DE3936118A1

DE3936118A1 - Interferometer-profilmessanordnung

Info

Publication number: DE3936118A1
Application number: DE3936118A
Authority: DE
Inventors: James F Biegen
Original assignee: Zygo Corp
Current assignee: Zygo Corp
Priority date: 1988-10-28
Filing date: 1989-10-30
Publication date: 1990-05-03
Also published as: US4948253A; JPH02243910A; GB2224367B; GB8924091D0; GB2224367A

Description

Die Erfindung betrifft eine Interferometer-Profilmeßanord nung zum genauen Messen der Topographie einer sphärischen Prüffläche, das heißt einer zu prüfenden sphärischen Fläche.

Speziell befaßt sich die Erfindung mit einer Anordnung zum kontaktlosen Messen des Oberflächenprofils einer stark sphärischen Oberfläche bei niedriger Vergrößerung (10-fach). Dabei geht es erfindungsgemäß speziell um eine optische An ordnung, die für die äußerst präzise Messung der Oberflächen rauhigkeit einer stark sphärischen Oberfläche geeignet ist bzw. für die äußerst genaue Messung von Abweichungen der Oberflächenform der zu prüfenden Oberfläche von einer Ku gelfläche. Die bisher verfügbaren Meßverfahren zur Durch führung von Messungen an stark sphärischen Oberflächen mit hoher Genauigkeit umfassen mechanische und optische Profil meßanordnungen. Ein üblicherweise verwendetes Meßgerät, bei dem die zu prüfende Fläche berührt wird, um Oberflächenpro file zu messen, ist ein mit einer Meßspitze arbeitendes Gerät, wie es beispielsweise im Handel unter den Typenbe zeichnungen "Talysurf" und "Talystep" erhältlich ist. Bei weichen oder empfindlichen Oberflächen gräbt sich jedoch die Meßspitze in die Oberfläche ein, und die Meßergebnisse können daher die Oberflächenbeschaffenheit nicht genau wiedergeben. Andere Einschränkungen, die sich bei der Ver wendung einer Meßspitze ergeben, umfassen deren hohe Empfindlichkeit gegenüber Mikrofoneffekten und Vibrationen, die heikle konstruktive Ausgestaltung der Meßspitze und der zugehörigen Mechanik und die Notwendigkeit der Bedie nung eines solchen Meßgeräts durch eine hervorragend aus gebildete Bedienungsperson.

Bekannte optische Profilmeßanordnungen basieren auf einer Reihe unterschiedlicher Verfahren, beispielsweise auf dem Interferometerverfahren, bei dem Interferenzstreifen der selben chromatischen Ordnung abgetastet werden (sogenannte FECO-fringes of equal chromatic order-Verfahren) (vgl. Applied Optics, 1976, Vol. 15, Seiten 2705-2721; J: Opt. Soc. Am., 1974, Vol. 64, Seite 1369 (A); Applied Optics, 1981, Vol. 20, Seiten 610 bis 618; Applied Optics, 1985, Vol. 24, Seiten 1489 bis 1497; US-PS 46 39 139; Optics Letters, 1985, Vol. 10, Seiten 526 bis 528; US-PS 45 34 649; Applied Optics, 1986, Vol. 25, Seiten 764 bis 768).

Bei der sogenannten FECO-Interferometrie ist es erforder lich, daß die Prüffläche sehr dicht an die Referenzfläche herangebracht wird, typischerweise auf einen Abstand von wenigen µm, was häufig zur Folge hat, daß die Prüffläche durch Staubpartikel beschädigt wird. Außerdem ist die FECO-Interferometrie nicht ohne weiteres für das Messen von sphärischen Oberflächen geeignet.

Das optische Heterodyninterferometer, bei dem ein gemein samer Pfad vorhanden ist und bei dem keine Referenzfläche benötigt wird, liefert sehr exakte Meßergebnisse. Obwohl dieses Verfahren dem Stand der optischen Meßtechnik ent sprechende Meßergebnisse liefert, leidet es an einer Reihe von Einschränkungen. Insbesondere ist ein solches Gerät kompliziert und teuer. Da nach dem bekannten Verfahren außerdem nur ein Kreis mit fest vorgegebenem Radius abge tastet werden kann, besteht keine Möglichkeit, die Profile eines Bereichs der Prüffläche aufzuzeichnen. Weiterhin ist die Möglichkeit von Messungen außerhalb einer Ebene streng auf ein Viertel der Beleuchtungs-Lichtwellenlänge be schränkt, so daß Messungen nur an Ebenen oder nahezu ebenen Oberflächen durchgeführt werden können.

Auch die bekannten Zweistrahl-Interferometermikroskope vom Mirau-Typ, die mit weißem bzw. gefiltertem weißem Licht ar beiten, leiden unter mehreren ernsthaften Einschränkungen. Z.B. schließt die verdeckende interne Reflexionsfläche bei derartigen Mirau-Interferometern den Einsatz derselben mit Objektiven geringer Verstärkung aus, und zwar unabhängig da von, ob die Prüffläche sphärisch oder eben ist. Wegen der verdeckenden Referenzfläche muß ferner mit einer inkohären ten Beleuchtungsquelle gearbeitet werden, wodurch die brauchbare Schärfentiefe des Objektivs streng auf die Kohärenzlänge der Beleuchtungsquelle beschränkt ist (vgl. US-PS 47 32 483). Außerdem liegen die Ausricht toleranzen in vertikaler Richtung, die für die Interferenz streifenbildung erforderlich sind, in der Größenordnung von wenigen µm.

