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Die
optische Interferometrie kann z. B. zur Durchführung präziser Messungen in einer Vielzahl
von Hintergründen
verwendet werden. Die Laserinterferometrie wird z. B. gegenwärtig verwendet,
um kleine Verschiebungen zu messen und Stufen in Nanometer-Genauigkeit
bei einer Photolithographieverarbeitung von Halbleitern genau zu
positionieren. Mit immer kleiner werdenden Halbleitermerkmalen besteht
ein Bedarf, noch genauere Verschiebungsmessungen zu erzielen. Unter
Verwendung der bekannten Laserinterferometrie auf Spiegelbasis bewegt
sich ein Teil des Messlichtstrahls in Luft. Wenn der Brechungsindex
der Luft in dem Strahlweg sich verändert, sogar lokal, manifestiert
sich die Veränderung
selbst als eine offenbare Verschiebung. Diese offenbare Verschiebung
stellt einen Messfehler dar und je länger der Luftweg ist, desto
wahrscheinlicher ist dieser Fehler schwerwiegender. Es gibt eine
Anzahl bekannter Verfahren zum Steuern, Reduzieren oder Messen von
Veränderungen
an dem Brechungsindex in der Luft, durch die sich das Licht bewegt, neue
Verfahren ergeben jedoch zunehmend unbedeutende Verbesserungen.
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Zusätzlich zu
einem Messen einer Verschiebungsgröße ist es auch wichtig, dass
ein Laserinterferometer eine Verschiebungsrichtung identifiziert.
Zwei bekannte Verfahren zum Bestimmen einer Verschiebungsrichtung
sind die Homodyn- und die Heterodyn-Technik. Die Homodyn-Technik
verwendet einen Lichtstrahl mit einer einzelnen Frequenz. Die Richtung
einer Bewegung wird durch ein Messen von zwei oder mehr Ausgangssignalen
für jedes
Objekt, dessen Bewegung gerade gemessen wird, die optisch in Bezug
aufeinander verzögert
sind, hergeleitet: die Phasenbeziehung zwischen diesen Signalen
zeigt die Richtung einer Bewegung an. Die Heterodyn-Technik verwendet
eine Lichtquelle mit zwei Frequenzen. Ein Referenzsignal wird erzeugt,
das die Phase des Signals anzeigt, das durch ein direktes Mischen
der beiden Frequenzen aus der Quelle gebildet wird. Für jedes
Objekt, dessen Bewegung gerade gemessen wird, wird ein zweites Signal durch
Einführen
des Lichts einer Frequenz in den Referenzzweig und des Lichts der
anderen Frequenz in den Messzweig gebildet. Eine Verschiebung wird
durch ein Messen der Phase eines Signals, das durch Mischen dieser
beiden Strahlen und direktes Subtrahieren der Phase des Signals
von den beiden Frequenzquellen gemessen. Eine Veränderung
an dieser Phasendifferenz ist auf eine Verschiebung bezogen. Eine
Doppler-Verschiebung des Messstrahls relativ zu dem Referenzstrahl
zeigt die Menge und Richtung einer Geschwindigkeit an. Die Heterodyn-Technik
erlaubt es, dass die Richtung einer Bewegung unter Verwendung eines
einzelnen Detektors identifiziert werden kann, und weist eine verbesserte
Unempfindlichkeit gegenüber
einem Niederfrequenzrauschen verglichen mit der Homodyn-Technik
auf. So verwendet das Homodyn-Schema eine einfachere Quelle, erfordert
jedoch zumindest zwei Erfassungskanäle pro Messachse, die in Gewinn
und Phase angepasst werden müssen.
Das Heterodyn-Schema
verwendet eine komplexere Quelle, erfordert jedoch nur einen einzelnen
Detektor für
jede Messachse plus einen einzelnen zusätzlichen Detektor für die Laserquelle.
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Codierer
zum Messen einer Verschiebung sind ebenso bekannt. Da Codierer eine
Verschiebung messen, die quer zu dem Messstrahl ist, kann eine Codierertechnologie
verwendet werden, um den Bedarf nach langen Luftwegen zu minimieren.
Typischerweise verwenden Codierer die Homodyn-Technik. Als ein Beispiel verwendet
eine durch Heidenhain hergestellte Vorrichtung ein System von drei
Detektoren, um die Richtung einer Bewegung zu bestimmen. Leider
ist es schwierig, die Gewinne und Phasen der Detektoren und ihre
zugeordnete Elektronik ausreichend anzupassen, um eine Messung mit
Nanometer- oder Sub-Nanometer-Genauigkeit zu erlauben. Diese Schwierigkeit
verschlimmert sich, wenn die Messsignale sich entlang von Kabeln bewegen,
die sich biegen oder bewegen. Entsprechend werden Codierermessverschiebungssys tem
für Anwendungen
verwendet, die eine geringere Genauigkeit erfordern als die, die
gegenwärtig
mit Laserinterferometrie-Verschiebungsmesssystemen verfügbar ist.
Wie in dem Fall von Interferometern sind Homodyn-Codierer anfällig für ein Niederfrequenzrauschen.
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Es
verbleibt ein Bedarf nach einem verbesserten Verfahren und einer
verbesserten Vorrichtung zum Messen und Steuern einer Verschiebung
mit höherer
Auflösung
als bisher im Stand der Technik verfügbar ist.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung oder
ein Verfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 35 oder ein
Verfahren gemäß Anspruch
23 gelöst.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die
beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert,
wobei hervorgehoben wird, dass die verschiedenen Merkmale nicht
notwendigerweise maßstabsgetreu
sind, wobei stattdessen die Abmessungen zur Klarheit einer Erläuterung
willkürlich
vergrößert oder
reduziert sein könnten.
Es zeigen:
-
1 ein
Ein-Durchlauf-Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung gemäß den vorliegenden
Lehren;
-
2 ein
Zwei-Durchlauf-Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung gemäß den vorliegenden
Lehren;
-
3 ein
Zwei-Durchlauf-Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung gemäß den vorliegenden
Lehren, die für
eine Homodyn-Lichtquelle angepasst ist;
-
4 ein
anderes Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung bis 10 gemäß den vorliegenden
Lehren, die Darstellungen eines Bewegungswegs von Licht durch die
Vorrichtung umfassen;
-
11 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
gemäß den vor- und 12 liegenden
Lehren, das eine Verschiebung in einer Richtung bestimmt und unempfindlich
gegenüber
einer Verschiebung in einer anderen Richtung ist;
-
13 bis 18 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
gemäß den vor- liegenden Lehren;
und
-
19 eine
Anwendung, die geeignet zur Verwendung mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Lehren
ist.
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In
der folgenden detaillierten Beschreibung sind zu Erklärungszwecken
und nicht als Einschränkung beispielhafte
Ausführungsbeispiele,
die spezifische Details offenbaren, dargelegt, um ein Verständnis der
vorliegenden Lehren bereitzustellen. Es wird für einen Fachmann auf dem Gebiet
mit Nutzen der vorliegenden Beschreibung ersichtlich sein, dass
weitere Ausführungsbeispiele
gemäß den vorliegenden
Lehren, die von den spezifischen hierin offenbarten Details abweichen,
innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche verbleiben. Ferner könnten Beschreibungen
bekannter Vorrichtungen und Verfahren weggelassen werden, um so
die Beschreibung der beispielhaften Ausführungsbeispiele nicht zu verschleiern,
und werden klar als innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden
Lehren erachtet. Identische oder ähnliche Strukturen sind in
den Figuren, die mehrere Ausführungsbeispiele
gemäß den vorliegenden
Lehren darstellen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Zu Klarheitszwecken
sind diskrete Lichtstrahlen zusammenfallend gezeigt.
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Bekannte
codiererbasierte Verschiebungsmesssysteme nutzen nicht den vollen
Vorteil der Codierereigenschaft, dass nur ein kleiner Luftzwischenraum
erforderlich ist. Die vorliegenden Lehren nutzen diese Eigenschaft
aus, um einen Vorteil in der Hochpräzisierungsmetrologie bereitzustellen.
Die Verwendung einer Heterodyn-Technik in Verbindung mit dem Codierer
schafft einen zusätzlichen
Vorteil, der unter Nutzung der vorliegenden Lehren ersichtlich ist.
Insbesondere Bezug nehmend auf 1 der Zeichnungen
ist ein erstes Ausführungsbeispiel
gemäß den vorliegenden
Lehren gezeigt, bei dem eine erste Lichtquelle 101 einen
Lichtstrahl 102 in Richtung eines Interferometerkerns 103 richtet.
Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel
weist der Interferometerkern 103 einen polarisierenden
Strahlteiler in Kombination mit zusätzlichen Optiken zum Aufnehmen
und Richten des Lichtstrahl auf. Der Lichtstrahl 102 könnte entweder
ein Homodyn- oder ein Heterodyn-Lichtstrahl sein. Bei einem Heterodyn-Ausführungsbeispiel
gemäß den vorliegenden
Lehren weist der Lichtstrahl 102 zwei unterschiedliche
Frequenzen von Licht auf, jede mit orthogonal polarisierten Komponenten,
die als eine p-polarisierte Komponente und eine s-polarisierte Komponente
bezeichnet werden. Bei einem Homodyn-Ausführungsbeispiel gemäß den vorliegenden
Lehren weist der Lichtstrahl 102 eine einzelne Frequenz
von Licht auf, die linear polarisiertes Licht mit im Wesentlichen 45 Grad
relativ zu der Horizontalen aussendet, so dass die s-polarisierte
und die p-polarisierte Komponente im Wesentlichen gleich sind. Bei
dem Heterodyn-Ausführungsbeispiel
weist der Interferometerkern 103 einen Strahlteilerwürfel mit
einer polarisierenden Strahlteilergrenzfläche 104 auf. Bei einem
spezifischen Ausführungsbeispiel
weist die polarisierende Strahlteilergrenzfläche 104 die Eigenschaft
auf, dass sie Licht, das in der p-Richtung linear polarisiert ist
(p-polarisiertes Licht), durchlässt
und Licht, das in der s-Richtung linear polarisiert ist (s-polarisiertes Licht),
reflektiert. An zwei Flächen
des Strahlteilerwürfels 103 befestigt
sind eine erste und eine zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 bzw. 120.
Bei einem Ausführungsbeispiel
könnten
die Polarisationsveränderungsvorrichtungen
Viertelwellenverzögerer
sein. Bei einem weiteren spezifischen Ausführungsbeispiel und dem Ausführungsbeispiel,
das in 1 dargestellt ist, ist jede Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 und 120 eine Kombination
eines Halbwellenverzögerers 125 und
eines Faraday-Drehers 127. Wie ein Fachmann auf dem Gebiet
weiß,
ist der Faraday-Dreher 127 durch einen ringförmigen Magneten
umgeben. Alternativ könnte
das erforderliche Magnetfeld in das Material eingebaut sein. Es
ist bekannt, dass ein Lichtstrahl, der in einem Littrow-Winkel auf
ein Beugungsgitter 100 einfällt, optimal linear polarisiert
wird, wobei die Polarisation entweder parallel oder senkrecht relativ
zu Rillen in dem Beugungsgitter 100 ist. Die Kombination
des Halbwellenverzögerers 125 und
des Faraday-Drehers 127 kann den Polarisationszustand drehen,
um optische Eigenschaften des Lichtstrahls, der auf das Beugungsgitter 100 trifft,
zu optimieren. Bei jedem Messstrahl, der sich in Richtung des Beugungsgitters 100 bewegt,
ist dessen Polarisationszustand unabhängig für ein optimales Verhalten ausgerichtet,
indem eine jeweilige der Polarisationsveränderungsvorrichtungen 105, 120 gedreht
wird. Der Faraday-Dreher 127 dreht
die Polarisation eines Eingangsstrahls um 45 Grad und der Halbwellenverzögerer 125 dreht
den Strahl um einen zusätzlichen
Winkel, derart, dass die Polarisation entweder exakt parallel oder
exakt senkrecht zu Rillen auf dem Beugungsgitter 100 ist.
Der Lichtstrahl, der auf das Beugungsgitter 100 einfällt, ist linear
polarisiert und das Licht, das von dem Beugungsgitter 100 gebeugt
wird, ist im Wesentlichen in der gleichen Richtung linear polarisiert.
Nachdem der gebeugte Strahl die Kombination des Halbwellenverzögerers 125 und
des Faraday-Drehers 127 durchlaufen hat, ist er linear
polarisiert mit einer Polarisation senkrecht zu der Polarisation
des Lichts, bevor dasselbe erstmals durch die Polarisationsveränderungsvorrichtung 105, 120 in
Richtung des Beugungsgitter 100 läuft. Die Positionen des Faraday-Drehers 127 und
des Halbwellenverzögerers 125 könnten ohne
ein Verändern
der Funktion der Polarisationsveränderungsvorrichtung 105, 120 ausgetauscht
werden. Die Polarisationsveränderungsvorrichtung 105, 120 könnte ferner
einen Polarisator (nicht gezeigt) zwischen dem Faraday-Dreher 127 und
dem Beugungsgitter 100 umfassen. Der zusätzliche
Polarisator ist in der Lage, die Strahlpolarisation zu reinigen,
die den Interferometerkern 103 verlässt, bevor sie auf das Beugungsgitter 100 einfällt, und
dann wieder zu dem Interferometerkern 103 zurückkehrt,
nachdem sie von dem Beugungsgitter 100 gebeugt wurde. Bei
dem Ausführungsbeispiel,
bei dem der Polarisator als Teil der Polarisationsveränderungsvorrichtung 105, 120 hinzugefügt wurde,
definiert der Polarisator eine Ausgangsstrahlausrichtung relativ
zu dem Beugungsgitter 100. Entsprechend weist eine Einstellung,
die die Ausrichtung jedes Strahls unabhängig optimiert, eine Drehung
des Halbwellenverzögerers 125,
die auf den spezifischen Strahl bezogen ist, auf. Bei einem weiteren
spezifischen Ausführungsbeispiel
weist die Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 oder 120,
die in dem Messstrahlweg ist, die Kombination des Halbwellenverzögerers 125 und
des Faraday-Drehers 127 mit oder ohne den zusätzlichen
Polarisator auf und die Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 oder 120,
die Teil des Referenzstrahlwegs ist, weist entweder einen Viertelwellenverzögerer mit
einer Spiegelbeschichtung 106 oder eine Kombination des
Halbwellenverzögerers 125 und
des Faraday-Drehers 127 mit einer reflektierenden Oberfläche 106 auf,
wie z. B. einen Spiegel, der mit dem Faraday-Dreher 127 verbunden
ist, um den Strahl zurück
zu dem Interferometerkern 103 zu reflektieren, ohne sich
zu dem Beugungsgitter 100 zu bewegen.
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Bei
einem spezifischen Ausführungsbeispiel
wird das Licht
102 durch die Strahlteilergrenzfläche
104 gemäß einer
Polarisation in einen ersten und einen zweiten Komponentenstrahl
getrennt, wobei der erste Komponentenstrahl ein Messstrahl
107 ist
und der zweite Komponentenstrahl ein Referenzstrahl
108 ist.
Bei dem spezifischen Ausführungsbeispiel
ist der Messstrahl
107 die p-polarisierte Komponente und
der Referenzstrahl
108 ist die s-polarisierte Komponente.
Der p-polarisierte Messstrahl
107 durchläuft die
Strahlteilergrenzfläche
104 und
die zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung
120.
Ein hervorgehender Messstrahl
121 fällt auf das Beugungsgitter
100 mit
einem Abstand p in einem Littrow-Winkel
109, hier durch θ angezeigt,
ein. Wenn ein Lichtstrahl in dem Littrow-Winkel
109 zu
einem Beugungsgitter mit einem Abstand p gerichtet wird, ist der
gebeugte Lichtstrahl kollinear mit dem einfallenden Lichtstrahl.
Wenn die Wellenlänge
des Lichtstrahls
102 λ beträgt, ist
der Littrow-Winkel
109 folgendermaßen gegeben:
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Entsprechend
wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
der Messstrahl 121, der in dem Littrow-Winkel in Richtung
des Beugungsgitters 100 gerichtet wird, von dem Beugungsgitter 100 als
gebeugter Messstrahl 122 gebeugt, der im Wesentlichen kollinear
mit dem einfallenden Messstrahl 121 ist. Der gebeugte Messstrahl 122 durchläuft die
zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung 120,
was wieder bewirkt, dass der Messstrahl s-polarisiert wird. Der
s-polarisierte gebeugte
Messstrahl 123 wird an der Strahlteilergrenzfläche 104 reflektiert
und tritt aus dem Interferometerkern 103 durch einen Mischpolarisator 126 aus.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel
könnte
die Frequenz der Lichtquelle 101 abgestimmt werden, um
kleine Variationen an dem Abstand des Beugungsgitter 100 auszugleichen,
um sicherzustellen, dass die Littrow-Bedingung erfüllt ist.
