DE3611402C2

DE3611402C2 -

Info

Publication number: DE3611402C2
Application number: DE3611402A
Authority: DE
Inventors: Keishin Higashiyamato Tokio/Tokyo Jp Tsuchiya; Kitabayashi Machida Tokio/Tokyo Jp Junichi; Toshio Tokio/Tokyo Jp Kanoh
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1985-04-04
Filing date: 1986-04-04
Publication date: 1991-08-22
Also published as: DE3611402A1; US4743118A; DE3645132C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Bezugslichtstrahles gegenüber einem Grundlichtstrahl in einem Shearing-Interferometer-System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren zum Einstellen eines Bezugslichtstrahles gegenüber einem Grundlichtstrahl in einem sog. Shearing-Interferometer-System ist in den offengelegten japanischen Patentanmeldungen 60-2 22 702, 60-2 22 703 und 60-0 55 213 beschrieben. Diese Shearing-Interferometer-Systeme dienen der Erfassung der Oberflächenbeschaffenheit eines Gegenstandes, wobei das Shearing-Interferometer-System eine Laserlichtquelle und einen Strahlteiler enthält, um das Licht der Lichtquelle zu einem zu untersuchenden Objekt zu lenken und um das von dem Objekt reflektierte Licht in Form eines Grundlichtstrahls zu einem weiteren Strahlteiler zu lenken. Ferner enthält dieses System mehrere Winkelprismen, um den Grundlichtstrahl und einen Bezugslichtstrahl räumlich zu versetzen. Mit Hilfe eines Lichtdetektors wird die räumliche Lage des Grundlichtstrahls in Relation zur räumlichen Lage des Bezugslichtstrahls festgestellt. Bei diesem bekannten System werden ferner die Grund- und Bezugslichtstrahlen, die sich parallel zueinander ausbreiten, mit Hilfe einer Kondensorlinse in einem Konvergenzpunkt konvergiert. Der Grundlichtstrahl und der Bezugslichtstrahl werden durch Aufteilen eines Meßlichtstrahls, der von dem zu messenden Gegenstand reflektiert wurde, abgeleitet. Die genannten zwei Lichtstrahlen sind einander gleichwertig und haben dieselbe Wellenfront. Der Einfachheit halber werden nachstehend nur eindimensionale Meßprinzipien beschrieben. Die Wellenfrontform des Grundlichtstrahls an einem Flächensensor läßt sich durch W(x) ausdrücken; die Wellenfront des Bezugslichtstrahls auf dem Flächensensor läßt sich infolge der Verdoppelung (Verschiebung) S durch W(x+S) ausdrücken. Da die Verdoppelung (Verschiebung) S im allgemeinen ziemlich klein ist, wird die Differenz zwischen den Wellenfronten W(x+S)-W(x) zu und kann als ΔW(x) · S ausgedrückt werden, wenn = ΔW(x) ist. Der Wert W(x) kann mit hoher Genauigkeit bekannt sein, indem das Interferenzstreifenmuster der beiden Lichtstrahlen in einem bekannten interferometrischen Streifenabtastsystem gemessen und analysiert wird. Durch eine Rechenoperation

kann die Wellenfrontform W(x) bestimmt werden. Die Wellenfrontform wird dann auf der Basis einer Beziehung zwischen der Wellenfrontform und der Konfiguration u. ä. der zu messenden Oberfläche korrigiert, so daß die Oberflächenkonfiguration herausgefunden werden kann. Information bezüglich der Ausführung und des Leistungsvermögens einer Linse kann aus der auf diese Weise bestimmten Wellenfrontform erhalten werden.

Für genaue Messungen in dem Shearing-Interferometer-System muß daher die rechte Seite der Gl. (1) genau berechnet werden. Die Genauigkeit der rechten Seite der Gl. (1) wird unmittelbar durch die Verdopplung S beeinflußt, und folglich ist die Genauigkeit des Shearing-Interferometer-Sytems von der Genauigkeit der Verdopplung S abhängig. Für eine ausreichende Meßgenauigkeit sollte eine Genauigkeit der Verdopplung S vorzugsweise bei 0,1 µm gehalten werden. Da die Verdopplung S eine Verschiebung zwischen dem Bezugslichtstrahl und dem diesbezüglich verschobenen Grundlichtstrahl ist, muß die Voraussetzung, bei welcher keine Verdopplung vorhanden ist, d. h. der Ursprung der Verdopplung für eine genaue Bestimmung der Verdopplung genau gemessen werden.

