lnterferometrische Meßeinrichtung zum Erfassen der Form oder des Abstandes insbesondere rauher Oberflächen Die Erfindung bezieht sich auf eine interferometrische Meßeinrichtung zum Erfassen der Form oder des Abstandes insbesondere rauher Oberflächen mit mindestens einer räumlich kohärenten Strahlerzeugungseinheit, deren Strahlung in einer Me (3sonde in einen durch einen Meflreferenzzweig geführten und darin reflektierten Referenzmeßstrahl und in einen durch einen Meßzweig geführten und an der rauhen Oberfiäche reflektierten MeSstrahl aufgeteilt wird, mit einer Einrichtung zur Modulation der Licht-Phase oder zum Verschieben der Licht- Frequenz (Heterodynfrequenz) eines ersten Teilstrahis gegenüber der Licht-Phase oder der Licht-Frequenz eines zweiten Teilstrahls mit einer Uberlagerungseinheit zum Überlagern des reflektierten Meßreferenzstrahis mit dem reflektierten Meß- strahl, mit einer Strahlzerlegungs-und Strahlempfangseinheit zum Aufspalten der

überlagerten Strahlung auf zumindest zwei Strahlen mit unterschiedlichen Weilenlängen und Umwandeln der Strahlung in elektrische Signale und mit einer Auswerteeinrichtung, in der die Form bzw. der Abstand der rauhen Oberfläche auf der Grundlage einer Phasendifferenz der elektrischen Signale bestimmbar ist.

Eine derartige interferometrische Meßeinrichtung ist in der EP 0 126 475 B1 als bekannt ausgewiesen. Bei dieser bekannten Meßeinrichtung werden rauhe Ober- fiächen eines Meßobjektes interferometrisch ausgemessen, wobei eine Strahl- erzeugungseinheit mit Laserlichtquellen verwendet wird, die Licht unterschied- licher Wellenlängen abgeben. Mittels eines Strahlteilers wird das Laserlicht in einen Referenzstrahl eines Referenzstrahlengangs und einen Meßstrahl eines Meßstrahlengangs aufgeteilt. Der Meßstrahlengang trifft auf die zu vermessende Oberfläche, während der Referenzstrahlengang an einer Referenzfläche z. B. in Form eines Spiegels reflektiert wird. Das von der Oberfläche und der Referenz- fläche reflektierte Licht wird im Strahlteiler vereinigt und mit Hilfe einer Linse in eine Interferogrammebene fokussiert, in der ein Speckle-Muster auftritt. Dieses Speckle-Muster wird zur Bestimmung der Oberflächenform ausgewertet, wobei eine Phasendifferenz der Interferogrammphasen im Meßpunkt bestimmt wird.

Zur Vereinfachung der Auswertung wird ein Heterodyn-Verfahren angewendet, wobei die Frequenz des Referenzstrahles um eine Heterodynfrequenz mittels einer Frequenzverschiebungseinrichtung im Referenzstrahlengang gegenüber der Frequenz des Meßstrahles verschoben wird. Mit dieser Meßeinrichtung können Oberflächenformen fein aufgelöst werden. Das Laserlicht mit unterschiedlichen, diskreten Wellenlängen kann entweder mit einzelnen Laserlichtquellen erzeugt werden, wie z. B. Argon-Laser. Derartige Laserlichtquellen sind relativ teuer.

Halbleitlaser mit mehreren unterschiedlichen diskreten Wellenlängen (Moden) da-

gegen sind für derartige interferometrische Messungen ungünstig wegen der mangeinden Stabilität und damit verbundenen Welllenlangenverschiebung. Oder es können mehrere Laserlichtquelien, wie Laserdioden verwendet werden, um die verschiedenen diskreten Welleniängen zu erzeugen. Dabei ist es technisch aufwendig, die räumliche Kohärenz der aus den verschiedenen Wellenlängen zu- sammengesetzten Strahlung zu erzeugen. Außerdem ist bei derartigen Laserdio- den die Instabilität der einzelnen diskreten Wellenlängen besonders ungünstig.

