Arbeitsprinzip Interferometer (PDF Download) |
||
Ein Interferometer besteht im einfachsten Fall aus einer Optik zur Abbildung der Lichtquelle auf die
Probenoberfläche und zurück auf den Detektor. Zusätzlich wird aus dem Lichtweg ein Teil der Strahlung
als Referenzwelle ausgekoppelt, verzögert, und mit dem von der Probe zurücklaufenden
Licht zusammengeführt. Die optische Weglänge von Beobachtungs- und Referenzwelle ist bei scharfer Abbildung
der Oberfläche identisch. Vergrößert sich der Abstand zur Probenoberfläche um einen kleinen Wert δ, so verlängert sich die Weglänge des Beobachtungsstrahlengangs um 2δ. Die Weglänge des Referenzstrahlengangs bleibt unverändert. Entsprechend der Wellenlänge λ des verwendeten Lichts bewirkt dies eine Phasenverschiebung von 4*π*δ/λ. Auf dem Kamerachip überlagern sich die Wellenfronten der Beobachtungs- und Referenzwelle. |
||
Entsprechend der Phasenverschiebung addieren oder subtrahieren sich punktweise die Intensitäten der
beiden Wellen und führen zu einer sinusförmigen Intensitätsvariation beim Durchfahren des Meßbereichs. Aus der
Korrelation zwischen der Sinuswelle und Objektivposition wird die Objekthöhe berechnet. Bei klassischer Interferometrie wird eine monochromatische Lichtquelle verwendet, Interferenzeffekte treten in einem weiten Bereich um den Bereich scharfer Abbildung auf. Aufgrund der periodischen Eigenschaft der Intensitätsvariation kann die axiale Position eines einzelnen Oberflächenpunkts nur modulo λ/2 berechnet werden. Unter Annahme einer Höhenvariation kleiner λ/4 zwischen benachbarten Pixeln läßt sich mittels stetiger Fortsetzung (phase unwrapping) das gesamte Oberflächenprofil rekonstruieren. Da sich die Phase sehr rasch mit der Objektivbewegung verändert, ergibt sich eine sehr hohe Auflösung in z-Richtung. |
||
Mit zunehmender Bandbreite der Lichtquelle wird der interferenzfähige Bereich immer schmaler, es entsteht ein Intensitätsverlauf als Multiplikation einer gaußförmigen Einhüllenden und der Sinusschwingung. In unmittelbarer Fokusumgebung weist die Sinusschwingung maximale Amplitude auf und fällt danach je nach Bandbreite der Beleuchtung mehr oder minder schnell ab. Aus der Einhüllenden kann ohne die Eindeutigkeitsprobleme der klassischen Interferometrie die Profilhöhe bestimmt werden. Für eine hohe axiale Auflösung ist ein schmaler Verlauf der gaußförmigen Einhüllenden vorteilhaft. Bei entsprechend breitbandiger Beleuchtung (Glühlampenlicht) ist der interferenzfähige Bereich nur einige µm weit. Dieses Verfahren wird als kurzkohärente Interferometrie oder Weißlichtinterferometrie bezeichnet. | ||
Durch Kombination der Algorithmen von klassischer und kurzkohärenter Interferometrie können die Vorteile hoher
Auflösung und Eindeutigkeit der Profilrekonstruktion miteinander verbunden werden. Bei unseren Interferometern führt das Objektiv oder das Meßgerät eine lineare Bewegung durch den Messbereich aus. Die Auswerteelektronik erfaßt für jedes Pixel den Intensitätsverlauf und errechnet daraus den zugehörigen Profilwert und Interferenzkontrast. Der Kern des Interferometers, die Abspaltung und Kombination der Referenzwelle, wird im austauschbaren Objektiv realisiert. Dabei kommen zwei Anordnungen zum Einsatz. Beim 2.5x und 5x Objektiv wird ein Michelson-Aufbau verwendet, bei höheren Vergrößerungen eine Anordnung nach Mirau. |