Bisher ist der Ursprung einer Verdopplung auf folgende Weise festgestellt worden. In dem Ursprung einer Verdopplung überlappen sich die Grund- und Bezugslichtstrahlen ohne eine Phasendifferenz vollständig, und folglich wird auf dem Flächensensor kein Interferenzstreifen abgebildet. Es ist daher üblich gewesen, den Interferenzstreifen auf einer Kathodenstrahlröhre (CRT) basierend auf dem Ausgangssignal von dem Flächensensor darzustellen und die Verdopplung auf Null einzustellen, während der dargestellte Interferenzstreifen zum Feststellen des Verdopplungsursprungs überwacht wird. Das herkömmliche Verfahren ist jedoch nicht leicht durchzuführen, und die Bestimmungsgenauigkeit wird stark von der Erfahrung und der Geschicklichkeit der Bedienungsperson beeinflußt. Es wäre günstig, wenn die Verdopplung S unmittelbar mit hoher Genauigkeit gemessen würde.

Der prinzipielle Aufbau eines herkömmlichen Shearing-Interferometers geht aus der US-PS 38 29 219 hervor. Auch dieses bekannte Shearing-Interferometer dient dazu, sog. Shearing- Interferogramme von Wellenfronten zu erzeugen, die sich an einem Konvergenzpunkt der Lichtstrahlen überlagern.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Einstellen eines Bezugslichtstrahles gegenüber einem Grundlichtstrahl in einem Shearing-Interferometer- System zu schaffen, welches eine besonders hohe Einstellgenauigkeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Gattung erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus dem Anspruch 2.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens mit Merkmalen nach der Erfindung zum Feststellen des Ursprungs einer Verdopplung in einem Shearing-Interferometer-System.

In Fig. 1 ist ein Shearing-Interferometer-System dargestellt, mit welchem ein Verfahren zum Feststellen des Ursprungs einer Verdopplung (Verschiebung) durchführbar ist. Das sogenannte Shearing- Interferometer-System weist eine Lichtquelle 10 mit einer Laserstrahlquelle, wie einem He-Ne-Laser, eine Kollimator- Linse 12, einen Strahlteiler 14, eine Konverterlinse 16, einen Strahlteiler 18, Winkelprismen 20, 22 (die nachstehend der Einfachheit halber nur noch als "Prismen 20, 22" bezeichnet werden), ein Abbildungsobjektiv 24, einen Flächensensor 26, Lichtverschlußeinrichtungen 21, 23, einen halbtransparenten Spiegel 25, eine Kondensorlinse 27 und einen Viersegment-Lichtdetektor 28 auf.

Das Shearing-Interferometer-System wird dazu verwendet, um die Oberflächenkonfiguration eines Gegenstandes oder Objektes zu messen, welcher in Fig. 1 (I) mit 100 bezeichnet ist.

Die Lichtverschlußeinrichtung 21 ist in dem Lichtweg des Grundlichtstrahls angeordnet, um diesen Lichtweg zu öffnen oder zu versperren. Die Lichtverschlußeinrichtung 23 ist in dem Lichtweg eines Bezugslichtstrahls angeordnet, um diesen Lichtweg zu öffnen und zu versperren. Das Winkelprisma 22 dient als ein Strahlverdopplungsteil und ist in X- und Y- Richtungen verschiebbar. Wenn das Prisma 22 in der X-Richtung bewegt wird, wird eine Verdopplung in der X-Richtung erzeugt, und wenn das Prisma 22 in der Y-Richtung (senkrecht zu der Zeichenebene der Fig. 1) bewegt wird, wird eine Verdopplung in der Y-Richtung erzeugt.

Die Grund- und Bezugslichtstrahlen breiten sich parallel zueinander zwischen dem Strahlteiler 18 und dem Abbildungsobjektiv 24 aus. Diese Lichtstrahlen werden durch den halbtransparenten Spiegel 25 extrahiert und fallen auf die Kondensorlinse 27. Der Viersegment-Lichtdetektor 28 wird entlang der optischen Achse aus dem Kovergenzpunkt der Kondensorlinse 27 etwas verschoben. Daher haben die Lichtstrahlen, welche auf den Viersegment-Lichtdetektor 28 auftreffen, einen kreisförmigen Querschnitt.

