DE112018002147T5

DE112018002147T5 - Krümmungsradiusmessung durch spektral gesteuerte Interferometrie

Info

Publication number: DE112018002147T5
Application number: DE112018002147.5T
Authority: DE
Inventors: Artur Olszak
Original assignee: Apre Instr LLC; Apre Instruments LLC
Current assignee: APRE INSTRUMENTS, INC., TUCSON, US; OLSZAK, ARTUR, TUCSON, US
Priority date: 2017-04-24
Filing date: 2018-04-23
Publication date: 2020-01-09
Also published as: US10816408B1; GB201914674D0; GB2575575B; JP7082137B2; WO2018200350A1; US10746537B2; US20180306575A1; JP2020517911A; GB2575575A

Abstract

[0033] Der ROC-Wert einer Testoberfläche (14) wird mit einer einzigen spektral gesteuerten interferometrischen Messung unter Verwendung einer Referenzquelle (18) mit bekanntem ROC gemessen. Die Testoberfläche wird an der konfokalen Position (24) der Referenzoberfläche angeordnet und die Lichtquelle (16) wird moduliert, um lokalisierte Interferenzlinien (30-34, 36-40, 42-46) an der Lokalisierung der Testoberfläche zu erzeugen. Die Interferenzlinien werden dann mit herkömmlichen interferometrischen Analyse-Tools verarbeitet, um die exakte Position der Testoberfläche in Bezug auf die Referenzoberfläche zu bestimmen, wodurch die Distanz zwischen der Testoberfläche und der Referenzoberfläche bestimmt wird. Der Krümmungsradius der Testoberfläche wird einfach durch Subtrahieren einer solchen Distanz von dem bekannten Krümmungsradius der Referenzoberfläche erhalten.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität von der U.S. vorläufigen Anmeldung mit der Nr. 62/490,029 , eingereicht am 26.04.2017, U.S. vorläufigen Anmeldung mit der Nr. 62/489,008 , eingereicht am 24.04.2017, und U.S. Anmeldung mit der Nr. 15/959,333 , eingereicht am 23.04.2018, welche alle durch Bezugnahme hierin eingeschlossen sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich generell auf Interferometrie. Insbesondere bezieht sie sich auf ein Verfahren zum Messen des Krümmungsradius einer Linse unter Verwendung eines spektral gesteuerten Interferometers in einem einschrittigen Verfahren.
Beschreibung der verwandten Technik
Die Krümmungsradius(radius of curvature, ROC)-Messung stellt einen der grundlegenden Parameter der Qualitätskontrolle von optischen Elementen dar. Wenn ein Interferometer verwendet wird, erfordert die herkömmliche Krümmungsradiusbestimmung zwei Messungen des Testartikels, der an verschiedenen Positionen entlang der optischen Achse des Instruments platziert wird. Diese Positionen, welche in der Technik als „Cateye“ und „konfokal“ bezeichnet werden, entsprechen den Stellen, an denen der das Interferenzmuster auf der Kamera des Interferometers erzeugende, zurückkehrende Strahl im selben Winkel zurückreflektiert wie der anfängliche Strahl auf den Artikel. Unter solchen Bedingungen ist das Muster im Wesentlichen eine einzige Interferenzlinie (fringe), eine sogenannte „Null“-Interferenzlinie („null“ fringe). Die „Null“-Interferenzlinie wird sowohl an der „Cateye-“ als auch an der „konfokalen“ Position produziert. An der Cateye-Position kommt der Strahl an der Oberfläche des Testartikels in den Fokus, so dass das anfängliche Licht auf der Oberfläche mit dem gleichen Kegelwinkel wie der anfängliche Strahl zurückreflektiert. An der konfokalen Position passt der Krümmungsradius des Testartikels zum Krümmungsradius des anfänglichen Teststrahls, so dass der anfängliche, senkrecht zur Oberfläche stehende Strahl direkt auf sich selbst zurückreflektiert.
