DE3540856A1

DE3540856A1 - INTERFEROMETER, ESPECIALLY FOR INCREMENTAL SCANNING OF VARIABLE INTERFERENCE STRUCTURES

Info

Publication number: DE3540856A1
Application number: DE19853540856
Authority: DE
Inventors: Hans Dr.-Ing. DDR 6327 Ilmenau Büchner; Wilfried Dr.-Ing. DDR 6325 Ilmenau Hirschfeld; Gerd Prof. Dr.sc.techn. DDR 6325 Ilmenau Jäger; Georg Dipl.-Ing. DDR 6327 Ilmenau Ranft
Original assignee: VEB FEINMESSZEUGFABRIK SUHL; SUHL FEINMESSZEUGFAB VEB; Veb Feinmesszeugfabrik Suhl Ddr 6000 Suhl
Current assignee: Feinmesszeugfabrik Suhl O-6000 Suhl De GmbH
Priority date: 1984-11-22
Filing date: 1985-11-18
Publication date: 1986-05-28
Also published as: DE3540856C2; FR2573525A1; GB2168476B; GB2168476A; DD229208A1; GB8528756D0; DD229208B1

Description

Interferometer, insbesondere zur inkrementalen Abtastung veränderlicher InterferenzstrukturenInterferometer, especially for incremental scanning of variable interference structures

Interferometer können für die Messung aller derjenigen technisch-physikalischen Größen eingesetzt werden, deren Einfluß eine Änderung des optischen Gangunterschiedes bewirkt. Insbesondere kann die vorliegende Erfindung darüber hinaus bei solchen Meßaufgaben eingesetzt werden, bei denen durch das Meßobjekt während der Messung Änderungen der Interferenzstruktur verursacht werden· Diese besondere Eigenschaft der Erfindung macht die berührungslose interferometrisch-inkrementale Messung bei auf Ebenheit zu prüfenden Planflächen z.B. Spiegel, Si-Scheiben, Plattenspeichern möglich, sie erlaubt weiterhin die Antastung ebener Spiegel, ohne die Forderung stellen zu müssen, daß diese streng parallel geführt werden müssen, und es ist auch die optisch berührungslose Antastung sphärischer und asphärischer Flächen möglich sowie fernerhin der Einsatz in Druckmeßkammern, wodurch das zu- oder abströmende Gas Verwirbelungen der Interferenzstruktur entstehen.Interferometers can be used for the measurement of all those technical-physical Variables are used whose influence causes a change in the optical path difference. In particular The present invention can also be used in such measuring tasks in which by the measurement object causes changes in the interference structure during the measurement · This special property of the invention makes the non-contact interferometric-incremental measurement Flat surfaces to be checked for evenness, e.g. mirrors, Si disks, disk storage devices are possible, it still allows probing level mirror, without having to make the requirement that these must be guided strictly parallel, and it is also the optical Contactless probing of spherical and aspherical surfaces is possible as well as use in pressure measurement chambers, whereby the gas flowing in or flowing out creates turbulence in the interference structure.

Es ist ein Interferometer nach DD-PS 201 191 bekannt, das die interferometrisch-inkrementale Messung in während der Messung veränderlichen Interferenzstrukturen ermöglicht. Bei diesem Interferometer ist es notwendig, die beiden für eine inkrementale Meßsignalerfassung notwendigen fotoelektrischen Abtastelemente exakt so zueinander zu positionieren, daß sie in die vom Interferometer erzeugte Interferenzstruktur projiziert, zu einem Punkt zusammenfallen.There is an interferometer according to DD-PS 201 191 known that the interferometric-incremental measurement in during the measurement changeable interference structures enabled. With this interferometer it is necessary to use the two for one Incremental measuring signal acquisition necessary photoelectric scanning elements to be positioned exactly to one another that they are in projects the interference structure generated by the interferometer, coincide to one point.

Gelingt es nicht oder nur unzureichend, die auf die Interferenzstruktur bezogene Identität der beiden Abtastelemente zu erzeugen, wird der Einsatzbereich dieses Interferometers eingeschränkt. Andernfalls ist es konstruktiv-technologisch schwierig, die Abtastelemente in einer exakt einjustierten Position von der Justiervorrichtung zu lösen und so mit den Interferome'ierbauteilen zu verbinden, daß keine Lageänderungen entstehen.If it does not succeed, or only insufficiently, it affects the interference structure To generate related identity of the two scanning elements, the field of application of this interferometer is limited. Otherwise it is structurally and technologically difficult to get the scanning elements in an exactly adjusted position by the adjusting device to solve and to connect with the interferometer components so that no changes in position occur.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösung besteht darin, daß durch die zugelassene Veränderlichkeit der Interferenzstruktur der Meßfehler einsteigt.Another disadvantage of the known solution is that the interference structure is allowed to vary the measurement error increases.

