DE69207657T2

DE69207657T2 - Optisches heterodynes Messverfahren und Einrichtung dafür

Info

Publication number: DE69207657T2
Application number: DE69207657T
Authority: DE
Inventors: Takahiro C/O Canon Kabushiki Kaish Ohta-Ku Tokyo Matsumoto; Hiroyasu C/O Canon Kabushiki Kaish Ohta-Ku Tokyo Nose; Kenji C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Saito; Koichi C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Sentoku; Seiji C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Takeuchi; Minoru C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Yoshii
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-07-11
Filing date: 1992-07-09
Publication date: 1996-10-17
Anticipated expiration: 2012-07-10
Also published as: JP3244769B2; JPH05272914A; DE69207657D1; EP0522557B1; US5321502A; EP0522557A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Meßverfahren und eine Meßeinrichtung und die Erfindung ist insbesondere für die Anwendung in optischen Überlagerungsinterferenz- Anordnungen, zum Beispiel in einem Gerät zum Messen von sehr kleinen Versetzungen, einer Ausrichtevorrichtung, einer Markenausrichtungs-Bewertungsvorrichtung, einem Längenmeßgerät oder einem Gerät geeignet, mit dem eine sehr kleine Versetzung eines Objektes mittels einer Beugungsvorrichtung wie eines Beugungsgitters gemessen wird.

