DE102008020584B3 - Object's upper surface area testing method, involves determining phases of wave fronts with wavelengths, and detecting synthetic wave front, which corresponds to different reciprocal value of wavelengths of phases - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung einer Oberfläche eines Objektes mittels eines Interferometers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Interferometer, insbesondere zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 9.The The invention relates to a method for examining a surface of a Object by means of an interferometer according to the preamble of claim 1 and an interferometer, in particular for carrying out the aforementioned method according to the preamble of claim 9.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung synthetischer Wellenlängen in der Interferometrie.Especially The present invention relates to an apparatus and a method for the determination of synthetic wavelengths in interferometry.
Bei interferometrischen Messverfahren wird die Welleneigenschaft von kohärentem Licht zur Bestimmung von Unterschieden der Lichtlaufzeit ausgenutzt. Durch Interferenzeffekte lassen sich auf diese Weise z. B. Oberflächenverläufe mit einer Genauigkeit unterhalb der eingesetzten Wellenlänge bestimmen. Im Bereich der optischen Messtechnik bedeutet dies eine Genauigkeit deutlich unterhalb eines Mikrometers bis hinein in den Nanometerbereich.at interferometric measurement method is the wave property of coherent Light used to determine differences in the light transit time. By interference effects can be in this way z. B. surface courses with determine an accuracy below the wavelength used. In the field of optical metrology, this means accuracy well below a micrometer down to the nanometer range.
Mit der erreichbaren hohen Genauigkeit dieser interferometrischen Messverfahren ist allerdings ein geringer Eineindeutigkeitsbereich verknüpft, da diese Messverfahren auf die Bestimmung der relativen Phasenlänge zweier Wellen (die miteinander zur Interferenz gebracht werden) beruhen und deren Eindeutigkeitsbereich damit auf die Wellenlänge des verwendeten Lichtes beschränkt ist. Daher erfordert eine Bestimmung einer absoluten Entfernung zusätzlichen Aufwand.With the achievable high accuracy of these interferometric measuring methods However, a small uniqueness range is linked since these measurement methods on the determination of the relative phase length of two Waves (which are brought into interference with each other) and their uniqueness range to the wavelength of the limited light used is. Therefore, a determination of an absolute distance requires additional Effort.
Ein
möglicher
Ansatz hierfür
ist das sukzessive oder gleichzeitige Messen mit mehreren Wellenlängen, wobei
zwei Messungen mit unterschiedlichen Wellenlängen lk und
ll (ll <> lk) als die Messung
mit einer „synthetischen” Wellenlänge Li interpretiert werden kann, wobei die synthetische
Wellenlänge
Li über
folgende Gleichung ausgedrückt
werden kann:
Durch Messungen mit verschiedenen kleiner werdenden synthetischen Wellenlängen Li können trotz des relativ großen Messbereichs sehr hohe Messgenauigkeiten erreicht werden.Measurements with different smaller synthetic wavelengths L i allow very high measuring accuracies to be achieved despite the relatively large measuring range.
In der geometrischen Messtechnik werden häufig synthetische Wellenlängen in der Größenordnung einiger Millimeter bis in den Zentimeterbereich hinein angestrebt. Hierfür sind allerdings Wellenlängendifferenzen (lk – ll) notwendig, die bei Verwendung von Licht des sichtbaren Spektralbereichs nur Bruchteile von Nanometern betragen dürfen. Die derart genaue Bestimmung der Einzelwellenlängen lk und ll gestaltet sich daher aufwändig.In geometric metrology, synthetic wavelengths of the order of a few millimeters up to the centimeter range are often sought. For this, however, wavelength differences (l k - l l ) are necessary, which must be only fractions of nanometers when using light of the visible spectral range. The so accurate determination of the individual wavelengths l k and l l is therefore complicated.
Die
Alternativ
wird in der
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der Eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Bestimmung der Einzelwellenlängen lk und ll vermieden wird und eine direkte Bestimmung der synthetischen Wellenlängen ermöglicht ist.It is an object of the present invention to improve a method and a device of the type mentioned above in that the determination of the individual wavelengths l k and l l is avoided and a direct determination of the synthetic wavelengths is made possible.
