-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Das Analysieren von, durch Interferometer
erzeugten, Interferogrammen mittels eines Paares von Beugungsgittern
zum Trennen und Wiedervereinigen von Test- und Referenzstrahlen zur Messung von
Objektoberflächen.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Interferometer können ausgerichtete Beugungsgitter
zum Trennen und Wiedervereinigen von Referenz- und Teststrahlen
verwenden, die eine gesamte Oberfläche eines zwischen den Beugungsgittern
angeordneten Objekts messen können.
Je nach Konfiguration der Gitter und der Objektoberfläche können positive, negative
oder Strahlen nullter Ordnung, die durch die Gitter hindurchtreten,
verschiedene Interferenzmuster erzeugen. Neben anderen Mustern wird
in einem Interferogramm normalerweise ein Objekt-Streifenmuster durch
einen Teststrahl, der von der Objektoberfläche reflektiert wird, und einen
Referenzstrahl, der unbehindert durch die Objektoberfläche hindurchdringt,
gebildet ist. Es muss einen Weg geben, die vom Objekt stammenden
Interferenzstreifenmuster, die für
Messzwecke nützlich
sind, von anderen Interferenzstreifenmustern zu unterscheiden, die
aufgrund der Gitterausrichtung entstehen und keine Objektinformation
beinhalten. Dies ist besonders deshalb wichtig, da die Ausrichtungsgittermuster
nicht problemlos eliminiert werden können.
-
Mit genauer Kenntnis der Positionen
und Merkmale der Gitter, des Objekts und des Abbildungssystems ist
es theoretisch möglich,
zu berechnen, welche Interferenzmuster Objektinformation enthalten.
In der Praxis ist derartig genaue Information aber nur schwer und
kostspielig zu erlangen. Die vorliegende Streifenmuster-Unterscheidungseinheit
bietet eine Alternative, welche Objekt-Streifenmuster zu deutlich
geringeren Kosten wirksam identifiziert.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die Methode der Erfinder zum Unterscheiden
zwischen Objekt-Streifenmustern und Ausrichtungs-Streifenmustern,
die durch ein Paar von Beugungsgittern erzeugt werden, schließt das Bewegen
des Objekts mit ein, um die Objektstreifen zu bewegen, während die
Ausrichtungsstreifen unbeweglich bleiben. Die Erfinder haben herausgefunden,
dass das Bewegen des Objekts in X- und Y-Richtung in einer Ebene
senkrecht zu einer optischen Achse der Beugungsgitter dazu führt, dass
sich das Objekt-Streifenmuster verändert, während andere, von den Gittern
selbst verursachte Streifenmuster unverändert bleiben. Dieser Vorteil
wurde genutzt, indem die Veränderungen
in der Bestrahlungsstärke
von Pixeln in einer Anordnung beobachtet wurden, auf der das Interferogramm
abgebildet wird, während
das Objekt bewegt wurde. Aus diesen Beobachtungen haben die Erfinder
bestimmt, welche Pixel von einem Streifenmuster bestrahlt werden,
das Objektinformation enthält.
Wenn diese Bestimmung durchgeführt
ist, kann die Objektoberfläche
durch Phasenmodulation des Interferogramms gemessen werden, während nur
Daten von den Pixeln erfasst werden, die vom Objekt-Streifenmuster
bestrahlt werden. Die Daten können
anschließend
analysiert werden, um die Information bezüglich der gemessenen Objektoberfläche anzuzeigen.
-
Das Verfahren der Erfinder zum Unterscheiden
von Objekt-Streifenmustern von anderen Streifenmustern schließt das Bewegen
eines Objekttisches ein, der das Objekt trägt, so dass das Objekt so weit
in X- und Y-Richtung bewegt wird, dass sich die Helligkeit von Bereichen
im Objekt-Streifenmuster verändert.