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Ziel der Erfindung ist, ein Interferometer, insbesondere zur Abtastung veränderlicher Interferenzstrukturen zu schaffen, das auf technologisch niedrigem Niveau herstellbar ist, und dennoch höchsten Anforderungen an die Meßgenauigkeit gerecht wird.The aim of the invention is to provide an interferometer, in particular to create for scanning variable interference structures that can be produced at a technologically low level, and yet meets the highest requirements for measurement accuracy.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein von der Justierung der Abtastelemente unabhängiges Interferometer zur inkrementalen Abtastung veränderlicher Interferenzstrukturen zu schaffen und den aus der neigung der Heßfläche resultierenden Meßfehler zu beseitigen·The object of the invention is to provide an incremental interferometer that is independent of the adjustment of the scanning elements To create scanning of variable interference structures and those resulting from the inclination of the Hßfläche To eliminate measurement errors

Die breite Anwendung der Interferometrie in der Technik beruht auf der Grundlage der inkrementalen Meßsignalgewinnung· Bekanntlich setzt das Inkrementalverfahren zwei um 90° phasenverschobene Meßsignale voraus. Entsprechend dem Stand der Technik ist hierzu ein während der Messung unveränderliches Gitter erforderlieh. Aus diesem Grunde waren der interferornetrisch-inkrementalen Meßwerterfassung eine ganze Reihe wichtiger Anwendungen verschlossen, bei denen die Unveränderlichkeit des im Interferometer erzeugten Interferenzgitters während der Messung nicht gewährleistet ist.The broad application of interferometry in technology is based on the basis of the incremental measurement signal acquisition · As is well known, the incremental method sets two phases shifted by 90 ° Measuring signals ahead. According to the state of the art, a grid that cannot be changed during the measurement is required for this purpose. For this reason, the interferometric-incremental recording of measured values was closed to a whole series of important applications, in which the immutability of the interference grating generated in the interferometer is not guaranteed during the measurement is.

Das betrifft insbesondere die berührungslose Antastung ebener und: gekrümmter Flächen, weil bei den bekannten Interferometern stets gewährleistet sein muß, daß sicl/die ?/inkelposition der Keß- und Referenzstrahl reflektierenden Flächen nicht ändern darf. Die Einhaltung dieser Bedingung sichert die für die inkrementale Meßsignalgewinnung geforderte Unveränderlichkeit der Interferenastruktur. Für die bekannten Interferometer hat das zur Konsequenz, daß zumindest im Meßarm der Interferometer als Reflektoren kippinvariante optische Bauelemente, z.B. Tripelprismen, Tripelspiegel oder sog. Katzenaugen-Reflektoren verwendet werden müssen. Damit ist eine berührungslose Antastung verschiedener Meßobjekte von vornherein ausgeschlossen.This applies in particular to the contactless probing on the plane and: curved surfaces, because with the known interferometers it must always be ensured that the? / angular position of the cheesecloth and reference beam reflecting surfaces must not change. Compliance with this condition ensures the invariability of the interference structure required for the incremental measurement signal generation. The consequence of this for the known interferometers is that, at least in the measuring arm, the interferometer, as reflectors, is tilt-invariant optical components, e.g. triple prisms, triple mirrors or so-called cat-eye reflectors must be used. This enables contactless probing of various objects to be measured excluded from the outset.

Eine Ausnahme stellt die o.g. Patentschrift dar, die durch Einführung des Prinzips der in bezug zur Interferenzstruktur örtlich identischen Abtastpunkte eine interferometrisch-inkrementale Meßsignalgewinnung bei während der Messung veränderlicher Interferenzstruktur- ermöglicht. Die genannte Anordnung hat je-The above-mentioned patent specification is an exception the principle of the local in relation to the interference structure identical sampling points an interferometric-incremental measurement signal acquisition with variable during the measurement Interference structure enables. The above-mentioned arrangement has

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doch den Nachteil, daß diese Eigenschaft äes Interferometers nur durch eine exakte Positionierung beider fotoelektrischer Abtasteletnente in bezug zur abgetasteten Interferenz struktur erreicht wird. Obwohl die Justage der Empfänger in diese Position nicht problematisch ist und systematisch und kontrollierbar durchgeführt werden kann, muß beim Lösen der Abtastelemente von der Justiervorrichtung und beim Verbinden derselben mit den Bauteilen des Interferometers mit neuerlichen LageVeränderungen gerechnet werden, die den vorher erreichten Justagezustand wieder zunichte machen können· Außerdem ist nicht gesichert, daß die Abtastelemente die nach erfolgter Justage in bezug zur Interferenzstruktur eingenommene Position ein für allemal beibehalten, woraus ebenfalls eine Verschlechterung der vorgesehenen Daten des Interferometers resultiert bzw. dessen Betriebsbereitschaft für die vorger sehene Meßaufgabe in Frage gestellt ist.but the disadvantage that this property is an interferometer only through an exact positioning of both photoelectric scanning elements in relation to the scanned interference structure is achieved. Although the adjustment of the receiver in this position is not problematic and systematic and controllable can be carried out, must when releasing the scanning elements from the adjustment device and when connecting the same With the components of the interferometer, new changes in position can be expected that reached the previous one Adjustment status can be canceled again · In addition, it is not guaranteed that the scanning elements after Adjustment made in relation to the interference structure Maintain position once and for all, which also leads to a deterioration in the intended data of the interferometer results or its operational readiness for the intended measurement task is called into question.

