DE19900158A1

DE19900158A1 - Geometrisch unempfindlich gemachtes Interferometer mit einstellbarem Bereich der Meßtiefe

Info

Publication number: DE19900158A1
Application number: DE19900158A
Authority: DE
Inventors: Peter De Groot
Original assignee: Zygo Corp
Current assignee: Zygo Corp
Priority date: 1998-01-06
Filing date: 1999-01-05
Publication date: 1999-07-15
Also published as: US6011624A; JPH11264714A

Description

Die Erfindung betrifft Interferometer und insbesondere betrifft sie ein geometrisch un empfindlich gemachtes Interferometer zur Oberflächenmessung. Noch genauer betrifft die Erfindung ein geometrisch unempfindlich gemachtes Interferometer, das einen ein stellbaren Bereich der Meßtiefe aufweist, und ein Verfahren und eine Vorrichtung, um den Bereich der Meßtiefe des geometrisch unempfindlich gemachten Interferometers einzustellen. Die Erfindung betrifft des weiteren ein geometrisch unempfindlich gemach tes Interferometer, das Mittel enthält, um die Fähigkeit der Bildgebungseinrichtung des Interferometers für rauhe Oberflächen zu vermessen, dadurch zu verbessern, daß re flektiertes Licht beschränkt wird, zu der Bildgebungseinrichtung zurückzukehren.

Die optische Meßtechnik zur Oberflächenmessung kann allgemein in zwei Gruppen un terteilt werden, nämlich eine mit Interferenzmessung und eine geometrische. Die geo metrische Technik umfaßt Triangulierung und Analyse von Moiré-Beugungsmustem, die die Projektion und Abbildung einer periodischen Struktur, wie eines Ronchi-Lineals, ein schließt. Die geometrischen Techniken sind relativ unempfindlich gegenüber Oberflä chenrauhigkeit und Verformungen, besitzen aber eine relativ geringe Auflösung - tat sächlich so niedrig, daß sie für viele Anwendungen ungeeignet sind, bei denen Oberflä chenprofile mit hoher Genauigkeit gemessen werden müssen.

Die Interferenzmeßtechnik verläßt sich andererseits auf die Wellennatur des Lichts, um mit hoher Genauigkeit das Oberflächenprofil eines Prüfgegenstands zu gewährleisten. Ein typisches herkömmliches Interferometer enthält einen Lichtgenerator, der ein Licht bündel erzeugt, ein Raumfilter-Bündeldivergenzelement, das das Lichtbündel zu einer divergierenden, sphärischen Wellenfront divergent macht, einen Strahlteiler, der einen Teil der divergierenden, sphärischen Wellenfront von dem gefilterten Bündel ablenkt, und eine Kollimatorlinse, die die Wellenfront parallel richtet, um eine ebene Wellenfront kohärenten Lichts zu erzeugen. Diese Wellenfront kohärenten Lichts wird dann von der Prüf- und Bezugsoberfläche reflektiert und erzeugt eine erste und zweite, reflektierte Wellenfront, die sich miteinander kombinieren, wobei beide konstruktiv und destruktiv interferieren und ein Interferenzstreifenmuster erzeugen. Eine Bildgebungseinrichtung, wie eine Festkörperkamera, erhält die rekombinierten Wellenfronten und erlangt Bilder des Interferenzstreifenmusters. Das Interferenzstreifenmuster wird dann analysiert, um Informationen über das Oberflächenprofil des Prüfgegenstands zu erhalten.

Die Analyse des Streifenmusters bei der Oberflächenmessung wird häufig durch die gut bekannte Technik der Phasenverschiebungs-Interferenzmessung durchgeführt. Bei der Phasenverschiebungs-Interferenzmessung wird die Höhendifferenz zwischen Orten auf einer Oberfläche, die durch erste und zweite Pixel in der Bildgebungseinrichtung bild mäßig erzeugt wird, bestimmt, indem zuerst die Phasendifferenz zwischen Licht be stimmt wird, das bei den ersten und zweiten Pixeln erhalten wird, und dann die Pha sendifferenz verwendet wird, eine Höhendifferenz zu berechnen. Ein Hauptvorteil der Phasenverschiebungs-Interferenzmessung ist, daß sie äußerst genau ist. Die vertikale Höhengenauigkeit bei der Phasenverschiebungs-Interferenzmessung ist ein Bruchteil (z. B. 1/100) der optischen Wellenlänge der Lichtquelle, die verwendet wurde, die Mes sung auszuführen. Ein zweiter Vorteil der Phasenverschiebungs-Interferenzmessung ist, daß sie gute Unabhängigkeitseigenschaften gegenüber Vibrationen aufweist, weil die Phasendaten für alle Pixel gleichzeitig erfaßt werden und die Datengewinnungszeit relativ kurz ist.

Jedoch kann, allgemein gesagt, die herkömmliche Methode der Phasenverschiebungs- Interferenzmessung nur glatte Oberflächen oberflächenmäßig messen, die relativ kleine Höhenänderungen oder "Oberflächenabweichungen" zwischen benachbarten Meßorten aufweisen. Diese Beschränkung ergibt sich aus der Tatsache, daß die Phasenverschie bungs-Interferenzmessung eine Phasenmehrdeutigkeitseinschränkung aufweist. Insbe sondere muß die maximale physikalische Abweichung zwischen benachbarten Meßor ten auf der Oberfläche weniger als 1/4 der Quellenwellenlänge sein. Anders gesagt muß die maximale Phasendifferenz zwischen dem Bezugs- und dem Prüflichtbündel einen Absolutwert haben, der kleiner als π ist. Diese Beschränkung, die manchmal als "zwei π Mehrdeutigkeit" bezeichnet wird, tritt auf, weil die Funktion des Arcustangens, die ver wendet wird, die Phase in Abstand umzuwandeln, nur innerhalb des Bereiches von ± π eindeutig ist. Obgleich die Verwendung von Phasenmessungen vorteilhaft erlaubt, daß eine sehr hohe Genauigkeit erhalten wird, begrenzt sie nachteilig die maximale Oberflä chenabweichung zwischen benachbarten Meßorten auf ein Viertel der optischen Wellen länge der Quelle. Eine weitere Schwierigkeit mit der Phasenverschiebungs-Interfe renzmessung tritt auf, wenn die Oberflächensteigung so groß ist, daß es schwierig wird, die Interferenzstreifen aufzulösen oder zu unterscheiden, weil die Streifendichte zu hoch ist. Deshalb ist, während die Phasenverschiebungs-Interferenzmessung viel genauer als die geometrische, optische Oberflächenmeßtechnik ist, sie historisch als ungeeignet zur Verwendung bei rauhen Gegenständen oder Gegenständen mit starken Oberflä chenverformungen angesehen worden. Interferometer, die die Analyse der Phasenver schiebungs-Interferenzmessung verwenden, sind deshalb historisch für einige Oberflä chenmeßanwendungen als nicht geeignet betrachtet worden.

Eine Interferenzmeßtechnik, der die Viertelwellenlängenbschränkung der Phasenver schiebungs-Interferenzmessung fehlt, ist die sogenannte Interferenzmessung mit Abta stung im weißen Licht. Bei der Interferenzmessung mit Abtastung im weißen Licht er zeugt eine weiße Lichtquelle oder allgemein eine mit einem breiten Band im Gegensatz zu einer mit einem schmalen Band, ein Interferenzmuster, das Bereiche hohen Kon trasts an jedem Ort der Prüfoberfläche als Funktion der Abtastposition enthält. Die Ab tastposition mit hohem Kontrast für ein gegebenes Pixel gibt die Höhe des entspre chenden Orts auf der Prüfoberfläche an. Deshalb kann, indem die momentanen Eigen schaften dieser Bereiche hohen Kontrasts miteinander verglichen werden, eine Hö hendifferenz zwischen zwei Orten auf der Profiloberfläche bestimmt werden. Anders als bei der Phasenverschiebungs-Interferenzmessung berechnet die Interferenzmessung mit Abtastung im weißen Licht keine Höhendifferenzen auf der Grundlage von Phasen differenzen, und die Phasenbeschränkung bei der Phasenverschiebungs- Interferenzmessung trifft deshalb bei der Interferenzmessung mit Abtastung im weißen Licht nicht zu. Die maximale physikalische Abweichung zwischen benachbarten Meßor ten auf einer profilierten Oberfläche kann deshalb bei der Interferenzmessung mit Abta stung im weißen Licht viel größer als bei der Phasenverschiebungs-Interferenzmessung sein.

Jedoch besitzt die Interferenzmessung mit Abtastung im weißen Licht eigene Nachteile, die ihre Verwendung bei industriellen Anwendungen behindert. Beispielsweise ist das Sichtfeld im allgemeinen nicht größer als mit üblichen Mikroskopobjektiven erreicht wer den kann. Um richtig zu arbeiten, muß die Bildgebungseinrichtung des Instruments eine hohe Auflösung haben, wenn mit der entsprechenden Beugungsstreifendichte vergli chen wird. Wenn das Sichtfeld des Instruments bei der typischen Interferenzmessung mit Abtastung im weißen Licht erhöht wird, kann es ohne weiteres schwierig werden, die Streifendichte sogar mit Bildgebungseinrichtungen sehr hoher Auflösung aufzulösen. Dieses Problem tritt insbesondere während der Oberflächenmessung rauher Oberflä chen auf. Des weiteren nimmt die Neigungstoleranz für Spiegelflächen linear mit der Feldgröße ab, und die Fleckeneffekte, die bei Messungen rauher Oberflächen verlangt werden, können nur aufgelöst werden, wenn die numerische Apertur des Objektivs line ar abnimmt, wenn das Feld zunimmt. Die Notwendigkeit, das Fleckenmuster von rauhen Oberflächen aufzulösen, ist äußerst entmutigend, da die gesammelte Lichtmenge mit dem Quadrat der numerischen Apertur abnimmt. Lichtverlust bedeutet, daß größere Oberflächen eine leistungsstärkere Beleuchtungseinrichtung verlangen. Noch schlim mer, der Streifenkontrast ist nun ein stark veränderbarer Parameter, und die Qualität der Messung hängt kritisch von dem Ausgleich zwischen der Bezugs- und Gegenstands bündelintensität ab.

Ein anderer Nachteil der Technik der typischen Interferenzmessung mit Abtastung im weißen Licht ist, daß die Datengewinnung sehr langsam ist. Die langsame Geschwin digkeit ist eine Folge des sich als Funktion der Abtastposition schnell ändernden Interfe renzeffekts. Genaue Messungen verlangen, daß diese Änderungen im einzelnen aufge zeichnet werden, üblicherweise mit der Rate von einer Messung pro Pixel pro 75 nm der Abtastbewegung. Die geringe Geschwindigkeit erzeugt zusätzliche Probleme, wie eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Wärmeverformungen und mechanischen Spannungen während der Messungen.

Ein noch anderer Nachteil der typischen Interferenzmessung mit Abtastung im weißen Licht ist ihre große Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen, die sich teilweise aus der langsamen Datengewinnungsgeschwindigkeit und teilweise aus der äußerst hohen Empfindlichkeit des Interferenzstreifenmusters ergibt, die leicht durch sehr kleine Vibra tionsgrößen verschlechtert wird. Ein für die Analyse durch Interferenzmessung mit Ab tastung im weißen Licht ausgelegtes Instrument verlangt im allgemeinen eine massive Montagebefestigung und kostspielige Vibrationsisolierung. Selbst mit diesen Vorsichts maßnahmen sind solche Instrumente weiterhin auf ein relativ vibrationsfreies Umfeld beschränkt, verglichen mit normalen Produktionsumfeldern.