Beschreibung des verwandten Standes der Technik

Bisher wurde zur hochgenauen Messung einer sehr kleinen Versetzung weit verbreitet ein Überlagerungsinterferenz-Verfahren angewandt, welches dazu geeignet ist, durch Phasenmessung Informationen über die Phase von Licht zu erfassen, die in linearer Beziehung zu der Versetzung steht. Bei dem Überlagerungsinterferenz- Verfahren werden Messungen derart vorgenommen, daß auf fotoelektrische Weise Interferenzstreifen erfaßt werden, die sich in Bezug auf die Zeit ändern und die durch zwei Lichtstrahlen gebildet werden, deren Frequenzen voneinander etwas verschieden sind, und die Phase der Interferenzstreifen in die Phase eines elektrischen Signals umgesetzt wird.
Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Ausführung, die eine Einrichtung zum Messen von sehr kleinen Versetzungen ist, in der als Lichtquelle ein Zeeman-Laser 301 verwendet wird und linear polarisierte, einander unter rechten Winkeln kreuzende Lichtstrahlen 302 und 303 benutzt werden, deren Frequenzen voneinander etwas verschieden sind, und die ein Interferometer bildet. Der Lichtstrahl 302 ist P- polarisiertes Licht mit einer Frequenz f&sub1;, dessen elektrischer Vektor das Licht innerhalb der Zeichnungsebene ist. Der Lichtstrahl 303 ist 3-polarisiertes Licht mit einer Frequenz f&sub2;, dessen elektrischer Vektor das zu der Zeichnungsebene senkrechte Licht ist. Komplexe Amplitudendarstellungen E&sub1; und E&sub2; der von dem Zeeman-Laser 301 abgegebenen Lichtstrahlen 302 und 303 können bei der Bezeichnung ihrer jeweiligen Anfangsphasen durch Φl und Φ2 jeweils folgendermaßen ausgedrückt werden:
E&sub1; A&sub0; exp (i (w&sub1;t+Φ&sub1;) } (1)
E&sub2; B&sub0; exp {I (w&sub2;t+Φ&sub2;) } (2)
wobei A&sub0; und B&sub0; Amplituden sind und w&sub1; und w&sub2; Winkelfrequenzen w&sub1; = 2π f&sub1; und w&sub2; = 2π f&sub2; sind. Die Amplituden der Lichtstrahlen 302 und 303 werden durch einen Strahlenteiler 304 geteilt. Einer der Lichtstrahlen 302 oder 303 wird zu Bezugslicht 306 oder 307 und einer der Lichtstrahlen 302 oder 303 wird zu Signallicht 315 oder 316, welches in ein Interferometer einfällt.
Dabei werden die Polarisationsrichtungen der Bezugslichtstrahlen 306 und 307 durch eine Polarisationspiatte 305 (einen Polarisierer für das Herausgreifen von Polarisationskomponenten, die hinsichtlich ihrer jeweiligen Polarisationsrichtungen um 450 schräg liegen) ausgerichtet und durch einen fotodekrischen Detektor 317 erfaßt. Wenn gemäß der Darstellung in Fig. 1 mit L5 und L&sub0; jeweils eine optische Weglänge von der Lichtquelle 301 bis zu dem Strahlenteiler 304 und eine optische Weglänge von dem Strahlenteiler 304 bis zu dem fotoelektrischen Detektor 317 bezeichnet sind und A&sub1; und B&sub1; jeweils die Amplituden der komplexen Amplitudendarstellungen E1R (der komplexen Amplitude des Lichtstrahls 307) und E2R (der komplexen Amplitude des Bezugslichtstrahls 306) bezeichnen, sind dabei diese Darstellungen E1R und E2R die folgenden:
E1R = A&sub1; exp (1 {(w&sub1;t+Φ&sub1;-k&sub1;(LS+ L&sub0;)}] (3)
E2R = B&sub1; exp [i { (w&sub2;t+Φ&sub2;-k&sub2; (LS+ L&sub0;) }] (4)
wobei k&sub1; und k&sub2; die Anzahlen von Wellen darstellen. Wenn die Lichtgeschwindigkeit mit c bezeichnet ist, sind die folgenden Beziehungen erfüllt:
k&sub1; = 2π/c f&sub1;, k&sub2; = 2π/c f&sub2;
Die Polarisationsrichtungen der Bezugslichtstrahlen 306 und 307 werden durch die Polarisationsplatte 305 derart ausgerichtet, daß die Lichtstrahlen 306 und 307 miteinander interferieren. Wenn dieses Interferenzlicht durch den fotoelektrischen Detektor 317 fotoelektrlsch erfaßt wird, ergibt sich ein Meßsignal IR zu:
IR = A²&sub1; + B²&sub1; + 2A&sub1;B&sub1; COS { {w&sub1;-w&sub2;) t + (Φ1 - Φ2) + (k&sub2; - k&sub1;) (LS + L&sub0;) } (5)
Dieses Meßsignal ist ein Schwebungssignal mit einer Winkelfrequenz w&sub1;-w&sub2;, das heißt, einer Frequenz f&sub1;-f&sub2; und einer Phase ΦR = (Φ1 - Φ2) + (k&sub2; - k&sub1;) (LS + L&sub0;) . Das durch den Strahlenteiler 304 durchgelassene Licht fällt dagegen auf einen Polarisationsstrahlenteiler 308. Dadurch wird der Lichtstrahl 315 mit S-Polarisation reflektiert, durch einen Spiegel 310 reflektiert und wieder zu dem Polarisationsstrahlenteiler 308 zurückgeleitet Als Ergebnis des zweimaligen Hindurchtretens des Lichtstrahls 315 durch eine in dem optischen Weg angeordnete λ/4-Platte 309 wird dabei die Polarisationsrichtung um π/2 gedreht. Da das Licht zu Licht mit P-Polarisation wird, wird es durch den Strahlenteiler 308 durchgelassen. Der Lichtstrahl 316 mit P-Polarisation wird durch den Polarisationsstrahlenteiler 308 durchgelassen und durch ein zu messendes Objekt 312 reflektiert. Der Lichtstrahl 316 kehrt wieder zu dem Polarisationsstrahlenteiler 308 zurück. Auf die vorstehend beschriebene Weise wird als Ergebnis des zweimaligen Hindurchtretens des Lichtstrahls 316 durch eine in diesem optischen Weg angeordnete λ/4-Platte 311 die Polarisationsrichtung um π/2 gedreht. Da der Lichtstrahl zu einem Lichtstrahl mit S-Polarisation wird, wird dieser durch den Polarisationsstrahlenteiler 308 reflektiert. Danach werden die Polarisationsrichtungen des Signallichtstrahls 316 mit S-Polarisation und des Signallichtstrahls 315 mit P-Polarisation gleichermaßen wie durch die Polarisationspiatte 305 durch eine Polarisationspiatte 314 ausgerichtet und durch einen fotoelektrischen Detektor 318 erfaßt. Wenn mit A&sub2; und B&sub2; die jeweiligen Amplituden der Strahlen, mit L&sub1; die optische Weglänge des Lichtflusses 315 von dem Strahlenteiler 304 nach der Reflexion durch den Spiegel 310 bis zu dem fotoelektrischen Detektor 318 bezeichnet ist und mit L&sub1; + 2ΔL die optische Weglänge des Lichtflusses 316 von dem Strahlenteiler 304 nach der Reflexion durch das zu messende Objekt 312 bis zu dem fotoelektrischen Detekor 318 bezeichnet ist, können komplexe Amplitudendecstellungen E1S und E2S der jeweiligen Lichtstrahlen 316 und 315 an dem fotoelektrischen Detektor 318 folgendermaßen ausgedrückt werden:
E1S = A&sub2; exp [i { (w&sub1;t+Φ&sub1;-k&sub1;(LS+ L&sub1;+2ΔL }] (6)
E2S = B&sub2; exp [i { (w&sub2;t+Φ&sub2;-k&sub2; (LS+ L&sub1; ) }] (7)
Die Polarisationsrichtungen der Signallichtstrahlen 315 und 316 werden durch die Polarisationsplatte 314 ausgerichtet, so daß sie miteinander interferieren. Wenn das sich ergebende Interferenzucht durch den fotoelekttrischen Detektor 318 erfaßt wird, ergibt sich ein Lesignal IS zu:
IS = A²&sub2; + B²&sub2; + 2A&sub2;B&sub2; COS { (w&sub1;-w&sub2;) t + - Φ2) + (k&sub2; - k&sub1;) (LS+ L&sub1;) - 2k&sub1;ΔL} (8)
Dieses Meßsignal ist eine Schwebungssignal mit einer Frequenz w&sub1;-w&sub2;, nämlich einer Frequenz f&sub1;-f&sub2; und einer Phase ΦS = (Φ&sub1; - Φ&sub2;) + (k&sub2; - k&sub1;) (LS + L&sub1;) - 2k&sub1;ΔL. Die Differenz Δ(ΦR - ΦS) zwischen den Phasen der in den Gleichungen (5) und (8) dargestellten Schwebungssignale wird mittels eines Synchronverstärkers 319 als Synchronisationswellendetektor gemessen.
Die Differenz ΔΦ zwischen den Phasen der in den Gleichungen (5) und (8) dargestellten Schwebungssignale ist gemäß der Darstellung in der folgenden Gleichung bestimmt:
ΔΦ = (k&sub2; - k&sub1;) (L&sub0; - L&sub1;) - 2k&sub1;ΔL.
Durch Umstellen dieser Gleichung folgt:
ΔL = 1/2k&sub1; ΔΦ&sub0; - (k&sub2; - k&sub1;) (L&sub0; - L&sub1;) } (9)
Wenn ΔΦ&sub0; bei ΔL = 0 im voraus gemessen wird, ergibt sich L&sub0; - L&sub1; = ΔΦ&sub0;/(k&sub2; - k&sub1;) . Da k&sub1; und k&sub2; bekannt sind, kann L&sub0; - L&sub1; bestimmt werden.
Wenn danach die Differenz ΔΦ zwischen den Phasen der beiden in den Gleichungen (5) und (8) dargestellten Schwebungssignale gemessen wird, kann aufgrund der Gleichung (9) eine Versetzung ΔL eines zu messenden Objektes bestimmt werden.
Einrichtungen, in denen grundlegend eine derartige Überlagerungsinterferenz-Messung genutzt wird, sind beispielsweise in der US-A-4 948 251 und in der WO-A- 88/08519 dargestellt.
Die Auflösung bei einer solchen Überlagerungsinterferenz-Messung hängt jedoch von der Auflösung einer Phasenmeßeinrichtung ab, welche die Phasendifferenz zwischen den beiden Schwebungssignalen mißt. Zum Steigern der Meßauflösung muß die Auflösung einer Phasenmeßeinrichtung erhöht werden. Diesbezüglich besteht jedoch eine technischen Einschränkung.
Auf dem Gebiet mechanischer Steuerung wurde bisher ein sogenannter optischer Codierer eingesetzt, mit dem mittels einer optischen Skala eine Bewegungsstrecke oder ein Drehungsausmaß eines Objektes gemessen wird. Ein herkömmlicher optischer Codierer wurde beispielsweise in der JP-OS 58-191907 beschrieben. In diesem optischen Codierer wird kohärentes Licht aus einer Lichtquelle über einen Spiegel oder dergleichen auf ein Beugungsgitter gerichtet, welches eine Bezugsskala ist. Das von diesem Beugungsgitter abgegebene, in ±N-ter Ordnung gebeugte Licht wird durch einen Kubuswinklispiegel in seiner ursprünglichen Richtung reflektiert und gleichfalls auf das Beugungsgitter gerichtet. Dann werden zwei in +N-ter Ordnung gebeugte Lichtstrahlen in der gleichen Richtung gebeugt, so daß sie miteinander interferieren. Durch einen Lichtsensor wird die Intensität des sich ergebenden Interferenzlichtes erfaßt.
Da eine solche Einrichtung klein ist und mit ihr eine hohe Auflösung erzielt werden kann, wurde sie für erschiedenerlei Zwecke und für eine Vielfalt von Amwendungsfällen eingesetzt.
Sobald die Bearbeitung und Steuerung genauer und feiner geworden sind, wurde gefordert, daß eine derartige Meßeinrichtung eine höhere Auflösung als jemals zuvor hat.
Eine Ausrichtevorrichtung zum Steuern der Relativlage einer Maske und eines Halbleiterplättchens durch Vergleichen von optischen Schwebungssignalen von Beugungslichtstrahlen aus an die Maske und das Halbleiterplättchen angesetzten Beugungsgittern ist beispielsweise in der JP-A-2 297 005 offenbart.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Mit der Erfindung werden die vorangehend angeführten Probleme bei der vorangehend beschriebenen herkömmlichen Überlagerungsinterferenz-Messung gelöst.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßverfahren und eine Meßeinrichtung zu schaffen, die es ermöglichen, selbst bei konstanter Auflösung der Phasenmeßeinrichtung eine Meßgenauigkeit zu erzielen, die doppelt so hoch ist wie die nach dem Stand der Technik erreichte.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßeinrichtung zu schaffen, mit der bei der optischen Erfassung von Versetzungsinformationen eine höhere Auflösung als zuvor auf dem Gebiet optischer Codierer erzielt wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird hinsichtlich des Meßverfahrens durch die Merkmale gemäß Patentanspruch 1 und hinsichtlich der Meßeinrichtung durch die Merkmale gemäß Patentanspruch 9 gelöst.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Die Erfindung ist auf eine Meßanordnung gerichtet, in der ein erstes und ein zweites Paar von Lichtstrahlen gebildet werden, die jeweils Lichtstrahlen mit voneinander verschiedenen Frequenzen haben. Ein niederfrequenter Lichtstrahl des ersten Paares und ein hochfrequenter Lichtstrahl des zweiten Paares durchlaufen einen vorbestimmten optischen Weg, so daß sich deren Phasen ändern. Mittels des niederfrequenten Lichtstrahles des ersten Strahlenpaares aus dem vorbestimmten optischen Weg wird ein erstes Schwebungssignal gebildet und mittels des hochfrequenten Lichtstrahles des zweiten Strahlenpaares aus dern vorbestimmten optischen Weg wird ein zweites Schwebungssignal gebildet. Die Phasenänderungsinforrnation wird durch Vergleichen des ersten und zweiten Schwebungssignals gemessen.
Ziele und Vorteile zusätzlich zu den vorangehend erläuterten werden für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung ersichtlich. In der Beschreibung wird auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil derselben bilden und ein Beispiel für die Erfindung veranschaulichen. Dieses Beispiel ist jedoch für die verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung nicht erschöpfend und es wird daher für das Festlegen des Rahmens der Erfindung auf die anliegenden Patentansprüche Bezug genommen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Darstellung einer Einrichtung nach dem Stand der Technik zum Messen von sehr kleinen Versetzungen,
Fig. 2A ist eine Darstellung, die ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
Fig. 2B zeigt Kurvenformen, die die Grundsätze der Erfindung veranschaulichen,
Fig. 3 ist eine Darstellung, die ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
Fig. 4 ist eine Draufsicht auf ein Beugungsgitter gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 5 ist eine Darstellung, die ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
Fig. 6 ist eine Darstellung der Anordnung eines Meßmusters (Beugungsgitters) gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 7 ist eine vergrößerte Ansicht eines Interferenzsystems gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 8 ist eine Darstellung, die ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
Fig. 9 ist eine Darstellung, die den Aufbau eines Frequenzumsetzers gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel veranschaulicht,
Fig. 10 ist eine Darstellung, die ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
Fig. 11 ist eine Darstellung, die ein sechstes und ein siebentes Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
Fig. 12 ist eine Darstellung, die ein achtes Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
Fig. 13 ist eine Darstellung, die ein neuntes Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
Fig. 14 ist eine Darstellung, die ein zehntes Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
Fig. 15 ist eine schematische Darstellung eines Gerätes, in dem die Technologie angewandt wird, welche eine Voraussetzung für nachfolgende Ausführungsbeispiele der Erfindung ist,
Fig. 16 ist eine schematische Darstellung eines Längenmeßgerätes gemäß einem elften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 17 ist eine schematische Darstellung eines Längenmeßgerätes gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 18 ist eine schematische Darstellung eines Längenmeßgerätes gemäß einem dreizehnten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 19 ist eine Darstellung, die das optische System eines Teiles des dreizehnten Ausführungsbeispiels der Erfindung veranschaulicht.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Zuerst werden die Grundsätze der Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Auf ein zu messendes Objekt werden Lichtstrahlen aus einer Lichtquelle ausgestrahlt, die einen Lichtstrahl f&sub1; und einen Lichtstrahl f&sub2; abgibt, deren Frequenzen voneinander etwas verschieden sind. Zum Bilden eines ersten Schwebungslichtstrahles wird der Lichtstrahl f&sub1;, der durch das zu messende Objekt reflektiert, gebeugt oder gestreut wird, mit dem Lichtstrahl f&sub2; überlagert, der nicht durch das zu messende Objekt reflektiert, gebeugt oder gestreut werden muß und der einen anderen optischen Weg durchlaufen hat. Auf gleiche Weise wird zum Bilden eines zweiten Schwebungslichtstrahles der Lichtstrahl f&sub2;, der durch das zu messende Objekt reflektiert, gebeugt oder gestreut wird, mit dem Lichtstrahl f&sub1; überlagert, der nicht durch das zu messende Objekt reflektiert, gebeugt oder gestreut wird und ner einen Lichtweg durchlaufen hat, welcher von dem durch den Lichtstrahl f&sub2; durchlaufenen verschieden ist. Eine Meßeinrichtung ist derart gestaltet, daß die Vorzeichen der einer gemessenen Größe (zum Beispiel einem Versetzungsausmaß) eines zu messenden Objektes entsprechenden Phasen der jeweiligen Schwebungslichtstrahlen voneinander verschieden sind. Diese beiden Schwebungslichtstrahlen werden durch voneinander verschiedene fotoelektrische Detektoren erfaßt.
Als Ergebnis des synchronen Erfassens der auf die vorstehend beschriebene Weise erhaltenen beiden Schwebungssignale mit einem Synchrondetektor wird ein Objekt auf der erfaßten Phasendifferenz beruhend gemessen.
Die Anderung eines Schwebungssignals während eines Zeitabschnittes ist in Fig. 28 dargestellt. Bei dem Stand der Technik sind die Erfassungssignale für einen Bezugslichtstrahl stets festgelegt und es tritt keine Phasenänderung auf. Dies ergibt ein Bezugssignal 13 nach Fig. 2B. An den Erfassungssignalen für einen Signallichtstrahl tritt dagegen eine der gemessenen Größe entsprechende Phasenänderung ΔΦ&sub0; auf. Mit einem Synchrondetektor wird die Phasendifferenz zwischen diesen beiden Signalen als Phasendifferenz ΔΦ&sub0; gemessen.
In Fig. 2B sind Erfassungssignale für den ersten Schwebungslichtstrahl bei einern nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung mit 14 und Erfassungssignale für den zweiten Schwebungslichtstrahl mit 14' bezeichnet. Entsprechend der gemessenen Größe werden ]eweils Phasendifferenzen ΔΦ&sub1; und ΔΦ&sub2; hervorgerufen. Eine Meßeinrichtung wird derart gestaltet, daß zwei Schwebungssignale in der Weise erhalten werden können, daß die Vorzeichen der Phasenänderungen ΔΦ&sub1; und ΔΦ&sub2; voneinander verschieden sind. Wenn die Einrichtung auf ΔΦ&sub1; = ΔΦ&sub0; und ΔΦ&sub2; = -ΔΦ&sub0; eingestellt ist und mit einem Synchrondetektor die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen gemessen wird, ist eine nach diesem Meßverfahren erfaßte Phasendifferenz ΔΦ = ΔΦ&sub0; - (-ΔΦ&sub0;) = 2 ΔΦ&sub0; doppelt so groß wie die nach dem herkömmlichen Verfahren gemessene.
Nachstehend werden die Ausführungsbeispiele im einzelnen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erläutert.