Die durch Einführung des Prinzips der örtlich-identischen Abtastpunkte möglich gewordene inkrementale Abtastung veränderlicher Interferenzstrukturen bedeutet, daß die im Meßarm des Interferometers angetastete Meßfläche nicht senkrecht zum ankommenden Meßstrahl stehen muß, sondern in gewissen Grenzen eine von der senkrechten Lage abweichende Position einnehmen kann. Damit ist es möglich, auf den Einsatz von kippinvarianten Reflektoren im Meßarm der Interferometer zu verzichten und ebene und gekrümrate Meßflächen mit dem Meßstrahl unmittelbar optisch berührungslos anzutasten.The incremental scanning made possible by the introduction of the principle of locally identical scanning points is more variable Interference structures means that in the measuring arm of the interferometer touched measuring surface does not have to be perpendicular to the incoming measuring beam, but in certain Limits can assume a position deviating from the vertical position. With this it is possible to use to dispense with tilt-invariant reflectors in the measuring arm of the interferometer and with flat and curved measuring surfaces to touch the measuring beam directly optically without contact.

Befindet sich jedoch die Meßfläche in einer nicht senkrechten Position zum ankommenden Meßstrahl sondern in einer um den Winkelc* davon abweichenden Lage, wird der Meßstrahl unter dem Winkel 2 W₁ reflektiert und die Folge ist ein gegenüber der senkrechten Winkelposition vergrößerter Meßfehler.However, if the measuring surface is not in a perpendicular position to the incoming measuring beam but in a position deviating from it by the angle c *, the measuring beam is _{reflected at the angle 2 W 1} and the result is a measurement error that is greater than the perpendicular angular position.

Diese Mangel zu beseitigen ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung. The object of the present invention is to remedy this deficiency.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß sich zwisehen dem Interferometerteiler und dem Strahlteiler eine Blende befindet und der durch die Blende hindurchtretende Strahl im Strahlteiler in zwei Teilstrahlen geteilt und jeder dieserAccording to the invention the object is achieved in that there is a conflict the interferometer splitter and the beam splitter is a diaphragm and the beam passing through the diaphragm divided into two partial beams in the beam splitter and each of these

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"^5Α· - - ' —35Α0856" ^5Α · - - '-35Α0856

Teilstrahlen je einem fotoelektrischen Empfänger zugeleitet wird. Weiterhin befindet sich zwischen dem Interferometerteiler und dem Strahlteiler einerster Strahlspalter und diesem nachgeschaltet ein zweiter Strahlspalter. Der vom ersten Strahlspalter in Richtung des zweiten Strahlspalters abgespaltene Strahl wird im zweiten Strahlspalter in zwei Teilstrahlen geteilt und jeder dieser Teilstrahlen fällt auf eine ihm zugeordnete zeilenförmige Anordnung aus integrierten fotoelektrischen Abtastelement en, Weiterhin kann an einem der beiden Ausgänge des ersten Strahlspalters auch eine matrixförmige Anordnung aus integrierten fotoelektrischen Abtastelementen angeordnet werden.Partial beams are each fed to a photoelectric receiver. It is also located between the interferometer divider and a first beam splitter to the beam splitter and a second beam splitter connected downstream of this. The one from the first beam splitter The beam split off in the direction of the second beam splitter is split into two partial beams in the second beam splitter and each of these partial beams falls on one assigned to it linear arrangement of integrated photoelectric Sensing element s, can also be at one of the two outputs the first beam splitter also has a matrix-like arrangement of integrated photoelectric scanning elements are arranged.

