DE3645132C2

DE3645132C2 -

Info

Publication number: DE3645132C2
Application number: DE3645132A
Authority: DE
Inventors: Keishin Higashiyamato Tokio/Tokyo Jp Tsuchiya; Kitabayashi Machida Tokio/Tokyo Jp Junichi; Toshio Katsushika 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: 1991-08-14
Anticipated expiration: 2006-04-05
Also published as: US4743118A; DE3611402A1; DE3611402C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Wertes der seitlichen Verschiebung eines Referenzlichtstrahles gegenüber einem Grundlichtstrahl einem Shearing-Interferometer-System nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Sogenannte Shearing-Interfometer-Systeme sind in verschiedenen Ausführungen bekannt und in den folgenden offengelegten japanischen Patentanmeldungen beschrieben: 60-2 22 702, 60-2 22 703 und 60-0 55 213. Diese bekannten Shearing-Interferometer-Systeme dienen zur Erfassung der Oberflächenbeschaffenheit eines Gegenstandes, und sie enthalten als Grundeinrichtung eine Laserlichtquelle, einen Strahlteiler, 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. Dieses bekannte System umfaßt ferner mehrere Winkelprismen, um den Grundlichtstrahl und den Bezugslichtstrahl räumlich zu versetzten. Es ist ferner eine Lichtdetektoranordnung vorgesehen zum Erfassen der räumlichen Lage des Grundlichtstrahls in Relation zu dem Bezugslichtstrahl. Bei diesen bekannten Systemen werden ferner die Grund- und Bezugslichtstrahlen, die sich parallel zueinander ausbreiten, mit Hilfe einer Kondensorlinse in einem Konvergenzpunkt konvergiert.

Ein weiteres Beispiel eins Shearing-Interferometers ergibt sich aus der US-PS 38 29 219.

Derartige Shearing-Interferometer-Systeme dienen dazu, um hochgenau die Oberflächenkonfiguration eines Gegenstandes oder Objektes und die Ausführung und Wirkung einer Linse zu messen. Das Meßlicht wird gewöhnlich in einen Grundlichtstrahl und einen Referenzlichtstrahl aufgeteilt, welcher seitlich bezüglich des Grundlichtstrahls verschoben ist. Das Intervall, um welches diese Lichtstrahlen seitlich zueinander verschoben sind, wird als eine Versetzung oder Verschiebung bezeichnet.

Die 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 Wellenfrontform des Referenzlichtstrahls auf dem Flächensensor läßt sich infolge der Versetzung oder Verschiebung S durch W (x+S) ausdrücken. Da die Versetzung oder Verschiebung S im allgemeinen ziemlich klein ist, wird die Differenz zwischen den Wellenfronten

und kann als ΔW(x) · S ausgedrückt werden, wenn

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 die 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 Oberflächen korrigiert, so daß die Oberflächenkonfiguration herausgefunden werden kann. Informationen bezüglich der Ausführung und des Leistungsvermögens einer Linse können 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 Gl. (1) wird unmittelbar durch die Versetzung oder Verschiebung S beeinflußt, und folglich ist die Genauigkeit des Shearing-Interferometer-Systems von der Genauigkeit der Versetzung oder Verschiebung S abhängig. Für eine ausreichende Meßgenauigkeit sollte eine Genauigkeit der Verschiebung S vorzugsweise bei 0,1 µm gehalten werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Messen des Verschiebungswertes zwischen einem Grundlichtstrahl und einem Referenzlichtstrahl der angegebenen Gattung zu schaffen, durch welches eine sehr hohe Meßgenauigkeit des Verschiebungswertes erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, durch die die Meßgenauigkeit noch erhöht wird, ergibt sich aus dem Anspruch 2.

Das Verfahren zum Messen des genannten Verschiebungswertes wird in folgender Weise durchgeführt:

Ein ebener Spiegel, erste und zweite Lichtverschlußeinrichtungen und ein Lichtweg-Trennteil werden zu einem Shearing-Interferometer-System zusammengesetzt. Das Lichtweg-Trennteil weist einen halbtransparenten Spiegel oder einen Strahlteiler auf. Er kann neu hinzugefügt werden, oder einer, der in dem Shearing-Interferometer-System verwendet worden ist, kann als das Lichtweg-Trennteil verwendet werden.