Andere Zweistrahl-Interferometermikroskope mit gleichem Strahlengang, wie zum Beispiel die Interferometer von Michelson und Linnik, sind geeignet, sphärische Referenz flächen für Objektive niedriger Vergrößerung zu verwenden. Der Nachteil des Michelson-Interferometers besteht jedoch darin, daß sich eine ernstliche Verringerung der Objektiv- Arbeitsdistanz ergibt, was sich aus der Notwendigkeit der Positionierung eines Strahlteilerwürfels vor der Front des Objektivs ergibt. Das Linnik-Interferometerverfahren, bei dem zwei Objektive verwendet werden, ist einerseits teuer und bringt andererseits Schwierigkeiten beim Aus richten mit sich. Die Interferometer von Michelson und Linnik leiden beide, wenn sie in Verbindung mit einer ausgedehnten Lichtquelle für inkohärentes Licht ein gesetzt werden, unter denselben engen Toleranzen für die vertikale Ausrichtung, die auch beim Interferometer- Mikroskop nach Mirau zu beachten sind.

Die Doppelbrechungs-Mikroskoptechnik arbeitet mit einem gemeinsamen Pfad und benötigt keine Referenzfläche. Sie leidet jedoch an einigen schwerwiegenden Beschränkungen. Erstens kann nach diesem Verfahren nur eine Linie abge tastet werden, so daß kein Profil eines Bereichs der Prüffläche erhalten werden kann. Zweitens ist dieses Ver fahren auf seine Fähigkeit beschränkt, für den Referenz strahl auf der Prüffläche einen ausreichend großen Durch messer zu haben, wodurch der Umfang eingeschränkt wird, in dem niedrigere räumliche Frequenzen, wie zum Beispiel sphärische Prüfflächen, gemessen werden können.

Ausgehend vom Stand der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Interferometer-Profil meßanordnung anzugeben, welche die Nachteile der bisher eingesetzten Meßeinrichtungen überwindet und mit hoher Genauigkeit und feiner seitlicher Auflösung Messungen von Mikrorauhigkeitsprofilen sphärischer Oberflächen und von Abweichungen dieser Flächen von der Kugelform ge stattet.

Diese Aufgabe wird bei einer Interferometer-Profilmeßanord nung der eingangs angegebenen Art gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Es ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß hochgenaue Profilmessungen an sphärischen Prüfflächen unter Verwendung von Objektiven geringer Verstärkung (10- fach) mit einem Zweistrahl-Mikroskopinterferometer vom Mirau-Typ durchgeführt werden können. Die Interferenz dieses Zweistrahl-Mikroskopinterferometers liegt bei jeder Objektivvergrößerung innerhalb der vollen Tiefenschärfe, so daß für das Ausrichten in vertikaler Richtung große Toleranzen zulässig sind. Ferner können im Vergleich zum Stand der Technik in einem großen Bereich von Prüfflächenkrümmungen von eben bis sphärisch mit kleinem Durchmesser genaue Messungen durch geführt werden.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Interferometer-Profilmeßanordnung geschaffen, mit der es möglich ist, die Topographie einer sphärischen Prüffläche genau zu messen und die folgende Elemente um faßt:

1. Eine Lichtquelle, die entweder räumlich kohärent oder inkohärent sein kann und entweder eine zeitlich kohären te oder eine zeitlich inkohärente elektromagnetische Strahlung erzeugt, vorzugsweise ein linear polarisier ter Laser;
2. Einrichtungen, insbesondere eine rotierende Diffusor scheibe, auf die das Licht aus der linear polarisier ten Lichtquelle auftrifft, so daß sie eine linear polarisierte zweite Lichtquelle bildet, welche vor zugsweise eine stark reduzierte räumliche Kohärenz besitzt, während eine hohe zeitliche Kohärenz auf rechterhalten wird;
3. ein optisches System, welches eine erste Linse und einen Strahlteiler, insbesondere einen polarisierenden Strahl teiler, umfaßt, um vorzugsweise ohne ins Gewicht fallen de Verluste einen ersten linear polarisierten Licht strahl aus dem Licht der ausgedehnten zweiten Licht quelle zu bündeln und auszurichten;
4. eine erste λ/4-Phasenverzögerungsplatte λ/4-Plättchen, welche den er sten linear polarisierten Lichtstrahl in einen zirkular polarisierten Lichtstrahl umwandelt;
5. eine zweite Linse zum Fokusieren des zirkular polarisier ten Lichtstrahls auf eine sphärische Prüffläche und eine sphärische Referenzfläche eines Interferometers;
6. eine Beschichtung auf der sphärischen Referenzfläche, welche vorzugsweise eine metallische oder halbmetalli sche Beschichtung auf der sphärischen Referenzfläche ist und eine Antireflexionsbeschichtung auf der metalli schen oder halbmetallischen Beschichtung zur Bildung einer nicht verdeckenden Referenzoberfläche für die sphärische Referenzfläche;
7. einen Referenzzweig des Interferometers, in dem die sphärische Referenzfläche und eine zweite λ/4-Phasen verzögerungsplatte liegen, welche den zirkular pola risierten Lichtstrahl in einen zweiten linear polari sierten Lichtstrahl umwandelt;
8. einen Prüf- bzw. Meßzweig des Interferometers, in dem die sphärische Prüffläche und eine dritte λ/4-Phasen verzögerungsplatte angeordnet sind, auf welcher eine Strahlteileroberfläche angeordnet ist, welche den zwei ten linear polarisierten Lichtstrahl in Prüfwellen fronten und Referenzwellenfronten aufteilt und die Prüf wellenfronten und Referenzwellenfronten zu der sphärischen Prüffläche bzw. der sphärischen Referenzfläche lenkt;
9. Einrichtungen, insbesondere einen piezoelektrischen Wand ler, zum Variieren des relativen Abstands zwischen der sphärischen Prüffläche und der sphärischen Referenz fläche;
10. Einrichtungen, insbesondere eine Strahlteileroberfläche, zum Rekombinieren der Prüfwellenfronten und der Referenz wellenfronten, nachdem diese unabhängig voneinander mit der sphärischen Prüffläche und der sphärischen Referenz fläche zusammengewirkt haben, zur Erzeugung eines Inter ferenzmusters;
11. Einrichtungen, die genannte zweite Linse, zum Abbilden der sphärischen Prüffläche und der sphärischen Referenz fläche auf fotoempfindliche Elemente einer Bilderzeu gungseinrichtung, insbesondere einer Festkörperfeld- Kamera;
12. Einrichtungen, nämlich die erste λ/4-Phasenverzögerungs platte, die zweite λ/4-Phasenverzögerungsplatte, die dritte λ/4-Phasenverzögerungsplatte und der polarisieren de Strahlteiler, welche die abgebildete sphärische Prüf fläche und die sphärische Referenzfläche und das Inter ferenzmuster isolieren;
13. Einrichtungen, nämlich die erste λ/4-Phasenverzögerungs platte zum Umwandeln der Prüfwellenfronten und der Referenzwellenfronten in einen dritten linear polari sierten Lichtstrahl, dessen Polarisationsvektor um 90° bezüglich des ersten linear polarisierten Licht strahls gedreht ist;
14. Einrichtungen, nämlich den polarisierenden Strahlteiler, welche den dritten linear polarisierten Lichtstrahl,vor zugsweise ohne einen ins Gewicht fallenden Lichtverlust, auf die Bilderzeugungseinrichtung lenken;
15. Einrichtungen, nämlich die Bilderzeugungseinrichtung, zum Erfassen des Interferenzmusters;
16. Einrichtungen, insbesondere einen Kathodenstrahlmonitor, zum Betrachten der abgebildeten sphärischen Prüffläche, der sphärischen Referenzfläche und des Interferenz musters; und
17. Einrichtungen zum Verarbeiten des Ausgangssignals der Bilderzeugungseinrichtung zum Aufzeichnen von Profilen der Topographie der Prüffläche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nach stehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Form eine erste bevorzugte Aus führungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung und

Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm mit einer elektro nischen Prozessorschaltungsanordnung für die An ordnung gemäß Fig. 1.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 in schematischer Form, eine bevor zugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum kontaktlosen Messen des Profils einer Oberfläche. Während die erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit einem breiten Bereich von räumlich und zeitlich kohärenten Strahlungsquellen einsetzbar ist, erfolgt die nachfolgende Beschreibung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einem optischen Meßsystem, beispielsweise einem System, bei welchem ein linear polarisierter Laser 10 eingesetzt wird, welcher einen nahezu kollimierten Strahl 12 mit einer einzigen Frequenz aussendet, welcher senkrecht zur Ebene der Fig. 1 linear polarisiert ist, wie dies durch Punkte angedeutet ist. Eine Linse 14 transformiert den Strahl 12 in eine sich kugelförmig ausbreitende Wellenfront 16, welche auf eine Diffusorscheibe 18 auftrifft, um Wellen fronten 22 zu erzeugen, welche durch die Diffusorscheibe 18 gestreut sind. Die Diffusorscheibe 18 wird mit Hilfe eines Motors 20 gedreht, um die räumliche Kohärenz der kugelför migen, auseinanderlaufenden Wellenfronten 22 erheblich zu reduzieren und um auseinanderlaufende, kugelförmige Wellen fronten 22 zu erhalten, die räumlich nicht kohärent sind. Anstelle der rotierenden Diffusorscheibe können auch andere Einrichtungen verwendet werden, um die räumliche Kohärenz zu verringern. Beispielsweise kann anstelle der Diffusor scheibe 18 ein nicht-bewegtes, eine dynamische Streuung bewirkendes Flüssigkristallmaterial einer akusto-optischen, modulierenden Flüssigkeits- oder Feststoffzelle eingesetzt werden. Eine Linse 26 wandelt die kugelförmigen, ausein anderlaufenden Wellenfronten 22 in kollimierte Wellen fronten 28 um, welche an der Diagonalfläche 31 eines polarisierenden Strahlteilers 30 eine Totalreflexion er fahren, so daß aus ihnen kollimierte Wellenfronten 32 werden.