Durch Einführung der Blende zwischen Interferometerteiler und Strahlteiler wird der für beide Abtasteleraente identische Abtastpunkt durch die gemeinsame Blende repräsentiert, und es ist der Zwang aufgehoben, den identischen Abtastpunkt durch Justage beider Abtasteleraente zu erzeugen. Es wird ein im Vergleich zum Blendendurchmesser großflächiges Interferenzbild erzeugt, das durch die Blende im tatsächlichen Sinne punktförmig abgetastet wird. Damit ist primär nicht mehr der Ort der Abtastelemente in bezug zur Interferenzstruktur für den Abtastvorgang maßgeblich, sondern es muß lediglich gewährleistet sein, daß die durch die Blende hindurchtretende Strahlung den strahlungsaktiven Teil des Abtastelementes trifft· Das ist insofern leicht zu realisieren, da im allgemeinen der Blendendurchmesser wesentlich kleiner ist als der Durchmesser der strahlungsaktiven Fläche der Abtastelemente. Da die Blende in bezug zur Interferenzstruktur in eine absolut feste Position gebracht werden kann, sind Lageveränderungen zwischen Blende und Interferenzstruktur ausgeschlossen.By introducing the aperture between the interferometer splitter and the beam splitter, the scanning point which is identical for both scanning elements is represented by the common aperture, and the need to generate the identical scanning point by adjusting both scanning elements is eliminated. In comparison to the diaphragm diameter, a large-area interference image is generated, which is actually scanned in the form of a point by the diaphragm. This means that primarily the location of the scanning elements in relation to the interference structure is no longer decisive for the scanning process, but rather it must be ensured that the radiation passing through the diaphragm hits the radiation-active part of the scanning element aperture diameter is substantially smaller than the diameter of the radiation-active surface of the sensing elements. Since the diaphragm can be brought into an absolutely fixed position in relation to the interference structure, changes in position between the diaphragm and the interference structure are excluded.

Auch die Relativlage zwischen Blende und fotoelektrischen Abtastelementen ist unkritisch, da die Lage der Abtastelem#ente keinen Einfluß mehr auf die Phasenlage der inkrementalen Heßsignalgewinnung hat.Also the relative position between the diaphragm and the photoelectric scanning elements is not critical, since the position of the scanning elements no longer influences the phase position of the incremental heat signal generation Has.

Damit sind durch Einführung der Blende zwei optische Signale vorhanden, die völlig unabhängig von der jeweiligen Interferenzstruktur und unabhängig von Justagevorgängen und konstruktivtechnologischen Problemen der Befestigung von Bauelementen in jedem Moment exakt die zur Inkrementalen Meßwerterfassung not-With the introduction of the diaphragm there are two optical signals present, which is completely independent of the respective interference structure and independent of adjustment processes and structural-technological problems of fastening components in at every moment exactly what is necessary for incremental data acquisition

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wendige 90° - Phasenverschiebung aufweisen.have agile 90 ° phase shift.

Den Ausgangspunkt für die Korrektur des Fehlers, der durch eine nicht senkrechte Winkelposition der Meßfläche gegenüber dem ankommenden Meßstrahl verursacht wird, liefert das Interferenzbild selbst, indem die abgetastete Interferenzstruktur die Information über die gesuchte Winkelposition enthält. Im Interferenzbild drückt sich "diese Winkelposition in der im Abtastpunkt vorhandenen Dichte der Interferenzstreifen aus. Die Dichte der Interferenzstreifen kann ermittelt werden, wenn man die Interferenzstruktur auf eine Vielzahl dicht beieinanderliegender fotoelektrischer Abtastelemente abbildet, beispielsweise auf eine CCD-Zeile. Jedes einzelne Element einer solchen Anordnung erzeugt ein der jeweiligen Bestrahlungsstärke entsprechendes elektrisches Signal. Die zyklische Abfrage der Elemente der CCD-Zeile ergibt ein in eine elektrische Größe umgesetztes Abbild der Interferenzstruktur. Aus diesem Abbild können diejenigen Elemente ermittelt werden, auf denen sich beispielsweise die Maxima der Interferenzstruktur befinden und aus dem bekannten Abstand dieser Elemente und der im Interferometer verwendeten Wellenlänge der monochromatischen Strahlung ergibt sich die Neigung der Meßfläche im betreffenden Meßpunkt.The starting point for correcting the error caused by a non-perpendicular angular position of the measuring surface in relation to the incoming Measuring beam is caused, supplies the interference image itself, by the scanned interference structure the information contains about the searched angular position. In the interference image, "this angular position is expressed in that of the scanning point existing density of the interference fringes. The density of the interference fringes can be determined by looking at the interference structure images onto a plurality of closely spaced photoelectric scanning elements, for example on a CCD line. Each individual element of such an arrangement generates one that corresponds to the respective irradiance electrical signal. The cyclical interrogation of the elements of the CCD line results in an image converted into an electrical variable the interference structure. From this image, those elements can be determined on which, for example, the Maxima of the interference structure are located and from the known The distance between these elements and the wavelength of the monochromatic radiation used in the interferometer results in the inclination the measuring surface in the relevant measuring point.

Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigt :The invention is to be explained on the basis of exemplary embodiments. It shows :

Pig. 1 : Interferometer mit Blende
Pig. 2 : Interferometer mit Blende und CCD-Zeile zur ErfassungPig. 1: interferometer with diaphragm
Pig. 2: Interferometer with diaphragm and CCD line for detection

der Winkelposition der Meßfläche Pig. 3 : Abbildung der Interferenzstruktur 50 mit modulierten Strahl 20 auf die CCD-Zeile 38the angular position of the measuring surface Pig. 3: Illustration of the interference structure 50 with modulated Beam 20 onto the CCD line 38

Pig. 4 : natürlicher sinusförmiger Verlauf der Interferenzstruktür 50 wie er an den Elementen der CCD-Zeile 38 erzeugtPig. 4: natural sinusoidal course of the interference structure 50 as generated on the elements of the CCD line 38

wird
Pig. 5 : Gesaratanordnung des Interferometerswill
Pig. 5: General arrangement of the interferometer

Das Interferometer nach Pig. 1 besteht aus dem Interferometerteiler 1 und dem Strahlteiler 2, zwischen denen sich die Blende befindet. Der linear polarisierte monochromatische Laserstrahl 4 tritt durch das Polarisationsfilter 5 und die £· Platte 6 in denPig's interferometer. 1 consists of the interferometer divider 1 and the beam splitter 2, between which the diaphragm is located. The linearly polarized monochromatic laser beam 4 passes through the polarizing filter 5 and the plate 6 into the

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Interferometerteiler 1 ein, in dem er an der Teilerschicht 7 in Meßstrahl 8 und Referenzstrahl 9 geteilt wird. Der Meßstrahl 8 durchläuft die | - Platte 10 und trifft auf den Meßspiegel 11 auf, der ihn in den Interferometerteiler 1 zurückreflektiert« Der Referenzstrahl 9 wird am Referenzspiegel 12 reflektiert.Meßstrahl 8 und Referenzstrahl 9 überlagern sich an der Teilerschicht 7 und das Ergebnis ist die Interferenzstruktur 20, die bei ebenem Meßspiegel 11 und ebenem Referenzspiegel 12 streifenförmig ist, wenn Meßspiegel 11 und ReferenÄspiegel 12 nicht exakt senkrecht zueinander stehen. Derjenige Teil 13 der Interferenzstruktur, der durch die Blende 3 hindurchtritt, wird am Strahlteiler 2 in die Strahlen 14 und 15 geteilt, die nach Durchlaufen der Analysatoren 16 und 17 auf die fotoelektrischen Abtastelemente 18 und 19 auftreffen. Die zur inkrementalen Meßwerterfgrssung notwendige 90° - Phasendifferenz zwischen den Strahlen 14 und 15 wird durch den Winkel eingestellt, den die Durchlaßrichtung der Analysatoren 16 und 17 miteinander bilden. Die Blende 3 wird zweckmäßigerweise mit Aufdampf- und fotolithografischen Techniken auf den miteinander verkitteten Flächen des Interferometerteilers 1 oder des Strahlteilers 2 hergestellt. Mit diesen Technologien ist es unproblematisch, keisrunde Blendenöffnungen mit Durchmessern nis in die Größenordnung von einigen /Um herzustellen. Das ist für die vorliegende Erfindung insofern von Bedeutung, da die kleinste abtastbare Gitterkonstante der Interferenzstruktur vom jeweiligen Blendendurchmesser abhängt. Damit kann durch Wahl des Blendendurchmessers das Interferometer der vorliegenden Aufgabenstellung genau angepaßt werden. Man kann davon ausgehen, daß an den diskreten fotoelektrischen Empfänger 18, 19 dann noch auswertbare elektrische Ausgangssignale erzeugt werden, wenn der Blendendurchmesser dreiviertel des Gitterabstandes des? Interferenzstruktur ist.Dann können beispielsweise bei einem Blindendurchrnesser von 20 /um noch Interferenz strukturen nit Gitterkonstanten 2 26 abgetastet werden. In diesem Falle hat die Normale auf die MeBfläche im Meßpunkt eine Winkelposition von 41 * zum ankommenden Meßstrahl bei λ = 633 nm.Interferometer splitter 1, in which it is attached to the splitter layer 7 in Measuring beam 8 and reference beam 9 is split. The measuring beam 8 passes through the | - Plate 10 and hits the measuring mirror 11 on, which reflects it back into the interferometer splitter 1 «The reference beam 9 is reflected on the reference mirror 12.Meßstrahl 8 and reference beam 9 overlap at the splitter layer 7 and the result is the interference structure 20, the In the case of a flat measuring mirror 11 and a flat reference mirror 12, strip-shaped is when measuring mirror 11 and reference mirror 12 are not are exactly perpendicular to each other. That part 13 of the interference structure which passes through the diaphragm 3 is on Beam splitter 2 divided into beams 14 and 15, which after passing through analyzers 16 and 17 to the photoelectric Sensing elements 18 and 19 impinge. The one for incremental recording of measured values necessary 90 ° - phase difference between the beams 14 and 15 is set by the angle that the Form the transmission direction of the analyzers 16 and 17 together. The aperture 3 is expediently with vapor deposition and photolithographic Techniques made on the surfaces of the interferometer splitter 1 or the beam splitter 2 cemented to one another. With these technologies it is unproblematic, completely round Orifices with diameters nis in the order of magnitude of a few / um. That is for the present The invention is important because the smallest scannable grating constant of the interference structure of the respective diaphragm diameter depends. The interferometer for the task at hand can thus be precisely selected by selecting the diaphragm diameter be adjusted. It can be assumed that the discrete photoelectric receiver 18, 19 can then still be evaluated electrical output signals are generated when the diaphragm diameter is three quarters of the grid spacing of the? Interference structure Then, for example, in the case of a blind diameter of 20 / um still have interference structures with lattice constants 2 26 can be scanned. In this case the normal has on the measuring surface at the measuring point an angular position of 41 * to incoming measuring beam at λ = 633 nm.