Das Lichtweg-Trennteil ist vor einer Konverterlinse in einem beleuchtenden Lichtweg angeordnet, um paralleles Licht so zu leiten, daß ein zu messender Gegenstand beleuchtet wird. Ein Teil des Bestrahlungslichtes, welches sich in Richtung der Konverterlinse ausbreitet, wird durch das Lichtweg-Trennteil abgetrennt, um auf den ebenen Spiegel zu fallen, welcher eine hochglatte bzw. hochpolierte Oberfläche hat.

Eine erste Blende ist zwischen der Trennstelle des Lichtweg-Trennteils und der Konverterlinse angeordnet, und eine zweite Blende ist zwischen der Trennstelle und dem ebenen Spiegel angeordnet.

Wenn der Betrag einer Verschiebung gemessen wird, wird die erste Lichtverschlußeinrichtung geschlossen und die zweite Lichtverschlußeinrichtung geöffnet, damit paralleles Licht auf den ebenen Spiegel fällt; Licht, das von dem ebenen Spiegel reflektiert worden ist, wird als Meßlicht geleitet, um sich entlang eines Shearing-Interferometer-Lichtwegs in Richtung eines Flächensensors auszubreiten. Bevor das Meßlicht den Flächensensor erreicht, wird es in einen Grund- und einen Referenzlichtstrahl aufgeteilt, welcher seitlich bezüglich des Grundlichtstrahls verschoben ist.

Im Ergebnis wird dann ein Interferenzstreifenmuster auf dem Flächensensor durch ein Streifenabtastverfahren gemessen, um analytisch einen Winkel R zu bestimmen, um welchen die Wellenfront des Grundlichtstrahls und die Wellenfront des Referenzlichtstrahls zueinander geneigt sind. Der Wert bzw. der Betrag einer Verschiebung S wird entsprechend der Formel S=f · tan R gemessen, wobei f die Brennweite einer Abbildungslinse ist, welche bewirkt, daß die Lichtstrahlen auf den Flächensensor fallen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Shearing-Interferometer-Systems zur Durchführung des Verfahrens zum Messen des Wertes einer Verschiebung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Verfahrens zum Messen eines Verschiebungswertes;

Fig. 3 bis 6 Darstellungen, anhand welchen erläutert wird, wie ein Interferenzbereich und ein Hintergrundbereich voneinander unterschieden werden; und

Fig. 7 ein Betriebsflußdiagramm, um die Interferenz- und Hintergrundbereiche voneinander zu unterscheiden.

In Fig. 1 ist ein Shearing-Interferometer-System zum Durchführen eines Verfahrens zum Messen des Wertes bzw. Betrages einer Verschiebung dargestellt. Zuerst wird kurz ein Verfahren zum Messen der Oberflächenkonfiguration eines Gegenstandes 1001 beschrieben.

Das Shearing-Interferometer-System weist eine Lichtquelle 101 mit einer Laserstrahlquelle, einen Strahlausweiter 121, Strahlteiler 141 und 201, eine Konverterlinse 161, eine Relaislinse 181, Winkelprismen 221, 241, ein Abbildungsobjektiv 261 und ein Flächensensor 281 auf. Die Winkelprismen werden der Einfachheit halber nachstehend nur noch als "Prismen" bezeichnet.

Ein Lichtweg für Licht, um den Gegenstand 1001 zu beleuchten, verläuft von der Lichtquelle 101 durch den Strahlteiler 141 und die Konverterlinse 161 zu dem Gegenstand 1001. Der Lichtweg für eine Shearing-Interferometrie verläuft von dem Strahlteiler 141 nach rechts. Das Shearing-Interferometer-System weist auch einen ebenen Spiegel 301, eine erste Lichtverschlußeinrichtung 321 und eine zweite Lichtverschlußeinrichtung 341 auf. Der Strahlteiler 141 dient als ein Teil zum Aufteilen der Lichtwege.

Zum Durchführen einer Shearing-Interferometrie wird die Lichtverschlußeinrichtung 321 geöffnet, die Lichtverschlußeinrichtung 341 wird geschlossen, und die Lichtquelle 101 wird erregt. Von der Lichtquelle 101 abgegebenes Licht wird durch den Strahlweiter 121 in einen Parallellichtstrahl (eine ebene Welle) mit einem größeren Durchmesser ausgedehnt, welcher von dem Strahlteiler 141 reflektiert wird, um sich nach links auszubreiten. Der Lichtstrahl wird durch die Konverterlinse 161 in einen konvergenten Lichtstrahl (eine Kugelwelle) konvergiert, welcher auf den Gegenstand 1001 fällt.