Die kollimierten Wellenfronten 32 durchlaufen zunächst eine λ/4-Phasenverzögerungsplatte 38, welche das linear polari sierte Licht in zirkular polarisiertes Licht umsetzt, und werden dann durch die Objektivlinse 34 gerichtet, so daß sich konvergierende Wellenfronten 36 ergeben. Die konver gierenden Wellenfronten 36 treten in die Interferometer- Dublettenplatte 73 ein, welche aus Dublettenelementen 73 a und 73 b besteht. Die Interferometerdublettenplatte 73 be wirkt keine Vergrößerung, und die Dublettenelemente 73 a und 73 b haben angepaßte Brechungsindizes sowie angepaßte Radien ihrer sphärischen Innenflächen. Der Krümmungsradius der sphärischen Innenfläche bzw. der sphärischen Referenzfläche 45 des Dublettenelements 73 b ist so gewählt, daß er der erwarteten Krümmung der sphärischen Prüffläche 48 angepaßt ist, so daß für die Bildung von Interferenzstreifen die Nullbedingung oder nahezu die Nullbedingung besteht. (Es tritt also (praktisch) keine Interferenz auf.) Die sphärische Referenzfläche 45 kann entweder konvex oder kon kav sein, so daß Messungen an konvexen oder konkaven sphäri schen Prüfflächen 48 durchgeführt werden können. Die konver gierenden Wellenfronten 36 passieren dann eine Referenz oberflächenbeschichtung 46 und eine λ/4-Verzögerungsplatte 47. Die Referenzoberflächenbeschichtung 46 ist in einer früheren Anmeldung beschrieben (US-Patentanmeldung Serial No. 1 09 715 vom 4. Januar 1988). Die Referenzoberflächenbe schichtung 46 erstreckt sich über die volle Apertur der sphärischen Referenzfläche 45, so daß die konvergierenden Wellenfronten 36 an der Grenzfläche zwischen der sphärischen Referenzfläche 45 und der Referenzoberflächenbeschichtung 46 nur eine minimale Reflexion erfahren, deren Folgen in Fig. 1 als reflektierte Wellenfronten 77 angedeutet sind. Durch die Referenzoberflächenbeschichtung 46 ergibt sich keine zentrale Verdeckung für die konvergierenden Wellen fronten 36, so daß nunmehr eine Objektivlinse 34 mit nied riger Vergrößerung (10 x) in einer Interferometeranordnung mit sphärischer Referenzoberfläche vom Typ eines Mirau- Interferometers verwendet werden kann (vgl. frühere US- Patentanmeldung Serial No. 07/1 85 075 vom 22. April 1988, welche eine Mirau-Interferometeranordnung mit einer nicht verdeckenden ebenen Referenzoberfläche beschreibt). Eine Strahlteiler-Oberfläche 42 reflektiert die Hälfte der ein fallenden Strahlung der konvergierenden Wellenfronten 36 nach oben, und zwar in Form von konvergierenden Prüfwel lenfronten 37, welche zunächst die λ/4-Phasenverzögerungs platte 47 passieren und auf die sphärische Referenzfläche 45 fokussiert sind. Um einen maximalen Interferenzstreifen kontrast bei Extrema von 4% und 100% des Reflexions vermögens der Prüffläche zu erhalten, ist die Referenz oberflächenbeschichtung derart gewählt, daß etwa 20% der Strahlintensität der konvergierenden Prüfwellenfronten 37 an der Referenzoberflächenbeschichtung 46 der sphärischen Referenzfläche 45 reflektiert werden und divergierende Prüfwellenfronten 39 bilden. Der restliche Teil der Strahl energie der konvergierenden Prüfwellenfronten 37 wird teil weise absorbiert und teilweise von der Referenzoberflächen beschichtung 46 durchgelassen, wie dies durch divergierende Wellenfronten 79 angedeutet ist. Wenn die λ/4-Phasenver zögerungsplatte 47 bezüglich der λ/4-Phasenverzögerungs platte 38 korrekt ausgerichtet ist, ergibt sich für die divergierenden Wellenfronten 79 eine Phasenverzögerung um eine volle Wellenlänge, so daß sich keine resultierende Dre hung der Polarisationsebene bezüglich der kollimierten Wellenfronten 32 ergibt. Dies hat zur Folge, daß die di vergierenden Wellenfronten 79 an der Strahlteiler-Diagonal fläche 31 reflektiert werden, und zwar in Richtung auf die Lichtquelle 10 und nicht zu fotoempfindlichen Elementen 58 bzw. Pixeln einer Bilderzeugungseinrichtung 56, was be züglich des Kontrastes der Interferenzstreifen Verluste ver ursachen würde.