Diese Bewegungen können
von einem Computer gesteuert werden, der Informationen von einem
Abbildungssystem empfängt,
das eine Pixelanordnung umfasst, auf der das Interferogramm abgebildet
wird. Der Objekttisch oder das Objektpodest, die das Objekt tragen,
umfasst vorzugsweise eine variable Apertur, um die Beleuchtung,
die zwischen den Beugungsgittern hindurchtritt, auf einen Mindestdurchmesser
zu begrenzen, der zum Messen der Oberfläche des Objekts erforderlich
ist. Ein Computer, der vorzugsweise zur Bedienung des Interferometers
verwendet wird, kann die durch das Objekt-Streifenmuster bestrahlten
Pixel identifizieren, nachdem das Objekt bewegt worden ist. Der
Computer kann zudem die Bewegung des Objekttisches in Reaktion auf
den Informationseingang vom Abbildungssystem steuern, um sicherzustellen,
dass es zu ausreichenden Bewegungen für diesen Zweck kommt. Darüber hinaus
kann der Computer die Phase des Interferogramms modulieren, indem
er vorzugsweise eines der Beugungsgitter, während die Daten erfasst und
für eine
Messung der Objektoberfläche
analysiert werden, entlang der optischen Achse bewegt.
-
ABBILDUNGEN
-
1 ist
eine schematische Ansicht eines Interferometers, das mit der Streifenmuster-Diskriminiereinheit
der Erfindung ausgestattet ist.
-
2 ist
eine schematische Ansicht eines Objekttisches, der in X- und Y-Richtung
bewegt wird, um ein Objekt-Streifenmuster gemäß der Erfindung zu diskriminieren.
-
3 ist
eine schematische Ansicht einer Pixelanordnung, auf der ein Interferogramm,
das ein Objekt-Streifenmuster enthält, zum Diskriminieren bzw.
Unterscheiden gemäß der Erfindung
abgebildet wird.
-
4 ist
eine schematische Ansicht von Strahlen, die zwischen den ausgerichteten
Beugungsgittern hindurchtreten, wobei ein Strahl auf einer Objektoberfläche auftrifft,
um das Interferogramm aus 3 zu
erzeugen.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Ein Interferometer 10, wie
es schematisch in 1 veranschaulicht
ist, beinhaltet ein Paar von ausgerichteten Beugungsgittern 11 und 12,
die entlang einer strichliert dargestellten optischen Achse 13 angeordnet
sind. Eine Quelle 14, die vorzugsweise kollimiertes, monochromatisches
Licht ausstrahlt, wird durch die Beugungsgitter 11 und 12 gelenkt.
In Abhängigkeit
von der Konfiguration der Gitter können die geteilten Strahlen
ungebeugte Strahlen nullter Ordnung und gebeugte Strahlen positiver
oder negativer Ordnung umfassen. Die Strahlen nullter Ordnung sind
häufig
für Referenzzwecke
nützlich,
und gebeugte Strahlen können
streifend auf der Oberfläche
des zwischen den Gittern angeordneten Objekts 15 auftreffen.
-
Die verschiedenen geteilten Strahlen
werden durch das Beugungsgitter 12 wiedervereinigt, um
im Abbildungssystem 16 ein Interferogramm zu erzeugen.
Ein Bereich des Interferogramms enthält Objektstreifen eines Teststrahls,
der auf die Objektoberfläche
auftrifft, die mit einem Referenzstrahl wiedervereinigt sind. Andere
Streifenbereiche des Interferogramms werden von wiedervereinigten
Strahlen erzeugt, die nicht auf der Objektoberfläche auftreffen und keine Objektinformation
enthalten. Diese Streifenmuster ergeben sich aus der Konfiguration
und der Ausrichtung der Beugungsgitter 11 und 12.