Meßlicht, d. h. Licht, das von dem Gegenstand 1001 reflektiert worden ist, gelangt durch die Konverterlinse 161 und über den Strahlteiler 141 und die Relaislinse 181 auf den Strahlteiler 201, welcher das Meßlicht in einen Grund- und einen Referenzlichtstrahl teilt. Der Grundlichtstrahl fällt auf das Prisma 221 und wird von diesem reflektiert, um dann über den Strahlteiler 201 und das Abbildungsobjektiv 261 in den Flächensensor 281 zu gelangen.

Das Prisma 241 wird in horizontaler Richtung in Fig. 1 oder in einer zu der Zeichenebene der Fig. 1 senkrechten Richtung versetzt, wodurch der Referenzlichtstrahl bezüglich des Grundlichtstrahls seitlich verschoben wird, wodurch ein Interferenzstreifen auf dem Flächensensor 281 erscheint. Dann wird das Prisam 221 in kleinen N Inkrementen in Fig. 1 nach rechts verschoben. Das Interferenzstreifenmuster auf dem Flächensensor 281 wird entsprechend geändert. Die N verschiedenen Interferenzstreifenmuster werden gelesen, und es wird mit ihnen eine vorgeschriebene Rechenoperation durchgeführt, um die Wellenfrontform des Grundlichtstrahls auf dem Flächensensor 281 festzustellen (das sogenannte interferometrische Streifenabtastverfahren).

Wenn die Oberflächenkonfiguration des Gegenstandes 1001 eine vollkommene Kugelfläche ist und das beleuchtende Licht von der Konverterlinse 161 in der Mitte dieser Kugelfläche konvergiert, ist das Meßlicht, d. h. das Licht, das von der Oberfläche des Gegenstands 1001 reflektiert worden ist, eine divergente Kugelwelle, welche eine ebene Welle wird, nachdem sie nach rechts die Konverterlinse 161 durchlaufen hat. Zu diesem Zeitpunkt ist dann jeder der Grund- und Referenzlichtstrahlen, welche den Flächensensor 281 in dem optischen System der Fig. 1 erreichen, eine ebene Welle.

Wenn die Oberflächenkonfiguration des Gegenstandes 1001 eine nicht kugelförmige Fläche ist, hat jeder der Grund- und Referenzlichtstrahlen, welche den Flächensensor 281 erreichen, eine gewölbte Wellenfrontform, welche eine Verschiebung der nicht kugelförmigen Oberfläche gegenüber der kugelförmigen Fläche darstellt. Folglich kann die Konfiguration der zu messenden Oberfläche dadurch bestimmt werden, daß die Wellenfrontform bezüglich der Kugeloberfläche korrigiert wird. Das interferometrische Streifenabtastverfahren wird sowohl durchgeführt, wenn der Referenzlichtstrahl durch das Prisma 241 in Fig. 1 in der horizontalen Richtung verschoben wird, als auch dann durchgeführt, wenn der Referenzlichtstrahl durch das Prisma 241 in der zu der Zeichenebene der Fig. 1 senkrechten Richtung verschoben wird; es wird eine dreidimensionale Wellenfrontform aus den Daten der beiden Messungen abgeleitet.

Die Lichtmenge wird durch Filter eingestellt, welche zwischen dem Strahlausweiter 121 und dem Strahlteiler 141 und auch zwischen dem Abbildungsobjektiv 261 und dem Flächensensor 281 angeordnet sind. Die Shearing-Interferometrie wird, wie oben beschrieben, mittels des in Fig. 1 dargestellten Systems durchgeführt. Die Messung des Wertes bzw. Betrages einer Verschiebung wird nachstehend beschrieben.

Zum Messen des Wertes bzw. des Betrages einer Verschiebung wird eine Lichtverschlußeinrichtung 321 geschlossen, und eine Lichtverschlußeinrichtung 341 wird geöffnet, damit das Licht, welches von dem Strahlteiler 141 durchgelassen wird, auf den ebenen Spiegel 301 fällt. Das von dem ebenen Spiegel 301 reflektierte Licht wird durch den Strahlteiler 141 nach rechts reflektiert und wird durch den Shearing-Interferometer-Lichtweg als Meßlicht in Richtung zu dem Flächensensor 281 geleitet.

Die Spiegelfläche des ebenen Spiegels 301 hat eine hochglatte bzw. hochpolierte Ausführung. Da das Licht, welches auf den ebenen Spiegel 301 auftrifft, aus parallelen Lichtstrahlen zusammengesetzt ist, ist auch das hierdurch reflektierte Licht, d. h. das Meßlicht, aus parallelen Strahlen zusammengesetzt, die eine ebene Welle haben.