Der Krümmungsradius eines gekrümmten optischen Elements wie einer Linse beträgt die Differenz entlang der optischen Achse zwischen den Cateye- und konfokalen Positionen. Somit beinhaltet das herkömmliche Verfahren zum Messen des ROC einige Schritte des Bewegens der Linse von der konfokalen zur Cateye-Position und zurück, und es ist angewiesen auf die Genauigkeit der mechanischen Träger, um korrekte Distanzmessungen bereitzustellen. Daher ist dieses Verfahren arbeitsintensiv und fehleranfällig. Wie gezeigt in 1, erfordert ein typischer Aufbau eine optische Bank 10 mit beweglichem Träger 12 zum Halten mindestens einer Testlinse 14 während der Messung; ein Mittel (nicht gezeigt) zum Distanzmessen entlang der Bank 10, wie einen Encoder oder ein mit der Bank gekoppeltes Distanzmess-Interferometer; ein Interferometer 16; und eine Referenzsphäre 18, die geeignet ist, um eine konvergierende Wellenfront 20 zu projizieren. Anfänglich ist die Testlinse 14 am Fokus des Interferometerstrahls 20 (die Cateye-Position 22) positioniert, um jegliche Neigung zu entfernen, die in der Oberfläche der Referenzsphäre 18 vorhanden ist. Als Nächstes wird die Linse in die konfokale Position 24 bewegt, wo die Wellenfront 20 senkrecht zur Oberfläche der Linse 14 ist. Die exakte Position der Linse wird dann in x, y, und z durch Produzieren der Null-Interferenzlinie angepasst, und die Distanz zwischen den nominalen Cateye- und konfokalen Positionen, die entlang einer Skala auf der Bank 10 gelesen werden, wird auf Null gebracht. Schließlich wird die Linse zurück in Richtung der Cateye-Position 22 bewegt und die Interferenzlinien werden wieder genullt und die Ausgabe der Skala auf der Bank 10 wird als ROC-Messung für die Linse 14 verwendet.
Die bedeutendste Fehlerquelle in diesem Aufbau ist der Fehler bezogen auf die Tatsache, dass die optische Bank 10 fast unvermeidbar eine Neigung zwischen der Achse entlang der zwischen zwei Linsenpositionen gemessenen Distanz und der optischen Achse 26 des Interferometers 16 einführt (der sogenannte Abbe‘ Fehler). Zusätzlich verursachen Temperaturveränderungen und andere Umweltveränderungen, dass andere Fehler als Ergebnis von verschiedenen aufeinanderfolgenden, in die ROC-Messung eingebundenen Schritten vorkommen. Somit können die Kosten erheblich sein, die mit der Ausstattung verbunden sind, die zur ausreichend genauen Messung von relativ langen Distanzen auf einer optischen Bank, wie für ROC-Messungen benötigt, erforderlich sind.
Mit Blick auf das Vorstehende ist es eine der Herausforderungen bei interferometrischen Messungen des Krümmungsradius von Testartikeln, insbesondere in Hoch-Durchsatz-Umgebungen, wo die Präzision des ROC für Produktionstoleranzzwecke gemessen wird, einen Weg zu finden, die Messung zu einem Verfahren zu vereinfachen, das nur einen Schritt erfordert. Dies würde die meisten Fehler aufgrund mechanischer Veränderungen und Veränderungen in der Umgebung eliminieren. U.S.-Patent Nr. 9,857,169 offenbart eine Lösung basierend auf einer internen Pfadabstimmungsanordnung, die in dem Gehäuse des Interferometers enthalten ist. Diese Offenbarung lehrt eine andere Lösung basierend auf spektral gesteuerter Interferometrie (spectrally controlled interferometry, SCI).
Spektral gesteuerte Interferometrie ist in verschiedenen Stand-der-Technik-Veröffentlichungen im Detail beschrieben worden (siehe U.S. Patente Nr. 8,422,026, Nr. 8,810,884 und Nr. 8,675,205 , alle hierin durch Bezugnahme mit eingeschlossen). Im Wesentlichen ist es eine Technik basierend auf der Idee, lokalisierte Interferenzlinien zu bilden unter Verwendung eines Interferometers unter unausgewogenen optischen-Pfaddifferenz-(optical path difference, OPD) Bedingungen. Beispielsweise ist es durch Modulieren des Spektrums der Lichtquelle möglich, solche lokalisierte Interferenzlinien zu bilden, und durch Ändern der Modalität der Modulation ist es ebenso möglich, die Interferenzlinien phasenzuverschieben, was die Verwendung von modernen Interferenzlinienanalyse-Verfahren ermöglicht, um den Testartikel zu messen. Als solches erlaubt SCI, zusätzlich zum Praktizieren der Interferometrie in WLI und herkömmlichen Laser-Interferometrie-Moden mit den beschriebenen Vorteilen, die Messung von isolierten Oberflächen, und ermöglicht die direkte Distanzmessung von der Referenzoberfläche des Interferometers.