-
In der Praxis können die Gitter 11 und 12 so
gestaltet sein, dass sie die Transmission von Strahlen nullter Ordnung
unterdrücken
und durch eine Blaze-Ausbildung
die Strahlen positiver und negativer Ordnung verstärken. Die
Gitter 11 und 12 sind häufig mit kreisförmigen Linien
konzentrisch zur optischen Achse 13 ausgebildet, um insbesondere
Objekt-Rotationsflächen
zu messen. Es sind jedoch auch andere Gitterkonfigurationen möglich. Jede
ausreichende Übereinstimmung
zwischen Gittergestalt und einer Oberfläche des Objekts 15 kann
zu unerwünschten
Interferenzstreifen aufgrund der Gitterausrichtung zusammen mit
einem Objekt-Streifenmuster
führen,
das Information eines von der Objektoberfläche reflektierten Strahls enthält. Aus diesem
Grund wird das Unterscheiden zwischen dem erwünschten Objekt-Streifenmuster
und dem unerwünschten
Ausrichtungs- Streifenmuster
notwendig, um eine verlässliche
Messung der Objektoberfläche
zu erzielen.
-
Eine Möglichkeit dies zu erreichen,
ist es, das Objekt 15 leicht zu bewegen, wodurch die Streifen
des Objekt-Interferenzmusters verändert werden, ohne dass die
Streifen des Ausrichtungs-Interferenzmusters bewegt werden. Daraus
können
die Erfinder feststellen, welche im Abbildungssystem 16 angeordneten
Pixel vom Objekt-Streifenmuster
bestrahlt werden. Die Daten dieser Pixel können dann gesammelt werden,
um die Oberfläche
eines Objekts 15 zu messen und zu analysieren.
-
Wenn das Objekt 15 lediglich
in eine Richtung bewegt wird, bleiben die Objektstreifen entlang
einer Achse unverändert,
so dass das Objekt-Streifenmuster nicht vollständig bewegt wird. Dies kann
behoben werden, indem das Objekt 15 in zwei Richtungen
X und Y bewegt wird, die vorzugsweise senkrecht zu einander in einer
Ebene senkrecht zur optischen Achse 13 liegen.
-
Ein Objekttisch 20, der
durch Anpassungselemente oder Motoren 21 und 22 bewegt
wird, ermöglicht die
notwendige Bewegung des Objekts 15 in X- und Y-Richtung.
Ein Computer 25 steuert vorzugsweise die Bewegung des Objekttisches 20 als
Reaktion auf vom Abbildungssystem 16 erhaltene Information.
Eine Plattform 19 trägt
das Objekt 15 auf dem Objekttisch 20 und umfasst
ein Fenster 18, das das Objekt 15 trägt, und überträgt Licht,
das zwischen den Beugungsgittern hindurchtritt. Die optische Achse 13 kann
für ein
bequemes Anbringen des Objekts 15 auf dem Fenster 18 vertikal
ausgerichtet sein; jedoch nicht notwendigerweise, da die optische
Achse 13 auch horizontal oder in andere Richtungen als
vertikal ausgerichtet sein kann.
-
Die Plattform 19 schließt außerdem vorzugsweise
eine einstellbare Apertur 23 ein, die das zwischen den
Gittern hindurchtretende Licht auf den zum Messen des Objekts 15 erforderlichen
Mindestdurchmesser begrenzt. Die Apertur 23 ist vorzugsweise
eine Iris, die anpassbar den äußeren Bereich
des ausgestrahlten Lichts abschirmt.
-
Das Abbildungssystem 16 umfasst
eine Anordnung 30 von Pixeln 31, auf der in 3 ein Beispiel eines Interferogramms
abgebildet ist. Das Interferogramm umfasst ein Objekt-Streifenmuster 35 sowie
Ausrichtungs-Streifenmuster 32 und 33. Ein derartiges
Interferogramm kann aus der in 4 schematisch
dargestellten Anordnung entstehen, bei der ein Objekt 15 mit
einem zylindrischen Innendurchmesser 36 gemessen wird. Zwei
gebeugte Strahlen treten durch das hohle Innere des Objekts 15 hindurch,
ohne dass sie auf der Oberfläche 36 auftreffen
und interferieren mit Strahlen nullter Ordnung, die zwar nicht dargestellt
sind, jedoch ungebeugt zwischen den Gittern 11 und 12 parallel
zur optischen Achse ihrer Ausrichtung hindurchtreten. Dadurch entstehen
die Ausrichtungs-Streifenmuster 32 und 33,
wie sie auch in der 3 veranschaulicht
sind.