Damit zusammenhängend ist es auch aufwendig mehrere verschiedene diskrete Wellenlängen zur Verfügung zu stellen.

Bei Verwendung von Laserlicht zur Erzeugung der diskreten Wellenlängen ist es auch schwierig, den gewünschten Abstand zwischen Meßsonde und Oberfläche genau einzustellen (Autofokusfunktion). Der Aufbau mit der Laserlichtquelle macht es ferner schwierig, den Meßteil als gut handhabbare Einheit auszubilden, die z. B. anstatt eines mechanischen Tasters einer Meßmaschine eingesetzt wer- den kann.

Eine weitere interferometrische Meßeinrichtung ist in der DE 39 06 118 A1 angegeben, bei der zwischen mehreren Laserlichtquellen und einem Meßab- schnitt Lichtleitfasern vorgesehen sind. Auch hierbei wird zum Bestimmen der Oberflächenstrukturen eine Phasendifferenz ausgewertet. Hinsichtlich der Hand- habung an schwer zugänglichen Stellen ist auch dieser bekannte Aufbau un- günstig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine heterodyn-oder phaseninterfero- metrische Mei3einrichtung der eingangs angegebenen Art bereitzustellen, mit der bei einfacher Handhabung und einfachem Aufbau auch an verhältnismäßig schwer zugänglichen Oberflächen, wie z. B. kleinen Bohrungen, unter Fertigungs-

bedingungen sehr genaue Messungen der Oberflächenform bzw. des Oberfiä- chenabstandes möglich sind.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmaien des Anspruches 1 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, daß die von der Strahlerzeugungseinheit abgegebene Strahlung zeitlich kurzlcohärent und breitbandig ist.

Es hat sich überraschend gezeigt, daß die zeitlich kurzkohärenten und breit- bandigen Strahlerzeugungseinheiten mit gleichzeitig hoher räumlicher Kohärenz als Lichtquelle einer heterodyn-interferometrischen Meßeinrichtung insbesondere in Verbindung mit der Messung an rauhen Oberflächen nicht nur gut geeignet sind, sondern gegenüber Laserlichtquellen erhebliche Vorteile bringen. Die räum- liche Kohärenz der Strahlung ist durch die Lichtquelle von Hause aus gegeben.

Instabilitäten der spektralen Strahlungsverteilung der Lichtquelle wirken sich bei der Messung praktisch nicht aus, da mittels der Strahizerlegungseinheit (z. B.

Gitter) und der zugeordneten Strahlempfangseinheit stets nicht nur einzelne feste Wellenlängen aus dem Icontinuierlichen Spektrum stabil ausgewählt wer- den, sondern insbesondere auch deren für die genaue, eindeutige Auswertung wichtige Differenz stabil beibehalten wird. Intensitätsänderungen der Wel- lenlängen bei Instabilitäten wirken sich wegen der Heterodyntechnik nicht aus, da dabei lediglich die Phasen eine Rolle spielen. Durch die zeitlich kurzkohärente Strahlung kann eine Autofokusfunktion sehr einfach realisiert werden, da das Heterodynsignal nur für einen bestimmten Abstandsbereich zwischen Meßteil und Oberfläche, der durch die kurze Kohärenzlänge bedingt ist, vorhanden ist.

Ferner bringt die kurze zeitliche Kohärenzlänge den Vorteil, daß das gesamte Meßsystem auf einfache Weise mittels Kohärenzmultiplex in ein die al

lich z. B. über Lichtleiter getrennten, als Meßsonde ausgebildeten kleinen und ro-

busten, leicht handhabbaren Meßteil aufgeteilt werden kann. Vorteile Ausgestal- tungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Ansprüche 3,4 und 5 geben dabei einen für den Einsatz bei der Fertigung günstigen Aufbau wieder. Bei dem Mach-Zehnder-Aufbau wird durch die beiden in beiden Teilstrahlengängen angeordneten akustooptischen Modulatoren die Differenz der Winkeldispersion minimiert.