Die Verteilung und Phase der von einem Interferometer erzeugten Interferenzlinien wird von dem Wiener-Kinchin Theorem bestimmt (siehe Born M, Wolf E., Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light, 7. erw. Auflage, Cambridge, New York: Cambridge University Press; 1999) und wird als die FourierTransformation der spektralen Leistungsverteilung der Quelle ausgedrückt. Durch Modulation des Quellenspektrums ist es möglich, die Lokalisierung und Verteilung der Interferenzlinien im Raum zu definieren. Für eine Quelle mit einer mittleren Wellenlänge λ0 drückt nachfolgende Gleichung 1 die Distanz der Lokalisierung L der Interferenzlinienausbildung (d. h. das Maximum des Interferenzlinienkontrastes) von der Referenzoberfläche als eine Funktion der Periode der spektralen Modulation Δλ aus, $L = \frac{λ_{0}^{2}}{2 Δλ}$
Um beispielsweise Interferenzlinien in einer Distanz von 1 Meter von der Referenzoberfläche mit einer Lichtquelle, die bei einer mittleren Wellenlänge von 500 nm arbeitet, zu bilden, muss die Modulationsperiode 0,125 pm sein. Diese Eigenschaft ist die Basis für die Verfahrensweise dieser Erfindung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Allgemein ausgedrückt, liegt die Erfindung in der Erkenntnis, dass SCI vorteilhaft für die Messung des Krümmungsradius von Optik verwendet werden kann, da es in einem einzigen Schritt ausgeführt werden kann. Durch Bestimmen der Periode spektraler Modulation Δλ, welche die Null-Interferenzlinie an der konfokalen Position der Testoptik erzeugt, ergibt sich seine Distanz L von der Referenzoberfläche aus Gleichung 1, was wiederum die unkomplizierte Berechnung für den ROC der Optik ermöglicht, wenn der Referenz-ROC bekannt ist. Dieses grundlegende Prinzip trifft unabhängig von der SCI-Technik zu, die zum Finden der Null-Interferenzlinie im Raum verwendet wird. Wie es weiterhin im Allgemeinen für SCI der Fall ist, ist jede Analysetechnik, die im Stand der Technik zum Scannen von Weißlicht und phasenverschiebender Interferometrie verwendet wird, auch für diese Erfindung verfügbar.
Somit kann der ROC-Wert einer Testoberfläche aus einer einzigen SCI-Messung berechnet werden, was den Durchsatz erhöht, die Notwendigkeit von teurer Distanzmessungsausstattung umgeht, und eine Reihe von mit herkömmlichen Verfahren verbundenen Messfehlerquellen beseitigt. Die Erfindung erfordert die Verwendung eines Interferometers, das mit einer Referenzoberfläche mit bekanntem ROC und einer zur spektralen Modulation fähigen Lichtquelle ausgestattet ist, um einen modulierten Strahl mit einer temporären Kohärenz zu erzeugen, so dass die Interferenzlinien innerhalb des Messungsraumes des Interferometers detektierbar sind.
Das Verfahren der Erfindung beinhaltet Anordnen der Testoberfläche im Wesentlichen an der konfokalen Position der Referenzoberfläche und Modulieren der Lichtquelle, um lokalisierte Interferenzlinien zu bilden. Solche lokalisierten Interferenzlinien werden dann mit herkömmlichen interferometrischen Analyse-Tools weiterverarbeitet, um die exakte Position der Testoberfläche in Bezug auf die Referenzoberfläche festzustellen, um dadurch die Distanz zwischen der Testoberfläche und der Referenzoberfläche zu bestimmen. Der Krümmungsradius der Testoberfläche wird einfach durch Subtrahieren einer solchen Distanz vom bekannten Krümmungsradius der Referenzoberfläche erhalten. Der Verarbeitungsschritt kann mit jeglichem SCI-Verfahren ausgeführt werden, so wie durch Scannen durch Phasenverschiebung in einer zeitvarianten Weise als Ergebnis der Spektrumsmodulation. In jedem Fall kann die Erfindung mit herkömmlichen, mit einer spektral steuerbaren Quelle ausgestatteten Interferometern ausgeführt werden.
Verschiedene andere Vorteile der Erfindung werden von ihrer Beschreibung in der folgenden Spezifizierung klar werden und von den in den angehängten Ansprüchen aufgezeigten Neuheitsmerkmalen. Daher besteht diese Erfindung zur Erfüllung der oben beschriebenen Ziele aus den Merkmalen, die nachfolgend in den Zeichnungen dargestellt, in der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform vollständig beschrieben, und insbesondere in den Ansprüchen aufgezeigt sind. Jedoch offenbaren solche Zeichnungen und die Beschreibung nur ein paar der verschiedenen Wege, auf denen die Erfindung ausgeführt werden kann.
Figurenliste

1 zeigt einen typischen Aufbau für die interferometrische Messung der Cateye- und konfokalen Positionen eines gekrümmten Testartikels zum Bestimmen seines Krümmungsradius.
2 ist eine schematische Zeichnung eines Aufbaus für die ROC-Messung mit einem Ein-Schritt-Verfahren gemäß der Erfindung.
3 zeigt drei lokalisierte Interferenzlinien-Envelopes (fringe envelopes), die durch Variieren der Modulationsperiode im Raum verschoben werden gemäß der SCI-Verfahrensweise für die Analyse mit Kohärenz-Scanning-Interferometrie-(coherence scanning interferometry, CSI)-Techniken, um die Position des maximalen Kontrasts des Textobjektes entlang der optischen Achse des Interferometers zu bestimmen.
