Weißlichtinterferometrie beschrieben. Danach kann die Lichtquelle des Weißlichts mit der kurzen Koharenzlange als Lichtquelle verstanden werden, die kontinuierlich kohärente Wellenpakete emittiert. Diese Wellenpakete breiten sich wie optische Pulse aus. Die Lange bzw. die Breite der Wellenpakete in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls entspricht der Koharenzlange der Lichtquelle. Wird ein solches Wellenpaket durch einen Strahlteiler in zwei Teilbundel bzw. in zwei Teilwellenpakete aufgeteilt und durchlaufen diese beiden Teilwellenpakete unterschiedlich lange Lichtwege (optischen Weglangen) , so fuhrt ihre anschließende Überlagerung dann zu einem durch Interferenz erhöhten Messsignal, wenn die Lichtwege der Teilwellenpakete zwischen Aufteilung und anschließendem überlagern mit einer Genauigkeit übereinstimmen, die der Lange des Wellenpakets und damit der Koharenzlange der Lichtquelle entspricht. The principle of white light interferometry is described in Harry Chou et al., Hewlett Packard Journal, February 1993, pages 52-59. The light source of the white light with the short coherence length can then be understood as a light source which continuously emits coherent wave packets. These wave packets spread like optical pulses. The length or the width of the wave packets in the direction of propagation of the light beam corresponds to the coherence length of the light source. If such a wave packet is divided into two partial bundles or two partial wave packets by a beam splitter and these two partial wave packets pass through light paths of different lengths (optical path lengths), their subsequent superimposition then leads to a measurement signal increased by interference if the light paths of the partial wave packets between splitting and Subsequent superimposition agree with an accuracy that corresponds to the length of the wave packet and thus the coherence length of the light source.
Bei der bekannten Interferometeranordnung wird ein semitransparenter Referenzkorper verwendet, der nicht nur die Referenzoberflache aufweist, sondern der auch als weiterer Strahlteiler zum Zerlegen des Teilbundeis in einIn the known interferometer arrangement, a semitransparent reference body is used, which not only has the reference surface, but which also acts as a further beam splitter for breaking the partial bundle into one
Probenteilbundel und in ein Referenzteilbundel fungiert. Der semitransparente Referenzkorper ist derart ausgestaltet, dass ein Teil des Weißlichts des Teilbundeis reflektiert und ein weiterer Teil des Weißlichts des Teilbundeis transmittiert wird. Der Referenzkorper und der Probenkorper sind derart angeordnet, dass das durch den Referenzkorper hindurchtretende Weißlicht des Teilbundeis auf die Probenoberflache des Probenkorpers gelangt, dort reflektiert wird und wieder durch den semitransparenten Referenzkorper hindurchtritt.Sample sub-bundle and acts in a reference sub-bundle. The semi-transparent reference body is designed in such a way that part of the white light of the sub-bundle is reflected and another part of the white light of the sub-bundle is transmitted. The reference body and the sample body are arranged in such a way that the white light of the partial bundle passing through the reference body reaches the sample surface of the sample body, is reflected there and again passes through the semitransparent reference body.
Nach der Reflexion des Probenteilbundels an der Probenoberflache und der Reflexion des Referenzteilbundeis an der Referenzoberflache werden die reflektierten Teilbundel mit dem durch den Strahlteiler abgeteilten weiterenAfter the reflection of the sample sub-bundle on the sample surface and the reflection of the reference sub-bundle on the reference surface, the reflected sub-bundle with the other divided by the beam splitter
Teilbundel überlagert. Es kommt zur Interferenz des weiteren Teilbundeis, des reflektierten Probenteilbundels und des reflektierten Referenzteilbundeis. Es wird ein Interferenzmuster erhalten, das mit Hilfe einer CCD(charge coupled device) -Kamera detektiert und in ein Weißlichtinterferogramm umgewandelt wird.Sub-bundle overlaid. There is interference of the further sub-bundle, the reflected sample sub-bundle and the reflected reference sub-bundle. An interference pattern is obtained which is detected using a CCD (charge coupled device) camera and converted into a white light interferogram.
Das durch das überlagern erhaltene Interferenzmuster hangt vom Abstand der Probenoberflache und der Referenzoberflache zueinander ab. D es wird zum Bestimmen des Abstands zwischen den Oberflachen ausgenutzt. Dazu werden bei unterschiedlichen Langendifferenzen des Lichtwege des auf die Probenoberflache und die Referenzoberflache gerichteten Teilbundeis und des weiteren Lichtwegs des weiteren Teilbundels mehrere Weißlichtinterferogramme erstellt. Mit Hilfe eines Computers und eines entsprechenden Rechenprogramms wird aus dem bei den unterschiedlichen Langendifferenzen erstellten The interference pattern obtained by superimposing depends on the distance between the sample surface and the reference surface. D it is used to determine the distance between the surfaces. For this purpose, several white light interferograms are created with different length differences of the light paths of the sub-bundle directed at the sample surface and the reference surface and the further light path of the further sub-bundle. With the help of a computer and an appropriate computer program, the one created with the different length differences
Weißlichtinterferogrammen der Abstand zwischen der Probenoberflache und der Referenzober lache ermittelt.White light interferograms determine the distance between the sample surface and the reference surface.
Da das Teilbundel auf die Referenzoberflache des Referenzkorpers und auf die Probenoberflache desSince the sub-bundle on the reference surface of the reference body and on the sample surface of the
Probenkorpers gerichtet wird, funktioniert die bekannte Interferometeranordnung nur bei Verwendung eines transparenten Probenkorpers. Ein Teil des Teilbundels muss durch den Referenzkorper hindurchtreten können, um an die Probenoberflache des Probenkorpers zu gelangen.Is directed sample body, the known interferometer arrangement only works when using a transparent sample body. A part of the sub-bundle must be able to pass through the reference body in order to reach the sample surface of the sample body.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Weißlicht-Interferometeranordnung zum Bestimmen einer veränderbaren relativen Lage einer Probenoberflache eines Probenkorpers und einer Referenzoberflache einesIt is therefore an object of the present invention to provide a white light interferometer arrangement for determining a changeable relative position of a sample surface of a sample body and a reference surface
Referenzkorpers zueinander anzugeben, die unabhängig von einer Transparenzeigenschaft des Referenzkorper bezüglich des Weißlichts der Lichtquelle ist. Zur Losung der Aufgabe wird eine Interferometeranordnung zum Bestimmen einer veränderlichen relativen Lage einer ein Weißlicht zumindest teilweise reflektierenden Probenoberflache eine Probenkorpers und eine das Weißlicht zumindest teilweise reflektierenden Referenzoberflache eines Referenzkorpers zueinander angegeben, aufweisend mindestens eine Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahls mit dem Weißlicht, wobei die Lichtquelle eine bestimmten Koharenzlange aufweist, mindestens einen Strahlteiler zum Zerlegen des Lichtstrahls in ein Teilbundel mit einem Lichtweg und in mindestens ein weiteres Teilbundel mit einem weiteren Lichtweg, mindestens einen weiteren Strahlteiler zum Zerlegen des Teilbundels in ein Probenteilbundel zur Reflexion des Probenteilbundels an der Probenoberflache und in ein Referenzteilbundel zur Reflexion des Referenzteilbundels an der Referenzoberflache, mindestens ein Mittel zum überlagern des weiteren Teilbundels, des von der Probenoberflache reflektierten Probenteilbundels und des von To specify reference body to each other, which is independent of a transparency property of the reference body with respect to the white light of the light source. To solve the problem, an interferometer arrangement for determining a variable relative position of a sample surface at least partially reflecting a white light, a sample body and a reference surface of a reference body at least partially reflecting the white light, are specified, comprising at least one light source for emitting a light beam with the white light, the light source has a certain coherence length, at least one beam splitter for splitting the light beam into a sub-bundle with one light path and into at least one further sub-bundle with another light path, at least one further beam splitter for splitting the sub-bundle into a sample sub-bundle for reflecting the sample sub-bundle on the sample surface and into one Reference sub-bundle for reflecting the reference sub-bundle on the reference surface, at least one means for superimposing the further sub-bundle, the one reflected by the sample surface Sample bundle and of
der Referenzoberflache reflektierten Referenzteilbundels, wobei durch das überlagern ein Interferenzmuster entsteht, mindestens einen Detektor des Interferenzmusters zum Erstellen eines Weißlichtinterferogramms, mindestens ein Mittel zum Einstellen einer Langendifferenz zwischen dem Lichtweg des Teilbundels und dem Lichtweg des weiteren Teilbundels und mindestens ein Mittel zum Bestimmen der relativen Lage der Probenoberflache des Probenkorpers zur Referenzoberflache des Referenzkorpers aus mehreren, in Abhängigkeit von der eingestellten Langendifferenz der Lichtwege erstellten Weißlichtinterferogrammen. Die Interferometeranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Strahlteiler derart ausgestalten ist, dass das Probenteilbundel im Wesentlichen nur auf die Probenoberflache und das Referenzteilbundel im Wesentlichen nur auf die Referenzoberflache gerichtet ist.of the reference surface of the reflected reference sub-bundle, whereby an interference pattern is created by superimposing, at least one detector of the interference pattern for creating a white light interferogram, at least one means for setting a length difference between the light path of the sub-bundle and the light path of the further sub-bundle and at least one means for determining the relative position the sample surface of the sample body to the reference surface of the reference body from several white light interferograms created depending on the set length difference of the light paths. The interferometer arrangement is characterized in that the further beam splitter is designed in such a way that the sample sub-bundle is directed essentially only at the sample surface and the reference sub-bundle essentially only at the reference surface.