Ist vorgesehen, daß die Strahlerzeugungseinheit eine kurzkohärente, breitban- dige Zusatzlichtquelle aufweist, die zur Lichtverstärkung oder als Ersatz- lichtquelle betreibbar ist, so kann bei gleichzeitiger Verwendung der beiden Lichtquelien die Lichtstärke erhöht werden. Alternativ kann die Zusatz-Licht- quelle als Ersatzlichtquelle bei Ausfall der anderen Lichtquelle verwendet werden.

Die Maßnahmen, daß zur Frequenzverschiebung des ersten Teilstrahls gegenüber dem zweiten Teilstrahl in dem Strahlengang des zweiten Teilstrahis eine zu- sätzliche Einrichtung zur Frequenzverschiebung angeordnet ist und daß die Ein- richtung und die zusätzliche Einrichtung zur Frequenzverschiebung akusto- optische Modulatoren sind, sind geeignet, eine kleine Winkeldispersion zu er- reichen. Einem Meßfehler durch Temperaturdrift und einer damit verbundenen Brechzahiänderung eines akustooptischen Modulators, die zu einer ungewollten Phasenverschiebung führt, wird durch die Anordnung der Modulatoren in beiden Strahlengängen entgegengewirkt.

Für den Aufbau und die Auswertung sind weiterhin die Maßnahmen günstig, daß die Strahizerlegungs-und Strahlempfangseinheit ein Spektralapparat mit nach- geschalteter Photodetektormatrix ist und daß die Strahlzerlegungs-und Strahl- empfangseinheit ebenfalls in der Baueinheit untergebracht und über die Lichtleit- faseranordnung mit der Meßsonde gekoppelt sind.

Der Aufbau und die Auswertung werden weiterhin dadurch begünstigt, daß die Meßsonde mit dem Meßzweig, dem Meßreferenzzweig und einem Strahiteiler der Meßsonde als Michelson-oder Mirau-Interferometer ausgebildet sind, und daß eine in dem Meßzweig und in dem Meßreferenzzweig erzeugte optische Wegdif- ferenz die mittels des Verzögerungselementes erzeugte optische Wegdifferenz aufhebt.

Ist vorgesehen, daß von dem zweiten Strahlteiler ausgehend ein weiterer Strah- lengang gebildet ist, der zu einer Bezugssonde mit einem Bezugssonden-Refe- renzarm und einem Bezugssonden-Meßarm führt, daR in der Baueinheit eine weitere Strahlzerlegungs-und Strahlempfangseinheit vorgesehen ist, und daß die Baueinheit über eine weitere Lichtleitfaseranordnung mit der Referenzsonde ge- lcoppelt ist, so kann mittels der Bezugssonde ein Drehtisch-Fehler kompensiert werden, der zum Bewegen des Meßobjektes mit der zu messenden Oberflächen- struktur verwendet wird. Ferner kann die Bezugssonde zum Kompensieren einer z. B. durch Temperatur verursachten Drift des in der Baueinheit vorgesehenen Modulationsinterferometers herangezogen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Be- zugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Fig. zeigt eine Anordnung der wesentlichen Komponenten einer interferometrischen Meßeinrichtung zum Erfas- sen der Form rauher Oberflächen in schematischer Darstellung.

Die interferometrische Meßanordnung ist in zwei Abschnitte aufgeteilt, wovon die eine als Baueinheit 2 in Form eines Modulationsinterferometers ausgebildet ist, während der andere Abschnitt eine Meßsonde 3, mit der ein auf einem Dreh- tisch 15 befindliches Meßobjekt 4 mit einer zu messenden rauhen Oberfläche abgetastet wird, sowie eine Bezugssonde 5 umfaßt. Die Meßsonde 3 ist über