4 zeigt drei lokalisierte Interferenzlinien-Envelopes, die durch Variieren der Modulationsphase phasenverschoben werden gemäß der SCI-Verfahrensweise für die Analyse mit Phasenverschiebungsinterferometrie-(phase-shifting interferometry, PSI)-Techniken, um die Position des maximalen Kontrasts des Testobjektes entlang der optischen Achse des Interferometers zu bestimmen.
5 zeigt eine sehr vergrößerte Ansicht des Effekts der Phasendifferenz zwischen lokalisierten Interferenzlinien nahe dem Maximum des Interferenzlinien-Envelopes, der durch Variieren der mittleren Wellenlänge der modulierten Quelle kreiert wird.
6 zeigt eine mögliche Konfiguration zum Einführen von Veränderungen der mittleren Wellenlänge in der Lichtquelle eines SCI-Instruments.
7 zeigt die Übertragungskurven T, die durch drei Wellenlängenfilter, wie sie im Aufbau der 6 verwendet werden, erzeugt werden, um simultan phasenverschobene Wellenlängen-abhängige lokalisierte Interferenzlinien zu erzeugen.
8 ist ein Flussdiagramm der wichtigsten Schritte, die zum Ausführen der Erfindung erforderlich sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie in dieser Offenbarung verwendet, soll „Weißlicht“ sich auf jegliches Breitbandlicht des Typs wie verwendet in der Technik der Weißlicht-Interferometrie (white-light interferometry, WLI) beziehen, typischerweise mit einer Bandbreite im Bereich von vielen Nanometern. WLI und CSI (coherence scanning interferometry) werden austauschbar verwendet. Mit Bezug zu Licht im Allgemeinen werden die Begriffe „Frequenz“ und „Wellenlänge“ alternativ verwendet, wie es gewöhnlicherweise in der Technik geschieht, aufgrund ihrer wohlbekannten inversen Beziehung. „Optische Pfaddifferenz“ (optical path difference) oder „OPD“ und „Zeitverzögerung“ können alternativ verwendet werden wegen ihrer Raum/Zeit-Beziehung in der Interferometrie. Wie üblich in der Technik bezüglich interferometrischer Geräte, werden „optische Pfaddifferenz“ und „OPD“ auch verwendet, um sich auf die Differenz zwischen den Längen der optischen Pfade der Test- und Referenzarme des Gerätes zu beziehen. In gleicher Weise werden „Sinus“ und „Cosinus“ ebenso wie verwandte Begriffe alternativ verwendet, wenn nicht spezifisch anders angegeben. Die Begriffe „Referenzoberfläche“, „Referenzoptik“ und „Referenzsphäre“ werden alternativ verwendet, und es soll verstanden werden, dass eine Sphäre normalerweise in der Technik für die ROC-Messung verwendet wird. In gleicher Weise werden die Begriffe „Testoberfläche“, „gemessene Oberfläche“, „Testartikel“, „Testobjekt“ und „Testlinse“ allesamt verwendet, um sich auf das Objekt zu beziehen, dass einer Messung unterliegt. Der Begriff „Einzelschritt“ und verwandte Begriffe werden verwendet, um sich auf die Schritte des Positionierens des Testobjektes im Messinstrument zu beziehen, nicht auf die zeitliche Erfassung von Interferenzliniensignalen für den Zweck der Messung. Gemäß den SCI-Prinzipien können solche aufeinanderfolgenden Interferenzliniensignale vorteilhaft über die Zeit erfasst werden durch Modulieren der Quelle ohne physisches Scannen des Testobjektes.
Die Begriffe „modulieren“ und „Modulation“ werden in Verbindung einer Lichtquelle im weitesten Sinne verwendet, um jede Änderung der Frequenzverteilung, Amplitudenverteilung oder Phasenverteilung der von der Lichtquelle produzierten Energie einzuschließen, und auch die Synthese eines Lichtsignals mit einer gewünschten Frequenz-, Amplituden- oder Phasenverteilung durch beliebige Mittel zu beinhalten. Wenn in Verbindung mit Interferenzlinien verwendet, bezieht sich der Betriff „Modulation“ auf den Interferenzlinien-Envelope. Im Falle von spektral gesteuerten oder Mehrfach-Wellenlängen-Quellen, soll „lokalisierte Interferenzlinien“ eindeutig identifizierbare Interferenzlinienmuster bedeuten, die in vorbestimmten Distanzen von der Referenzoberfläche gebildet sind. Lokalisierte Interferenzlinien werden beschrieben als auf den Oberflächen positioniert, von denen sie erzeugt werden, um zu zeigen, wie sie zu jenen Oberflächen und Oberflächenformen, die sie erzeugen, in Bezug stehen; jedoch soll verstanden werden, das physisch gesehen, solche lokalisierten Interferenzlinien nur virtuelle Interferenzlinien sind und dass wirkliche Interferenzlinien