NL1009366C2 - Interferometer. - Google Patents

Description

Interf erometfir

De onderhavige uitvinding betreft een interferometer voor het meten van een faseverschil tussen een referentiebundel en een door een 5 optisch element getransformeerde objectbundel, omvattende licht-bronmiddelen, voor het genereren van de objectbundel en de referentiebundel, een optische inrichting, voor het laten interfereren van de getransformeerde objectbundel en de referentiebundel in een detectie-vlak en detectiemiddelen voor het detecteren van het faseverschil tus-10 sen golffronten van de getransformeerde objectbundel en de referentiebundel in het detectievlak.

Een dergelijke interferometer is bekend uit Amerikaans octrooi-schrift US-A-5.O76.695* De bekende interferometer is bedoeld om de oppervlaktenauwkeurigheid van het sferisch oppervlak van een object te 15 meten met een hoge mate van nauwkeurigheid, zonder gebruik te maken van een vergelijkingsoppervlak met een nauwkeurig bekende vorm. Een dergelijk vergelijkingsoppervlak werd voorheen in de plaats gezet van het te meten oppervlak met als doel de calibratie van de interferometer, In de bekende interferometer zijn eerste optische middelen aanwe-20 zig om een in hoofdzaak monochromatische lichtbundel, afkomstig van een lichtbron, langs een eerste optische as naar een te meten oppervlak te leiden en de gereflecteerde bundel in de tegenovergestelde richting langs de eerste as te leiden. Verder zijn tweede optische middelen aanwezig om de lichtbundel van de lichtbron als een referen-25 tiebundel langs een tweede as te leiden, die de eerste as kruist en interferentiemiddelen om de gereflecteerde bundel van het te meten oppervlak naar de tweede as te leiden, om te interfereren met de referentiebundel. Detectiemiddelen zijn op de tweede as opgesteld om de interferentiepatronen te meten die ontstaan door interferentie van de 30 gereflecteerde bundel en de referentiebundel. De interferometer omvat verder puntdiafragma's, opgesteld op de kruising van de eerste en de tweede as om de lichtbundel naar het te meten oppervlak en de referentiebundel gericht naar de detectiemiddelen om te zetten in sferische golven. De nauwkeurigheid die met deze bekende interferometer bereik-35 baar is ligt tussen λ/100 en λ/1000.

Voor de vervaardiging van halfgeleiderchips worden steeds fijnere technieken gebruikt, waarbij de halfgeleiderstructuren steeds kleiner worden. Voor het vervaardigen van structuren met een resolutie van 0,1 1009366 1 2 pm zal waarschijnlijk een Extreme Ultra-Violet (EUV) lithografische techniek worden gebruikt, waarbij een optisch masker met behulp van een stelsel van spiegels verkleind wordt geprojecteerd op het substraat waarop de structuren vervaardigd worden. De spiegels van dit 5 stelsel moeten zeer nauwkeurig van vorm zijn om het gewenste effect te verkrijgen. De benodigde nauwkeurigheid van het meten van de vorm van de spiegels is ongeveer 0,1 nm, wat bij een golflengte van ongeveer 63Ο nm (bijvoorbeeld een He-Ne laser) overeenkomt met λ/6300. De bekende interferometer voor het meten van een oppervlak is dus voor dit 10 doel niet voldoende nauwkeurig.

Doelstelling van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een interferometer, die in vergelijking met de bekende interferometers een zeer grote nauwkeurigheid heeft.

Deze doelstelling wordt bereikt door een interferometer van de 15 bij aanhef gedefinieerde soort, waarbij de optische inrichting omvat: - een eerste lichtgeleider met een intreevlak dat de door de lichtbronmiddelen gegenereerde objectbundel in de eerste lichtgeleider koppelt en met een eerste uittreevlak dat een objectbundel met een sferisch golffront genereert, 20 - een tweede lichtgeleider met een intreevlak dat de door de lichtbronmiddelen gegenereerde referentiebundel in de tweede lichtgeleider koppelt en met een tweede uittreevlak dat een referentiebundel met een sferisch golffront genereert, waarbij de referentiebundel gericht is op het detectievlak, en 25 waarbij de opstelling van de eerste lichtgeleider en het optisch element zodanig is dat de getransformeerde objectbundel in het detectievlak met de referentiebundel interfereert.

Doordat de optische inrichting van de interferometer geen optische elementen bevat tussen de plaats waar de sferische golffronten 30 worden opgewekt en het detectievlak, met uitzondering van het optisch element dat de objectbundel transformeert, worden de (getransformeerde) objectbundel en de referentiebundel niet extra vervormd en is de interferentie tussen de getransformeerde objectbundel en de referentiebundel zeer zuiver. Hierdoor is in principe een zeer nauwkeurige 35 meting van het faseverschil tussen de door het optisch element ge- m transformeerde bundel en de referentiebundel in het detectievlak moge- -1 lijk, waarbij de nauwkeurigheid beter is dan de minimaal vereiste nauwkeurigheid (λ/6300). Verder is de interferometer toe te passen 1 u09366 1 3 voor zowel spiegelende als doorlatende optische elementen.

Een uitvoeringsvorm van de interferometer volgens de onderhavige uitvinding omvat verder verwerkingsmiddelen voor het berekenen van de faseverdeling over een bepaalde doorsnede van de getransformeerde 5 objectbundel aan de hand van het faseverschil tussen de golffronten, de posities van de eerste en tweede uittreevlakken van de eerste respectievelijk tweede lichtgeleiders, de positie van het detectievlak en de positie vein de bepaalde doorsnede.

Met deze uitvoeringsvorm van de interferometer is het mogelijk om 10 in een bepaalde doorsnede van de getransformeerde objectbundel het faseverschil met de referentiebundel te bepalen. Doordat zowel de objectbundel als de referentiebundel sferische golffronten hebben, levert dit informatie op betreffende de transformatie van de objectbundel door het optisch element en daarmee informatie betreffende de 15 optische eigenschappen van het optisch element.