eine Lichtieitfaseranordnung 6 mit dem Modulationsinterferometer 2 gekoppelt, während die Meßsonde 5 über eine weitere Lichtleitfaseranordnung 7 mit dem Modulationsinterferometer 2 verbunden ist. Das Modulationsinterferometer 2 in Form der Baueinheit 2 ist vorliegend als Mach-Zehnder Interferometer aufgebaut und weist die aktiven Komponenten auf, nämlich eine Lichtquelle 8 und eine zusätzliche Lichtquelle 8\', in den Strahlengängen eines ersten Teilstrahis 16 und eines zweiten Teilstrahls 17 angeordnete akustooptische Modulatoren 9 bzw. 9\' sowie zwei Photodetektormatrizen, die Teil einer Strahlzerlegungs-und Strahl- empfangseinheit 13 bzw. einer zusätzlichen Strahizerlegungs-und Strahlem- pfangseinheit 13\'sind. Denkbar ist auch ein Aufbau als Michelson-interfero- meter. Das Modulationsinterferometer 2 ist z. B. in einem klimatisierten, schwin- gungsisolierenden Gehäuse eingebaut.

Die Lichtquelle 8 und die zusätzliche Lichtquelle 8\', z. B. Superiuminiszenz- dioden, sind kurzkohärente breitbandige Lichtquelien mit einer kontinuierlichen Strahlungsverteilung einer Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen. Das Licht der Lichtquelle 8 und das Licht der Lichtquelle 8\'wird kollimiert und in den ersten Teilstrahl 16 und den zweiten Teilstrahl 17 mittels eines ersten Srahiteilers 18 aufgeteilt, wobei sich die Lichtquelle 8 und die zusätzliche Lichtquelle 8\'auf verschiedenen Seiten des Strahiteilers 18 befinden. Die zusätziiche Lichtquelle 8\'kann als vorjustierte Ersatzquelle oder zur Verstärkung der gesamten Licht- stärke eingesetzt werden. Die beiden Teilstrahlen 16,17 werden mit Hilfe der beiden akustooptischen Modulatoren 9 bzw. 9\'gegenseitig in der Frequenz ver- schoben. Die Frequenzdifferenz beträgt z. B. einige kHz. In dem einen Arm des z. B. ais Mach-Zehnder-lnterferometer oder Michelson-Interferometer aufgebauten Modulationsinterferometer 2 ist im Strahlengang hinter dem akustooptischen Modulator 9\'und einem anschließenden Ablenkspiegel 11\'ein Verzögerungs- element 10 z. B. in Form einer planparalielen Glasplatte eingesetzt, das eine Dif-

ferenz der optischen Weglängen der beiden Teilstrahlen 16,17, die länger als die Kohärenzlänge der Lichtquelle 8 bzw. 8\'ist, erzwingt. In dem Arm des Mo- dulationsinterferometers 2 mit dem ersten Teilstrahl 16 ist hinter dem akusto- optischen Modulator 9 ebenfalls ein Ablenkspiegel 11 angeordnet, von dem das Licht auf einen zweiten Strahlteiler 12 gelenkt wird. Die beiden Teilstrahlen 16, 17 werden in dem zweiten Strahlteiler 12 überlagert und in eine oder zwei Mo- nomode-Lichtleiteranordnung/en eingekoppelt. Aufgrund der mittels des Verzö- gerungselements 10 bewirkten optischen Wegdifferenz interferieren die beiden Teilstrahlen 16,17 nicht. Das Licht wird über die Licht-Leitfaseranordnung 6 zu der Meßsonde 3 und über die weitere Licht-Leitfaseranordnung 7 zu der Bezugs- sonde 5 geführt und dort ausgekoppelt. Die Me (3sonde 3 bzw. die Bezugssonde 5 sind z. B. in Form eines Michelson-oder Mirau-Interferometers so aufgebaut, daß die optische Wegdifferenz der überlagerten Strahlen eines Meßzweiges 3.1 und Referenzzweiges 3.2 der Meßsonde 3 bzw. eines Bezugssonden-Referenz- armes 5.1 und eines Bezugssonden-Meßarmes 5.2 der optischen Wegdifferenz der beiden Teilstrahlen 16,17 des Modulations-lnterferometers 2 entspricht. In der Fig. sind die Meßsonde 3 und die Bezugssonde 5 als Michelson-lnterfero- meter abgebildet.