Derjenige Teil der einfallenden Strahlintensität der kon vergierenden Wellenfronten 36, der von der Strahlteiler oberfläche 42 nicht reflektiert wird, wird von dem Inter ferometer-Strahlteilersubstrat 75, bei dem es sich eben falls um eine λ/4-Phasenverzögerungsplatte handelt, durch gelassen und wird zu den konvergierenden Prüfwellenfronten 44, die dann auf die sphärische Prüffläche 48 fokusiert werden. Die konvergierenden Prüfwellenfronten 44, welche von der sphärischen Prüffläche 48 reflektiert werden, werden zu divergierenden Prüfwellenfronten 50, welche erneut durch das Interferometer-Strahlteilersubstrat 75 hindurch über tragen werden und welche wieder mit den divergierenden Wel lenfronten 39 kombiniert werden, die von der sphärischen Referenzfläche 45 reflektiert werden und mit diesen an der Strahlteiler oberfläche 42 in Interferenz treten, werden dabei zu di vergierenden Prüf- und Referenzwellenfronten 51 R, 51 T. Die divergierenden Prüf- und Referenzwellenfronten 51 R, 51 T werden von der Objektivlinse 34 gebündelt und werden wieder zu kollimierten Prüf- und Referenzwellenfronten 52 R, 52 T, die dann die λ/4-Phasenverzögerungsplatte 38 passieren und zu den Prüf- und Referenzwellenfronten 53 R, 53 T werden. Eine totale Phasenverzögerung um 1½ Wellenlängen erfahren so wohl die Prüfwellenfronten 53 R als auch die Referenzwellen fronten 53 T, so daß die Polarisationsebenen der Prüf- und Referenzwellenfronten 53 R, 53 T relativ zu den kollimierten Wellenfronten 32 um 90° gedreht sind, wodurch eine voll ständige Übertragung durch den polarisierenden Strahlteiler 30 hindurch möglich wird. Die Prüf- und Referenzwellen fronten 53 R, 53 T werden von der Abbildungslinse 65 zu konvergierenden Test- und Referenzwellenfronten 54 R, 54 T gemacht und auf die fotoempfindlichen Elemente 58 bzw. die einzelnen Bildelemente oder Pixel der Bilderzeugungsein richtung 56 fokussiert. Die konvergierenden Prüf- und Referenzwellenfronten 54 R, 54 T, welche fokussiert werden, bilden übereinanderliegende Bilder der sphärischen Test oberfläche 48 und der sphärischen Referenzfläche 45 zusam men mit dem Interferenzmuster, welches den relativen opti schen Laufwegdifferenzen zwischen dem Strahlengang über die sphärische Testfläche 48 einerseits und die sphäri sche Referenzfläche 45 andererseits entspricht.

Die divergierende Wellenfront 16, welche auf die rotierende Diffusorscheibe 18 auftrifft, bildet eine ausgedehnte Quelle von räumlich inkohärentem Licht, in dem jedoch ein hoher Grad von temporärer Kohärenz aufrechterhalten wird. Eine hohe temporäre bzw. zeitliche Kohärenz gestattet die Loka lisierung der Interferenz über die gesamte Schärfentiefe des Brenn punkts bei jeder Vergrößerung der Objektivlinse 34, wodurch das Einhalten der vertikalen Ausrichttoleranz zum Erzielen von Interferenzstreifen gegenüber vorgekannten Beleuchtungs einrichtungen erleichtert wird. Bei Objektiven mit niedri ger Vergrößerung liegt der Schärfentiefebereich in der Größenordnung von einigen Zehnteln eines Millimeters bis zu einem Millimeter. Bei Verwendung vorbekannter Beleuch tungsquellen wird mit dem gefilterten weißen Licht einer Glühlampe gearbeitet, so daß nur eine Interferenzstreifen- Lokalisierungstiefe innerhalb eines schmalen Bandes in der Größenordnung einer Tiefe von 3 bis 5µm ermöglicht wird. Hierdurch kann die Erzielung von Interferenzstreifen zu einem mühsamen und zeitraubenden Prozeß werden.