In een alternatieve uitvoeringsvorm van de interferometer volgens de onderhavige uitvinding omvat deze verwerkingsmiddelen, voor het berekenen van een ruimtelijk vlak met een bepaald profiel van het faseverschil tussen de golffronten aan de hand van het faseverschil 20 tussen de golffronten, de posities van de eerste en tweede uittree-vlakken van de eerste respectievelijk tweede lichtgeleiders, de positie van het detectievlak, de positie van het ruimtelijk vlak in het algemeen en van een specifiek punt op het ruimtelijk vlak. In plaats van het bepalen van het faseverschil in een bepaalde doorsnede van de 25 getransformeerde objectbundel, is het mogelijk met behulp van deze uitvoeringsvorm een ruimtelijk vlak te bepalen, waarop het faseverschil een bepaald profiel heeft. Een bijzonder geval hiervan is een profiel van het faseverschil, waarbij het faseverschil constant is. Hierbij dient dan wel een positie van het ruimtelijk vlak bepaald te 30 worden, alsmede van een punt van dat ruimtelijk vlak dat het constante faseverschil definieert.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van de interferometer volgens de onderhavige uitvinding wordt het ruimtelijk vlak gevormd door het oppervlak van een spiegelend lichaam. Met de interferometer volgens 35 deze uitvoeringsvorm is het dan mogelijk om de precieze vorm van het spiegelend lichaam te bepalen en wel als het ruimtelijk vlak waarbij het faseverschil tussen de objectbundel en de getransformeerde objectbundel gelijk is aan het faseverschil dat ontstaat door spiegeling aan 1 Λ O r · <·;; C- O "1 • w ; - ·;/ t 4 het spiegelend lichaam, In het geval van een spiegelend lichaam van diëlektrisch materiaal is dit faseverschil precies it. Indien het spiegelend lichaam niet van diëlektrisch materiaal is, is de fasedraaiing afhankelijk van de invalshoek van de lichtstraal. De verwerkingsmidde-5 len kunnen hier rekening mee houden. De vorm van een spiegelend lichaam wordt ook wel aangeduid met de term "form figure" ofwel de hoogte z als functie van x en y, wat een dimensieloze grootheid is, die een maat is voor de vorm of asfericiteit van het spiegelende lichaam.

De genoemde posities worden in een voorkeursuitvoeringsvorm vol-10 gens de uitvinding bepaald door een positiemeetinrichting die aanwezig is in de optische inrichting. Een uitgang van de positiemeetinrichting is verbonden met de verwerkingsmiddelen. Om de vereiste nauwkeurigheid van positiemeting te bereiken wordt een laserpositioneringssysteem toegepast.

15 In een voorkeursuitvoeringsvorm zijn de lichtbronmiddelen en detectiemiddelen van de interferometer uitgerust voor het detecteren van het faseverschil tussen de golffronten van de referentiebundel en de getransformeerde objectbundel met behulp van een combinatie van heterodyne fasedetectiemiddelen die het faseverschil modulo 2κ bepa-20 len, en frequentie-modulatiefasedetectiemiddelen voor het bepalen van het faseverschil in veelvouden van 2n, waarbij de beide technieken onafhankelijk en gelijktijdig toegepast worden door frequentiemulti-plexing van de lichtbronmiddelen.

Deze beide technieken zorgen er in combinatie voor dat het opti-25 sche-weglengteverschil in een detectiepunt bepaald kan worden met voldoende nauwkeurigheid (de nauwkeurigheid van heterodyne fasedetec-tietechnieken ligt in de ordegrootte van λ/10000) en over het gewenste bereik van het optische-weglengteverschil. Door de frequentiemulti-plexing van de lichtbronmiddelen kunnen de beide technieken onafhanke-30 lijk en gelijktijdig uitgevoerd worden, waardoor geen fouten geïntroduceerd kunnen worden door het in tijd verschoven meten van het faseverschil modulo 2π en het faseverschil div 2π.

Bij voorkeur is de interferometer volgens de uitvinding zo ingericht, dat de detectiemiddelen tenminste één fotodetector omvatten, 35 die is geplaatst in het detectievlak en dat de heterodyne fasedetectiemiddelen omvatten. Verder omvat de interferometer een frequentie-gestabiliseerde lichtbron, een eerste frequentieverschuiver, verbonden j met de uitgang van de frequentie-gestabiliseerde lichtbron, voor het 1009366 1 5 leveren van twee met een eerste frequentieverschil verschoven lichtbundels, een referentiefotodetector, verbonden met de uitgangen van de eerste frequentieverschuiver en voor elke fotodetector een eerste afstemeenheid verbonden met de uitgang van de tenminste ene fotodetec-5 tor en de uitgang van de referentiefotodetector en een fasevergelijk-eenheid die verbonden is met de uitgang van de eerste afstemeenheid.

Omdat gebruik wordt gemaakt van heterodyne techniek, moet de bandbreedte van de tenminste ene fotodetector groter zijn dan 1 kHz. Hierdoor kunnen geen CCD-detectors gebruikt worden, en is het totale 10 aantal fotodetectors beperkt. Verder wordt voor de frequentie-gestabi-liseerde lichtbron een He-Ne laser gebruikt, vanwege de goede stabiliteit en de geschikte golflengte.

Verder is de interferometer volgens de onderhavige uitvinding in een voorkeursuitvoeringsvorm zodanig ingericht dat de frequentiemodu-15 latiefasedetectiemiddelen een verstembare lichtbron en een tweede frequentieverschuiver, verbonden met de uitgang van de verstembare lichtbron, omvatten voor het leveren van twee met een tweede frequentieverschil verschoven lichtbundels, waarbij het tweede frequentieverschil verschilt van het eerste frequentieverschil, en voor elke foto-20 detector een bijbehorende tweede afstemeenheid, verbonden met de uitgang van de tenminste ene fotodetector, en een frequentieteller die verbonden is met de uitgang van de tweede afstemeenheid.