tatsächlich nur auf der Oberfläche des Detektors gebildet werden. Ebenso werden der Satz „Erzeugen von lokalisierten Interferenzlinien an einer vorbestimmten Position im Raum“ und verwandte Ausdrücke zur Vereinfachung verwendet, aber es soll verstanden werden, dass die exakte beabsichtigte Bedeutung ist „Erzeugen einer interferometrischen Umgebung, wobei eindeutig identifizierbare Interferenzlinienmuster erzeugt werden, wenn eine Testoberfläche an einer vorbestimmten Position im Raum (relativ zu einer Referenzoberfläche) angeordnet wird“. Die Begriffe „Interferenzlinien“ („fringes)“, „Interferenzlinien“ („interference fringes)“, „Interferenzlinienmuster“ („fringe patterns) und „Korrelogramme“ („correlograms“) werden innerhalb der ihnen in der Technik zugeordneten Bedeutung austauschbar verwendet. Schließlich sollten der generische Begriff „Interferometrie“ und verwandte Begriffe breit verstanden werden, wie in der Technik verwendet und nicht auf Formmessungen unter Verwendung eines bildgebenden Interferometers beschränkt. Als solches soll Interferometrie die Messung der Veränderungen der Position eines Objektes, oder der Dicke der optischen Elemente, unter Verwendung jeglicher bekannter interferometrischer Technik ohne Beschränkung beinhalten. Der Begriff „spektral gesteuerte Lichtquelle“ („spectrally controllable light source“) soll jegliche Lichtquelle bedeuten, die zur spektralen Modulation fähig ist, gleich ob die Quelle eine Einzelkomponenten-spektral-steuerbare-Quelle, so wie aktuell erhältliche zur spektralen Modulation fähige Laser, oder eine Multi-Komponenten-Quelle ist, wie eine Quelle, die eine Breitbandquelle und einen Modulator als separate Komponenten beinhaltet. Schließlich, da bezogen auf die konfokale Position einer Testoberfläche, soll der Begriff „im Wesentlichen“ eine Position bedeuten, die in der Nähe der exakten konfokalen Position ist, so dass auflösbare Interferenzlinien sichtbar sind; das heißt, eine Position, an der eine Messung vorgenommen werden und in herkömmlicher Weise verwendet kann, um die Null-Interferenzlinien-(wahre konfokale) Position zu erreichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung stellt die Fähigkeit von SCI, Interferenzlinien an einer bestimmten Interferenzlinienmaximum-Stelle zu lokalisieren, einen neuen Ansatz der ROC-Messung bereit, die die mit herkömmlichen Verfahren verbundenen Probleme umgeht, indem das Verfahren auf eine einzige direkte Messung der Testoberfläche beschränkt wird. Der genaue Wert des Krümmungsradius kann direkt aus Gleichung 1 berechnet werden, wenn der Krümmungsradius der Referenzoptik bekannt ist. Da die Modulationsperiode und die mittlere Wellenlänge des Lichtes bei der Ausführung von SCI bekannte Werte sind, können sie allgemein verwendet werden, um die exakte Distanz der Testlinse von der Referenzoberfläche zu berechnen, und insbesondere gemäß der Erfindung, wenn die Testlinse in der konfokalen Position der Referenzoberfläche ist. Die Differenz zwischen diesem entlang der optischen Achse des Interferometers gemessenen Wert und der vorderen Brennweite der Referenzoptik ergibt den gewünschten ROC-Wert.
Bezug nehmend auf 2 (als Teilansicht des in 1 gezeigten Aufbaus) kann die Messungsabfolge der Erfindung im Allgemeinen wie folgt beschrieben werden. Die Testlinse 14 wird positioniert an der konfokalen Position 24 der Referenzoberfläche 18 (entsprechend einer Null-Interferenzlinie), die an einem interferometrischen Aufbau befestigt ist, der mit einer SCI-Quelle 16 ausgestattet ist, wie in 1 gezeigt. Die SCI-Quelle wird sodann moduliert, um einen maximalen Interferenzlinienkontrast zu bilden, welcher, unter Verwendung von Gleichung 1, alle Informationen ergibt, die erforderlich sind, um mit hoher Genauigkeit die Distanz der Linse 14 von der Referenzoberfläche 18 zu bestimmen. Die Differenz zwischen dem ROC der Referenzoberfläche und dieser Distanz der gemessenen Linse 14 wird den ROC der gemessenen Linse ergeben, ohne die Notwendigkeit, das Teil in die Cateye-Position 22 zu bewegen (siehe auch 1), wodurch die meisten mit herkömmlichen Messungen einhergehenden Messfehler (wie Abbe's-Fehler) ausgeschlossen werden. Es erfordert auch keine Mittel zur Distanzmessung entlang der optischen Bank 10.