Die vorliegende Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Untersuchung einer Oberfläche eines Objektes mittels eines Interferometers mit den in Anspruch 1 angegebenen Schritten.The This object is achieved in procedural terms according to the invention by a method for examining a surface of an object by means of an interferometer having the steps specified in claim 1.
Unter „unabhängige Messungen” wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Verwendung zweier unterschiedlicher Wellenlängen lk und ll verstanden. Entsprechend ergibt sich bei ll dann die Phasenkarte pl und bei lk die Phasenkarte pk aus den bei der 1. bzw. 2. Messung jeweils aufgenommenen Helligkeitsbildern bestimmt.In the context of the present invention, "independent measurements" are understood to mean the use of two different wavelengths l k and l l . Correspondingly, at l l the phase map p l and at l k the phase map p k are determined from the brightness images respectively recorded during the first and second measurement.
Das vorliegende Verfahren ist dementsprechend nicht auf bestimmte Typen von Lasern beschränkt, so dass eine breite Auswahl an unterschiedlichen Lasern verwendet werden kann, wodurch aufgrund der Vielzahl an zur Verfügung stehenden Messwellenlängen lk, ll usw. synthetische Wellenlängen Li in einem sehr großen Bereich erzeugt werden können.Accordingly, the present method is not limited to particular types of lasers, so that a wide variety of different lasers may be used, thereby rendering synthetic wavelengths L i in a very wide range due to the variety of available measurement wavelengths l k , l l , etc. can be generated.
Zudem benötigt das erfindungsgemäße Verfahren kein Referenzobjekt neben dem zu messenden Objekt in der Objektebene, wodurch das gesamte Messfeld für die Messung verwendet werden kann.moreover needed the inventive method no reference object next to the object to be measured in the object plane, making the entire measuring field for the measurement can be used.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Phasenobjekt mit Hilfe eines optisch abbildenden Elementes auf einem Bildsensor abgebildet, um die an der Objektoberfläche reflektierte Lichtwelle und die Lichtwelle des Referenzstrahlenganges miteinander zu überlagern.According to one preferred embodiment becomes the phase object by means of an optically imaging element imaged on an image sensor to reflect the object surface Light wave and the light wave of the reference beam path with each other to overlay.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel wird eine Ebene, in der das Phasenobjekt angeordnet ist, durch numerische Auswertung eines von dem Bildsensor erzeugten Bildes des Phasenobjektes mit den Methoden der digitalen Holografie rekonstruiert.According to one alternative embodiment becomes a plane in which the phase object is arranged by numeric Evaluation of an image of the phase object generated by the image sensor reconstructed with the methods of digital holography.
Bei dem vorliegenden Verfahren ist es bevorzugt, dass für jede der zur Messung erzeugten Wellenlängen und zu jedem Datenpunkt des Bildsensors Phasenwerte berechnet werden, die dann zu zweidimensionalen Phasenkarten zusammengestellt werden.at In the present method, it is preferable that for each of Wavelengths generated for measurement and phase values are calculated for each data point of the image sensor, which are then assembled into two-dimensional phase maps.