Darüber hinaus wird zur Losung der Aufgabe ein Verfahren zum Bestimmen einer veränderlichen relativen Lage einer Probenoberflache eines Probenkorpers und einerIn addition, to solve the problem, a method for determining a variable relative position of a sample surface of a sample body and a
Referenzoberflache eines Referenzkorpers zueinander mit Hilfe der Interferometeranordnung angegeben. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf: a) Einstellen der Langendifferenz zwischen dem Lichtweg des Teilbundels und dem Lichtweg des weiteren Teilbundels, b) Überlagern des weiteren Teilbundels, des von der Probenober lache reflektierten Probenteilbundels und des von der Referenzoberflache reflektierten Referenzteilbundels, wobei ein Interferenzmuster entsteht, c) Erfassen des Interferenzmusters, d) Erstellen einesThe reference surface of a reference body is given to one another using the interferometer arrangement. The method has the following method steps: a) setting the length difference between the light path of the sub-bundle and the light path of the further sub-bundle, b) superimposing the further sub-bundle, the sample sub-bundle reflected by the sample surface and the reference sub-bundle reflected by the reference surface, an interference pattern being produced , c) detecting the interference pattern, d) creating a
Weißlichtinterferogramms aus dem erfassten Interferenzmuster, e) mehrfaches Wiederholen der Verfahrensschritte a) bis d) , so dass Weißlichtinterferogramme bei unterschiedlichen Langendifferenzen erstellt werden, und f) Ermitteln der relativen Lage der Probenoberflache und der Referenzoberflache zueinander aus den White light interferogram from the detected interference pattern, e) repeating the process steps a) to d) a number of times, so that white light interferograms are created with different length differences, and f) determining the relative position of the sample surface and the reference surface from one another
Weißlichtinterferogrammen, die bei unterschiedlichen Langendifferenzen erstellt wurden.White light interferograms that were created with different length differences.
Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik, bei dem das Teilbundel gleichzeitig auf die Probenoberflache und dieIn contrast to the known prior art, in which the sub-bundle simultaneously on the sample surface and the
Referenzoberflache gerichtet wird, wird bei der vorliegenden Erfindung das Teilbundel mit Hilfe des weiteren Strahlteiles derart aufgeteilt, dass ein Teil des Teilbundels auf die Probenoberflache und ein Teil des Teilbundels auf die Referenzoberflache gerichtet ist. Somit kann auch einIs directed in the present invention, the sub-bundle is divided with the aid of the further beam part in such a way that a part of the sub-bundle is directed at the sample surface and a part of the sub-bundle is directed at the reference surface. So a
Referenzkorper verwendet werden, der für das Weißlicht der Lichtquelle opak, also undurchlässig ist.Reference body can be used, which is opaque for the white light of the light source, i.e. opaque.
Als weiterer Strahlteiler kann ein optisches Abbildungssystem dienen, das einen Teil des Teilbundels auskoppelt und auf die Probenoberflache des Probenkorpers oder die Referenzoberflache des Referenzkorpers richtet. Der weitere Strahlteiler kann auch durch den Probenkorper und den Referenzkorper gebildet sein. Dazu werden der Probenkorper und der Referenzkorper nebeneinander derart in denAn optical imaging system can be used as a further beam splitter, which couples out a part of the sub-bundle and directs it onto the sample surface of the sample body or the reference surface of the reference body. The further beam splitter can also be formed by the sample body and the reference body. For this purpose, the sample body and the reference body are placed side by side in the same way in the
Strahlengang des Teilbundels gestellt, dass das Teilbundel auf die Probenoberflache und die Referenzoberflache gerichtet ist. Aber nur ein Teil des Teilbundels (Probenteilbundel) gelangt auf die Probenoberflache und nur ein Teil des Teilbundels (Referenzteilbundel) gelangt auf die Referenzoberflache .The beam path of the sub-bundle is set so that the sub-bundle is aimed at the sample surface and the reference surface. However, only a part of the sub-bundle (sample sub-bundle) reaches the sample surface and only a part of the sub-bundle (reference sub-bundle) reaches the reference surface.
Die Interferometeranordnung kann auf dem Prinzip eines beliebigen Zweistrahlinterferometers (beispielsweise Michaelson- oder Twyman-Green-Interferometer) oderThe interferometer arrangement can be based on the principle of any two-beam interferometer (for example Michaelson or Twyman-Green interferometer) or
V elstrahlinterferometers (beispielsweise Fabry-Perot- Interferometer) basieren.V elstrahlinterferometer (for example Fabry-Perot interferometer) are based.
Mit Hilfe der Interferometeranordnung ist eine Veränderung der relativen Lage zwischen der Probenoberflache desWith the help of the interferometer arrangement, a change in the relative position between the sample surface of the
Probenkorpers und der Referenzoberflache des Referenzkorpers erfassbar. Die Änderung der relativen Lage beruht Sample body and the reference surface of the reference body can be detected. The change in relative location is based
beispielsweise auf einer Änderung einer Abmessung des Probenkorpers. Beispielsweise verändert sich eine Lange des Probenkorpers aufgrund eines thermischen Ausdehnung des Probenkorpers. Durch Temperaturerhöhung ändert sich die Lange des Probenkorpers.for example, on a change in a dimension of the specimen. For example, a length of the sample body changes due to a thermal expansion of the sample body. The length of the sample body changes as the temperature increases.