Da SCI aktuell in der Technik praktiziert wird, es ist in den meisten Fällen günstig, das Quellspektrum unter Verwendung einer Sinusfunktion zu modulieren, die eine einzelne Lokalisierung erzeugt (anders als die Null-OPD-Bedingung), in der Interferenzlinien sichtbar sind (siehe U.S.-Patent Nr. 8,422,026 ). In diesem Fall ist die Phase der Interferenzlinien an die Phase des modulierenden Signals gebunden. Gleichung 2 beschreibt das Interferenzmuster als Ergebnis einer sinusförmigen Modulation des Quellspektrums, $I (z, λ, φ) = 0.5 [2 + c o s (\frac{2 π z}{λ_{0}} + φ)] e x p (\frac{- Λ {(z - \frac{λ_{0}^{2}}{2 Δ λ})}^{2}}{π λ_{0}^{2}})$
wobei λ₀ die Wellenlänge ist, z die Distanz vom Null-OPD-Punkt (in Bezug auf die Referenzoberfläche) ist, Λ die gesamte Bandbreite der Quelle ist, und φ die Phase der spektralen Modulation ist. Wenn eine Quelle mit einer festen, bekannten Bandbreite und mittleren Wellenlänge gegeben ist, ist es also möglich, die Lokalisierung der Testoberfläche in Bezug auf die Referenzoberfläche zu bestimmen durch Bestimmung der Wellenlängenmodulationsperiode, die erforderlich ist, um Interferenzlinien mit dem höchsten Kontrast zu erzeugen. Zusätzlich zeigen diese Gleichungen, dass die Lokalisierung L des Maximums des Interferenzlinienkontrasts und die Periode des Interferenzmusters beide von der Periode der spektralen Modulation Δλ und der mittleren Wellenlänge λ₀ der Quelle abhängen. Die Phase der Interferenzlinien steht in gleicher Weise in Bezug zu Δλ und λ₀. Daher ist es möglich, sowohl die Phase als auch die Lokalisierung der Interferenzlinien auch durch Einstellen der mittleren Wellenlänge der Quelle zu ändern. Diese grundlegenden Eigenschaften von SCI stellen eine Basis für viele Anwendungen bereit, einschließlich der Lösung des Problems, das in dieser Offenbarung angesprochen wird. Weil spektrale Modulation die Bildung von lokalisierten Interferenzlinien in einer vordefinierten Distanz von der Referenzoberfläche ermöglicht, ist sie besonders gut geeignet, vereinfachte ROC-Messungen in einer einzigen Messung auszuführen, was eine bedeutende Verbesserung zur herkömmlichen mehrschrittigen Verfahrensweise ist.
Die Lokalisierung des Testartikels an der konfokalen Position 24 wird durch herkömmliche Analyse der Interferenzlinienbilder bestimmt. 3 und 4 zeigen beispielsweise lokalisierte Interferenzlinien-Envelopes die zur CSI- bzw. PSI-Analyse erzeugt wurden. Da die Interferenzlinienbilder periodischer Natur sind, während die PSI-Analyse hochgenaue relative Messungen für das Testoberflächenprofil erzeugt, es ist manchmal schwierig, die exakte Position der Testoberfläche im Raum zu bestimmen. Daher kann Interferenzlinienanordnung-Disambiguierung (fringe order disambiguation) erforderlich sein, die in Kombination mit herkömmlichen Weißlicht-Interferometrie(white light interferometry, WLI)-Verfahren durch Scannen der Lokalisierung des kohärenten Envelopes ausgeführt werden kann, wie in U.S. Patent Nr. 6,059,925 (High-Definition Vertical-Scan Interferometry) gelehrt. Dieser Ansatz beinhaltet das Aufnehmen einer Reihe von Interferenzlinienbildern der Testoberfläche, wenn die Lokalisierung des Envelopes und/oder der Phase der Interferenzlinien durch Modulieren des von der Quelle 16 ausgestrahlten Spektrums geändert wird.
Ein kritisches Element der Erfindung ist die Kenntnis des exakten ROC der Referenzoberfläche. Diese kann durch herkömmliche Messverfahren mit einer optischen Bank bestimmt werden, wo die Referenzoberfläche als Testlinse behandelt wird. Alternativ kann er unter Verwendung der Referenzoberfläche als solcher in einem SCI-Aufbau gemessen werden, durch Anordnen einer Rückführungsoberfläche (return surface) an der Cateye-Position und Messen der Distanz des Interferenzlinienkontrastmaximums zur Referenzoberfläche (wiederum einfach unter Verwendung von Gleichung 1). Diese Kalibrierungsaktion muss nur einmal für jede Referenzsphäre ausgeführt werden und sie muss nicht für jede Messung wiederholt werden.
