DE69912608T2

DE69912608T2 - Hochgenaues interferometer mit lichtleitern

Info

Publication number: DE69912608T2
Application number: DE69912608T
Authority: DE
Inventors: Gerardus Renatus KLAVER
Original assignee: Stichting voor de Technische Wetenschappen STW
Current assignee: Stichting voor de Technische Wetenschappen STW
Priority date: 1998-06-10
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2019-06-10
Also published as: US6577400B1; AU4293799A; ATE253722T1; NL1009366C2; EP1090268A1; ES2205867T3; EP1090268B1; JP2002517743A; DE69912608D1; WO1999064817A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Interferometer zum Messen einer Phasendifferenz zwischen einem Referenzstrahl und einem Objektstrahl, der durch ein optisches Element transformiert ist, mit Lichtquelleneinrichtungen zum Erzeugen des Objektstrahls und des Referenzstrahls, einer optischen Vorrichtung, um zu ermöglichen, dass der transformierte Objektstrahl und der Referenzstrahl in einer Detektionsfläche interferieren, und Detektionseinrichtungen zum Detektieren der Phasendifferenz zwischen Wellenfronten des transformierten Objektstrahls und des Referenzstrahls in der Detektionsfläche.
Ein Interferometer dieses Typs ist in der WO-A1-96-17221 oder in dem US-Patent US-A-5,076,695 offenbart. Das bekannte Interferometer ist dazu gedacht, die Oberflächengenauigkeit von einer sphärischen Oberfläche von einem Objekt mit einem hohen Ausmaß an Genauigkeit zu vermessen, ohne dass eine Vergleichsoberfläche von einer genau bekannten Form verwendet wird. In der Vergangenheit wurde eine Vergleichsoberfläche dieses Typs in der Position der zu prüfenden Oberfläche angeordnet, und zwar mit dem Ziel, das Interferometer zu kalibrieren. Das bekannte Interferometer hat erste optische Einrichtungen, um einen im wesentlichen monochromatischen Lichtstrahl, der von einer Lichtquelle stammt, entlang einer ersten optischen Achse in Richtung auf eine zu prüfende Oberfläche zu lenken und um den reflektierten Strahl entlang der ersten Achse in die entgegengesetzte Richtung zu lenken. Außerdem sind zweite optische Einrichtungen vorgesehen, um den Lichtstrahl von der Lichtquelle als einen Referenzstrahl entlang einer zweiten Achse zu lenken, die die erste Achse und Interferenzeinrichtungen kreuzt, um den reflektierten Strahl von der zu prüfenden Oberfläche in Richtung der zweiten Achse zu lenken, um mit dem Referenzstrahl zu interferieren. Detektionseinrichtungen sind an der zweiten Achse vorgesehen, um die Interferenzmuster zu messen, die durch Interferenz des reflektierten Strahls und des Referenzstrahls erzeugt werden. Das Interferometer weist außerdem Punktmembrane auf, die an dem Schnittpunkt der ersten und der zweiten Achse angeordnet sind, um den Lichtstrahl zu der zu prüfenden Oberfläche und den in Richtung auf die Detektionseinrichtungen gelenkten Referenzstrahl in sphärische Wellen zu transformieren. Die Genauigkeit, die mit diesem bekannten Interferometer erreicht wird, liegt zwischen λ/100 und λ/1000.
Zunehmend raffiniertere Techniken werden für die Herstellung von Halbleiter-Chips verwendet, deren Halbleiterstrukturen immer kleiner werden. Eine Extrem-Ultraviolett-Lithografie-Technik (EUV) wird möglicherweise für die Herstellung von Strukturen verwendet, die eine Auflösung von 0,1 μm haben, wobei bei dieser Technik eine optische Maske mit Hilfe eines Systems von Spiegeln als ein in seinem Maßstab reduziertes Bild auf das Substrat projiziert wird, auf dem die Strukturen hergestellt werden. Die Spiegel in diesem System müssen eine sehr genaue Form haben, um den gewünschten Effekt zu erreichen. Die geforderte Genauigkeit der Messung der Form der Spiegel beträgt etwa 0,1 nm, was bei einer Wellenlänge von etwa 630 nm (z. B. ein He-Ne-Laser) λ/6300 entspricht. Das bekannte Interferometer zum Prüfen einer Oberfläche ist daher für diesen Zweck unzureichend genau.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Interferometer zur Verfügung zu stellen, das eine sehr hohe Genauigkeit im Vergleich mit den bekannten Interferometern hat.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht.
Da die optische Vorrichtung des Interferometers keine optischen Elemente zwischen der Stelle, wo die sphärischen Wellenfronten erzeugt werden, und der Detektionsfläche aufweist, außer dem optischen Element, das den Objektstrahl transformiert, werden der (transformierte) Objektstrahl und der Referenzstrahl nicht zusätzlich gestört, und die Interferenz zwischen dem transformierten Objektstrahl und dem Referenzstrahl ist sehr rein. Daher ist im Prinzip eine sehr genaue Messung der Phasen differenz zwischen dem Strahl, der durch das optische Element transformiert wird, und dem Referenzstrahl in der Detektionsfläche möglich, wobei die Genauigkeit höher ist als die minimal erforderliche Genauigkeit (λ/6300). Auch kann das Interferometer sowohl für reflektierende als auch für transmittierende optische Elemente verwendet werden.
Ein Ausführungsbeispiel des Interferometers gemäß der vorliegenden Erfindung weist außerdem Verarbeitungseinrichtungen auf, um die Phasenverteilung über einem spezifischen Querschnitt des transformierten Objektstrahls auf der Basis der Phasendifferenz zwischen den Wellenfronten, die Positionen der ersten und zweiten Ausgangsfläche des ersten bzw. des zweiten Lichtleiters, die Position der Detektionsfläche und die Position des spezifischen Querschnitts zu berechnen.