Für spiegelnde oder nahezu spiegelnde bzw. transparente oder nahezu transparente Objekte kann dann die synthetische Wellenlänge Li für die zur Messung verwendeten Wellenlängen durch die folgende Gleichung berechnet werden: wobei „d” eine Differenz der optischen Dicken des Phasenobjektes an zwei Punkten (x1, y1) und (x2, y2) der zweidimensionalen Phasenkarte (pk(x, y), pl(x, y)) oder eine doppelte Stufenhöhe h eines Stufenspiegels beschreibt.For specular or nearly specular or transparent or nearly transparent objects, the synthetic wavelength L i for the wavelengths used for the measurement can then be calculated by the following equation: where "d" is a difference of the optical thicknesses of the phase object at two points (x 1 , y 1 ) and (x 2 , y 2 ) of the two-dimensional phase map (p k (x, y), p l (x, y)) or describes a double step height h of a step mirror.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Phasenobjekt im Falle streuender zu vermessender Objekte in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung des Referenzstrahlenganges oder des Objektstrahlenganges verschoben und/oder gedreht, wobei die Phasenkarten pk(x, y), pl(x, y) dann für jede der zur Messung verwendeten Wellenlängen je mindestens zweimal aufgenommen oder gemessen werden.According to a further embodiment, in the case of scattering objects to be measured, the phase object is displaced and / or rotated in a plane perpendicular to the beam direction of the reference beam path or the object beam path, the phase maps p k (x, y), p l (x, y) then being each of the wavelengths used for the measurement should be recorded or measured at least twice.
In diesem Falle kann die synthetische Wellenlänge Li für die zur Messung verwendeten Wellenlängen durch die folgende Gleichung berechnet werden: wobei pk,n(xm, ym)für die n-te Messung des Phasenwertes im Punkt (xm, ym) steht, und wobei „d” im Falle eines transmittierenden Phasenobjektes eine Differenz der optischen Dicken des Phasenobjektes an zwei Punkten (x1, y1) und (x2, y2) der zweidimensionalen Phasenkarten pk(x, y), pl(x, y) beschreibt und „d” im Falle eines reflektierenden Phasenobjektes eine doppelte Stufenhöhe des Phasenobjektes beschreibt.In this case, the synthetic wavelength L i for the wavelengths used for the measurement can be calculated by the following equation: where p k, n (x m , y m ) for the n-th measurement of the phase value at the point (x m , y m ), and wherein "d" in the case of a transmitting phase object, a difference of the optical thicknesses of the phase object to two Points (x1, y1) and (x2, y2) of the two-dimensional phase maps p k (x, y), p l (x, y) describes and "d" in the case of a reflective phase object describes a double step height of the phase object.
In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird die vorliegende Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Interferometer mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen.In Device-related aspects, the present object is achieved by an interferometer having the features specified in claim 9.
Unter „unabhängige Messungen” wird wie schon ausgeführt im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Verwendung zweier unterschiedlicher Eingangswellenlängen ll und lk verstanden. Mit anderen Worten, es werden eine 1. Messung bei ll und eine 2. Messung bei lk durchgeführt. Entsprechend ergibt sich bei ll dann die Phasenkarte pl und bei lk die Phasenkarte pk aus den bei der 1. bzw. 2. Messung jeweils aufgenommenen Helligkeitsbildern bestimmt.The term "independent measurements" as used in the context of the present invention, the use of two different input wavelengths l l and l k understood. In other words, a first measurement at l l and a second measurement at l k are performed. Correspondingly, at l l the phase map p l and at l k the phase map p k are determined from the brightness images respectively recorded during the first and second measurement.
Das vorliegende Interferometer kann ein optisch abbildendes Element aufweisen, mit dem das Phasenobjekt auf einem Bildsensor abbildbar ist, um die an der Objektoberfläche reflektierte Lichtwelle und die Lichtwelle des Referenzstrahlenganges miteinander zu überlagern.The present interferometer can be an optically imaging element have, with which the phase object can be imaged on an image sensor is to the on the object surface reflected light wave and the light wave of the reference beam path to overlap with each other.
Alternativ kann eine Auswerteeinheit vorgesehen sein, mit der eine Ebene, in der das Phasenobjekt angeordnet ist, durch numerische Auswertung eines von einem Bildsensor erzeugten Bildes des Phasenobjektes mit den Methoden der digitalen Holografie rekonstruierbar ist.Alternatively, an evaluation unit can be provided, with which a plane in which the phase object is arranged, can be reconstructed by numerical evaluation of an image of the phase object generated by an image sensor with the methods of digital holography.