Da auf die Weißlichtinterferometrie zurückgegriffen wird, resultiert eine sehr hohe Auflosung der Änderung der Abmessung. Die Auflosung betragt wenige Zehntel μm. Insbesondere betragt die Auflosung etwa 0,1 μm. Dazu wird vorzugsweise eine Lichtquelle mit einer Koharenzlange von unter 50 μm verwendet.Since white light interferometry is used, the change in dimension is very high. The resolution is a few tenths of a μm. In particular, the resolution is about 0.1 μm. For this purpose, a light source with a coherence length of less than 50 μm is preferably used.
Insbesondere weist der weitere Strahlteiler den Probenkorper und/oder den Referenzkorper auf. Beispielsweise besteht der Strahlteiler aus dem Referenzkorper und dem Probenkorper. In einer derartigen Ausgestaltung werden beispielsweise der Referenzkorper und der Probenkorper nebeneinander angeordnet. Das Teilbundel wird auf diese Anordnung gerichtet, so dass ein Teil des Teilbundels (Probenteilbundel) auf die Probenoberflache des Probenkorpers und ein Teil des Teilbundels (Referenzteilbundel) auf die Referenzoberflache des Referenzkorpers gelangt. Denkbar ist aber auch, dass mit zusatzlichen optischen Mitteln (Linsen, Spiegeln, Blenden,...) ein Teil des Teilbundels auf dieIn particular, the further beam splitter has the sample body and / or the reference body. For example, the beam splitter consists of the reference body and the sample body. In such an embodiment, for example, the reference body and the sample body are arranged side by side. The sub-bundle is directed towards this arrangement, so that a part of the sub-bundle (sample sub-bundle) reaches the sample surface of the sample body and a part of the sub-bundle (reference sub-bundle) reaches the reference surface of the reference body. But it is also conceivable that with additional optical means (lenses, mirrors, diaphragms, ...) a part of the sub-bundle on the
Probenoberflache und ein Teil des Teilbundels auf die Referenzoberflache gerichtet wird. Dadurch, dass Probenteilbundel und Referenzteilbundel unterschiedlich ausgerichtet werden, ist es nicht mehr notwendig, dass der Referenzkorper für das Weißlicht des Probenteilbundels transparent ist.Specimen surface and part of the sub-bundle is directed onto the reference surface. Because the sample sub-bundle and the reference sub-bundle are aligned differently, it is no longer necessary for the reference body to be transparent to the white light of the sample sub-bundle.
Die Probenoberflache des Probenkorpers und die Referenzoberflache des Referenzkorpers können dabei gegeneinander verkippt sein. Vorzugsweise sind dieThe sample surface of the sample body and the reference surface of the reference body can be tilted against each other. Preferably, the
Probenoberflache des Probenkorpers und die Referenzoberflache des Referenzkorpers derart zueinander angeordnet, dass eine The sample surface of the sample body and the reference surface of the reference body are arranged with respect to one another such that a
gemittelte Flachennormale der Probenoberflache und eine gemittelte Flachennormale der Referenzoberflache im Wesentlichen zueinander parallel ausgerichtet sind. Diese Flachennormalen sind zusatzlich vorzugsweise parallel zur Ausbreitungsrichtung des Teilbundels ausgerichtet. Die gemittelten Flachennormalen und die Ausbreitungsrichtung des Teilbundels sind auf diese Weise koaxial zueinander angeordnet. Dadurch resultiert eine einfache Realisierung der Interferometeranordnung. Ohne weitere optische Elemente kann ein Teil des Weißlichts des Teilbündels auf dieaveraged surface normal of the sample surface and an averaged surface normal of the reference surface are aligned essentially parallel to one another. In addition, these surface normals are preferably aligned parallel to the direction of propagation of the sub-bundle. The averaged surface normals and the direction of propagation of the sub-bundle are arranged coaxially in this way. This results in a simple implementation of the interferometer arrangement. Without further optical elements, part of the white light of the sub-beam can be directed onto the
Probenoberflache und ein Teil des Weißlichts auf die Referenzoberflache gerichtet werden. Durch die koaxiale Messanordnung ist insbesondere auch bei einem Lichtweg von über 20 cm die Auflosung von wenigen zehntel μm möglich. Dies wäre beispielsweise bei einer sogenannten Triangulometrischen Messmethode nur unter großem Aufwand möglich.Specimen surface and part of the white light are directed onto the reference surface. Thanks to the coaxial measurement arrangement, a resolution of a few tenths of a μm is possible, especially with a light path of over 20 cm. With a so-called triangulometric measurement method, for example, this would only be possible with great effort.
Zur Bestimmung der veränderlichen relativen Lage können der Probenkorper und der Referenzkorper gegeneinander verschiebbar angeordnet sein. Vorzugsweise aber derTo determine the variable relative position, the sample body and the reference body can be arranged so as to be displaceable relative to one another. But preferably the
Probenkorper und der Referenzkorper nicht gegeneinander verschiebbar angeordnet. Der Probenkorper und der Referenzkorper sind derart miteinander verbunden, dass im Wesentlichen keine Änderung der relativen Lage des Probenkorpers und des Referenzkorpers zueinander eintreten kann. Die mit Hilfe der Interferometeranordnung erfassbare Änderung der relativen Lage der Oberflachen zueinander wird nicht durch Änderung der relativen Lage des Probenkorpers und des Referenzkorpers zueinander beeinflusst. Wenn darüber hinaus dafür gesorgt wird, dass ein Zustand desSample body and the reference body are not arranged to be displaceable against each other. The sample body and the reference body are connected to one another in such a way that essentially no change in the relative position of the sample body and the reference body can occur. The change in the relative position of the surfaces relative to one another that can be detected with the aid of the interferometer arrangement is not influenced by a change in the relative position of the sample body and the reference body with respect to one another. If it is also ensured that a state of
Referenzkorpers annähernd konstant bleibt, kann die Änderung der Lage eindeutig auf eine Änderung des Probenkorpers bzw. eine Zustandsanderung des Probenkorpers zurückgeführt werden.If the reference body remains approximately constant, the change in position can clearly be attributed to a change in the sample body or a change in the state of the sample body.
Um dies zurealisieren, werden beispielsweise der Referenzkorper und der Probenkorper mit Hilfe eines To achieve this, the reference body and the sample body are, for example, using a
Verbindungsmittels derart miteinander fest verbunden, dass sich die relative Lage von Probenkorper und Referenzkorper zueinander nicht andern kann. Denkbar ist auch, den Referenzkorper und den Probenkorper auf einem gemeinsamen, im Rahmen des Bestimmens der relativen Lage nicht deformierbaren Tragerkorpers angeordnet. Zum festen Verbinden können der Probenkorper und der Referenzkorper mit Hilfe eines Verbindungsmittels mit dem Tragerkorper verbunden sein. Ein derartiges Verbindungsmittel ist beispielsweise ein Lot oder ein Klebstoff.Connection means firmly connected to one another in such a way that the relative position of the sample body and the reference body cannot change from one another. It is also conceivable for the reference body and the sample body to be arranged on a common support body which cannot be deformed when determining the relative position. For a firm connection, the sample body and the reference body can be connected to the support body with the aid of a connecting means. Such a connecting means is, for example, a solder or an adhesive.