Wie in Fig. 1 (II) dargestellt, hat der Viersegment-Lichtdetektor 28 vier lichtfühlende Oberflächen α, β, γ und δ, von welchen jeweils Ausgangssignale α₁, β₁, γ₁ und δ₁ erzeugt werden. Die Ausgangssignale α₁, β₁ werden an einen Verstärker 30 angelegt, welcher (α₁-β₁) verstärkt als ein Ausgangssignal A₀ erzeugt. Die Ausgangssignale γ₁, δ₁ werden an einen Verstärker 32 angelegt, welcher (γ₁-δ₁) verstärkt als ein Ausgangssignal B₀ erzeugt. Die Ausgangssignale A₀, B₀ von den Verstärkern 30, 32 werden dann an einen Verstärker 34 angelegt, welcher (A₀-B₀) verstärkt als ein Ausgangssignal C₀ erzeugt.

Der Ursprung einer Verdopplung wird folgendermaßen festgestellt. Die Lichtquelle 10 wird erregt, und die Oberfläche des zu messenden Gegenstandes 100 wird in den Konvergenzpunkt des Lichtes von der Konverterlinse 16 her bewegt, durch welche der Gegenstand 100 beleuchtet wird. Zu diesem Zeitpunkt ist dann der Gegenstand 100 in der Lage angeordnet, welche durch die ausgezogenen Linien in Fig. 1 (I) angezeigt ist. Meßlicht, d. h. Licht, das von dem Gegenstand 100 reflektiert wird, wird von der Konverterlinse 16 durchgelassen, wobei die Lichtstrahlen zueinander parallel sind. Dann wird die Lichtverschlußeinrichtung 23 geschlossen, um den Bezugslichtstrahl zu unterbrechen, so daß nur der Grundlichtstrahl auf den Viersegment-Lichtdetektor 28 fällt. Während der Überwachung des Ausgangssignals von dem Viersegment- Lichtdetektor 28 wird dieser (28) von der Bedienungsperson so positioniert, daß der Grundlichtstrahl auf die Mitte des Viersegment-Lichtdetektors 28 trifft. Hierzu wird die Position des Viersegment-Lichtdetektors 28 so eingestellt, daß alle Ausgangssignale A₀, B₀ und C₀ null sind. Nachdem der Viersegment-Lichtdetektor 28 bezüglich seiner Lage richtig eingestellt ist, wird die Lichtverschlußeinrichtung 21 geschlossen, um den Grundlichtstrahl zu unterbrechen und die Lichtverschlußeinrichtung 23 wird geöffnet, damit nur der Bezugslichtstrahl auf den Viersegment-Lichtdetektor 28 fallen kann. Die Richtung, entlang welcher die lichtfühlenden Flächen α, β angeordnet sind, wird so gewählt, daß sie in Y-Richtung ist, und die Richtung, entlang welcher die lichtfühlenden Flächen γ, δ angeordnet sind, wird so gewählt, daß sie die X-Richtung ist. In Abhängigkeit von den jeweiligen Größen der Ausgangssignale A₀, B₀ wird die Richtung, in welcher das Prisma 22 zu bewegen ist, festgelegt, und das Prisma 22 wird so positioniert, daß die Ausgangssignale A₀, B₀, C₀ im wesentlichen eliminiert sind. Das Prisma 22 kann durch einen Schritt- oder einen Gleichstrommotor mit Rückkopplungsschleife bewegt werden, um die Ausgangssignale A₀, B₀ und C₀ auszuschalten. Auf diese Weise werden die optische Achse des Grundlichtstrahls und die optische Achse des Bezugslichtstrahls miteinander über den Viersegment-Lichtdetektor 28 zur Deckung gebracht. Der Ursprung einer Verdopplung kann festgestellt werden, wenn die Ausgangssignale A₀, B₀ und C₀ im wesentlichen null sind.