In Fig. 2A ist das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches eine Meßeinrichtung zum Messen von sehr kleinen Versetzungen ist. Die Amplituden von polarisiertern Licht 2 (mit P-Polarisation und einer Frequenz f&sub1;) und polarisiertem Licht 3 (mit S-Polarisation und einer Frequenz f&sub2;), die von einem Zeeman-Laser 1 abgegeben werden und unter rechtem Winkel zueinander stehen, werden durch einen Strahlenteiler 4 geteilt. Von dem Strahlenteiler 4 reflektierte Lichtstrahlen 2' und 3' (die jeweils die Reflexionslichtstrahlen der Lichtstrahlen 2 und 3 sind) werden durch eine λ/4-Platte 5 hindurchgelassen. Nachdem die Lichtstrahlen durch einen Spiegel 6 reflektiert sind, werden sie wieder durch die λ/4-Platte 5 hindurchgelassen und fallen wieder auf den Strahlenteiler 4. Dabei ist die Polarisationsrichtung infolge des zweimaligen Hindurchtretens des Lichtes durch die λ/4-Platte 5 um π/2 gedreht. Der Lichtstrahl 2' wird aus dem P-polarisierten Licht zu 5-polarisiertem Licht und der Lichtstrahl 3' wird aus dem S-polarisierten Licht zu P- polarisiertem Licht. Von dem Licht, das wieder auf den Strahlenteiler 4 gefallen ist und durch den Strahlenteiler 4 durchgelassen wurde (wobei in Fig. 2A das Licht weggelassen ist, welches dabei von dem Strahlenteiler 4 reflektiert wird), wird das P-polarisierte Licht 3' durch einen Strahlenteiler 9 hindurchgelassen und das S- polarisierte Licht 2' von diesem reflektiert.
Andererseits werden Lichtstrahlen 2" und 3", die nach der Abgabe aus dem Zeernan-Laser 1 durch den Strahlenteiler 4 hindurchgelassen wurden (jeweilige Durchlaßlichtstrahlen der Lichtstrahlen 2 und 3), von einem zu messenden Objekt 7 reflektiert und wieder auf den Strahlenteiler 4 gerichtet.
Von dem Licht, welches wieder auf den Strahlenteiler 4 gefallen ist und von diesem reflektiert wurde (wobei in Fig. 2A das Licht weggelassen ist, welches dabei durch den Strahlenteiler 4 durchgelassen wird), wird das P- polarisierte Licht 2" durch den Strahlenteiler 9 durchgelassen und das S-polarisierte Licht 3" von diesem reflektiert.
Die Lichtstrahlen 2" und 3", die von dem Polarisationsstrahlenteiler 9 durchgelassen werden, und die von diesem reflektierten Lichtstrahlen 2" und 3" bilden Interferenzlichtstrahlen, da ihre Polarisationsrichtungen miteinander ausgerichtet sind. Diese Interferenzlichtstrahlen werden durch Fotodetektoren 10 und 11 fotoelektrisch erfaßt. Mit einem Synchronverstärker 12a wird die Differenz der Phasen der dabei erhaltenen Signale erfaßt.
Wenn die optische Weglänge von dem Strahlenteiler 4 bis zu dem Spiegel 6 und diejenige von dem Strahlenteiler 4 bis zu dem zu messenden Objekt 7 einander gleich sind und die Strecke von dem Polarisationsstrahlenteiler 9 bis zu dern fotoelektrischen Detektor 10 und diejenige von dem Polarisationsstrahler 9 bis zu dem fotoelektrischen Detektor 11 einander gleich sind, ist die optische Weglänge von dem Zeeman-Laser 1 bis zu dem fotoelektrischen Detektor 10 gleich derjenigen von dem Zeeman-Laser 1 bis zu dem fotoelektrischen Detektor 11. Wenn man dabei die optische Weglänge mit L bezeichnet, so entspricht ein bei diesem Zustand bei einer Versetzung des zu messenden Objektes 7 um ΔL in X-Richtung erhaltenes Erfassungssignal dem nachstehend dargestellten. Komplexe Amplitudendarstellungen Ep (f&sub1;) und Ep (f&sub2;) des durch den Polarisationsstrahlenteiler 9 hindurchgelassenen Lichtes an dern Fotoernpfangsteil des fotoelektrischen Detektors 10 können jeweils folgendermaßen ausgedrückt werden:
Ep (f&sub1;) = A exp [i {(w&sub1;t+Φ&sub1;-k&sub1; (L&sub1;+2ΔL) }] (10)
Ep (f&sub2;) = B exp [i {(w&sub2;t+(1)&sub2;-k&sub2;L) }] (11)
wobei A und B Amplituden sind, w&sub1; und w&sub2; Winkelfrequenzen w&sub1; = 2π f&sub1; und w&sub2; = 2π f&sub2; sind, Φ&sub1; und Φ&sub2; die Anfangsphasen des aus dem Zeeman-Laser 1 abgestrahlten Lichtes sind und k&sub1; und k&sub2; die Anzahlen von Wellen sind. Wenn mit c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet ist, sind die folgenden Beziehungen erfüllt:
k&sub1; = 2π/c f&sub1;, k&sub2; - 2π/c f&sub2;
Die Strahlen Ep (f&sub1;) und Ep (f&sub2;) interferieren miteinander, da ihre Polarisationsrichtungen miteinander ausgerichtet sind. Wenn dieses sich ergebende Interferenzucht durch den fotoelektrischen Detektor 10 fotoelektrisch erfaßt wird, ergibt sich ein Erfassungssignal I&sub1; zu:
I&sub1; = A² + B² + 2AB COS t (w&sub1;-w&sub2;) t + (Φ&sub1; - Φ&sub2;) 2k&sub1;ΔL} (12)
Andererseits können komplexe Amplitudendarstellungen ES (f&sub1;) und ES (f&sub2;) der Lichtstrahlen, die von dem Polarisationsstrahlenteiler 9 reflektiert werden, an dem Fotoempfangsteil des fotoelektrischen Detektors 11 jeweils folgendermaßen ausgedrückt werden:
ES (f&sub1;) = A exp [i (w&sub1;t+Φ&sub1;-k&sub1; (L)}] (13)
ES (f&sub2;) = B exp [1 (w&sub2;t+Φ&sub2;-k&sub2; (L))}] (14)
Da die Polarisationsrichtungen der Strahlen 55 (f&sub1;) und ES (f&sub2;) miteinander ausgerichtet sind, interferieren diese miteinander. Wenn dieses sich ergebende Interferenzucht durch den fotoelektrischen Detektor 11 fotoelektrisch erfaßt wird, ergibt sich ein Erfassungssignal 12 zu:
I&sub2; = A² + B² + 2AB COS t (w&sub1;-w&sub2;) t + (Φ&sub1; - Φ&sub2;) 2k&sub2;ΔL} (15)
Wenn die fotoelektrisch Signale I&sub1; und I&sub2; als zwei Eingangssignale in den Synchronverstärker 12a eingegeben werden, kann eine Phasendifferenz ΔΦ' zwischen den Phasen von I&sub2; und I&sub1; folgendermaßen ermittelt werden:
ΔL =ΔΦ'/ 2 (k&sub1; + k&sub2;) ΔL (16)
Die Phasendifferenz ΔΦ' ändert sich bezüglich der Versetzung ΔL des zu messenden Objektes 7 um 2(k&sub1; + k&sub2;) ΔL.
Durch Urnordnen der Gleichung (16) folgt:
ΔL =ΔΦ'/ 2 (k&sub1; + k&sub2;)
Auf diese Weise kann eine X-Versetzung durch Messen der Phasendifferenz ΔΦ' zwischen den Schwebungssignalen bestimmt werden. Gemäß diesem Verfahren kann wegen k&sub1; k&sub2; in Bezug auf die Versetzung eines zu messenden Objektes eine Empfindlichkeit erzielt werden, die das (k&sub1; + k&sub2;)/k&sub1;- -fache oder Zweifache derjenigen der bei dem Stand der Technik ist. Das heißt, wenn ein Synchronverstärker mit der gleichen Genauigkeit verwendet wird, kann eine Genauigkeit erzielt werden, die doppelt so hoch ist wie diejenige bei dem Stand der Technik. Das Ausgangssignal des Synchronverstärkers 12a wird in eine Recheneinheit 12b eingegeben, wodurch ΔL aufgrund der umgeordneten Gleichung 16) gemessen wird.
Die Fig. 3 ist eine Darstellung, die das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung veranscnaulicht und die den Ausrichtungsteil eines Nahbelichtungs- Halbleiterherstellungsgerätes zeigt, in dem Strahlen im fernen Infrarotbereich, Röntgenstrahlen der dergleichen benutzt werden. Die Ausrichtung einer Maske 22 mit einem Halblelterplättchen 23 erfolgt mittels elner Paßmarkierung 24, die durch ein an der Maske 22 angeordnetes Beugungsgitter gebildet ist, und einer Paßmarkierung 25, die durch ein an dem Halbleiterplättchen 23 angeordnetes Beugungsgitter gebildet ist. Die Amplituden eines polarisierten Lichtstrahls 16 (mit P-Polarisation und einer Frequenz f&sub1;) und eines polarisierten Lichtstrahls 17 (mit S-Polarisation und einer Frequenz f&sub2;), die aus einem Zeeman-Laser 15 abgegeben werden und die zueinander in rechten Winkeln stehen, werden durch einen Strahlenteiler 18 geteilt. Von dem Strahlenteiler 18 reflektierte Lichtstrahlen 16' und 17' (jeweilige Reflexionslichtstrahlen der Lichtstrahlen 16 und 17) werden durch eine λ/2-Platte 19 hindurchgelassen. Dabei wird die Polarisationsrichtung um π/2 gedreht. Aus dem P- polarisierten Licht wird der Lichtstrahl 16' zu einem S- polarisierten Lichtstrahl 16'" (mit der Frequenz f&sub1;) und aus dem S-polarisierten Licht wird der Lichtstrahl 17' zu einem P-polarisierten Lichtstrahl 17'" (mit der Frequenz f&sub2;) . Die Lichtstrahlen 16'" und 17'", die durch die π/2- Platte 19 hindurchgelassen wurden, ändern durch einen Spiegel 20 ihren Verlauf und werden sowohl auf das an der Maske 22 angeordnete Beugungsgitter 24 als auch auf das an dem Halbleiterplättchen 23 angeordnete Beugungsgitter 25 aufgestrahlt.
Im Gegensatz dazu ändern Lichtstrahlen 16" und 17", die durch den Strahlenteiler 18 hhndurchgelassen wurden (jeweilige Durchlaßlichtstrahlen der Lichtstrahlen 16 und 17), ihren Verlauf durch einen Spiegel 21 und werden auf das Beugungsgitter 24 und das Beugungsgitter 25 aufgestrahlt.
Die Beugungsgitter 24 und 25 sind glelch beabstandete lineare Reflexions-Beugungsgitter. Ihre Teilungsabstände sind gleich und haben einen Wert P. In Fig. 4 ist die Gestaltung der Paßmarkierungen 24 und 25 in der Richtung der Normallinle zur Maske 22 und dem Halbleiterplättchen 23 gesehen sowie das Bestrahlungslich: darges:ellt. Wenn die XZ-Ebene in der Figur von der +Y-Seite her zu der Fortpflanzungsrichtung des in 0-ter Ordnung gebeugten Lichtes (normal reflektierten Lichtes) hin gesehen wird, so wird von dem durch das Beugungsgitter gebeugten Licht das zur linken Seite (-x-Seite) gebeugte Licht zu in +m-ter Ordnung gebeugtem Licht, wogegen das zu der rechten Seite (+x-Seite) gebeugte Licht zu in -m-ter Ordnung gebeugtem Licht wird. Es ist allgemein bekannt, daß dann, wenn ein Beugungsgitter um einen Teilungsabstand in einer zu dem Gittermuster des Beugungsgitters senkrechten Richtung (+x- Achsen-Richtung nach Fig. 3) bewegt wird, sich die Phase des Beugungslichtes um 2 mπ ändert. Wenn das Beugungsgitter 24 aus einer Bezugsiage heraus um xM in x-Richtung bewegt w wird und wenn das Beugungsgitter 25 aus einer Bezugslage heraus um xW in x-Richtung bewegt wird, entsteht an dem durch das jeweilige Beugungsgitter gebeugten Licht eine Phasenänderung von ±2mπxM/P±2mπxW/P. Die Einfallwinkel des für die Messungen herangezogenen, in erster Ordnung gebeugten Lichtes von den Beugungsgittern 24 und 25 her werden derart eingestellt, daß das Licht in der Richtung der Senkrechten zum Beugungsgitter 24 und der Senkrechten zum Beugungsgitter 25 gebeugt wird. Es wird das in der Richtung der Senkrechten gebeugte Licht in Betracht gezogen.
Komplexe Amplitudendarstellungen EMS (f&sub1;) und EMP (f&sub2;) des durch das Beugungsgitter 24 in +erster Ordnung gebeugten Lichtes aus den von links einfallenden Lichtstrahlen 16'" und 17'" und komplexe Amplitudendarstellungen EMP (f&sub1;) und EMS (f&sub2;) des in - erster Ordnung gebeugten Lichtes aus den von rechts einfallenden Lichtstrahlen 16" und 17" sind die in den folgenden Gleichungen dargestellten:
EMS (f&sub1;) = A exp (i (w&sub1;t+Φ&sub1;+ΦM) } (17)
EMP (f&sub2;) = B exp (i (w&sub2;t+Φ&sub2;+ΦM) } (18)
EMP (f&sub1;) = A exp (i (w&sub1;t+Φ&sub1;+ΦM) } (19)
EMS (f&sub2;) = B exp (i (w&sub2;t+Φ&sub2;+ΦM) } (20)
wobei A und B Amplituden sind, w&sub1; und w&sub2; Winkelfrequenzen sind, Φ&sub1; und Φ&sub2; die Anfangsphasen des aus dem Zeeman-Laser 15 abgegebenen Lichtes sind und ΦM = 2πxM/P ist. Auf gleiche Weise sind komplexe Amplitudendarstellungen EWS (f&sub1;) und EWP (f&sub2;) der durch das Beugungsgitter 25 in +erster Ordnung gebeugten Lichtstrahlen aus den von links einfallenden Lichtstrahlen 16'" und 17'" und komplexe Amplitudendarstellungen EWP (f&sub1;) und EWS (f&sub2;) der in - erster Ordnung gebeugten Lichtstrahlen aus den von rechts einfallenden Lichtstrahlen 16" und 17" die in den folgenden Gleichungen dargestellten:
EWS (f&sub1;) = A exp (i (w&sub1;t+Φ&sub1;+ΦW) } (21)
EWP (f&sub2;) = B exp (i (w&sub2;t+Φ&sub2;+ΦW) } (22)
EWP (f&sub1;) = A exp (i (w&sub1;t+Φ&sub1;+ΦW) } (23)
EWS (f&sub2;) = B exp (i (w&sub2;t+Φ&sub2;+ΦW) } (24)
wobei ΦW = 2πxW/P ist.
Es inferieren miteinander diejenigen Lichtstrahlen, bei denen die Polarisationsebenen der durch die Beugungsgitter 24 und 25 gebeugten Lichtstrahlen miteinander ausgerichtet sind, und es werden vier Interferenzlichtstrahlen erhalten. Von den durch das Beugungsgitter 24 gebeugten Lichtstrahlen sind die P- polarisierten Lichtstrahlen durch die Gleichungen (18) und (19) ausgedrückt. Eine Intensitätsänderung IMP eines Interferenzlichtstrahls 36 ist:
IMP = A² + B² + 2AB COS { (w&sub2;-w&sub1;) t + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) 2ΦM} (25)
Gleichermaßen sind S-polarisierte Lichtstrahlen durch die Gleichungen (17) und (20) ausgedrückt. Eine Intensitätsänderung IMS eines Interferenzlichtstrahls 37 und Intensitätsänderungen 1WP und 1WS eines Interferenzlichtstrahls 38 mit P-Polarisation gemäß den Gleichungen (22) und (23) sowie eines Interferenzlichtstrahls 39 mit S-Polarisation gemäß den Gleichungen (21) und (24) können durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:
IMS = A² + B² + 2AB COS { (w&sub2;-w&sub1;) t + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) 2ΦM} (26)
IWP = A² + B² + 2AB COS { (w&sub2;-w&sub1;) t + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) 2ΦW} (27)
IWS = A² + B² + 2AB COS { (w&sub2;-w&sub1;) t + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) 2ΦW} (28)
Diese vier Interferenzlichtstrahlen werden unabhängig voneinander durch fotoelektrische Detektoren 30, 33, 31 und 32 erfaßt.
Die jeweiligen Interferenzlichtstrahlen können voneinander gemäß der nachstehenden Beschreibung von Beispielen getrennt werden:
Die Richtung des durch die Beugungsgitter 24 und 25 gebeugten Lichtes wird durch einen Spiegel 26 geändert und das Licht wird zu einem Polarisationsstrahlenteiler 27 geleitet. Infolgedessen werden durch diesen die P- polarisierten Interferenzlichtstrahlen 36 und 38 durchgelassen und durch diesen die S-polarisierten Interferenzlichtstrahlen 37 und 39 reflektiert, wodurch die Strahlen zweigeteilt werden.
Randspiegel 28 und 29 werden derart angeordnet, daß vonn der Ebene her gesehen, in der das Beugungsgitter liegt, das aus der Nähe eines Beugungsgitters ausgehende Licht räumlich durch eine in Fig. dargestellte Grenzlinie 40 getrennt wird. Diese Anordnung bewirkt, daß die Interferenzlichtstrahlen 36 und 37 des von dem Beugungsgitter 24 gebeugten Lichtes und die Interferenzlichtstrahlen 38 und 39 des von dem Beugungsgitter 25 gebeugten Lichtes zweigeteilt werden. Die auf diese Weise getrennten jeweiligen Interferenzlichtstrahlen wernen durch die fotoelektrischen Detektoren (30, 31, 32 und 33 (zum Beispiel Lawinen- Fotodioden) in elektrische Signale umgesetzt, die vuchronverstärkern 34 und 31 zugeführt werden. Wenn zwischen den Schwebungssignalen mit der Frequenz w&sub1;-w&sub2;, die durch die von dem Beugungsgitter 24 gebeugten Lichtstrahlen 36 und 37 gemäß den Gleichungen (25) und (26) hervorgerufen sind, durch den Synchronverstärker 35 eine Phasenabweichung ATM erfaßt wird, entspricht sie dem folgenden Ausdruck:
ΔTM = 4ΦM = 8π/p XM
Durch das Erfassen der Phase mit dem Synchronverstärker 35 wird das Ausmaß einer Abweichung XM der Maske 22 in der X- Richtung ermittelt. Gleichermaßen entspricht eine durch den Synchronverstärker 34 erfaßte Phasenabweichung ΔTW zwischen den in den Gleichungen (27) und (28) dargestellten Signalen dem folgenden Ausdruck:
ΔTW = 4ΦW = 8π/p XW
Auf diese Weise kann das Ausmaß einer Abwechung MW des Halbleiterplättchens 23 in der M-Richtung ermittelt werden.
Die Maske 22 kann mit dem Halbleiterplättchen 23 durch das Bewegen des Plättchens in der Weise ausgerichtet werden, daß die Ausmaße der Abweichungen der Maske 22 und des Halbleiterplättchens 23 in der M-Richtung gleich werden.
Wenn die Teilungsabstände der Beugungsgitter 24 und 25 zu 2µm gewählt sind, die mittlere Wellenlänge des von dem Zeeman-Laser 15 abgegebenen Lichtes auf λ = 0,6321 µm eingestellt ist und der Beugungswinkel des bei dem senkrechten Einfallen des Lichtes auf die Beugungsgitter 24 und 25 In ±erster Ordnung gebeugten Lichtes mit Θ±1 bezeichnet ist, dann ergibt sich Θ±1 = sin&supmin;¹ (0,6328/2) = 18,4º aufgrund der Beziehung:
Θ±m = sin (mλ/P) (m = Beugungsordnung) 29)
Damit das auf die Beugungsgitter 24 und 25 fallende Licht nach oben zu senkrecht zu der Maske 22 und dem Halbleiterplättchen 23 gebeugt wird, sollten daher die Spiegel 20 und 21 derart eingestellt werden, daß der rechte und der linke Einfallwinkel gleich Θ±1 ist.
Das Ermitteln des Ausmaßes der Abweichung des Beugungsgltters 24 an der Maske 22 und des Beugungsgitters an dem Halbleiterplättchen 23 aufgrund der vorstehend beschriebenen Prinzipien ermöglicht es, auf genaue Weise die Ausrichtung einer Halbleiterbelichtungsvorrichtung zu erfassen. Auf diese Weise werden bei diesem Ausführungsbeispiel zwei die Schwebungssignale bildenden Lichtstrahlen mit voneinander verschiedenen Frequenzen (f&sub1; und f&sub2;) derart aufgestrahlt, daß sie zueinander in Bezug auf die Richtung (x-Ausrichtung) entgegengesetzt liegen, in der eine Lageabweichung gemessen werden soll. Das Erfassen der Lage erfolgt aufgrund der Phasenabweichung zwischen den durch ein jeweiliges Paar von zwei Paaren von Lichtstrahlen gebildeten Schwebungssignalen. Daher ist dann, wenn die aufgrund der Phasenabweichung von durch eines der Paare von Lichtstrahlen von diesen beiden Paaren von Lichtstrahlen gebildeten Schwebungssignalen ausgeführte Erfassung der Lage mit der Lageerfassung verglichen wird, die aus der Phasenabweichung von Schwebungssignalen vorgenommen wird, deren Phase festgelegt ist, die Phasenabweichung das Doppelte des Ausmaßes einer Lageabweichung. Daher ist die Auflösung bei der Ermittlung der Lageabweichung auf das Zweifache erhöht.
Die Ausgangssignale aus den Synchronverstärkern 34 und 35 werden einer Zentralsteuereinheit Cp zugeführt, wodurch das Ausmaß der Abweichung der Maske von dem Halbleiterplättchen (oder das Vorliegen und die Richtung der Abweichung) ermittelt wird. Entsprechend der ermittelten Abweichung wird an eine bekannte Maskenstellvorrichtung 22A zum Versetzen einer Maske in der x-Richtung und / oder einer bekannten Plättchenstellvorrichtung 23A zum Versetzen eines Plättchens in der x-Richtung ein Stellbefehlssignal abgegeben und die Maske mit den Plättchen ausgerichtet. In der y-Richtung ist ein Satz dieser Stellvorrichtungen angeordnet und es erfolgt auf gleichartige Weise wie in der x-Richtung die Ausrichtung in der y-Richtung, obgleich dies in der Beschreibung weggelassen ist.
