DE2926738A1

DE2926738A1 - Verfahren zur interferometrischen bestimmung der form und des vorzeichens von unebenheiten oder neigungen

Info

Publication number: DE2926738A1
Application number: DE19792926738
Authority: DE
Inventors: Albert Dipl Phys Frosch; Dietmar Dipl Ing Wagner
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1979-07-03
Filing date: 1979-07-03
Publication date: 1981-01-08
Also published as: DE2926738C2

Description

Verfahren zur interferometrischen Bestimmung der Form und des
Vorzeichens von Unebenheiten oder Neigungen -Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit einem Meß--ukd einem Bezugsstrahl zur interferolnetriscnen Bestimmung der- Form und des Vorzeichens von Unebcnheiten oder Neigungen einer Fläche sowie eine zür Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Bei allen bekannten interferometrischen Verfahren läßt sich die Form einer zu untersuchenden Fläche anhand der Höhenlinien darstellenden Interferenz linien sehr leicht bis auf Bruchteile der Wellenlänge der verwendeten Strahlung schnell und in einfaches Weise bestimmen; es ist aber nicht ohne weiteres moglich, bei einer durch ein Interferenzlinienmuster nach Größe und Richtung eindeutig definierten Steigung festzustellen, ob es sich um eine positive oder eine negative Steigung hanzelt. In der DE-OS 26 58 399- wurde schon vorgeschlagen, das (Meßobjekt mittels eines steuerbaren Piezoelements periodisch gemäß dem zeitlichen Verlauf einer Sägezahnkurve in Richtung des Meßstrahls auf- und abwärts zu bewegen, wobei die Richtung des andern der Interferenz linien das Vorliegen einer positiven oder einer negativen Steigung eindeutig anzeigt. Abgesehen davon, daß dieses Verfahren relativ langsam istfür die Bestimmung des Vorzeichens einer Steigung werden im allgemeinen mehrere Auf- und Abbewegungen des Meßobjekts er-,forderlich, was, da der hierfür benötigte Zeitaufwand in der Größenordnung von Sekunden liegt, bei der automatischen Untersuchung großer Flächenbereiche sehr nachteilig ist - konnte es auch in vielen Fällen, beispielsweise wegen der Empfindlichkeit eines Objektes gegen Erschütterungen, nicht angewendet werden.
Darüberhinaus ist die automatische Ermittlung des Vorzeichens bei diesen Verfahren umständlich und erfordert einen relativ hohen zeitlichen und apparativen Aufwand.
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur interferometrischen Bestimmung der Form und des Vorzeichens von Unebenheiten oder Neigungen einer Fläche anzugeben, mit dem die gewünschten Werte ohne bewegte Teile, mit großer Genauigkeit und Geschwindigkeit sowie Unempfindlichkeit gegen äußere Einflüsse jeder Art ermittelt werden können. Darüberhinaus sollen die Meßergebnisse mit geringem zeitlichen und apparativen Aufwand ausgewertet werden können.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 beschriebene Erfindung gelöst.
Da gemäß der Erfindung das auszuwertende Interferenzlinienmuster durch Überlagerung von zwei Interferenzlinienmustern gebildet wird, die gleichzeitig und durch die gleichen Bezugs-und Meßstrahlen erzeugt werden, von denen der eine aus zwei räumlich zusammenfallenden und um Bruchteile von A/2 unterschiedliche optische Weg längen durchlaufenen Komponenten besteht, ist eine sehr exakte, schnelle und gegen Störungen aller Art, wie Erschütterungen, Schwankungen der Helligkeit der Lichtquelle, Verschmutzungen usw. weitgehend unempfindliche Auswertung möglich. Da das durch überlagerung der beiden Interferenzlinienmuster gebildete auszuwertende Interferenzlinienmuster aus Doppellinienpaaren besteht, deren Linien durch ihre Polarisationsrichtung voneinander unterscheidbar sind, entsteht die Tatsache, daß beispielsweise eine senkrecht polarisierte Linie an einer bestimmten Seite einer waagrecht polarisierten Linie eines Linienpaares liegt und dies ein eindeutiges Kriterium für das Vorzeichen der Steigung im zugeordneten Objektbereich bildet. Dieses Kriterium kann sowohl durch Beobachtung als auch automatisch sehr schnell und in einfacher ! Weise ausgewertet werden.
Alle diese Vorteile können mit keinem der bekannten Verfahren, auch nicht mit dem in der oben genannten DE-OS 26 58 399 beschriebenen, auch nur annähernd erreicht werden. Da das erfindungsgemäße Verfahren mit räumlich zusammenfallenden Bezugs4, und Meßstrahlen arbeitet kann es im Zusamenhang mit praktisch allen bekannten Interferometern und mit praktisch allen Verfahren zur Erhöhung des Auflösunysvermögen unter A/2, sowie mit Verfahren mit phasengewobbelten Meßstrahl, mit streifenden Einfall des Meßstrahls, mit Mehrfarbenverfahren usw. verwendet werden. Da die Überlagerung der das auszuwertende Interferenzmuster bildenden Interferenzmuster nicht nur elektro-i nisch sondern auch mit optischen Mitteln, beispielsweise durch, entsprechend angeordnete Spiegel oder Prismen erfolgen kann, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit sehr einfachen, wenig Raum erfordernden, wenig störanfälligen und sehr billigen Geräten durchgeführt werden.