Die letzten Jahre haben eine erhöhte Anforderung nach Techniken mit hoher Geschwin digkeit und hoher Genauigkeit für Oberflächenprofile von hergestellten Teilen gesehen, die große Oberflächenabweichungen besitzen, d. h., die rauhe Oberflächen oder Ober flächen mit starken Oberflächenverformungen aufweisen. Eine entsprechende Anforde rung ist bei der Datengewinnung während der Produktion im Gegensatz zum Labor auf getreten. Beispielsweise müssen Präzisionsprodukte, wie Festplatten für Computerplat tenlaufwerke mit hoher Genauigkeit bei hohen Geschwindigkeiten und unter Bedingun gen oberflächenmäßig vermessen werden, bei denen der Prüfgegenstand beträchtli chen Vibrationen während der Herstellungsverfahren ausgesetzt sein kann. Weder die herkömmlichen Techniken der Phasenverschiebungs-Interferenzmessung noch die her kömmlichen Techniken der Interferenzmessung mit Abtastung im weißen Licht sind für diesen Zweck geeignet.

Dieses Bedürfnis ist im großen Maße in der Entwicklung des geometrisch unempfindlich gemachten Interferometers erfüllt worden. Ein geometrisch unempfindlich gemachtes Interferometer ist durch den Austausch des Strahlteilers des herkömmlichen Instruments gegen eine optische Baueinheit gekennzeichnet, die zwischen der Kollimatorlinse und dem Prüfgegenstand angeordnet ist. Die optische Baueinheit, die typischerweise (aber nicht notwendigerweise) eine Beugungsgittereinheit, ein Hologramm oder eine Beu gungsoptik in Kombination mit herkömmlicher Optik, wie Spiegel und Linsen, umfaßt, teilt das parallel gemachte Quellenlicht in zwei Bündel auf, die sich in zwei unterschiedli che Richtungen fortpflanzen und auf die profilierte Oberfläche an demselben Ort, aber unter unterschiedlichen Einfallswinkeln, auftreffen. Die Bündel werden von der profilier ten Oberfläche reflektiert und laufen durch die optische Baueinheit in unterschiedlichen Richtungen zurück, wonach sie miteinander kombiniert werden. Konstruktive und de struktive Interferenz des reflektierten und kombinierten Bündels bilden ein Interferenz streifenmuster, das eine äquivalente Wellenlänge λ aufweist, die Größenordnungen größer als die Quellenwellenlänge sein kann. Als Ergebnis ist das geometrisch unemp findlich gemachte Interferometer viel weniger empfindlich gegenüber Höhenänderungen und Oberflächenverformungen als die herkömmlichen Interferometer, die die Analyse techniken der Phasenverschiebungs-Interferenzmessung verwenden. Einige Arten der geometrisch unempfindlich gemachten Interferometer sind auch achromatisch. Das heißt, der Streifenabstand in einem Interferenzstreifenmuster, das durch ein geome trisch unempfindlich gemachtes Interferometer erzeugt wird, ist von der Quellenwellen länge unabhängig. Als Ergebnis und anders als bei Interferometern mit Interferenzmes sung mit Abtastung im weißen Licht gibt es keine Kohärenzhüllkurve, die mit der Quel lenbandbreite verbunden ist. Deshalb werden viele Nachteile vermieden, die mit der In terferenzmessung mit Abtastung im weißen Licht verbunden sind, wie ein begrenztes Sichtfeld, geringe Gewinnungsgeschwindigkeit und hohe Empfindlichkeit gegenüber Vi brationen. Die Empfindlichkeit geometrisch unempfindlich gemachter Interferometer liegt zwischen herkömmlicher Interferenzmessung und Moiré-Streifenanalyse, und ist mit derjenigen vergleichbar, die bei Interferenzmessung mit streifendem Einfall erhalten wird. Geometrisch unempfindlich gemachte Interferometer können deshalb bei Herstel lungsanwendungen und anderen Anwendungen verwendet werden, die für die her kömmliche Interferenzmessungen ungeeignet sind.

Eine Eigenschaft von geometrisch unempfindlich gemachten Interferometern ist, daß sie eine merkliche Abnahme des Streifenkontrasts bei einer Zunahme der effektiven Quer abmessung des Quellenlichts zeigen, d. h. in der physikalischen Dimension des Quellen lichts in einer Richtung, die sich quer entlang der Ebene der optischen Baueinheit er streckt. Als Ergebnis ändert sich der Abstandsbereich von dem Lichtgenerator zu der Prüfoberfläche, über der eine Kontrastintensität einer minimal annehmbaren Schwelle vorhanden ist, umgekehrt zu der effektiven Querabmessung des Quellenlichts. Anders gesagt, ist die äquivalente Kohärenzhüllkurve zu der effektiven Seitenabmessung des Quellenlichts umgekehrt proportional. Ein geometrisch unempfindlich gemachtes Inter ferometer, das ein physikalisch relativ schmales Quellenlicht erzeugt, kann wesentliche Änderungen bei dem Abstand zwischen der Prüfoberfläche und der optischen Bauein heit zulassen, während ein annehmbarer Streifenkontrast beibehalten wird. Ein geome trisch unempfindlich gemachtes Interferometer, das ein relativ weites Quellenlicht er zeugt, ist gegenüber Entfernungsänderungen zwischen der Prüfoberfläche und der opti schen Baueinheit relativ intolerant.

Da sich die effektive Querabmessung des Quellenlichts direkt mit der effektiven Quer abmessung der Austrittsöffnung des Lichtgenerators ändert, mag die herkömmliche Überlegung sein, ein geometrisch unempfindlich gemachtes Interferometer derart zu konstruieren, daß die effektive Querabmessung der Austrittsöffnung so weit wie prak tisch möglich minimiert wird, um dadurch die Weite der äquivalenten Kohärenzhüllkurve und dem effektiven Bereich der Meßtiefe zu maximieren. Jedoch ist festgestellt worden, daß es Situationen gibt, in denen eine relativ schmale, äquivalente Kohärenzhüllkurve und ein sich ergebender relativ kleiner Bereich an Meßtiefen erwünscht sind. Diese An wendungen schließen ein, nur eine Oberfläche eines optisch durchlässigen Elementes oberflächenmäßig zu messen und zwischen einem interessierenden Merkmal auf einer Prüfoberfläche, wie einer Rille, und einem benachbarten Merkmal zu unterscheiden, das von dem interessierenden Merkmal mit einem wesentlichen vertikalen Abstand getrennt ist. Jedoch sind die Anwendungen, bei denen eine Arbeitsweise mit niedriger Kohärenz erwünscht ist, im Vergleich mit Anwendungen seltener, bei denen eine Arbeitsweise mit hoher Kohärenz erwünscht ist, und deshalb ist die Konstruktion eines geometrisch un empfindlich gemachten Interferometers speziell für die Arbeitsweise bei niedriger Kohä renz unzweckmäßig. Des weiteren wäre es, selbst wenn ein geometrisch unempfindlich gemachtes Interferometer einzig für einen Vorgang mit niedriger Kohärenz konstruiert wäre, unmöglich, zwischen einem niedrigen Kohärenzmodus und einem hohen Kohä renzmodus zur Fokussierung oder für ähnliche Operationen hin- und herzuschalten.

Ein anderes Problem, das mit vielen optischen Instrumenten und selbst mit vielen geo metrisch unempfindlich gemachten Interferometern verbunden ist, ist, daß sie Schwie rigkeit zeigen, eine Oberfläche zu vermessen, die so rauh ist, daß sie reflektiertes Licht in einem solchen Maße streut, daß die Bildgebungseinrichtung des Instruments keine Bilder mit annehmbarem Kontrast für die Interferenzmessungsanalyse erzeugen kann. Dieses Problem könnte verbessert werden, wenn ein Mechanismus verfügbar wäre, auf irgendeine Weise reflektiertes Licht zu beschränken, zu der Bildgebungseinrichtung zu rückzulaufen, um die Kohärenz in dem Bild zu optimieren. Bisher stehen keine solche Einrichtungen zur Verfügung.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung ein geometrisch unempfindlich gemachtes Inter ferometer zu schaffen, das Mittel einschließt, Licht, das zu der optischen Baueinheit des Instruments oder von ihr fortläuft, zu formen, um die Vielseitigkeit des Instruments zu verbessern.

Aufgabe der Erfindung ist auch, ein Verfahren zu schaffen, mit dem selektiv der Bereich der Meßtiefe eines geometrisch unempfindlich gemachten Interferometers eingestellt werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung wird bezüglich des Interferometers durch die unabhängigen Vorrichtungsansprüche gelöst, insbesondere indem geschaffen wird ein geometrisch unempfindlich gemachtes Interferometer zur Oberflächenmessung einer Gegenstands oberfläche, das umfaßt einen Lichtgenerator, eine optische Baueinheit, die zwischen dem Lichtgenerator und der Gegenstandsoberfläche angeordnet und derart ausgestaltet ist, daß sie Licht von dem Lichtgenerator in einem Bereich von Einfallswinkeln Δγ in bezug auf eine Linie erhält, die sich senkrecht zu der genannten optischen Baueinheit er streckt, und eine Bildgebungseinrichtung, die auf einer mit dem Lichtgenerator gemein samen Seite der optischen Baueinheit angeordnet und ausgestaltet ist, daß sie Licht, das von dem Lichtgenerator durch die optische Baueinheit hindurch übertragen und von der Gegenstandsoberfläche durch die optische Baueinheit hindurch reflektiert worden ist, erhält, so daß ein Interferenzmuster mit einer Anzahl äquivalenter Wellenlängenstrei fen erzeugt wird. Ein Blendenhalteelement ist zwischen der optischen Baueinheit und dem Lichtgenerator oder der Bildgebungseinrichtung angeordnet ist und das eine Blen de aufweist, die hindurchgehendes Licht formt. Die die Blende hat eine wirksame Quer abmessung in bezug auf die Linie. Ein Einstellmechanismus ist selektiv betätigbar, die effektive Querabmessung der genannten Blende einzustellen.

Ein Fortschritt wird durch die Erfindung erreicht, indem ein geometrisch unempfindlich gemachtes Interferometer geschaffen wird, das entweder im Modus mit hoher Kohärenz oder im Modus mit niedriger Kohährenz betrieben werden kann, so daß sich ein einstell barer Bereich an Meßtiefen ergibt.

Ein Vorteil wird erreicht, indem in das geometrisch unempfindlich gemachte Interferome ter ein Mechanismus eingesetzt wird, der selektiv die Querabmessung des Quellenlichts einstellt. Bei einer Ausführungsform umfaßt das Blendenhalteelement ein Austrittsele ment des Lichtgenerators, die Blende umfaßt eine Austrittsblende des Austrittselements, und die Größe Δγ hängt von der effektiven Querabmessung der Austrittsblende ab. Die Größe Δγ steht umgekehrt zu der effektiven Querabmessung der Austrittsblende in Be ziehung. In diesem Fall ist der Einstellmechanismus betriebsmäßig mit dem Austrittse lement gekoppelt ist, um das Austrittselement selektiv zu drehen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß ein geometrisch unempfindlich gemachtes In terferometer geschaffen wird, das die Aufgabe der Erfindung erfüllt und bei dem das Umschalten vom Modus hoher Kohärenz zu dem Modus niederer Kohärenz einfach und mit minimaler Hardware ausgeführt werden kann.

Dies wird in vorteilhafter Weise durch die Erfindung erreicht, indem ein Drehknopf ver wendet wird, die Einstellung der Blendenlänge auszuführen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß ein geometrisch unempfindlich gemachtes In terferometer bereitgestellt wird, das Gegenstände mit Oberflächen oberflächenmäßig genau vermessen kann, die so rauh sind, daß sie die Fähigkeit der Bildgebungseinrich tung des Instruments behindern, interferierende Wellenformen abzubilden, die von der Oberfläche reflektiert werden.

Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Instrument geschaffen, das allgemein wie oben beschrieben konstruiert ist und in dem das Blendenhaltelement zwischen der optischen Baugruppe und der Bildgebungseinrichtung angeordnet ist. Die se Blende formt das Licht, das in die Blende von der optischen Baueinheit hereintritt und begrenzt das Licht, das zu der Bildgebungseinrichtung läuft. In diesem Fall entfernt der Einstellmechanismus selektiv das Blendenhalteelement aus dem Weg des Lichts, das in die Bildgebungseinrichtung eintritt.