Das sphärische Mirau-Interferometer 41 ist an dem piezo elektrischen Wandler 80 befestigt, welcher den Abstand zwischen der sphärischen Referenzfläche 45 und der sphäri schen Prüfoberfläche 48 verändert, indem er unter Steuerung durch ein elektrisches Signal auf einer Leitung 78 eine Bewegung des sphärischen Mirau-Interferometers 41 in Z- Richtung herbeiführt. Auf einer Leitung 71 werden Foto signale der Elemente der Bilderzeugungseinrichtung 56 an eine elektronische Prozessorschaltung 76 geliefert, um die Bilderzeugungseinrichtung 56 erforderlichenfalls zu steuern. Das Ausgangssignal der Prozessorschaltung 76 auf der Leitung 78 wird dem piezoelektrischen Wandler zugeführt, um das Interferenzmuster zu modulieren, welches auf die Bild erzeugungseinrichtung 56 mit ihren fotoempfindlichen Elemen ten 58 abgebildet wird. Ein weiteres Ausgangssignal der Prozessorschaltung 76 wird über eine Leitung 81 einer Ausgabevorrichtung 82, beispielsweise einem Bildschirm, einem Drucker oder einem Plotter, zugeführt, so daß die Topographie der zu prüfenden Oberfläche bzw. der sphärischen Prüffläche 48 betrachtet und/oder aufgezeichnet werden kann.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der gemäß Fig. 1 verwendeten Prozessorschaltung 76. Die Wellen fronten 55 R und 55 T bilden auf den fotoempfindlichen Elemen ten 58 der Bilderzeugungseinrichtung 56 ein Interferenzmu ster. Eine Ausgangsleitung 71 der Bilderzeugungseinrichtung 56 führt vorzugsweise zu einem Analog/Digital-Wandler 90, um ein digitales Signal - Leitung 92 - zu erhalten, welches in einem Speicher 94 gespeichert wird. Von diesem wird das digitale Signal - Leitung 96 - zu einem Mikroprozessor 98 übertragen. Eine Meß-Steuer-Einheit 102 ist mit dem Mikro prozessor 98 über eine Leitung 100 verbunden, über die Si gnale in beiden Richtungen ausgetauscht werden. Der Mikro prozessor 98 erzeugt ferner ein Ausgangssignal (Leitung 81) zu der Ausgabevorrichtung 82. Die Meß-Steuer-Einheit 102 liefert das elektrische Ausgangssignal - Leitung 78 - für den piezoelektrischen Wandler 80. Ferner erzeugt die Einheit 102 ein Taktsignal - Leitung 73 - für die Bilderzeugungs einrichtung 56 und ein Synchronisationssignal - Leitung 104 - für den A/D-Wandler 90.

Eine Phasenkarte des Interferenzmusters kann in konventionel ler Weise nach dem Verfahren erzeugt werden, welches von M. Schaham in Proceedings SPIE, 1981, Vol. 306, Seiten 183 bis 191, beschrieben ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung dieses Verfahrens beschränkt und kann in Ver bindung mit verschiedenen Phasenkartenverfahren verwendet werden (vgl. US-PS 36 94 088).

Während die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel erläutert wurde, versteht es sich für den Fachmann, daß ausgehend von diesem Aus führungsbeispiel zahlreiche Änderungen und/oder Ergänzungen möglich sind, ohne daß dabei der Grundgedanke der Erfindung verlassen werden müßte. Beispielsweise kann anstelle eines polarisierenden Strahlteilers ein nicht-polarisierender Strahlteiler und zusätzlich ein linearer Polarisator zwi schen dem nicht-polarisierenden Strahlteiler und der Fest körperanordnung eingesetzt werden. Im wesentlichen dieselbe Funktion kann mit anderen Typen von Festkörperanordnungen erreicht werden. Zur Änderung des relativen bzw. gegen seitigen Abstands zwischen der Prüffläche und der Referenz fläche kann anstelle eines piezoelektrischen Wandlers eine andere Einrichtung verwendet werden, um eine konstante zeitvariable Phasenverschiebung zwischen den Prüfwellen fronten und den Referenzwellenfronten herbeizuführen. Beispielsweise könnte eine akustisch/optische Bragg-Zelle verwendet werden, um für die Prüfwellenfronten und/oder die Referenzwellenfronten eine Doppler-Verschiebung herbeizu führen. Es könnten auch verschiedene rotierende Polarisations platten verwendet werden, um die Phase der Prüfwellenfronten und/oder der Referenzwellenfronten zu verschieben. Eine Zeeman-Anordnung oder ein anderer Zweifrequenz-Laser könnten verwendet werden, um eine Frequenz für den Prüfzweig des Interferometers und eine andere Frequenz (und Phase) im Bezugszweig des Interferometers zu erzeugen. In einigen Fäl len könnte anstelle einer Festkörperanordnung, das heißt an stelle eines Feldes von fotoempfindlichen Festkörperelementen eine Vidikon-Kamera verwendet werden. Ganz allgemein können phasenverschiebende Spiegel oder andere phasenverschiebende Einrichtungen in einem oder beiden Zweigen des Interferometers eingesetzt werden. Anstelle der Bilderzeugungseinrichtung kann ferner eine Objektivlinse zur qualitativen Betrachtung der Prüffläche verwendet werden. Die Beleuchtung kann ent weder nach Kohler oder als kritische Beleuchtung oder als Abwandlung der bekannten Beleuchtungseinrichtungen ausge bildet werden.

Wichtige Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß erfin dungsgemäß die Notwendigkeit der zentralen Verdeckung des Interferometers vom Mirau-Typ vermieden werden kann, so daß Objektive mit kleiner Vergrößerung (10-fach) ver wendet werden können, um eine sphärische Referenzfläche benutzen zu können, welche die Messung eines wesentlich breiteren Bereichs von Prüfoberflächen-Krümmungen ge stattet, wobei die maximal zulässige Neigung einer sphäri schen Prüfoberfläche nur durch die numerische Apertur des Objektivs begrenzt wird. Ferner tritt die Inter ferenz über die gesamte Schärfentiefe bei jeder Objektivvergrößerung auf, wenn eine zeitlich ko härente Lichtquelle verwendet wird, wodurch das Erzielen von Interferenzstreifen wesentlich einfacher wird als bisher. Dadurch, daß eine ausgedehnte räumlich inkohärente Quelle verwendet wird, ergibt sich die Möglichkeit, die Nachteile einer kohärenten Beleuchtung zu vermeiden, wie zum Beispiel eine verringerte seitliche Auflösung, die Empfindlichkeit ge genüber systembedingten Fehlern und die Verzerrung der ge wünschten Phasenkarte durch Interferenz mit einer externen Wellenfront.