In einer besonderen Ausgestaltung ist der Referenzkorper ein Tragerkorper des Probenkorpers oder der Probenkorper ein Tragerkorper des Referenzkorpers. Beispielsweise wird der Probenkorper auf einen Tragerkorper gestellt, der gleichzeitig als Referenzkorper fungiert.In a special embodiment, the reference body is a support body of the specimen body or the specimen body is a support body of the reference body. For example, the sample body is placed on a support body, which also acts as a reference body.
In einer besonderen Ausgestaltung ist der Referenzkorper ein Gefäß mit einem Gefaßboden, einer Gefaßwandung und einem von dem Gefaßboden und der Gefaßwandung getrennten Gefaßinneren, wobei ein durch die Gefaßwandung gebildeter Gefaßrand die Referenzoberflache bildet und der Probenkorper auf dem Gefaßboden im Gefaßinneren angeordnet ist. Beispielsweise wird der Probenkorper auf den Gefaßboden gestellt.In a special embodiment, the reference body is a vessel with a vessel bottom, a vessel wall and a vessel interior separated from the vessel bottom and the vessel wall, a vessel rim formed by the vessel wall forming the reference surface and the specimen body being arranged on the vessel bottom in the interior of the vessel. For example, the specimen is placed on the bottom of the vessel.
In einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens werden die Schritte a) bis f) wiederholt durchgeführt, so dass eine Änderung der relativen Lage ermittelt werden kann. Aufgrund der hohen Auflosung kann eine kleine Änderung der relativen Lage ermittelt werden. Die Änderung kann dabei sprunghaft, also innerhalb einer relativ kurzen Zeit auftreten. Es kann aber insbesondere eine kleine Änderung bestimmt werden, die über einen längeren Zeitraum eintritt. Es können Alterungs- und Kriechprozesse erfasst werden. In a special embodiment of the method, steps a) to f) are carried out repeatedly, so that a change in the relative position can be determined. Due to the high resolution, a small change in the relative position can be determined. The change can occur suddenly, ie within a relatively short time. In particular, a small change can be determined that occurs over a longer period of time. Aging and creep processes can be recorded.
Die Interferometeranordnung wird insbesondere als sogenannter Dilatometer verwendet werden. Der Dilatometer ist ein Gerat zur Bestimmung einer sehr kleinen Änderung einer Abmessung eines Probenkorpers (Festkörpers) . Die Änderung der Abmessung basiert beispielsweise auf einer thermischen Ausdehnung des Probenkorpers oder einer Phasenumwandlung des Materials des Probenkorpers. Denkbar sind daneben beliebige weitere Zustandsanderungen. Beispielsweise wird durch einen äußeren Emfluss ein Riss im Inneren des Probenkorpers induziert, der sich in einer Langenanderung des Probenkorpers nach außen hin bemerkbar macht. Dies kann dann auftreten, wenn der Probenkorper ein Verbundkorper aus unterschiedlichen Materialien ist. In diesem Verbundkorper kann beispielsweise aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien eine mechanische Spannung durch Variation der Temperatur induziert werden. Die induzierte mechanische Spannung kann zu dem Riss im Probenkorper fuhren. In einer besonderen Ausgestaltung wird als Probenkorper ein Piezoaktor in monolithischer Vielschichtbauweise verwendet. Dabei kann eine Stirnflache des Piezoaktors derart ausgestaltet sein, dass das Weißlicht der Lichtquelle zumindest teilweise reflektiert wird. Hilfsweise kann auch an der Stirnseite des Piezoaktors ein Stempel mit einer dasThe interferometer arrangement will be used in particular as a so-called dilatometer. The dilatometer is a device for determining a very small change in the dimension of a specimen (solid). The change in dimension is based, for example, on a thermal expansion of the sample body or a phase transformation of the material of the sample body. Any other changes in state are also conceivable. For example, a crack is induced in the interior of the specimen by an external flow, which is noticeable in a length change of the specimen towards the outside. This can occur if the sample body is a composite body made of different materials. In this composite body, for example, a mechanical stress can be induced by varying the temperature due to the different coefficients of thermal expansion of the materials used. The induced mechanical stress can lead to the crack in the specimen. In a special embodiment, a piezo actuator in a monolithic multilayer construction is used as the sample body. An end face of the piezo actuator can be designed such that the white light of the light source is at least partially reflected. Alternatively, a stamp with a die on the front of the piezo actuator
Weißlicht der Lichtquell reflektierenden Stempel oberflache angebracht sein. Die Stempeloberflache bildet die das Weißlicht des Probenbundels reflektierende Probenoberflache des Probenkorpers. Der Stempel und der Piezoaktor sind derart miteinander verbunden, dass eine Langenanderung desWhite light of the light source reflecting stamp should be attached surface. The stamp surface forms the sample surface of the sample body reflecting the white light of the sample bundle. The stamp and the piezo actuator are connected to one another in such a way that the length of the
Piezoaktors zu einer Änderung der Lage des Stempels und damit zu einer Änderung der Lage der Stempeloberflache fuhrt. Infolge davon ändert sich die relative Lage der Referenzoberflache zur Stempeloberflache (Probenoberflache) .Piezo actuator leads to a change in the position of the stamp and thus to a change in the position of the stamp surface. As a result, the relative position of the reference surface to the stamp surface (sample surface) changes.
Beispielsweise wird von einem ungepolten Piezoaktor ausgegangen. Durch elektrische Ansteuerung des Piezoaktors For example, an unpolared piezo actuator is assumed. By electrical control of the piezo actuator
kommt es zur Polung und in Folge davon zu einer Änderung der Lange des Piezoaktors. Mit Hilfe der Interferometeranordnung kann diese Änderung exakt und schnell bestimmt werden. Der Piezoaktor wird im dynamischen Betrieb wiederholt elektrisch angesteuert, wodurch es zu einer Verlängerung (Expansion) und Verkürzung (Kontraktion) des Piezoaktors kommt. Dabei können im Piezoaktor Risse auftreten, die im Betrieb zu einer bleibenden Langenanderung fuhren. Für eine Abschätzung einer Zuverlässigkeit des Piezoaktors ist die Kenntnis der Änderung der Lange durch die wiederholte elektrische Ansteuerung wichtig. Zur Ermittlung der Langenanderung des Piezoaktors, die durch den dynamischen Betrieb verursacht wird, wird der Piezoaktor beispielsweise mit Hilfe eines dünnen Films eines Klebstoff mit dem Gefaßboden des Gefäßes fest verbunden. Das Gefäß ist beispielsweise ein Antriebsgehause des Piezoaktors, in dem sich der Piezoaktor im Betrieb befindet. Um den dynamischen Betrieb des Piezoaktors nachvollziehen zu können, werden die für die Ansteuerung des Piezoaktors notwendigen elektrischen Anschlüsse durch eine Gefaßwandung des Gefäßes gefuhrt. Zwischen dem wiederholten Bestimmen der relativen Lage der Probenoberflache und der Referenzoberflache zueinander wird der Piezoaktor elektrisch angesteuert. Aufgrund der hohen Auflosung ist die Anordnung dazu geeignet, eine langsame Änderung (Langzeitdrift) der Abmessung des Piezoaktors zu erfassen, die durch die wiederholte elektrische Ansteuerung des Piezoaktors verursacht wird. Mit Hilfe der Interferometeranordnung der vorliegenden wird die relative Lage der Probenoberflache zur Referenzoberflache ermittelt. Durch geeignete Maßnahmen kann dafür gesorgt werden, dass die Änderung der Lage und damit die Änderung einer Abmessung des Probenkorpers erfassbar ist. Die Änderung der Abmessung des Probenkorpers kann dabei verschiedenste Ursachen haben. Umgekehrt kann die Ursache für die festgestellte Änderung der Abmessung ermittelt werden. polarity occurs and as a result the length of the piezo actuator changes. With the help of the interferometer arrangement, this change can be determined precisely and quickly. The piezo actuator is repeatedly electrically controlled in dynamic operation, which leads to an extension (expansion) and shortening (contraction) of the piezo actuator. Cracks can occur in the piezo actuator, which lead to a permanent change in length during operation. To estimate the reliability of the piezo actuator, it is important to know the change in length due to the repeated electrical activation. To determine the length change of the piezo actuator, which is caused by the dynamic operation, the piezo actuator is firmly connected to the bottom of the vessel, for example with the aid of a thin film of an adhesive. The vessel is, for example, a drive housing of the piezo actuator, in which the piezo actuator is in operation. In order to be able to understand the dynamic operation of the piezo actuator, the electrical connections necessary for controlling the piezo actuator are routed through a vessel wall of the vessel. The piezo actuator is controlled electrically between the repeated determination of the relative position of the sample surface and the reference surface. Due to the high resolution, the arrangement is suitable for detecting a slow change (long-term drift) in the dimension of the piezo actuator, which is caused by the repeated electrical activation of the piezo actuator. With the help of the interferometer arrangement of the present, the relative position of the sample surface to the reference surface is determined. Suitable measures can be taken to ensure that the change in position and thus the change in dimension of the sample body can be detected. The change in the dimension of the sample body can have various causes. Conversely, the cause of the determined change in dimension can be determined.