Sobald der Verdopplungsursprung festgestellt ist, wird der Gegenstand 100 in eine in Fig. 1 (I) gestrichelt wiedergegebene Lage bewegt, und die Lichtverschlußeinrichtungen 21, 23 werden geöffnet. Dann wird das Prisma 22 für eine vorgeschriebene Verdopplung in der X-Richtung bewegt. Nunmehr ist die Vorbereitung eines Meßvorgangs beendet. Der Meßvorgang selbst wird unten beschrieben.

Wenn die Lichtquelle 10 erregt ist, wird das von ihr abgegebene Licht durch die Kollimatorlinse 12 in einen Parallellichtstrahl mit entsprechendem Durchmesser konvergiert, welcher durch den Lichtteiler 14 reflektiert wird, damit er sich nach links (in Fig. 1 (I)) ausbreitet. Der Lichtstrahl wird dann durch die Konverterlinse 16 in eine konvergente Kugelwelle umgewandelt, welche auf den Gegenstand 100 gerichtet wird und von diesem als Meßlicht reflektiert wird. Das Meßlicht trägt Informationen bezüglich der Oberflächenkonfiguration des Gegenstands 100.

Das Meßlicht passiert die Konverterlinse 16 nach rechts und gelangt durch den Strahlteiler 14 auf den Strahlteiler 18. Der Strahlteiler 18 teilt das Meßlicht in einen (durch ausgezogene Linien wiedergegebenen) Grundlichtstrahl und in einen (durch gestrichelte Linien wiedergegebenen) Bezugslichtstrahl auf. Der Grundlichtstrahl fällt auf das Prisma 20 und wird von diesem zurückreflektiert und wird dann durch den Strahlteiler 18 so reflektiert, daß er sich in der Z- Richtung ausbreitet. Der Grundlichtstrahl fällt dann über das Abbildungsobjektiv 24 auf den Flächensensor 26.

Der Bezugslichtstrahl trifft auf das Prisma 22 auf und wird von diesem reflektiert, um dann den Lichtteiler 16 in der Z- Richtung und anschließend das Abbildungsobjektiv 24 zu passieren, um auf den Flächensensor 26 zu fallen.

Wie in Fig. 1 (III) dargestellt, werden der Grundlichtstrahl A und der Bezugslichtstrahl B in dem Flächensensor 26 überdeckt, wenn sie in der X-Richtung etwas versetzt sind, wodurch ein Interferenzstreifen in dem Überdeckungsbereich erzeugt wird.

Das Prisma 20 wird dann in der X-Richtung verschoben, um die Länge des Lichtwegs des Bezugslichtstrahls zu verändern, wodurch der Interferenzstreifen auf dem Flächensensor 26 verändert wird. Die Veränderung in dem Interferenzstreifen wird mittels des Flächensensors 26 gelesen, um Daten auf dem Interferenzstreifen zu erhalten, auf welchem basierend dann eine vorgeschriebene Rechenoperation durchgeführt wird, um die Wellenfrontform des Grundlichtstrahls auf dem Flächensensor 26 zu berechnen. Die auf diese Weise berechnete Wellenfrontform steht in einer bestimmten Beziehung zu der Oberflächenkonfiguration des Gegenstands 100. Diese Beziehung ist im voraus bekannt, da sie durch das optische System zwischen dem Gegenstand 100 und dem Flächensensor 26 vorgegeben ist.

Die Oberflächenkonfiguration des Gegenstands 100 kann basierend auf der vorstehend angeführten Beziehung durch Korrigieren der Wellenfrontform bestimmt werden. Bei einem tatsächlichen Meßvorgang wird zuerst eine Verdopplung in der X-Richtung erzeugt, um Interferenzstreifendaten in der X- Richtung zu lesen; dann wird eine Verdopplung in der Y-Richtung (welche zu der Zeichenebene der Fig. 1 senkrecht verläuft) erzeugt, um Interferenzstreifendaten in der Y-Richtung zu lesen. Die Wellenfrontformen, welche aus den gelesenen Daten berechnet worden sind, werden zusammengefaßt, um eine dreidimensionale Wellenfrontform zu erzeugen.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Ursprung einer Verdopplung auf der Basis der Ausgangssignale des Viersegment-Lichtdetektors gefühlt und kann folglich leicht und zuverlässig festgestellt werden. Der Ursprung bzw. die Herkunft einer Verdopplung kann sogar automatisch festgestellt werden.