Wie bereits erwähnt, kann die exakte konfokale Position der Testoberfläche relativ zur Referenzoberfläche des Interferometers auf verschiedene Arten unter Verwendung von bewährten SCI-Ansätzen bestimmt werden. Wie beispielsweise gezeigt in 3, können drei lokalisierte Interferenzlinien-Envelopes 30, 32, 34 (oder mehr), welche im Raum versetzt sind, durch Modulieren der Quelle gemäß SCI-Prinzipien durch Ändern der Modulationsperiode in einer sinusförmigen Weise erzeugt werden. Diese Information ermöglicht die Bestimmung der Lokalisierung entsprechend dem maximalen Interferenzlinienkontrast unter Verwendung von herkömmlichen Weißlicht-Verfahren. In gleicher Weise zeigt 4 drei lokalisierte Interferenzlinienmuster 36, 38, 40 (es können mehr verwendet werden), welche durch Änderung der Modulationsphase der Quelle gemäß den SCI-Prinzipien in einer sinusförmigen Weise phasenverschoben sind, um die präzisere Bestimmung der dem maximalen Interferenzlinienkontrast entsprechenden Lokalisierung unter Verwendung von herkömmlichen Phasenverschiebungsverfahren zu ermöglichen. Wenn nötig, kann die korrekte Interferenzlinienanordnung durch herkömmliche Verfahren, wie oben erwähnt, bestimmt werden. Die exakte Position der Testoberfläche relativ zur Referenzoberfläche kann dann mit Gleichung 1 basierend auf der mittleren Wellenlänge und der Modulationsperiode entsprechend dem Interferenzlinienmaximum berechnet werden.
Weil es, wie oben erklärt, auch möglich ist, sowohl die Phase als auch die Lokalisierung der durch SCI produzierten Interferenzlinien durch Einstellen der mittleren Wellenlänge der Quelle zu ändern, basiert ein weiterer Ansatz für die exakte Bestimmung der Position der Testoberfläche relativ zur Referenzoberfläche auf der Verwendung von verschiedenen, gleichzeitig beobachteten Teilen des Spektrums der Quelle. 5 zeigt drei stark vergrößerte lokalisierte Interferenzlinienmuster (Korrelogramme (correlograms)) 42, 44, 46, von denen jedes mit einer anderen mittleren Wellenlänge erzeugt wurde, welche zum Beispiel durch Passieren von Weißlicht durch entsprechende Filter kreiert wurde, wobei die gemessene Oberfläche symbolisch durch die Linie 48 dargestellt ist. Als Folge der Verwendung von verschiedenen mittleren Wellenlängen hat jedes Korrelogramm eine andere Interferenzlinienperiode (aus Gleichung 2). Die Schnittstelle der Interferenzlinienintensitätskurven mit der gemessenen Oberfläche zeigt, dass die Phase jedes Korrelogramms sich mit einer unterschiedlichen Rate mit Bezug zur Position auf der Oberfläche ändert. Die Kombination der drei Phasen ist einzigartig innerhalb einer gewissen Breite von Distanzen von der Referenzoberfläche und sie kann verwendet werden, um die exakte Distanz unter Verwendung des Arbeitsprinzips von Multiple-Wellenlängen-Interferometrie zu berechnen.
Interferenzlinienmuster wie mit 42, 44, 46 gezeigt, können die gleiche Periode von spektraler Modulation teilen oder verschieden Modulationsperioden haben. Die für SCI typische Verwendung einer Quelle mit breiter Bandbreite erfordert einen bequemen Weg zum Aufbau von unabhängigen Detektionskanälen, jeder mit einer anderen mittleren Wellenlänge. Wie zum Beispiel in 6 gezeigt, kann anstelle einer einzigen Kamera, wie sie in herkömmlichen Interferometern zum Aufnehmen einer Reihe von Bildern verwendet wird, ein Set von drei Kameras 50, 52, 54 (oder mehr) verwendet werden, wobei jede Kamera mit einem unterschiedlichen Filter davor (gezeigt als Elemente 56, 58 bzw. 60) ausgestattet ist. Der eintreffende Strahl 62 wird durch zwei Strahlenteiler 64 und 66, die in Richtung der jeweiligen Kamera/Filter-Kombinationen gerichtet sind, in drei Strahlen geteilt. Die Filter werden so ausgewählt, dass sie nur einen Teil des ganzen Quellspektrums durchlassen, so dass jede Kamera das resultierende Spektrum mit einer unterschiedlichen mittleren Wellenlänge sieht. Ein Beispiel von Übertragungskurven von solchen Filtern ist in 7 gezeigt, wo die Kurven 70, 72, 74 den Spektren entsprechen, die durch die drei Filter 56, 58, bzw. 60 übertragen werden, und die Kurve 76 stellt das Gesamt-Spektrum der Quelle vor der Modulation dar. Durch sauberes Selektieren der Übertragungskurven T von diesen Filtern ist es möglich, drei simultane Korrelogramme mit den oben beschriebenen Eigenschaften zu produzieren. Dieser Ansatz wird im Detail in der co-anhängigen Anmeldung Nr. 15/959,006 mit dem Titel „Wavelength Shifting in Spectrally Controlled Interferometry“ beschrieben.