Die Fig. 5 veranschaulicht das dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung und zeigt eine Markierungsüberdeckungs-Bewertungseinrichtung zum genauen Erfassen und Bewerten von Lageabwechungen zwischen zwei durch zwei Belichtungen aufgezeichneten Mustern zum Bewerten der Markierungsüberdeckung. Polarisiertes Licht 42 (mit P-Polarisation und einer Frequenz f&sub1;) und polarisiertes Licht 43 (mit S-Polarisation und einer Frequenz f&sub2;), die aus einem Zeeman-Laser 41 abgegeben werden und die einander unter rechtem Winkel kreuzen, werden hinsichtlich der Amplituden durch einen Strahlenteiler 44 geteilt. Von dem Strahlenteiler 44 reflektierte Lichtstrahlen 42' und 43' (jeweilige Reflexionslichtstrahlen aus den Lichtstrahlen 42 und 43) werden durch eine λ/4-Platte 45 hindurchgelassen. Dabei wird die Polarisationsrichtung um π/2 gedreht. Der Lichtstrahl 42' wird aus dem P-polarisierten Lichtstrahl zu einem S-polarisierten Lichtstrahl 42'" und der Lichtstrahl 43' wird aus dem S-polarisierten Lichtstrahl zu einem P- polarisierten Lichtstrahl 43'". Die Richtung der Lichtstrahlen 42'" und 43'", die durch die λ/4-Platte 45 durchgelassen wurden, wird durch einen Spiegel 46 umgelenkt und die Lichtstrahlen werden auf die ganze Fläche von Beugungsgittern 48 und 49 aufgestrahlt, die an einem Plättchen 50 angebracht sind. Die an dem Plättchen 50 angebrachten Beugungsgitter 48 und 49 sind gemäß der Darstellunq in Fig. 6 zwei aneinander angrenzende, gleichmäßig beabstandete und lineare Beurungsgitter, die an einem Plättchen durch mehrere Markierungsprozesse ausgebildet werden. Ihre Teilungsabstände sind gleich und jeweils P. Während des Markierens wird zwischen den Beugungsgittern 48 und 49 eine Lageabweichung Δx in der x- Richtung hervorgerufen.
Andererseits wird die Laufrichtung von Lichtstrahlen 42" und 43" (Durchlaßlichtstrahlen der Lichtstrahlen 42 und 43) durch einen Spiegel 47 geändert und die Lichtstrahlen werden auf die Beugungsgitter 48 und 49 aufgestrahlt. Dabei entsprechen komplexe Amplitudendarstellungen EAS (f&sub1;) und EAP (f&sub2;) des durch das Beugungsgitter 48 in +erster Ordnung gebeugten Lichtes der links einfallenden Lichtstrahlen 42'" und 43'" und komplexe Amplitudendarstellungen EAP (f&sub1;) und EAS (f&sub2;) des in -erster Ordnung gebeugten Lichtes der rechts einfallenden Lichtstrahlen 42" und 43" den folgenden Gleichungen:
EAS (f&sub1;) = A exp (i (w&sub1;t+Φ&sub1;+ΦA) } (30)
EAP (f&sub2;) = B exp (i (w&sub2;t+Φ&sub2;+ΦA) } (31)
EAP (f&sub1;) = A exp (i (w&sub1;t+Φ&sub1;-ΦA) } (32)
EAS (f&sub2;) = B exp (i (w&sub2;t+Φ&sub2;-ΦA) } (33)
wobei A und B Amplituden sind, w&sub1; und w&sub2; Winkelfrequenzen sind, Φ&sub1; und Φ&sub2; die Anfangephasen des von dem Zeeman-Laser 41 abgegebenen Lichtes sind und ΦA = 2πxA/P ist. Ferner entsprechen jeweilige komplexe Amplitudendarstellungen EBS (f&sub1;) und EBP (f&sub2;) des durch das Beugungsgitter 49 in - erster Ordnung gebeugten Lichtes der links einfallenden Lichtstrahlen 42'" und 43'" und komplexe Amplitudendarstellungen EBP (f&sub1;) und EBS (f&sub2;) des in +erster Ordnung gebeugten Lichtes der rechts einfallenden Lichtstrahlen 42" und 43" den folgenden Gleichungen:
EBS (f&sub1;) = A exp (i (w&sub1;t+Φ&sub1;+ΦB) } (34)
EBP (f&sub2;) = B exp (i (w&sub2;t+Φ&sub2;+ΦB) } (35)
EBP (f&sub1;) = A exp (i (w&sub1;t+Φ&sub1;-ΦB) } (36)
EBS (f&sub2;) = B exp (i (w&sub2;t+Φ&sub2;+ΦB) } (37)
wobei ΦB = 2πxB/P ist. In diesen Gleichungen sind mit xA und xB jeweils die Ausmaße der Abweichung der Beugungsgltter 48 und 49 aus einer Bezugsiage in der x- Richtung bezeichnet.
Diejenigen Lichtstrahlen, bei denen die Polarisationsebenen der durch die Beugungsgitter 48 und 49 gebeugten Lichtstrahlen miteinander ausgerichtet sind, interferieren miteinander und es werden vier Interferenzlichtstrahlen erhalten. Von den durch das Beugungsgitter 48 gebeugten Lichtstrahlen sind die P- polarisierten Lichtstrahlen durch die Gleichungen (31) und (32) dargestellt. Die Intensitätsänderung IAP eines Interferenzlichtstrahls 61 ist:
IMP = A² + B² + 2AB cos { (w&sub2;-w&sub1;) t + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) - 2ΦA} (38)
Gleichermaßen sind die S-polarisierten Lichtstrahlen durch die Gleichungen (30) und (33) ausgedrückt. Die Intensitätsänderung IAS eines Interferenzlichtstrahls 62 und die Intensitätsänderungen IBP und IBS eines Interferenzlichtstrahls 63 mit P-Polarisation gemäß den Gleichungen (35) und (36) sowie eines Interferenzlichtstrahls 64 mit S-Polarisation gemäß den Gleichungen (34) und (37) können durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:
IAS = A² + B² + 2AB cos { (w&sub2;-w&sub1;) t + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) - 2ΦA} (39)
IBP = A² + B² + 2AB cos { (w&sub2;-w&sub1;) t + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) + 2ΦB} (40)
IBS = A² + B² + 2AB cos { (w&sub2;-w&sub1;) t + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) - 2ΦB} (41)
Diese Interferenzlichtstrahlen werden getrennt und fotoelektrsich gemessen, um Schwebungesignale mit einer Winkelfrequenz w&sub2; - w&sub1; zu erfassen. Die jeweiligen Interferenzlichtstrahlen können auf die nachstehend nargestellte Weise getrennt werden. Die Trennung der Interferenzlichtstrahlen ist in Fig. 7 dargestellt. Die Richtung der durch die Beugungsgitter 48 und 49 gebeugten Lichtstrahlen wird durch einen Spiegel 51 geändert und die Strahlen werden einem Poiarisationsstrahlenteiler 52 zugeleitet. Infolgedessen werden durch diesen die Interferenzlichtstrahlen 61 und 63 mit P-Polarisation durchgelassen und die Interferenzlichtstrahlen 62 und 64 mit S-Polarisation reflektiert, wobei die Strahlen zweigeteilt werden.
Die Interferenzlichtstrahlen 61 und 63 der jeweils durch die Beugungsgitter 48 und 49 gebeugten Lichtstrahlen werden durch einen Randspiegel 53 voneinander getrennt. Die Interferenzlichtstrahlen 62 und 64 der jeweils durch die Beugungsgitter 48 und 49 gebeugten Lichtstrahlen werden durch einen Randepiegel 54 voneinander getrennt. Durch fotoelektrische Detektoren 55, 56, 57 und 58 werden die jeweiligen Interferenzlichtstrahlen in elektische Signale umgesetzt, welche Synchronverstärkern 59 und 60 zugeführt werden. Wenn mit dem Synchronverstärker 60 das Ausmaß ΔTA der Phasenabweichung zwischen den in den Gleichungen (38) und (39) dargestellten Signalen erfaßt wird, ergibt sich der folgende Ausdruck:
ΔTA = 4ΦA = 8π/p XA
Auf diese Weise wird die Abweichung MA des Beugungsgitters 48 in der x-Richtung aus der Phase des Ausgangssignals des Sychronverstärkers 60 ermittelt. Gleichermaßen ergibt sich bei dem Erfassen einer Phasenabweichung ΔTB zwischen den in den Gleichuncen (40) und (41) dargestellten Signalen der folgende Ausdruck:
ΔTB = 4ΦB = 8π/p XB
Auf diese Weise kann die Abweichung MB des Beugungsgitters 49 in der x-Richtung ermittelt werden. Ferner kann die relative Abweichung Δx zwischen den Beugungsgittern 48 und 49 durch eine Recheneinheit 65 bestimmt werden, welche aufgrund der Ausgangssignale der Synchronverstärer 59 und 60 die Differenz zwischen XA und XB berechnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Phasenabweichung von Schwebungssignalen in Bezug auf ein vorbestimmtes Abweichungsausmaß doppelt so groß wie in dem Fall, daß eine Phasendifferenz mit Schwebungssignalen als Bezugssignale bestimmt wird, deren Phase festgelegt ist.
Das Bewerten einer Markierungsüberlagerung durch ein Halbleiterbelichtungsgerät kann derart erfolgen, daß gemäß den vorangehend beschriebenen Prinzipien die Abweichung zwischen einem ersten markierten Gittermuster und einem zweiten markierten Gittermuster bestimmt wird. Die Gittermuster werden beispielsweise durch jeweils eine von zwei Belichtungen unter vorbestimmter Bewegung eines Objekttisches ausgebildet bzw. "eingebrannt". Dann wird die vorangehend beschriebene Bewertung der Markierungsüberlagerung vorgenommen. Auf diese Weise kann die Stufenbewertung des Belichtungegerätes ausgeführt werden. Außerdem wird nach deni ersten Markieren eine Ausrichtung ausgeführt. Wenn nach einer zweiten Belichtungemarkierung die vorstehend beschriebene Uberlagerungsbewertung ausgeführt wird, kann damit die Ausrichtung bewertet werden.
Die Fig. 8 veranschaulicht das vierte Ausführungsbeispiel der Erfindung und zeigt eine Überlagerungsmeßeinrichtung eines Halbleiterbelichtungsgerätes. Bei dem in Fig. 5 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel wurde der Fall beschrieben, daß die Amplituden der von dem Zeeman-Laser 41 abgegebenen Lichtstrahlen durch den Strahlenteiler 44 geteilt werden und die Strahlen auf die Beugungsgitter 48 und 49 an dem Plättchen 50 aufgestrahlt werden. Bei diesem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel werden jedoch die aus einer Lichtquelle 70 wie einem Laser abgegebenen Lichtstrahlen mittels eines Frequenzumsetzers zu Lichtstrahlen u&sub1; (mit P-Polarisation und einer Frequenz f&sub1;) und u&sub2; (mit S-Polarisation und einer Frequenz f&sub2;) umgesetzt, deren Frequenzen f voneinander etwas verschieden sind und die unter rechten Winkeln zueinander polarisiert sind. Wenn mit Φ&sub1; und Φ&sub2; Anfangsphasen bezeichnet sind, mit C&sub1;&sub0; und C&sub2;&sub0; Amplituden bezeichnet sind und mit w&sub1; und w&sub2; Winkelfrequenzen w&sub1; 2π f&sub1; und w&sub2; 2π f&sub2; bezeichnet sind, entsprechen komplexe Amplitudendarstellungen der jeweiligen Lichtstrahlen u&sub1; und u&sub2; den nachstehenden - Gleichungen:
u&sub1; = C&sub1;&sub0; exp {i (w&sub1;t+Φ&sub1;) } (42)
u&sub2; = C&sub2;&sub0; exp (i (w&sub2;t+Φ&sub2;) } (43)
Die Durchmesser der beiden Lichtstrahlen u&sub1; und u&sub2; werden durch einen Strahlendehner 72 auf einen gemeinsamen optischen Weg zusammengefaßt. Durch einen Spiegel 73 wird die Fortpflanzungsrichtung der Lichtstrahlen derart geändert, daß diese senkrecht auf ein lineares Beugungsgitter 74 fallen (dessen Gitterlinien in der Richtung von links nach rechts in der Darstellung angeordnet sind und die Gittermuster sich in einer zur Zeichnungsebene senkrechten Richtung erstrecken). Im Falle eines Durchlaß-Beugungsgitters wird bei der Betrachtung der xz-Ebene in der Darstellung in Fig. 8 von der +y-Seite her gesehen das Beugungslicht an der rechten Seite (+x-Seite) in Bezug auf die Fortpflanzungsrichtung des in 0-ter Ordnung gebeugten Lichtes (positiv reflektierten Lichtes) zu in +m-ter Ordnung gebeugtem Licht. Das Beugungslicht an der linken Seite (-x-Seite) wird zu in -m-ter Ordnung gebeugtem Licht. Im Falle eines Reflexions-Beugungsgitters gilt das Gegenteil. Allgemein ändert sich dann, wenn ein Beugungsgitter um einen Teilungsabstand senkrecht zu dem Gittermuster des Beugungsgitters (in x-Richtung nach Fig. 8) bewegt wird, die Phase des Beugungslichtes um 2mπ, wobei m die Ordnung der Beugung ist. Wenn das Beugungsgitter 74 aus einer Bezugslage heraus in x-Richtung um xA bewegt wird, erhalten in erster Ordnung gebeugte Lichtstrahlen 76 und 77 (jeweils gebeugte Lichtstrahlen aus u&sub1; und u&sub2;) und in -erster Ordnung gebeugte Lichtstrahlen 78 und 79 (jeweils gebeugte Lichtstrahlen aus u&sub1; und u&sub2;) Phasenverschiebungen -2πxA/P und 2πxA/P, wobei P der Teilungsabstand des Beugungsgitters 74 ist. Wenn mit C&sub1;&sub1; und C&sub2;&sub1; Amplituden bezeichnet sind, entsprechen komplexe Amplituden u&sub1;(1), u&sub2;(1), u&sub1;(-1) u&sub2;(-1) der in ±erster Ordnung gebeugten Lichtstrahlen 76, 77, 78 und 79 den folgenden Ausdrücken (wobei die Beugungsordnung in Klammern angegeben ist)
u&sub1; (1) = C&sub1;&sub1; exp {i (w&sub1;t+Φ&sub1;+ΦA)} (44)
u&sub2; (1) = C&sub2;&sub1; exp {i (w&sub2;t+Φ&sub2;+ΦA)} (45)
u&sub1; (-1) = C&sub1;&sub1; exp {i (w&sub1;t+Φ&sub1;-ΦA)} (46)
u&sub2; (-1) = C&sub2;&sub1; exp {i (w&sub2;t+Φ&sub2;-ΦA)} (47)
wobei ΦA = 2πXA/P ist.
Ein in 0-ter Ordnung gebeugter Lichtstrahl 80 wird beispielsweise durch ein Raumfilter 81 beseitigt, so daß er nicht auf die Beugungsgitter 48 und 49 an dem Plättchen 50 fallen kann. Durch eine λ/2-Platte 75 werden die in erster Ordnung gebeugten Lichtstrahlen 76 und 77 zu Lichtstrahlen 76' und 77', bei denen die jeweiligen Polarisationsebenen um 90º gedreht sind. Die Laufrichtungen der gebeugten Lichtstrahlen 76' und 77, sowie 78 und 79 werden jeweils durch Spiegel 91 und 92 derart geändert, daß die Strahlen auf die ganze Fläche der an dem Plättchen 50 angeordneten Beugungegitter 48 und 49 aufgestrahlt werden.
Die an dem Plättchen 50 angeordneten Beugungsgitter 48 und 49 sind wie bei dem dritten Ausführungsbeispiel zwei aneinander angrenzende, gleichmäßig beabstandete lineare Beugungegitter gemäß der Darstellung in Fig. 6. Ihre Teilungsabstände sind die gleichen und gleich P. Zwischen den Beugungsgittern 48 und 49 wird eine Abweichung Δx in x- Richtung hervorgerufen.
Dabei entsprechen die durch das Beugungsgitter 48 in erster Ordnung gebeugten Lichtstrahlen u1B (1,1) und u2B (1,1) aus den Lichtstrahlen 76' und 77' und die in -erster Ordnung gebeugten Lichtstrahlen u1B (-1, (-1) und u2B (-1, (-1) aus den Lichtstrahlen 78 und 79 den folgenden Ausdrücken:
u1B (1, 1) = C1B exp {i (w&sub1;t+Φ&sub1;+ΦA+ΦB)} (48)
u2B (1, 1) = C2B exp {i (w&sub2;t+Φ&sub2;+ΦA+ΦB)} (49)
u1B (-1, -1) = C1B exp {i (w&sub1;t+Φ&sub1;-ΦA-ΦB)} (50)
u2B (-1, -1) = C2B exp {i (w&sub2;t+Φ&sub2;-ΦA-ΦB)} (51)
wobei C1B und C2B Amplituden sind und ΦB = 2πXB/P ist. Ferner entsprechen die durch das Beugungsgitter 49 in erster Ordnung gebeugten Lichtstrahlen u1C (1, 1) und u2C (1, 1) aus den Lichtstrahlen 76' und 77' und die in -erster Ordnung gebeugten Lichtstrahlen u1C (-1, -1) und u2C (-1, -1) aus den Lichtstrahlen 78 und 79 den folgenden Ausdrücken:
u1C (1, 1) = C1C exp {i (w&sub1;t+Φ&sub1;+ΦA+ΦC)} (52)
u2C (1, 1) = C2C exp {i (w&sub2;t+Φ&sub2;+ΦA+ΦC)} (53)
u1C (-1, -1) = C1C exp {i (w&sub1;t+Φ&sub1;-ΦA-ΦC)} (54)
u2C (-1, -1) = C2C exp {i (w&sub2;t+Φ&sub2;-ΦA-ΦC)} (55)
wobei C1C und C2C Amplituden sind und ΦC = 2πXC/P ist. In den vorstehenden Gleichungen sind mit XB und XC jeweils die Abweichungen der Beugungsgitter 48 und 49 in x-Reichtung aus der gleichen Bezugslage heraus bezeichnet.
Von den durch die Beugungsgitter 48 und 49 gebeugten Lichtstrahlen inferieren miteinander diejenigen Lichtstrahlen, deren Polarisationsebenen miteinander ausgerichtet sind, und es werden vier Interferenzlichtstrahlen erhalten. Von den durch das Beugungsgitter 48 gebeugten Lichtstrahlen sind die P- polarisierten Lichtstrahlen durch die Gleichungen (49) und (50) ausgedrückt. Die Intensitätsänderung VBP eines sich ergebenden Interferenzlichtstrahls 107 beträgt:
VBP = C²1B + C²2B + 2C1BC2B COS { (w&sub2;-w&sub1;) + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) + 2 (ΦB+ ΦA)} (56)
Gleichermaßen sind S-polarisierte Lichtstrahlen durch die Gleichungen (48) und (51) ausgedrückt. Die Intensitätsänderung VBS des sich ergebenden Interferenzlichtstrahls 108 sowie Intensitätsänderungen VCP und VCS eines Interferenzlichtstrahls 109 mit P- Polarisation gemäß den Gleichungen (53) und (54) und eines Interferenzlichtstrahls 110 mit S-Polarisation gemäß den Gleichungen (52) und (55) der durch das Beugungsgitter 49 gebeugten Lichtstrahlen können durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:
VBS = C²1B + C²2B + 2C1BC2B COS { (w&sub2;-w&sub1;) + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) + 2 (ΦB+ ΦA)} (57)
VCP = C²1C + C²2C + 2C1CC2C COS { (w&sub2;-w&sub1;) + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) + 2 (ΦC+ ΦA)} (58)
VCS = C²1C + C²2C + 2C1CC2C COS { (w&sub2;-w&sub1;) + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) + 2 (ΦC+ ΦA)} (59)
Die jeweiligen Interferenzlichtstrahlen können gemäß der nachstehenden Beschreibung der Beispiele voneinander getrennt werden:
Die Laufrichtung der durch die Beugungsgitter 48 und 49 gebeugten Lichtstrahlen wird durch einen Spiegel 96 geändert und die Strahlen werden einem Polarisationsstrahlenteiler 97 zugeleitet. Infolgedessen werden durch den Polarisationsstrahlenteiler 97 die Interferenzlichtstrahlen 107 und 1ö9 mit P-Polarisation durchgelassen und die Interferenzllchtstrahlen 108 und 110 reflektiert, wodurch die Strahlen zweigeteilt werden.
Außerdem werden durch Spiegel 98 und 99 die Lichtstrahlen in die folgenden zwei Strahlen geteilt: (a) die Interferenzlichtstrahlen 107 und 108 aus dem durch das Beugungsgitter 48 gebeugten Licht und (b) die Interferenzlichtstrahlen 109 und 110 aus dem durch das Beugungegitter 49 gebeugten Licht. Die auf diese Weise voneinander getrennten jeweiligen Interferenzlichtstrahlen werden durch fotoelektrische Detektoren 100, 101, 102 und 103 (zum Beispiel Lawineneffekt-Fotodioden) in elektrische Signale umgesetzt, die Synchronverstärkern 104 und 105 zugeführt werden.
In den Gleichungen (56), (57), (58) und (59) sind C²1B + C²2B und C²1C + C²2C gleichbleibende Komponenten und 2C1BC2B und ²C1CC2C sind Amplituden der Frequenz f&sub2;-f&sub1;. Signale mit den Schwebungsfrequenzkomponenten f&sub2;-f&sub1; haben die anfängliche Phasenabweichung Φ&sub2;-Φ&sub1; und werden über die Zeit im Falle der Gleichungen (56) und (57) durch Abweichungen 2 (ΦB+ΦA) und -2 (ΦB+ΦA) für das Beugungsgitter 74 und das Beugungegitter 48 sowie im Falle der Gleichungen (58) und (59) durch die Abweichungen 2 (ΦC+ ΦA) und -2 (ΦC+ΦA) für das Beugungsgitter 74 und das Beugungegitter 49 phasenmoduliert. Daher kann dann, wenn mit einem der in den Gleichungen (56) und (57) dargestellten Signale als Bezugssignal und dem anderen als zu messendes Signal eine zeitliche Abweichung zwischen den beiden Signalen ermittelt wird, die Anfangephase des Lichtstrahls aufgehoben werden, was eine hochgenaue Lageerfassung bei der sogenannten Überlagerungsinterferenz Messung ermöglicht.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird daher bei dem Überlagerungsinterferenz-Verfahren eine Phasenabweichung zwischen zwei Signalen als Zeit erfaßt und nicht durch eine Differenz zwischen gleichbleibenden Komponenten von Signalen oder durch Anderungen ihrer Amplituden beeinflußt. Wenn mittels des Synchronverstärkers 105 die Phasenabweichung ΔTB zwischen den in den Gleichungen (56) und (57) dargestellten Signalen erfaßt wird, kann das Ausmaß der relativen Abweichung zwischen den Beugungsgittern 74 und 48 in der x-Richtung aufgrund der folgenden Gleichung bestimmt werden:
ΔTB = 8π/p (XB + XA)
Wenn mittels des Synchronverstärkers 104 die Phasenabweichung ΔTC zwischen den in den Gleichungen (58) und (59) dargestellten Signalen erfaßt wird, kann das Ausmaß der relativen Abweichung zwischen den Beugungsgittern 74 und 49 in der x-Richtung aufgrund der folgenden Gleichung bestimmt werden:
ΔTC = 8π/p (XC + XA)
Außerdem kann die relative Abweichung zwischen den Beugungsgittern 48 und 49 durch Messen der Differenz zwischen der Abweichung zwischen den Beugungsgittern 74 und 48 und der Abweichung zwischen den Beugungsgittern 74 und 49 bestimmt werden. Dies wird durch eine Recheneinheit 111 ausgeführt, wenn die Ausgangssignale aus den Synchronverstärkern 104 und 105 aufgenommen werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist gleichfalls eine Phasenabweichung für die gleiche Abweichung das Zweifache derjenigen bei der Verwendung von Schwebungssignalen als Bezugesignale, deren Phasen festgelegt sind. Wenn die Teilungsabstände der Beugungegitter 74, 48 und 49 zu 2µm angesetzt sind, die Wellenlänge des aus der Lichtquelle 70 abgegebenen Lichtes auf λ = 0,6328 µm eingestellt Ist und der Beugungswinkel des in ±erster Ordnung gebeugten Lichtes bei dessen senkrechten Einfallen auf das Beugungegltter 74 mit Θ±1 bezeichnet Ist, ergibt sich, Θ±1 = sin&supmin;¹ (0,6328/2) = 18,4º aufgrund der Beziehung:
Θ±m = sin (mλ/P)
(m = Beugungsordnung)
Damit das auf die Beugungsgitter 48 und 49 fallende Licht senkrecht zu dem Plättchen 50 nach oben gebeugt wird, sollen daher die Spiegel 91 und 92 derart eingestellt werden, daß der rechte und der linke Einfaliwinkel gleich Θ±1 sind.
Bei dieser Messung kann eine Phasendifferenz von λ/500 erfaßt werden. Die Lageabweichung zwischen den Beugungsgittern 74 und 48 oder die Lageabweichung zwischen den Beugungsgittern 74 und 49 entspricht 0,0021 µm.
Die Fig. 9 zeigt ein typisches Beispiel für den Frequenzumsetzer 71. Mit 121 und 126 sind Polarisationsstrahlenteiler bezeichnet, mit 122 und 123 sind akustische Lichtmodulatoren bezeichnet und mit 124 und 125 sind Spiegel bezeichnet. Wenn als Modulatore 122 und 123 akustische Lichtmodulatore für jeweils 80 und 123 MHz benutzt werden, wird zwischen zwei Lichtstrahlen eine Frequenzdifferenz von 1 MHz erzielt, bei der die Polarisationszustände zueinander unter rechtem Winkel stehen. Wenn auf diese Weise aufgrund der vorangehend beschriebenen Prinzipien die Abweichung eines ersten markierten Gittermusters von einem zweiten markierten Gittermuster bestimmt wird, können die genaue Ausrichtung eines Halbleiterbelichtungsgerätes und ein Ausmaß der Abweichung zwischen echten Elementernustern erfaßt werden, die durch das erste und zweite Markieren bzw. Aufzeichnen gebildet werden.
Die Fig. 10 ist eine Darstellung, die das fünfte Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Die von der Lichtquelle 70 abgegebenen Lichtstrahlen werden durch den Frequenzumsetzer 71 zu Lichtstrahlen u&sub1; (mit P- Polarisation und einer Frequenz f&sub1;) und u&sub2; (mit S- Polarisation und einer Frequenz f&sub2;) umgesetzt, deren Frequenzen f voneinander etwas verschieden sind und deren Polarisationsebenen einander unter rechtem Winkel schneiden. Wenn mit Φ&sub1; und Φ&sub2; Anfangsphasen bezeichnet sind, mit C&sub1;&sub0; und C&sub2;&sub0; Amplituden bezeichnet sind und mit w&sub1; und w&sub2; Winkelfrequenzen w&sub1;= 2π f&sub1; und w&sub2; = 2π f&sub2; bezeichnet sind, können komplexe Amplitudendarstellungen der Lichtstrahlen u&sub1; und u&sub2; durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:
u&sub1; = C&sub1;&sub0; exp {i (w&sub1;t+Φ&sub1;) } (61)
u&sub2; = C&sub2;&sub0; exp (i (w&sub2;t+Φ&sub2;) } (62)
Durch den Strahlendehner 72 werden die Durchmesser der beiden Lichtstrahlen u&sub1; und u&sub2; auf einem gemeinsamen optischen Weg zusammengefaßt. Deren Fortpflanzungsrichtung wird durch den Spiegel 73 geändert und die Strahlen fallen senkrecht auf die linearen Beugungsgitter 48 und 49 an dem Plättchen 50.
Wenn die Abweichungen der Beugungsgitter 48 und 49 aus einer Bezugslage heraus jeweils mit xB und xC bezeichnet sind, kommen gemäß der Darstellung durch einen optischen Weg R1 in Fig. 10 jeweils zu den in +erster Ordnung gebeugten Lichtstrahlen u1B (1) und u2B (1) (gebeugten Lichtstrahlen u&sub1; bzw. u&sub2;) aus dem Beugungegitter 48 und zu den in +erster Ordnung gebeugten Lichtstrahlen u1C (1) und u2C (1) (den gebeugten Lichtstrahlen u&sub1; bzw. u&sub2;) aus dem Beugungsgitter 49 bei dem Teilungsabstand P der Beugungsgitter jeweils Phasenverschiebungen 2πxB/P und 2π xC/P hinzu. Die komplexen Amplituden der Lichtstrahlen entsprechen den folgenden Ausdrücken:
u1B (1) = C1B exp {i (w&sub1;t+Φ&sub1;+ΦB)} (63) -1
u2B (1) = C2B exp {i (w&sub2;t+Φ&sub2;+ΦB)} (63) -2
u1C (1) = C1C exp {i (w&sub1;t+Φ&sub1;+ΦC)} (63) -3
u2C (1) = C2C exp {i (w&sub2;t+Φ&sub2;+ΦC)} (63) -4
wobei C1B, C2B, C1C und C2C Amplituden sind, ΦB = 2πXB/P ist und ΦC = ²πMC/P ist. Komplexe Amplituden von in - erster Ordnung gebeugten Lichtstrahlen u1B (und u2b (-1) (Beugungslichtstrahlen von u&sub1; bzw. u&sub2;) aus dem Beugungsgitter 48 und von in -erster Ordnung gebeugten Lichtstrahlen ulC (-1) und u2c (-1) (Beugungslichtstrahlen von u&sub1; bzw. u&sub2;) aus dem Beugungsgitter 49 gemäß der Darstellung durch einen optischen Weg R&sub2; in Fig. 10 entsprechen den folgenden Ausdrücken:
u1B (-1) = C1B exp {i (w&sub1;t+Φ&sub1;-ΦB)} (64) -1
u2B (-1) = C2B exp {i (w&sub2;t+Φ&sub2;-ΦB)} (64) -2
u1C (-1) = C1C exp {i (w&sub1;t+Φ&sub1;-ΦC)} (64) -3
u2C (-1) = C2C exp {i (w&sub2;t+Φ&sub2;-ΦC)} (64) -4
Die in + erster Ordnung gebeugten Lichtstrahlen werden jeweils durch Spiegel 91 und 92 abgelenkt und treten in einen Polarisationsstrahler 134 ein. Lichtstrahlen u1B (1), u1C (1), u1B (-1) und u1C (-1) mit P-Polarisation werden durch den Polarisationsstrahlenteiler 134 hindurchgelassen. Lichtstrahlen u2B (1), u2C (1), u2B (-1) und u2C (-1) mit S-Polarisation werden durch den Polarisationsstrahlenteiler 134 reflektiert. Danach werden deren Polarisationsebenen durch Glan-Thornson-Prismen 135 und 136 ausgerichtet und die Strahlen interferieren miteinander. Von den aus dem Glan- Thomson-Prisma 135 austretenden Lichtstrahlen sind die Intensitätsänderung VBL der Interferenzlichtstrahlen aus dern durch das Beugungsgitter 48 gebeugten Licht und die Intensitätsänderung VCL der Interferenzlichtstrahlen aus dern durch das Beugungsgitter 49 gebeugten Licht jeweils die folgenden:
VBL = u1B (-1) + u2B (1) ² = C²1B + C²2B +2C1BC2B cos { (w&sub2;-w&sub1;) t + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) + 2ΦB} (65)
VCL = u1C (-1) + u2C (1) ² = C²1C + C²2C +2C1CC2C cos { (w&sub2;-w&sub1;) t + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) + 2ΦC} (66)
Von den aus dem Glan-Thomson-Prisma 136 austretenden Lichtstrahlen sind die Intensitätsänderung VBR des Interferenzlichtstrahls aus dem durch das Beugungsgitter 48 gebeugten Licht und die Intensitätsänderung VCR des Interferenzlichtstrahls aus dem durch das Beugungsgitter 49 gebeugten Licht jeweils:
VBR = u1B (-1) + u2B (1) ² = C²1B + C²2B +2C1BC2B cos { (w&sub2;-w&sub1;) t + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) + 2ΦB} (67)
VCR = u1C (-1) + u2C (1) ² = C²1C + C²2C +2C1CC2C cos { (w&sub2;-w&sub1;) t + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) + 2ΦC} (68)
Im weiteren werden durch Spiegel 137 und 138 die Lichtstrahlen räumlich in Interferenzlichtstrahlen 145 (gemäß Gleichung (65)) und 147 (gemäß Gleichung (67)) des Beugungslichtes aus dem Beugungsgitter 48 und Interferenzlichtstrahlen 146 (gemäß Gleichung (66)) und 148 (gemäß Gleichung (68)) des Beugungslichtes aus dem Beugungegitter 49 getrennt. Die Intensitätsänderungen der jeweiligen Interferenzlichtstrahlen werden durch fotoelektrische Wandler 140, 143, 141 und 142 erfaßt. Die elektrischen Signale werden den Synchronverstärkern 105 und 104 zugeführt. Da hierbei die Anfangsphase des Lichtes aufgehoben werden kann, entsprechen die durch die Synchronverstärker 105 und 104 erfaßten Phasenabweichungen ΔT&sub5; und ΔTC jeweils den folgenden Ausdrücken: ΔTB = 4ΦB = 8πxB/P, ΔTC = 4ΦC = 8πxC/P.
Durch die Recheneinheit 111 wird die Abweichung aufgrund der vorangehend bei dem vierten Ausführungbeispiel beschriebenen Gleichungen gemessen.
Die Fig. 11 ist eine Darstellung, die das sechste und das siebente Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Bei dem sechsten Ausführungsbeispiel wird in höherer Ordnung (±m-ter Ordnung; m = 2, 3, 4, ...) gebeugtes Licht verwendet, wogegen bei dem vierten und dem fünften Ausführungsbeispiel der Fall darcestellt ist, daß eine Abweichung durch Verwendung des von den Beugungsgittern 74, 48 und 49 in ±erster Ordnung gebeugten Lichtes erfaßt wird.
Wenn die Teilungsabstände der Beugungsgitter 74, 48 und 49 nach Fig. 11 auf P = 2 µm eingestellt sind und die Wellenlänge des Lichtes aus der (nicht dargestellten) Lichtquelle 70 auf λ = 0,6328 µm eingestellt ist, ergeben sich aufgrund der Gleichung (60) bei dem senkrechten Einfallen des Lichtes auf das Beugungsgitter 74 die Beugungswinkel Θ&sub1; Θ&sub2; des in +zweiter Ordnung gebeugten Lichtes und des in -zweiter Ordnung gebeugten Lichtes zu Θ&sub1; = Θ&sub2; = sin&supmin;¹ (2 x 0,6328/2) = 39,3º. Damit das auf die Beugungsgitter 48 und 49 fallende Licht von dem Plättchen 50 weg senkrecht nach oben gebeugt wird, müssen die Spiegel 91 und 92 derart eingestellt werden, daß Einfallwinkel Θ&sub3; und Θ&sub4; von Lichtstrahlen 76' 77', 78 und 79 in Bezug auf die Beugungsgitter 48 und 49 gleich Θ&sub1; bzw. Θ&sub2; sind. Auf gleichartige Weise muß der Einfaliwinkel für das in ±dritter Ordnung gebeugte Licht auf Θ±3 = sin&supmin;¹ (3 x 0,6328/2) = 71,7º eingestellt werden.
Wenn das in ±m-ter Ordnung gebeugte Licht genutzt wird, sind Phasenglieder ΦAm, ΦBm und ΦCm, die den Gliedern ΦA, ΦB und ΦC in den Gleichungen (56) bis (59) entsprechen, folgendermaßen auszudrücken: ΦAm = 2mπxA/P (69) ΦBm = 2mπxB/P (70) ΦCm = 2mπxC/P (71)
wobei mit xA, xB und xC jeweils eine Abweichung des Beugungsgitters 74, 48 bzw. 49 in der x-Richtung von der gleichen Bezugsiage weg bezeichnet ist.
Daher folgt bei den Ausdrücken der Abweichungen der Beugungsgitter 48 und 49 in Bezug auf das Beugungegitter 74 als Phasenbetrag:
4 (ΦBm + ΦAm) =8mπ/p (XB + XA) (72)
4 (ΦCm + ΦAm) =8mπ/p (XC + XA) (73)
Daher kann dann, wenn für die Messungen das in höherer Ordnung gebeugte Licht genutzt wird, ein die Abweichung eines Beugungsgitters in der x-Richtung anzeigendes Phasenmaß mit einem höheren Ernpfindlichkeitsgrad bestimmt werden. Wenn beispielsweise für die Messungen das in ±m-ter Ordnung gebeugte Licht benutzt wird, ist die Empfindlichkeit m-fach höher als bei der Nutzung des in ±erster Ordnung gebeugten Lichtes.
Bei dem vierten und sechsten Ausführungsbeispiel werden gemäß Fig. 11 auf die ganze Fläche der Beugungsgitter 48 und 49 unter dem gleichen Einfallwinkel (Θ&sub3; = Θ&sub4;) die Lichtstrahlen 76' und 77' von links her und die Lichtstrahlen 78 und 79 von rechts her aufgestrahlt. Beugungslichtetrahlen, dessen Absolutwerte der Ordnungen die gleichen sind (zum Beispiel +m-te Ordnung und -m-te Ordnung, m = 1, 2, 3, ...) werden miteinander zur Interferenz gebracht und für Messungen genutzt. Bei dem siebenten Ausführungsbeispiel werden die Einfallwinkel der Lichtstrahlen 76' und 77' und der Lichtstrahlen 78 und 79 in Bezug auf die Beugungegitter 48 und 49 durch Ändern der Winkel der Spiegel 91 und 92 eingestellt. Es kann die Interferenz von Beugungslichtstrahlen hervorgerufen werden, deren Absolutwerte der Ordnungen voneinander verschieden sind (zum Beispiel +m-te Ordnung und -n-te Ordnung mit m = 1, 2, 3, . . . und n = 1, 2, 3, .. ., m ≠ n ) und es kann damit die Abweichung erfaßt werden.
Die Spiegel 91 und 92 nach Fig. 11 werden derart eingestellt, daß bezüglich der Beugungsgitter 48 und 49 die in +rn-ter Ordnung gebeugten Lichtstrahlen aus den Lichtstrahlen 76' und 77' und die in -n-ter Ordnung gebeugten Lichtstrahlen aus den Lichtstrahlen 78 und 79 von dern Plättchen 50 weg senkrecht nach oben gebeugt werden und die Einfallwinkel Θ&sub3; und Θ&sub4; in Bezug auf die Beugungsgitter 48 und 49 festgelegt sind. Falls dabei für das Licht aus dem Beugungsgitter 74 die in +1-ter Ordnung gebeugten Lichtstrahlen benutzt werden, ist für das dem Glied ΦA in den Gleichungen (48) bis (55) entsprechende Phasenglied ΦA1 die folgende Beziehung erfüllt:
ΦA1 = 2 l π xA/P (74)
Wenn ΦB in den Gleichungen (48) und (49) mit ΦBm bezeichnet wird und ΦB in den Gleichungen (50) und (51) mit ΦBn bezeichnet wird, sind die folgenden Beziehungen erfüllt:
ΦBm = 2mπ xB/P (75)
ΦBn = 2nπ xB/P (76)
Wenn ferner ΦC in den Gleichungen (48) und (49) mit ΦCm bezeichnet wird und ΦC in den Gleichungen (50) und (51) mit ΦCn bezeichnet wird, sind die folgenden Beziehungen erfüllt:
ΦCm = 2mπ xC/P (77)
ΦCn = 2nπ xC/P (78)
Dabei entsprechen Intensitätsänderungen V'BP, V'BS, V'CP und V'CS von Interferenzlichtstrahlen 107, 108, 109 und 110 nach Fig. 8 den folgenden Ausdrücken:
V'BP = C²1 + C²2 +2C&sub1;C&sub2; cos { (w&sub2;-w&sub1;) t + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) + (ΦBm+ ΦBn) + 2ΦA1 } (79)
V'BS = C²1 + C²2 +2C&sub1;C&sub2; cos { (w&sub2;-w&sub1;) t + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) + (ΦBm+ ΦBn) + 2ΦA1 } (80)
V'CP = C²1 + C²2 +2C&sub1;C&sub2; cos { (w&sub2;-w&sub1;) t + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) + (ΦCm+ ΦCn) + 2ΦA1 } (81)
V'CS = C²1 + C²2 +2C&sub1;C&sub2; cos { (w&sub2;-w&sub1;) t + (Φ&sub2;-Φ&sub1;) + (ΦCm+ ΦCn) + 2ΦA1 } (82)
Bei der Darstellung der Abweichungen der Beugungsgitter 48 und 49 in Bezug auf das Beugungsgitter 74 durch eine Phasengröße folgt daher:
2 (ΦBm+ ΦBn) - 4ΦA1 = 8mπ/p { (m + n) XB + 1XA)} (83)
2 (ΦCm+ ΦCn) - 4ΦA1 = 8mπ/p { (m + n) XC + 1XA)} (83)
Die Subtraktion der rechten Seite der Gleichung (83) von der rechten Seite der Gleichung (84) ergibt folgendes:
4π (m + n)/p (XB - XC) (85)
Daher kann aufgrund der Differenz zwischen den durch die Synchronverstärker 104 und 105 erfaßten Phasengrößen eine relative Abweichung zwischen den Beugungsgittern 48 und 49 in der x-Richtung durch den Ausdruck (85) bestimmt werden.
Die Fig. 12 veranschaulicht das achte Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dem dritten Ausführungsbeisplel tritt zuerst zum Trennen der Interferenzlichtstrahlen 61, 62, 63 und 64 gemäß Fig. 7 ein Lichtstrahl in den Polarisationsstrahlenteiler 52 ein. Nach der Zweiteilung des Lichtstrahls in (a) die P-polarisierten Lichtstrahlen 61 und 63 und (b) die S-polarisierten Lichtstrahlen 62 und 64 werden die Lichtstrahlen durch den Randspiegel 53 (54) in den Interferenzlichtstrahl 61 (62) aus dem durch das Beugungsgitter 48 gebeugten Licht und den Interferenzlichtstrahl 63 (64) aus dem durch das Beugungsgitter 49 gebeugten Licht getrennt. Bei dem in Fig. 12 dargestellten Ausführungsbeispiel werden nach der Zweiteilung der Lichtstrahlen durch einen Spiegel 150 in die (a) aus den durch das Beugungsgitter 48 gebeugten Lichtstrahlen gebildeten Interferenzlichtstrahlen 61 und 62 und die (b) aus den durch das Beugungsgitter 49 gebeugten Lichtstrahlen gebildeten Interferenzlichtstrahlen 63 und 64 die Lichtstrahlen mittels eines Polarisationsstrahlenteilers 151 (152) in den Ppolarisierten Lichtstrahl 61 (63) und den S-polarisierten Lichtstrahl 62 (64) getrennt.
Fig. 13 und 14 sind Darstellungen, die jeweils das neunte und das zehnte Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulichen. Zwischen den für die Messungen bei dem dritten bis achten Ausführungsbeispiel verwendeten Beugungsgittern 48 und 49 besteht keine Versetzung einer Mustermitte in einer Richtung, in der eine Lageversetzung erfaßt wird. Bei diesem neunten und zehnten Ausführungsbeispiel werden jedoch die Beugungsgitter 48 und 49 von vorneherein derart angeordnet, daß zwischen den Beugungsgittern 48 und 49 eine Versetzung um eine bekannte Größe X besteht, und die Versetzung wird zum Messen der Abweichung Δx zwischen den Mustern subtrahiert. Die Fig. 13 zeigt einen Zustand, bei dem eine Versetzung in einer Richtung eingestellt ist, die im rechten Winkel zu der Richtung steht, in der eine Lageversetzung erfaßt wird. Die Fig. 14 zeigt einen Zustand, bei dem eine Versetzung nur in der Richtung eingestellt ist, in der eine Lageversetzung erfaßt wird.
Gemäß der vorangehenden Beschreibung kann bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen eine Empfindlichkeit erzielt werden, die ungefähr zweifach größer ist als bei einem Meßverfahren, bei dem eine Überlagerungsinterferenz mit Schwebungssignalen als Bezugseignale angewandt wird, deren Phasen festgelegt sind.
Eine nun beschriebene Meßeinrichtung gemäß den Ausführungsbeispielen enthält eine Lichtstrahlformungseinheit, die ein erstes Paar von Strahlen mit voneinander verschiedenen Frequenzen und ein zweites Paar von Strahlen mit voneinander verschiedenen Frequenzen bildet, die derart kombiniert werden, daß Schwebungssignale mit der gleichen Frequenz erzeugt werden, eine Bestrahlungseinheit für das Bestrahlen einer Beugungseinheit mit den jeweiligen Strahlenpaaren in der Weise, daß durch die Bestrahlungseinheit von ersten und zweiten Lichtstrahlen ein Lichtstrahl niedriger Frequenz des einen Strahlenpaares und ein Lichtstrahl hoher Frequenz des anderen Strahlenpaares in einer ersten Ordnung gebeugt werden und ein Lichtstrahl hoher Frequenz des einen Strahlenpaares und ein Lichtstrahl niedriger Frequenz des anderen Strahlenpaares in einer zweiten Ordnung gebeugt werden, deren Vorzeichen von demjenigen der ersten Ordnung verschieden ist, und eine Versetzungsinformation- Erfassungseinheit zum Erhalten einer Information über eine relative Versetzung der Beugungseheit dadurch, daß ein erstes Schwebungssignal, welches durch Überlagern des ersten Paares von gebeugten Strahlen erhalten wird, mit einem zweiten Schwebungssignal verglichen wird, welches durch Überlagern des zweiten Paares von gebeugten Strahlen erhalten wird.