-
Die
s-polarisierte Komponente des Lichtstrahls
102 ist der
Referenzstrahl
108, der in den Strahlteilerwürfel
103 eintritt
und an der Strahlteilergrenzfläche
104 in
Richtung der ersten Polarisationsveränderungsvorrichtung
105 reflektiert
wird. Der s-polarisierte Referenzstrahl
108 durchläuft die
erste Polarisationsveränderungsvorrichtung
105,
wird an einer reflektierenden Oberfläche
106 reflektiert,
durchläuft
die Polarisationsveränderungsvorrichtung
105 ein zweites
Mal und geht als ein p-polarisierter reflektierter Referenzstrahl
124 hervor.
Der p-polarisierte reflektierte Referenzstrahl
124 wird
durch die Strahlteitergrenzfläche
104 durchgelassen.
Der s-polarisierte reflektierte Messstrahl
123 und der
p-polarisierte reflektierte Referenzstrahl
124, die aus dem
Strahlteilerwürfel
103 austreten,
sind im Wesentlichen kollinear. Der Mischpolarisator
126 ist
an einer Austrittsfläche
des Strahlteilerwürfels
103 angeordnet,
was bewirkt, dass sich der Mess- und der Referenzstrahl
123,
124 kombinieren
und interferieren. Die optische Leistung in dem kombinierten Referenz-
und Messstrahl
124,
123 wird an dem Detektor
110 erfasst
und gemessen. Da der Mess- und der Referenzstrahl
123,
124 unterschiedliche
Frequenzen aufweisen, spricht die Ausgabe des Detektors
110 auf
eine Schwebungsfrequenz des kombinierten Signals an und läuft zyklisch
zwischen einem Hoch- und einem Niedrigpegel, was einer konstruktiven
und einer destruktiven Interferenz des Mess- und des Referenzstrahls
123,
124 entspricht.
Die Frequenz des Schwebungssignals ist gleich der Differenz einer
Frequenz zwischen dem Mess- und dem Referenzstrahl
123,
124,
wenn das Beugungsgitter
100 feststehend ist. Wenn das Beugungsgitter
100 sich
bewegt, erscheinen zusätzliche
Zyklen an dem Detektor
110 und jeder dieser zusätzlichen
Zyklen, im allgemeinen als „Interferenzstreifen" bekannt, ist durch
N bezeichnet. In Bezug auf Richtungsachsen x und z beträgt, wenn
sich das Beugungsgitter
100 um eine Entfernung Δx in der
x-Richtung bewegt und um eine Entfernung Δz in der z-Richtung bewegt,
die Anzahl von Interferenzstreifen N
1, die
an dem Detektor
110 aufgezeichnet werden:
Weil N
1 von
sowohl Δx
als auch Δz
abhängt,
kann, wenn das Beugungsgitter
100 eingeschränkt ist,
um sich entweder nur in der x-Richtung oder nur in der z-Richtung
zu bewegen, dessen Verschiebung aus der Gleichung (2) hergeleitet
werden. Wenn jedoch das Beugungsgitter
100 sich gleichzeitig
in sowohl der x- als auch der z-Richtung bewegen kann, können die
einzelnen Werte von Δx
und Δz nicht
aus dem einzelnen Interferenzstreifenzählwert N
1 bestimmt
werden. Ein Verfahren zum Überwinden
dieser Einschränkung
fügt ein
zweites Interferometersystem für
eine zweite Interferenzstreifenmessung N
2 hinzu
und löst
die beiden Gleichungen mit den beiden Unbekannten.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
und weiter Bezug nehmend auf
1 der Zeichnungen ist
es möglich,
eine Verschiebung in zwei Dimensionen zu erfassen, indem ein zweites
Messsystem hinzugefügt
wird. Das zweite Messsystem ähnelt
dem ersten und umfasst eine zweite Lichtquelle
111, einen
zweiten Lichtstrahl
112, einen zweiten polarisierenden
Strahlteilerwürfel
113,
der die Strahlteilergrenzfläche
104 aufweist,
eine erste und eine zweite optische Polarisationsveränderungsvorrichtung
105 bzw.
120,
wobei die erste Polarisationsveränderungsvorrichtung
die reflektierende Oberfläche
106 aufweist,
einen Mischpolarisator
126 und einen zweiten Detektor
119.
Die Wege einer Bewegung für
die s- und die p-polarisierte Komponente des Lichtstrahls
112 sind
identisch zu denjenigen, die in Bezug auf den ersten Interferometerkern
103 beschrieben wurden.
Für diesen
zweiten Interferometerkern
113 beträgt die Beziehung zwischen einem
Interferenzstreifenzählwert
N
2 und den Verschiebungen Δx und Δz:
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Ein
gleichzeitiges Auflösen
der Gleichungen (
2) und (3) führt zu folgenden Ergebnissen:
-
So
erlaubt die Hinzufügung
des zweiten Interferometerkerns 113, dass Verschiebungen
in der x-Richtung und der z-Richtung
gleichzeitig bestimmt werden können.
Da die x-Richtung-Messung
durch ein Nehmen einer Differenz bei den beiden Interferenzstreifenzählwerten
berechnet wird, heben sich Fehlerquellen, die beiden Interferenzstreifenzählwerten
gemein sind, auf. Als ein Beispiel bewirkt eine Veränderung
an einem Brechungsindex der Luft gleiche Interferenzstreifenzählwerte
in beiden Interferometern, die subtrahiert werden, wenn die x-Richtung-Verschiebung
gemäß der Gleichung
(4) berechnet wird. Ähnlich
erzeugt eine Veränderung
an einer Wellenlänge
der Lichtquelle einen Gleichtaktfehler, der durch die Subtraktion
aufgehoben wird.
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Unter
besonderer Bezugnahme auf 2 der Zeichnungen
könnten
die Lehren aus 1 für einen Zwei-Durchlauf-Betrieb angepasst
werden, indem ein Retroreflektor 201 zu der Fläche des
Würfels
gegenüber von
dem ersten Polarisationsveränderungselement 105 hinzugefügt wird
und der Mischpolarisator 126, der in 1 der
Zeichnungen gezeigt ist, ersetzt wird. Ein Ausführungsbeispiel eines geeigneten
Retroreflektors 201 ist in dem U.S.-Patent Nr. 6,736,518
von Belt offenbart, dessen Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Vorzugsweise senkt der Zwei-Durchlauf-Betrieb eine Ausrichtungsempfindlichkeit
gegenüber
einer Neigung des Beugungsgitters 100. Bei dem gezeigten
und beschriebenen Ausführungsbeispiel
erzeugt die Lichtquelle 101 einen Heterdoyn-Strahl von
Licht 102, der zwei orthogonal polarisierte Lichtkomponenten
aufweist. Der Messstrahl 107 weist die p-polarisierte Komponente
des Lichts 102, die aus der Lichtquelle 101 abgestrahlt
wird, auf. Der Messstrahl 107 durchläuft die Strahlteilergrenzfläche 104 und
die zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung 120 und der hervorgehende
Messstrahl 121 trifft in dem Littrow-Winkel 109 auf
das Beugungsgitter 100. Die Beugung 122 des hervorgehenden
Messstrahls 121 durchläuft
die zweite Polarisa tionsveränderungsvorrichtung 120,
was bewirkt, dass der Strahl 122 s-polarisiert wird. Der
s-polarisierte gebeugte Messstrahl 123 wird an der Strahlteilergrenzfläche 104 reflektiert,
bewegt sich durch den Retroreflektor 201, wird wieder an
der Strahlteilergrenzfläche 104 reflektiert
und durchläuft
das zweite Polarisationsveränderungselement 120.
Ein Messstrahl 223, der aus dem zweiten Durchlauf hervorgeht,
fällt in
dem Littrow-Winkel 109 auf das Beugungsgitter 100 ein.
Eine Beugung des Messstrahls 223, der aus dem zweiten Durchgang
hervorgeht, ist kollinear mit dem einfallenden Strahl und durchläuft die
zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung 120 wieder,
um ein p-polarisierter Messstrahl 225 des zweiten Durchlaufs
zu werden. Der p-polarisierte
Messstrahl 225 des zweiten Durchlaufs durchläuft die
Strahlteilergrenzfläche 104 und
den Mischpolarisator 126 zu dem Detektor 110.
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Der
Referenzstrahl 108 weist die s-polarisierte Komponente
des Lichts 102 auf, die aus der Lichtquelle 101 ausgesendet
wird. Der Referenzstrahl 108 wird an der Strahlteilergrenzfläche 104 reflektiert
und durchläuft die
erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105.