Beispielsweise kann mit der Interferometeranordnung auf elegante Weise ein Temperaturausdehnungskoeffizient des Materials bestimmt werden, aus dem der Probenkorper besteht. Durch Änderung der Temperatur kommt es zur Änderung der Abmessung eines Probenkorpers aus dem Material. In Folge davon ändert sich die relative Lage der Probenoberflache und der Referenzoberflache zueinander. Durch Bestimmen der relativen Lage als Funktion der Temperatur kann auf den Wärmeausdehnungskoef izienten des Materials des Probenkorpers geschlossen werden.For example, the interferometer arrangement can be used to elegantly determine a temperature expansion coefficient of the material from which the specimen is made. Changing the temperature changes the dimensions of a sample body made of the material. As a result, the relative position of the sample surface and the reference surface to one another changes. By determining the relative position as a function of temperature, the thermal expansion coefficient of the material of the sample body can be inferred.
Zusammenfassend ergeben sich mit der vorliegenden Erfindung folgende Vorteile: - Mit Hilfe der Interferometeranordnung kann die relative Lage der Probenoberflache und der Referenzoberflache zueinander exakt erfasst werden. Dazu kann ein Referenzkorper eingesetzt werden, der für das Weißlicht der Lichtquelle opak ist.In summary, the following advantages result with the present invention: With the aid of the interferometer arrangement, the relative position of the sample surface and the reference surface with respect to one another can be detected exactly. A reference body can be used for this, which is opaque for the white light of the light source.
- Aufgrund der kurzen Koharenzlange der Lichtquelle des Weißlichts betragt die Auflösung der Interferometeranordnung wenige Zehntel μm.- Due to the short coherence length of the light source of the white light, the resolution of the interferometer arrangement is a few tenths of a μm.
- Durch eine koaxiale Anordnung sind Messungen über größere Entfernungen (über 20 cm) auch an raumlich schwer zuganglichen Stellen mit der hohen Au losung möglich.- Thanks to a coaxial arrangement, measurements over long distances (over 20 cm) are possible even in places that are difficult to access with high resolution.
- Die Interferometeranordnung verfugt über keinen mechanischen Wegaufnehmer zur Bestimmung der relativen Lage der Referenzoberflache zur Probenoberflache. Die in einem solchen Fall normalerweise notwendigen und aufwandigen Korrekturmessungen sind nicht notig.- The interferometer arrangement does not have a mechanical displacement sensor for determining the relative position of the reference surface to the sample surface. In such a case, the necessary and time-consuming correction measurements are not necessary.
- Aufgrund der optischen Messmethode können dynamische Messungen tragheitslos durchgeführt werden. - Due to the optical measurement method, dynamic measurements can be carried out without inertia.
Anhand eines Beispiels und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden naher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.The invention is described in more detail below using an example and the associated figures. The figures are schematic and do not represent true-to-scale illustrations.
Figur 1 zeigt eine er indungsgemaße Interferometeranordnung.FIG. 1 shows an interferometer arrangement according to the invention.
Figur 2A zeigt einen Ausschnitt der Interferometeranordnung mit Probenkorper und Referenzkorper.FIG. 2A shows a section of the interferometer arrangement with sample body and reference body.
Figur 2B zeigt einen Schnitt entlang der Linie 2B aus Figur 2A.FIG. 2B shows a section along the line 2B from FIG. 2A.
Figur 3 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen einer Änderung der relativen Lage von Probenoberflache zurFIG. 3 shows a method for determining a change in the relative position of the sample surface
Referenzoberflache .Reference surface.
Der Probenkorper 40 ist ein Piezoaktor 43 in monolithischer Vielschichtbauweise. Dies bedeutet, dass der Piezoaktor einen Verbund aus piezokeramischen Schichten und zwischen den piezokeramischen Schichten angeordneten Elektrodenschichten aufweist. Zum Herstellen des Verbundes werden die Elektrodenschichten und die piezokeramischen Schichten gemeinsam gesintert. Die Innenelektroden des Piezoaktors sind mit Hilfe von Außenelektroden elektrisch alternierend kontaktiert. Durch eine elektrische Ansteuerung der mit den Innenelektroden verbundenen Außenelektroden kommt es zur Auslenkung des Piezoaktors. Der Piezoaktor wird in einem Gefäß 53 angeordnet (Figuren 2A und 2B) . Das Gefäß ist das Ansteuergehause des Piezoaktors. Das Gefäß weist einen Gefaßboden 54, eine Gefaßwandung 55, ein Gefaßinneres 56 und einen Gefaßrand 57 auf. Der Gefaßrand 57 wird von der Gefaßwandung 55 gebildet. Der Gefaßrand 57 stellt die Referenzoberflache 51 dar. The sample body 40 is a piezo actuator 43 in a monolithic multilayer construction. This means that the piezo actuator has a composite of piezoceramic layers and electrode layers arranged between the piezoceramic layers. To produce the composite, the electrode layers and the piezoceramic layers are sintered together. The internal electrodes of the piezo actuator are contacted alternately with the aid of external electrodes. The piezo actuator is deflected by an electrical control of the external electrodes connected to the internal electrodes. The piezo actuator is arranged in a vessel 53 (FIGS. 2A and 2B). The vessel is the control housing for the piezo actuator. The vessel has a vessel bottom 54, a vessel wall 55, a vessel interior 56 and a vessel rim 57. The vessel edge 57 is formed by the vessel wall 55. The vessel edge 57 represents the reference surface 51.