Voor de verstembare lichtbron wordt bij voorkeur een halfgeleider laser gebruikt met een externe trilholte. Met behulp van de externe 25 trilholte kan de golflengte van de lichtbundels veranderd worden, zonder dat de amplitude verandert. De externe trilholte zorgt er verder voor dat de coherentielengte van de lichtbundel groot genoeg is zodat een voldoende groot meetbereik voor de FM-fasemeettechniek ontstaat. Door het tweede en eerste frequentieverschil van de tweede 30 respectievelijk eerste frequentieverschuiver te laten verschillen, wordt de reeds eerder genoemde frequêntiemultiplexing mogelijk gemaakt.

Doordat de interferometer verder voor elke fotodetector een fase-bepalingseenheid omvat, die verbonden is met de uitgang van de fre-35 quentieteller en de uitgang van de fasevergelijker kan het optische-weglengteverschil, uitgedrukt in het faseverschil tussen de golffronten, van de getransformeerde objectbundel en de referentiebundel bepaald worden.

• .wGG 03^ 6

In een uitvoeringsvorm van de interferometer volgens de uitvinding omvatten de detectiemiddelen een array van tenminste tien bij tenminste tien fotodetectors. Omdat voor al deze fotodetectors het faseverschil tussen de golffronten van de getransformeerde objectbun-5 del en de referentiebundel bepaald wordt, kan in de verwerkingsmidde-len de vorm of asfericiteit van het spiegelend lichaam berekend worden met een voldoende ruimtelijke frequentie.

In een uitvoeringsvorm van de interferometer volgens de onderhavige uitvinding omvatten de lichtbronmiddelen verder een optische 10 vertraging voor de referentiebundel voordat deze naar de optische inrichting wordt geleid. Door de extra optische vertraging van de ; referentiebundel, wordt het optische-weglengteverschil tussen de refe rentiebundel en de objectbundel verkleind, waardoor het benodigde meetbereik van de fasedetectiemiddelen (met name de FM-fasedetectie-- 15 middelen) kleiner kan zijn.

Bij een verdere uitvoeringsvorm van de interferometer volgens de uitvinding hebben de lichtgeleiders in hoofdzaak dezelfde lengte. Hierdoor worden de gevoeligheid voor mechanische en akoestische trillingen, thermische gradiënten en dispersie-effecten verminderd, wat 20 een nauwkeuriger en betrouwbaarder resultaat oplevert.

De interferometer volgens de onderhavige uitvinding, zal nu verder in detail beschreven worden aan de hand van een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding met verwijzing naar de bijgevoegde tekeningen, waarin 25 Fig. 1 een schematische weergave toont van het optische systeem van de interferometer volgens de onderhavige uitvinding;

Fig. 2 een overzichtschema toont van een voorkeursuitvoeringsvorm van de interferometer volgens de onderhavige uitvinding;

Fig. 3 een overzicht toont van de deelsystemen van een voorkeurs-30 uitvoeringsvorm van de interferometer volgens de uitvinding, die het faseverschil tussen de referentiebundel en de getransformeerde objectbundel meten in één fotodetector in het detectievlak.

In Fig. 1 is een schematische weergave getoond van een optisch systeem 3 dat deel uitmaakt van de interferometer 1 volgens de onder-35 havige uitvinding. Het optisch systeem omvat een eerste lichtgeleider 30 met een eerste uittreevlak 31 dat een objectbundel 36 met een sfe-risch golffront genereert en een tweede lichtgeleider 32 met een tweede uittreevlak 33 dat een referentiebundel 37 met een sferisch golf- lQQS,- -_ - 7 front genereert, gericht op het detectievlak 3^· De eerste lichtgelei-der 30 is gericht op het optisch element 10, zodat het optisch element 10 de sferische objectbundel 36 zodanig transformeert dat de getransformeerde objectbundel 36' in het detectievlak 3^ met de referentie-5 bundel 37 interfereert. In een uitvoeringsvorm van de uitvinding omvat de interferometer 1 verwerkingsmiddelen (zie hierna) voor het bepalen van het faseverschil tussen de getransformeerde objectbundel 36' en de referentiebundel in een doorsnede 38 van de getransformeerde objectbundel 36' . Doordat zowel de objectbundel 36 als de referentiebundel 10 37 sferische golffronten hebben, levert dit informatie op betreffende de transformatie van de objectbundel 36 door het optisch element 10 en daarmee informatie betreffende de optische eigenschappen van het optisch element 10.

De interferometer 1 is geschikt voor zowel een doorlatend als een 15 spiegelend optisch element 10. Een alternatieve opstelling van de eerste lichtgeleider 30 en een spiegelend optisch element 10 in het optische systeem 3 wordt hierna besproken met verwijzing naar Fig. 2.