Im Hinblick auf eine Verfahren wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst indem Licht (1) von einer Austrittsöffnung eines Lichtgenerators auf eine optische Baueinheit in ei nem Bereich von Einfallswinkeln Δγ in bezug auf eine Linie übertragen wird, die sich senkrecht in bezug auf die optische Baueinheit erstreckt, (2) weiter durch die optische Baueinheit hindurch (3) zu einer Oberfläche eines Gegenstands als zwei Bündel, die auf eine Prüfgegenstandsoberfläche an einem gemeinsamen Ort unter unterschiedlichen Einfallswinkeln auftreffen, (4) von dort zurück zu der optischen Baueinheit und durch diese hindurch (5) zu einer Bildgebungseinrichtung als ein Interferenzmuster gelangt, das eine Anzahl äquivalenter Wellenlängenstreifen aufweist, die von der Größe Δγ ab hängt.

Ein zusätzlicher Schritt umfaßt, die Größe Δγ, die Anzahl äquivalenter Wellenlängen streifen und die effektive Kohärenztiefe des Interferometers zu ändern.

Vorzugsweise weist die Austrittsöffnung des Lichtgenerators eine wirksame Querab messung in bezug auf die Linie auf, die sich senkrecht in bezug auf die optische Bau einheit erstreckt, und die Größe Δγ hängt von der effektive Querabmessung der Aus trittsöffnung des Lichtgenerators ab. In diesem Fall umfaßt der Änderungsschritt, die Größe Δγ zu erhöhen, indem die effektive Querabmessung der Ausgangsöffnung des Lichtgenerators verringert wird. Beispielsweise kann, wenn die Austrittsöffnung des Lichtgenerators einen Längsschlitz umfaßt, der in einem Ausgangselement des Lichtge nerators gebildet ist, dann der Änderungsschritt umfassen, das Ausgangselement zu drehen, um die Ausrichtung des Längsschlitzes in bezug auf die Normale zu ändern.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungsgegenstände sind in den Unteransprüchen angegeben.

Andere Zielsetzungen, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden dem Durchschnitts fachmann auf dem Gebiet aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den bei gefügten Zeichnungen offensichtlich. Es versteht sich jedoch, daß die ausführliche Be schreibung und die besonderen Beispiele, die bevorzugte Ausführungsform der vorlie genden Erfindung angeben, zur Darstellung und nicht zur Begrenzung gegeben wur den. Viele Änderungen und Abwandlungen können innerhalb des Bereiches der vorlie genden Erfindung vorgenommen werden, ohne von ihren Gedanken abzuweichen, und die Erfindung umfaßt alle solche Abänderungen.

Bevorzugte beispielhafte Ausführungsform der Erfindung sind in den beigefügten Zeich nungen dargestellt, in denen gleiche Bezugszeichen durchgehend gleiche Teile darstel len.

Die Erfindungsgegenstände werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, in denen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines geometrisch unempfindlich gemachten Interferometerinstruments ist, das gemäß einer ersten, bevorzugten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist,

Fig. 2 schematisch die Funktionsteile des geometrisch unempfindlich gemachten Interferometer der Fig. 1 darstellt,

Fig. 3 eine schematische perspektivische Teilansicht eines Lichtgenerators des geometrisch unempfindlich gemachten Interferometers in Fig. 1 und 2 ist,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Lichtquelle des Lichtgenerators der Fig. 3 und des Eintrittsendes des zugeordneten optischen Faserbündels ist,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des Austrittsendes des optischen Faserbün dels der Fig. 3 ist und eine Austrittsöffnung des optischen Faserbündels der Fig. 3 und 4 in einer ersten Ausrichtung darstellt, in der die effektive Querabmessung der Austrittsöffnung relativ klein ist,

Fig. 6 der Fig. 5 entspricht, aber die Austrittsöffnung in einer zweiten Ausrichtung zeigt, in der die effektive Querabmessung der Austrittsöffnung relativ groß ist,

Fig. 7 eine Kurve der Intensität als Funktion der Wellenlänge für das geome trisch unempfindlich gemachte Interferometer der Fig. 1 und 2 ist,

Fig. 8 eine Kurve des Streifenkontrasts als Funktion der Anzahl der Streifen bei dem geometrisch unempfindlich gemachten Interferometer der Fig. 1 und 2 ist,

Fig. 9 und 10 Kurven der Intensität als Funktion der Tiefenposition oder des Tiefenbe reiches bei dem geometrisch unempfindlich gemachten Interferometer der Fig. 1 und 2 sind, wobei Fig. 9 die Intensität bei einer Ausgestaltung aufge tragen ist, bei der das Instrument auf eine niedrige Kohärenz oder einen kleinen Meßtiefenbereich eingestellt ist, und Fig. 10 die Intensität bei einer Ausgestaltung aufgetragen ist, bei der das Instrument auf hohe Kohärenz oder einem großen Meßtiefenbereich eingestellt ist,

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht eines geometrisch unempfindlich gemachten Interferometer ist, das gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfin dung konstruiert ist, wobei ein entfernbares Blendenhalteelement zwi schen der optischen Baueinheit des geometrisch unempfindlich gemachte Interferometer Instruments und einer Bildgebungseinrichtung angeordnet ist,

Fig. 12 schematisch die Funktionskomponenten des geometrisch unempfindlich gemachte Interferometer Instruments der Fig. 11 darstellt, und

Fig. 13 eine Draufsicht auf das Blendenhalteelement der Bildgebungseinrichtung der Fig. 12 ist.

1. Zusammenfassung

Ein geometrisch unempfindlich gemachtes Interferometerinstrument enthält einen Licht generator, eine optische Baueinheit, eine Bildgebungseinrichtung und einen einstellba ren Mechanismus, um selektiv den Lichtdurchgang durch oder den Lichtempfang von der optischen Baueinheit derart zu ändern, daß die Vielseitigkeit des Instruments erhöht wird. Der Einstellmechanismus kann zwischen dem Lichtgenerator und der optischen Baueinheit so angeordnet werden, daß er zumindest selektiv die effektive Querabmes sung des Quellenlichts ändert und daher selektiv den Bereich der Meßtiefe des Instru ments einstellt. Das Instrument kann deshalb selektiv in einem Modus hoher Kohärenz oder einem Modus geringer Kohärenz arbeiten. Statt eines oder zusätzlich zu einem Quellenlichteinstellmechanismus könnte der Einstellmechanismus eine Blende umfas sen, die das in die Bildgebungseinrichtung eintretende Licht derart formt, daß die Fähig keit des Instruments verbessert wird, Gegenstände mit rauhen Oberflächen oberflächenmäßig zu messen.

2. Die Verwendung eines Lichtgenerators mit veränderbarer, geometrischer Blen de, um die effektive Kohärenztiefe einzustellen

Die Erfindung behinhaltet die Einstellung der effektiven Querabmessung zumindest 1) des Quellenlichts, das zu der optischen Baueinheit eines geometrisch unempfindlich gemachten Interferometers von dem Lichtgenerator dieses Instruments läuft, oder 2) des Lichts, das zu einer Bildgebungseinrichtung des geometrisch unempfindlich ge machten Interferometers von der optischen Baueinheit reflektiert wird. Mechanismen zur Ausführung dieser zwei Einstellungen können einzeln oder in Kombination miteinander verwendet werden. Nur zur Erläuterung sind hier zwei Ausführungsformen geoffenbart, von denen die erste Ausführungsform nur einen Einstellmechanismus für die wirksame Querabmessung der Lichtbündelquelle enthält, das zu der optischen Baueinheit über tragen wird, und bei der die zweite Ausführungsform einen ersten Mechanismus, um die effektive Querabmessung der Lichtquelle selektiv einzustellen, die zu der optischen Baueinheit übertragen wird, und einen zweiten Mechanismus enthält, um die effektive Querabmessung des reflektierten Lichts selektiv einzustellen, das von der optischen Baueinheit zu der Bildgebungseinrichtung läuft. Es versteht sich, daß diese Mechanis men oder andere Mechanismen, die die gleichen oder äquivalenten Funktionen ausfüh ren, in irgendeiner erwünschten Weise miteinander vermischt und angepaßt werden könnten.

a. Aufbau des geometrisch unempfindlich gemachten Interferometers

Es wird nun auf die Fig. 1-6 Bezug genommen, und anfangs insbesondere auf Fig. 1, wobei ein geometrisch unempfindlich gemachtes Interferometer 20, das gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist, ein Hauptgehäuse teil 22, eine Prüfgegenstands-Haltevorrichtung 24 und einen Computer 26 umfaßt. Der Computer 26 ist mit zumindest dem Hauptgehäuseteil 22 verbunden und ist bei der dar gestellten Ausführungsform, bei der die Gegenstandshaltevorrichtung 24 einen Ab tasttisch 54 (im einzelnen unten) umfaßt, auch mit dem Abtasttisch verbunden, um die Verschiebung des Prüfgegenstands O in Richtung zu und fort von dem Hauptgehäuse teil 22 zu steuern.

Der Computer 26 kann irgendeinen programmierbaren Universalcomputer umfassen, der die Arbeitsweise des Hauptgehäuses 22 und/oder des Abtasttisches 24 steuern kann. Der Computer 26 umfaßt ein Gehäuse 28, das einen Prozessor, einen RAM, ei nen ROM, usw. aufnimmt, eine Tastatur 30 zur Dateneingabe und einen Bildschirm 32. Der Computer 26 könnte durch einen internen, elektronischen Prozessor ersetzt wer den, der in dem Gehäuse 34 des Hauptgehäuseteils angeordnet wird und alle Daten verarbeitungsfunktionen des Computers 26 durchführt. In diesem Fall würden die An zeigefunktionen durch einen eigenständigen Bildschirm durchgeführt werden, der unmit telbar mit dem Hauptgehäuseteil 22 gekoppelt ist.

Das Hauptgehäuseteil 22 umfaßt ein geschlossenes Gehäuse 34, in dem die Funktion steile des geometrisch unempfindlich gemachten Interferometers (ausführlich unten) untergebracht sind. Das Gehäuse 34 umfaßt eine vordere und rückwärtige Endwand 36 bzw. 38, eine obere Wand 40, eine untere Wand 42, eine linke Seitenwand 44 und eine rechte Seitenwand 46. Ein Einstellknopf 48 ist an der rechten Seitenwand 46 drehbefe stigt und erstreckt sich von ihr nach außen, damit die wirksame Querabmessung der Ausgangsöffnung des Lichtgenerators eingestellt werden kann, wie es unten ausführlich angegeben ist. Eine Öffnung (nicht gezeigt) in der vorderen Endwand 36 des Gehäuses 34 ermöglicht die Übertragung und den Empfang von Licht.

Die Prüfgegenstands-Haltevorrichtung 24 kann irgendeine Konstruktion umfassen, die einen Prüfgegenstand O in einer Position halten kann, in der eine Oberfläche S, die oberflächenmäßig gemessen werden soll, Licht erhält, das von dem Hauptgehäuseteil 22 übertragen wird und das Licht zurück zu dem Hauptgehäuseteil 22 reflektiert. Die Haltevorrichtung 24 kann von dem Hauptgehäuseteil 22 getrennt werden, wie es dar gestellt ist, oder kann alternativ betriebsmäßig und/oder physikalisch mit dem Hauptteil gehäuse 22 gekoppelt sein, um eine Einheit zu bilden. Bei der dargestellten Ausfüh rungsform umfaßt die Haltevorrichtung 24 eine ortsfeste Basis 50, ein Tragbett 52 und einen Abtasttisch 54 (Fig. 2) der das Tragbett 52 mit der Basis 50 koppelt. Der Ab tasttisch 54 ist derart angeordnet, daß er das Bett 52 und den Gegenstand O in einer im wesentlichen zu der Oberfläche S senkrechten Richtung zum Zweck der Fokussierung oder zum Zweck der Tiefenabtastung verschiebt. Eine Tiefenabtastung ist ausführlich in dem US Patent Nr. 5,598,265 von P. de Groot DeGroot angegeben, dessen Gegen stand hier durch Bezugnahme auf seine Offenbarung zur Tiefenabtastung unter Ver wendung eines geometrisch unempfindlich gemachten Interferometers eingegliedert ist.

Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, wobei die Funktionsteile des geometrisch un empfindlich gemachten Interferometers einen Lichtgenerator 60, der Licht erzeugt, eine optische Baueinheit 62, die Licht erhält und es beugt, und eine Bildgebungseinrichtung 64 umfaßt. Eine Kollimatorlinse 66 ist zwischen dem Lichtgenerator 60 und der opti schen Baueinheit 62 angeordnet, damit das in die optische Baueinheit 62 von der Licht quelle 60 eintretende Licht parallel gemacht wird. Eine ähnliche Linse 68 ist zwischen der optischen Baueinheit 62 und der Bildgebungseinrichtung 64 angeordnet.

Der Zweck der optischen Baueinheit 62 ist, die äquivalente Wellenlänge des Lichtgene rators 60 zu erhöhen, damit das Instrument gegenüber 2π Mehrdeutigkeiten und ande ren Problemen, die mit herkömmlichen Interferometern verbunden sind, unempfindlich gemacht wird, und daher die Fähigkeit des Instruments verbessert wird, eine Oberflä chenmeßtechnik bei rauhen Oberflächen durchzuführen. Die optische Baueinheit 62 könnte ein Hologramm, ein Linsensystem oder irgendeine andere Baugruppe aufwei sen, die ein Lichtbündel von dem Lichtgenerator 60 in zwei konvergierende Bündel A und B aufteilt, die auf die profilierte Oberfläche S des Prüfgegenstands O an demselben Ort P, aber unter unterschiedlichen Einfallswinkeln, auftreffen. Die bevorzugte optische Baueinheit 62 umfaßt eine Beugungsgittereinheit, die ein oder mehrere Beugungsgitter aufweist, und die Baueinheit 62 wird nachfolgend als "Beugungsgittereinheit" aus Grün den der Bequemlichkeit bezeichnet.

Die dargestellt Beugungsgittereinheit 62 umfaßt ein erstes und zweites, paralleles, linea res Beugungsgitter 70 bzw. 72, die sich in der entsprechenden XY Ebene erstrecken (wo sich die Y Achse in die und aus der Seite in Fig. 2 fortsetzt und sich die X Achse vertikal in Fig. 2 erstreckt), und diese sind in der Z Richtung oder horizontal in Fig. 2 voneinander beabstandet. Das zweite Beugungsgitter 72 besitzt typischerweise (aber nicht notwendigerweise) eine doppelt so große Beugungsgitterfrequenz wie die des er sten Beugungsgitters 70. Bei der dargestellten Ausführungsform weist das erste Beu gungsgitter 70 eine Beugungsgitterfrequenz von 250 Linien pro Millimeter auf, und das zweite Beugungsgitter 72 weist eine Beugungsgitterfrequenz von 500 Linien pro Millime ter auf. Das zweite Beugungsgitter 72 liefert den Vorteil, den Arbeitsabstand W zwi schen dem Ausgang der Beugungsgittereinheit 62 und der profilierten Oberfläche S des Prüfgegenstands O von null bis zu nahezu irgendeinem ausgewählten Abstand erhöhen zu können, indem ein geeigneter Abstand H zwischen dem ersten und zweiten Beu gungsgitter 70 bzw. 72 eingestellt wird.

Das geometrisch unempfindlich gemachte Interferometer 20 der dargestellten Ausfüh rungsform enthält auch Mittel, eine Phasendifferenz zwischen Licht, das auf zwei Pixeln der Bildgebungseinrichtung 64 empfangen wird, hervorzurufen, damit eine Analyse der Interferenzstreifenmuster durch die Phasenverschiebungs-Interferenzmessung ermög licht wird. Eine Phasenverschiebung wird üblicherweise erreicht, indem der optische Weg des Prüflichtbündels während der Bildgewinnung verändert wird. Diese Änderung wird bei der dargestellten Ausführungsform durch einen Wandler 74 erreicht, der durch den Computer 26 gesteuert wird, damit er das erste Beugungsgitter 70 in der Z Richtung in Fig. 2 bewegt. Der Wandler 74 kann vollständig fortgelassen werden, wenn der Ab tasttisch 24 die profilierte Oberfläche S derart bewegen kann, daß eine Phasenver schiebungs-Interferenzmessungsanalyse ermöglicht wird, wenn eine Phasenverschie bung durch eine Quellenwellenlängenmodulation erreicht wird oder wenn eine von der Phasenverschiebungs-Interferenzmessung verschiedene Datenanalyse verwendet wird.

Es wird nun auf die Fig. 2-6 Bezug genommen. Der Lichtgenerator 60 kann irgendeine Lichtquelle und eine dazugehörige Konstruktion umfassen, die üblicherweise in geome trisch unempfindlich gemachte Interferometer Instrumenten verwendet wird, solange sie gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Mechanismus enthält, den Bereich der Einfallswinkel Δγ zu verändern, unter dem das Licht auf die Beugungsgittereinheit 62 auftrifft. Beispielsweise könnte der Lichtgenerator 60 ein linienförmiger Lichtgenerator sein, wie eine lineare Leuchtdiodenanordnung. Alternativ könnte eine weite Lichtquelle in Verbindung mit einer einstellbaren Blende verwendet werden. Jedoch umfaßt bei der dargestellten und gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Lichtgenerator 60 eine schmalbandige Lichtquelle 80 und ein optisches Faserbündel 82, das ausgebildet ist, Licht so wirksam, wie es zweckmäßig ist, von der Lichtquelle 80 zu der Beugungsgit tereinheit 62 zu übertragen. Eine Laserdiode wird als die Lichtquelle 80 bevorzugt, weil Laserdioden verglichen mit vielen anderen Lasern preisgünstig sind, jedoch eine helle Beleuchtung rauher Oberflächen liefern.

Eine kleine Fokussierungslinse 84 ist zwischen der Austrittsöffnung der Lichtquelle 80 und dem optischen Faserbündel 82 angeordnet, um eine wirksame Austrittsöffnung 86 der Lichtquelle zu begrenzen. Die effektive Austrittsöffnung 86 ist vorzugsweise relativ lang und schmal, so daß sich ein großes Seitenverhältnis ergibt. Die dargestellte effekti ve Austrittsöffnung 86 ist allgemein rechteckig und ungefähr 1 Millimeter breit und 10 Millimeter lang, so daß sie ein Seitenverhältnis von ungefähr 10 : 1 aufweist.

Es mag unter gewissen Umständen wünschenswert sein, die Zufälligkeit der Lichtvertei lung von der Lichtquelle 80 zu verstärken, indem ein Kohärenzaufheber oder ein Fleckenzufallserzeuger 85 (am besten in Fig. 4 zu sehen) in den Lichtgenerator 60 einge bracht wird, um die räumliche Kohärenz der Lichtquelle 80 über die Zeitskala der Bild gebungseinrichtung 64 aufzubrechen. Die Zufallsverbesserung der Lichtverteilung ist besonders zweckmäßig, wenn die Lichtquelle 80 einen Laser umfaßt, weil Laserlicht da zu neigt, ein störendes Fleckenmuster zu erzeugen, das die Qualität des Interferenz musters verschlechtert. Eine Lichtverteilungsverbesserung kann erreicht werden, indem der Fleckenzufallserzeuger 85 entweder am Eingang oder dem Ausgang des optischen Faserbündels 82 angeordnet wird. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Fleckenzufallserzeuger 85 an dem Eintrittsende des optischen Faserbündels 82 angeordnet und umfaßt ein kreisförmiges Streuelement 87, das durch einen Elektromotor 89 ange trieben wird, damit es sich mit einigen hundert Umdrehungen pro Minute dreht. Das Streuelement 87 besteht aus einer geschliffenen Glasscheibe mit einer geschliffenen Oberfläche S_G. Die Oberfläche S_G befindet sich ausreichend nahe einem Eintrittsele ment 88 des optischen Faserbündels (ausführlich unten), um einen wirksamen Über gang des zufällig gemachten Lichts in das Eintrittselement 88 zu gewährleisten, befindet sich aber ausreichend weit von dem Eintrittselement 88 entfernt, damit sich das Streu element 87 drehen kann, ohne an dem Eintrittselement 88 zu reiben. Ein Abstand von ungefähr 1 mm wird bevorzugt.

Das optische Faserbündel 82, das ein "Mehrmoden-Faserbündel" sein kann, umfaßt das Eintrittselement 88, ein Austrittselement 90 und eine Mehrzahl optischer Fasern (nicht gezeigt), die in einer Umhüllung 92 angeordnet sind und das Eintrittselement 88 mit dem Austrittselement 90 verbinden. Das Eintrittselement 88 weist eine Eintrittsseite 94 auf, die eine Eintrittsblende 96 trägt, die so geformt sein sollte, daß der Wirkungs grad der Lichtübertragung von der Linse 84 und der Lichtquelle 80 in und durch das op tische Faserbündel 82 maximal ist. Deshalb sollte die Eintrittsblende 96 eine Größe und Form haben, die zumindest im wesentlichen zu der Größe und Form der effektiven Aus trittsapertur 86 der Lichtquelle 80 paßt. Diese Anordnung erreicht einen Übertragungs wirkungsgrad von mehr als 60%, d. h., mehr als 60% des von der Lichtquelle 80 ausge sandten Lichts wird in und durch das optische Faserbündel 82 übertragen. Ohne derart angepaßter Apertur würde der Übertragungswirkungsgrad dramatisch mit einem gleich zeitigen Abfall der Beleuchtungsleistung und der Bildgebungsfähigkeit abfallen. Der Übertragungswirkungsgrad kann ferner dadurch verbessert werden, daß die Eintrittssei te 94 mechanisch feingeschliffen wird, die Eintrittsseite 94 in bezug auf die effektive Austrittsapertur 86 mechanisch positioniert wird, oder eine Kombination von beiden, damit die Reflexion des Lichts zurück zu der Lichtquelle 80 von der Eintrittsseite 94 mi nimiert wird.

Die einzelnen Fasern des optischen Faserbündels 82 weisen unterschiedliche Fort pflanzungsmoden aufgrund ihrer unterschiedlichen Geometrien und Ausrichtungen in bezug auf den Einlaß des optischen Faserbündels auf. Um die Gleichförmigkeit des Ausgangsbündels des optischen Faserbündels 82 zu verbessern und die Abhängigkeit des Ausgangsbündels bei der Art zu verringern, in der das Licht in das optische Faser bündel 82 von der Lichtquelle 80 gelenkt wird, ist vorzugsweise ein Modenmischer 91 (am besten in Fig. 3 zu sehen) in den Lichtgenerator 60 eingebracht, um die Fortpflan zungsmoden innerhalb des optischen Faserbündels 82 zu mischen, indem einige Bie gungen bei dem optischen Faserbündel 82 eingeführt werden. Das Mischen der Fort pflanzungsmoden könnte mittels einer Vielfalt Einrichtungen erreicht werden, einschließ lich eines handelsüblichen Modenmischers. Bei der dargestellten und bevorzugten Ausführungsform ist der Modenmischer 91 dadurch gebildet, daß ein Abschnitt des opti schen Faserbündels 82 zu einer Mehrzahl Windungen 93 um einen geeigneten Dorn herum, wie einem Zylinder 95, gewickelt wird. Die Anzahl und der Durchmesser der Windungen 93 werden so ausgewählt, daß das Mischen der Moden maximiert wird, oh ne merklich den Lichtübertragungswirkungsgrad durch das optische Faserbündel 82 hindurch zu verringern. Der gewickelte Abschnitt der dargestellten Ausführungsform enthält vier bis fünf Windungen 93, von denen jede einen Durchmesser von ungefähr 1,5 cm aufweisen.