Mit diesem Ausführungsbeispiel des Interferometers ist es möglich, die Phasendifferenz bezüglich des Objektstrahls in einem spezifischen Querschnitt des transformierten Objektstrahls zu bestimmen. Da sowohl der Objektstrahl als auch der Referenzstrahl sphärische Wellenfronten haben, werden hierdurch Informationen von der Transformation des Objektstrahls durch das optische Element und somit Informationen der optischen Charakteristiken des optischen Elements bereitgestellt.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel des Interferometers der vorliegenden Erfindung weist letzteres Verarbeitungseinrichtungen auf, um eine räumliche Fläche, in der die Phasendifferenz zwischen den Wellenfronten eine spezifische Form hat, und zwar auf der Basis der Phasendifferenz zwischen den Wellenfronten, die Positionen der ersten und zweiten Ausgangsfläche des ersten bzw. des zweiten Lichtleiters, die Position der Detektionsfläche, die Position der räumlichen Fläche allgemein und eine spezifische Stelle auf der räumlichen Fläche zu berechnen. Anstelle der Bestimmung der Phasendifferenz in einem spezifischen Querschnitt des transformierten Objektstrahls ist es mit Hilfe dieses Ausführungsbeispiels möglich, eine räumliche Fläche zu bestimmen, auf der die Phasendifferenz eine spezifische Form hat. Ein spezieller Fall davon ist eine Form der Phasendifferenz, für die die Phasendifferenz konstant ist. In diesem Fall ist es dann erforderlich, eine Position der räumlichen Fläche zu bestimmen, sowie eine Stelle auf der räumlichen Fläche, die die konstante Phasendifferenz definiert.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Interferometers gemäß der vorliegenden Erfindung ist die räumliche Fläche durch die Oberfläche eines reflektierenden Körpers gebildet. Bei Verwendung des Interferometers gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es dann möglich, die präzise Form von dem reflektierenden Körper zu bestimmen, und speziell deshalb, weil die räumliche Fläche, in der die Phasendifferenz zwischen dem Objektstrahl und dem transformierten Objektstrahl gleich der Phasendifferenz ist, die durch die Reflexion an dem reflektierenden Körper erzeugt wird. In dem Fall eines reflektierenden Körpers aus dielektrischem Material beträgt diese Phasendifferenz exakt π. Wenn der reflektierende Körper nicht aus einem dielektrischen Material hergestellt ist, dann ist die Phasendrehung abhängig von dem Einfallswinkel des Lichtstrahls. Die Verarbeitungseinrichtungen können dies in Betracht ziehen. Die Form eines reflektierenden Körpers wird auch durch den Begriff "Form-Figur" oder als die Höhe z als eine Funktion von x und x bezeichnet, die ein dimensionsloser Parameter ist, der ein Messwert der Form oder der Asphärität des reflektierenden Körpers ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung werden diese Positionen durch eine Positionsbestimmungsvorrichtung bestimmt, die in der optischen Vorrichtung vorgesehen ist. Ein Ausgang von der Positionsbestimmungsvorrichtung ist mit den Verarbeitungseinrichtungen verbunden. Ein Laserpositionierungssystem wird verwendet, um die erforderliche Genauigkeit der Positionsbestimmung zu erreichen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Lichtquelleneinrichtungen und die Detektionseinrichtungen des Inter ferometers dazu ausgestaltet, um die Phasendifferenz zwischen den Wellenfronten des Referenzstrahls und des transformierten Objektstrahls zu detektieren, und zwar mit Hilfe einer Kombination aus Überlagerungsphasendetektionseinrichtungen, die das Phasendifferenzmodulo 2π bestimmen, und Frequenzmodulationsphasendetektionseinrichtungen, um die Phasendifferenz in Vielfachen von 2π zu bestimmen, wobei die beiden Techniken unabhängig voneinander und gleichzeitig durch Frequenzmultiplexen der Lichtquelleneinrichtungen verwendet werden.
Diese beiden Techniken in Kombination gewährleisten, dass die optische Pfad-Differenz an einer Detektionsstelle mit ausreichender Genauigkeit (die Genauigkeit der Überlagerungsphasendetektionstechniken liegt in der Größenordnung von λ/10.000) und über dem gewünschten Bereich der optischen Pfad-Differenz bestimmt werden kann. Als ein Ergebnis des Frequenzmultiplexens der Lichtquelleneinrichtungen können die beiden Techniken unabhängig und gleichzeitig durchgeführt werden, wobei als Ergebnis davon keine Fehler durch Zeitverschiebungsmessung des Phasendifferenzmodulo 2π und der Phasendifferenz div 2π eingeführt werden können.
Vorzugsweise ist das Interferometer gemäß der Erfindung dazu ausgestaltet, dass die Detektionseinrichtungen zumindest einen Fotodetektor beinhalten, der in der Detektionsfläche angeordnet ist, und dass die Überlagerungsphasendetektionseinrichtungen aufweisen: eine Frequenz-stabilisierte Lichtquelle, eine erste Frequenzverschiebungsvorrichtung, die mit dem Ausgang der Frequenz-stabilisierten Lichtquelle verbunden ist, um zwei Lichtstrahlen zu erzeugen, die mit einer ersten Frequenzdifferenz versetzt sind, einen Referenzfotodetektor, der mit den Ausgängen der ersten Frequenzverschiebungsvorrichtung verbunden ist, und für jeden Fotodetektor: eine erste Einstelleinrichtung, die mit dem Ausgang von dem zumindest einen Fotodetektor und dem Ausgang von dem Referenzfotodetektor verbunden ist, und eine Phasenkomparatoreinheit, die mit dem Ausgang von der ersten Einstelleinheit verbunden ist.
Da von der Überlagerungstechnologie Gebrauch gemacht wird, muss die Bandbreite von dem zumindest einem Fotodetektor größer als 1 kHz sein. Folglich können CCD-Detektoren nicht verwendet werden, und die gesamte Anzahl der Fotodetektoren ist begrenzt. Außerdem wird ein He-Ne-Laser für die Frequenz-stabilisierte Lichtquelle verwendet, und zwar wegen der guten Stabilität und der geeigneten Wellenlänge.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Interferometers gemäß der vorliegenden Erfindung ist dieses außerdem dazu ausgestaltet, dass die Frequenzmodulationsphasendetektionseinrichtungen aufweisen: eine einstellbare Lichtquelle und eine zweite Frequenzverschiebungsvorrichtung, die mit dem Ausgang der einstellbaren Lichtquelle verbunden ist, um zwei Lichtstrahlen zu erzeugen, die mit einer zweiten Frequenzdifferenz versetzt sind, wobei die zweite Frequenzdifferenz von der ersten Frequenzdifferenz verschieden ist, und für jeden Fotodetektor: eine zugehörige zweite Einstelleinheit, die mit dem Ausgang von dem zumindest einen Fotodetektor verbunden ist, und einen Frequenzzähler, der mit dem Ausgang der zweiten Einstelleinheit verbunden ist.
Die verwendete einstellbare Lichtquelle ist vorzugsweise ein Halbleiterlaser mit einer externen Kavität. Mit Hilfe der externen Kavität ist es möglich, die Wellenlänge der Lichtstrahlen zu verändern, ohne dass die Amplitude verändert wird. Die externe Kavität gewährleistet außerdem, dass die Kohärenzlänge des Lichtstrahls ausreichend groß ist, so dass ein ausreichend großer Messbereich für die FM-Phasenmesstechnik erhalten wird. Indem ermöglicht wird, dass die zweite und die erste Frequenzdifferenz der zweiten bzw. ersten Frequenzverschiebungsvorrichtung verschieden sind, ist das bereits erläuterte Frequenzmultiplexen möglich.