Fig. 2 toont een schema van een voorkeursuitvoeringsvorm van de interferometer 1 volgens de onderhavige uitvinding. De interferometer 20 1 bestaat uit vier subsystemen, nl. lichtbronmiddelen 2, de optische inrichting 3. detectiemiddelen 4 en verwerkingsmiddelen 5·

De lichtbronmiddelen 2 omvatten een frequentie-gestabiliseerde lichtbron 22, waarvan de uitgang via een lichtgeleider is verbonden met een eerste frequentieverschuiver 23. Verder omvatten de lichtbron-25 middelen 2 een afstembare lichtbron 20, waarvan de uitgang via een lichtgeleider verbonden is met de ingang van een tweede frequentiever-schuiver 21. Twee uitgangsgeleiders van de eerste frequentieverschui-ver 23 zijn via een bundelsplitser 26 verbonden met zowel een referen-tiefotodetector 24 als met de ingang van een bundelcombineerelement 30 27. Twee uitgangsgeleiders van de tweede faseverschuiver 21 zijn ook verbonden met een ingang van het bundelcombineerelement 27. Het bundelcombineerelement 27 levert een objectbundel op een eerste lichtgeleider 30 en een referentiebundel op een tweede lichtgeleider 32. In de optische weg van de referentiebundel 32 is in een uitvoeringsvorm 35 van de interferometer volgens de uitvinding een optische vertraging 25 tussengevoegd, voordat de referentiebundel de optische inrichting 3 binnengeleid wordt. In de lichtbronmiddelen kunnen de verschillende lichtbundels ook zonder lichtgeleiders overgebracht worden van een 1 η o Γ 'J.;, i 8 element naar een volgend element (vrije-ruimte overdracht).

De eerste lichtgeleider 30 heeft een eerste uittreevlak 31 dat een sferisch golffront genereert, gericht op een spiegelend lichaam 10. De tweede lichtgeleider 32 heeft een tweede uittreevlak 33 dat een 5 sferisch golffront genereert, gericht op een detectievlak 34. De optische inrichting 3 omvat een positiemeetinrichting 35 voor het meten van de positie van de uittreevlakken 31. resp. 33 van de lichtgelei-ders 30, resp. 32, van het detectievlak 3^. van het spiegelende lichaam 10 in het algemeen en van een specifiek punt 11 op het oppervlak 10 van het spiegelende lichaam 10.

Uit het uittreevlak 31 van de eerste lichtgeleider 30 komt een ] objectbundel 36 met een sferisch golffront. Na reflectie aan het spie gelende lichaam 10 ontstaat de getransformeerde objectbundel 36' , die met de uit het uittreevlak 33 van de tweede lichtgeleider 32 komende 15 referentiebundel 37 met een sferisch golffront in het detectievlak 3^ interfereert.

De detectiemiddelen 4 omvatten een aantal fotodetectors 40a..40n. In een voorkeursuitvoeringsvorm zijn de detectiemiddelen 4 voorzien van honderd fotodetectors in een array van tien bij tien fotodetectors 20 40a..40n.

Voor elke fotodetector 40a..40n omvatten de detectiemiddelen 4 een eerste afstemeenheid 43a..43n, die is verbonden met de uitgang van de respectieve fotodetector 40a..40n en met de uitgang van de referen-tiefotodetector 24. Verder omvatten de detectiemiddelen 4 voor elke 25 eerste afstemeenheid 43a..43n een fasevergelijkeenheid 44a..44n die is verbonden met de uitgang van de respectieve eerste afstemeenheid 43a..43n. Ook omvatten de detectiemiddelen 4 voor elke fotodetector 40a..40n een tweede afstemeenheid 4la..4ln, die is verbonden met de uitgang van de respectieve fotodetector 40a..40n en een frequentietel-30 Ier 42a..42n die verbonden is met de uitgang van de respectieve tweede afstemeenheid 4la..4ln. Als laatste omvatten de detectiemiddelen 4 voor elke fotodetector 40a..40n een fasebepalingseenheid 45a..45n, verbonden met de uitgang van de respectieve frequentieteller 42a..42n en de uitgang van de respectieve fasevergelijker 44a..44n, 35 De verwerkingsmiddelen 5 zijn verbonden met de uitgangen van de fasebepalingseenheden 45a..45n en met de uitgang van de positiemeetinrichting 35.

I De werking van de interferometer 1 voor het bepalen van de vorm 1009366" 9 van een spiegelend lichaam 10 zal nu toegelicht worden.

De objectbundel en de referentiebundel worden in de optische inrichting 3 door de eerste lichtgeleider 30, respectievelijk tweede lichtgeleider 32 geleid naar respectieve uittreevlakken 31. 33· De 5 lichtgeleiders 30, 32 zijn bij voorkeur glasvezels, waarvan de uittreevlakken 31. 33 werken als puntdiafragma's, waardoor de bundel die uit het uittreevlak 31. 33 komt een nagenoeg sferisch golffront heeft. Het is aangetoond dat deze golffronten in het verre veld een afwijking ten opzichte van een bol hebben van minder dan λ/10000. In de optische 10 inrichting 3 genereert het uittreevlak 33 van de tweede lichtgeleider 32 een referentiebundel 37 niet een sferisch golffront, gericht naar het detectievlak 34. Op gelijke wijze genereert het uittreevlak 31 van de eerste lichtgeleider 30 een objectbundel 36 met een sferisch golffront, maar gericht op het spiegelende lichaam 10. Na reflectie aan 15 het spiegelende lichaam 10 ontstaat de getransformeerde objectbundel 36' in de richting van het detectievlak 34. De referentiebundel 37 en getransformeerde objectbundel 36' interfereren in het detectievlak 3^· De bundels 36, 36', 37 planten zich vrij door de ruimte voort en worden niet afgebogen door optische hulpmiddelen of projectie-inrich-20 tingen zoals in de bekende inrichting om in het detectievlak 3** te interfereren. Hierdoor wordt de onderhavige interferometer ook wel een niet-afbeeldende interferometer genoemd. Doordat de optische inrichting 3 van de interferometer 1 geen optische elementen bevat tussen de plaats waar de sferische golffronten worden opgewekt en het detectie-25 vlak 3^. met uitzondering van het spiegelende lichaam 10 waarvan de vorm of asfericiteit bepaald moet worden, worden de objectbundels 36, 36' en de referentiebundel 37 niet vervormd en is de interferentie tussen de getransformeerde objectbundel 36' en de referentiebundel 37 zeer zuiver. Hierdoor is in principe een zeer nauwkeurige meting van 30 de vorm van het spiegelend lichaam 10 mogelijk.

