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3D-Rauheitsmesstechnik

Arbeitsgruppe 5.14

Grundprinzip der Interferenz und Einsatz im Bereich der Mikrotopographiemesstechnik

Die Interferenz von Licht hat jeder erfahren, der die schillernden Farben eines Ölfilms auf einer Wasseroberfläche beobachtet hat oder eine CD in das Licht gehalten hat (auch eine leere!). Die Interferenzerscheinungen kommen dadurch zustande, dass das Licht von einer Lichtquelle über die Oberfläche auf verschiedenen Wegen zum Beobachter gelangt. Bei der Überlagerung der Lichtstrahlen kommt es je nach Wegunterschied zwischen den Teilstrahlen zu deren Verstärkung oder Auslöschung.

Entstehung der Farben auf einem Ölfilm auf Wasser:
An der Stelle links ist die Dicke des Ölfilms gerade so, dass von dem auftreffenden weißen Licht, das von der Oberseite und von der Unterseite des Ölfilms reflektiert wird, nach der Überlagerung gerade für die roten Anteile Auslöschung eintritt. Daher erscheint diese Stelle im Licht der Komplementärfarbe, also grün. An einer dünneren Stelle des Ölfilms ist die Auslöschung gerade für eine kürzere, z.B. grüne Lichtwellenlänge erfüllt, so dass diese Stelle rot erscheint.
Bild 1: Entstehung von Interferenzen bei einem Ölfilm auf Wasser
In einem Interferometer sorgt ein Strahlteiler dafür, dass die Flächen, von denen das reflektierte Licht überlagert wird, räumlich getrennt voneinander angeordnet werden können. Dies sind in Bild 2 die Oberfläche des Messobjektes und die Referenzfläche. Es entsteht ein Interferenzbild, das der Differenz von beiden Flächen entspricht. Unter der Annahme, dass der Referenzspiegel nahezu perfekt eben und glatt ist, stellt das Interferenzbild praktisch ein quantitativ auswertbares Modell der Messfläche dar. Das Interferenzbild wird von einem Bildsensor (CCD-Kamera) aufgenommen und digital weiterverarbeitet werden.
Bild 2: Prinzip des Interferometers

Im Interferenzmikroskop wird ein interferometrischer Strahlengang mit der mikroskopischen Abbildung kombiniert. Je nach Abbildungsmaßstab zwischen der Messfläche und der Kamera wird unterschieden:

Abbildungsmaßstab > 1 (Vergrößerung): InterferenzmikroskopAbbildungsmaßstab < 1 (Verkleinerung): Interferometer.

 

 

Interferometertypen

Im Bereich der Mikrotopograpfie-Messungen werden folgende Interferometertypen unterschieden:

Fizeau InterferometerMichelson Interferenzmikroskop
Mirau InterferenzmikroskopLinnik Interferenzmikroskop
Bild 3: Prinzipskizze:
Bei manchen Geräten kann die Referenzfläche in ihrer Reflektivität an die Messfläche angepasst werden. Dies verbessert den Kontrast der Interferenzerscheinung. Beim Fizeau-Typ hat die Referenzfläche auch die Funktion der Teilerfläche und ist deswegen teildurchlässig.

 

Interferenzauswerteverfahren

Typische Eigenschaften der Interferometer sind:

TypObjektiv-
Vergrößerung
Messfeldbreite
in mm
Abtast-Intervall
in µm
Bemerkung
Fizeau0,03 - 110 - 30025 - 750Referenzspiegel = Teiler
-> keine reine Zweistrahl-Interferenz
Michelson11025Kleiner Arbeitsabstand durch Strahlteiler vor
Objektiv
2,5410
525
Mirau1012Referenzspiegel stört Beleuchtung
200,51
500,250,5
Linnik500,250,5Unsicherheit durch nicht identische Objektive
1000,1250,25

Tabelle 1 zeigt typische Eigenschaften dieser Interferometer

 

Zur Auswertung der Interferenzerscheinung werden folgende Interferenzauswerteverfahren genutzt:

Bild 4: Interferogramm einer Rille mit kreisabschnittförmigem QuerschnittBild 5: Rille aus Bild 4 gekippt
Trägerfrequenz:Durch einen gezielt eingestellten Winkel zwischen Messfläche und Referenzebene wird der Topographie ein Interferenzstreifensystem („Trägerfrequenz“) überlagert (Bild 5). Die Topographie wird in Auslenkung der Interferenzstreifen umgesetzt. Es wird nur ein Interferogramm aufgenommen. Die Auswertung erfolgt durch Streifenverfolgung oder im Fourier-Raum .
Phasenschieben:Der Abstand zwischen Messfläche und Referenzebene wird 4x in λ/8-Schritten verschoben. In jeder Phasenlage wird ein Interferogramm aufgenommen. Aus der Intensitätsänderung zwischen den Interferogrammen und der bekannten eingebrachten Phasenveränderung wird für jeden Bildpunkt seine Höhe berechnet. Das Licht muss eine definierte Wellenlänge mit einer Bandbreite von ca. 50 nm haben.
Weißlicht:Durch die Verwendung von Weißlicht (Kohärenzlänge ca. 2 µm) entsteht ein Interferogramm nur in einem engen Bereich an den Stellen, an denen die Messfläche virtuell in der Höhe der Referenzebene liegt. Der Abstand zwischen Messfläche und Referenzebene wird vertikal in einstellbaren Schritten gescannt und in jeder Höhe ein Interferogramm aufgenommen. Aus dem Verlauf des Interferenzsignales in den verschiedenen Schnittebenen wird für jeden Bildpunkt festgestellt, wann er gerade in der Höhe der Referenzebene ist. Das Interferenzsignal hat die Funktion eines Nullpunktdetektors, die zugehörige Höhe wird durch ein Messsystem bestimmt, das die Bewegung des vertikalen Scanners erfasst. Hierfür werden im Vertikalantrieb kommerzieller Geräte die Zähleinrichtung in der Schrittmotorsteuerung, inkrementale Weggeber, kapazitive und induktive Wegaufnehmer oder Verschiebeinterferometer eingesetzt.


In Tabelle 2 sind typische Spezifikationen der Interferenzauswerteverfahren zusammengestellt:

Verfahren Phasenschieben Weißlicht Trägerfrequenz
Messbereich Schärfentiefe des Objektives 300 µm Schärfentiefe des Objektives
Auflösung 0,01 nm 0,1 nm 0,03 nm
Rauschen 0,1 nm 1 nm 2 nm
Messunsicherheit 1 nm 3 nm 3 nm
Aperturkorrektur
erforderlich
ja nein ja
Haupt-
Unsicherheitsquelle
Aperturkorrektur Rückführung Aperturkorrektur