-
Ein Teststrahl, der streifend auf
der Objektoberfläche 36 auftritt
und von dieser reflektiert wird, vereinigt sich mit einem nicht
dargestellten Referenzstrahl nullter Ordnung, um ein Objekt-Streifenmuster 35 zu
erzeugen, das ebenso in 3 veranschaulicht
ist. Die ringförmige
Gestalt des Interferenzstreifenmusters entsteht dadurch, dass das
Objekt 15 aus Rotationsflächen besteht, deren Mittelpunkt
auf der Gitterachse zentriert ist. Ähnliche Objekt- und Ausrichtungs-Streifenmuster
ergeben sich aus Interferogrammen, die externe Objektoberflächen messen,
wobei die meisten Objekt-Messanordnungen Strahlen, die nicht auf
einer Objektoberfläche
auftreffen, zu den Streifen eines Interferogramms beitragen lassen,
das das wichtige Objekt-Streifenmuster eines Teststrahls umfasst,
der auf einer Objektoberfläche
auftrifft.
-
Eine Möglichkeit, unerwünschte Streifenmuster
aus dem Interferogramm zu entfernen, ist es, die Apertur 23 zu
begrenzen, so dass nur der zum Messen eines Objekts erforderliche
Mindestdurchmesser an Licht hindurchtritt. Das Begrenzen der Apertur 23 kann
ein äußeres Streifenmuster 33 in
den 3 und 4 eliminieren, indem Licht,
das entlang der Außenseite
des Objekts 15 übertragen
wird, beseitigt wird. In vielen Fällen ist es dennoch nicht möglich, sämtliche
unerwünschten
Streifenmuster durch das Begrenzen der Apertur 23 zu eliminieren.
Dies ist in den 3 und 4 durch die Streifenmuster 32 und 35 ersichtlich,
die trotz der Aperturgröße vorhanden
sind. Unabhängig
davon, was mit der Apertur 23 geschieht, muss das Objekt-Streifenmuster 35 zum
Messen der Oberfläche 36 des
Objekts 15 vom Ausrichtungs-Streifenmuster 32 unterschieden
werden.
-
Um dies zu erreichen, kann die Bestrahlungsstärke der
Pixel 31 überwacht
werden, wenn das Objekt 15 in X- und Y-Richtung bewegt
wird. Diese Bewegungen werden vorzugsweise vom Computer 25 gesteuert, während dieser
Informationen von den Pixeln 31 erhält, so dass das Objekt 15 ausreichend
weit bewegt werden kann, um die Bestrahlungsstärkewerte der Objekt-Streifen
zwischen hell und dunkel zu verändern.
Wenn die Objekt-Streifen durch eine Bewegung des Objekts moduliert
werden, detektieren die Pixel 31 der Anordnung 30,
die durch das Objekt-Streifenmuster 35 bestrahlt
werden, eine deutlich unterschiedliche Bestrahlung. Daraus identifiziert
der Computer 25 welche der Pixel 31 durch das
Objekt-Streifenmuster 35 beleuchtet
werden. Wenn diese Identifzierung durchgeführt worden ist, werden lediglich
Daten von identifizierten Pixeln in der Messung der Objekt-Oberfläche verwendet.
-
Die Messung umfasst eine Phasenmodulation
des Interferogramms, vorzugsweise durch ein Bewegen des Beugungsgitters 12 entlang
der optischen Achse mittels eines Motors 26. Der Computer 25 steuert
vorzugsweise die Phasenmodulations-Bewegung des Gitters 12, während er
Daten von den Pixeln empfängt,
die als vom Objekt-Streifenmuster 35 beleuchtet identifiziert
worden sind. Der Computer 25 analysiert daraufhin die Daten
und zeichnet Informationen über
die Objektoberfläche
auf bzw. zeigt diese an.