Das Austrittselement 90 ist mit den optischen Fasern gekoppelt und weist eine Austritts seite 98 auf, die als eine Austrittsblende 100 des Lichtgenerators 60 gebildet ist. Die Austrittsblende 100 hat vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, eine nichtrechtecki ge (z. B. allgemein elliptische oder rautenförmige) Form, um eine Intensität des ausge sandten Lichtbündels zu erzeugen, die in der Mitte maximal ist und nach und nach zu den Rändern abfällt und daher eine glatte Kohärenzhüllkurve erzeugt. Die gleiche Wir kung könnte erreicht werden, wenn ein Abschwächungselement stromabwärts der Blen de 100 angeordnet wird. Das Austrittselement 90 ist in seiner Lage lagemäßig einstell bar oder sonst ausgebildet, eine selektive Änderung der effektiven Querabmessung der Austrittsblende 100 zu ermöglichen, um den Bereich der Meßtiefen des geometrisch unempfindlich gemachte Interferometer Instruments 20 in einer Weise einzustellen, wie sie unten in den Unterabschnitten 2b und 2c ausführlich angegeben ist. Bei der darge stellten Ausführungsform wird diese Wirkung erreicht, indem die Ausrichtung der Aus trittsblende 100 in bezug auf die Beugungsgittereinheit 62 durch Drehung verändert wird, wie es unten im einzelnen erläutert ist. Die Austrittsblende 100 ist viel länger als breit, so daß die Möglichkeit maximal gemacht wird, ihre effektive Querabmessung zu verändern und daher den Meßtiefenbereich zu verändern. Die dargestellte Austritts blende 100 besitzt 1) eine Länge von zwischen ungefähr 5 Millimetern und ungefähr 10 Millimetern und bevorzugt von ungefähr 7,5 Millimetern und 2) eine Weite von zwischen ungefähr 0,1 Millimetern und ungefähr 1,0 Millimetern und bevorzugter von ungefähr 0,5 Millimetern. Natürlich sind andere Ausgestaltungen als die dargestellte allgemein recht eckige Ausbildung möglich, solange eine Drehung des Austrittselements 90 die wirksa me Querabmessung der Austrittsblende 100 ändert. Es ist auch denkbar, daß der Be reich der Einfallswinkel Δγ durch andere Maßnahmen eingestellt werden kann, als die wirksame Austrittsblendengeometrie zu ändern.

Ausrichtung der Austrittsblende 100 in bezug auf die Beugungsgittereinheit 62 wird vor zugsweise durch Drehung des Austrittselements 90 geändert. Hierfür ist das Austrittse lement 90 in einem festgelegten Ring 102 derart angebracht, daß es in bezug auf den Ring 102 drehbar ist, aber axial oder radial nicht bewegt werden kann. Als Ergebnis ist ein Lichtbündel, das von der Austrittsblende 100 ausgesandt wird, gezwungen, durch die Beugungsgittereinheit 62 unter einem Winkel γ in bezug auf die Z Richtung zu lau fen, z. B. in bezug auf eine Linie N, die sich senkrecht oder normal zu den XY Ebenen erstreckt, in denen sich die Beugungsgittereinheit 62 erstreckt. Wie man aus einem Vergleich der Fig. 5 und 6 erkennen kann, ändert eine Drehung des Austrittselements 90 in dem Ring 102 in Richtung des Pfeils 104 in den Fig. 3 und 5 die Ausrichtung der Austrittsblende 100 zwischen 1) einer ersten Ausrichtung, in der sich der Längsabschnitt der Blende 100 in der X Richtung erstreckt, wodurch die effektive Querabmessung der Blende 100 maximiert wird, und 2) einer zweiten Ausrichtung, in der sich der Längsab schnitt der Blende 100 senkrecht von der X Richtung fort oder in der Y Richtung (aus der Zeichenfläche der Fig. 2 heraus) erstreckt, wodurch die effektive Querabmessung der Austrittsblende 100 minimiert wird. Diese Drehung wird über den Knopf 48 ausge führt, der, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, mit dem Austrittselement 90 über ein Kabel 106, eine erste an dem Austrittselement 90 befestigte Verbindung 108 und eine zweite Ver bindung 110 gekoppelt ist, die an dem Knopf 48 befestigt ist. Das Kabel 106 überträgt eine Drehbewegung des Knopfes 48 auf die erste Verbindung 108, so daß sich das Austrittselement 90 proportional zu der Drehbewegung des Knopfes 48 mit einer sich ergebenden Änderung der effektiven Querabmessung der Austrittsblende 100 dreht.

Die Bildgebungseinrichtung 64 kann irgendeine Einrichtung oder ein System umfassen, das die interferierenden Bündel oder Wellenfronten von der Beugungsgittereinheit 62 empfangen und Biider des sich ergebenden Interferenzmusters erzeugen kann. Die dargestellte und bevorzugte Bildgebungseinrichtung ist eine Festkörpereinrichtung, wie eine ladungsgekoppelte Einrichtung (CCD) 112, und eine kleine Abbildungslinse 114, die den Lichteingang zu der ladungsgekoppelten Einrichtung 112 parallel macht.

Beim Einsatz erzeugt der Lichtgenerator 60 des geometrisch unempfindlich gemachten Interferometers 20 ein Lichtbündel, das durch die Linse 66 parallel gemacht wird, bevor es auf das erste Beugungsgitter 70 der Beugungsgittereinheit 62 unter einem Einfalls winkel y auftrifft. Das erste Beugungsgitter 70 beugt das Einfallsbündel in zwei Bündel A und B erster Ordnung. Diese Bündel werden dann durch das zweite Beugungsgitter 72 umgelenkt, so daß sie auf die profilierte Oberfläche S des Gegenstands O an demsel ben Ort P, aber unter unterschiedlichen Winkeln auftreffen. Die Bündel A' und B' werden von der profilierten Oberfläche S reflektiert und laufen zu dem zweiten und ersten Beu gungsgitter 72 bzw. 70 zurück, damit sie sich mit konstruktiver und destruktiver Interfe renz kombinieren. Die interferierenden Bündel oder Wellenfronten werden dann durch die Linse 68 parallel gemacht, und durch die Bildgebungseinrichtung 64 ein Bild erzeugt. Das bildmäßig erzeugte Interferenzstreifenmuster wird dann durch den Computer 26 analysiert, z. B. durch eine Phasenverschiebungs-Interferenzmessungsanalyse, um eine genaue Profilmessung zu erhalten.

b. Theorie der Arbeitsweise

Wie es oben erörtert worden ist, besitzt das geometrisch unempfindlich gemachte Inter ferometer 20 eine äquivalente Kohärenzhüllkurve, deren Weite sich mit der effektiven Querabmessung des Quellenlichts ändert. Die effektive Querabmessung des Quellen lichts ändert sich direkt mit den Änderungen der effektiven Querabmessung der Aus trittsblende 100. Die Gründe und die Wirkungen der Beziehung zwischen der Weite der äquivalenten Kohärenzhüllkurve und der effektiven Querabmessung der Austrittsblende werden nun ausführlich für das geometrisch unempfindlich gemachte Interferometer In strument 20 beschrieben. Der Bequemlichkeit halber werden die folgenden Gleichungen für ein geometrisch unempfindlich gemachtes Interferometer mit einer rechteckförmigen Austrittsblende 100 abgeleitet. Während sich die Gleichungen 2-14, die in diesem Ab schnitt abgeleitet werden, für ein geometrisch unempfindlich gemachtes Interferometer mit einer nichtrechteckförmigen Austrittsblende, wie einer elliptischen Blende, ändern würden, würde sich die grundsätzliche Schlußfolgerung, d. h., daß sich die Weite der äquivalenten Kohärenzhüllkurve umgekehrt zu der effektiven Querabmessung der Aus trittsblende ändert, für Blenden anderer Formen nicht ändern. Die Gleichungen, die fol gen, werden deshalb nicht als einschränkend betrachtet.

Es wird nun auf die Fig. 7-10 Bezug genommen, wobei bei kleinen Einfallswinkeln γ (z. B., γ ≦ 30°) die äquivalente Wellenlänge Λ des geometrisch unempfindlich gemachten Interferometer 20 durch die Formel abgeschätzt werden kann:

worin:
N₁ die Beugungsgitterfrequenz des ersten Beugungsgitters 70 ist.

Die Quellenwellenlänge erscheint in Gleichung (1) nicht. Experimentelle Beobachtungen bestätigen, daß sich der Streifenabstand nicht merklich mit der Farbe ändert und daß das geometrisch unempfindlich gemachte Interferometer 20 deshalb achromatisch ist. Deshalb kann das Instrument bei Beleuchtung mit weißem Licht hunderte klarer, farblo ser Bilder erzeugen. Das Instrument 20 besitzt deshalb keine Kohärenzhüllkurve, die unmittelbar mit dem Quellenspektrum in Beziehung steht. Es weist jedoch eine äquiva lente Kohärenzhüllkurve auf, die mit der äquivalenten Wellenlänge Λ in Beziehung steht. Die Erfindung liegt in der Einstellung der Weite der äquivalenten Kohärenzhüllkur ve (vorzugsweise durch Einstellung der effektiven Querabmessung der Austrittsblende 100 durch Drehung des Austrittselements 90), um den Bereich der Meßtiefe des geome trisch unempfindlich gemachten Interferometers einzustellen.

Die äquivalente Kohärenzhüllkurve eines geometrisch unempfindlich gemachten Inter ferometers 20 ist ein Ergebnis der Überlagerung vieler Interferenzmuster, die unter schiedliche Streifendichten aufweisen. Die Weite der äquivalente Kohärenzhüllkurve kann dadurch bestimmt werden, daß erkannt wird, daß das geometrisch unempfindlich gemachte Interferometer mit der Technik der Interferenzmessung mit Abtastung im weißen Licht viel gemein hat. Beispielsweise kann eine äquivalente Wellenzahl K definiert werden als:

K=2π/Λ ≈ 4πN_1γ (2)

worin:
Λ die äquivalente Wellenlänge der Lichtquelle des Instruments ist, und
γder Einfallswinkel auf die oder von der Beugungsgittereinheit 62 ist.

Ein ausgedehnter Lichtgenerator weist tatsächlich einen Bereich Δγ von Einfallswinkeln auf, der ein "Spektrum" äquivalenter Wellenlängen ergibt, das den Streifenkontrast ver ringert, wie es durch die Kurve 120 in Fig. 7 dargestellt ist. Der Bereich Δγ ist zu einem mittleren Einfallswinkel γ₀ zentriert. Daher:

-Δγ/2 < γ-γ₀ < Δγ/2 (3).

Ein Bereich ΔK äquivalenter Wellenzahlen kann deshalb als existierend angenommen werden:

-ΔK/2 < K' < ΔK/2 (4)

worin:

K = K' + K₀ und
K₀ = 4πN_1γ0.

Das Intensitätsmuster der Interferenz von zwei Bündeln bei einer einzigen äquivalenten Wellenzahl kann angegeben werden:

I(K) = ϑ + ϑcos(KL) (5)

worin für eine normalisierte Quellenintensität I₀

ϑ = I₀/ΔK und

L ist die optische Wegdifferenz ist.

Alle Interferenzmuster I können über den gesamte Bereich ΔK summiert werden, um die Gesamtintensität I_T zu gewinnen:

Diese Gleichung (6) kann umgeschrieben zu:

Verwendet man als nächstes die Identität:

cos(a+b) = cos(a)cos(b) - sin(a)sin(b) (8)

und betrachtet K₀ als eine Konstante, dann verringert sich die Gleichung (7) zu der fol genden:

I_T = I₀+ I₀Vcos(K₀L) (9)

worin:

Der absolute Wert von V ist der Streifenkontrast, und V nähert sich null, wenn sich das Argument der Sinusgröße ±π nähert. Somit ist V = 0, wenn eine normalisierte optische Wegdifferenz L₀ = 2π/ΔK.

Die Anzahl m₀ äquivalenter Wellenlängenstreifen bei einer normalisierten optischen Wegdifferenz von L₀ ist deshalb:

m₀ = L₀/Λ (10)

somit ist bei einer optischen Wegdifferenz von L₀

m₀ = 2π/ΛΔK (11).