Das Meßlicht gelangt durch die Relaislinse 181 auf den Strahlteiler 201 und wird durch diesen in einen Grund- und einen Referenzlichtstrahl geteilt, welche durch die Relaislinse 181 in den Prismen 221 bzw. 241 konvergiert werden. Die Konvergenzpunkte der Lichtstrahlen in den Prismen 221 und 241 stimmen mit dem Brennpunkt des Abbildungsobjektivs 261 überein. Folglich werden beide Lichtstrahlen, welche von dem Abbildungsobjektiv 261 austreten, ebene Wellen, welche auf den Flächensensor 281 fallen.

Unter dieser Voraussetzung wird der Referenzlichtstrahl durch das Prisma 241 seitlich verschoben. Solange die optische Achse des Grundlichtstrahls bezüglich der optischen Achse des Abbildungsobjektivs 261 ausgerichtet ist, entspricht die Wellenfront des Grundlichtstrahls auf dem Flächensensor 281 einer in Fig. 2(II) dargestellten Ebene S0. Die optische Achse des Bezugslichtstrahls ist unmittelbar vor dem Abbildungsobjektiv 261 parallel zu der optischen Achse des Grundlichtstrahls. Nach dem Durchgang durch das Abbildungsobjektiv 261 ist die optische Achse des Referenzlichtstrahls um einen Winkel R bezüglich der optischen Achse des Abbildungsobjektivs 261 geneigt. Folglich entspricht die Wellenfront des Referenzlichtstrahls auf dem Flächensensor 281 einer in Fig. 2(II) dargestellten Ebene S1. Da die Wellenfront der ebenen Welle senkrecht zu der optischen Achse des Lichtstrahls liegt, ist die Ebene S1 um den Winkel R zu der Ebene S0 geneigt. Die optische Achse des Referenzlichtstrahls geht durch den bildseitigen Brennpunkt C des Abbildungsobjektivs 261 hindurch. Wenn folglich der Winkel R bekannt ist, läßt sich der Wert bzw. der Betrag einer Verschiebung S ermitteln aus

S = f · tan R (2)

wobei f die Brennweite des Abbildungsobjektivs 261 ist. Wenn jeder der Grund- und Referenzlichtstrahlen eine ebene Welle mit einer ebenen Wellenfront hat, ist das Interferenzstreifenmuster auf dem Flächensensor 281 aus parallelen Streifen zusammengesetzt, wie in Fig. 2(III) dargestellt ist.

Gemäß der Streifenabtast-Interferometrie kann die Form der Wellenfront (die Ebene S1 in Fig. 2(II)) des Referenzlichtstrahls bestimmt werden. Die Wellenfront des Grundlichtstrahls (die Ebene S0 in Fig. 2(II)) soll in der XY-Ebene liegen, und die Koeffizienten l, m, n, P der Gleichung lx+my+nz+P=0 der Bezugslichtstrahl-Wellenfront S1 sind so gemäß dem Verfahren der kleinsten Quadrate am besten zu der Referenzlichtstrahl-Wellenfront passend, wodurch ein analytischer Ausdruck der Ebene S1 gefunden ist. Mit diesem analytischen Ausdruck der Ebene S1 wird der Winkel R, unter welchem die Grundlichtstrahl-Wellenfront S0 und die Referenzlichtstrahl-Wellenfront S1 gegeneinander geneigt sind, analytisch berechnet, und die Verschiebung S wird entsprechend der Gleichung (2) mit Hilfe des berechneten Winkels R und der Brennweite f berechnet, welche genau bekannt ist.

Die Berechnung des analytischen Ausdrucks der Ebene S1 gemäß dem Verfahren der kleinsten Quadrate, die Berechnung des Winkels R, die Berechnung der Verschiebung S entsprechend der Gl. (2) werden alle von einer Verarbeitungseinrichtung, wie einem Mikrocomputer durchgeführt, welcher Rechenoperationen für interferometrische Streifenabtastmessungen durchführt. Entsprechend dem erläuterten Verfahren kann ein Verschiebungswert bzw. -betrag genau bestimmt werden, und folglich kann die Genauigkeit von interferometrischen Shearingsmessungen wirksam erhöht werden.