In Fig. 2 ist eine Ausführung des Interferometers dargestellt, bei dem die jeweilige Winkelpositon der Meßfläche zum ankommen-In Fig. 2 an embodiment of the interferometer is shown in which the respective angular position of the measuring surface to arrive

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den Meßstrahl ermittelt und der daraus resultierende Meßfehler rechnerisch korrigiert werden kann. Zu diesem Zweck werden zwischen den Interferometerteiler 1 undjden Strahlteiler 2 zwei Strahlspalter 30 und 34 zwischengeschaltet, die die Aufgabe haben, den mit der Interferenzstruktur modulierten Strahl 20 auf zwei CCD-Zeilen 38 und 40 abzubilden. Der von der monochromatischen Strahlungsquelle ankommende Strahl 4 tritt in den Interferometerteiler 1 ein, wird an der Teilerschicht 7 in Meßstrahl 8 und Referenzstrahl 9 geteilt, aus deren Wiedervereinigung der Strahl 20 resultiert, der mit der Interferenzstruktur moduliert ist. Dieser Strahl 20 tritt in einen ersten Strahlspalter 30 ein, an dessen Teilerschicht 31 er in einen Teil 32 gespalten wird, der der Blende 3 zugeführt wird, die einen Teil 13 des Strahls hindurchläßt, der wie in Fig. 1 beschrieben weiter verarbeitet wird, sowie in einen Teil 33, der um 90° umgelenkt wird und in einen zweiten Strahlspalter 34 eintritt, der den Strahl 33 in Teilstrahlen 35 und 36 aufspaltet. Strahl 34 fällt nach Durchtritt durch einen Analysator 37 auf eine CCD-Zeile 38 und Strahl 35 durchläuft den Analysator 39 und fällt auf die CCD-Zeile 40.the measuring beam is determined and the resulting measuring error can be corrected arithmetically. For this purpose, between the interferometer splitter 1 and each beam splitter 2 are interposed two beam splitters 30 and 34 which have the task of the beam 20 modulated with the interference structure image two CCD lines 38 and 40. The beam 4 arriving from the monochromatic radiation source enters the interferometer splitter 1, is divided at the splitter layer 7 into measuring beam 8 and reference beam 9, from the reunification of the Beam 20 results, which modulates with the interference structure is. This beam 20 enters a first beam splitter 30, at the splitter layer 31 of which it is split into a part 32, which is fed to the diaphragm 3, which lets through a part 13 of the beam, which is further processed as described in FIG is, as well as in a part 33, which is deflected by 90 ° and enters a second beam splitter 34, which the beam 33 in Partial beams 35 and 36 splits. After passing through an analyzer 37, beam 34 falls on a CCD line 38 and beam 35 passes through the analyzer 39 and falls onto the CCD line 40.

Die CCD-Zeile 38 ist so angeordnet, daß ihre fotoelektrisch aktiven Elemente in der Zeichenebene liegen, während die fotoelektrisch aktiven Elemente der CCD-Zeile 40 senkrecht zur Zeichenebene angeordnet sind.The CCD line 38 is arranged so that their photoelectrically active Elements lie in the plane of the drawing, while the photoelectrically active elements of the CCD line 40 are perpendicular to the plane of the drawing are arranged.

In !"ig. 3 ist die Abbildung des mit der Interferenz struktur 50 modulierten Strahls 20 auf die CCD-Zeile 38 dargestellt. Es ist angenommen, daß die Meßfläche ein ebener Spiegel sei, so daß die Interferenzstruktur 50 aus geradlinigen parallelen Streiten besteht, die getriggert als Hell-Dunkel-Yerteilung dargestellt sind· Ausgezeichnete Linien dieser Interferenzstruktur hinsichtlieh der Abtastung sind die Linien der Maxima 51 oder der Minima 52. Der natürliche sinusförmige Verlauf der Interferenzstruktur 50 erzeugt an den i-fotoelektrischen Elementen der CCD-Zeile 38 elektrische Signale e, wie in 3?ig. 4 ,dargestellt. Beispielsweise fällt auf die Elemente i = 2 und i = 14 ein Maximum und auf die Elemente i = 8 und i = 20 ein Minimum der Interferenzstrüktur. Da die Abstände zwischen den i-Elementen bekannt sind, ergibt . sich daraus die Gitterkonstante der Interferenzstruktur 50 in Richtung der CCD-Zeile 38.FIG. 3 shows the image with the interference structure 50 modulated beam 20 on the CCD line 38 shown. It is assumed that the measuring surface is a flat mirror, so that the Interference structure 50 consists of straight parallel disputes, triggered as a light-dark distribution · Excellent lines for this interference structure of the scanning are the lines of the maxima 51 or the minima 52. The natural sinusoidal course of the interference structure 50 generates electrical signals e at the i-photoelectric elements of the CCD line 38, as in FIG. 3? Ig. 4, shown. For example a maximum of the interference structure falls on the elements i = 2 and i = 14 and a minimum on the elements i = 8 and i = 20. Since the distances between the i-elements are known, the result is. from this the lattice constant of the interference structure 50 in Direction of the CCD line 38.