Da das Interferometer außerdem eine Phasenbestimmungseinheit für jeden Fotodetektor aufweist, wobei die Phasenbestimmungseinheit mit dem Ausgang des Frequenzzählers und mit dem Ausgang des Phasenkomparators verbunden ist, ist es möglich, die optische Pfad-Differenz zu bestimmen, die als die Phasendifferenz zwischen den Wellenfronten des transformierten Objektstrahls und des Referenzstrahls ausgedrückt ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Interferometers gemäß der Erfindung weisen die Detektionseinrichtungen ein Array aus mindestens 10 mal mindestens 10 Fotodetektoren auf. Da die Phasendifferenz zwischen den Wellenfronten des transformierten Objektstrahls und des Referenzstrahls für alle dieser Fotodetektoren bestimmt wird, kann die Form oder Asphärität des reflektierenden Körpers mit einer adäquaten räumlichen Frequenz in den Verarbeitungseinrichtungen berechnet werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weisen die Lichtquelleneinrichtungen außerdem eine optische Verzögerungsvorrichtung für den Referenzstrahl auf, bevor der letztere der optischen Vorrichtung zugeführt wird. Als ein Ergebnis der zusätzlichen optischen Verzögerung des Referenzstrahls wird die optische Pfad-Differenz zwischen dem Referenzstrahl und dem Objektstrahl vermindert, wobei als Ergebnis davon der erforderliche Messbereich der Phasendetektionseinrichtungen (insbesondere der FM-Phasendetektionseinrichtungen) kleiner werden kann.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Interferometers gemäß der Erfindung haben die Lichtleiter im wesentlichen die gleiche Länge. Durch diese Maßnahme wird die Sensitivität bezüglich mechanischer und akustischer Vibrationen, thermischer Gradienten und Dispersionseffekte vermindert, was zu einem genaueren und zuverlässigeren Ergebnis führt.
Das Interferometer gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun in größerem Detail auf der Basis eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Ansicht von dem optischen System des Interferometers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine schematische Darstellung von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Interferometers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 eine schematische Darstellung von den Untersystemen von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Interferometers gemäß der Erfindung ist, durch die die Phasendifferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem transformierten Objektstrahl in einem Fotodetektor in der Detektionsfläche gemessen werden.
1 zeigt eine schematische Ansicht von einem optischen System 3, das einen Teil des Interferometers 1 der vorliegenden Erfindung bildet. Das optische System weist einen ersten Lichtleiter 30 mit einer ersten Ausgangsfläche 31, die einen Objektstrahl 36 mit einer sphärischen Wellenfront erzeugt, und einen zweiten Lichtleiter 32 mit einer zweiten Ausgangsfläche 33 auf, die einen Referenzstrahl 37 mit einer sphärischen Wellenfront erzeugt, die auf die Detektionsfläche 34 gelenkt werden. Der erste Lichtleiter 30 ist auf das optische Element 10 gerichtet, so dass das optische Element 10 den sphärischen Objektstrahl 36 in einer solchen Weise transformiert, dass der transformierte Objektstrahl 36' mit dem Referenzstrahl 37 in der Detektionsfläche 34 interferiert. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Interferometer 1 Verarbeitungseinrichtungen (siehe unten) auf, um die Phasendifferenz zwischen dem transformierten Objektstrahl 36' und dem Referenzstrahl in einem Querschnitt 38 von dem transformierten Objektstrahl 36' zu bestimmen. Da sowohl der Objektstrahl 36 als auch der Referenzstrahl 37 sphärische Wellenfronten haben, werden dadurch Informationen bezüglich der Transformation des Objektstrahls 36 durch das optische Element 10 und somit Informationen bezüglich der optischen Charakteristiken des optischen Elements zur Verfügung gestellt.
Das Interferometer 1 ist sowohl für ein transmittierendes als auch für ein reflektierendes optisches Element 10 geeignet. Eine alternative Anordnung des ersten Lichtleiters 30 und des reflektierenden optischen Elements 10 in dem optischen System 3 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 erläutert.
2 zeigt eine Darstellung von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel von dem Interferometer 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Interferometer 1 weist vier Untersysteme auf, d. h. Lichtquelleneinrichtungen 2, die optische Vorrichtung 3, Detektionseinrichtungen 4 und Verarbeitungseinrichtungen 5.
Die Lichtquelleneinrichtungen 2 enthalten eine Frequenzstabilisierte Lichtquelle 22, deren Ausgang über einen Lichtleiter mit einer ersten Frequenzverschiebungsvorrichtung 23 verbunden ist. Die Lichtquelleneinrichtungen 2 enthalten außerdem eine einstellbare Lichtquelle 20, deren Ausgang über einen Lichtleiter mit dem Eingang einer zweiten Frequenzverschiebungsvorrichtung 21 verbunden ist. Zwei Ausgangsleiter von der ersten Frequenzverschiebungsvorrichtung 23 sind über einen Strahlspalter 26 sowohl mit einem Referenzfotodetektor 24 als auch mit dem Eingang von einem Strahlkombinationselement 27 verbunden. Zwei Ausgangsleiter von der zweiten Frequenzverschiebungsvorrichtung 21 sind ebenfalls mit einem Eingang von dem Strahlkombinationselement 27 verbunden. Das Strahlkombinationselement 27 erzeugt einen Objektstrahl auf einem ersten Lichtleiter 30 und einen Referenzstrahl auf einem zweiten Lichtleiter 32. Bei einem Ausführungsbeispiel des Interferometers gemäß der Erfindung ist eine optische Verzögerungsvorrichtung 25 in den optischen Pfad von dem Referenzstrahl 32 eingesetzt, bevor der Referenzstrahl in die optische Vorrichtung 3 geleitet wird. Es ist ebenfalls möglich, die verschiedenen Lichtstrahlen von einem Element zu dem nächsten Element in den Lichtquelleneinrichtungen ohne Lichtleiter zu übertragen (freie Raumübertragung).
Der erste Lichtleiter 30 hat eine erste Ausgangsfläche 31, die eine sphärische Wellenfront erzeugt, die auf einen reflek tierenden Körper 30 gelenkt wird. Der zweite Lichtleiter 32 hat eine zweite Ausgangsfläche 33, die eine sphärische Wellenfront erzeugt, die auf eine Detektionsfläche 34 gelenkt wird. Die optische Vorrichtung 3 enthält eine Positionsbestimmungsvorrichtung 35 zum Bestimmen der Position der Ausgangsflächen 31 bzw. 33 der Lichtleiter 30 bzw. 32, der Detektionsfläche 34 des reflektierenden Körpers 10 allgemein und von einer spezifischen Stelle 11 auf der Oberfläche des reflektierenden Körpers 10.
Ein Objektstrahl 36 mit einer sphärischen Wellenfront tritt aus der Ausgangsfläche 31 des ersten Lichtleiters 30 aus. Nach der Reflexion an dem reflektierenden Körper 10 wird der transformierte Objektstrahl 36' erzeugt, der mit dem Referenzstrahl 37 interferiert, der eine sphärische Wellenfront hat und aus der Ausgangsfläche 33 des zweiten Lichtleiters 32 austritt, und zwar in der Detektionsfläche 34.
Die Detektionseinrichtungen 4 enthaltene eine Anzahl von Fotodetektoren 40a ... 40n. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Detektionseinrichtungen 4 mit 100 Fotodetektoren in einem Array von 10 mal 10 Fotodetektoren 40a ... 40n versehen.