Bij voorkeur hebben de lichtgeleiders 30. 32 dezelfde lengte om de gevoeligheid voor mechanische en akoestische trillingen, thermische gradiënten en dispersie-effecten te verminderen.

Voor het bepalen van de vorm van het spiegelende lichaam is een 35 berekeningsmethode benodigd en een aantal gegevens als invoer voor de berekeningsmethode. De gegevens zijn het faseverschil tussen de getransformeerde objectbundel 36’ en de referentiebundel 37 in het detectievlak 34, de amplitude van de getransformeerde objectbundel 36’

· - f'i ,-·> Γ*· —T

·' 9 O \ 10 in het detectievlak 34 en een model voor de optische inrichting 3· Het model bevat gegevens met betrekking tot de posities van de uiteinden 31» 33 van de lichtgeleiders 30, 32, van het detectievlak 34, van het spiegelende lichaam 10 in het algemeen en van een specifiek punt 11 op 5 het oppervlak van het spiegelende lichaam 10. Om de posities in de optische inrichting 3 te meten wordt de positiemeetinrichting 35 ge-: bruikt.

Voor het meten van het faseverschil moeten een aantal specificaties opgesteld worden, die de bereik-offset, het bereik en de nauwkeu-10 righeid van de fasemeting betreffen. Door de opstelling van de optische inrichting 3. moet het licht dat uit de lichtgeleider 30 voor de objectbundel komt een grotere afstand afleggen voordat dit het detectievlak 34 bereikt dan het licht dat uit de lichtgeleider 32 voor de referentiebundel komt. Het gemiddelde optische-weglengteverschil (Op-15 tical Path Difference, 0PD) in het detectievlak 34 is tweemaal de straal van de kromming van het spiegelende lichaam 10.

In een uitvoeringsvorm van de interferometer 1 volgens de uitvinding, is in de lichtbronmiddelen 2 in de optische weg van de referentiebundel een optische vertraging 25 aangebracht, waardoor de opti- 20 sche-weglengte van de referentiebundel vergroot wordt en het optische- weglengteverschil 0PD verkleind wordt.

De voor de faseberekening vereiste nauwkeurigheid wordt bepaald door de maximaal toelaatbare fout in de te bepalen vorm of asferici-teit van het spiegelende lichaam en de nauwkeurigheid van de algorit-25 men van de berekeningsmethode. Voor de toepassing zoals eerder vermeld, is de vereiste nauwkeurigheid bij het bepalen van de vorm van het spiegelende lichaam 10 gelijk aan 0,12 nm. De vereiste nauwkeurigheid bij het bepalen van het optische-weglengteverschil is daarom gesteld op 0,1 nm.

30 Het vereiste bereik van de fasemeting is gelijk aan de gradiënt van het faseverschil over het detectievlak 34. Deze gradiënt wordt gedeeltelijk bepaald door de vorm of asfericiteit van het spiegelende lichaam 10, maar vooral door de kanteling die geïntroduceerd wordt door de afstand tussen het uittreevlak 33 van de lichtgeleider 32 voor 35 de referentiebundel en het uittreevlak 31 van de lichtgeleider 30 voor == de objectbundel. Deze afstand moet groter zijn dan de straal van het beeld van het uittreevlak 31 van de lichtgeleider 30 voor de objectbundel om te voorkomen dat het uittreevlak 33 van de lichtgeleider 32 Ί 1 0 0 "S.

11 voor de referentiebundel het getransformeerde golffront afschermt. Benaderingen voor de reeds eerder vermelde toepassing hebben geleid tot een specificatie van het benodigde bereik van het meten van het optische-weglengteverschil van 1 mm.

5 Voor het bepalen van de vorm van het spiegelende lichaam 10 is het verder nodig dat het aantal detectors 40 in het detectievlak 34 bepaald wordt. Het aantal detectors 40 bepaalt het ruimtelijke-fre-quentiebereik van de berekende vorm van het spiegelende lichaam 10. Vooralsnog wordt aangenomen dat een array detectors 40 van tien bij 10 tien detectors voldoende informatie levert voor de berekening van de vorm.

Voor de eenvoud volgt nu de beschrijving van het bepalen van het faseverschil in één van de fotodetectors 40a..40n in het detectievlak 34.

15 Fig. 3 toont een overzicht van de deelsystemen van een voorkeurs uitvoeringsvorm van de interferometer 1 volgens de uitvinding, die het faseverschil tussen de referentiebundel 37 en de getransformeerde objectbundel 36' meten in een detector 40 in het detectievlak 34. Hierbij zijn voor overeenkomstige elementen dezelfde verwijzingscij-20 fers gebruikt als in Fig. 1. Omdat in de optische inrichting 3 in Fig. 1 de objectbundel 36 en objectbundel 36' ten opzichte van de referentiebundel 37 een langere optische weg afleggen, kan de optische inrichting 3 voor een bepaald meetpunt in het detectievlak 34 gezien worden als een vertragingslijn, zoals aangegeven in Fig. 3 niet verwij-25 zingscijfer 3·

Er is gekozen om het faseverschil te meten met een combinatie van twee op zich bekende fasemeettechnieken, te weten de heterodyne fase-meting en de frequentiemodulatie(FM)-fasemeting. De heterodyne techniek wordt gebruikt om het faseverschil modulo 2π te bepalen, en de 30 FM-techniek wordt gebruikt om het faseverschil te meten in veelvouden van 2n (fase div 2n). De technieken zijn gekozen om te kunnen voldoen aan de vereisten van nauwkeurigheid, het gemiddelde optische-weglengteverschil en het bereik van het optische-weglengteverschil.