Bei einem Versuch lag die Genauigkeit, mit welcher der Winkel R wiederholt gemessen wurde, innerhalb von ±0,3 s. Wenn daher ein Objektiv mit einer Brennweite f=60 als das Abbildungsobjektiv 261 verwendet wird, ist die Genauigkeit, mit welcher die Verschiebung S gemessen wird, sehr erhöht, d. h. er ist innerhalb von ±0,102 µm gehalten. Bei der vorstehend beschriebenen Shearing-Interferometrie wird ein Streifenabtasten durch die Analyse von Interferenzstreifen durchgeführt. Daher sollte das vorstehend beschriebene Shearing-Interferometrieverfahren auch als das Streifenabtast-Interferometrieverfahren klassifiziert werden.

Bei der Streifenabtast-Interferometrie wird bewirkt, daß die Grund- und Referenzlichtstrahlen auf dem Flächensensor eine Interferenz erzeugen, und daß sich die Phase des Referenz- oder Grundlichtstrahls in N Inkrementen ändert. Das Interferenzstreifenmuster in jedem der N Inkremente wird dann gelesen, und die Rechenoperation wird mit Hilfe der erhaltenen Daten durchgeführt, um die Wellenfrontform W(x, y) des Grundlichtstrahls zu bestimmen:

wobei Ij(x, y) eine Lichtintensität an der Stelle (x, y) des Interferenzstreifenmusters in der j-ten Phasenänderung ist, k eine sogenannte Wellenzahl, welche als 2π/λ gegeben ist, wobei λ die Lichtwellenlänge ist, und lj=j/2 N ist, welches der Bereich der j-ten Phasenänderung ist.

Der Bereich, in welchem die Grund- und Referenzlichtstrahlen miteinander eine Interferenz erzeugen, ist im allgemeinen elliptisch oder kreisförmig, wie in Fig. 3(I) dargestellt ist. In Fig. 3 ist mit 102 eine Zone bezeichnet, in welcher der Flächensensor Licht feststellt, und mit 12A ein Bereich bezeichnet, in welchem die Grund- und Referenzlichtstrahlen eine Interferenz erzeugen. Der Bereich, welcher in der Zone 102 des Flächensensors liegt, wird ohne den Interferenzbereich 12A als Untergrundbereich bezeichnet, während der Bereich in dem Interferenzbereich 12A Signalbereich genannt wird.

Information, die erforderlich ist, um die Wellenfrontform des Grundlichtstrahls zu bestimmen, kann aus dem Signalbereich erhalten werden. Da die Rechenoperation (3) automatisch am Ausgang des Flächensensors durchgeführt wird, würde ein Signal aus dem Untergrundbereich in der Rechenoperation (3) mit enthalten sein, wenn nicht einige Vorbeugungsmaßnahmen getroffen wären. Es ist bekannt, daß sehr wahrscheinlich ein Rauschsignal in dem Untergrundbereich erzeugt wird. Wenn folglich ein derartiges Rauschsignal in der Rechenoperation (3) enthalten wäre, würde das Meßergebnis dadurch nachteilig beeinflußt.

Als ein Beispiel ist in Fig. 4 ein Meßergebnis dargestellt, welches einen Gegenstand enthält, wenn eine gute Messung mittels der Streifenabtast-Interferometrie durchgeführt ist. Wenn ein Rauschsignal von dem Untergrundbereich enthalten ist, wird jedoch das Meßergebnis so, wie in Fig. 5 dargestellt ist, so daß die Meßgenauigkeit stark vermindert ist, und keine Zuverlässigkeit bei der Messung gewährleistet ist.

Folglich wird gefordert, daß bei der Streifenabtast-Interferometrie der Untergrundbereich von dem Signalbereich getrennt wird, um dadurch zu verhindern, daß ein Signal aus dem Untergrundbereich in die Rechenoperation (3) eingeht.

Ein Weg, um der vorstehenden Forderung zu genügen, würde der sein, eine Maske zu verwenden. Bei Verwendung einer Maske würden jedoch die Untergrund- und Signalbereiche nicht gut voneinander getrennt werden, wenn die optische Achse des optischen Systems, durch welches die Grund- und Referenzlichtstrahlen zu dem Flächensensor geleitet werden, fehlerhaft ist. Außerdem muß die Maskengröße jedesmal dann geändert werden, wenn die Größe des Signalbereichs verändert wird, um einen anderen Gegenstand zu messen.