Für jeden Fotodetektor 40a ... 40n haben die Detektionseinrichtungen 4 eine erste Einstelleinheit 43a ... 43n, die mit dem Ausgang des jeweiligen Fotodetektors 40a ... 40n und mit dem Ausgang von dem Referenzfotodetektor 24 verbunden ist. Außerdem enthalten die Detektionseinrichtungen 4 eine Phasenkomparatoreinheit 44a ... 44n für jede erste Einstelleinheit 43a ... 43n, wobei die Phasenkomparatoreinheit 44a ... 44n mit dem Ausgang der jeweiligen ersten Einstelleinheit 43a ... 43n verbunden ist. Die Detektionseinrichtungen 4 enthalten außerdem eine zweite Einstelleinheit 41a ... 41n für jeden Fotodetektor 40a ... 40n, wobei die zweite Einstelleinheit 41a ... 41n mit dem Ausgang von dem jeweiligen Fotodetektor 40a ... 40n verbunden ist, und einen Frequenzzähler 42a ... 42n, der mit dem Ausgang der jeweiligen zweiten Einstelleinheit 41a ... 41n verbunden ist. Schließlich enthalten die Detektionseinrichtungen 4 eine Phasenbestimmungseinheit 45a ... 45n für jeden Fotodetektor 40a ... 40n, wobei die Phasenbestimmungseinheit 45a ... 45n mit dem Ausgang von dem zugehörigen Frequenzzähler 42a ... 42n und mit dem Ausgang von dem jeweiligen Phasenkomparator 44a ... 44n verbunden ist.
Die Verarbeitungseinrichtungen 5 sind mit den Ausgängen der Phasenbestimmungseinheiten 45a ... 45n und mit dem Ausgang von der Positionsbestimmungsvorrichtung 35 verbunden.
Die Betriebsart des Interferometers 1 zur Bestimmung der Form eines reflektierenden Körpers 10 wird nun erläutert.
Der Objektstrahl und der Referenzstrahl werden in die optische Vorrichtung 3 durch den ersten Lichtleiter 30 bzw. durch den zweiten Lichtleiter 32 zu den zugehörigen Ausgangsflächen 31, 33 geleitet. Die Lichtleiter 30, 32 sind vorzugsweise Glasfasern, deren Ausgangsflächen 31, 33 als Punktmembrane wirken, wobei der Strahl, der als Ergebnis davon aus der Ausgangsfläche 31, 33 austritt, eine im wesentlichen sphärische Wellenfront hat. Es wurde gezeigt, dass in dem entfernten Feld die Wellenfronten eine Abweichung von der Sphäre von weniger als λ/10000 haben. In der optischen Vorrichtung 3 erzeugt die Ausgangsfläche 33 des zweiten Lichtleiters 32 einen Referenzstrahl 37 mit einer sphärischen Wellenfront, der in Richtung auf die Detektionsfläche 43 gelenkt wird. Auf gleiche Weise erzeugt die Ausgangsfläche 31 des ersten Lichtleiters 30 einen Objektstrahl 36 mit einer sphärischen Wellenfront, der aber auf den reflektierenden Körper 10 gelenkt wird. Nach der Reflexion an dem reflektierenden Körper 10 wird der transformierte Objektstrahl 36' in Richtung auf die Detektionsfläche 34 erzeugt. Der Referenzstrahl 37 und der transformierte Objektstrahl 36' interferieren in der Detektionsfläche 34.
Die Strahlen 36, 36', 37 laufen frei durch den Raum und werden nicht durch optische Hilfen oder Projektionsvorrichtungen abgelenkt, wie in der bekannten Vorrichtung, um in der Detek tionsfläche 34 zu interferieren. Als Ergebnis wird das betrachtete Interferometer auch als ein Nicht-Bilderzeugungs-Interferometer bezeichnet. Da die optische Vorrichtung 3 des Interferometers 1 kein optisches Element zwischen der Stelle, wo die sphärischen Wellenfronten erzeugt werden, und der Detektionsfläche 34 aufweist, außer der reflektierende Körper 10, dessen Form und Asphärität bestimmt werden soll, werden die optischen Strahlen 36, 36' und der Referenzstrahl 37 nicht gestört, und die Interferenz zwischen dem transformierten Objektstrahl 36' und dem Referenzstrahl 37 ist sehr rein. Als ein Ergebnis ist im Prinzip eine sehr genaue Messung der Form des reflektierenden Körpers 10 möglich.
Bevorzugt haben die Lichtleiter 30, 32 die gleiche Länge, um die Sensitivität bezüglich mechanischer und akustischer Vibrationen, thermischer Gradienten und Dispersionseffekte zu vermindern.
Ein Berechnungsverfahren und eine Anzahl von Daten, die für das Berechnungsverfahren eingegeben werden, sind für die Bestimmung der Form des reflektierenden Körpers erforderlich. Die Daten umfassen die Phasendifferenz zwischen dem transformierten Objektstrahl 36' und dem Referenzstrahl 37 in der Detektionsfläche 34, die Amplitude des transformierten Objektstrahls 36' in der Detektionsfläche 34 und ein Modell für die optische Vorrichtung 3. Das Modell enthält Daten bezüglich der Positionen der Enden 31, 33 der Lichtleiter 30, 32, der Detektionsfläche 34, des reflektierenden Körpers 10 allgemein und einer spezifischen Stelle 11 auf der Oberfläche des reflektierenden Körpers 10. Die Positionsbestimmungsvorrichtung 35 wird verwendet, um die Positionen in der optischen Vorrichtung 3 zu bestimmen.
Eine Anzahl von Spezifikationen, die sich auf den Bereichsversatz, dem Bereich und die Genauigkeit der Phasenmessung beziehen, müssen eingestellt werden, um die Phasendifferenz zu messen. Als ein Ergebnis der Einstellung der optischen Vorrichtung 3 muss das Licht, das aus dem Lichtleiter 30 für den Objektstrahl austritt, eine größere Distanz durchlaufen, bevor es die Detektionsfläche 34 erreicht, als das Licht, das aus dem Lichtleiter 32 für den Referenzstrahl austritt. Die durchschnittliche optische Pfad-Differenz OPD in der Detektionsfläche 34 ist zweimal der Krümmungsradius des reflektierenden Körpers 10.
In einem Ausführungsbeispiel des Interferometers 1 gemäß der Erfindung ist eine optische Verzögerungsvorrichtung 25 in den Lichtquelleneinrichtungen 2 in dem optischen Pfad von dem Referenzstrahl angeordnet, wobei, als Ergebnis davon, der optische Pfad des Referenzstrahls verlängert und die optische Pfad-Differenz OPD verkürzt wird.
Die Genauigkeit, die für die Phasenberechnung erforderlich ist, wird durch den maximal erlaubten Fehler bezüglich der Form oder der Asphärität des reflektierenden Körpers, der bestimmt werden soll, und die Genauigkeit der Algorithmen von dem Berechnungsverfahren bestimmt. Für die Anwendung, wie vorstehend spezifiziert, beträgt die erforderliche Genauigkeit bei der Bestimmung der Form des reflektierenden Körpers 10 gleich 0,12 nm. Die erforderliche Genauigkeit bei der Bestimmung der optischen Pfad-Differenz ist daher auf 0,1 nm eingestellt.
Der erforderliche Bereich für die Phasenmessung ist gleich dem Gradienten der Phasendifferenz über der Detektionsfläche 34. Dieser Gradient wird teilweise durch die Form oder Asphärität des reflektierenden Körpers 10 bestimmt, aber hauptsächlich durch die Abweichung, die durch die Distanz zwischen der Ausgangsfläche 33 des Lichtleiters 32 für den Referenzstrahl und der Ausgangsfläche 31 des Lichtleiters 33 für den Objektstrahl eingeleitet wird. Diese Distanz muss größer sein als der Radius des Bildes der Ausgangsfläche 31 des Lichtleiters 30 für den Objektstrahl, um zu verhindern, dass die Ausgangsfläche 33 des Lichtleiters 32 für den Referenzstrahl die transformierte Wellenfront abschirmt. Annäherungen für die Anwendung, die bereits vorstehend erwähnt wurde, haben zur Spezifikation des erforderlichen Bereichs von 1 nm für die Messung der optischen Pfad-Differenz geführt.