Der Referenzstrahl 108 wird an der reflektierenden Oberfläche 106 reflektiert
und durchläuft
die erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 wieder
und wird dabei p-polarisiert. Der p-polarisierte reflektierte Referenzstrahl 124 durchläuft die
Strahlteilergrenzfläche 104,
in den Retroreflektor 201 und durch die Strahlteilergrenzfläche 104 zu
der ersten Polarisationsveränderungsvorrichtung 105.
Nach einem Laufen durch die erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 wird
der Strahl an der reflektierenden Oberfläche 106 der ersten
Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 reflektiert
und durchläuft die
erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 wieder,
um s-polarisiert zu werden. Der s-polarisierte reflektierte Referenzstrahl 130 wird
an der Strahlteilergrenzfläche 104 reflektiert
und wird mit dem p-polarisierten Messstrahl 225 an dem
Mischpolarisator 126 zur Erfassung und Messung an dem Detektor 110 kombiniert. Wie
ein Fachmann auf dem Gebiet weiß,
könnte
ein zweites System zu dem Ausführungsbeispiel
aus 2 hinzugefügt
werden, in einer Weise, die derjenigen ähnelt, die in 1 der
Zeichnungen gezeigt ist, um eine Verschiebung gleichzeitig in der
x- und z-Richtung
zu erfassen.
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Unter
besonderer Bezugnahme auf 3 der Zeichnungen
ist ein Ausführungsbeispiel
gemäß den vorliegenden
Lehren gezeigt, das zur Verwendung mit einer Homodyn-Einfrequenz-Lichtquelle 101 angepasst ist.
Die Funktionsweise ähnelt
den Lehren, die in Bezug auf 2 der Zeichnungen
offenbart sind. In einem Homodyn-Ausführungsbeispiel ist der ausgestrahlte
Lichtstrahl 102 ein Einfrequenzstrahl 102, der
linear polarisiert bei etwa 45 Grad zu der Horizontalen ist, so
dass die Leistung in der s-Polarisation und der p-Polarisation im Wesentlichen
gleich ist. Die p-polarisierte Komponente ist der Messstrahl 107 und
die s-polarisierte Komponente ist der Referenzstrahl 108.
Der Messstrahl 107 und der Referenzstrahl 108 folgen
dem gleichen Weg in dem Interferometerkern 103, Retroreflektor 201 und
zu und von dem Beugungsgitter 100, wie in Bezug auf 2 der
Zeichnungen beschrieben ist. Entsprechend sind die beiden Komponenten
mit ähnlichen
Bezugszeichen versehen, obwohl der tatsächliche Lichtstrahl abhängig von
einem Heterodyn- oder Homodyn-Ausführungsbeispiel unterschiedliche
optische Eigenschaften aufweist. Sowohl 2 als auch 3 der
Zeichnungen stellen einen Interferometerkern 103 und eine
Messung dar, die einen Messstrahl in dem Littrow-Winkel 109 zu
dem Beugungsgitter 100 richtet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
eines Homodyn-Systems gemäß den vorliegenden
Lehren kombinieren sich der Messstrahl 225 und der Referenzstrahl 130,
wenn diese zu einem Erfassungssystem gerichtet werden. Das Erfassungssystem
umfasst einen nichtpolarisierenden Strahlteiler 250 in
einem Weg der Ausgangsstrahlen 130, 225. Der nichtpolarisierende
Strahlteiler 250 lässt einen
Teil der Ausgangsstrahlen 130, 225 durch, während der
Rest der Ausgangsstrahlen 130, 225 reflektiert wird.
Die durchgelassenen Ausgangsstrahlen durchlaufen einen ersten Ausgangsverzögerer 255,
der bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel
ein Viertelwellenverzögerer
ist. Der Verzögerer
ist so ausgerichtet, dass er eine optische Phasenverschiebung zwischen
dem p-polarisierten Messstrahl 225 und dem s-polarisierten Messstrahl 130 einführt. Bei
einem spezifischen Ausführungsbeispiel
beträgt
diese optische Phasenverschiebung 90 Grad. Die Ausgangsstrahlen
durchlaufen einen Mischpolarisator 257, bevor sie einen
Photodetektor 261 erreichen. Die reflektierten Ausgangsstrahlen 130, 225 laufen
durch den Mischpolarisator 258, bevor sie einen Photodetektor 262 erreichen.
-
Unter
besonderer Bezugnahme auf 4 der Zeichnungen
ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
gemäß den vorliegenden
Lehren gezeigt, bei dem zwei Zwei-Durchlauf-Messungen unter Verwendung
eines einzelnen Interferometerkerns 103 durchgeführt werden
könnten.
Das Ausführungsbeispiel
aus 4 der Zeichnungen liefert nützlicherweise zweidimensionale
Messungen, da jedoch der gleiche Interferometerkern 103 für zwei unterschiedliche
Lichtstrahlen verwendet wird, tut er dies in einem kleineren Volumen
als in den 1–3 der Zeichnungen
gezeigt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel
aus 4 sind ein erstes und ein zweites reflektierendes
Prisma 300, 301 in dem Interferometerkern 103 beinhaltet.
Ohne die reflektierenden Prismen 300, 301 liefert
die Vorrichtung zweidimensionale Verschiebungsmessungen, die Messstrahlen
aufweisen, die divergieren, wenn diese auf dem Interferometerkern 103 austreten.
Die reflektierenden Prismen, 300, 301 reflektieren
das Licht, das aus dem Interferometerkern 103 austritt,
wie gezeigt ist, was bewirkt, dass die Messstrahlen vor einer Ineingriffnahme
mit dem Beugungsgitter 100 konvergieren, und nicht divergieren. Die
Konvergenz der Messstrahlen reduziert die Oberflächenfläche auf dem Beugungsgitter 100,
die für
die Messung erforderlich ist. Die in 4 der Zeichnungen
dargestellte Konfiguration verwendet einen einzelnen Interferometerkern 103 für zwei Lichtquellen,
wodurch die Anzahl von Interferomenterkernen, die zur Durchführung der
Verschiebungsmessung verwendet werden, reduziert wird. Zusätzlich beschränkt die
in 4 der Zeichnungen dargestellte Konfiguration den
Weg einer Bewegung des Lichts in Luft, was die Verschiebungsmessung
weniger empfindlich gegenüber
lokalisierter Umgebungsveränderungen
in Luft macht. Die Polarisationsveränderungsvorrichtungen 105, 120 sind
zwischen dem ersten und dem zweiten Prisma 300, 301 und dem
Beugungsgitter 100 angeordnet. Der Interferometerkern 103 umfasst
die Strahlteilergrenzfläche 104 und einen
Retroreflektor 201. Die Prismen 300, 301 umfassen
jeweilige reflektierende Oberflächen 303, 304,
um die divergierenden Lichtstrahlen, die aus dem Interferometerkern 103 austreten
und durch die Polarisationsveränderungsvorrichtungen 105 oder 120 und
zu dem Beugungsgitter 100 aufeinander zu gerichtet werden, zu
biegen, so dass dieselben konvergieren und innerhalb einer kleinen
Oberflächenfläche auf
das Beugungsgitter 100 treffen. Bei einem exemplarischen
Ausführungsbeispiel
sind die reflektierenden Prismen 300, 301 monolithisch
mit dem Interferometerkern 103 und dem Retroreflektor 201,
was den Vorzug eines kompakten Bausteins liefert. Es ist anzumerken,
dass die monolithische Struktur der reflektierenden Prismen 300, 301, des
Interferometerkerns 103 und des Retroreflektors 201 mehr
als eine Komponente aufweisen könnte,
die mit einem geeigneten Haftmittel, durch elektrostatische Kräfte oder
beides aneinander haften. Bei dem gezeigten spezifischen Ausführungsbeispiel
weisen die erste und die zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung 105, 120 jeweils
zwei Viertelabschnitte der Kombination von Halbwellenverzögerer 125 und
Faraday-Dreher 127 auf. Verbleibende Viertelabschnitte
der ersten und der zweiten Polarisationsveränderungsvorrichtung 105, 120 umfassen
eine reflektierende Oberfläche 106,
wobei eine Konfiguration derselben aus der folgenden Beschreibung
des Wegs, den der jeweilige Mess- und der Referenzstrahl nehmen,
ersichtlich ist. Vorzugsweise erfordert das Zweiquellenausführungsbeispiel
nur eine einzelne Strahlteilergrenzfläche 104, was den Interferometerkern 103 kleiner,
leichter und wärmestabiler
als einen mit einem Doppelstrahlteiler macht.