Mit Hilfe eines Verbindungsmittels 60 sind der Piezoaktor 43 und das Gefäß 53 fest miteinander verbunden. Das Verbindungsmittel ist ein Klebstoff. Der Piezoaktor ist auf den Gefaßboden geklebt. In einer dazu alternativen Ausfuhrungsform ist das Verbindungsmittel 60 einThe piezo actuator 43 and the vessel 53 are firmly connected to one another with the aid of a connecting means 60. The lanyard is an adhesive. The piezo actuator is glued to the bottom of the vessel. In an alternative embodiment, the connecting means 60 is one
Schweißwerkstoff. Der Piezoaktor befindet sich dabei in einer Rohrfeder, die den Piezoaktor mit einer definierten Kraft einklemmt. Die Bodenplatte der Rohrfeder ist mit dem Gefaßboden verschweißt. Zur elektrischen Ansteuerung des Piezoaktors sind elektrische Anschlüsse 44 des Piezoaktors durch den Gefaßboden 54 des Gefäßes 53 gefuhrt. Das Gefäß 53 fungiert als Tragerkorper 70 des Probenkorpers.Welding material. The piezo actuator is located in a tubular spring that clamps the piezo actuator with a defined force. The bottom plate of the Bourdon tube is welded to the bottom of the vessel. For electrical control of the piezo actuator, electrical connections 44 of the piezo actuator are guided through the vessel bottom 54 of the vessel 53. The vessel 53 acts as the support body 70 of the sample body.
Der Piezoaktor selbst bildet nicht die Probenoberflache des Probenkorpers. Zur Bildung der Probenoberflache desThe piezo actuator itself does not form the sample surface of the sample body. To form the sample surface of the
Probenkorpers ist an der Stirnseite des Piezoaktors, die dem Gefaßboden abgewandt ist, ein Stempel 46 angeordnet. Der Stempel ist mit dem Piezoaktor 43 fest verbunden. Der Stempel verfugt über die Probenoberflache 41. Der Stempel wird beispielsweise durch eine Bodenplatte der oben beschriebenen Rohrfeder gebildet.A sample 46 is arranged on the end face of the piezo actuator, which faces away from the bottom of the vessel. The stamp is firmly connected to the piezo actuator 43. The stamp has sample surface 41. The stamp is formed, for example, by a base plate of the tubular spring described above.
Die Probenoberflache 41, die vom Stempel gebildet wird, und die Referenzoberflache 51, die vom Gefaßrand gebildet wird, reflektieren zumindest teilweise das Weißlicht desThe sample surface 41, which is formed by the stamp, and the reference surface 51, which is formed by the edge of the vessel, at least partially reflect the white light of the
Teilbundels 20. Das Gefäß 53 und der Piezoaktor 43 bzw. der Stempel 46 des Piezoaktors sind koaxial zum Teilbundel angeordnet. Dies bedeutet, dass eine gemittelte Flachennormale 52 der Referenzoberflache 51 und eine gemittelte Flachennormale 42 der Probenflache 41 parallel zueinander angeordnet sind.Sub-bundle 20. The vessel 53 and the piezo actuator 43 or the stamp 46 of the piezo actuator are arranged coaxially to the sub-bundle. This means that an averaged surface normal 52 of the reference surface 51 and an averaged surface normal 42 of the sample surface 41 are arranged parallel to one another.
Durch diese koaxiale Anordnung ist dafür gesorgt, dass nur Weißlicht des Probenteilbundels 24 des Teilbundels 20 auf die Probenoberflache gelangt. Ebenso gelangt nur Weißlicht des Referenzteilbundels 25 des Teilbundels auf die Referenzoberflache. This coaxial arrangement ensures that only white light from the sample sub-bundle 24 of the sub-bundle 20 reaches the sample surface. Likewise, only white light from the reference sub-bundle 25 of the sub-bundle reaches the reference surface.
In einem ersten Schritt (301, Figur 3) wird die Langendifferenz zwischen dem Lichtweg 21 des Teilbundels 20 und des weiteren Lichtwegs 31 des weiteren Teilbundels 30 eingestellt. Dazu wird ein beliebiges Stellglied 10 verwendet . Ausgehend von der Lichtquelle 2 mit der Koharenzlange von unter 50 μm wird ein Lichtstrahl 11 mit Lichtpulsen eines Weißlichts ausgesandt. Mit Hilfe des Ξtrahlteilers 6 wird der Lichtstrahl 11 in das Teilbundel 20 und in das weiteres Teilbundel 30 aufgeteilt. Das Teilbundel 20 gelangt teilweise auf die Referenzoberflache und teilweise auf die Probenoberflache. Von diesen Oberflachen wird das Teilbundel 20 reflektiert und mit Hilfe eines Spiegels 8 in Richtung des Detektors 9 woitergeleitet . Das weitere Teilbundel 30 wird am Spiegel 32 reflektiert und gelangt ebenfalls zum Detektor 9. Dazu ist der Spiegel 8 für die vom Spiegel 32 reflektierte Strahlung des weiteren Teilbundels transparent. Der Spiegel 8 fungiert dabei als Mittel zum Überlagern des weiteren Teilbundels, des Probenteilbundels und des Referenzteilbundels. Diese Lichtbundel werden überlagert (302, Figur 3) . Aufgrund der Überlagerung kommt es zur Ausbildung eines Interferenzmusters. Das Interferenzmuster wird mit Hilfe des Detektors 9 erfasst (303, Figur 3) . Der Detektor ist eine CCD-Kamera. Alternativ dazu wird ein entsprechendes Photodetektor-Array verwendet. Durch diese Detektoren ist es möglich, eine raumliche Auflosung der Interferenz zu erzielen. Es wird ein Weißlichtinterferogramm erstellt (304, Figur 3) . Nach Erfassen des Weißlichtinterferogramms werden die Schritte 301 bis 304 wiederholt (305, Figur 3) . Durch dieIn a first step (301, FIG. 3), the length difference between the light path 21 of the sub-bundle 20 and the further light path 31 of the further sub-bundle 30 is set. Any actuator 10 is used for this. Starting from the light source 2 with the coherence length of less than 50 μm, a light beam 11 is emitted with light pulses from a white light. With the help of the beam splitter 6, the light beam 11 is divided into the sub-bundle 20 and the further sub-bundle 30. The sub-bundle 20 reaches partly on the reference surface and partly on the sample surface. The partial bundle 20 is reflected from these surfaces and guided further with the aid of a mirror 8 in the direction of the detector 9. The further sub-bundle 30 is reflected on the mirror 32 and also reaches the detector 9. For this purpose, the mirror 8 is transparent to the radiation of the further sub-bundle reflected by the mirror 32. The mirror 8 acts as a means for superimposing the further sub-bundle, the sample sub-bundle and the reference sub-bundle. These bundles of light are superimposed (302, FIG. 3). Due to the overlay, an interference pattern is formed. The interference pattern is detected with the aid of the detector 9 (303, FIG. 3). The detector is a CCD camera. Alternatively, a corresponding photodetector array is used. With these detectors it is possible to achieve a spatial resolution of the interference. A white light interferogram is created (304, Figure 3). After the white light interferogram has been recorded, steps 301 to 304 are repeated (305, FIG. 3). Through the
Wiederholung entstehen mehrere Weißlichtinterferogramme. Mit Hilfe der Vorrichtung 100 werden dieseRepetition creates several white light interferograms. With the help of the device 100, these
Weißlichtinterferogramme ausgewertet. Über diese Auswertung ist die relative Lage der Probenoberflache zur Referenzoberflache zuganglich (306, Figur 3) . White light interferograms evaluated. The relative position of the sample surface to the reference surface is accessible via this evaluation (306, FIG. 3).