Die Verbesserungen gemäß vorliegender Erfindung überwinden somit die Nachteile des Standes der Technik und gestatten eine hohe Genauigkeit, eine feine seitliche Auflösung der Messungen der Mikrorauhigkeitsprofile der sphärischen Prüf fläche und der Abweichungen derselben von der Kugelform.

Ergänzend wird noch darauf hingewiesen, daß die Dubletten platte 73 aus zwei Linsen kombiniert ist, die so gewählt sind, daß sie übereinstimmende Brechungsindizes und an ihrer Grenzfläche beide dieselbe Krümmung haben, während die äußeren Flächen eben sind. Die Dublettenplatte 73 hat damit keinen (resultierenden) Einfluß auf eine hindurchgehende Wellenfront, die sphärische innere Fläche 45 bildet jedoch die Referenzfläche, gegen die die Prüffläche 48 gemessen wird. Die reflektierte Wellenfront 39; 51 R enthält Information über diese Oberfläche und die Interferenz zwischen dieser Wellenfront und der Wellenfront 51 T offenbart die Unterschiede zwischen der Referenzfläche und der Prüffläche.

Claims

1. Interferometer-Profilmeßanordnung zum genauen Messen der Topographie einer sphärischen Prüffläche, gekenn zeichnet durch folgende Merkmale:
Es ist eine Lichtquelle zur Erzeugung einer linear polarisierten elektromagnetischen Strahlung vorgesehen;
es sind Einrichtungen vorgesehen, welche bezüglich der Lichtquelle optisch ausgerichtet und so angeordnet sind, daß das Licht aus der linear polarisierten Lichtquelle auf sie auftrifft, derart, daß diese Einrichtungen eine ausgedehnte zweite Lichtquelle für linear polarisiertes Licht bilden;
es ist ein optisches System vorgesehen, welches umfaßt:
eine erste Linse und einen Strahlteiler, die so angeord net sind, daß sie aus dem von der ausgedehnten zweiten Lichtquelle ausgehenden Licht einen gebündelten und ge richteten ersten Strahl von linear polarisiertem Licht erzeugen;
es ist eine erste λ/4-Phasenverzögerungsplatte vorge sehen, die im Strahlengang des ersten, aus linear pola risiertem Licht bestehenden Lichtstrahl angeordnet ist, um diesen Lichtstrahl in einen zirkular polarisierten Lichtstrahl umzuwandeln;
es ist eine zweite Linse vorgesehen, die im Strahlengang des zirkular polarisierten Lichtstrahls angeordnet ist, um diesen Lichtstrahl auf die sphärische Prüffläche und eine sphärische Referenzfläche des Interferometers zu fokussieren;
die sphärische Referenzfläche ist mit einer Referenz flächenbeschichtung versehen, welche eine nicht-verdecken de Referenzfläche für die sphärische Referenzfläche bildet;
das Interferometer umfaßt einen Referenzzweig, in dem die sphärische Referenzfläche liegt, sowie eine zweite λ/4- Phasenverzögerungsplatte zum Umwandeln des zirkular pola risierten Lichtstrahls in einen zweiten linear polarisier ten Lichtstrahl, sowie einen Prüfzweig, in dem die sphäri sche Prüffläche liegt, sowie eine dritte λ/4-Phasenver zögerungsplatte, auf der eine Strahlteileroberfläche ange ordnet ist, um den zweiten linear polarisierten Lichtstrahl in Prüfwellenfronten und Referenzwellenfronten aufzuspal ten und die Prüfwellenfronten und die Referenzwellenfron ten auf die sphärische Prüffläche bzw. die sphärische Referenzfläche zu lenken;
es sind Verstelleinrichtungen vorgesehen, um den gegen seitigen Abstand zwischen der sphärischen Prüffläche und der sphärischen Bezugsfläche zu ändern;
es sind Einrichtungen vorgesehen, um die Prüfwellenfronten und die Referenzwellenfronten, nachdem sie getrennt mit der sphärischen Prüfoberfläche und der sphärischen Referenzfläche zusammengewirkt haben, zu rekombinieren, um ein Interferenzmuster zu erzeugen;
es sind Einrichtungen vorgesehen, um die sphärische Prüf fläche und die sphärische Referenzfläche auf fotoempfindliche Elemente einer Bilderzeugungseinrichtung abzubilden;
es sind Einrichtungen vorgesehen, um die abgebildete sphäri sche Prüffläche und die abgebildete sphärische Referenz fläche und das Interferenzmuster optisch zu isolieren;
es sind Einrichtungen vorgesehen, um die Prüfwellenfronten und die Referenzwellenfronten in einen dritten linear pola risierten Lichtstrahl umzuwandeln, bei dem der Vektor der Polarisation bezüglich des ersten linear polarisierten Lichtstrahls gedreht ist;
im Strahlengang des dritten linear polarisierten Licht strahls sind Einrichtungen vorgesehen, um diesen dritten linear polarisierten Lichtstrahl gegen die Bilderzeugungs einrichtung zu richten;
es sind Einrichtungen zum Erfassen des Interferenzmusters vorgesehen;
es sind Einrichtungen vorgesehen, die der Bilderzeugungs einrichtung zugeordnet sind, um die abgebildete sphärische Prüffläche und die abgebildete sphärische Referenzfläche und das Interferenzmuster zu betrachten; und
es sind Einrichtungen vorgesehen, welche in Wirkverbindung mit dem Ausgang der Bilderzeugungseinrichtung stehen, um das Ausgangssignal der Bilderzeugungseinrichtung zu ver arbeiten und ein Profil der Topographie der Prüffläche zu erzeugen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen linear polarisierten Laser um faßt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle räumlich kohärent ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle räumlich inkohärent ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle zeitlich kohärent ist.