-
Unter
besonderer Bezugnahme auf die 4, 5 und 6 der
Zeichnungen ist eine Darstellung eines Wegs einer Bewegung eines
ersten Messstrahls 107 gezeigt. Kanten, die in den 5 und 6 der Zeichnungen
mit dunkleren Linien gezeigt sind, stellen die sichtbaren Kanten
des Interferometerkerns 103 dar, der in 4 der
Zeichnungen gezeigt ist. Der erste Messstrahl 107 tritt
in den Interferometerkern 103 als die s-polarisierte Komponente
des Lichtstrahls 102 ein und fällt auf einen ersten Einfallsquadranten 306 einer
Zugangsfläche 307 des
Interferometerkerns 103 ein. Der erste Messstrahl 107 wird
an der Strahlteilergrenzfläche 104 reflektiert,
tritt in das erste Prisma 300 ein, wird an der reflektierenden
Oberfläche 303 des
ersten Prismas 300 reflektiert und durchläuft die
erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 in
einem ersten transparenten Quadranten 308 der ersten Polarisationsveränderungsvorrichtung 105.
Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel
weist der erste transparente Quadrant 308 eine Kombination
eines Halbwellenverzögerers 125 und
eines Faraday-Drehers 127 auf. Obwohl dies nicht gezeigt
ist, könnte
ein Polarisator zwischen dem Faraday-Dreher 127 und dem
Beugungsgitter 100 angeordnet sein. Der hervorgehende erste
Messstrahl 121 wird in dem Littrow-Winkel 109 in
Richtung des Beugungsgitters 100 gerichtet. Die Beugung 122 des
hervorgehenden ersten Messstrahls 121 ist kollinear mit
dem einfallenden hervorgehenden Messstrahl 121. Der gebeugte erste
Messstrahl 122 durchläuft
die Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 wieder
in dem ersten transparenten Quadranten 308 der ersten Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 und
wird an der reflektierenden Oberfläche 303 des ersten
Prismas 300 reflektiert. Das Durchlaufen des gebeugten
ersten Messstrahls 122 durch die erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 verändert die
Polarisation zu einer p-Polarisation. Der p-polarisierte gebeugte
erste Messstrahl 123 durchläuft die Strahlteilergrenzfläche 104,
bewegt sich durch den Retroreflektor 201, durchläuft die
Strahlteilergrenzfläche 104 wieder
und in das erste Prisma 300 und wird dabei an der reflektierenden
Oberfläche 303 des
ersten Prismas 300 und in Richtung der Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 reflektiert.
Der p-polarisierte gebeugte erste Messstrahl 123 durchläuft die
erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 bei
einem zweiten transparenten Quadranten 309 der ersten Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 und
wird dabei zu einem zweiten Durchlauf des ersten Messstrahls 305.
Der zweite Durchlauf des ersten Messstrahls 305 trifft
in dem Littrow-Winkel 109 auf das Beugungsgitter 100 und
wird gebeugt. Der gebeugte zweite Durchlauf des ersten Messstrahls 304 ist
kollinear mit dem einfallenden zweiten Durchlauf des ersten Messstrahls 305 und
durchläuft
die erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 wieder
bei dem zweiten transparenten Quadranten 309 und wird dabei
s-polarisiert. Ein s-polarisierter zweiter Durchlauf des Messstrahls 310 wird
an der reflektierenden Oberflächen 303 des
ersten Prismas 300 und in den Interferometerkern 103 reflektiert.
Auf eine Wiederineingriffnahme der Strahlteilergrenzfläche 104 mit
dem s-polarisierten
zweiten Durchlauf des ersten Messstrahls 310 hin wird der
s-polarisierte zweite Durchlauf des ersten Messstrahls 310 an
der Strahlteilergrenzfläche 104 reflektiert
und tritt aus dem Interferometerkern 103 an dem ersten
Austrittsquadranten 302 der Zugangsfläche 307 und durch
den Mischpolarisator 126 aus.
-
Unter
Bezugnahme auf die 5, 7 und 8 der
Zeichnungen ist eine Darstellung eines Wegs einer Bewegung des Referenzstrahls 108 bei
einem Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung gemäß den vorliegenden
Lehren gezeigt. Die Kante, die in 8 der Zeichnungen
mit einer dunkleren Linie gezeigt ist, stellt die sichtbare Kante
der Polarisationsveränderungsvorrichtung 120 dar,
die in 4 der Zeichnungen gezeigt ist. Der erste Referenzstrahl 108 tritt
in den Interferometerkern 103 als die p-polarisierte Komponente
des ersten Lichtstrahls 102 an dem ersten Einfallsquadranten 306 der
Zugangsfläche 307 ein.
Der Referenzstrahl 108 durchläuft die Strahlteilergrenzfläche 104,
in das zweite Prisma 301, wird von der reflektierenden
Oberfläche 304 des
zweiten Prismas 301 abreflektiert und durchläuft die
zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung 120 an
einem ersten reflektierenden Quadranten 312. Da der Abschnitt
der zweiten Polarisationsveränderungsvorrichtung 120,
an dem der Referenzstrahl 108 in Eingriff genommen wird,
eine reflektierende Oberfläche
aufweist, durchläuft
der Referenzstrahl 108 sofort die zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung 120 wieder, was
den Referenzstrahl zu einer s-Polarisation verändert. Der s-polarisierte Referenzstrahl 130 wird
an der reflektierenden Oberfläche 304 des
zweiten Prismas 301 reflektiert, wird an der Strahlteilergrenzfläche 104 reflektiert,
bewegt sich durch den Retroreflektor 201 und wird wieder
an der Strahlteilergrenzfläche 104 reflektiert.
Der s-polarisierte Referenzstrahl 130 tritt in das zweite
Prisma 301 ein, wird an der reflektierenden Oberfläche 304 des
zweiten Prismas 301 reflektiert und wird in einen zweiten
reflektierenden Quadranten 313 der zweiten Polarisationsveränderungsvorrichtung 120 gerichtet.
Der s-polarisierte Referenzstrahl 130 wird reflektiert
und durchläuft
dabei die zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung 120 wieder
in dem zweiten reflektierenden Quadranten 313, wodurch
die Polarisation des s-polarisierten Referenzstrahls 130 zu
p-polarisiertem Licht verändert
wird. Der p-polarisierte Referenzstrahl 131 tritt in das
zweite Prisma 301 ein, wird an der reflektierenden Oberfläche 304 des
zweiten Prismas 301 reflektiert und läuft in den Interferometerkern 103 und durch
die Strahlteilergrenzfläche 109 und
tritt dabei an dem ersten Austrittsquadranten 302 der Zugangsfläche 307 aus.
Der s-polarisierte
erste Messstrahl 310 und der p-polarisierte erste Referenzstrahl 131 kombinieren sich
und treten aus dem Interferometerkern 103 an dem gleichen
Quadranten der Zugangsfläche 307 durch den
Mischpolarisator 126 zur Erfassung und Messung aus.
-
Unter
besonderer Bezugnahme auf die 5, 8 und 9 der
Zeichnungen ist eine Darstellung eines Wegs einer Bewegung eines
zweiten Messstrahls 315 durch einen Interferometerkern 103 gemäß den vorliegenden
Lehren gezeigt. Der zweite Messstrahl 315, der die p-polarisierte
Komponente eines zweiten Lichtstrahls 314 aufweist, tritt
in den Interferometerkern 103 an einem zweiten Einfallsquadranten 316 der
Zugangsfläche 307 ein.
Der zweite Messstrahl 315 durchläuft die Strahlteilergrenzfläche 104,
wird an der reflektierenden Oberfläche 304 des zweiten
Prismas 301 reflektiert und durchläuft die zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung 120 an
einem ersten transparenten Quadranten 317. Der Strahl,
der aus der zweiten Polarisationsveränderungsvorrichtung 120 hervorgeht,
ist ein zweiter hervorgehender Messstrahl 311 und wird
in dem Littrow-Winkel 109 in Richtung des Beugungsgitters 100 gerichtet.
Ein gebeugter zweiter hervorgehender Messstrahl 132 ist
kollinear mit dem einfallenden hervorgehenden zweiten Messstrahl 311 und
durchläuft
die zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung 120 wieder
in dem ersten transparenten Quadranten 317 und wird dabei
s-polarisiert, bevor er in das zweite Prisma 301 eintritt.