Vor der Erläuterung der Ausführungsbeispiele wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 5 die Technologie beschrieben, die eine Voraussetzung für die nachfolgenden Ausführungsbeispiele ist. Die Fic. 15 ist eine schematische Darstellung eines Längenmeßgerätes, in dern die erforderliche Technologie angewandt ist.
Gemäß Fig. 15 wird zuerst ein monochromatischer Lichtstrahl aus einem Halbleiterlaser LD durch einen Polarisationsstrahlenteiler BS1 in zwei Lichtstrahlen L1 und L2 aufgeteilt. Die Lichtstrahlen L1 und L2 werden jeweils in akustische Lichtmodulatoren AO1 und A02 eingegeben. Frequenzen f&sub1; und f&sub2; von ausgegebenen Lichtstrahlen, deren Polarisationsebenen gegeneinander um 90º geneigt sind, sind gegeneinander in einem derartigen Ausmaß versetzt, daß deren Schwebungssignale auf elektrische Weise gemessen werden können. Die Lichtstrahlen werden durch einen Halbspiegel KM vereinigt.
Ein Teil dieses zusammengefaßten Lichtstrahls wird durch einen Strahlenteiler BS2 herausgegriffen und durch ein Fotoempfangselement PD1 wird ein optisches Überlagerungssignal als Bezugssignal erhalten. An eine Stelle vor dem Fotoempfangselement PD1 ist eine Polarisationsplatte PP1 eingefügt, deren Polarisationsrichtung um 45º schräggestellt ist, damit die Polarisationsebenen der beiden Lichtstrahlen miteinander ausgerichtet werden und dabei die Lichtstrahlen miteinander interferieren.
Wenn der durch den Strahlenteiler BS2 abgeteilte restliche Lichtstrahl senkrecht auf ein Beugungsgitter GS trifft und gebeugt wird, kommt zu der Beugungswellenfront eine Phasenverschiebung δ des Beugungsgitters GS hinzu. Nimmt man an, daß die Anfangsphase eines einfallenden Strahls Null ist, so ist die Strahlenphase der gebeugten Wellen exp {i (wt + mδ)}, wobei m die Ordnung der Beugung ist. Beispielsweise sind jeweils der in der +ersten Ordnung gebeugte Lichtstrahl und der in der -ersten Ordnung gebeugte Lichtstrahl exp {i (wt + δ)} und exp {i (wt - δ)} } Zum Herausgreifen der Lichtstrahlen mit nur der Frequenz f&sub1; für einen in +erster Ordnung gebeugten Lichtstrahl L3 und der Lichtstrahlen nur mit der Frequenz f&sub2; für einen in - erster Ordnung gebeugten Lichtstrahl L4 sind in den optischen Wegen für die Lichtstrahlen L3 und L4 jeweils Polarisationsfilter PF1 und PF2 angeordnet. Die in Würfeleckenprismen CC1 und CC2 eintretenden Lichtstrahlen L3 und L4 werden jeweils in der zu der Einfallrichtung parallelen und entgegengesetzten Richtung reflektiert, zu einem Punkt P2 an dem Beugungegitter GS zurückgeleitet, ein zweites Mal in der gleichen Ordnung wie bei der ersten Beugung gebeugt, um zu einem Lichtstrahl zu werden, miteinander überlagert und in ein Fotoempfangselement PD2 eingegeben.
Für eine einen Teilungsabstand des Beugungsgitters GS entsprechende Versetzung in der x-Richtung entsteht hinsichtlich der Phase des in +erster Ordnung gebeugten Lichtstrahls L3 eine Phasenvoreilung um eine Wellenlänge. Hinsichtlich der Phase des in -erster Ordnung gebeugten Lichtstrahls L4 besteht eine Phasenverzögerung um eine Wellenlänge. Sobald diese Lichtstrahlen noch einmal durch die Würfeleckenprismen CC1 und CC2 reflektiert und in der gleichen Ordnung wie zuvor gebeugt werden, kommt zu den Phasen der beiden Lichtstrahlen bei deren Zusammenfassung eine Phasendifferenz um vier Wellenlängen hinzu.
Wenn ein Lichtstrahl mit einer Frequenz f&sub1; durch u&sub1; = a exp {i (w&sub1;t) } und ein Lichtstrahl mit einer Frequenz f&sub2; durch u9= b exp {i (w&sub2;t) } dargestellt sind (wobei a und b Konstanten sind, t die Zeit ist und i die imaginäre Einheit ist), entspricht ein durch das Fotoempfangselement PD1 als Bezugseignal erhaltenes optisches Überlagerungssignal dem folgenden Ausdruck:
IREF = a² + b² + 2ab cos (w&sub1;-w&sub2;) t
Da in dieser Gleichung w&sub1; = 2π f&sub1; und w&sub2; = 2π f&sub2; ist, ist dieses Signal ein Signal mit einer Frequenz, die der Differenz zwischen f&sub1; und f&sub2; entspricht. Da jedes Mal dann, wenn der Lichtstrahl L3 gebeugt wird, zu dem in +erster Ordnung gebeugten Lichtstrahl L3 die Phasenverschiebung δ des Beugungsgitters GS hinzukommt und letztlich der in +erster Ordnung gebeugte Lichtstrahl zweimalig gebeugt wird, ergibt sich der folgende Ausdruck:
u'&sub1; = a' exp {i (w&sub2;t + 2δ)}
wobei a' eine Konstante ist. Da jedes Mal dann, wenn der Lichtstrahl L4 gebeugt wird, die Phase δ des Beugungsgitters GS von dem in -erster Ordnung gebeugten Lichtstrahl L4 subtrahiert wird und dieser letztlich zweimalig gebeugt wird, fällt auf das Fotoempfangselement PD2 ein Lichtstrahl gemäß dem Ausdruck
u'&sub2; = b' exp {i (w&sub2;t + 2δ)}
wobei b' eine Konstante ist. Daher ist ein durch das Fotoempfangselement PD2 erhaltenes optisches Überlagerungssignal folgendermaßen auszudrücken:
ISIG = a'² + b'² + 2a'b' cos {w&sub1;-w&sub2;) t + 4δ}
Die Frequenz dieses Signals ist die gleiche wie diejenige des Bezugssignals, aber die Phase des optischen Uberlagerungssignals ist gegenüber der Phase des Bezugssignals um eine Größe 46 verschoben, welche zu dem Ausmaß der Versetzung des Beugungsgitters GS proportional ist.
Die durch die Fotoempfangselemente PD1 und PD2 erhaltenen beiden Lichtüberlagerungssignale werden in einen Phasendifferenzdetektor PDC eingegeben. Die Phasendifferenz zwischen den Signalen wird erfaßt, um das Ausmaß der Versetzung des Beugungsgitters GS zu messen. Falls die Gitterkonstante des Beugungsgitters GS als 1,6 µm angesetzt ist und das Ausmaß der Versetzung des Beugungsgitters GS mit x bezeichnet wird, ist die folgende Beziehung erfüllt:
4δ 4 x 2πx/1,6 [rad]
Daraus geht klar hervor, daß dann, wenn eine Phasenabweichung um eine Periode, nämlich um 2π [rad] erfaßt wird, das Beugungsgitter GS um 1,6 µm / 4 = 0,4 µm versetzt ist. Die Messung einer Versetzungsgröße mit einem hohen Auflösungsgrad wird dadurch ermöglicht, daß eine minimale Phasendifferenz gemessen wird, die ausreichend kleiner als eine Periode ist. Falls beispielsweise ein Phasendlfferenzdetektor eingesetzt wird, der für eine Auflösung bis zu 0,2º geeignet ist, kann theoretisch eine Versetzung um 0,22 [nm] gemessen werden.
Nachstehend werden auf der vorstehend beschriebenen vorausgesetzten Technologie basierende Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erläutert.
Die Fig. 16 ist eine schematische Darstellung eines Längenrneßgerätes gemäß dem elften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Bestandteile nach Fig. 16, welche die gleichen sind wie die in Fig. 15 dargestellten, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Gemäß Fig. 16 wird ein monochrornatischer Lichtstrahl aus dem Halbleiterlaser LD zuerst durch den Polarisationsstrahlenteiler BS1 in zwei Lichtstrahlen L1 und L2 aufgeteilt. Die Lichtstrahlen L1 und L2 werden jeweils in die akustischen Lichtmodulatoren AO1 und AO2 eingegeben. Frequenzen f&sub1; und f&sub2; der ausgegebenen Lichtstrahlen, deren polarisationsebenen n Bezug zueinander um 90º verdreht sind, sind auf Frequenzen umgesetzt, die sich in einem derartigen Ausmaß unterscheiden, daß deren Schwebungesignale auf elektrische Weise gemessen werden können. Die Lichtstrahlen werden durch den Halbspiegel HM zusammengefaßt.
Der zusammengefaßte Lichtstrahl wird durch einen Strahlenteiler BS3 in zwei Strahlen aufgeteilt. Der durchgelassene Lichtstrahl wird durch einen Spiegel MR3 reflektiert. Die Strahlen treffen jeweils an Punkten P5 und P3 senkrecht auf das Beugungsgitter GS und werden gebeugt. In die optischen Wege von Lichtstrahlen L7 und L8 sind jeweils Polarisationsfilter PF5 und PF6 eingefügt, um für den an dem Punkt P5 in +erster Ordnung gebeugten Lichtstrahl L7 nur Lichtstrahlen mit der Frequenz f&sub1; und für den in -erster Ordnung gebeugten Lichtstrahl L8 nur Lichtstrahlen mit der Frequenz f&sub2; herauszugreifen. Gleichermaßen sind in die optischen Wege für Lichtrahlen L5 und L6 jeweils Polarisationsfilter PF3 und PF4 eingefügt, um für den an dem Punkt P3 in +erster Ordnung gebeugten Lichtstrahl L5 nur Lichtstrahlen mit der Frequenz f&sub2; und für den in -erster Ordnung gebeugten Lichtstrahl L6 nur Lichtstrahlen mit der Frequenz f&sub1; herauszugreifen. Die Lichtstrahlen L7, L8, L5 und L6 treten jeweils in Würfeleckenprismen CCS, CC6, CC3 und CC4 ein, werden in einer zu der Einfallrichtung parallelen und entgegengesetzten Richtung reflektiert, zu Punkten P6 und P4 an dem Beugungsgitter GS zurückgeleitet, ein zweites Mal in der gleichen Ordnung wie bei der ersten Beugung zu einem Lichtstrahl gebeugt und einander überlagert. Die Lichtstrahlen werden an den Punkten P6 und P4 ein zweites Mal in der gleichen Ordnung wie bei der ersten Beugung gebeugt. Ab diesen beiden Punkten werden jeweils zwei Lichtstrahlen zu einem Lichtstrahl zusammengefaßt. Der zusammengefaßte Lichtstrahl von dem Punkt P6 her wird in ein Fotoempfangselement PD3 eingegeben und der zusammengefaßte Lichtstrahl von dem Punkt P4 her wird in ein Fotoempfangselement PD4 eingegeben. An Stellen vor den Fotoernpfangselementen PD3 und PD4 ist jeweils eine Polarisationeplatte PP3 bzw. PP4 angeordnet, deren Polarisationsrichtung um 45º gedreht ist, damit die Lichtstrahlen unter Ausrichtung ihrer Polarisationsebenen miteinander inferieren.
Für eine einem Teilungsabstand des Beugungsgitters GS entsprechende Versetzung in der x-Richtung entsteht hinsichtlich der Phasen der in der +ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahlen L7 und L5 eine Phasenvoreilung um eine Wellenlänge. Hinsichtlich der Phasen der in der -ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahlen L8 und L6 entsteht eine Phasenverzögerung um eine Wellenlänge. Wenn diese Lichtstrahlen nochmals durch die Würfeleckenprismen reflektiert und in der gleichen Ordnung wie zuvor gebeugt werden, kommt zu der Phase der zusammengefaßten Lichtstrahlen L7 und L8 eine Phasendifferenz von vier Wellenlängen hinzu, wenn die Lichtstrahlen wieder an dem Punkt P6 zusammengefaßt werden. Ferner kommt zu den an dem Punkt P4 zusammengefaßten Lichtstrahlen L5 und L6 eine Phasendifferenz von vier Wellenlängen hinzu.
Nimmt man an, daß gemäß der vorangehenden Beschreibung w&sub1; = 2π f&sub1; und w&sub2; = 2π f&sub2; ist, so werden der Lichtstrahl L1 durch u&sub1; = a exp {i (w&sub1;t) } und der Lichtstrahl L2 durch u&sub2; = a exp {i (w&sub2;t) } ausgedrückt. Mit der Gitterkonstante P des Beugungsgitters GS wird die dem Versetzungsausmaß x des Beugungsgitters GS entsprechende Phasenverschiebung δ folgendermaßen ausgedrückt:
δ = 2πx/p
Da zu dem in der +ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahl L7 bei jedem Beugen desselben die Phasenverschiebung δ des Beugungsgitters GS hinzukommt und der Strahl zweimalig in der +ersten Ordnung gebeugt wird, kann der Lichtstrahl bei dern Einfallen auf das Fotoempfangselement PD3 durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
u"&sub1; = a" exp {i (w&sub1;t + 2δ} wobei a" eine Konstante ist. Da von dem in der -ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahl L8 bei jeder Beugung desselben die Phasenverschiebung δ des Beugungsgitters GS subtrahiert wird und der Strahl letztlich zweimalig in -erster Ordnung gebeugt wird, fällt auf das Fotoempfangselement PD3 ein Lichtstrahl gemäß dem Ausdruck
u"&sub2; = b" exp {i (w&sub2;t + 2δ)
wobei b' eine Konstante ist. Daher ist ein durch das Fotoernpfangselement PD3 erhaltenes optisches Überlagerungssignal folgendermaßen auszudrücken:
IPD3 = a"² + b"² + 2a"b" cos { (w&sub1;-w&sub2;) t + 4δ}
Die Frequenz dieses Signals ist gleich der Differenz zwischen f&sub1; und f&sub2;. Der Phase desselben ist wegen der Beugung eine zu dem Ausmaß der Versetzung des Beugungsgitters GS proportionale Größe 4δ hinzugefügt. Da zu dem in +erster Ordnung gebeugten Lichtstrahl L5 bei jeder Beugung desselben die Phasenverschiebung δ des Beugungsgitters GS addiert wird und der Strahl insgesamt zweimalig in der +ersten Ordnung gebeugt wird, kann für den Lichtstrahl bei dessen Einfallen auf das Fotoempfangselement PD4 die folgende Gleichung aufgestellt werden:
u'"2 = b'" exp {i (w&sub2;t + 2δ)}
wobei b'" eine Konstante ist. Da von dem in -erster Ordnung gebeugten Lichtstrahl L6 bei jeder Beugung desselben die Phasenverschiebung δ des Beugungsgitters GS subtrahiert wird und der Strahl letztlich zweimal in der -ersten Ordnung gebeugt wird, fällt auf das Fotoempfangselement PD4 ein Lichtstrahl gemäß dem Ausdruck
u'"1 = a'" exp {i (w&sub1;t + 2δ)}
wobei a'" eine Konstante ist. Daher entspricht ein durch das Fotoempfangselement PD4 erhaltenes optisches Überlagerungssignal dem folgenden Ausdruck:
IPD4 = a'"² + b'"² + 2a'"b'" cos { (w&sub1;-w&sub2;) t - 4δ}
Die Frequenz dieses Signals ist die gleiche wie die durch das Fotoempfangselement PD3 erhaltene und von der Phase ist durch die Beugung die zu dem Ausmaß der Versetzung des Beugungsgitters GS proportionale Größe 4δ subtrahiert. Die beiden durch die Fotoempfangselemente PD3 und PD4 erhaltenen optischen Überlagerungssignale werden in den Phasendifferenzdetektor PDC eingegeben. Durch den Detektor PDC wird die Phasendifferenz zwischen den Signalen erfaßt, um das Ausmaß der Versetzung des Beugungsgitters GS zu messen. Wenn die Gitterkonstante des Beugungsgitters GS zu 1,6 µm angesetzt ist und das Ausmaß der Versetzung des Beugungsgitters GS mit x bezeichnet ist, ist die folgende Beziehung erfüllt:
8δ = 8 x 2πx/1,6 [rad]
Es ist daher ersichtlich, daß bei dem Erfassen einer Phasenabweichung um eine Periode, nämlich von 8δ = 2π [rad] das Beugungsgitter GS um 1,6 µm / 8 = 0,2 =µm versetzt ist. Dies bedeutet, daß das Ausmaß einer Versetzung, welches durch eine Phasendifferenz um eine Periode erfaßt werden kann, die Hälfte desjenigen bei dem vorangehend beschriebenen Gerät nach Fig. 15 ist. Demzufolge ist selbst dann, wenn ein Phasendifferenzdetektor mit der gleichen Auflösung eingesetzt wird, ein erfaßbares minimales Versetzungsausrnaß bei dem Gerät gemäß diesem Ausführungsbeispiel halb so groß wie bei dem Gerät nach Fig. 15 und es wird eine höhere Auflösung erzielt. Die Verwendung eines vorangehend genannten Phasendifferenzdetektors, der für eine Auflösung bis zu 0,2º geeignet ist, ermöglicht theoretisch das Messen einer Versetzung um 0,11 [nm].
In Fig. 17 ist das zwölfte Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Obgleich bei diesem Ausführungsbeispiel das optische System um das Beugungsgitter herum die gleiche Form wie bei dem elften Ausführungsbeispiel zeigt, wird ein Bezugssignal herausgegriffen und das Verfahren zum Erfassen einer Phasendifferenz ist abgewandelt. Nachstehend sind Komponenten, welche die gleichen wie die vorangehend beschriebenen sind, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Gemäß Fig. 17 wird ein monochromatischer Lichtstrahl aus dem Halbleiterlaser LD zuerst durch den Polarisationsstrahlenteiler BS1 in die zwei Lichtstrahlen L1 und L2 aufgeteilt. Die Lichtstrahlen L1 und L2 werden jeweils in die akustischen Lichtmodulatoren AO1 und A02 eingegeben. Die Frequenzen f&sub1; und f&sub2; der ausgegebenen Lichtstrahlen, deren Polarisationsebenen gegeneinander um 90º gedreht sind, werden zu Frequenzen umgesetzt, die sich in einem derartigen Ausmaß unterscheiden, daß deren Schwebungssignale elektrisch gemessen werden können. Durch den Halbspiegel HM werden die Lichtstrahlen zusammengeführt.
Durch den Strahlenteiler BS2 wird ein Teil dieses zusammengefaßten Lichtstrahles herausgegriffen und durch das Fotoempfangselement PD1 wird als Bezugseignal ein Lichtüberlagerungssignal erhalten. Damit dabei die Polarisationsebenen der beiden Lichtstrahlen ausgerichtet werden und eine Interferenz der Lichtstrahlen hervorgerufen wird, ist an einer Stelle vor dem Fotoempfangselement PD1 die Polarisationsplatte PP1 eingefügt, deren Polarisationsrichtung um 45º geneigt ist.
Per durch den Strahlenteiler BS2 aufgeteilte andere Lichtstrahl wird im weiteren durch den Strahlenteiler BS3 zweigeteilt. Die von dem Strahlenteiler BS3 durchgelassenen Lichtstrahlen werden durch den Spiegel MR3 reflektiert und die durchgelassenen und die reflektierten Lichtstrahlen treffen jeweils an den Punkten P3 und P5 senkrecht auf das Beugungsgitter GS und werden gebeugt. In den optischen Wegen für die Lichtstrahlen L7 und L8 sind jeweils die Polarisationsfilter PF5 und PF6 angeordnet, um für den in der +ersten Ordnung an dem Punkt P5 gebeugten Lichtstrahl L7 nur Lichtstrahlen mit der Frequenz f&sub1; und für den in der -ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahl L8 nur Lichtstrahlen mit der Frequenz f&sub2; herauszugreifen. Gleichermaßen sind in den optischen Wegen für die Lichtstrahlen L5 und L6 jeweils die Polarisationsfilter PF3 und PF4 angeordnet, um für den an dem Punkt P3 in der +ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahl L5 nur Lichtstrahlen mit der Frequenz f&sub2; und für den in der -ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahl L6 nur Lichtstrahlen mit der Frequenz f&sub1; herauszugreifen. Die Lichtstrahlen L7, L8, L5 und L6 treten jeweils in die Würfeleckenprismen CCS, CC6, CC3 und CC4 ein und werden jeweils in der zu der Einfallrichtung parallelen und entgegengesetzten Richtung reflektiert und zu den Punkten P6 und P4 an dem Beugungsgitter GS zurückgeleitet An diesen beiden Punkten werden die Lichtstrahlen ein zweites Mal in der gleichen Ordnung wie bei der ersten Beugung zu einem einzigen Lichtstrahl gebeugt. Die zusammengefaßten Lichtstrahlen von dem Punkt P6 her treffen auf das Fotoempfangselement PD3 und die zusammengefaßten Lichtstrahlen von dem Punkt P4 her treffen auf das Fotoempfangselement PD4. Damit die Polarisationsebenen der beiden zusammengefaßten Lichtstrahlen miteinander ausgerichtet werden und die Lichtstrahlen miteinander inferieren, sind an Stellen vor den Fotoempfangselementen PD3 und PD4 jeweils die Polarisationsplatten PP3 und PP4 eingefügt, deren Polarisationsrlchtungen um 450 schräg gestellt sind.