In Fig. 3 is het deelsysteem om het faseverschil modulo 2π te 35 meten aangegeven met verwijzingscijfer 6. Het modulo-deelsysteem 6 omvat de frequentie-gestabiliseerde lichtbron 22, de eerste frequen-tieverschuiver 23, de referentiefotodetector 24, de bundelsplitser 26 en het bundelcombineerelement 27. Deze elementen maken deel uit van de 1009366 1 12 in Fig. 2 getoonde lichtbronmiddelen 2. Verder omvat het modulo-deel-systeem 6 een eerste afstemeenheid 43 en een fasevergelijker 44, die deel uitmaken van de in Fig. 2 getoonde detectiemiddelen 4.

Het in Fig. 3 met verwijzingscijfer 7 aangegeven div-deelsysteem 5 omvat de verstembare lichtbron 20, de tweede frequentieverschuiver 21 en gemeenschappelijk met het modulo-deelsysteem 6 het bundelcombineer-element 27. Deze elementen maken deel uit van de in Fig. 1 getoonde lichtbronmiddelen 2. Verder omvat het div-deelsysteem 7 een tweede afstemeenheid 4l en een frequentieteller 42, die in Fig. 2 getoond 10 zijn als deel van de detectiemiddelen 4.

De deelsystemen 6, 7 hebben verder de optische inrichting 2 en de fotodetector 40 in het detectievlak 3^ gemeenschappelijk. Daarnaast worden in de fasebepalingseenheid 45 de gegevens afkomstig van de frequentieteller 42 en de fasevergelijker 44 gecombineerd tot het 15 faseverschil tussen de getransformeerde objectbundel 36' en de refe-rentiebundel 37 in het punt in het detectievlak 34, waar de detector 40 geplaatst is.

Om te kunnen voldoen aan de nauwkeurigheidseisen, is de frequen-tie-gestabiliseerde lichtbron 22 van het modulo-deelsysteem 6 bij 20 voorkeur uitgevoerd als frequentie-gestabiliseerde He-Ne laser. Om de heterodyne techniek toe te kunnen passen, moet de bandbreedte van de detector 40 groter zijn dan 1 kHz. Hierdoor is het gebruik van een CCD-camera, zoals vaak toegepast in bekende interferometers, niet mogelijk en zal het totale aantal fotodetectors dat gebruikt kan wor-25 den kleiner zijn dan het aantal dat gebruikt wordt in CCD-camera's. De werking van het modulo-deelsysteem 6 is als volgt. De frequentie-gestabiliseerde laser 22 levert een lichtbundel aan de eerste frequentieverschuiver 23, die de bundel splitst in twee lichtbundels met een eerste frequentieverschil. Dit constante frequentieverschil is de 30 draaggolffrequentie voor de heterodyne detectie van het faseverschil. Beide bundels (referentiebundel en objectbundel) worden in de bundel-splitser 26 in tweeën gesplitst. Eén van de referentiebundels en één van de objectbundels worden naar de referentiefotodetector 24 geleid. Deze referentiefotodetector 24 genereert een signaal met een verschil-35 frequentie, dat wil zeggen de draaggolffrequentie die door de eerste frequentieverschuiver 23 geïntroduceerd is. De andere referentie- en j objectbundel worden naar de optische inrichting 3 geleid, waar een j looptijdverschil ontstaat tussen deze twee bundels. Na de optische 1 π π o ^ " i " - 0 '0 1 13 inrichting 3 doorlopen te hebben, treffen beide bundels de fotodetec-tor 40 in het detectievlak 3^· Het signaal van de referentiefotodetec-tor 24 en het signaal van de fotodetector 40 worden naar de eerste afstemeenheid 43 gevoerd. De eerste afstemeenheid 43 selecteert door 5 middel van frequentiedemultiplexing het signaal van de fotodetector 40 dat veroorzaakt wordt door het licht het modulo-deelsysteem 6.

Omdat het signaal van de referentiefotodetector 24 geen component bevat die afkomstig is van het div-deelsysteem 7» hoeft dit signaal in feite niet door de eerste afstemeenheid 43 geleid te worden. Teneinde 10 de verandering in faseverschil tussen het signaal van de fotodetector 40 en het signaal van de referentiefotodetector 24 te minimaliseren, wordt het signaal van de referentiefotodetector 24 toch door de eerste afstemeenheid 43 geleid.

De fasevergelijker 44 meet het faseverschil modulo 2π tussen de 15 twee signalen van de eerste afstemeenheid 43· Dit faseverschil is gelijk aan het faseverschil tussen de object- en referentiebundel, en de gedigitaliseerde waarde daarvan wordt overgedragen naar fasebepa-lingseenheid 45.

De verstembare lichtbron 20 van het div-deelsysteem 7 is een 20 halfgeleiderlaser, waarvan de frequentie gemoduleerd kan worden door een sinusoïdale variatie van de injectiestroom. Bij voorkeur is de verstembare lichtbron 20 echter een verstembare halfgeleiderlaser met externe trilholte, waarbij de frequentie veranderd kan worden door het aanpassen van de externe trilholte. Dit heeft het voordeel dat alleen 25 de frequentie gemoduleerd wordt en niet tevens de amplitude. Een verder voordeel is dat de spectrale selectiviteit van de laser met externe trilholte groter is dan van een laser zonder externe trilholte. Daardoor is de coherentielengte groter en kan het OPD-bereik groot zijn. Daarnaast wordt de frequentie bij voorkeur niet sinusoïdaal, 30 maar driehoekvormig gemoduleerd. Hierdoor is de mengfrequentie constant (indien het optische-weglengteverschil constant is) gedurende langere periodes en kan de frequentieteller 42 gebruikt worden voor het bepalen van de frequentie. De op tijdmeting gebaseerde frequentieteller 42 kan zeer nauwkeurig werken en het resultaat in digitale vorm 35 uitvoeren, wat de verdere verwerking vergemakkelijkt. Daarnaast kan over de periode waarin de mengfrequentie constant is, gemiddeld worden, waardoor ongewenste verstoringen uitgefilterd worden.