Der s-polarisierte zweite Messstrahl 133 wird an der reflektierenden
Oberfläche 304 des
zweiten Prismas 301 reflektiert, wird an der Strahlteilergrenzfläche 104 reflektiert,
bewegt sich durch den Retroreflektor 201, wird an der Strahlteilergrenzfläche 104 wieder
reflektiert, wird an der reflektierenden Oberfläche 304 des zweiten
Prismas 301 reflektiert und durchläuft die zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung 120 bei
einem zweiten transparenten Quadranten 318 der zweiten Polarisationsveränderungsvorrichtung 120.
Der Strahl geht als ein zweiter Durchlauf des zweiten Messstrahls 319 hervor
und wird in dem Littrow-Winkel 109 in
Richtung des Beugungsgitters 100 gerichtet. Ein gebeugter zweiter
Durchlauf des zweiten Messstrahls 320 ist kollinear mit
dem einfallenden Strahl, durchläuft
die zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung 120 und
wird dabei p-polarisiert. Der p-polarisierte zweite Durchlauf des zweiten
Messstrahls 332 wird an der reflektierenden Oberfläche 304 des
zweiten Prismas 301 reflektiert, durchläuft die Strahlteilergrenzfläche 104 und
tritt aus dem Interferometerkern 103 an einem zweiten Austrittsquadranten 321 der
Zugangsfläche 307 aus.
-
Unter
Bezugnahme auf die 5, 6 und 10 der
Zeichnungen ist eine Darstellung eines Wegs einer Bewegung eines
zweiten Referenzstrahls 322 gezeigt. Der zweite Referenzstrahl 322 tritt
in den Interferometerkern 103 als die s-polarisierte Komponente des zweiten
Lichtstrahls 314 an dem zweiten Einfallsquadranten 316 der
Zugangsfläche 307 ein.
Der zweite Referenzstrahl 322 wird an der Strahlteilergrenzfläche 104 reflektiert,
wird an der reflektierenden Oberfläche 303 des ersten
Prismas 300 reflektiert und durchläuft die erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 bei
einem ersten reflektierenden Quadranten 323. Da der Abschnitt
des ersten Polarisationsveränderungselements 105,
bei dem der zweite Referenzstrahl 322 in Eingriff genommen
wird, eine reflektierende Oberfläche
aufweist, durchläuft
der zweite Referenzstrahl 322 sofort die erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 wieder,
was die Polarisation des Strahls 322 zu einer p-Polarisation
verändert.
Der p-polarisierte
Referenzstrahl 333 durchläuft die Strahlteilergrenzfläche 104,
bewegt sich durch den Retroreflektor 201 und durchläuft wieder
die Strahlteilergrenzfläche 104,
wird an der reflektierenden Oberfläche 303 des ersten
Prismas 300 reflektiert und durchläuft die erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 bei
einem zweiten reflektierenden Quadranten 324 der ersten
Polarisationsveränderungsvorrichtung 105.
Der Strahl wird reflektiert und durchläuft dabei die erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 wieder,
wodurch die Polarisation des Strahls zu s-polarisiertem Licht verändert wird.
Der s-polarisierte zweite Referenzstrahl 334 wird an der
reflektierenden Oberfläche 303 des
ersten Prismas 300 reflektiert, wird an der Strahlteilergrenzfläche 104 reflektiert
und tritt an dem zweiten Austrittsquadranten 321 der Zugangsfläche 307 aus.
Der p-polarisierte gebeugte zweite Durchgang des zweiten Messstrahls 332 und
des zweiten Referenzstrahls 334 kombinieren sich durch
den Mischpolarisator 126 und treten an dem gleichen Quadranten
der Zugangsfläche 307 zur
Erfassung und Messung aus dem Interferometerkern 103 aus.
-
Unter
besonderer Bezugnahme auf die
11 und
12 der
Zeichnungen ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß den vorliegenden
Lehren gezeigt, bei dem eine Verschiebung in der x-Richtung gemessen
wird und die Messung unempfindlich gegenüber einer Verschiebung in der
z-Richtung ist. Der Interferometerkern
103 und die Wege
der Lichtstrahlen sind sehr ähnlich
zu denjenigen, die in den
4–
10 der Zeichnungen
gezeigt sind. Bei dem Ausführungsbeispiel
der
11 und
12 ist
die reflektierende Oberfläche
106 entfernt,
was es erlaubt, dass alle Komponenten der Lichtstrahlen das Beugungsgitter
100 erreichen. Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird der Lichtstrahl
102 an der Strahlteilergrenzfläche
104 in
den Messstrahl
107 und einen begleitenden Messstrahl
325 geteilt.
Jeder Strahl
107,
325 folgt einem Weg durch den
Interferometerkern
103 und zu und von dem Beugungsgitter.
Der erste Messstrahl
107 ist die s-polarisierte Komponente des Lichtstrahls
102 und
folgt dem gleichen Weg wie demjenigen, der in
7 der
Zeichnungen offenbart ist. Der begleitende Messstrahl
325 ist
die p-polarisierte
Komponente des Lichtstrahls
102. Der begleitende Messstrahl
325 durchläuft die
Strahlteilergrenzfläche
104,
wird von der reflektierenden Oberfläche
304 des zweiten
Prismas
301 abreflektiert und läuft durch die zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung
120.
Ein hervorgehender begleitender Messstrahl
326 fällt in dem
Littrow-Winkel
109 auf das Beugungsgitter
100 ein. Eine
Beugung
327 des hervorgehenden begleitenden Messstrahls
326 ist
kollinear mit dem Einfallsstrahl und läuft durch die Polarisationsveränderungsvorrichtung
120 und
verändert
dabei die Polarisation des Strahls zu einer s-Polarisation. Ein
s-polarisierter begleitender Messstrahl
328 wird von der
reflektierenden Oberfläche
304 des
zweiten Prismas
301 und in den Interferometerkern
301 abreflektiert.
Der s-polarisierte begleitende Messstrahl
328 wird an der
Strahlteilergrenzfläche
104 reflektiert,
bewegt sich durch den Retroreflek tor
201, wird an der Strahlteilergrenzfläche
104 reflektiert,
wird an der reflektierenden Oberfläche
304 des zweiten
Prismas
301 und durch die Polarisationsveränderungsvorrichtung
120 reflektiert.
Ein begleitender Messstrahl
329, der aus dem zweiten Durchlauf
hervorgeht, fällt
in dem Littrow-Winkel
109 auf das Beugungsgitter
100 ein. Eine
Beugung
330 des begleitenden Messstrahls
329,
der aus dem zweiten Durchlauf hervorgeht, ist kollinear mit dem
Einfallsstrahl und durchläuft
die zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung
120 wieder
und verändert
dabei den Strahl zu einer p-Polarisationen. Ein p-polarisierter
begleitender Messstrahl
331 durchläuft die Strahlteilergrenzfläche
104 und
durch den Mischpolarisator
126. Der s-polarisierte erste Messstrahl
310 und der
p-polarisierte begleitende Messstrahl
331 kombinieren sich
und interferieren, wenn dieselben durch den Mischpolarisator
126 zu
dem Detektor laufen (nicht gezeigt). Die Interferenz der beiden
Signale erzeugt Interferenzstreifen, die eine Verschiebung des Beugungsgitters
100 nur
in einer Richtung anzeigen und unempfindlich gegenüber einer
Verschiebung des Beugungsgitters
100 in den anderen beiden
Richtungen sind. Eine Verschiebung des Beugungsgitters
100 unter
Verwendung des dargestellten Zwei-Durchlauf-Ausführungsbeispiels kann folgendermaßen berechnet
werden:
-
Wie
ein Fachmann auf dem Gebiet weiß,
ist dieses Ausführungsbeispiel
auch für
einen Homodyn- oder Heterodyn-Betrieb geeignet. Wie ein Fachmann
auf dem Gebiet ebenso weiß,
treffen ähnliche,
jedoch unterschiedliche Berechnungen auf die Verschiebungsmessung
bei Ein-Durchlauf-Ausführungsbeispielen
und Ausführungsbeispielen
mit mehr als zwei Durchläufen
zu.
-
Unter
besonderer Bezugnahme auf die 13 bis 18 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Interferometers gemäß den vorliegenden
Lehren gezeigt. Das spezifische Ausführungsbeispiel, das in den 13 bis 18 gezeigt
ist, umfasst Eingangsteilungsoptiken 360, die einen nichtpolarisierenden
Eingangsstrahlteiler 361 und ein Eingangsprisma 362 aufweisen.
Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel
ist ein Eingangslichtstrahl 363 ein Heterodyn-Strahl. Eines
oder mehrere alternative Ausführungsbeispiele
jedoch könnten
geeigneterweise eine Homodyn-Quelle verwenden. Der nichtpolarisierende
Strahlteilerwürfel 361 lässt etwa
eine Hälfte
des Lichts durch und reflektiert die andere Hälfte. Die Hälfte, die durch den Strahlteiler durchgelassen
wird, wird an der reflektierenden Oberfläche des Eingangsprismas 362 reflektiert.