-
Der Computer 25 kann auf
unterschiedliche Art und Weise herausfinden, welche der Pixel 31 vom
Objekt-Streifenmuster 35 beleuchtet werden. Dazu gehören folgende
Möglichkeiten:
-
- 1. Subtrahieren der Intensität eines jeden Pixels in einem
Rahmen von demselben Pixel in einem vorherigen Rahmen, und Aufsummieren
des absoluten Wertes der Differenz für jeden Pixel.
- 2. Summieren der Quadrate der Differenzen für jeden Pixel.
- 3. Subtrahieren der Intensität
eines jeden Pixels in einem Rahmen von demselben Pixel in einem
ersten Rahmen, wobei der absolute Wert der maximalen Intensitätsdifferenz
für diesen
Pixel festgehalten wird.
- 4. Festhalten der maximalen und minimalen Intensität eines
jeden Pixels in einem Rahmen. Wenn alle Rahmen erfasst worden sind,
Subtrahieren des Minimums vom Maximum, um die Modulation zu erhalten.
-
Jedes beliebige dieser Verfahren
kann herangezogen werden, um die Pixel zu bestimmen, deren Modulation
einen vorbestimmten oder Daten-abhängigen Schwellenwert, vermutlich
aufgrund der Beleuchtung durch das Objekt-Streifenmuster 35 während der
Bewegung des Objekts 15, überschreitet. Die identifizierten Pixel
dienen dann als Maske, um andere Pixel der Anordnung 30 auszuschließen, während die
Messdaten von den identifizierten Pixeln gesammelt werden.
-
Die Bewegung des Objekts muss nicht
genau gesteuert werden, um die vom Objekt-Streifenmuster beleuchteten Pixel identifizieren
zu können.
Die Bewegung sollte jedoch ausreichen, um eine Änderung der Phase des Streifenmusters
um einen Streifen zu erzielen, und eine zusätzliche Bewegung kann zulässig sein. Das
Bewegen des Objekts entlang einer orthogonalen Translationsachse
führt zur
Bildung eines Pols, entlang welchem keine Phasenveränderung
im Objekt- Streifenmuster
auftritt. Bei einem ringförmigen
Streifenmuster ist es denkbar, dass ein kompletter Ring an identifizierten
Pixeln aus einer Bewegung in eine einzige Richtung berechnet werden
könnte,
selbst wenn es an den Polen zu keinen Streifenveränderungen
kommt. Es ist jedoch praktischer und deshalb auch bevorzugter, das
Objekt entlang beider orthogonaler Translationsachsen zu bewegen,
so dass im gesamten Bereich des Objekt-Streifenmusters Phasenänderungen
auftreten. Die Bewegungen können
nacheinander oder gleichzeitig erfolgen.
-
Ein bevorzugtes Verfahren zum Identifizieren
von Objekt-Streifen-Betrachtungspixel 31, die in einer Anordnung 30 einer
CCD-Kamera in einem Abbildungssystem 16 angeordnet sein
können,
wird untenstehend erklärt.
Das Verfahren verwendet einen externen und vorbestimmten Eingang,
der einen Modulationsschwellenwert für das Ausmaß an Bestrahlungsintensitätsveränderung,
das ein Pixel registrieren muss, festlegt, wenn das Objekt auf den
Pixel zu bewegt wird, von welchem angenommen wird, dass er das Objekt-Streifenmuster 35 misst.
Das Ergebnis des Identifizierungsverfahrens ist eine zweidimensionale
Maskenanordnung, deren jedes Element einem der Pixel 31 entspricht.
Jedes Element der Maskenanordnung steht für einen von zwei Werten: ObjektStreifenDaten
oder AndereDaten. Bei den nachfolgenden Datenerfassungen und Berechnungen
werden die Phasenwerte nur für
die Bildpixel 31 berechnet, deren zugehöriger Maskenwert ObjektStreifenDaten
ist. Bildpixel, deren zugehöriger
Maskenwert AndereDaten ist, werden ignoriert.
-
Die Amplitude der Bestrahlungsmodulation
bei jedem Pixel wird aus der Differenz zwischen den maximalen und
minimalen Intesitätswerten
berechnet, die von den Pixeln registriert werden, wenn das Objekt
bewegt wird. Dies kann wie folgt bestimmt werden:
-
Nun ist eine „Rohmaskenanordnung" berechnet worden.