Kombiniert man die Gleichungen 1-11, so erreicht man das bemerkbare einfache Er gebnis:

m₀ = 2γ₀/Δγ (12).

Die Gleichung 12 zeigt, daß bei einer gleichförmigen Verteilung der Einfallswinkel die Gesamtzahl der Streifen m₀ innerhalb der äquivalenten Kohärenzhüllkurve gleich dem doppelten Verhältnis des mittleren Einfallswinkels γ₀ zu dem Bereich der Einfallswinkel Δγ ist.

Der Bereich der Einfallswinkel Δγ steht unmittelbar mit der Querabmessung Δx der Aus gangsöffnung 100 zusammen mit der Brennweite f des großen Beleuchtungskollimators oder der Kollimatorlinse 66 in Beziehung und wird durch sie bestimmt. Daher

Δγ = Δx/f (13).

Gleichung 13 kann deshalb umgeschrieben werden zu:

Gleichung 14 zeigt deshalb, daß bei konstanten Werten von f und γ₀ (wie es der Fall bei einem typischen geometrisch unempfindlich gemachten Interferometer wäre) sich die Anzahl der äquivalenten Wellenlängenstreifen m₀ bei einer gegebenen optischen Wegdifferenz umgekehrt in bezug auf die effektive Querabmessung Δγ der Austritts blende 100 ändert. Daher ändert sich die Weite der äquivalenten Kohärenzhüllkurve und demgemäß der Bereich der Meßtiefe eines geometrisch unempfindlich gemachten Interferometers 20 umgekehrt zu der effektiven Querabmessung der Ausgangsblende 100 des Lichtgenerators.

Beispielsweise ist bei einem Lichtgenerator, der eine Ausgangsblende mit einer effekti ven Querabmessung Δx von 9 mm und eine Objektivbrennweite f von 450 mm aufweist, der Bereich der Einfallswinkel Δγ = 1/50. Wenn der mittlere oder nominale Einfallswinkel γ₀ = 0,16 rad (9°) ist, dann erlöscht die Anzahl m₀ äquivalenter Wellenlängenstreifen bei ±8 Streifen von der Position der optischen Wegdifferenz von null (d. h., die Position, an der die profilierte Oberfläche S von der Beugungsgittereinheit 62 mit der Strecke W in Fig. 2 beabstandet ist), wie es durch die Kurve 122 der Fig. 8 wiedergegeben ist. Die Kurve 124 der Fig. 9 stellt den Intensitätsabfall bis auf nahe null innerhalb von ungefähr 30 µm von der Nullposition der optischen Wegdifferenz dar. Ein Instrument, das eine relativ weite effektive Quellenquerabmessung aufweist, hat deshalb eine ziemlich kleine äquivalente Kohärenzhüllkurve.

Wenn andererseits die effektive Querabmessung Δx der Austrittsblende 100 relativ klein ist (bspw. Δx = 1 mm), dann werden äquivalente Wellenlängenstreifen weiterhin bei mehr als ±70 Streifen von der Nullposition der optischen Wegdifferenz angetroffen, wie es durch die Kurve 126 der Fig. 10 dargestellt ist. Ein Instrument, das diese Eigenschaf ten aufweist, besitzt deshalb eine relativ weite äquivalente Kohärenzhüllkurve und dem gemäß einen großen Bereich Meßtiefen.

Daher kann, indem die effektive Querabmessung der Austrittsblende 100 des Lichtge nerators durch Drehung des Knopfes 48 oder sonstwie eingestellt wird, der Bereich der Meßtiefen dramatisch und mit hoher Genauigkeit verändert werden. Diese Einstellung könnte als entweder schrittweise oder kontinuierlich ausgebildet werden, indem die Drehmöglichkeit des Knopfes 48 eingestellt wird. Das Instrument 20 könnte für eine Schritteinstellung zwischen einem hohen Kohärenzmodus und einem niedrigen Kohä renzmodus eingerichtet sein, indem einfach nur zwei Arretierungen vorgesehen werden, oder es könnten andere Betriebspositionen für den Knopf 48 vorgesehen werden, eine für jeden Modus. Das Instrument 20 könnte zur kontinuierlichen Einstellung ausgebildet werden, indem einfach Arretierungen oder die Äquivalente insgesamt entfernt werden oder indem zusätzliche Arretierungen zwischen jenen hinzugefügt werden, die dem ho hen Kohärenzmodus und dem niedrigen Kohärenzmodus entsprechen.

c. Praktische Anwendung

Verschiedene praktische Anwendungen für ein geometrisch unempfindlich gemachtes Interferometer werden nun beschrieben, das im niedrigen Kohärenzmodus (mit einem kleinen Bereich Meßtiefen) und/oder in einem hohen Kohärenzmodus (mit einem gro ßen Bereich Meßtiefen) betreibbar ist.

Eine zweckmäßige Anwendung des Betriebsmodus mit niedriger Kohärenz ist die Ober flächenmessung eines transparenten oder teiltransparenten Gegenstands. Herkömmli che Interferometer zeigen Schwierigkeiten bei der Oberflächenmessung transparenter Gegenstände, weil Störreflexionen von der der profilierten Oberfläche gegenüberliegen den Oberfläche zu dem Interferenzeffekt beitragen und die Streifenanalyse behindern. Ein Betrieb im niedrigen Kohärenzmodus kann die Wirkungen von Störreflexionen bei der Analyse ausschließen, indem der Gegenstand O derart angeordnet wird, daß nur die profilierte Oberfläche S innerhalb der äquivalenten Kohärenzhüllkurve des Instru ments 30 ist, und die fernliegende oder gegenüberliegende Oberfläche S' des Gegen stands O außerhalb der äquivalenten Kohärenzhüllkurve angeordnet ist. Als Ergebnis werden die Interferenzstreifenmuster, die analysiert werden, nur durch die profilierte Oberfläche S erzeugt. Daher schließt die Einstellung der Meßtiefe die Notwendigkeit aus, den Prüfgegenstand O in bezug auf das Instrument 20 physikalisch neu anzuord nen, damit die gegenüberliegende Oberfläche S' jenseits des Meßbereiches des Instru ments angeordnet wird.

Ein selektiver Betrieb im niedrigen Kohärenzmodus kann auch für Fokussierungsopera tionen zweckmäßig sein. Wie es oben erörtert ist, besteht ein optimaler Abstand W für einen maximalen Kontrast zwischen der profilierten Oberfläche S des Gegenstands O und der Beugungsgittereinheit 62. Wenn dieser Abstand W im voraus nicht bekannt ist, kann das Instrument 20 in dem niedrigen Kohärenzmodus eingestellt werden, so daß Streifen hohen Kontrasts nur in einem kleinen Bewegungsbereich des Prüfgegenstands O in der Z Richtung in bezug auf das Hauptgehäuseteil 22 erscheinen. Wenn die Be dienperson den Prüfgegenstand O derart anordnet, daß die Oberfläche S innerhalb die ser relativ kleinen Hüllkurve ist, erhält sie eine gute Angabe, daß der Gegenstand O bei oder sehr nahe bei dem optimalen Abstand W von der Beugungsgittereinheit 62 ange ordnet ist. Die Bedienperson kann dann den Knopf 48 betätigen, um das Instrument 20 in seinen hohen Kohärenzmodus für die Oberflächenvermessung zurückzuschalten.

Ein noch anderes Beispiel, bei dem der selektive Betrieb im niedrigen Kohärenzmodus erwünscht ist, ist die Oberflächenmessung eines besonderen interessierenden Merk mals eine Oberfläche S, die einen deutlichen Abstand in der Z Richtung zwischen dem interessierenden Merkmal und seinen Umgebungsmerkmalen aufweist. Wenn man bspw. wünscht, eine Nut in der Oberfläche S eines Gegenstands O, wie einer Computer festplatte, zu vermessen, ohne benachbarte Merkmale auf der Oberfläche S oberflä chenmäßig zu vermessen, kann der Knopf 48 betätigt werden, die effektive Querab messung der Quellenblende 100 zu verringern und dadurch das Instrument 20 in den niedrigen Kohärenzmodus zu bringen. Der Abtasttisch 24 wird dann betätigt, den Ge genstand O in einer Position anzuordnen, in der die Oberfläche der Nut innerhalb der relativ schmalen äquivalenten Kohärenzhüllkurve befinden und sich die Umgebungs merkmale außerhalb dieser Hüllkurve befinden. Interferenzstreifen mit annehmbaren Kontrast treten deshalb nur auf, wenn die Nute oberflächenmäßig vermessen wird. Wenn der Abtasttisch 24 dann betätigt wird, die Nut außerhalb der äquivalenten Kohä renzhüllkurve und die umgebenden Merkmale innerhalb der äquivalenten Kohärenzhüll kurve anzuordnen, können die Nut und die Umgebungsmerkmale der Reihe nach ober flächenmäßig vermessen werden. Ein einzelnes Bild der gesamten Oberfläche S könnte auch bei Verwendung des gleichen Instruments 20 gewonnen werden, indem einfach der Knopf 48 betätigt wird, das Instrument 20 zurück in seinem hohen Kohärenzmodus anzuordnen, so daß die Nut und die Umgebungsmerkmale oberflächenmäßig vermes sen werden können, ohne den Prüfgegenstand O in der Z Richtung zu verschieben.

3. Die Verwendung der Bildgebungseinrichtung mit veränderbarer Blendengeome trie zur Verbesserung der Meßtechnik rauher Oberflächen

Rauhe Oberflächen, d. h. Oberflächen, mit einzelnen Höhenschwankungen oder Oberflä chenabweichungen von mehr als einer Viertelwellenlänge der Lichtquelle bilden eine Herausforderung für die Interferenz-Oberflächenmessung, weil sie reflektiertes Licht streuen, so daß die Bildgebungseinrichtung unzureichend Licht erhält, Bilder mit hohem Kontrast zu erzeugen. Es ist erkannt worden, daß die Gleichungen (12)-(14) ebenso für die Bildgebungsblende als auch die Quellenblende gelten. Daher ändert sich die effekti ve Weite der äquivalenten Kohärenzhüllkurve der Bildgebungseinrichtung (und daher die Fähigkeit der Bildgebungseinrichtung, Bilder mit geeignetem Kontrast aus diffusem Licht oder anderem Licht mit einer geringeren als der Spitzenintensität zu konstruieren) umgekehrt zu der effektiven Querabmessung der Eintrittsblende der Bildgebungseinrich tung. Die Erfindung nutzt den Vorteil dieses Phänomens durch die selektive Verwen dung einer länglichen Abbildungsblende, um die Fähigkeit der Bildgebungseinrichtung zu verbessern, Bilder rauher Oberflächen zu erhalten, indem das reflektierte Licht be grenzt wird, einem Weg zu folgen, der zu der Bildgebungseinrichtung 64 führt.

