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Kurzfassung

Die vorliegende Technologie beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur schnellen Erfassung von Abstandsänderungen in Nanometer-Auflösung.

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Hintergrund

Es sind Abstandsmessungen bekannt, bei welchen eine konfokale optische Sonde vor einem Messobjekt positioniert wird, um diese in mechanische Schwingungen zu versetzen. Die Intensität von reflektiertem und ebenfalls von der Sonde erfasstem Licht weist bei Bewegung ein ausgeprägtes Maximum auf, wenn sich das Messobjekt im Fokusabstand zur Sonde befindet. So kann der Abstand zunächst grob bestimmt werden. Durch die Überlagerung des einfallenden mit dem reflektierten Licht ergibt sich ein Interferenzsignal, das bei Bewegung der Sonde relativ zur Messoberfläche zu einer höherfrequenten Modulation des Messsignals führt. Eine Auswertung der Phasenlage dieses Signals kann benutzt werden, um die Genauigkeit der Abstandsbestimmung zu steigern. Nachteilig ist jedoch, dass zur Grobfestlegung des gemessenen Abstandes eine konfokale Optik in der Sonde benötigt wird, die die Sonde wegen der benötigten Objektive aufwendig macht und eine Miniaturisierung aufgrund der Größe des Sondenkopfes nicht zulässt. Nachteilig ist außerdem, dass die Messfrequenz, mit welcher der Sensor Abstandswerte liefert, durch die Frequenz der mechanischen Schwingung festgelegt ist.

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Bilder & Videos

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Lösung

Die neu entwickelte Technologie beschreibt ein Verfahren zur interferometrischen Abstandsbestimmung mittels einer schwingenden mikrooptischen Sonde, die sich in einer Messeinrichtung befindet. Hierbei sendet die Sonde Licht auf ein Messobjekt. Das Licht wird mit dem reflektierten Licht des Messobjektes zu einer Interferenz gebracht. Daraufhin wird ein Interferenzsignal gemessen und zu jedem Zeitpunkt die Phasendifferenz des gemessenen Signals in Bezug auf ein Referenzsignal, dass eine Schwingungslage der mikrooptischen Sonde wiedergibt, zur Abstandsbestimmung verwendet. In einem innovativen Verfahren wird die Phasenlage aus dem gemessenen Interferenzsignal und einem daraus ermittelten und um nominell 90° phasenverschobenen Signal bestimmt. Bei einem weiteren Verfahren wird die Phasenlage mittels einer FM-Demodulation aus dem gemessenen Interferenzsignal ermittelt.

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Vorteile

• Messung mit hoher Geschwindigkeit.
• Vielseitige Anwendbarkeit (optische und feinmechanische Komponenten, Waferoberflächen, Rauheitsmesstechnik, Dickenmessung, usw.).
• Kostengünstige Umsetzung des Sensorprinzips.
• Interferometrische Messgenauigkeit.
• Vergleichsweise einfaches Sondendesign wegen der Verwendung von Laserdioden als Lichtquellen.

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Anwendungsbereiche

Messtechnik