Rauschen in den elektro-optischen
Komponenten sowie Vibrationen der mechanischen Komponenten des Interferometers
führen
normalerweise dazu, dass einige Pixel, die nicht Teil des Objekt-Streifenmusters
sind, irrtümlich
enthalten, und andere, die Teil des Objekt-Streifenmusters sind, irrtümlich ausgenommen
sind. Die Rohmaske kann durch eine Berechnung verbessert werden,
die eine verlässlichere
Unterscheidung zwischen Pixeln, die das Objekt-Streifenmuster beobachten,
und anderen Pixeln, die das Objekt-Streifenmuster nicht beobachten,
ermöglicht.
-
Bei Objekten, bei denen eine Rotationsfläche zu messen
ist, gestaltet sich das erwünschte
Objekt-Streifenmuster ringförmig.
Durch das Anwenden von gut bekannten Bildverarbeitungstechniken
zur Randauffindung und Fehlerquadratanalyse auf die Rohmaskenanordnung,
kann der Mittelpunkt, Innen- und Außenradius des Objekt-Streifenmusters
geschätzt
werden. Mit der so erhaltenen Schätzung der Position und des Ausmaßes des
Objekt-Streifenmusters kann eine „gefilterte" Maskenanordnung
erzeugt werden, die in der folgenden Phasen-Datenerfassung verwendet werden kann.
Die „gefilterte" oder verbesserte
Maskenanordnung ist verlässlicher
in Bezug auf die Unterscheidung zwischen Objekt-Streifen beobachtenden
Pixeln und anderen Pixeln, und kann wie folgt erstellt werden:
-
Die verbesserte Maskenanordnung enthält nun den
Wert ObjektStreifenDaten für
alle Pixel zwischen dem geschätzten
Innen- und Außenradius
des Objekt-Streifenmusters,
und den Wert AndereDaten für
sämtliche
anderen.
-
Das Verfahren zum Verschieben des
Objekts und zum Evaluieren, wann die Rohmaske vollständig ist, kann
von einer Bedienungsperson manuell durchgeführt werden, oder vom Computer
automatisch gesteuert werden. Wird der Vorgang von einer Bedienungsperson
manuell vorgenommen, gibt es keine spezifischen Anforderungen bezüglich der
Verschiebung des Objekts und der zu synchronisierenden Rahmeneinfangung, noch
besteht eine genaue Anforderung, wie oft das Objekt bewegt werden
muss oder ob der Abstand bei jeder Bewegung zu verändern ist.
Die Bedienungsperson kann das Objekt kontinuierlich und langsam
in einem der mehrfachen Streifenempfindlichkeit entsprechenden Bereich
bewegen, während
der Computer die Rahmeneinfangung vornimmt und anzeigt, welche Pixel
sich über
den Modulationsschwellenwert hinaus moduliert haben. Die Bedienungsperson
kann solange mit der Bewegung des Objekts fortfahren, bis die angezeigte
Maske ungefähr
dem erwarteten Muster eines geschlossenen Rings entspricht.
-
Bei der Identifizierung der ObjektStreifenDaten-Pixel
für die
Maske, ist die Intensität
jedes Punktes im Objekt-Streifenmuster durch folgende Gleichung
gegeben:
Intensität = A·B·Cos(Θ)
worin:
A für den Gleichspannungspegel
der Beleuchtung des Feldes steht;
B der Interferenzkontrast
ist; und
Θ die
relative Phase der Interferenz ist.
-
Die relative Interferenzphase an
jedem Punkt im Objekt-Streifenmuster ist, wenn das Objekt in Bezug auf
die X- und Y-Achse bewegt wird, durch folgende Gleichung gegeben:
worin:
X die X-Achsenposition
ist;
Y die Y-Achsenposition ist; und
Φ der Winkel der Senkrechten
zur Objektoberfläche
in der X-Y-Ebene in Bezug auf die X-Achse ist.