Die Änderung der relativen Lage 45 zwischen der Probenoberflache und der Referenzoberflache wird durch eine Zustandsanderung des Probenkorpers hervorgerufen. Im vorliegenden Beispiel wird der Piezoaktor wiederholt elektrisch angesteuert. Aufgrund der wiederholten Ansteuerung des Piezoaktors kann es zu einer Änderung der Lange des Piezoaktors kommen. Diese Änderung der Lange des Piezoaktors kann mit Hilfe der Interferometeranordnung bestimmt werden. Dazu werden nach beendeter elektrischer Ansteuerung des Piezoaktors die oben beschriebenen Schritte zur Bestimmung der relativen Lage der Probenoberflache zur Referenzoberflache wiederholt. Aus dem Vergleich der bestimmten relativen Lagen kann der Einfluss der wiederholten elektrischen Ansteuerung des Piezoaktors auf die Lange dos Piezoaktors ermittelt werden.The change in the relative position 45 between the sample surface and the reference surface is caused by a change in the state of the sample body. In the present example, the piezo actuator is repeatedly electrically controlled. Due to the repeated activation of the piezo actuator, the length of the piezo actuator may change. This change in the length of the piezo actuator can be determined using the interferometer arrangement. For this purpose, the above-described steps for determining the relative position of the sample surface to the reference surface are repeated after the electrical actuation of the piezo actuator has ended. The influence of the repeated electrical activation of the piezo actuator on the length of the piezo actuator can be determined from the comparison of the determined relative positions.
Alternativ zum vorangegangenen Beispiel wird der Piezoaktor mit einer statischen, also nicht wechselnden elektrischen Ansteuerspannung beaufschlagt. Es wird die Änderung der relativen Lage der Probenoberflache und derAs an alternative to the previous example, the piezo actuator is subjected to a static, that is to say non-changing, electrical control voltage. It will change the relative location of the sample surface and the
Referenzoberflache zueinander in Abhängigkeit von der elektrischen Ansteuerspannung ermittelt. Bei längerer Messdauer kann dabei auch ein Langzeitdrift der Änderung der relativen Lage bestimmt werden.Reference surface to each other determined depending on the electrical control voltage. With a longer measurement period, a long-term drift in the change in the relative position can also be determined.
Gemäß einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel wird der Einfluss der Temperatur auf die Langenanderung des Piezoaktors bestimmt (z.B. Verkürzung des Piezoaktors durch Depolarisation bei Temperaturerhöhung) . Dazu wird der Piezoaktor in einer Warmekammer auf eine bestimmte Temperatur gebracht. Das Gefäß besteht beispielsweise im Wesentlichen aus einem Glas, das einen geringenAccording to a further exemplary embodiment, the influence of temperature on the change in length of the piezo actuator is determined (e.g. shortening of the piezo actuator by depolarization when the temperature rises). For this purpose, the piezo actuator is brought to a certain temperature in a warm chamber. For example, the vessel consists essentially of a glass that is a small one
Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist. In einem Temperaturbereich von -50° C bis 150° C wird der Einfluss der Temperatur auf die Langenanderung des Piezoaktors bestimmt. Dazu wird der Piezoaktor in der Temperaturkammer auf die entsprechende Temperatur temperiert und bei dieser Temperatur Has thermal expansion coefficient. The influence of temperature on the length change of the piezo actuator is determined in a temperature range from -50 ° C to 150 ° C. For this purpose, the piezo actuator in the temperature chamber is tempered to the appropriate temperature and at this temperature
die relative Lage von Probenoberflache zur Referenzoberflache bestimmt. Aufgrund der relativen Lage wird auf die Abmessung des Piezoaktors bei der entsprechenden Temperatur geschlossen. Durch Änderung der Temperatur wird eine Zustandsanderung des Piezoaktors hervorgerufen, die wiederum eine Änderung der Abmessung des Piezoaktors und infolge davon eine Änderung der mit Hilfe der Interferometeranordnung bestimmbaren relativen Lage der Probenoberflache und der Referenzoberflache zueinander mit sich bringt.determines the relative position of the sample surface to the reference surface. Due to the relative position, the dimension of the piezo actuator is inferred at the corresponding temperature. A change in the state of the piezo actuator is brought about by changing the temperature, which in turn brings about a change in the dimension of the piezo actuator and, as a result thereof, a change in the relative position of the sample surface and the reference surface, which can be determined with the aid of the interferometer arrangement, with one another.
Andere Zustandsanderungen des Piezoaktors und damit einhergehende Änderungen der relativen Lage zwischen Probenoberflache und Referenzoberflache, die mit Hilfe der Interferometeranordnung untersucht werden, basieren gemäß weiterer Ausfuhrungsbeispiele auf einer Verkürzung desOther changes in the state of the piezo actuator and the associated changes in the relative position between the sample surface and the reference surface, which are examined with the aid of the interferometer arrangement, are based on a shortening of the
Piezoaktors durch Depolarisation bei Kraftstoßen von außen oder auf einem Verschleiß des Piezoaktors durch mechanische Beanspruchung . Piezo actuator due to depolarization in the event of force surges from outside or if the piezo actuator is worn due to mechanical stress.

Claims

Patentansprüche claims
1. Interferometeranordnung (1) zum Bestimmen einer veränderlichen relativen Lage einer ein Weißlicht zumindest teilweise reflektierenden Probenoberflache (41) eines Probenkorpers (40) und einer das Weißlicht zumindest teilweise reflektierenden Referenzoberflache (51) eines Referenzkorpers (50) zueinander, aufweisend mindestens eine Lichtquelle (2) zum Aussenden eines Lichtstrahls (11) mit dem Weißlicht, wobei die1. Interferometer arrangement (1) for determining a variable relative position of a sample surface (41) of a sample body (40) that at least partially reflects white light and a reference surface (51) of a reference body (50) that at least partially reflects white light, comprising at least one light source ( 2) for emitting a light beam (11) with the white light, the
Lichtquelle eine bestimmten Koharenzlange aufweist, mindestens einen Strahlteiler (6) zum Zerlegen des Lichtstrahls in ein Teilbundel (20) mit einem Lichtweg (21) und in mindestens ein weiteres Teilbundel (30) mit einem weiteren Lichtweg (31) , mindestens einen weiteren Strahlteiler (7) zum Zerlegen des Teilbundels (20) in ein Probenteilbundel (24) zur Reflexion des Probenteilbundels an der Probenoberflache und in ein Referenzteilbundel (25) zur Reflexion des Referenzteilbundels an der Referenzoberflache, mindestens ein Mittel (8) zum überlagern des weiteren Teilbundels, des von der Probenoberflache reflektierten Probenteilbundels und des von der Referenzoberflache reflektierten Referenzteilbundels, wobei durch das Überlagern ein Interferenzmuster entsteht, mindestens einen Detektor (9) des Interferenzmusters zum Erstellen eines Weißlichtinterferogramms, mindestens ein Mittel (10) zum Einstellen einer Langendifferenz zwischen dem Lichtweg des Teilbundels und dem Lichtweg des weiteren Teilbundels und mindestens ein Mittel (11) zum Bestimmen der relativen Lage der Probenoberflache des Probenkorpers zur Referenzoberflache des Referenzkorpers aus mehreren, in Abhängigkeit von der e-ngestellten Langendifferenz der Lichtwege erstellten Weißlichtinterferogrammen, dadurch gekennzeichnet, dass Light source having a certain coherence length, at least one beam splitter (6) for splitting the light beam into a partial bundle (20) with a light path (21) and into at least one further partial bundle (30) with a further light path (31), at least one further beam splitter ( 7) for disassembling the sub-bundle (20) into a sample sub-bundle (24) for reflecting the sample sub-bundle on the sample surface and into a reference sub-bundle (25) for reflecting the reference sub-bundle on the reference surface, at least one means (8) for superimposing the further sub-bundle, the at least one detector (9) of the interference pattern for creating a white light interferogram, at least one means (10) for setting a length difference between the light path of the sub-bundle and the sample sub-bundle reflected from the sample surface and the reference sub-bundle reflected from the reference surface, whereby an interference pattern is produced by the superimposition the light path of the further n partial bundle and at least one means (11) for determining the relative position of the sample surface of the sample body with respect to the reference surface of the reference body from a plurality of white light interferograms which are produced as a function of the length difference of the light paths, characterized in that
der weitere Strahlteiler (7) derart ausgestalten ist, dass das Probenteilbundel im Wesentlichen nur auf die Probenoberflache und das Referenzteilbundel im Wesentlichen nur auf die Referenzoberflache gerichtet ist.the further beam splitter (7) is designed in such a way that the sample sub-bundle is directed essentially only at the sample surface and the reference sub-bundle essentially only at the reference surface.