Der Untergrundbereich kann jedoch ohne Verwenden irgendeiner Maske auf folgende Weise festgestellt werden. Ein Identifizierungswert T wird für jedes lichtfühlendes Element des Flächensensors auf der Basis von zwei oder mehr gelesenen Interferenzstreifenmustern berechnet, wenn die Phase des Grund- oder Referenzlichtstrahls geändert wird. Der Identifizierungswert T wird mit einem Unterscheidungswert K für jedes der lichtfühlenden Elemente des Flächensensors verglichen, wobei der Unterscheidungswert K experimentell im voraus ermittelt wird und damit bekannt ist.

Die Werte K und T werden bezüglich ihrer Größe verglichen. Die lichtfühlenden Elemente, für welche k <T ist, werden als solche beurteilt, die in dem Untergrundbereich liegen, und die lichtfühlenden Elemente, für welche K ≦T ist, werden als solche beurteilt, welche in dem Signalbereich liegen. Das Identifizierungsverfahren wird nunmehr im einzelnen beschrieben.

Die vertikale Richtung in Fig. 3 soll die X-Richtung sein, während die horizontale Richtung die Y-Richtung sein soll. Die lichtempfindliche Zone 102 des Flächensensors enthält eine zweidimensionale Anordnung von kleinen lichtfühlenden Elementen, welche folgendermaßen angeordnet sind: N₀ lichtfühlende Elemente sind in der Y-Richtung der lichtfühlenden Zone 102 des Flächensensors angeordnet, während M₀ lichtfühlende Elemente in der X-Richtung angeordnet sind. Somit sind M₀×N₀ lichtfühlende Elemente als M₀ Zeilen und N₀ Spalten in der lichtfühlenden Zone 102 angeordnet; die lichtfühlenden Elemente haben einen Abstand d voneinander sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung.

Nunmehr wird ein lichtfühlendes Element A(m, n) in der m-ten Zeile und in der n-ten Spalte betrachtet. Dieses lichtfühlende Element A(m, n) hat beispielsweise Koordinaten x=md und Y=nd. Die Lichtintensität ist in der folgenden Beschreibung mit I bezeichnet. Der Ausgang von einem lichtfühlenden Element, welches die Lichtintensität I festgestellt hat, wird nachstehend durch I ausgedrückt. Wenn beispielsweise das lichtfühlende Element A(m, n) Licht mit einer Intensität Ij(m, n) in einem Interferenzstreifenmuster bei der j-ten Phasenveränderung feststellt, wird der Ausgang von dem lichtfühlenden Element A(m, n) auch durch Ij(m, n) ausgedrückt. Die Frage hierbei ist, wie festzustellen ist, ob das lichtfühlende Element A(m, n) in dem Untergrund- oder dem Signalbereich liegt. In Fig. 3 ist das lichtfühlende Element A(m, n) so dargestellt, daß es in dem Signalbereich liegt.

Der Grund- und der Referenzlichtstrahl erzeugen miteinander Interferenzen, und die Länge des Lichtweges des Grund- oder Referenzlichtstrahls wird geändert, um die Phase zu ändern. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich dann die Phasendifferenz zwischen der Wellenfront des Grundlichtstrahls und der Wellenfront des Referenzlichtstrahls an jeder Stelle in dem Interferenzbereich, und so ergibt sich das Interferenzstreifenmuster.

Das in Fig. 3(I) dargestellte Interferenzstreifenmuster wird erzeugt, wenn j=1 ist, d. h. wenn die Phase in der ersten Stufe geändert wird. Das in Fig. 3(II) dargestellte Interferenzstreifenmuster wirde erzeugt, wenn j=p (p <1) ist, d. h., die Phase wird bei dem p-ten Schritt geändert. Das in Fig. 3(III) dargestellte Interferenzstreifenmuster wird erzeugt, wenn j=q (q <p) ist, d. h. die Phase bei dem q-ten Schritt verändert wird. Wenn das lichtfühlende Element A(m, n) wie dargestellt, in dem Signalbereich liegt, ändert sich der Ausgang I(m, n) von diesem lichtfühlenden Element A(m, n) entlang einer Sinuskurve, wie in Fig. 6(I) dargestellt ist, wenn der Phasenänderungsschritt j geändert wird. Der Ausgang I ändert sich immer entlang einer Sinuskurve, wenn j geändert wird, sofern das lichtfühlende Element A(m, n) in dem Signalbereich liegt. Da diese Ausgangsänderung durch die Phasenänderung in dem Interferenzbereich bewirkt wird, wird beinahe keine Änderung in dem Ausgang I(m, n) in Abhängigkeit von j festgestellt, und der Wert von I(m, n) ist, wie in Fig. 6(II) dargestellt, in dem Untergrundbereich klein, in welchem keine Phasenänderung stattfindet.