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Für die gesuchte Winkelposition der Meßfläche zum ankommenden Meßstrahl benötigt man jedoch die Gitterkonstante der Interferenzstruktur senkrecht zur Richtung der Interferenzstreifen. Diese erhält man aus der gekreuzten Anordnung zweier CCD-Zeilen, Pig· 5 zeigt die gesamte für die Meßsignalgewinnung wesentliche Anordnung des Interferometers nach Fig. 2 aus der Richtung der Strahlen 32, 35 und 36. Die Blende 3 ist innerhalb des Kreises transparent und außerhalb des Kreises nicht tranparent. Die Zeilenrichtungen der CCD-Zeilen 38 und 40 stehen senkrecht aufeinander und die abzutastende Interferenzstruktur 50 ist in der Projektion auf die CCD-Zeilen 38 und 40 sowie auf die Blende 3 dargestellt. Die CCD-Zeilen 38 und 40 stellen ein (x,y)Koordinatensystem dar, wobei die CCD-Zeile 38 die x- und die CCD-Zeile 40 die y- Koordinate repräsentiert und der Kreuzungspunkt dec Koordinatensystems gleichzeitig auch der Nullpunkt des Koordinote/nsystems ist, der mit dem Zentrum der Blende 3 zusammenfällt;. Die Bestimmung des Gitterabstandes g der Interferenzstruktur wird anhand der Dreiecke AOB und COD vorgenommen. Die Strecken AO, BO, CO, DO sind die x- bzw. y- Koordinaten der Schnittpunkte der benachbarten Maxima 51, 51' mit den Koordinatenachsen. Mit diesen Koordinaten bestimmt man die Höhen h.., h₂ der Dreiecke, deren Summe die gesuchte Gitterkonstante g ergibt.For the sought-after angular position of the measuring surface in relation to the incoming measuring beam, however, one needs the lattice constant of the interference structure perpendicular to the direction of the interference fringes. This is obtained from the crossed arrangement of two CCD lines, Pig * 5 shows the entire arrangement of the interferometer according to FIG. 2, which is essential for obtaining the measurement signal, from the direction of the beams 32, 35 and 36. The diaphragm 3 is transparent within the circle and outside of the circle is not transparent. The line directions of the CCD lines 38 and 40 are perpendicular to one another and the interference structure 50 to be scanned is shown in the projection onto the CCD lines 38 and 40 and onto the diaphragm 3. The CCD lines 38 and 40 represent an (x, y) coordinate system, the CCD line 38 representing the x and the CCD line 40 representing the y coordinate and the point of intersection of the coordinate system at the same time also the zero point of the coordinate system which coincides with the center of the aperture 3 ;. The grid spacing g of the interference structure is determined using the triangles AOB and COD. The distances AO, BO, CO, DO are the x and y coordinates of the points of intersection of the adjacent maxima 51, 51 'with the coordinate axes. These coordinates are used to determine the heights h .., h _{2 of} the triangles, the sum of which results in the lattice constant g sought.

Bekannt ist z.B. die CCD-Zeile L 110 des VEB WF Berlin, die auf einer Strecke von 3,6 mm über 256 integrierte fotoelektrischaktive Elemente verfügt. Die Interferenzstruktur kann dann noch sicher aufgelöst werden, wenn eine Periode des Gitters von 5 E-lementen der CCD-Zeile abgetastet wird. Unter dieser Voraussetzung erhält man für das kleinste auflösbare g = 0,056 mm, dem bei Λ = 633 nm eine Abweichung der Winkelposition aus der Normallage von 20¹ entspricht. Der wesentliche Vorteil dieser Anordnung besteht ^einerseits darin, daß durch die Erfassung der Winkelposition der Meßfläche bei gleichem Meßfehler wesentlich größere Meßbereiche zulässig sind und andererseits die Wi nlfcelposition der Meßfläche unmittelbar im Meßpunkt, doh. in der Blende erfaßt wird, wodurch fehlerfreie Messungen auch an Objekten mit lokal sehr unterschiedlichen Krümmungen möglich sind.For example, the CCD line L 110 from VEB WF Berlin is known, which has 256 integrated photoelectrically active elements over a distance of 3.6 mm. The interference structure can then be reliably resolved if a period of the grating is scanned by 5 E-elements of the CCD line. Under this condition, the smallest resolvable g = 0.056 mm, which corresponds to ^{a deviation of the angular position from the normal position of 20 1 at Λ = 633 nm.} The main advantage of this arrangement is, on the one hand, that by recording the angular position of the measuring surface with the same measuring error, considerably larger measuring ranges are permissible and, on the other hand, the wi nlfcelposition of the measuring surface directly at the measuring point, doh. is detected in the diaphragm, whereby error-free measurements are also possible on objects with locally very different curvatures.