Die Erfindung wird anschließend anhand der ein besonders vorteilhaftes und einfaches Ausführungsbeispiel darstellenden Figur erläutert. i Das in der Fig. dargestellte Ausführungsbeispiel besteht aus einer einen monochromatischen Strahl 2 erzeugenden Lichtquelle 1, einer Kondensorlinse 3, einem Strahlenteiler 4, einem im abwege des den Strahlenteiler durchsetzenden Bezugsstrahls 21 angeordneten, doppelbrechenden Element 5, einer in Fortpflantzungsrichtung des Strahls dahinter angeordneten Linse 6, einer reflektierenden Referenzfläche 7, einer im Wege des vom Strahlenteiler 4 in Richtung auf ein Objekt 10 reflektierten Meßstrahles 22 angeordneten Kompensationspiatte 8, einer in FortpfLanzungsrichtung des Meßstrahls dahinter angeordneten Linse 9, einem das Objekt 10 tragenden Support 11, einem im Wege des durch Kombination des Bezugsstrahls 21 und des Meßstrahls 22 im Strahlenteiler 4 gebildeten Strahls 23 angeordneten, polarisationsabhängigen Strahlenteiler 14, aus im Wege der den Strahlenteiler 14 verlassenden Strahlen 24 und 25 angeordneten Kameraröhren 15 und 16 und einer die durch die Kameraröhren in elektrische Signale umgewandelten Interferenzmuster iBberlagernden Fernsehwiedergabevorrichtung 1 7.
Der von der Lichtquelle 1 erzeugte Strahl 2 wird durch die Linse 3 kollimiert und im Strahlenteiler 4 in einen Bezugsstrahl 21 und einen Meßstrahl 22 aufgespalten. Durch das doppelbrechende Element 5 wrd der den Strahlenteiler 4 durchsetzende, monochromatische und nicht polarisierte Bezugsstrahl 21 in zwei senkrecht zueinander polarisierte Komponenten aufgespalten, die um #/8 gegeneinander phasenverschoben sind. Nach Durchtritt durch die Linse 6 und Reflexion an der reflektierenden Referenzfläche 7 durchsetzen beide Komponuten das doppelbrechende Element 5 ein zweites Mal, so daß sie mit einer Phasenverschiebung von A/4 inden Strahlenteiler 4 eintreten. Der im Strahlenteiler nach unten in Richtung auf das Objekt 10 abgelenkte Meßstrahl 22 durchsetzt die K-,mpensationsplatte 8 und die Linse 9 und gelangt nach Reflexion am Objekt 10 durch die beiden zuletzt genannten Elemente erneut zum Strahlenteiler 4, in dem er mit den aus den beiden oben beschriebenen Komponenten bestehenden Bezugsstrahl 2 zum Strahl 23 vereinigt wird. Dieser Strahl besteht aus dem unpolarisierten Meßstrahl 22 und den beiden senkrecht zueander polarisierten Komponenten des Bezugsstrahls 21. Da är auf den Meßstrahl 22 zurückgehende Anteil des Strahls sämtliche Polarisationsrichtungen enthält, wird ein Teil dieses SLrDI)7-eS den Strahlenteiler 14 unabgelenkt durchsetzen und zur Kameraröhre 15 gelangen, während der andere Teil am Strahlente%L-14 in Richtung auf die Kameraröhre 16 abgelenkt wird. In gleicher Weise gelangt die in einer Richtung polarisierte Komponente des Bezugsstrahls 21 zur Kameraröhre 15 und die recht dazu polarisierte Komponente des Bezugs strahls 21 zur Kameraröhre 16. Die auf den Aufnahmeflächen der beiden Kameraröhren erzeugten Interferenzlinienmuster sind entsprechend der Phasenverschiebung zwischen den beiden Komponenten des Bezugsstrahls 21 geringfügig (heispielsweise um A/4) gegeneinan-i der versetzt und werden nach Umwandlung in elektrische Signale in der Fernsehwiedergabevorrichtung 17 zu einem aus Doppellinien bestehenden Interferenzlinienmuster überlagert, das in an sich bekannter Weise der weiteren Auswertung zugrunde gelegt wird. Da die beiden Komponenten des Bezugsstrahls 21, bedingt durch das doppelbrechende Element 5, um Ä/4 verschieden lange optische Wege durchlaufen, entsprechen die auf den 1Aufnahmeflächen der Kameraröhren 15 und 16 erzeugten Interferenzmuster zwei Profilen der Objektfläche 1O, die auf in Richtung des Meßstrahls um A/4 geyeneinander versetzt sind.
Wird nun Sorge getragen, daß die Intensität oder die Farbe der von beiden Röhren übertragenen Interferenzlinien verscnieden ist, kann aufgrund der Tatsache, daß eine intensivere oder eine bestimmte Farbe aufweisende Linie links oder rechts von einer weniger intensiven oder eine andere Farbe aufweisende Linie liegt, eindeutig auf das Vorzeichen der durch das Interferenz~ linienmuster dargestellten, im betreffenden Bereich liegenden 1 Steigung geschlossen werden. Ebenso ist es möglich die überlagerung der beiden Interferenzlinienmuster nicht mit fernsehtechnischen Mitteln sondern durch optische Mittel, beispielsweise durch Einspielung des durch den Strahl 25 erzeugten Interferenzlinienmuster in die Ebene des durch den Strahl 24 erzeugten Interferenzlinienmusters durch geeignete Spiegel oder Prismen durchzuführen. In diesem Fall sind sehr kleine, kompakte, wenig störanfällige und sehr billige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens verwendbar. Die Auswertung des durch Überlagerung der beiden durch die Strahlen 24 und 25 erzeugten lnterferenzlinienmuster gebildeten, aus Doppellinien bestehenden Interferenzlinienmusters kann entweder visuell oder durch an sich bekannte Verfahren halb- oder vollautomatisch erfolgen. Es ist selbstverständlich auch möglich, an Stelle des Bezugsstrahls den Meßstrahl in zwei um A/4 oder ein ungeradzahliges Vielfaches davon voneinander verschieden lange optische Wege durchlaufende Komponenten aufzuspalten. An Stelle der optischen Weglängendifferenz von können auch andere Weglängendifferenzen gewählt werden, sofern eine eindeutige gegenseitige Zuordnung der Linien eines Linien paares gewährleistet wird. Es ist aber auch möglich in manchen Fällen die Kompensationsplatte entfallen zu lassen.