Um die Form des reflektierenden Körpers 10 zu bestimmen, ist es ebenfalls erforderlich, die Anzahl von Detektoren 40 in der Detektionsfläche 34 zu bestimmen. Die Anzahl der Detektoren 40 bestimmt den räumlichen Frequenzbereich der berechneten Form des reflektierenden Körpers 10. Derzeit wird angenommen, dass durch ein Array aus Detektoren 40 von 10 mal 10 Detektoren ausreichende Informationen für die Berechnung der Form zur Verfügung gestellt werden.
Aus Gründen der Vereinfachung wird nun die Bestimmung der Phasendifferenz in einem der Fotodetektoren 40a ... 40e in der Detektionsfläche 34 beschrieben.
3 ist eine schematische Darstellung von dem Untersystem von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Interferometers 1 gemäß der Erfindung, das die Phasendifferenz zwischen dem Referenzstrahl 37 und dem transformierten Objektstrahl 36' in einem Detektor 40 in der Detektionsfläche 34 misst. In dieser Figur wurden die gleichen Bezugszeichen wie in 1 für entsprechende Elemente verwendet. Da der Objektstrahl 36 und der Objektstrahl 36' in der optischen Vorrichtung 3 in 1 einen längeren optischen Pfad durchlaufen als der Referenzstrahl 37, kann die optische Vorrichtung 3 als eine Verzögerungslinie für eine spezielle Messstelle in der Detektionsfläche 34 betrachtet werden, die durch Bezugszeichen 3 in 3 angegeben ist.
Es wurde gewählt, die Phasendifferenz unter Verwendung einer Kombination von zwei Phasenmesstechniken zu messen, die per se bekannt sind, d. h. Überlagerungsphasenmessung und Frequenzmodulationsphasenmessung (FM). Die Überlagerungstechnik wird verwendet, um das Phasendifferenzmodulo 2π zu bestimmen, und die FM-Technik wird verwendet, um die Phasendifferenz in Vielfachen von 2π (Phase div 2π) zu bestimmen. Diese Techniken wurden gewählt, um in der Lage zu sein, den Anforderungen bezüg lich der Genauigkeit, der durchschnittlichen optischen Pfad-Differenz und des Bereichs der optischen Pfad-Differenz zu genügen.
In 3 ist das Untersystem zum Messen von dem Phasendifferenzmodulo 2π durch Bezugszeichen 6 angegeben. Das Modulo-Untersystem 6 enthält die Frequenz-stabilisierte Lichtquelle 22, die erste Frequenzverschiebungsvorrichtungen 23, den Referenzfotodetektor 24, den Strahlspalter 26 und das Strahlkombinationselement 27. Diese Elemente bilden einen Teil der Lichtquelleneinrichtungen 2, die in 2 gezeigt sind. Das Modulo-Untersystem 6 enthält außerdem eine erste Einstelleinheit 43 und einen Phasenkomparator 44, die einen Teil der Detektionseinrichtungen 4 bilden, die in 2 gezeigt sind.
Das div-Untersystem, das in 3 durch Bezugszeichen 7 bezeichnet ist, enthält die einstellbare Lichtquelle 20, die zweite Frequenzverschiebungsvorrichtung 21 und, zusammen mit dem Modulo-Untersystem 6, das Strahlkombinationselement 27. Diese Elemente bilden einen Teil der Lichtquelleneinrichtungen 2, die in 1 gezeigt sind. Außerdem enthält das div-Untersystem 7 eine zweite Einstelleinheit 41 und einen Frequenzzähler 42, die in 2 gezeigt sind, als Teil der Detektionseinrichtungen 4.
Die Untersysteme 6, 7 weisen außerdem gemeinsam die optische Vorrichtung 2 und den Fotodetektor 40 in der Detektionsfläche 34 auf. Außerdem werden die Daten, die von dem Frequenzzähler 42 und dem Phasenkomparator 44 stammen, in der Phasenbestimmungseinheit 45 kombiniert, um die Phasendifferenz zwischen dem transformierten Objektstrahl 36' und dem Referenzstrahl 37 an der Stelle in der Detektionsfläche 34 anzugeben, wo der Detektor 40 angeordnet ist.
Um in der Lage zu sein, den Genauigkeitsanforderungen zu entsprechen, ist die Frequenz-stabilisierte Lichtquelle 22 des Modulo-Untersystems 6 vorzugsweise als Frequenz-stabilisierter He-Ne-Laser konstruiert. Um in der Lage zu sein, die Überlage rungstechnik zu verwenden, muss die Bandbreite des Detektors 40 größer als 1 kHz sein. Als ein Ergebnis ist die Verwendung von einer CCD-Kamera, wie sie oft bei bekannten Interferometern verwendet wird, nicht möglich, und die gesamte Anzahl von Fotodetektoren, die verwendet werden können, ist kleiner als die Anzahl, die in CCD-Kameras verwendet wird. Die Betriebsart für das Modulo-Untersystem 6 wird nun beschrieben. Der Frequenzstabilisierte Laser 22 liefert einen Lichtstrahl zu der ersten Frequenzverschiebungsvorrichtung 23, die den Strahl in zwei Lichtstrahlen aufspaltet, die eine erste Frequenzdifferenz haben. Diese konstante Frequenzdifferenz ist die Trägerwellenfrequenz für die Überlagerungsdetektion der Phasendifferenz. Die beiden Strahlen (Referenzstrahl und Objektstrahl) werden in dem Strahlspalter 26 in zwei Strahlen aufgespalten. Einer der Referenzstrahlen und einer der Objektstrahlen werden dem Referenzfotodetektor 24 zugeführt. Der Referenzfotodetektor 24 erzeugt ein Signal mit einer unterschiedlichen Frequenz, d. h., die Trägerwellenfrequenz, die durch die erste Frequenzverschiebungsvorrichtung 23 eingeleitet wird. Der andere Referenzstrahl und Objektstrahl werden der optischen Vorrichtung 3 zugeführt, wo eine Transmissionszeitdifferenz zwischen diesen beiden Strahlen erzeugt wird. Nachdem die beiden Strahlen durch die optische Vorrichtung 3 geleitet sind, treffen sie auf den Fotodetektor 40 in der Detektionsfläche 34 auf. Das Signal von dem Fotodetektor 24 und das Signal von dem Fotodetektor 40 werden zu der ersten Einstelleinheit 43 geleitet. Mit Hilfe von Frequenzdemultiplexen wählt die erste Einstelleinheit 43 das Signal von dem Fotodetektor 40 aus, das durch das Licht von dem Modulo-Untersystem 6 erzeugt wurde.