Wenn es folglich bekannt ist, daß der Ausgang eines bestimmten lichtfühlenden Elements sich nicht wesentlich ändert, wie in Fig. 6(II) dargestellt ist, oder sich entlang einer Sinuskurve ändert, wenn die Phase geändert wird, dann kann ohne weiteres festgestellt werden, ob ein solches lichtfühlendes Element in dem Signal- oder in dem Untergrundbereich liegt.

Entsprechend dem beschriebenen Identifizierungsverfahren wird der Bereich, in welchem ein lichtfühlendes Element vorhanden ist, dadurch festgestellt, daß ein Identifizierungswert T und ein Unterscheidungswert K bezüglich ihrer Größe verglichen werden. Der Identifizierungswert kann irgendein Parameter sein, soweit die Muster der Fig. 6(I) und (II) voneinander unterschieden werden können. Drei Typen des Identifizierungswerts T sind beispielsweise unten wiedergegeben.

Der erste Identifizierungswert T läßt sich ausdrücken durch: T=C²+S². Für ein lichtfühlendes Element A(m, n) (mit m=1 bis M₀ udn mit n=1 bis N₀) ist der Identifizierungswert gegeben durch:

T(m, n) = C²(m, n) + S²(m, n) (4)

wobei gilt:

In diesen Gleichungen (5) wird der Parameter j, welcher den Phasenänderungsschritt anzeigt, als eine Veränderliche lj anstelle von Ij(x, y) verwendet, wobei lj durch lj=jλ/2 N ausgedrückt wird.

Wenn das lichtfühlende Element A(m, n) in dem Signalbereich liegt, ist der Wert T(m, n) entsprechend groß (wobei dessen Wert als T_S ausgedrückt wird). Wenn das lichtfühlende Element A(m, n) in dem Untergrundbereich liegt, ist der Wert T(m, n) entsprechend klein (wobei dieser als T_B ausgedrückt wird). Nunmehr wird der Unterscheidungswert K (T_S<K<T_B) mit dem Wert T(m, n) für jedes lichtfühlende Element verglichen. Die lichtfühlenden Elemente, für welche T ≧K ist, liegen dann in dem Signalbereich, und die Elemente, für welche T <K ist, liegen in dem Untergrundbereich. Da die lichtfühlenden Elemente, die in dem Untergrundbereich vorhanden sind, ohne weiteres auf die vorstehend beschriebene Weise festgestellt werden können, können die Ausgänge der lichtfühlenden Elemente in dem Untergrundbereich aus der Rechenoperation (3) ausgeschlossen werden.

Wenn der obige erste Identifizierungswert T verwendet wurde und das Signal ein 8 Bit-Signal war, war es besser, 100 als den Wert K zu verwenden.

Der zweite Identifizierungswert T wird festgelegt als:

T(m, n) = |I(m, n, l₁) - I(m, n, l₂)| (6)

wobei l₁ ein Wert von l_j (mit j=1 bis N) ist und l₂ der Wert l₁+π/2 ist. Folglich wird die Phase des Referenzlichtstrahls für I(m, n, l₂) um π/2 bezüglich derjenigen für I(m, n, l₁) verschoben.

Der Identifizierungswert T(m, n) kann mit Hilfe von nur zwei Interferenzstreifenmustern, welche in der Phase π/2 verschoben sind, aus N Interferenzstreifenmustern berechnet werden, welche gelesen werden, wenn die Phase geändert wird. Folglich ist die Rechenoperation, welche zum Berechnen des Identifizierungswerts T(m, n) erforderlich ist, viel einfacher als diejenige, die zum Berechnen des ersten Identifizierungswerts verwendet wird.

Wenn l₁ und l₂ eine solche Beziehung zueinander haben, wie in Fig. 6(I) dargestellt ist, ist der Identifizierungswert T für dieses lichtfühlende Element 0, und das lichtfühlende Element wird als ein solches betrachtet, das in dem Untergrundbereich liegt, während es tatsächlich in dem Signalbereich liegt, was aus einem Unterscheidungsfehler resultiert. Um einen solchen Unterscheidungsfehler auszuschließen und um eine einfachere Identifizierung zu ermöglichen, kann der folgende dritte Identifizierungswert verwendet werden:

Der dritte Identifizierungswert ist folgendermaßen festgelegt:

T(m, n) = |I(m, n, l₁) - I(m, n, l₂)| + |I(m, n, l₁) - I(m, n, l₃)| (7)

wobei l₂=l₁+π/2, l₃=l₁+π ist.