Für eine einem Teilungsabstand des Beugungsgitters GS entsprechende Versetzung in der x-Richtung entsteht hinsichtlich der Phase der in der +ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahlen L7 und L5 eine Phasenvoreilung um eine Wellenlänge. Hinsichtlich der Phase der in der -ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahlen L8 und L6 entsteht eine Phasenverzögerung um eine Wellenlänge. Wenn diese Lichtstrahlen jeweils durch die Würfeleckenprismen reflektiert und nochmals in der gleichen Ordnung wie zuvor gebeugt werden, wird zu der Phase der zusammengefaßten Lichtstrahlen L7 und L8 eine Phasendifferenz für vier Wellenlängen addiert, wenn die Lichtstrahlen an dem Punkt P6 zusammengefaßt werden. Ferner wird zu der Phase der zusammengefaßten Lichtstrahlen L5 und L6 bei deren Zusammenfassung an dem Punkt P4 eine Phasendifferenz für vier Wellenlängen addiert.
Wenn gemäß der vorangehenden Beschreibung ein Lichtstrahl mit der Frequenz f&sub1; durch u&sub1; = a exp {i (w&sub1;t)} dargestellt ist und ein Lichtstrahl mit der Frequenz f&sub2; durch u&sub2; = b exp {i (w&sub2;t) } dargestellt ist, wird ein durch das Fotoempfangselement PD1 als Bezugssignal erhaltenes Lichtüberlagerungssignal folgendermaßen ausgedrückt:
IREF = a² + b² + 2ab cos (w&sub1;-w&sub2;) t.
Da in dieser Gleichung w&sub1; = 2π f&sub1; und w&sub2; = 2π f&sub2; ist, ist dieses Signal ein Signal mit einer Frequenz, die der Differenz zwischen f&sub1; und f&sub2; entspricht. Die Phasenverschiebung δ des Beugungsgitters GS, die dem Ausmaß der Versetzung des Beugungsgitters GS entspricht, wird gemäß den vorangehenden Ausführungen folgendermaßen ausgedrückt:
δ = 2πx/p
Da die Phasenverschiebung 6 des Beugungsgltters GS zu dem in der +ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahl L7 bei jedem Beugen desselben addiert wird und der Strahl letztlich zweimalig in der +ersten Ordnung gebeugt wird, kann für den Lichtstrahl bei dessen Auftreffen auf das Fotoempfangselement PD3 der folgende Ausdruck aufgestellt werden:
u"&sub1; = a" exp {i (w&sub1;t + 2δ) }.
Da von dem in der -ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahl L8 bei jedem Beugen desselben die Phasenverschiebung 6 des Beugungsgitters GS subtrahiert wird und der Strahl letztlich zwei Mal in der -ersten Ordnung gebeugt wird, trifft auf das Fotoempfangselement PD3 ein Lichtstrahl gemäß dem Ausdruck
u"&sub2; = b" exp {i (w&sub2;t + 2δ) }
Daher entspricht ein durch das Fotoempfangselement PD3 erhaltenes Lichtüberlagerungssignal dem folgenden Ausdruck:
IPD3 = a"² + b"² + 2a"b" cos { (w&sub1;-w&sub2;) t + 4δ) }
Die Frequenz dieses Signals ist die gleiche wie diejenige des Bezugesignals. Die Phase dieses Signals eilt derjenigen des Bezugssignals um eine Größe 46 vor, die zu dem Ausmaß der Versetzung des Beugungsgitters GS proportional ist. Da zu dem in der +ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahl L5 bei jedem Beugen desselben die Phasenverschiebung 6 des Beugungsgitters GS addiert wird und der Strahl letztlich zwei Mal in der +ersten Ordnung gebeugt wird, kann für den Lichtstrahl bei dessen Auftreffen auf das Fotoempfangselerment PD4 der folgende Ausdruck aufgestellt werden:
u'"2 = b'" exp {i (w&sub2;t + 2δ) }
Da von dem in der -ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahl L6 bei jeder Beugung desselben die Phasenverschiebung δ des Beugungsgitters GS subtrahiert wird und der Strahl letztlich zwei Mal in der -ersten Ordnung gebeugt wird, fällt auf das Fotoempfangselement PD4 ein Lichtstrahl gemäß dern Ausdruck
ut"&sub1; = a'" exp {i (w&sub1;t - 2δ)}
Daher ist ein durch das Fotoempfangselement PD4 erhaltenes Lichtüberlagerungssignal folgendermaßen auszudrücken:
IPD4 = a'"² + b'"² + 2a'"b'" cos { (w&sub1;-w&sub2;) t - 4δ) }
Die Frequenz dieses Signals ist die gleiche wie diejenige des Bezugssignals und die Phase des Signals ist in Bezug auf diejenige des Bezugssignals um eine Größe 46 verzögert, die zu dem Ausmaß der Versetzung des Beugungsgitters GS proportional ist. Die beiden durch die Fotoempfangselemente PD3 und PD4 erhaltenen optischen Überlagerungesignale werden in einen Phasendifferenzdetektor PDCA eingegeben. Durch den Detektor PDCA wird die Phasendifferenz zwischen den Signalen erfaßt, um das Ausmaß der Versetzung des Beugungsgitters GS zu messen. Wenn die Gitterkonstante des Beugungsgitters GS zu 1,6 µm angesetzt ist und das Ausmaß der Versetzung des Beugungsgitters GS mit x bezeichnet wird, ist die folgende Beziehung erfüllt:
8δ = 8 x 2πx/1,6 [rad]
Daher ist ersichtlich, daß dann, wenn eine Phasenabweichung von 8δ = 2π [rad] erfaßt wird, das Beugungsgitter GS um 1,6 µm / 8 = 0,2 m versetzt ist. Dies ist das gleiche wie bei dern elften Ausführungsbeispiel Der Einsacz ccs vorangehen genannten Phasendifferenzdetektors mit der Auflösung von 0,2º ermöglicht theoretisch das Messen einer Versetzung von 0, 11 [nm] . Bei diesem Ausführungsheisciel win das usgangesignal aus dem Detektor PDCA in ene Zentraleinheit (CPU) C eingegeben, durch die die Signale verarbeitet werden und die Größe einer Versetzung berechnet wird.
Auf die vorstehend beschriebene Weise wird durch einen Phasendifferenzdetektor PDCB eine Phasendifferenz an den Fotoempfangselementen PD1 und PD3 erfaßt und mit einer Phasendifferenz verglichen, die durch einen Phasendifferenzdetektor PDCC aus den Fotoempfangselementen PD1 und PD4 erhalten wird. Obwohl die Absolutwerte der beiden Phasendifferenzen gleich, nämlich 46 sind, sind dabei dann, wenn zwischen den beiden optischen Wegen zum Beispiel infolge einer Luftströmung eine Temperaturdifferenz besteht, die beiden Phasendifferenzen einander nicht gleich. Daher wird dann, wenn durch die Zentraleinheit eine Differenz zwischen diesen Phasendifferenzen ermittelt wird, die Feststellung getroffen, daß der Meßwert fehlerhaft ist. Wenn ein Unterschied zwischen diesen Phasendifferenzen einen zulässigen Wert übersteigt, kann durch die Zentraleinheit eine fehlerhafte Eingabe eines Meßwertes durch folgendes verhindert werden: (1) Abgeben eines Befehlssignals an eine nicht dargestellte Stelivorrichtung, um eine feine Bewegung des Beugungsgitters anzuhalten, nämlich die Messung vorübergehend zu unterbrechen, oder (2) Löschen eines Signals aus dem Phasendifferenzdetektor PDCA zu diesem Zeitpunkt.
Die Fig. 18 zeigt das dreizehnte Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Aufbau des in Fig. 18 dargestellten Gerätes dadurch vereinfacht ist, daß ein einziger optischer Weg vorgesehen ist, wogegen die vorangehenden Ausführungsbeispiele zwei gleichartige optische Wege enthalten.
Gemäß Fig. 18 wird zuerst ein monochrornatischer Lichtstrahl aus dem Halbleiterlaser LD durch den Polarisationsstrahlenteiler BS1 in die beiden Lichtstrahlen L1 und L2 aufgeteilt. Die Lichtstrahlen L1 und L2 werden jeweils in die akustischen Lichtmodulatoren AO1 und A02 eingegeben. Die Frequenzen f&sub1; und f&sub2; der ausgegebenen Lichtstrahlen, deren Polarisationsebenen gegeneinander um 90º verdreht sind, sind auf Frequenzen umgesetzt, die voneinander in einem derartigen Ausmaß verschieden sind, daß deren Schwebungssignale elektrisch gemessen werden können. Die Lichtstrahlen werden durch den Halbspiegel HM1 zusammengefaßt.
Dieser zusammengefaßte Lichtstrahl wird durch einen Halbspiegel HM2 zweigeteilt. Ein Lichtstrahl fällt an einem Punkt P1 auf das Beugungsgitter GS. Der in der +ersten Ordnung gebeugte Lichtstrahl durchläuft ein optisches System, das gemäß Fig. 19 durch zwei PolarisationspLatten 1P und 2P, deren Polarisationsrichtungen einander unter rechtem Winkel schneiden, und eine λ/2-Platte 3P gebildet ist. Nur die S-polarisierten gebeugten Lichtstrahlen mit der Frequenz f&sub1; werden in P-polarisierte Lichtstrahlen umgesetzt, die in ein Würfeleckenprisma CC1 eingegeben werden, reflektiert werden und an einem Punkt P2 auf das Beugungegitter GS fallen. Die in der -ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahlen werden dagegen in ein optisches System wie das axial um 90º gedrehte optische System nach Fig. 19 eingegeben (nämlich in das optische System, das durch Polarisationsplatten 1P' und 2P' und eine λ/2-Platte 3P' gebildet ist). Nur die P-polarisierten gebeugten Lichtstrahlen mit der Frequenz f&sub2; werden in S-polarisierte Lichtstrahlen umgesetzt, die in das Würfeleckenprisma CC2 eingegeben werden, reflektiert werden und auf den Punkt P2 an dem Beugungsgitter GS gerichtet werden. Die beiden Lichtstrahlen, die an dem Punkt P2 eingefallen sind, werden ein zweites Mal in der gleichen Ordnung wie bei dem ersten Mal gebeugt und durch einen Halbspiegel HM3 zu einem Lichtstrahl zusammengefaßt und durchgelassen, der in ein fotoelektrisches Wandlerelement PD2 eingegeben wird. Damit die Polarisationsebenen der beiden Lichtstrahlen miteinander ausgerichtet werden und die Interferenz der Lichtstrahlen miteinander hervorgerufen wird, ist an einer Stelle vor dem Wandlerelement PD2 eine Polarisationsplatte PP2 eingefügt, deren Polarisationsrichtung um 450 geneigt ist. Für eine einem Teilungsabstand des Beugungsgitters GS entsprechende Versetzung in der x-Richtung entsteht hinsichtlich der Phase des in der +ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahls eine Phasenvoreilung um eine Wellenlänge. Hinsichtlich der Phase des in der -ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahls entsteht eine Phasenverzögerung um eine Wellenlänge. Wenn diese Lichtstrahlen durch die Würfeleckenprismen reflektiert und nochmals in der gleichen Ordnung wie zuvor gebeugt werden, wird zu den Lichtstrahlen mit den Frequenzen f&sub1; und f&sub2; eine Phasendifferenz für vier Wellenlängen addiert, wenn die Lichtstrahlen an dem Punkt P2 zusammengeführt werden.
Die restlichen Lichtstrahlen, die durch den Halbspiegel HM2 durchgelassen worden sind, werden durch den Halbspiegel HM3 reflektiert und fallen an dem Punkt P2 auf das Beugungsgitter GS. Die in der +ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahlen werden in das Würfeleckenprisma CC1 eingegeben und durchlaufen dann in Gegenrichtung zu dem vorangehend beschriebenen Fall das optische System wie das in Fig. 19 dargestellte, axial um 90º gedrehte optische System. Nur die P-polarisierten gebeugten Lichtstrahlen mit der Frequenz f&sub2; werden in S-polarisierte Lichtstrahlen umgesetzt, die an dem Punkt Pl auf das Beugungsgitter GS fallen. Die in der -ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahlen treten in das in Fig. 19 dargestellte optische System in der Gegenrichtung zu dem vorangehenden Fall ein. Nur die S- polarisierten gebeugten Lichtstrahlen mit der Frequenz f&sub1; werden in P-polarisierte Lichtstrahlen umgesetzt, die an dem Punkt P1 auf das Beugungsgitter GS fallen. Die beiden auf den Punkt P1 fallenden Lichtstrahlen werden wieder gebeugt und zusammengefaßt. Die Lichtstrahlen werden durch den Halbspiegel HM2 als ein Lichtstrahl durchgelassen, der auf das fotoelektrische Wandlerelement PD1 fällt. Damit die Polarisationsebenen der Lichtstrahlen miteinander ausgerichtet werden und die Interferenz der Lichtstrahlen miteinander hervorgerufen wird, ist an einer Stelle vor dem Wandlerelement PD1 eine Polarisationsplatte PP1 eingefügt, deren Polarisationsrichtung um 45º geneigt ist.
Für eine einem Teilungsabstand des Beugungsgitters GS entsprechende Versetzung in der x-Richtung entsteht hinsichtlich der Phase der in der +ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahlen eine Phasenvoreilung um eine Wellenlänge. Hinsichtlich der Phase der in der -ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahlen entsteht eine Phasenverzögerung um eine Wellenlänge. Wenn diese Lichtstrahlen durch die Würfeleckenprismen reflektiert und nochmals in der gleichen Ordnung wie zuvor gebeugt werden, wird zu der Phase der zusammengefaßten Lichtstrahlen eine Phasendifferenz für vier Wellenlängen addiert, wenn die Lichtstrahlen an dem Punkt P1 zusammengefaßt werden.
Gemäß der vorangehenden Beschreibung wird der Lichtstrahl mit der Frequenz f&sub1; als u&sub1; = a exp {i (w&sub1;t) } ausgedrückt und der Lichtstrahl mit der Frequenz f&sub2; wird als u&sub2; = a exp {i (w&sub2;t) } ausgedrückt. Da bei den vorstehenden Gleichungen w&sub1; = 2π f&sub1; und w&sub2; = 2π f&sub2; gilt, bilden die zusammengefaßten Lichtstrahlen ein Schwebungesignal mit einer Frequenz, die der Differenz zwischen f&sub1; und f&sub2; entspricht. Mit der Gitterkonstante P des Beugungsgitters GS wird die dem Versetzungsausmaß x des Beugungsgitters GS entsprechende Phasenverschiebung folgendermaßen ausgedrückt:
δ = 2πx/P
Da zu dem an dem Punkt P1 in der +ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahl mit der Frequenz f&sub1; bei jedem Beugen desselben die Phasenverschiebung δ des Beugungsgltters GS addiert wird und der Strahl letztlich zwei Mal in der +ersten Ordnung gebeugt wird, kann für den Lichtstrahl bei dessen Auftreffen auf das Fotoempfangselement PD2 der folgende Ausdruck aufgestellt werden:
u"&sub1; = a" exp {i (w&sub1;t + 2δ)}.
Da von dem an dem Punkt P1 in der -ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahl mit der Frequenz f&sub2; jedes Mal bei dessen Beugung die Phasenverschiebung δ des Beugungsgitters GS subtrahiert wird und der Strahl schließlich zwei Mal in der -ersten Ordnung gebeugt wird, fällt auf das Fotoempfangselement PD2 ein Lichtstrahl gemäß dem Ausdruck
u"&sub2; = b" exp {i (w&sub2;t = 2δ)}
Daher entspricht ein durch das Fotoempfangselement PD2 erhaltenes Lichtüberlagerungssignal dem folgenden Ausdruck:
IPD2 = a"² + b"² + 2a"b" cos { (w&sub1;-w&sub2;) t + 4δ)
Die Frequenz dieses Signals ist gleich der Differenz zwischen f&sub1; und f&sub2;. Die Phase des Signals eilt im Vergleich zu dem Fall vor dem Auftreffen des Lichtstrahls auf das Beugungsgitter GS um eine Größe 4δ vor, die zu dem Ausmaß der Versetzung des Beugungsgitters GS proportional ist. Da zu dem an dem Punkt P2 in der +ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahl mit der Frequenz f&sub2; bei jedem Beugen desselben die Phasenverschiebung 6 des Beugungsgitters GS addiert wird und der Strahl letztlich zwei Mal in der +ersten Ordnung gebeugt wird, kann für den Lichtstrahl bei dem Auftreffen auf das Fotoempfangselement PD1 die folgende Gleichung aufgestellt werden:
u'"&sub2; = b'" exp {i "w&sub2;t + 2δ))
Da von dem an dem Punkt P2 in der -ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahl mit der Frequenz f&sub1; bei jeder Beugung desselben die Phasenverschiebung δ des Beugungsgitters GS subtrahiert wird und der Strahl letztlich zwei Mal in der -ersten Ordnung gebeugt wird, fällt auf das Fotoempfangselement PD1 ein Lichtstrahl gemäß dem Ausdruck
u'"&sub1; = a'" exp {i (w&sub1;t - 2δ) }
Daher wird ein durch das Fotoempfangselement PD1 erhaltenes Lichtüberlagerungssignal folgendermaßen dargestellt:
IPD1 = a'"2 + b'"² + 2a'"b'" cos { (w&sub1;-w&sub2;) t - 4δ}
Die Frequenz dieses Signals ist ebenfalls gleich der Differenz zwischen f&sub1; und f&sub2;. Die Phase des Signals ist im Vergleich zu dem Fall vor dem Auftreffen des Lichtstrahls auf das Beugungsgitter GS um eine Größe 46 verzögert, die zu dem Ausmaß der Versetzung des Beugungsgitters G1 proportional ist. Die durch die Fotoempfangselemente PD1 und PD2 erhaltenen beiden Lichtüberlagerungssignale werden in den Phasendifferenzdetektor PDC eingegeben. Durch den Detektor PDC wird die Phasendifferenz zwischen den Signalen erfaßt, um das Ausmaß der Versetzung des Beugungsgitters GS zu messen.
Wenn die Gitterkonstante des Beugungsgitters GS zu 1,6 µm angesetzt ist und das Ausmaß der Versetzung des Beugungsgitters GS mit x bezeichnet wird, ist die folgende Beziehung erfüllt:
8δ = 8 x 2πx/1,6 [rad]
Daher ist es klar ersichtlich, daß dann, wenn eine Phasenabweichung um eine Periode, nämlich 8δ = 2π [rad] gemessen wird, das Beugungegitter GS um 1,6 µm / 8 = 0,2 µm versetzt ist. Das Messen eines Versetzungsausmaßes mit einem hohen Auflösungsgrad wird dadurch ermöglicht, daß eine minimale Phasendifferenz erfaßt wird, die ausreichend kleiner als eine Periode ist. Die Verwendung des Phasendifferenzdetektors mit einer Auflösung von 0,2º ermöglicht theoretisch das Messen einer Versetzung von 0,11 [nm].
Jedes der vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele kann als Geschwindigkeitsmeßgerät eingesetzt werden, mit dem die Geschwindigkeit als Ausmaß der Versetzung je Zeiteinheit gemessen wird. Gemäß den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann ein Meßgerät mit einem höheren Grad an Auflösung als früher zum optischen Erfassen von Informationen über Versetzungen eingesetzt werden. Mancherlei verschiedene Ausführungsformen der Erfindung können ohne Abweichung von dem Grundgedanken und aus dem Rahmen der Erfindung gestaltet werden. Es ist offensichtlich, daß die Erfindung nicht auf die in dieser Beschreibung erläuterten besonderen Ausführungsbeispiele eingeschränkt ist. Vielmehr soll die Erfindung verschiedenerlei Abwandlungen und äquivalente Anordnungen abdecken, die im Rahmen der Patentansprüche liegen. Die nachfolgenden Patentansprüche sollen einer breiten Auslegung entsprechen, die alle möglichen Abwandlungen und äquivalenten Gestaltungen und Funktionen umfaßt.
Eine Meßeinrichtung beinhaltet das Erzeugen eines ersten und eines zweiten Paars von Lichtstrahlen mit jeweils einem niederfrequenten Lichtstrahl und einem hochfrequenten Lichtstrahl. Die beiden Paare von Lichtstrahlen erzeugen Schwebungseignale mit der gleichen Frequenz. Der niederfrequente Lichtstrahl eines der Paare und der hochfrequente Lichtstrahl des anderen Paares durchlaufen einen vorbestimmten optischen Weg, um Phasenänderungen in der gleichen Richtung hervorzurufen. Durch Überlagern des ersten und des zweiten Strahlenpaares werden Schwebungseignale erzeugt, die Meßinformationen über die Phasenänderungen ergeben.