Da das Signal von dem Referenzfotodetektor 24 keine Komponente enthält, die von dem div-Untersystem 7 stammt, muss dieses Signal in der Tat nicht durch die erste Einstelleinheit 43 geführt werden. Um die Veränderung bezüglich der Phasendifferenz zwischen dem Signal von dem Fotodetektor 40 und dem Signal von dem Referenzfotodetektor 24 zu minimieren, wird das Signal von dem Referenzfotodetektor 24 niemals durch die erste Einstelleinheit 43 geführt.
Der Phasenkomparator 44 misst das Phasendifferenzmodulo 2n zwischen den beiden Signalen von der ersten Einstelleinheit 43. Die Phasendifferenz ist gleich der Phasendifferenz zwischen dem Objektstrahl und dem Referenzstrahl, und der digitalisierte Wert davon wird zu der Phasenbestimmungseinheit 45 übertragen.
Die einstellbare Lichtquelle 20 des div-Untersystems 7 ist ein Halbleiterlaser, dessen Frequenz durch eine sinusförmige Variation des Injektionsstroms moduliert werden kann. Vorzugsweise ist die einstellbare Lichtquelle 20 jedoch ein einstellbarer Halbleiterlaser mit einer externen Kavität, bei dem die Frequenz verändert werden kann, und zwar durch Anpassen der externen Kavität. Dies hat den Vorteil, dass lediglich die Frequenz und nicht auch die Amplitude moduliert wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die spektrale Selektivität von dem Faser mit externer Kavität größer ist als die von einem Lager ohne externe Kavität. Folglich ist die Kohärenzlänge größer, und der OPD-Bereich kann groß sein. Außerdem ist die Modulation der Frequenz vorzugsweise nicht sinusförmig sondern dreieckig. Als ein Ergebnis ist die gemischte Frequenz für längere Perioden konstant (wenn die optische Pfad-Differenz konstant ist), und der Frequenzzähler 42 kann verwendet werden, um die Frequenz zu bestimmen. Der Frequenzzähler 42, der auf der Basis von Zeitmessungen funktioniert, kann sehr genau arbeiten und das Ergebnis in digitaler Form erzeugen, wodurch die weitere Verarbeitung vereinfacht wird. Außerdem ist es möglich, über die Periode den Durchschnitt zu bilden, in der die gemischte Frequenz konstant ist, wobei durch diese Maßnahmen unerwünschte Störungen herausgefiltert werden können.
Wie im Fall des Modulo-Untersystems 6, wird der Laserstrahl der einstellbaren Lichtquelle 20 einer Frequenzverschiebungsvorrichtung 21 zugeführt, die den Laserstrahl in zwei Strahlen aufspaltet (Referenzstrahl und Objektstrahl), die eine konstante Frequenzdifferenz haben. Die Frequenzdifferenz wird als eine Trägerwellenfrequenz verwendet und unterscheidet sich von der Trägerwellenfrequenz, die durch die Frequenzverschiebungsvorrichtung 23 in dem Modulo-Untersystem 6 eingeleitet wird, um in der Lage zu sein, das Signal von den Fotodetektoren 40a ... 40n zu demultiplexen. Nachdem der Objektstrahl und der Referenzstrahl durch die optische Vorrichtung 3 geleitet sind, wird das Interferenzsignal der beiden Strahlen durch die Fotodetektoren 40a ... 40n erfasst. Die Intensität der interferierenden Strahlen, und somit des Detektorsignals, variiert mit der gemischten Frequenz, die abhängig von der Verzögerung in dem Objektstrahl ist, die durch die optische Pfad-Differenz bewirkt wird. Die gemischte Frequenz wird mit der Hilfe eines Frequenzzählers 42 bestimmt. Die Phasendifferenz in Vielfachen von 2n wird aus dieser Frequenz, dem Gradienten der dreieckigen Wellenform der Frequenzmodulation und der Frequenzdifferenz berechnet, die durch die Frequenzverschiebungsvorrichtung 23 eingeleitet wird, und in digitaler Form zu der Phasenbestimmungseinheit 45 übertragen.
Die Phasenbestimmungseinheit 45 kombiniert, pro Fotodetektor 40, das Signal von dem zugehörigen Frequenzzähler 42 und dem Phasenkomparator 44, um die Phasendifferenz zwischen dem transformierten Objektstrahl 36' und dem Referenzstrahl 37 an der Stelle des Fotodetektors 40 in der Detektionsfläche 34 anzugeben, und überträgt diese Phasendifferenz zu den Verarbeitungseinrichtungen 5.
Als Frequenzverschiebungsvorrichtungen 21, 23 können verschiedene Komponenten, die dem Fachmann bekannt sind, verwendet werden, wie zum Beispiel akusto-optische Kristall-Modulatoren (AOM), Flüssig-AOM und rotierende Gitter. All diese Komponenten erzeugen eine Frequenzverschiebung mit Hilfe des Dopplereffekts. Kristall-AOM sind infolge des geringen Phasenrauschens bevorzugt. Bei dieser Anwendung wird vorzugsweise ein mit 32 MHz angesteuerter AOM für die Überlagerungstechnik (Frequenzverschiebungsvorrichtung 23) und ein mit 35 MHz angesteuerter AOM für die Frequenzmodulationstechnik (Frequenzverschiebungsvorrichtung 21) verwendet.
Durch Verwendung von AOM bei den angegebenen Frequenzen werden Anforderungen für die Phasenkomparatoren 44 und Frequenzzähler 42 vorgegeben. Die geforderte Genauigkeit der optischen Pfad-Differenz für die Überlagerungstechnik beträgt 0,1 nm bei einer Wellenlänge von 632,8 nm, was zu einer geforderten Genauigkeit für die Phasendifferenz von 1 mrad führt. Bei einer Frequenz von 32 MHz von dem AOM entspricht eine solche Phasendifferenz eine Verzögerung von 5 ps. wenn die Phasendifferenz durch Bestimmung des Zeitintervalls zwischen den Nulldurchgängen der Signale von dem Objekt und von den Referenzfotodetektoren gemessen wird (was die genaueste Methode ist), dann beträgt die erforderliche Genauigkeit für die Zeitintervallmessung 5 ps. Derzeit ist kein Intervallzähler mit einer Genauigkeit verfügbar, der diese Anforderung erfüllt. Für das div-Untersystem 7 (FM-Technik) beträgt die erforderliche optische Pfad-Differenzgenauigkeit 0,3 μm. Wenn der Laser (einstellbare Lichtquelle 20) mit einer Modulationsfrequenz von 50 Hz und einer Modulationstiefe von 70 GHz moduliert wird, dann entspricht diese Genauigkeit einer Frequenzgenauigkeit von 7 mHz. Für Frequenzmessungen unter Verwendung der Frequenzzähler 42 ist die Genauigkeit hauptsächlich durch die Gate-Zeit begrenzt, d. h., die Zeit, in der die Frequenz gemessen werden kann. In diesem Fall beträgt die Gate-Zeit 10 ms, und zwar wegen der Modulationsfrequenz von 50 Hz. Die meisten Frequenzzähler haben eine relative Auflösung von 11 Stellen für eine Gate-Zeit von 1 s. Dies entspricht einer absoluten Auflösung von 35 mHz für eine Frequenz von 35 MHz von dem AOM und einer Gate-Zeit von 10 ms.