Die Auswerteeinheit kann weiterhin vorgesehen sein, für jede der zur Messung verwendeten Wellenlängen und zu jedem Datenpunkt des Bildsensors Phasenwerte zu berechnen und zu zweidimensionalen Phasenkarten zusammen zu stellen.The Evaluation unit can continue to be provided for each of Wavelengths used for the measurement and calculate phase values for each data point of the image sensor and to assemble two-dimensional phase maps.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Phasenobjekt aus transparentem Material und mit einer lateral variierenden optischen Dicke ausgebildet. Alternativ kann das Phasenobjekt als Stufenspiegel mit zumindest einer Stufe ausgebildet sein.According to one preferred embodiment is the phase object of transparent material and with a lateral formed varying optical thickness. Alternatively, the phase object be designed as a step mirror with at least one stage.
Weiterhin kann das Interferometer einen Aktor aufweisen, der vorgesehen ist, das Phasenobjekt in einer Ebene senkrecht zu einer Strahlrichtung der Lichtquelle im Referenzstrahlengang oder der Lichtwelle im Objektstrahlengang durch Verschiebung oder durch Rotation zu verlagern.Farther the interferometer can have an actuator which is provided the phase object in a plane perpendicular to a beam direction the light source in the reference beam path or the light wave in the object beam path to shift by displacement or by rotation.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher beschrieben. In diesen zeigen:The The present invention will be described below with reference to preferred embodiments in conjunction with the associated Figures closer described. In these show:
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung synthetischer Wellenlängen in der Interferometrie, bei dem eine Bestimmung der Einzelwellenlängen lk und ll, welche zur Messung der synthetischen Wellenlänge Li gemäß dem Stand der Technik notwendig wäre, umgangen wird und eine direkte Bestimmung der synthetischen Wellenlängen Li ermöglicht wird.The present invention describes an apparatus and a method for determining synthetic wavelengths in interferometry, in which a determination of the individual wavelengths l k and l l , which would be necessary for measuring the synthetic wavelength L i according to the prior art, is bypassed and a direct Determination of the synthetic wavelengths L i is made possible.
Gemäß dem in
Bei Phasenobjekten wird die Lichtwelle beim Passieren des Objektes gebremst, wodurch eine Phasenverschiebung auftritt. Nach Austritt aus dem Phasenobjekt weist die austretende Lichtwelle damit eine andere Phase auf als die Eintrittswelle.at Phase objects, the light wave is slowed down when passing the object, whereby a phase shift occurs. After leaving the Phase object, the emerging light wave thus another Phase up as the entry wave.
Wie
aus
Alternativ kann auch der Rand des Phasenobjektes als definierte Stufe fungieren.alternative The edge of the phase object can also act as a defined stage.
Das Phasenobjekt ist vorliegend aus einem Material gebildet, dessen optische Dicke bei Temperaturänderung konstant oder nahezu konstant bleibt.The Phase object is presently formed of a material whose optical thickness with temperature change constant or nearly constant.
Weiterhin alternativ könnte das Phasenobjekt als ein Stufenspiegel ausgebildet werden, dessen Oberfläche mindestens eine Stufe aufweist.Farther alternatively could the phase object can be formed as a step mirror whose surface has at least one stage.
Das
in
Sowohl der Referenzstrahl als auch der Objektstrahl kann weitere optische Elemente (z. B. Spiegel oder Linsen) zur Strahlformung oder Strahlumlenkung durchlaufen.Either the reference beam as well as the object beam can be further optical Elements (eg mirrors or lenses) for beam shaping or beam deflection run through.
Der
Objektstrahl
Das
Licht aus Objektstrahlengang und Referenzstrahlengang wird auf einem
Empfänger
Das
Phasenobjekt
Das
Phasenobjekt wird gemäß dem in
Alternativ
zur in
Für alle Wellenlängen lk und ll werden wie dargelegt zweidimensionale Phasenkarten pk(x, y) und pl(x, y) berechnet.For all the wavelengths l k and l l , two-dimensional phase maps p k (x, y) and p l (x, y) are calculated as described.