2. Interferenzanordnung nach Anspruch 1, wobei der weitere Strahlteiler den Probenkorper und/oder den Referenzkorper aufweist.2. interference arrangement according to claim 1, wherein the further beam splitter comprises the sample body and / or the reference body.
3. Interferenzanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Probenober lache des Probenkorpers und die Rcferenzoberflache des Referenzkorpers derart zueinander angeordnet sind, dass eine gemittelte Flachennormale (42) der Probenoberflache und eine gemittelte Flachennormale (52) der Referenzoberflache im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind.3. Interference arrangement according to claim 1 or 2, wherein the sample surface of the sample body and the reference surface of the reference body are arranged with respect to one another such that an average surface normal (42) of the sample surface and an average surface normal (52) of the reference surface are aligned essentially parallel to one another.
4. Interferenzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Probenkorper und der Referenzkorper derart miteinander verbunden sind, dass eine relative Lage des Probenkorpers und des Referenzkorpers zueinander im Wesentlichen unabhängig von einer Zustandsanderung des Referenzkorpers und/oder des Probenkorpers ist.4. Interference arrangement according to one of claims 1 to 3, wherein the sample body and the reference body are connected to one another in such a way that a relative position of the sample body and the reference body to one another is essentially independent of a change in state of the reference body and / or the sample body.
5. Interferenzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Probenkorper und der Referenzkorper mit Hilfe eines Verbindungsmittels (60) fest miteinander verbunden sind.5. Interference arrangement according to one of claims 1 to 4, wherein the sample body and the reference body are firmly connected to one another with the aid of a connecting means (60).
6. Interferenzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Referenzkorper ein Tragerkorper (70) des Probenkorpers oder der Probenkorper ein Tragerkorper (70) des Referenzkorper ist.6. Interference arrangement according to one of claims 1 to 5, wherein the reference body is a support body (70) of the sample body or the sample body is a support body (70) of the reference body.
7. Interferenzanordnung nach Anspruch 6, wobei der Referenzkorper ein Gefäß (53) mit einem Gefaßboden (54), 7. interference arrangement according to claim 6, wherein the reference body a vessel (53) with a vessel bottom (54),
einer Gefaßwandung (55) und einem von dem Gefaßboden und der Gefaßwandung begrenzten Gefaßinneren (56) ist und ein durch die Gefaßwandung gebildeter Gefaßrand (57) die Referenzoberflache bildet und der Probenkorper auf dem Gefaßboden im Gefaßinneren angeordnet ist.a vessel wall (55) and a vessel interior (56) delimited by the vessel bottom and the vessel wall and a vessel edge (57) formed by the vessel wall forms the reference surface and the specimen is arranged on the vessel bottom in the interior of the vessel.
8. Verfahren zum Bestimmen einer veränderlichen relativen Lage einer Probenoberflache eines Probenkorpers und einer Referenzoberflache eines Referenzkorpers zueinander mit Hilfe einer Interferometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Einstellen der Langendif erenz zwischen dem Lichtweg des Teilbundels und dem Lichtweg des weiteren Teilbundels, b) überlagern des weiteren Teilbundels, des von der8. A method for determining a variable relative position of a sample surface of a sample body and a reference surface of a reference body to one another with the aid of an interferometer arrangement according to one of claims 1 to 7, with the following method steps: a) adjusting the length difference between the light path of the sub-bundle and the light path of the further sub-bundle, b) superimpose the further sub-bundle, which of the
Probenoberflache reflektierten Probenteilbundels und des von der Referenzoberflache reflektierten Referenzteilbundels, wobei ein Interferenzmuster entsteht, c) Erfassen des Interferenzmusters, d) Erstellen eines Weißlichtinterferogramms aus dem erfassten Interferenzmuster, e) mehrfaches Wiederholen der Verfahrensschritte a) bis d) , so dass Weißlichtinterferogramme bei unterschiedlichen Langendifferenzen erstellt werden, und f) Ermitteln der relativen Lage der Probenoberflache und der Referenzoberflache zueinander aus den Weißlichtinterferogrammen, die bei unterschiedlichen Langendifferenzen erstellt wurden.Sample surface of the reflected sample sub-bundle and of the reference sub-bundle reflected from the reference surface, whereby an interference pattern arises, c) detecting the interference pattern, d) creating a white light interferogram from the detected interference pattern, e) repeating the method steps a) to d) a number of times, so that white light interferograms with different length differences are created, and f) determining the relative position of the sample surface and the reference surface to one another from the white light interferograms, which were created with different length differences.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine Lichtquelle mit einer Koharenzlange von unter 50 μm verwendet wird.9. The method of claim 8, wherein a light source with a coherence length of less than 50 microns is used.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Schritte a) bis f) wiederholt durchgeführt werden, so dass eine10. The method according to claim 8 or 9, wherein steps a) to f) are carried out repeatedly, so that a
Änderung der relativen Lage ermittelt werden kann. Change in the relative position can be determined.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Probenkorper und der Referenzkorper derart miteinander verbunden werden, dass sich im Wesentlichen nur die relative Lage der Probenoberflache und der Referenzoberflache zueinander andern kann.11. The method according to any one of claims 8 to 10, wherein the sample body and the reference body are connected to one another in such a way that essentially only the relative position of the sample surface and the reference surface can change relative to one another.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei als Probenkorper ein Piezoaktor (43) in monolithischer Vielschichtbauweise und eine Stirnflache des Piezoaktors als Probenoberflache verwendet wird.12. The method according to any one of claims 8 to 11, wherein a piezo actuator (43) in monolithic multilayer construction and an end face of the piezo actuator is used as the sample surface as the sample body.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Piezoaktor zwischen dem wiederholten Bestimmen der relativen Lage elektrisch derart angesteuert wird, dass es zur Auslenkung des Piezoaktors kommt.13. The method according to claim 12, wherein the piezo actuator is electrically controlled between the repeated determination of the relative position such that the piezo actuator is deflected.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Änderung der relativen Lage durch eine Zustandsanderung des Probenkorpers verursacht w rd.14. The method according to any one of claims 10 to 13, wherein the change in the relative position is caused by a change in the state of the sample body.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Änderung der relativen Lage als Funktion der Temperatur ermittelt wird. 15. The method according to any one of claims 10 to 14, wherein the change in the relative position is determined as a function of temperature.
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