Diese Probleme können durch Mischen der RF-Trägerfrequenzen von 32 MHz bzw. 35 MHz herunter auf IF-Trägerfrequenzen von zum Beispiel 1 kHz und 2 kHz überwunden werden. Bei 1 kHz entspricht die geforderte Phasendifferenzgenauigkeit von 1 mrad einer Zeitintervallgenauigkeit von 160 ns, was durch Verwendung von derzeit bekannten Zeitintervallzählern erreicht werden kann. Die absolute Frequenzgenauigkeit von 7 mHz mit einer Gate-Zeit von 10 ms bei einem Träger von 2 kHz kann ebenfalls mit einem derzeit bekannten Frequenzzähler erreicht werden.
Wie dem Fachmann bekannt, gibt es verschiedene Alternativen zum Heruntermischen der RF-Frequenzen auf IF-Frequenzen. Eine erste Möglichkeit besteht darin, die Detektorsignale mit Signalen von 32,001 MHz bzw. 35,002 MHz in der ersten bzw. zweiten Einstelleinheit 43, 41 zu mischen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Frequenzdifferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem Objektstrahl in den Frequenzverschiebungsvorrichtungen 21, 23 zu vermindern. Dies kann unter Verwendung einer Kombination von zwei AOM als Frequenzverschiebungsvorrichtungen 21, 23 erreicht werden, anstelle von nur einem AOM. Die beiden AOM können in Reihe oder parallel verwendet werden. Ein AOM erzeugt einen Strahl nullter Ordnung und einen Strahl erster Ordnung, die als Objekt- und Referenzstrahlen verwendet werden (mit einer Frequenz von f₀ bzw. f₀ + f_l). Wenn zwei AOM in Reihe geschaltet sind, werden vier Strahlen (f₀ + f₁, f₀ + f₂, f₀ + f₁ – f₂, f₀) erzeugt, von denen das erste Paar oder das zweite Paar als Objekt- und Referenzstrahl verwendet werden können. In beiden Fällen ist die Frequenzdifferenz gleich der Frequenzdifferenz der AOM-Steuersignale mit Frequenzen f₁ und f₂. In dem Fall, dass die AOM parallel geschaltet sind, können beide Strahlen erster Ordnung mit Frequenzen f₀ + f₁, f₀ + f₂ verwendet werden, wobei die Frequenzdifferenz gleich der Frequenzdifferenz der AOM-Steuersignale mit Frequenzen f₁ und f₂ ist. Als Folge können die Detektorsignale direkt in die Phasenkomparatoren 44 und in die Frequenzzähler 42 geleitet werden.
Sowohl für die Optionen des Mischens der Detektorsignale mit RF-Signalen als auch für die Option, bei der zwei AOM pro Frequenzverschiebungsvorrichtung 21, 23 verwendet werden, müssen zwei RF-Frequenzsignale mit einer Frequenzdifferenz erzeugt werden, die gleich der IF-Frequenz ist, und zwar auf eine solche Weise, dass das Phasenrauschen der resultierenden IF-Frequenz niedrig genug ist, um die erforderliche Zeitintervallgenauigkeit von 160 ns und die absolute Frequenzgenauigkeit von 7 mHz zu erreichen. Diese Forderung kann durch Synthetisieren der beiden Signal-Paare mit Frequenzen f₁, f₂ von 32,000 und 32,001 MHz sowie 35,000 und 35,002 MHz erfüllt werden, und zwar durch Verwendung von vier direkten digitalen Synthetisiereinrichtungen (DDS). Für jedes Paar von RF-Signalen f₁, f₂ wird das gleiche Taktsignal für die DDS verwendet. Vorzugsweise werden die Taktsignale durch zwei Quarz-Oszillatoren mit geringem Phasenrauschen verwendet, die auf 125 MHz eingestellt sind. Durch Verwendung der DDS zum Synthetisieren der Signale ist das Phasenrauschen der synthetisierten HF-Signale sehr gering. In dem idealen Fall ist das Phasenrauschen für die beiden RF-Signale f₁, f₂ gleich dem Phasenrauschen des Taktsignals. Durch Verwendung des gleichen Taktsignals für die beiden RF-Signale f₁, f₂ ist das Phasenrauschen beider Signale korreliert, und das Phasenrauschen dieser Signale löscht sich in der Mischstufe gegenseitig aus, vorausgesetzt, dass die Verzögerung zwischen der Erzeugung durch das DDS und der Mischstufe für beide Signale im wesentlichen gleich ist.
In der Verarbeitungseinrichtung 5 wird die Form bzw. die Asphärität des reflektierenden Körpers 10 auf der Basis der Phasendifferenzen berechnet, die durch das Array von Fotodetektoren 40a ... 40n bestimmt werden, und zwar mit Hilfe eines numerisch inversen Propagations-Algorithmus. Die Voraussetzung ist hier, dass die Phasenverschiebung zwischen der Wellenfront des Objektstrahls und der Wellenfront des transformierten Objektstrahls, die durch die Oberfläche des reflektierenden Körpers 10 eingeleitet wird, über die gesamte Oberfläche gleich π ist. Dies ist der Fall, wenn der reflektierende Körper aus einem dielektrischen Material besteht. Wenn dies nicht der Fall ist, dann hängt die Phasenverschiebung am reflektierenden Körper 10 von dem Einfallswinkel des Strahls an jeder Position des reflektierenden Körpers ab. Der durch die Verarbeitungseinrichtung 5 verwendete Algorithmus kann natürlich darauf angepasst sein. Die Bestimmung der Form des reflektierenden Körpers 10 ist in beiden Fällen auf die Bestimmung der Oberfläche reduziert, wo die Phasenverschiebung zwischen dem Objektstrahl und dem transformierten Objektstrahl eine spezifische Form zeigt, und ist in dem Fall von dielektrischem Material genau gleich π. Um die Suche nach dieser Oberfläche zu erleichtern, wird die Position von einer spezifischen Stelle 11 auf der Oberfläche des reflektierenden Körpers 10 mit Hilfe der Positionsbestimmungsvorrichtung 35 bestimmt. Die Phase der Wellenfront des Objektstrahls 36, die als sphärisch angenommen wird, kann die Nähe des reflektierenden Körpers auf der Basis der Position der Ausgangsfläche 31 des ersten Lichtleiters 30 berechnet werden, die durch die Positionsbestimmungsvorrichtung 35 bestimmt wird. Die Berechnung der Wellenfront des transformierten Objektstrahls 36' in der Nähe des reflektierenden Körpers 10 umfasst mehrere Schritte. Zunächst wird die gesamte Phase der Wellenfront des Referenzstrahls 37, die ebenfalls als sphärisch angenommen wird, in der Detektionsfläche 34 auf Basis der Position der Ausgangsfläche 33 des zweiten Lichtleiters 32 berechnet, die durch die Positionsbestimmungsvorrichtung 35 bestimmt wird. Die Phase des transformierten Objektstrahls 36' wird dann durch Subtrahieren der gemessenen Phasendifferenz der Phase der Wellenfront des Referenzstrahls 37 in der Detektionsfläche 34 berechnet. Auf der Basis dieser Phase der Wellenfront des transformierten Objektstrahls 36' in der Detektionsfläche 34 wird dann die Phase der Wellenfront des transformierten Objektstrahls 36' in der Nähe des reflektierenden Körpers 10 mit Hilfe des Fresnell-Kirchhoff-Diffraktionsintegrals berechnet. Dies ist jedoch für die vorliegende Erfindung nicht weiter wichtig und wird daher nicht im größeren Detail beschrieben.