Unter
Verwendung der bekannten Differenz „d” der optischen Dicken an zwei
Punkten (x1, y1)
und (x2, y2) der
Phasenkarten bzw. unter Verwendung einer Stufenhöhe „h” = d/2 des Spiegels kann die
synthetische Wellenlänge
Li unter der Voraussetzung eines spiegelnden
oder nahezu spiegelnden zu vermessenden Objektes
Diese Formel gibt den Betrag der synthetischen Wellenlänge Li wieder.This formula represents the amount of the synthetic wavelength L i again.
Im
Falle streuender zu vermessender Objekte werden die Phasenkarten
durch das Auftreten von Lasergranulation gestört. In diesem Falle wird das
Phasenobjekt auf einem Aktor
Die
aufgrund einer lateralen Lageänderung
des Phasenobjektes erzeugten räumlich
verschiedenen Positionen sind in
Wie
aus
Die
Phasenkarten werden dann für
jede der zur Messung zu verwendenden Wellenlängen lk und
ll je mindestens zweimal aufgenommen/gemessen,
wobei das Phasenobjekt
Die Überlappungsbereiche
bei mehrmaliger Verschiebung des Phasenobjektes sind aus
Wie
aus
Diese
Flächen
Ak und Al haben
dabei eine optisch noch auflösbare
Schnittmenge Akl, welche mit dem Bezugszeichen
Liegt
der Punkt (x1, y1)
innerhalb der noch auflösbaren
Schnittmenge Akl und der Punkt (x2, y2) innerhalb
der von keiner Kante des Phasenelementes überstrichenen Fläche A'kl,
so kann aus den gemessenen Phasenwerten in den Punkten (x1, y1) und (x2, y2) die synthetische
Wellenlänge
Li gemäß folgender
Gleichung berechnet werden:
Pk,n(xm, ym) steht dabei für die n-te Messung (n aus [1; 2]) des Phasenwerts im Punkt (xm, ym), mit m aus [1; 2].P k, n (x m , y m ) stands for the n-th measurement (n from [1; 2]) of the phase value at point (x m , y m ), with m from [1; 2].
„d” steht für die bekannte Differenz der optischen Weglängen in den Punkten (x1, y1) und (x2, y2), die durch das Phasenobjekt eingeführt werden."D" stands for the known difference of the optical path lengths in the points (x 1 , y 1 ) and (x 2 , y 2 ) introduced by the phase object.
Im Falle eines reflektierenden Phasenobjekts, d. h. eines Spiegels mit einer oder mehreren Höhenstufen h, ist „d” die doppelte Stufenhöhe „h”.in the Case of a reflective phase object, d. H. a mirror with one or more altitude levels h, "d" is the double Step height "h".
Im Falle eines transmittierenden Phasenobjekts, z. B. eines Glas- oder Kunststoffkörpers mit einer oder mehreren Höhenstufen „h” und Brechzahl np in einer Umgebung mit Brechzahl nu, ist „d” das Produkt aus „h” und Brechzahlunterschied (np – nu).In the case of a transmitting phase object, e.g. B. a glass or plastic body with one or more height levels "h" and refractive index n p in an environment with refractive index n u , "d" is the product of "h" and refractive index difference (n p - n u ).
Dabei
wird an einer beliebigen Stelle des Strahlengangs des (Mess-)Interferometers
(z. B. im Eingangsstrahlengang
Wie vorstehend dargelegt, wird mit den bekannten Methoden der Interferometrie und der digitalen Holografie die Phasenkarte des Phasenobjektes für alle verwendeten Wellenlängen ll, lk aufgenommen bzw. berechnet.As stated above, with the known methods of interferometry and digital holography, the phase map of the phase object is recorded or calculated for all wavelengths l 1 , l k used .
Die synthetische Wellenlänge kann dann gemäß Gleichung 1 erfolgen.The synthetic wavelength can then according to equation 1 done.