Claims

PATENTASPRÜCHE I 1. Verfahren mit einem Meß- und einem Bezugsstrahl zur interferometrischen Bestimmung der Form und des Vorzeichens von Unebenheiten oder Neigungen einer Flächetdadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl (22) oder der Bezugsstrahl (21) in zwei durch polarisationstechnische Mittel unterscheidbare Komponenten aufgespalten wird, von denen die eine vor Vereinigung mit dem Bezugsstrahl bzw. dem Meßstrahl eine Phasenverschiebung von kleiner als k/2 erfährt, daß die beiden durch den Meßstrahl und die beiden Komponenten des Referenzstrahls oder durch den Referenzstrahl und die beiden Komponenten des Meßstrahls erzeugten Interferenzfeider durch polarisationtechnische Mittel: getrennt werden und je ein Interferenzlinienmuster erzeugen, die anschließend mit der durch die Phasendifferenz der beiden Komponenten definierten Relativlage zu einem aus Linienpaaren bestehenden Muster vereinigt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerung der beiden Interferenzlinienmuster durch fernsehtechnische Mittel elektrisch erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerung der beiden Interferenzlinienmuster durch optische Mittel erfolgt.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den beiden in Bezug zueinander phasenverschobenen Komponenten zugeordneten Muster durch ihre Intensitäten unterscheidbar sind.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (1) zur Erzeugung eines monochromatischen Strahles (2), eine den Strahl (2) kollimierenden und auf einen Strahlenteiler (4) richtende Linse (3), durch ein im Wege des den Strahlenteiler (4) durchsetzenden Strahles angeordnetes1 doppelbrechendes Element (5), durch das zwei senkrecht zueinander linear polarisierte und um A/8 gegeneinander phasenverschobene Komponenten entstehen, durch eine dem doppelbrechenden Element (5) nachgeschaltete Linse (6) , eine in Fortpflanzungsrichtung des Strahls (21) dahinter angeordnete reflektierende Fläche (7), durch eine im Wege des vom Strahlenteiler (4) in Richtung auf ein zu untersuchendes Objekt (10) reflektierten Meßstrahls (22) angeordnete Kompensationsplatte (8), durch eine der Kompensationsplatte nachgeschaltete Linse (9), einen das Objekt (10) halternden Support (11), durch einen im Wege des durch die Kombination des Referenzstrahls (21) und des Meßstrahls (22) im Strahlenteiler (4) gebildeten Strahls (23) angeordneten polarisationsabhängigen Strahlenteiler (14), durch im Wege der von diesem Strahlenteiler durchgelassen und reflektierten Strahlen (24, 25) angeordnete Fernsehkameraröhren (15, 16) sowie durch eine die von den beiden Kameraröhren in elektrische Signale umgewandelten Frequenzlinienmuster überlagernde Fernsehwiedergabevorrichtung (17).