Das Ergebnis ist ein erster bzw. zweiter Eingangslichtstrahl 364, 365.
Der erste und der zweite Lichtstrahl 364, 365 weisen in
etwa eine gleiche Leistung auf und treten parallel und räumlich voneinander
versetzt in den Interferometerkern 103 ein.
-
Unter
besonderer Bezugnahme auf 13 der
Zeichnungen sind Wege des ersten Mess- und Referenzstrahls beschrieben.
Die p-polarisierte Komponente des ersten Eingangsstrahls 364 tritt
in den Interferometerkern 103 ein, durchläuft die
Strahlteilergrenzfläche 104,
und in das erste Prisma 300. Bei dem Ausführungsbeispiel
aus 13 weisen das erste und das zweite Prisma 300, 301 jeweils
zwei reflektierende Oberflächen 303, 304 auf,
die senkrecht zueinander sind. Die p-polarisierte Komponente des
ersten Eingangslichtstrahls 364 wird zweimal von den beiden
reflektierenden Oberflächen 303 abreflektiert
und durchläuft
die erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105.
Ein erster hervorgehender Messstrahl 366 fällt in dem
Littrow-Winkel 109 auf das Beugungsgitter 100 ein.
Eine Beugung 359 des ersten hervorgehenden Strahls 366 ist
kollinear mit dem ersten hervorgehenden Strahl 366 und
durchläuft
die erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 wieder
und wird dabei s-polarisiert.
Ein s-polarisierter erster Messstrahl 367 wird zweimal
in dem ersten Prisma 300 reflektiert. Der s-polarisierte erste
Messstrahl 367 wird an der Strahlteilergrenzfläche 104 reflektiert,
bewegt sich durch den Retroreflektor 201, wieder an der
Strahlteilergrenzfläche 104 und
tritt in das erste Prisma 300 ein. Der s-polarisierte erste
Messstrahl 367 wird zweimal an den reflektierenden Oberflächen 303 des
ersten Prismas 300 reflektiert und durch die erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105.
Ein hervorgehender zweiter Durchlauf des ersten Messstrahls 368 fällt in dem
Littrow-Winkel 109 auf das Beugungsgitter 100 ein und
eine kollineare Beugung 369 des hervorgehenden zweiten
Durchlaufs des ersten Messstrahls 368 durchläuft die
erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 wieder
und wird dabei p-polarisiert. Der p-polarisierte erste Messstrahl 370 wird
an den beiden reflektierenden Oberflächen 303 des ersten
Prismas 300 reflektiert und durchläuft die Strahlteilergrenzfläche 104.
Unter besonderer Bezugnahme auf 18 tritt
der p-polarisierte erste Messstrahl 370 aus dem Interferometerkern 103 durch
ein Ausgangsprisma 371 aus. Der p-polarisierte erste Eingangsstrahl 370 wird
an einer Ausgangsreflexionsoberfläche 372 reflektiert
und tritt aus dem Ausgangsprisma 371 durch den Mischpolarisator 126 aus.
-
Unter
besonderer Bezugnahme auf 13 wird
die s-polarisierte
Komponente des ersten Eingangsstrahls 373 an der Strahlteilergrenzfläche 104 reflektiert
und wird zweimal von den reflektierenden Oberflächen 304 des zweiten
Prismas 301 abreflektiert. Die s-polarisierte Komponente
des ersten Eingangsstrahls 373 durchläuft die zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung 120,
wird von dem ersten reflektierenden Quadranten 312 der
zweiten Polarisationsveränderungsvorrichtung 120 abreflektiert
und durchläuft
die zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung 120 wieder,
um den Strahl zu einem p-polarisierten ersten Referenzstrahl 375 zu
verändern.
Der p-polarisierte erste Referenzstrahl 375 wird zweimal
an den reflektierenden Oberflächen 304 des
zweiten Prismas 301 reflektiert, durchläuft die Strahlteilergrenzfläche 104,
durch den Retroreflektor 201, durch die Strahlteilergrenzfläche 104,
und wird zweimal an den reflektierenden Oberflächen 304 des zweiten
Prismas 301 reflektiert. Der p-polarisierte erste Referenzstrahl 375 durchläuft die
zweite Polarisationsvorrichtung 120 an dem zweiten reflektierenden
Quadranten 313 der zweiten Polarisationsveränderungsvorrichtung 120,
wird reflektiert und durchläuft
die zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung 120 wieder, was
den Strahl zu einem s-polarisierten ersten Referenzstrahl 377 verändert. Die 16 und 17 der Zeichnungen
stellen eine Konfiguration der ersten und der zweiten Polarisationsveränderungsvorrichtung 105, 120 dar,
wobei die dunkleren Linien Kanten der Vorrichtungen 105, 120 darstellen,
die aus den Ansichten, die in den 13 und 14 der
Zeichnungen gezeigt sind, sichtbar sind. Der s-polarisierte erste Referenzstrahl 377 wird
zweimal an den reflektierenden Oberflächen 304 des zweiten
Prismas 301 reflektiert, wird an der Strahlteilergrenzfläche 104 reflektiert
und verlässt
dabei den Interferometerkern 103 und in das Ausgangsprisma 371.
Der s-polarisierte Referenzstrahl 377 wird an der Ausgangsreflexionsoberfläche 372 reflektiert
und tritt aus dem Ausgangsprisma 371 durch den Mischpolarisator 126 aus,
um sich mit dem p-polarisierten ersten Messstrahl 370 zu
kombinieren.
-
Unter
besonderer Bezugnahme auf 14 der
Zeichnungen sind Wege des zweiten Mess- und Referenzstrahls beschrieben,
bei der der zweite Eingangslichtstrahl 365 den nichtpolarisierenden
Strahlteiler durchläuft
und an einem Eingangsprisma 362 reflektiert wird, bevor
er in den Interferometerkern 103 eintritt. Die p-polarisierte
Komponente des zweiten Eingangslichtstrahls 378 ist der
zweite Referenzstrahl und er durchläuft die polarisierende Strahlteilergrenzfläche 104,
wird von reflektierenden Oberflächen 303 des
ersten Prismas 300 abreflektiert und durchläuft die
erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 an
dem ersten reflektierenden Quadranten 323. Der Strahl wird
reflektiert, durchläuft
die erste Polarisationsverände rungsvorrichtung 105,
wird reflektiert, durchläuft
die erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 wieder
und verändert
dabei den Strahl zu einer s-Polarisation. Der s-polarisierte zweite Referenzstrahl 379 wird
an beiden Oberflächen 303 des
ersten Prismas 300 reflektiert, wird an der Strahlteilergrenzfläche 104 reflektiert,
bewegt sich durch den Retroreflektor 201, wird dabei wieder
an der Strahlteilergrenzfläche 104 reflektiert,
zweimal an beiden Oberflächen 303 des
ersten Prismas 300 reflektiert und durchläuft die
erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 an
dem zweiten reflektierenden Quadranten 324. Der Strahl
wird reflektiert und durchläuft
dabei die erste Polarisationsveränderungsvorrichtung 105 und
verändert
dabei die Polarisation zu einer p-Polarisation. Der p-polarisierte zweite
Referenzstrahl 380 wird an beiden Oberflächen 303 des
ersten Prismas 300 reflektiert, durchläuft die Strahlteilergrenzfläche 104 und
in ein Ausgangsprisma 371. Der p-polarisierte zweite Referenzstrahl 380 wird
an der Ausgangsreflexionsoberfläche 372 reflektiert
und durchläuft
den Mischpolarisator 126.
-
Unter
besonderer Bezugnahme auf 14 ist
die s-polarisierte
Komponente des zweiten Eingangslichtstrahls 365 der zweite
Messstrahl 381. Der zweite Messstrahl 381 wird
an der Strahlteilergrenzfläche 104 reflektiert,
wird zweimal an den Oberflächen 304 des
zweiten Prismas 301 reflektiert und durchläuft die
zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung 120 an
dem ersten transparenten Quadranten 317. Der hervorgehende zweite
Messstrahl 382 fällt
in dem Littrow-Winkel 109 auf das Beugungsgitter 100 ein
und die kollineare Reflexion 383 des hervorgehenden zweiten
Messstrahls 382 durchläuft
die zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung 120 wieder
an dem ersten transparenten Quadranten 317, was die Strahlpolarisation
zu einer p-Polarisation
verändert.