Das
Ausführungsbeispiel
gemäß
Der Vorteil der vorliegenden Lehre besteht insbesondere in der Reduktion des messtechnischen Aufwandes zur Bestimmung der synthetischen Wellenlänge, da auf eine präzise Messung der Einzelwellenlängen ll und lk verzichtet werden kann. Bei Messungen im optischen Spektrum folgt aus Gleichung 1, dass wie bereits Eingangs dargelegt, die Einzelwellenlängen bis in die Größenordnung von Pikometern bestimmt werden müssen, um die Genauigkeit der synthetischen Wellen ausreichend genau festzulegen. Die vorliegend offenbarte Bestimmung der synthetischen Wellenlänge wird dagegen auf ein preiswert herstellbares Längennormal (Phasenobjekt) zurückgeführt, dessen geometrische Abmessungen nur bis in die Größenordnung einiger zehn Nanometer bekannt sein müssen, um eine entsprechend kleine Messunsicherheit der synthetischen Wellenlänge zu erzielen. Bei einer Fertigung aus entsprechenden Werkstoffen kann z. B. eine große Unempfindlich keit gegenüber Temperaturschwankungen erzielt werden. Zudem ergibt sich der Vorteil, dass das Messfeld nicht durch das Phasenobjekt eingeschränkt wird.The advantage of the present teaching consists in particular in the reduction of the metrological effort for determining the synthetic wavelength, as can be dispensed with a precise measurement of the individual wavelengths l l and l k . For measurements in the optical spectrum, it follows from Equation 1 that, as already explained in the introduction, the individual wavelengths must be determined down to the order of magnitude of picometers in order to determine the accuracy of the synthetic waves with sufficient accuracy. The presently disclosed determination of the synthetic wavelength, however, is attributed to an inexpensive producible length standard (phase object), the geometric dimensions of which must be known only to the order of a few tens of nanometers in order to achieve a correspondingly small measurement uncertainty of the synthetic wavelength. In a production of appropriate materials z. B. a great insensitivity to temperature fluctuations can be achieved. In addition, there is the advantage that the measuring field is not limited by the phase object.
Die vorliegende Beschreibung in Verbindung mit den vorliegenden Figuren beschreibt einen Interferometeraufbau, bei dem in den Interferenz- oder Objektstrahlengang ein Längennormal (Phasenobjekt) eingeführt werden kann, das abgebildet oder mit den Methoden der digitalen Holografie numerisch rekonstruiert wird, um eine synthetische Wellenlänge aus mindestens zwei unabhängigen Messungen des gleichen Messobjektes zu ermöglichen.The present description in conjunction with the present figures describes an interferometer structure in which a length normal (phase object) can be introduced into the interference or object beam path, which is imaged or numerically reconstructed using the methods of digital holography, by a synthetic wavelength of at least two independent measurements of the same measurement allow objects.
Dabei kann das Längennormal auf dem Bildsensor des Interferometeraufbaus abgebildet werden. Weiterhin kann eine Lage des Längennormals zwischen den unabhängigen Messungen verändert werden, wobei das Längennormal zwischen zwei Aufbauten lateral verschoben oder lateral rotiert werden kann.there can the length normal be imaged on the image sensor of the interferometer. Farther can be a location of the length standard between the independent ones Measurements changed be, where the length normal moved laterally between two structures or laterally rotated can be.
Das Längennormal (Phasenobjekt) kann aus einem in Transmission durchlaufenden, transparenten, ebenen Werkstoff aus zwei jeweils planparallelen Teilen unterschiedlicher Dicke bestehen.The normal length (Phase object) can be made of a transparent, level, transparent transmission Material made of two different plane-parallel parts Thickness exist.
Das Längennormal (Phasenobjekt) kann weiterhin aus einem Material bestehen, dessen optische Dicke bei Temperaturänderung konstant oder nahezu konstant bleibt. Alternativ kann das Längennormal auch aus einem Spiegel bestehen, dessen Oberfläche zumindest eine Stufe aufweist.The normal length (Phase object) may continue to consist of a material whose optical thickness with temperature change constant or nearly constant. Alternatively, the length standard also consist of a mirror whose surface has at least one stage.
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