Net als bij het modulo-deelsysteem 6 wordt de laserbundel van de \ r r ' « ü y ^< 1¾ verstembare lichtbron 20 naar een frequentieverschuiver 21 geleid, die de laserbundel in twee bundels splitst (referentie- en objectbundel) met een constant frequentieverschil. Het frequentieverschil wordt gebruikt als een draaggolffrequentie en verschilt van de draaggolffre-5 quentie die geïntroduceerd is door de frequentieverschuiver 23 in het modulo-deelsysteem 6, om in staat te zijn het signaal van de fotode-tectors 40a..40n te demultiplexen. Nadat de object- en referentiebun-del door de optische inrichting 3 zijn gegaan, wordt het interferen-tiesignaal van beide gedetecteerd door de fotodetectors 40a..40n. De 10 intensiteit van de interfererende bundels, en dus het detectorsignaal, - varieert met de mengfrequentie, die afhangt van de vertraging in de objectbundel, veroorzaakt door het optische-weglengteverschil. De mengfrequentie wordt gemeten met behulp van een frequentieteller 42. Uit deze frequentie, de helling van de driehoeksgolfvorm van de fre-15 quentiemodulatie en het door de frequentieverschuiver 23 geïntroduceerde frequentieverschil, wordt het faseverschil in veelvouden van 2n berekend en in digitale vorm doorgezonden naar de fasebepalingseenheid 45.

De fasebepalingseenheid 45 combineert per fotodetector 40 het 20 signaal van de bijbehorende frequentieteller 42 en fasevergelijker 44 tot het faseverschil tussen de getransformeerde objectbundel 36' en de referentiebundel 37 in het punt van de fotodetector 40 in het detec-tievlak 34 en stuurt dit door naar de verwerkingsmiddelen 5-

In de verwerkingsmiddelen 5 wordt aan de hand van de fasever-25 schillen die door het array van fotodetectors 40a..40n gemeten zijn, met behulp van een numeriek inverse-propagatie-algoritme de vorm of asfericiteit van het spiegelend lichaam 10 berekend. Uitgangspunt is hierbij dat de faseverschuiving tussen het golffront van de objectbundel en het golffront van de getransformeerde objectbundel dat geïntro-30 duceerd wordt door het oppervlak van het spiegelend lichaam 10, over het gehele oppervlak gelijk is aan n. Dit is het geval indien het spiegelend lichaam bestaat uit een diëlektrisch materiaal. Indien dit niet het geval is, zal de faseverschuiving aan het spiegelend lichaam 10 afhankelijk zijn van de invalshoek van de bundel op elke positie op 35 het spiegelend lichaam. Het algoritme dat de verwerkingsmiddelen 5 gebruiken kan hier uiteraard aan aangepast worden. De bepaling van de vorm van het spiegelend lichaam 10 wordt in beide gevallen gereduceerd tot het bepalen van het oppervlak waarbij de faseverschuiving tussen 'll r, r 1 u u ^ ; 15 de objectbundel en de getransformeerde objectbundel een bepaald profiel vertoond en in het geval van diëlektrisch materiaal precies gelijk is aan n. Om het zoeken naar dit oppervlak te vergemakkelijken wordt de positie van een bepaald punt 11 op het oppervlak van het 5 spiegelend lichaam 10 bepaald met behulp van de positiemeetinrichting 35· De fase van het golffront van de objectbundel 36, waarvan wordt aangenomen dat deze sferisch is, in de nabijheid van het spiegelend lichaam 10 kan berekend worden aan de hand van de positie van het uittreevlak 31 van de eerste lichtgeleider 30, die bepaald wordt door 10 de positiemeetinrichting 35· De berekening van het golffront van de getransformeerde objectbundel 36' in de buurt van het spiegelend lichaam 10 omvat verschillende stappen. Allereerst wordt de fase van het golffront van de referentiebundel 37. waarvan ook wordt aangenomen dat die sferisch is, berekend in het detectievlak 3^ aan de hand van de 15 door de positiemeetinrichting 35 gemeten positie van het uittreevlak 33 van de tweede lichtgeleider 32. Vervolgens wordt de fase van de getransformeerde objectbundel 36' berekend door het aftrekken van het gemeten faseverschil van de fase van het golffront van de referentiebundel 37 in het detectievlak 3^· Vervolgens wordt, uitgaande van deze 20 fase van het golffront van de getransformeerde objectbundel 36' in het detectievlak 3**. de fase van het golffront van de getransformeerde objectbundel 36' in de buurt van het spiegelend lichaam 10 berekend met behulp van Fresnell-Kirchhoff diffractie-integraal. Dit is verder niet van belang voor de onderhavige uitvinding en zal daarom niet 25 verder uitgewerkt worden.

10093Sg .

Claims (12)

1. Interferometer voor het meten van een faseverschil tussen een referentiebundel en een door een optisch element getransformeerde 5 objectbundel, omvattende ” lichtbronraiddelen, voor het genereren van de objectbundel en de referentiebundel - een optische inrichting, voor het laten interfereren van de getransformeerde objectbundel en de referentiebundel in een detectie- 10 vlak; en - detectiemiddelen voor het detecteren van het faseverschil tussen golffronten van de getransformeerde objectbundel en de referentiebundel in het detectievlak, met het kenmerk, dat de optische inrichting (3) omvat: 15. een eerste lichtgeleider (30) met een intreevlak dat de door de lichtbronmiddelen (2) gegenereerde objectbundel in de eerste lichtgeleider (30) koppelt en met een eerste uittreevlak (31) dat een objectbundel (36) met een sferisch golffront genereert, - een tweede lichtgeleider (32) met een intreevlak dat de door de 20 lichtbronmiddelen (2) gegenereerde referentiebundel in de tweede lichtgeleider (32) koppelt en met een tweede uittreevlak (33) dat een referentiebundel (37) met een sferisch golffront genereert, waarbij de referentiebundel (37) gericht is op het detectievlak (3*0. en waarbij de opstelling van de eerste lichtgeleider (30) en het 25 optisch element (10) zodanig is dat de getransformeerde objectbundel (36’) in het detectievlak (3*0 met de referentiebundel (37) interfereert .