Im Hinblick auf den dritten Identifizierungswert werden aus allen gelesenen Interferenzstreifenmustern, wenn die Phase verwendet wird, drei Interferenzstreifenmuster verwendet, welche in der Phase jeweils um π/2 zueinander verschoben sind. Folglich ist T(m, n) immer für die lichtfühlenden Elemente, welche in dem Signalbereich liegen, größer als 0, und T(m, n) 0 gilt für die lichtfühlenden Elemente in dem Untergrundbereich. Ein Wert, der etwas größer als 0 ist, kann zusammen mit dem zweiten Identifizierungswert als K verwendet werden.

In Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Identifizieren des Untergrundbereichs dargestellt, wenn der erste durch die Gl. (4) festgelegte Identifizierungswert verwendet wird.

Claims

1. Verfahren zum Messen des Wertes der seitlichen Verschiebung eines Referenzlichtstrahles gegenüber einem Grundlichtstrahl in einem Shearing-Interferometer-System zum Messen der Oberflächenkonfiguration eines Gegenstandes, welches Winkelprismen enthält, um den Grundlichtstrahl und den Referenzlichtstrahl räumlich zu versetzen, dadurch gekennzeichnet,
daß der Gegenstand (1001) mit Licht aus parallelen Lichtstrahlen, welche durch eine Konverterlinse (161) hindurch geleitet werden, entlang einem Beleuchtungslichtweg beleuchtet wird,
ein Teil des Beleuchtungslichtes, ausgehend von einem Trennpunkt vor der Konverterlinse (161), abgetrennt wird und auf einen ebenen Spiegel (301) gelenkt wird,
eine erste Lichtverschlußeinrichtung (321) zwischen dem Trennpunkt und der Konverterlinse (161) und eine zweite Lichtverschlußeinrichtung (341) zwischen dem Trennpunkt und dem ebenen Spiegel (301) vorgesehen werden,
die erste Lichtverschlußeinrichtung (321) geschlossen und die zweite Lichtverschlußeinrichtung (341) geöffnet wird, damit paralleles Licht auf den ebenen Spiegel (301) fällt,
Licht, das von dem ebenen Spiegel (301) reflektiert worden ist, als Meßlicht entlang eines Shearing-Interferometer-Lichtwegs auf einen Flächensensor (281) geleitet wird,
das Meßlicht in einem Grundlichtstrahl und einen Referenzlichtstrahl geteilt wird, bevor sie den Flächensensor (281) erreichen,
der Referenzlichtstrahl bezüglich des Grundlichtstrahls seitlich verschoben wird,
ein Interferenzstreifenmuster auf dem Flächensensor (281) durch ein Streifenabtasten gemessen wird, um einen Winkel R zu bestimmen, um welchen die Wellenfront des Grundlichtstrahls und die Wellenfront des Referenzlichtstrahls gegeneinander geneigt sind, und
der Wert der seitlichen Verschiebung S entsprechend S=f · tan R berechnet wird, wobei f die Brennweite eines Abbildungsobjektivs (261) ist, welches bewirkt, daß die Lichtstrahlen in Richtung auf den Flächensensor (281) fokussiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Streifenabtasten zur Beseitigung von Störsignalen oder Rauschsignalen, die aus einem Untergrundbereich der lichtempfindlichen Fläche des Flächensensors (281) entstehen, ein Identifizierungswert T für jedes lichtfühlende Element des Flächensensors (281) auf der Basis von zwei oder mehr gelesenen Interferenzstreifenmustern berechnet wird, wenn die Phase des Grund- oder Referenzlichtstrahls geändert wird, der Identifizierungswert T mit einem Unterscheidungswert K für jedes der lichtfühlenden Elemente des Flächensensors (281) verglichen wird, wobei der Unterscheidungswert K experimentell im voraus ermittelt wird, lichtfühlende Elemente, für welche K <T ist, als solche beurteilt werden, die in dem Untergrundbereich liegen, und lichtfühlende Elemente, für welche K ≦T ist, als solche beurteilt werden, welche in dem Signalbereich (12a) liegen, und die Ausgänge der lichtfühlenden Elemente, die im Untergrundbereich liegen, aus der weiteren rechnerischen Verarbeitung ausgeschlossen werden.