Es wird insbesondere auf die Fig. 11 und 12 Bezug genommen, in denen ein geome trisch unempfindlich gemachte Interferometer Instrument 220 dargestellt ist, das sich von dem geometrisch unempfindlich gemachte Interferometer Instrument 20 der Fig. 1-6 nur dadurch unterscheidet, daß ein zusätzliches bewegbares Element 350, das eine längliche Blende 352 der Bildgebungseinrichtung trägt, stromaufwärts der Bildgebungs einrichtung angeordnet ist. Die Bauteile des Instruments 220 der Fig. 11 und 12, die den Bauteilen des Instrument 20 der Fig. 1-6 entsprechen, sind mit den gleichen um 200 er höhten Bezugszeichen bezeichnet. Anfangs auf Fig. 11 Bezug nehmend, enthält des halb das geometrisch unempfindlich gemachte Interferometer Instrument 220 ein Hauptgehäuseteil 222, eine Prüfgegenstand-Haltevorrichtung 224 und einen Computer 226 umfaßt. Der Computer 226 umfaßt ein Gehäuse 228, das einen Prozessor, einen RAM, einen ROM, usw. aufnimmt, eine Tastatur 230 zur Dateneingabe und einen Bild schirm 232. Das Hauptgehäuseteil 222 umfaßt ein geschlossenes Gehäuse 234, das umfaßt eine vordere und hintere Endwand 236 bzw. 238, eine obere Wand 240, eine untere Wand 242, eine linke Seitenwand 244 und eine rechte Seitenwand 246. Ein er ster und ein zweiter Einstellknopf 248 bzw. 249 sind an der rechten Seitenwand 246 drehbefestigt und erstrecken sich von der rechten Seitenwand nach außen. Die Ge genstands-Haltevorrichtung 224 umfaßt eine ortsfeste Basis 250, ein Tragbett 252 und einen Abtasttisch 254, wie es am besten in Fig. 12 zu sehen ist. Wie am besten in Fig. 12 zu sehen ist, sind ein Lichtgenerator 260, eine Beugungsgittereinheit 262, eine Bild gebungseinrichtung 264 eine erste Kollimator- oder Fokussierungslinse 266, die zwi schen dem Lichtgenerator 260 und der Beugungsgittereinheit 262 angeordnet ist, und eine zweite Kollimatorlinse 268 angeordnet, die zwischen der Beugungsgittereinheit 262 und der Bildgebungseinrichtung 264 angeordnet ist.

Die Beugungsgittereinheit 262 umfaßt ein erstes und zweites Beugungsgitter 270 bzw. 272, die sich in der entsprechenden XY Ebene erstrecken und die in der Z Richtung mit dem Abstand H voneinander beabstandet sind, so daß die Nullposition der optischen Wegdifferenz der oberflächenmäßig vermessenen Oberfläche S mit einem Abstand W von der Beugungsgittereinheit 262 beabstandet ist.

Der Lichtgenerator 262 umfaßt eine Lichtquelle 280 und eine Mehrmodenfasereinheit 282, die ein von einer Umhüllung umschlossenes optisches Mehrmodenfaserbündel 292, ein Eintrittselement, einen Flecken-Zufallserzeuger 285, ein Austrittselement 290, und einen Modenmischer 291 umfaßt. Wie bei der ersten Ausführungsform paßt die Form der Eintrittsöffnung des Eintrittselements 288 zu der Austrittsöffnung der Lichtquel le 280, und die Austrittsöffnung des Austrittselements 290 umfaßt einen länglichen Schlitz, dessen effektive Länge durch Drehen des Austrittselement 290 durch Knopfbe tätigung (bei dieser Ausführungsform nicht gezeigt) eingestellt werden kann.

Das Element 350 kann irgendeine Einrichtung umfassen, die die Blende 352 tragen kann und selektiv in eine Position bewegbar ist, in der die Blende 352 Licht, das von ei ner rauhen Oberfläche S eines Prüfgegenstands O reflektiert wird, begrenzt, einem zu der Bildgebungseinrichtung führenden Weg zu folgen. Bei der dargestellten Ausfüh rungsform umfaßt das Element 350 eine relativ flache Scheibe, die in einer geschlitzten Halteeinheit 354 befestigt ist. Die Blende 352, die von der Scheibe 350 gehalten wird, sollte relativ lang und so schmal wie möglich sein, um den Streifenkontrast zu optimie ren, sollte aber nicht so schmal sein, daß sie die Lichtmenge unannehmbar verringert, die die Bildgebungseinrichtung 264 erhält. Die dargestellte Blende 352 ist ungefähr 10 mm lang und ungefähr 2-4 mm breit.

Beim Einsatz wird die Scheibe 350 in ihrer Betriebsposition unter Verwendung des Knopfes 349 (Fig. 11) bewegt, indem sie innerhalb der Halteeinheit 354 in eine Position verschoben wird, in der sich die Abbildungsblende 352 in dem Fortpflanzungsweg des reflektierten Lichts befindet. Die schmale Blende 352 erhöht die äquivalente Kohärenz hüllkurve der Bildgebungseinrichtung 264, um die schädlichen Wirkungen der Lichtstreuung zu verringern. Jedoch sollte, weil die in Querrichtung kleine Blende 352 die Menge an reflektiertem Licht begrenzt, das die Bildgebungseinrichtung 264 erreicht (was bereits eine Schwierigkeit bei einigen rauhen Proben ist), und weil eine kleine Ab bildungsblende den Bereich akzeptierter Neigungswinkel glatter Oberflächen be schränkt, die die Blende 352 tragende Scheibe 350 nur verwendet werden, wenn rauhe Oberflächen vermessen werden. Sonst kann die Scheibe 350 vollständig aus dem Weg des reflektierten Lichts bewegt und/oder durch ein Element ersetzt werden, das eine herkömmliche Kreisblende aufweist. Viele Änderungen und Abwandlungen der vorlie genden Erfindung können ausgeführt werden, ohne von ihrem Grundgedanken abzu weichen. Der Bereich einiger dieser Änderungen ist oben erörtert worden. Der Bereich anderer Änderungen wird aus den beigefügten Ansprüchen offensichtlich.

Claims

1. Geometrisch unempfindlich gemachtes Interferometer zur Oberflächenmessung einer Gegenstandsoberfläche, gekennzeichnet durch

(A) einen Lichtgenerator (80; 280),
(B) eine optische Baueinheit (62; 262), die zwischen dem Lichtgenerator und der Gegenstandsoberfläche (S) angeordnet und derart ausgestaltet ist, daß sie Licht von dem Lichtgenerator (80; 280) in einem Bereich von Einfallswinkeln Δγin bezug auf eine Linie erhält, die sich senkrecht zu der genannten opti schen Baueinheit (62; 262) erstreckt, und daß sie das erhaltene Licht in zwei Bündel (A, B, A', B') aufteilt, die sich in zwei verschiedenen Richtungen fort pflanzen und auf die Gegenstandsoberfläche (L) im wesentlichen an dem selben Ort (P), aber unter verschiedenen Einfallswinkeln auftreffen;
(C) eine Bildgebungseinrichtung (64; 264), die auf einer mit dem Lichtgenerator (80; 280) gemeinsamen Seite der optischen Baueinheit (62; 262) angeordnet und ausgestaltet ist, daß sie Licht, das von dem Lichtgenerator (80; 280) durch die optische Baueinheit (62; 262) hindurch übertragen und von der Gegenstandsoberfläche durch die optische Baueinheit (62; 262) hindurch re flektiert worden ist, erhält, so daß ein Interferenzmuster mit einer Anzahl äquivalenter Wellenlängenstreifen erzeugt wird;
(D) ein Blendenhalteelement (102), das zwischen der optischen Baueinheit (62; 262) und dem Lichtgenerator (80; 280) oder der Bildgebungseinrichtung (64; 264) angeordnet ist und das eine Blende (100) aufweist, die hindurchgehen des Licht formt, wobei die Blende eine wirksame Querabmessung in bezug auf die Linie aufweist, und
(E) einen Einstellmechanismus (48, 106, 108), der selektiv betätigbar ist, die ef fektive Querabmessung der genannten Blende (100) einzustellen.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Blenden haltelement (102) ein Austrittselement (90) des Lichtgenerators (80; 280) umfaßt, die Blende eine Austrittsblende (100) des Austrittselements umfaßt, und die Grö ße Δγ von der effektiven Querabmessung der Austrittsblende (100) abhängt.

3. Interferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe Δγ umgekehrt zu der effektiven Querabmessung der Austrittsblende (100) in Bezie hung steht.

4. Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Einstellmechanismus (48, 106, 108) betriebsmäßig mit dem Austrittselement (90) gekoppelt ist, um das Austrittselement selektiv zu drehen.

5. Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellme chanismus einen Drehknopf (48) umfaßt.

6. Interferometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Knopf (48) von Hand betätigbar ist.

7. Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtgenerator (80; 280) eine (1) Lichtquelle mit einer Lichtquellenaustrittsöffnung und (2) ein optisches Faserbündel (82) umfaßt, das (a) eine Einlaßblende (96), die Licht von der Lichtquellenaustrittsöffnung erhält, und (b) das Austrittselement umfaßt.

8. Interferometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöff nung (96) des optischen Faserbündels (82) eine Form aufweist, die wenigstens allgemein zu der Form der Lichtquellenaustrittsöffnung paßt.

9. Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Blendenhalteelement zwischen der optischen Baueinheit (262) und der Bildge bungseinrichtung (264) angeordnet ist, die Blende das Licht formt, das in die Bildgebungseinrichtung (264) von der optischen Baueinheit (262) eintritt, um das Licht zu begrenzen, das zu der Bildgebungseinrichtung (264) läuft.

10. Interferometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellme chanismus selektiv das Blendenhalteelement aus dem Weg des Lichts entfernt, das in die Bildgebungseinrichtung (264) eintritt.

11. Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Flecken-Zufallserzeuger (SG, 87) nahe dem Eintritt oder Aus tritt des optischen Faserbündels (92) angeordnet ist.

12. Interferometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Flecken- Zufallserzeuger ein drehbares Streuelement (87) umfaßt.

13. Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Modenmischer (91) vorgesehen ist, der die Fortpflanzungsmo den innerhalb des optischen Faserbündels (92) mischt.

14. Interferometer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Modenmi scher einen Windungsabschnitt (93) des optischen Faserbündels (92) umfaßt.

15. Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die optische Baueinheit eine Beugungsgittereinheit (62; 262) um faßt.

16. Geometrisch unempfindlich gemachtes Interferometer zur Oberflächenmessung einer Gegenstandsoberfläche gekennzeichnet durch:

(A) einen Lichtgenerator (80; 280),
(B) eine Beugungsgittereinheit (62; 262), die zwischen dem Lichtgenerator (80; 280) und der Gegenstandsoberfläche (S) angeordnet und ausgebildet ist, daß sie Licht von dem Lichtgenerator (80; 280) in einem Bereich von Ein fallswinkeln Δγ in bezug auf eine Linie (N) erhält, die sich senkrecht zu der Beugungsgittereinheit (62; 262) erstreckt,
(C) eine Bildgebungseinrichtung (64; 264), die auf der mit dem Lichtgenerator (80; 280) gemeinsamen Seite der Beugungsgittereinheit (62; 262) angeord net und von dem Lichtgenerator (80; 280) in bezug auf die Linie (N) seitlich beabstandet ist und so angeordnet ist, daß sie Licht von dem Lichtgenerator (80; 280), das durch die Beugungsgittereinheit (62; 262) hindurchgegangen und von der Gegenstandsoberfläche durch die Beugungsgittereinheit (62; 262) zurückreflektiert worden ist, erhält, wodurch eine Anzahl äquivalenter Wellenlängenstreifen erzeugbar ist,
(D) ein Blendenhalteelement (102), das zwischen der Beugungsgittereinheit (62; 262) und dem Lichtgenerator (80; 280) angeordnet ist, und eine Lichtgenera torausgangsblende (100) aufweist, die darin gebildet ist und das hindurchge hende Licht formt, wobei die Lichtgeneratorausgangsblende (100) eine ef fektive Querabmessung in bezug auf die Linie (N) aufweist, wobei die Anzahl der äquivalenten Wellenlängenstreifen von der Größe Δγ abhängt und die Größe Δγ von der effektiven Querabmessung der Lichtgeneratorausgangs blende abhängt, und
(E) einen Einstellmechanismus (48, 106, 108), der selektiv betätigbar ist, die ef fektive Querabmessung der Lichtgeneratoraustrittsblende (100) einzustellen.