2. Interferometer volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de 30 interferometer (1) verder omvat verwerkingsmiddelen (5) voor het berekenen van de faseverdeling over een bepaalde doorsnede (38) van de getransformeerde objectbundel (36') aan de hand van het faseverschil tussen de golffronten, de posities van de eerste en tweede uittree-vlakken (31, 33) van de eerste respectievelijk tweede lichtgeleiders 35 (30, 32), de positie van het detectievlak (3*0 en de positie van de bepaalde doorsnede (38).

:= 3· Interferometer volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de looro te' interferometer (1) verder omvat verwerkingsmiddelen (5) , voor het berekenen van een ruimtelijk vlak met een bepaald profiel van het faseverschil tussen de golffronten aan de hand van het faseverschil tussen de golffronten, de posities van de eerste en tweede uittree-5 vlakken (31, 33) van de eerste respectievelijk tweede lichtgeleiders (30, 32), de positie van het detectievlak (3*0, de positie van het ruimtelijk vlak in het algemeen en van een specifiek punt (11) op het ruimtelijk vlak met het constante faseverschil.

4. Interferometer volgens conclusie 3 met het kenmerk, dat het ruimtelijk vlak gevormd wordt door het oppervlak van een spiegelend lichaam (10).

5· Interferometer volgens conclusie 4 met het kenmerk, dat de 15 optische inrichting (3) verder een positiemeetinrichting (35) omvat, waarvan een uitgang is verbonden met de verwerkingsmiddelen (5), voor het meten van de positie van de eerste en tweede uittreevlakken (31, 33) van de eerste en tweede lichtgeleiders (30, 32), van het detectievlak (34), van het spiegelende lichaam (10) in het algemeen en van het 20 specifieke punt (11) op het oppervlak van het spiegelende lichaam (10).

6. Interferometer volgens een van de conclusies 1 t/m 5 met het kenmerk, dat de lichtbronmiddelen (2) en detectiemiddelen (4) uitge- 25 rust zijn voor het detecteren van het faseverschil tussen de golffronten van de referentiebundel (37) en de getransformeerde objectbundel (36') met behulp van een combinatie van heterodyne fasedetectiemidde-len (6) die het faseverschil modulo 2π bepalen, en frequentie-modula-tiefasedetectiemiddelen (7) voor het bepalen van het faseverschil in 30 veelvouden van 2π, waarbij de beide technieken onafhankelijk en ge lijktijdig toegepast worden door frequentiemultiplexing van de lichtbronmiddelen (2).

7. Interferometer volgens conclusie 6 met het kenmerk, dat de 35 detectiemiddelen (4) tenminste één fotodetector (40) omvatten, die is geplaatst in het detectievlak (34) en dat de heterodyne fasedetectie-middelen (6) omvatten: een frequentie-gestabiliseerde lichtbron (22); i '.J ' j ^ ü een eerste frequentieverschuiver (23), verbonden met de uitgang van de frequentie-gestabiliseerde lichtbron (22), voor het leveren van twee met een eerste frequentieverschil verschoven lichtbundels; I een referentiefotodetector (24), verbonden met de uitgangen van 5 de eerste frequentieverschuiver (23); en voor elke fotodetector (40): een eerste afstemeenheid (43) verbonden met de uitgang van de tenminste ene detector (40) en de uitgang van de referentiefotodetector (24); en 10 een fasevergelijkeenheid (44) die verbonden is met de uitgang van de eerste afstemeenheid (43).

8. Interferometer volgens conclusie 7 met het kenmerk, dat de frequentiemodulatiefasedetectiemiddelen (7) omvatten: 15 een verstembare lichtbron (20), en een tweede frequentieverschuiver (21), verbonden met de uitgang van de vers tembare lichtbron (20), voor het leveren van twee met een tweede frequentie verschoven lichtbundels, waarbij het tweede frequentieverschil verschilt van het eerste frequentieverschil; 20 en voor elke fotodetector (40): een bijbehorende tweede afstemeenheid (4l), verbonden met de uitgang van de tenminste ene fotodetector (40), en een frequentieteller (42) die verbonden is met de uitgang van de tweede afstemeenheid (4l). 25

9. Interferometer volgens conclusie 8 met het kenmerk, dat de interferometer (1) verder voor elke fotodetector (40) een fasebepa-lingseenheid (45) omvat, die verbonden is met de uitgang van de frequentieteller (42) en de uitgang van de fasevergelijker (44), voor het 30 bepalen van het faseverschil tussen de golffronten van de getransformeerde objectbundel (36') en de referentiebundel (37).

10. Interferometer volgens een van de voorgaande conclusies met het kenmerk, dat de detectiemiddelen (4) een array van tenminste tien 35 bij tenminste tien fotodetectors (40a..40n) omvatten. " J

) 11. Interferometer volgens één van de voorgaande conclusies met I het kenmerk, dat de lichtbronmiddelen (2) verder een optische vertra- ] ~ - 1 ging (25) voor de referentiebundel omvatten, voordat deze naar de optische inrichting (3) wordt geleid.

12. Interferometer volgens één van de voorgaande conclusies met 5 het kenmerk, dat de lichtgeleiders (30, 32) in hoofdzaak dezelfde lengte hebben. ****** 1 009366 -