6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle zeitlich kohärent ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle zeitlich inkohärent ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Bildung der linear polarisierten zweiten Lichtquelle eine rotierende Diffusorscheibe um fassen.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen linear polarisierten Laser umfaßt.

10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle räumlich kohärent ist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle zeitlich kohärent ist.

12. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die linear polarisierte zweite Lichtquelle derart aus gebildet ist, daß sie unter Aufrechterhaltung einer ho hen zeitlichen Kohärenz eine stark reduzierte räumliche Kohärenz besitzt.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Bildung der linear polarisierten zweiten Lichtquelle eine rotierende Diffusorscheibe um fassen.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen linear polarisierten Laser umfaßt.

15. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System Einrichtungen zum Bündeln und Aus richten des ersten linear polarisierten Lichtstrahls aus dem Licht der ausgedehnten zweiten Lichtquelle ohne ins Gewicht fallende Lichtverluste umfaßt.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen linear polarisierten Laser um faßt.

17. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sphärische Referenzflächenbeschichtung eine metalli sche Beschichtung auf der sphärischen Referenzfläche und eine Antireflexionsbeschichtung auf der metallischen Beschichtung umfaßt.

18. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sphärische Referenzflächenbeschichtung eine halb metallische Beschichtung auf der sphärischen Referenz fläche und eine Antireflexionsbeschichtung auf der halb metallischen Beschichtung umfaßt.

19. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen linear polarisierten Laser umfaßt.

20. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen linear polarisierten Laser umfaßt.

21. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen linear polarisierten Laser umfaßt.

22. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System Einrichtungen zum Bündeln und Aus richten des ersten linear polarisierten Lichtstrahls aus dem Licht der ausgedehnten zweiten Lichtquelle ohne ins Gewicht fallende Lichtverluste umfaßt.

23. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Verändern des Abstands zwischen der sphärischen Prüffläche und der sphärischen Referenz fläche einen piezoelektrischen Wandler umfassen.

24. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen linear polarisierten Laser umfaßt.

25. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Rekombinieren der Prüfwellenfronten und der Referenzwellenfronten, nachdem diese separat mit der sphärischen Prüffläche und der sphärischen Referenzfläche zusammengewirkt haben, um das Inter ferenzmuster zu bilden, die Strahlteileroberfläche umfassen.

26. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Erzeugen eines Abbilds der sphärischen Prüffläche und der sphärischen Referenz fläche eine zweite Linse umfassen.

27. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler des optischen Systems einen polari sierenden Strahlteiler umfaßt.

28. Anordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum optischen Isolieren der abge bildeten sphärischen Prüffläche und der abgebildeten sphärischen Referenzfläche und des Interferenzmusters die erste, die zweite und die dritte λ/4-Phasenver zögerungsplatte sowie den polarisierenden Strahlteiler umfassen.

29. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Umwandeln der Prüfwellenfronten und der Referenzwellenfronten in den dritten linear pola risierten Lichtstrahl Einrichtungen umfassen, um für den dritten linear polarisierten Lichtstrahl einen Polarisationsvektor zu erzeugen, der um 90° bezüglich des ersten linear polarisierten Lichtstrahls gedreht ist.

30. Anordnung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Umwandeln der Prüfwellenfronten und der Referenzwellenfronten in den dritten linear polarisier ten Lichtstrahl die erste λ/4-Phasenverzögerungsplatte umfassen.

31. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Umwandeln der Prüfwellenfronten und der Referenzwellenfronten in den dritten linear polarisierten Lichtstrahl die erste λ/4-Phasenverzögerungs platte umfassen.

32. Anordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Ausrichten des dritten linear pola risierten Lichtstrahls auf die Bilderzeugungseinrichtung den polarisierenden Strahlteiler umfassen.

33. Anordnung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der polarisierende Strahlteiler Einrichtungen zum Aus richten des dritten linear polarisierten Lichtstrahls auf die Bilderzeugungseinrichtung ohne einen ins Gewicht fallenden Lichtverlust umfaßt.

34. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Erfassen des Interferenzmusters die Bilderzeugungseinrichtung umfassen.

35. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Betrachten der abgebildeten sphärischen Prüffläche und der sphärischen Referenz fläche und des Interferenzmusters einen Monitor um fassen.

36. Anordnung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Monitor einen Fernsehmonitor umfaßt.