17. Geometrisch unempfindlich gemachtes Interferometer zur Oberflächenmessung einer Gegenstandsoberfläche gekennzeichnet durch:

(A) einen Lichtgenerator (80; 280),
(B) eine Beugungsgittereinheit (62; 262), die zwischen dem Lichtgenerator (80; 280) und der Gegenstandsoberfläche (S) angeordnet und ausgebildet ist, daß sie Licht von dem Lichtgenerator (80; 280) in einem Bereich von Ein fallswinkeln Δγ in bezug auf eine Linie (N) erhält, die sich senkrecht zu der Beugungsgittereinheit (62; 262) erstreckt,
(C) eine Bildgebungseinrichtung (64; 264), die auf der mit dem Lichtgenerator (80; 280) gemeinsamen Seite der Beugungsgittereinheit (62; 262) angeord net und von dem Lichtgenerator (80; 280) in bezug auf die Linie (N) seitlich beabstandet ist und so angeordnet ist, daß sie Licht von dem Lichtgenerator (80; 280), das durch die Beugungsgittereinheit (62; 262) hindurchgegangen und von der Gegenstandsoberfläche durch die Beugungsgittereinheit (62; 262) zurückreflektiert worden ist, erhält, wodurch eine Anzahl äquivalenter Wellenlängenstreifen erzeugbar ist, und
(D) ein Blendenhalteelement (350), das zwischen der Beugungsgittereinheit (262) und der Bildgebungseinrichtung (264) angeordnet ist und eine längli che Abbildungsblende (252) aufweist, die darin gebildet ist und hindurchge hendes Licht formt, wobei das Blendenhalteelement selektiv in eine Position bewegbar ist, in der Licht zu der Bildgebungseinrichtung von der Beu gungsgittereinheit (262) läuft, ohne durch die Abbildungsöffnung hindurchzu gehen.

18. Ein Verfahren zum Einstellen der effektiven Kohärenztiefe eines geometrisch un empfindlich gemachten Interferometers, wobei das Interferometer einen Lichtge nerator, eine optische Baueinheit und eine Bildgebungseinrichtung umfaßt, die auf einer mit dem Lichtgenerator gemeinsamen Seite der optischen Einheit an geordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte umfaßt:

(A) Übertragen von Licht von (1) einer Austrittsöffnung des Lichtgenerators zu der optischen Baueinheit in einem Bereich von Einfallswinkeln Δγ in Bezug auf eine Linie, die sich senkrechte zu der optischen Achse erstreckt, (2) durch die optische Baueinheit hindurch zu (3) einer Oberfläche eines Ge genstands als zwei Bündel, die auf der Oberfläche an einem gemeinsamen Ort, aber unter unterschiedlichen Einfallswinkeln auftreffen, von (4) dort zu rück durch die optische Baueinheit hindurch und zu (5) der Bildgebungsein richtung als ein Interferenzmuster, das eine Anzahl äquivalenter Wellenlän genstreifen aufweist, die von der Größe Δγ abhängt, und
(B) Ändern der Größe Δγ, um die Anzahl äquivalenter Wellenlängenstreifen und die äquivalente Kohärenztiefe des Interferometers zu ändern.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtgenera toraustrittsöffnung eine effektive Querabmessung in bezug auf die Linie aufweist und die Größe Δγ von der effektiven Querabmessung der Lichtgeneratoraus trittsöffnung abhängt.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet daß der Änderungs schritt umfaßt, die Größe Δγ zu erhöhen, indem die wirksame Querabmessung der Lichtgeneratoraustrittsöffnung verringert wird.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht generatoraustrittsöffnung einen länglichen Schlitz umfaßt, der in einem Austrittse lement des Lichtgenerators gebildet ist, und der Änderungsschritt umfaßt, das Austrittselement zu drehen, um die Ausrichtung des länglichen Schlitzes in bezug auf die Linie zu ändern.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Änderungs schritt umfaßt, einen Knopf zu drehen, der betriebsmäßig mit dem Austrittsele ment gekoppelt ist.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschritt von Hand durchgeführt wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtgenerator (1) eine Lichtquelle, die eine darin gebildete Lichtquellen austrittsöffnung aufweist, und (2) ein optisches Faserbündel umfaßt, das (a) eine Eintrittsöffnung, die Licht von der genannten Lichtquellenaustrittsöffnung erhält, und (b) die Lichtgeneratoraustrittsöffnung umfaßt, und daß zumindest 50% des Lichts, das die Lichtquellenaustrittsöffnung verläßt, durch die Eintrittsöffnung hin durch und in das optische Faserbündel übertragen wird.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest 60% des Lichts, das aus der Lichtquellenaustrittsöffnung austritt, durch die Eintrittsöff nung in das optische Faserbündel übertragen wird.

26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Fleckenzu fallserzeugung in dem von dem optischen Faserbündel ausgesandten Licht um faßt.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Zufallserzeu gungsschritt umfaßt, ein Streuelement durch eine Lichtbündel hindurchzudrehen, das in das optische Faserbündel eintritt.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt, die Fortpflanzungsmoden innerhalb des optischen Faserbündels zu mischen.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischungs schritt umfaßt, Licht durch einen Windungsabschnitt des optischen Faserbündels hindurch zu übertragen.

30. Verfahren zum Einstellen der effektiven Kohärenztiefe eines geometrisch un empfindlich gemachten Interferometers, wobei das Interferometer (1) einen Lichtgenerator mit einer Lichtquelle und einem optischen Faserbündel, (2) eine Beugungsgittereinheit und (3) eine Bildgebungseinrichtung umfaßt, die auf einer mit dem Lichtgenerator gemeinsamen Seite der Beugungsgittereinheit angeord net und von dem Lichtgenerator in bezug auf eine Linie beabstandet ist, die sich senkrecht in bezug auf die Beugungsgittereinheit erstreckt, dadurch gekenn zeichnet, daß das Verfahren die Schritte umfaßt:

(A) Übertragen von Licht von einer Austrittsöffnung der Lichtquelle zu einer Ein trittsöffnung des optischen Faserbündels derart, daß zumindest 60% des Lichts, das aus der Lichtquellenaustrittsöffnung austritt, durch die Eintrittsöff nung hindurch in das optische Faserbündel übertragen wird,
(B) Übertragen von Licht (1) von einem länglichen Schlitz des genannten opti schen Faserbündels, der als Lichtgeneratoraustrittsöffnung dient, zu der Beugungsgittereinheit in einem Bereich von Einfallswinkel Δγ in bezug auf die Linie, (2) durch die Beugungsgittereinheit hindurch zu einer Oberfläche eines Gegenstands, (3) durch die Beugungsgittereinheit hindurch zurück und (4) zu der Bildgebungseinrichtung als Interferenzmuster, wobei das Interferenz muster eine Anzahl äquivalenter Wellenlängenstreifen aufweist, die Anzahl von der Größe Δγ abhängt und die Größe Δγ in umgekehrter Beziehung zu der effektiven Querabmessung des länglichen Schlitzes relativ zu der Linie steht, und
(C) Drehen des Austrittselements des optischen Faserbündels, wodurch die ef fektive Querabmessung des länglichen Schlitzes geändert und daher die Größe Δγ, die Anzahl der äquivalenten Wellenlängenstreifen und eine äqui valente Kohärenztiefe des Interferometers geändert werden.

31. Ein geometrisch unempfindlich gemachtes Interferometer zur Oberflächenmes sung einer Gegenstandsoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß das Inter ferometer umfaßt:

(A) einen Lichtgenerator, der umfaßt
- (1) eine Lichtquelle (80; 280) mit einer Lichtquellenaustrittsöffnung und
- (2) ein optisches Faserbündel (82), das (a) eine Eintrittsöffnung, die Licht von der Lichtquellenaustrittsöffnung erhält, und (b) ein Austrittselement (90, 102) aufweist, wobei die Eintrittsöffnung (96) des optischen Faser bündels (82) eine Form aufweist, die zumindest allgemein zu der Form der Lichtquellenaustrittsöffnung paßt,
(B) eine optische Baueinheit (62; 262), die zwischen dem Lichtgenerator und der Gegenstandsoberfläche (S) angeordnet und ausgestaltet ist, daß sie Licht von dem Lichtgenerator erhält und das erhaltene Licht in zwei Bündel (A, B, A', B') aufteilt, die sich in zwei verschiedenen Richtungen fortpflanzen und auf die Gegenstandsoberfläche (L) im wesentlichen an demselben Ort (P), aber unter verschiedenen Einfallswinkeln auftreffen;
(C) eine Bildgebungseinrichtung (64; 264), die auf einer mit dem Lichtgenerator (80; 280) gemeinsamen Seite der optischen Baueinheit (62; 262) angeordnet und ausgestaltet ist, daß sie Licht, das von dem Lichtgenerator (80; 280) durch die optische Baueinheit (62; 262) hindurch übertragen und von der Gegenstandsoberfläche durch die optische Baueinheit (62; 262) hindurch re flektiert worden ist, erhält, so daß ein Interferenzmuster mit einer Anzahl äquivalenter Wellenlängenstreifen erzeugt wird.

32. Geometrisch unempfindlich gemachtes Interferometer zur Oberflächenmessung einer Gegenstandsoberfläche, gekennzeichnet durch

(A) einen Lichtgenerator (80; 280) mit einer Lichtquelle,
(B) eine optische Baueinheit (62; 262), die zwischen dem Lichtgenerator und der Gegenstandsoberfläche (S) angeordnet und das erhaltene Licht in zwei Bündel (A, B, A', B') aufteilt, die sich in zwei verschiedenen Richtungen fort pflanzen und auf die Gegenstandsoberfläche (L) im wesentlichen an dem selben Ort (P), aber unter verschiedenen Einfallswinkeln auftreffen; (C) eine Bildgebungseinrichtung (64; 264), die auf einer mit dem Lichtgenerator (80; 280) gemeinsamen Seite der optischen Baueinheit (62; 262) angeordnet und ausgestaltet ist, daß sie Licht, das von dem Lichtgenerator (80; 280) durch die optische Baueinheit (62; 262) hindurch übertragen und von der Gegenstandsoberfläche durch die optische Baueinheit (62; 262) hindurch re flektiert worden ist, erhält, so daß ein Interferenzmuster mit einer Anzahl äquivalenter Wellenlängenstreifen erzeugt wird;
(D) einen Flecken-Zufallserzeuger (85), der die Zufälligkeit des von der Lichtquel le (80; 280) verteilten Lichts verstärkt, wobei der Flecken-Zufallserzeuger (85) zwischen der Lichtquelle (80; 280) und der optischen Baueinheit (62; 262) an geordnet ist.

33. Interferometer nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Flecken- Zufallserzeuger (85) ein drehbares Streuelement (87) umfaßt.

34. Ein geometrisch unempfindlich gemachtes Interferometer zur Oberflächenmes sung einer Gegenstandsoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß das Inter ferometer umfaßt:

(A) einen Lichtgenerator, der
- (1) eine Lichtquelle (80; 280) mit einer Lichtquellenaustrittsöffnung und
- (2) ein optisches Faserbündel (82) aufweist, das (a) eine Eintrittsöffnung, die Licht von der Lichtquellenaustrittsöffnung erhält, und (b) ein Austrittselement (90, 102) umfaßt,
(B) eine optische Baueinheit (62; 262), die zwischen dem Austrittselement und der Gegenstandsoberfläche (L) angeordnet ist und das erhaltene Licht in zwei Bündel (A, B, A', B') aufteilt, die sich in zwei verschiedenen Richtungen fortpflanzen und auf die Gegenstandsoberfläche (L) im wesentlichen an demselben Ort (P), aber unter verschiedenen Einfallswinkeln auftreffen;
(C) eine Bildgebungseinrichtung (64; 264), die auf einer mit dem Lichtgenerator (80; 280) gemeinsamen Seite der optischen Baueinheit (62; 262) angeordnet und ausgestaltet ist, daß sie Licht, das von dem Lichtgenerator (80; 280) durch die optische Baueinheit (62; 262) hindurch übertragen und von der Gegenstandsoberfläche durch die optische Baueinheit (62; 262) hindurch re flektiert worden ist, erhält, so daß ein Interferenzmuster mit einer Anzahl äquivalenter Wellenlängenstreifen erzeugt wird, und
(D) einen Modenmischer (91), der Fortpflanzungsmoden innerhalb des optischen Faserbündels (82) mischt.

35. Interferometer nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Modenmi scher (91) einen Windungsabschnitt (91) des optischen Faserbündels (82) um faßt.