Der p-polarisierte zweite Messstrahl 384 wird zweimal an
den Oberflächen 304 des
zweiten Prismas 301 reflektiert, durchläuft die Strahlteilergrenzfläche 104,
bewegt sich durch den Retroreflektor 201, durchläuft wieder
die Strahlteilergrenzfläche 104,
wird zweimal an den Oberflächen 304 des
zweiten Prismas 301 bei seinem zweiten Durchlauf reflektiert
und durchläuft
die zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung 120 bei
dem zweiten transparenten Quadranten 318. Der zweite hervorgehende
zweite Messstrahl 387 fällt
in dem Littrow-Winkel 109 auf das Beugungsgitter 100 ein
und eine kollineare Reflexion 385 des zweiten hervorgehenden
zweiten Messstrahls 387 durchläuft die zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung 120 wieder
und wird dabei s-polarisiert. Der s-polarisierte zweite Messstrahl 386 wird
von beiden Oberflächen 304 des
zweiten Prismas 301 abreflektiert und wird wieder an der
Strahlteilergrenzfläche 104 reflektiert.
Der s-polarisierte zweite Messstrahl 386 tritt aus dem
Interferometerkern 103 aus und tritt in das Ausgangsprisma 371 ein
und wird dabei von der Ausgangsreflexionsoberfläche 372 abreflektiert
und kombiniert sich mit dem p-polarisierten zweiten Referenzstrahl 380 an
dem Mischpolarisator 126.
-
Unter
besonderer Bezugnahme auf 19 der
Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel
einer Anwendung eines Interferometriesystems gemäß den vorliegenden Lehren gezeigt. 19 der
Zeichnungen stellt eine Draufsicht einer Rillenseite des Beugungsgitters 100 und
zwei Aufrisse dar, die eine Position von Interferometern relativ
zu dem Beugungsgitter 100 zeigen. Das Beugungsgitter 100 könnte an
einer Präzisionsstufe, wie
z. B. einer, die als Teil einer Werkzeugmaschine oder eines Halbleiterchip-Lithographiesystems
verwendet wird, angebracht sein oder könnte Teil eines weiteren Systems
sein, das Präzisionsverschiebungsmessungen verwendet.
Zu Zwecken der vorliegenden Beschreibung ist ein Koordinatensystem
relativ zu dem Beugungsgitter 100 definiert. Das Beugungsgitter 100 liegt
in einer Ebene, die durch eine x-Richtung 353 und eine y-Richtung 355 definiert
ist. Eine y-Richtung 354 ist senkrecht zu der Ebene des
Beugungsgitters 100. Drei zusätzliche Koordinaten, Rx 356,
Ry 357 und Rz 358, sind außerdem definiert, um eine Drehung
des Beugungsgitters um die x-Achse 353, y-Achse 355 bzw.
z- Achse 354 zu
beschreiben. In einem System, das das Interferometerausführungsbeispiel
verwendet, das in den 13 bis 18 der
Zeichnungen gezeigt ist, misst jedes Interferometer 350, 351 und 352 zwei
separate Dimensionen. Das erste 350, das zweite 351 und dritte 352 Interferometer
sind an Orten auf dem Beugungsgitter 100 positioniert.
Das erste und das zweite Interferometer 350, 351 messen
eine Verschiebung in der x- und z-Richtung und das dritte Interferometer 352 misst
eine Verschiebung in der y- und z-Richtung. Aus den Verschiebungsmessungen
ist es möglich,
ferner eine Drehverschiebung um jede der Achsen zu berechnen. Bei
einem spezifischen Ausführungsbeispiel
wird eine Verschiebung in der x-Richtung 353 aus einem
Durchschnitt der x-Richtung-Verschiebungsmessungen von dem ersten
und dem zweiten Interferometer 350, 351 berechnet.
Eine Verschiebung in der y-Richtung 355 wird aus der Verschiebungsmessung
an dem dritten Interferometer 352 berechnet. Eine Verschiebung
in der z-Richtung 354 wird aus einem Durchschnitt der z-Richtung-Verschiebungsmessungen
von dem ersten und dem zweiten Interferometer 350, 351 berechnet.
Eine Drehung um die x-Achse, Rx 356, könnte aus einer Differenz bei
den z-Richtung-Messungen berechnet werden. Eine Drehung um die y-Achse,
Ry 357, könnte
aus einer Differenz zwischen der z-Richtung-Verschiebung von dem
dritten Interferometer 352 und einem Durchschnitt der z-Richtung-Verschiebung
von dem ersten und dem zweiten Interferometer 350, 351 berechnet
werden. Eine Drehung um die z-Achse, Rz 358, könnte aus
einer Differenz zwischen den x-Richtung-Verschiebungen des ersten
und des zweiten Interferometers 350, 351 berechnet
werden.
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Alternative
Ausführungsbeispiele
umfassen ein System mit mehr als drei Interferometern. Die zusätzlichen
Interferometer könnten
zu Zwecken einer Redundanz und Selbstkonsistenzprüfung verwendet
werden, um verbessertes Vertrauen in die angestellten Messungen
zu liefern. Weniger Interferometer sind ebenso möglich, wenn eine Verschiebung
entlang einer oder mehrerer der Richtungen nicht von Interesse ist.
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Bei
einem spezifischen Ausführungsbeispiel
beträgt
das Beugungsgitter etwa 500 mm mal 500 mm. Alternativ könnten zwei
oder mehr separate Beugungsgitter verwendet werden, wobei jedes
Beugungsgitter separat beleuchtet wird. Wenn separate Verzögerer verwendet
werden, ist es nicht nötig,
dass diese in der gleichen Ebene oder einer relativen Ausrichtung
vorliegen. Unter der Voraussetzung, dass ein Prozessor, der die Messungen
empfängt,
vorher die verschiedenen Ausrichtungen kennt, könnten geeignete Messungen berechnet
werden und dabei die spezifische Systemkonfiguration und Beugungsgitterausrichtungen
berücksichtigt werden.
Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel
weist das Beugungsgitter 100 einen Satz von Rillen in einer
ersten Ausrichtung und einen weiteren Satz von Rillen in einer zweiten
Ausrichtung auf. Die erste und die zweite Ausrichtung könnten im
Wesentlichen senkrecht zueinander oder in einem bestimmten anderen
relativen Winkel sein. Der Abstand der Rillen bei der ersten und
der zweiten Ausrichtung muss nicht gleich sein und das Beugungsgitter
könnte
Rillen in nur einer ersten Ausrichtung besitzen. Vorzugsweise ist
es, da die Interferometer gemäß den vorliegenden
Lehren separat eingestellt werden können, möglich, die mit jedem Interferometer
angestellte Messung zu optimieren und Messfehler als ein Ergebnis
von Fehlausrichtungen auszukalibrieren. Viele andere Systemausführungsbeispiele
werden einem durchschnittlichen Fachmann auf dem Gebiet unter Nutzung
der vorliegenden Lehren einfallen.
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Bestimmte
Ausführungsbeispiele
gemäß den vorliegenden
Lehren sind hierin zu Darstellungszwecken beschrieben. Andere Ausführungsbeispiele,
die nicht besonders genannt sind, werden einem durchschnittlichen
Fachmann unter Nutzung der vorliegenden Lehren einfallen, obwohl
diese nicht besonders beschrieben sind, und werden als innerhalb
des Schutzbereichs der beigefügten
Ansprüche
erachtet. Die Geometrien der Prismen und zugeordneten Ausgangsflächen z.
B. könnten
gemäß den spezifischen
Littrow-Winkel-Anforderungen variiert werden. Vorzugsweise ist es
möglich,
eine konsistente Geometrie für
den Interferometerkern beizubehalten, während an unterschiedliche Beugungsgitterparameter
angepasst wird. Bei dem offenbarten Ausführungsbeispiel ist ein Austritt
des Mess- und des Referenzstrahls durch die erste und die zweite
Polarisationsveränderungsvorrichtung 105, 120 unter
Bezugnahme auf einen transparenten und einen reflektierenden Quadranten
beschrieben. Die vorliegenden Lehren könnten für mehr als zwei Lichtstrahlen
erweitert werden, wobei die erste und die zweite Polarisationsveränderungsvorrichtung
funktionsmäßig in Bezug
auf zusätzliche
transparente und reflektierende Abschnitte definiert sind. Deshalb
sollen Ausführungsbeispiele
und Darstellungen hierin darstellend sein und der Schutzbereich
der vorliegenden Lehren ist nur durch die beigefügten Ansprüche eingeschränkt.