Claims

Interferometer zum Messen einer Phasendifferenz zwischen einem Referenzstrahl und einem Objektstrahl, der durch ein optisches Element (10) transformiert ist, mit: – Lichtquelleneinrichtungen (2) zum Erzeugen des Objektstrahls und des Referenzstrahls; – einer optischen Vorrichtung (3), um zu ermöglichen, dass der transformierte Objektstrahl und der Referenzstrahl in einer Detektionsfläche (34) interferieren; und – Detektionseinrichtungen zum Detektieren der Phasendifferenz zwischen Wellenfronten des transformierten Objektstrahls und des Referenzstrahl in der Detektionsfläche (34), dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung (3) aufweist: – einen ersten Lichtleiter (30) mit einer Eingangsfläche, die den Objektstrahl, der durch die Lichtquelleneinrichtungen (2) erzeugt wird, in den ersten Lichtleiter (30) koppelt, und mit einer ersten Ausgangsfläche (31), die einen Objektstrahl (36) mit einer sphärischen Wellenfront erzeugt; – einen zweiten Lichtleiter (32) mit einer Eingangsfläche, die den Referenzstrahl, der durch die Lichtquelleneinrichtungen (2) erzeugt wird, in den zweiten Lichtleiter (32) koppelt, und mit einer zweiten Ausgangsfläche (33), die einen Referenzstrahl (37) mit einer sphärischen Wellenfront erzeugt, wobei der Referenzstrahl (37) auf die Detektionsfläche (34) gerichtet ist; und wobei die Anordnung des ersten Lichtleiters (30) und des optischen Elements (10) so ist, dass der transformierte Objektstrahl (36') mit dem Referenzstrahl (37) in der Detektionsfläche (34) interferiert, so dass die optische Vorrichtung (3) keine optischen Elemente zwischen der Stelle, wo die sphärischen Wellenfronten erzeugt werden, und der Detektionsfläche (34) aufweist, außer dem optischen Element (10), das den Objektstrahl transformiert.
Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (1) außerdem Verarbeitungseinrichtungen (5) aufweist, um die Phasenverteilung über einem spezifischen Querschnitt (38) des transformierten Objektstrahls (36') auf der Basis der Phasendifferenz zwischen den Wellenfronten, die Positionen der ersten und zweiten Ausgangsfläche (31, 33) des ersten bzw. des zweiten Lichtleiters (32, 33), die Position der Detektionsfläche (34) und die Position des spezifischen Querschnitts (38) zu berechnen.
Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (1) außerdem Verarbeitungseinrichtungen (5), um eine räumliche Fläche zu berechnen, in der die Phasendifferenz zwischen den Wellenfronten eine spezifische Form hat, und zwar auf der Basis der Phasendifferenz zwischen den Wellenfronten, die Positionen der ersten und zweiten Ausgangsfläche (31, 33) des ersten bzw. des zweiten Lichtleiters (30, 32), die Position der Detektionsfläche (34), die Position der räumlichen Fläche allgemein und eine spezifische Stelle (11) auf der räumlichen Fläche mit der konstanten Phasendifferenz zu berechnen.
Interferometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Fläche durch die Fläche eines reflektierenden Körpers (10) gebildet ist.
Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung (3) außerdem eine Positionsbestimmungsvorrichtung (35) aufweist, von der ein Ausgang mit den Verarbeitungseinrichtungen (5) verbunden ist, um die Position der ersten und zweiten Ausgangsfläche (31, 33) des ersten bzw. des zweiten Lichtleiters (30, 32), der Detektionsfläche (34), des reflektierenden Körpers (10) allgemein und der speziellen Stelle (11) auf der Fläche des reflektierenden Körpers (10) zu bestimmen.
Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelleneinrichtungen (2) und die Detektionseinrichtungen (4) dazu ausgestaltet sind, um die Phasendifferenz zwischen den Wellenfronten des Referenzstrahls (37) und des transformierten Objektstrahls (36') zu detektieren, und zwar mit Hilfe einer Kombination aus Überlagerungsphasendetektionseinrichtungen (6), die das Phasendifferenzmodulo 2π bestimmen, und Frequenzmodulationsphasendetektionseinrichtungen (7), um die Phasendifferenz in Vielfachen von 2π zu bestimmen, wobei die beiden Techniken unabhängig voneinander und gleichzeitig durch Frequenzmultiplexen der Lichtquelleneinrichtungen (2) verwendet werden.
Interferometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtungen (4) zumindest einen Fotodetektor (40) beinhalten, der in der Detektionsfläche (34) angeordnet ist, und dass die Überlagerungsphasendetektionseinrichtungen (6) aufweisen: eine Frequenz-stabilisierte Lichtquelle (20); eine erste Frequenzverschiebungsvorrichtung (23), die mit dem Ausgang der Frequenz-stabilisierten Lichtquelle (22) verbunden ist, um zwei Lichtstrahlen zu erzeugen, die mit einer ersten Frequenzdifferenz versetzt sind; einen Referenzfotodetektor (24), der mit den Ausgängen der ersten Frequenzverschiebungsvorrichtung (23) verbunden ist; und für jeden Fotodetektor (40): eine erste Einstelleinheit (43), die mit dem Ausgang von dem zumindest einen Detektor (40) und dem Ausgang von dem Referenzfotodetektor (24) verbunden ist; und eine Phasenkomparatoreinheit (44), die mit dem Ausgang der ersten Einstelleinheit (43) verbunden ist.
Interferometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzmodulationsphasendetektionseinrichtungen (7) aufweisen: eine einstellbare Lichtquelle (20); und eine zweite Frequenzverschiebungsvorrichtung (21), die mit dem Ausgang der einstellbaren Lichtquelle (20) verbunden ist, um zwei Lichtstrahlen zu erzeugen, die mit einer zweiten Frequenzdifferenz versetzt sind, wobei die zweite Frequenzdifferenz von der ersten Frequenzdifferenz verschieden ist; und für jeden Fotodetektor (40): eine zugehörige zweite Einstelleinheit (41), die mit dem Ausgang von dem zumindest einem Fotodetektor (40) verbunden ist; und einen Frequenzzähler (42), der mit dem Ausgang der zweiten Einstelleinheit (41) verbunden ist.
Interferometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer (1) außerdem aufweist: für jeden Fotodetektor (40) eine Phasenbestimmungseinheit (45), die mit dem Ausgang des Frequenzzählers (42) und dem Ausgang des Phasenkomparators (44) verbunden ist, um die Phasendifferenz zwischen den Wellenfronten des transformierten Objektstrahls (36') und des Referenzstrahls (37) zu bestimmen.
Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtungen (4) ein Array aus mindestens 10 mal mindestens 10 Fotodetektoren (40a ... 40n) aufweisen.
Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelleneinrichtungen (2) außerdem eine optische Verzögerungsvorrichtung (25) für den Referenzstrahl aufweisen, bevor der letztere der optischen Vorrichtung (3) zugeführt wird.
Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiter (30, 32) im wesentlichen die gleiche Länge haben.