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Selbstverständlich kann anstelle der zwei CCD-Zeilen 38 und 40 auch eine matrixförmige Anordnung aus integrierten fotoelektrischen Abtastelementen unmittelbar im Strahl 33 nach dem ersten Strahlspalter angeordnet werden.Of course, instead of the two CCD lines 38 and 40, a matrix-like arrangement of integrated photoelectric Scanning elements immediately in beam 33 after the first Beam splitter can be arranged.

Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings

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Verzeichnis der BezugszeichenList of reference signs

1 - Interferometerteiler1 - interferometer splitter

2 - Strahlteiler2 - beam splitter

3 - Blende3 - aperture

4 - monochromatischer Laserstrahl4 - monochromatic laser beam

5 - Polarisationsfilter5 - polarizing filter

6 - I - Platte6 - I - plate

7 - Teilerschicht im Interferometerteiler7 - Divider layer in the interferometer divider

8 - Meßstrahl8 - measuring beam

9 - Referenzstrahl9 - reference beam

10 - I - Platte10 - I - plate

11 - Meßspiegel11 - measuring mirror

12 - Referenzspiegel12 - reference mirror

13 - Strahl durch Blende13 - beam through aperture

14 - Teilstrahl nach Strahlteiler14 - Partial beam after beam splitter

15 - Teilstrahl nach Strahlteiler15 - Partial beam after beam splitter

16 - Analysator16 - analyzer

17 - Analysator17 - analyzer

18 - diskreter fotoelektrischer Smpfänger18 - discrete photoelectric receiver

19 - diskreter fotoelektrischer Empfänger19 - discrete photoelectric receiver

20 - Strahl nach Wiedervereinigung des Meß- und Referenzstrahles im Interferometerteiler20 - beam after reunification of the measuring and reference beams in the interferometer divider

30 - erster Strahlspalter30 - first beam splitter

31 - Teilerschicht im ersten Strahlspalter31 - divider layer in the first beam splitter

32 - Teilstrahl im ersten Strahlspalter32 - Partial beam in the first beam splitter

33 - Teilstrahl im ersten Strahlspalter33 - Partial beam in the first beam splitter

34 - zweiter Strahlspalter34 - second beam splitter

35 - Teilstrahl im zweiten Strahlspalter35 - Partial beam in the second beam splitter

36 - Teilstrahl im zweiten Strahlspalter36 - Partial beam in the second beam splitter

37 - Analysator37 - analyzer

38 - CCD - Zeile38 - CCD line

39 - Analysator39 - analyzer

40 - CCD - Zeile40 - CCD line

50 - Interferenzstruktur50 - interference structure

51 - Maxima der Interferenzstruktur51 - Maxima of the interference structure

52 - Minima der Interferenzstruktur52 - minima of the interference structure

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BAD OBiGVNALBAD OBiGVNAL

h- - Höhe im Dreieck ΛΟΒ tu - Höhe im Dreieck COD i - integrierte fotoelektrische Abtastelemente g - Gitterkonstante der Interferenzstrukturh- - height in triangle ΛΟΒ tu - height in triangle COD i - integrated photoelectric scanning elements g - lattice constant of the interference structure

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

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Claims

Parents' sayings

1. Interferometer, especially for incremental scanning of variable interference structures consisting of a monochromatic one Radiation source, an interferometer splitter and a beam splitter, reflective, polarization-optical and optically birefringent elements as well as discretely arranged photoelectric scanning elements and integrated photoelectric ones Scanning elements in line or matrix form, characterized in that between the interferometer splitter (1) and the beam splitter (2) is a diaphragm (3) and the beam (13) through the diaphragm (3) in the beam splitter (2) in partial beams (14, 15) is divided and in each of the beam paths (14,15) a discrete photoelectric Receiver (18,19) is arranged that is located between the interferometer splitter (1) and the beam splitter (2) eister beam splitter (3) is located and this is a second beam splitter (34) is connected downstream and the beam (33) in the second beam splitter (34) is split into partial beams (35,36) and in the beam paths (35,36) each have a cellular arrangement of integrated Photoelectric scanning elements is arranged and the directions of both lines are perpendicular to each other and the intersection of the two lines is in the center of the aperture (3).

2. Interferometer according to claim 1, characterized in that in one of the two outputs of the first beam splitter (30) and thus a raatrix-shaped arrangement in the path of the beam (33) arranged from integrated photoelectric scanning elements eats.

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