Der durch den Meßzweig 3.1 verlaufende Meßstrahl wird mittels einer optischen Anordnung auf die zu vermessende Oberfläche des Meßobjektes 4 fokussiert.

Das von der Oberfläche reflelctierte Licht wird dem in dem Referenzzweig 3.2 an einem reflektierenden Element zurückgeführten Referenzstrahl uberlagert und in eine zu der Strahizerlegungs-und Strahlempfangseinheit 13 führende Lichtleit- faser eingekoppelt. Aufgrund des Wegdifferenzausgleichs können die Lichtstrah- len interferieren. Entsprechend wird das Licht des Bezugssonden-Meßarms 5.1 mit dem Licht des Bezugssonden-Referenzarmes 5.2 überlagert und der weiteren

Strahlzerlegungs-und Strahlempfangseinheit 13\'über die weitere Lichtleitfaser- anordnung 7 über einen entsprechenden abführenden Zweig der weiteren Licht- ieitfaseranordnung 7 zugeführt.

Aufgrund des Wegdifferenzausgleichs in der Meßsonde 3 bzw. der Bezugssonde 5 können die Lichtstrahlen interferieren. Die Lichtphasen-Differenz, die mittels des Heterodyn-Verfahrens in Verbindung mit den akustooptischen Modulatoren einfach auswertbar gemacht wird, beinhaltet Informationen über den Abstand zu der zu messenden Oberfläche des Meßobjektes 4 und damit über deren Oberflä- chenstruktur. Das von der Meßsonde 3 bzw. der Bezugssonde 5 in das Modula- tionsinterferometer 2 zurückgeleitete Licht wird aus der Lichtleitfaseranordnung 6 bzw. der weiteren Lichtleitfaseranordnung 7 ausgekoppelt, mit Hilfe eines Spelctralelementes (z. B. Gitter oder Prisma) der Strahizerlegungs-und Strahl- empfangseinheit 13 bzw. weiteren Strahlzerlegungs-und Strahlempfangseinheit 13\'in mehrere Farben bzw. Wellenlängen zerlegt und auf die Photodetektor- matrix fokussiert. Jeder Photodetektor liefert ein elektrisches Signal mit der durch die akustooptischen Modulatoren 9,9\'erzeugten Differenzfrequenz und einer Phase tOn die mit der Oberflächenstruktur bzw. dem Abstand zum Meßob- jekt mit der Meßgröße AL (Formabweichung, Rauhigkeit) und der zugehörigen WeHeniänge/t gemäß der Beziehung

= (2/) AL 2 zusammenhängt. Die Auswertung erfolgt auf der Grundlage einer Differenzbil- dung zwischen den Phasen der Signale unterschiedlicher Photodetektoren.

Durch die Vermessung der Phasendifferenzen der Signale mehrerer Photodetelc- toren (Mehrwellenlangen-Heterodyn-Interferometrie, vgl. die eingangs genannte

Druckschrift mit weiteren Nachweisen) iäßt sich die Meßgröße AL, die gruger als einzelne Lichtwellenlängen sein darf, in einer Auswerteeinrichtung, beispiels- weise in Form eines Rechners 14, eindeutig bestimmen.

Mit dem beschriebenen Aufbau der interferometrischen Meßvorrichtung 1 wird eine vorteilhafte Trennung in einen Abschnitt mit der leicht handhabbaren Meßsonde 3 bzw. Bezugssonde 5 einerseits und einen Abschnitt mit den relativ empfindlichen Komponenten des Modulations-Interferometers 2 und der Auswer- teeinrichtung erzielt. Die kurzkohärente, breitbandige Lichtquelle 8 bzw. 8\'führt zur einfachen Bereitstellung mehrerer stabiler Strahlungsanteile unterschiedlicher Wellenlangen und zur verbesserten, eindeutigen Auswertung von Formabwei- chungen, die auch Vielfache einer Wellenlänge betragen Icönnen.