Somit ist ein einfacher Ansatz beschrieben worden, um den Krümmungsradius einer Testoberfläche mit einem spektral gesteuerten Interferometrie-Gerät zu messen, wenn der ROC der Referenzoberfläche genau bekannt ist. Eine einzige Messung der Testoberfläche an der konfokalen Null-Interferenzlinienposition der Referenzoberfläche ist notwendig, wodurch das Verfahren besonders vorteilhaft für das Testen innerhalb eines Herstellungsprozesses von Kopien desselben Artikels gestaltet wird. In jedem Fall wird der ROC der gemessenen Oberfläche einfach erhalten aus der Differenz zwischen dem ROC der Referenzoberfläche und der Position der Testoberfläche wie gemessen entlang der optischen Achse des Interferometers am konfokalen Punkt der Referenzoberfläche. 8 ist ein Flussdiagramm-Überblick über die entscheidenden Schritte der Ausführung der Erfindung.
Die Erfindung ist hiermit gezeigt und beschrieben worden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, die für die am besten ausführbaren gehalten werden, aber es sollte verstanden werden, dass Ableitungen davon gemacht werden können. Beispielsweise wurde die durch Modulation eingeführte Phasenverschiebung, um die SCI-Messung auszuführen, mit beispielhaften Änderungen in der Modulationsphase und der mittleren Wellenlänge der Quelle beschrieben, von denen alle Phasenverschiebungen in den lokalisierten Interferenzlinien erzeugen. Jedoch wird verstanden werden, dass die Erfindung auch mit anderen Änderungen in der Modulation des Quellspektrums ausgeführt werden könnte, solange die jeweiligen Phasenverschiebungen in den resultierenden interferometrischen Interferenzlinien für interferometrische Analyse geeignet sind. Während diese Lösungen den besten Weg darstellen, die Erfindung zu zeigen, ist es möglich, dass komplexere Lösungen für die optimale Messung einer besonderen Probe unter besonderen Testbedingungen erforderlich sind. Daher ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Details beschränkt, sondern gewährt den vollen Umfang der Ansprüche, um jeden und alle äquivalenten Vorrichtungen und Verfahren zu umfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/490029 [0001]
US 62/489008 [0001]
US 15/959333 [0001]
US 9857169 [0006]
US 8422026 [0007, 0018]
US 8810884 [0007]
US 8675205 [0007]
US 6059925 [0019]

Claims

Ein Verfahren zum Messen eines Krümmungsradius einer Testoberfläche mit einer einzigen konfokalen Messung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines Interferometers mit einer Lichtquelle, die zur spektralen Modulation fähig ist, um einen Lichtstrahl mit einer variierenden spektralen Verteilung zu erzeugen, wobei der Strahl eine temporäre Kohärenz hat, so dass Interferenzlinien (interference fringes) innerhalb eines Messraums des Interferometers detektierbar sind, und das Interferometer eine gekrümmte Referenzoberfläche mit einem bekannten Krümmungsradius beinhaltet; Platzieren der Testoberfläche an einer im Wesentlichen konfokalen Position der Referenzoberfläche; Modulieren der Lichtquelle, um mehrere Korrelogramme (correlograms) an der konfokalen Position der Referenzoberfläche zu erzeugen; Verarbeiten der mehreren Korrelogramme, um eine exakte Position der Testoberfläche in Bezug auf die Referenzoberfläche zu bestimmen, wodurch eine Distanz zwischen der Testoberfläche und der Referenzoberfläche bestimmt wird; und Erhalten des Krümmungsradius der Testoberfläche durch Subtrahieren der Distanz von dem bekannten Krümmungsradius der Referenzoberfläche.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mehreren Korrelogramme durch Ändern einer Modulationsperiode der Lichtquelle erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mehreren Korrelogramme durch Ändern einer Modulationsphase der Lichtquelle erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mehreren Korrelogramme durch Ändern einer mittleren Wellenlänge der Lichtquelle erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jedes der mehreren Korrelogramme durch sinusförmige spektrale Modulation der Lichtquelle erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte des Anordnens, Modulierens, Verarbeitens und Erhaltens bei aufeinanderfolgenden Testoberflächen wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die mehreren Korrelogramme durch Ändern der Modulationsperiode der Lichtquelle erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die mehreren Korrelogramme durch Ändern einer Modulationsphase der Lichtquelle erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die mehreren Korrelogramme durch Ändern einer mittleren Wellenlänge der Lichtquelle erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei jedes der mehreren Korrelogramme durch sinusförmige spektrale Modulation der Lichtquelle erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle geeignet ist, um mehrere Strahlen mit verschiedenen mittleren Wellenlängen zu erzeugen, um die mehreren Korrelogramme zu erzeugen, und der Verarbeitungsschritt durch Anwenden von Multi-Wellenlängeninterferometrischer Analyse auf die mehreren Korrelogramme ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jedes der mehreren Korrelogramme durch sinusförmige spektrale Modulation der Lichtquelle erzeugt wird.