Claims

1. Verfahren zum Einstellen eines Bezugslichtstrahles gegenüber einem Grundlichtstrahl in einem Shearing-Interferometer- System, welches enthält:
eine Lichtquelle, einen Strahlteiler, um das Licht der Lichtquelle zu einem Objekt zu lenken und um das von dem Objekt reflektierte Licht in Form eines Grundlichtstrahls zu einem weiteren Strahlteiler zu lenken, Winkelprismen, um den Grundlichtstrahl und den Bezugslichtstrahl räumlich zu versetzen, und eine Lichtdetektoranordnung zur Erfassung der räumlichen Lage des Grundlichtstrahls in Relation zu dem Bezugslichtstrahl, wobei die Grund- und Bezugslichtstrahlen, die sich parallel zueinander ausbreiten, mit Hilfe einer Kondensorlinse in einem Konvergenzpunkt konvergieren, dadurch gekennzeichnet, daß

a) Lichtverschlußeinrichtungen (21, 23) angeordnet werden, mit denen der Strahlengang des Grundlichtstrahls und der Strahlengang des Bezugslichtstrahls selektiv gesperrt werden kann,
b) ein Viersegment-Lichtdetektor (28) an einer Stelle vorgesehen wird, welche von dem Konvergenzpunkt in der Richtung der optischen Achse etwas versetzt ist,
c) der Lichtweg des Bezugslichtstrahls mit der in dem optischen Weg angeordneten Lichtverschlußeinrichtung (23) versperrt wird, damit nur der Grundlichtstrahl auf den Viersegment-Lichtdetektor (28) fallen kann,
d) der Viersegment-Lichtdetektor (28) verschoben wird, während die Ausgangssignale von dem Viersegment-Lichtdetektor (28) überwacht werden, bis der Viersegment-Lichtdetektor (28) so positioniert ist, daß der Grundlichtstrahl auf die Mitte des Viersegment-Lichtdetektors (28) fällt,
e) dann der Lichtweg des Grundlichtstrahls mit Hilfe der in dem optischen Weg angeordneten Lichtverschlußeinrichtung (21) versperrt und der Lichtweg des Bezugslichtstrahls geöffnet wird, damit nur der Bezugslichtstrahl auf den Viersegment-Lichtdetektor (28) fällt, und
f) ein Winkelprisma (22) verschoben wird, welches den Bezugslichtstrahl verdoppelt, während die Ausgangssignale von dem Viersegment-Lichtdetektor (28) überwacht werden, bis der Bezugslichtstrahl auf die Mitte des Viersegment- Lichtdetektors (28) fällt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zum Einstellen eines Bezugslichtstrahles gegenüber einem Grundlichtstrahl in einem Shearing-Interferometer- System, welche enthält:
eine Lichtquelle, einen Strahlteiler, um das Licht der Lichtquelle zu einem Objekt zu lenken und um das von dem Objekt reflektierte Licht in Form eines Grundlichtstrahls zu einem weiteren Strahlteiler zu lenken, Winkelprismen, um den Grundlichtstrahl und den Bezugslichtstrahl räumlich zu versetzen, Lichtverschlußeinrichtungen, mit denen der Strahlengang des Grundlichtstrahls und der Strahlengang des Bezugslichtstrahls selektiv gesperrt werden kann, und einen Viersegment-Lichtdetektor, der an einer Stelle vorgesehen ist, welche von einem Konvergenzpunkt in der Richtung der optischen Achse etwas versetzt ist, wobei die Grund- und Bezugslichtstrahlen, die sich parallel zueinander ausbreiten, mit Hilfe einer Kondensorlinse auf den Konvergenzpunkt gelenkt werden, gekennzeichnet durch eine mit dem Viersegment- Lichtdetektor (28) verbundene Differenz-Verstärkeranordnung (30, 32, 34), von der zwei Differenzverstärker (30, 32) als Eingangssignale jeweils zwei Ausgangssignale von den Segmenten (α, β, γ, δ) des Viersegment-Lichtdetektors (28) empfangen und von der ein dritter Differenzverstärker (34) die beiden Ausgangssignale (A₀, B₀) der zwei anderen Differenzverstärker (30, 32) als Eingangssignale empfängt und ein weiteres Ausgangssignal (C₀) erzeugt.