Claims

1. Meßverfahren mit Schritten, bei denen

ein erstes Paar von Strahlen (3", 2"; 16"', 17"') gebildet wird, welches aus zwei Lichtstrahlen mit voneinander verschiedenen Frequenzen besteht,

ein zweites Paar von Strahlen (2', 3'; 16", 17") gebildet wird, welches aus zwei Lichtstrahlen mit voneinander verschiedenen Frequenzen besteht,

zwischen den beiden hochfrequenten Strahlen (3', 3"; 17", 17"') der jeweiligen Paare und zwischen den beiden niederfrequenten Strahlen (2', 2"; 16", 16"') der jeweiligen Paare eine Phasenverschiebung hervorgerufen wird,

durch Überlagern des niederfrequenten Strahles (2"; 16"') des ersten Paares mit dem hochfrequenten Strahl (3'; 17") des zweiten Paares ein erstes Schwebungssignal gebildet wird,

durch Überlagern des hochfrequenten Strahles (3"; 17"') des ersten Paares mit dem niederfrequenten Strahl (2'; 16") des zweiten Paares ein zweites Schwebungssignal gebildet wird, wobei das erste und das zweite Schwebungssignal die gleiche Frequenz haben, und

durch Vergleichen der Phasen des ersten Schwebungssignals und des zweiten Schwebungssignals die Phasenverschiebung gemessen wird.

2. Meßverfahren nach Anspruch 1, bei dem sich die Phasenverschiebung aus einer optischen Weglängendifferenz eines Überlagerungssystems für die jeweiligen hochfrequenten und niederfrequenten Strahlen ergibt, wobei die optische Weglängendifferenz aus der gemessenen Phasenverschiebung berechnet wird

3. Meßverfahren nach Anspruch 1, bei dem sich die Phasenverschiebung aus einer Versetzung eines Beugungsgitters (24, 25) ergibt, durch welches das erste Paar von Strahlen hindurchgeleitet wird, wobei die Versetzung des Beugungsgitters (24, 25) aus der gemessenen Phasenverschiebung berechnet wird

4. Meßverfahren nach Anspruch 3, bei dem das erste Paar von Strahlen (16"', 17"') in einer positiven Ordnung gebeugt wird, wodurch deren Phase verschoben wird, das zweite Paar von Strahlen (16", 17") durch das Beugungsgitter (24, 25) in einer negativen Ordnung gebeugt wird und eine Information über eine Versetzung des Gitters entlang der Gitteranordnungsrichtung des Beugungsgitters (24, 25) aus der gemessenen Phasenverschiebung berechnet wird.

5. Meßverfahren nach Anspruch 4, bei dem die positive Ordnung die positive erste Ordnung ist und die negative Ordnung die negative erste Ordnung ist.

6. Meßverfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem sich das ersten Paar von Strahlen (16"', 17"') in einer Richtung fortpflanzt, die zu einer Richtung entgegengesetzt ist, in der sich das zweite Paar von Strahlen (16", 17") fortpflanzt.

7. Meßverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die jeweils das erste Paar von Strahlen bzw. das zweite Paar von Strahlen bildenden beiden Lichtstrahlen zueinander senkrechte Polarisationen haben.

8. Meßverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der niederfrequente Strahl des ersten Paares die gleiche Frequenz wie der niederfrequente Strahl des zweiten Paares hat und der hochfrequente Strahl des ersten Paares die gleiche Frequenz wie der hochfrequente Strahl des zweiten Paares hat.

9. Meßeinrichtung, die peine Strahlformungsvorrichtung (1,15) zum Bilden eines ersten Paares von Strahlen (3", 2"; 16"', 17"'), welches aus zwei Lichtstrahlen mit voneinander verschiedenen Frequenzen besteht,

eine Strahlformungsvorrichtung (1,15) zum Bilden eines zweiten Paares von Strahlen (2', 3'; 16", 17"), welches aus zwei Lichtstrahlen mit voneinander verschiedenen Frequenzen besteht,

eine optische Vorrichtung (4, 18) zum Hervorrufen einer Phasenverschiebung zwischen den beiden hochfrequenten Strahlen (3', 3"; 17", 17"') der jeweiligen Paare und zwischen den beiden niederfrequenten Strahlen (2', 2"; 16", 16"') der jeweiligen Paare,

eine erste Detektorvorrichtung (10; 32, 33) zum Erfassen eines ersten Schwebungssignals, welches durch Überlagern des niederfrequenten Strahles (2"; 16"') des ersten Paares mit dem hochfrequenten Strahl (3'; 17") des zweiten Paares gebildet ist,

eine zweite Detektorvorrichtung (11; 30, 31) zum Erfassen eines zweiten Schwebungssignales, welches durch Überlagern des hochfrequenten Strahles (3"; 17"') des ersten Paares mit dem niederfrequenten Strahl (2'; 17") des zweiten Paares gebildet ist, wobei das erste und das zweite Schwebungssignal die gleiche Frequenz haben, und

eine Meßvorrichtung (12a; 34, 35) zum Messen der Phasenverschiebung durch Vergleichen der Phasen des ersten Schwebungssignals und des zweiten Schwebungssignals aufweist.

10. Meßeinrichtung nach Anspruch 9, in der sich die Phasenverschiebung aus einer optischen Weglängendifferenz eines Überlagerungssystems für die jeweiligen hochfrequenten und niederfrequenten Strahlen ergibt, wobei die Meßvorrichtung (12a; 34, 35) die optische Weglängendifferenz aus einer Änderung der gemessenen Phasenverschiebung bestimmt.

11. Meßeinrichtung nach Anspruch 9, in der sich die Phasenverschiebung aus einer Versetzung eines Beugungsgitters (24, 25) ergibt, durch welches das erste Paar von Strahlen hindurchgeführt ist, die optische Vorrichtung (18) das zweite Paar von Strahlen (16", 17") durch das Beugungsgitter über einen optischen Weg hindurchleitet, der von dem optischen Weg des ersten Paares von Strahlen (16"', 17"') verschieden ist, und die Meßvorrichtung (34, 35) die Versetzung des Beugungsgitters (24, 25) aus der gemessenen Phasenverschiebung bestimmt.

12. Meßeinrichtung nach Anspruch 9 oder 11, in der die optische Vorrichtung (18) das Beugen des ersten Paares von Strahlen (16"', 17"') durch ein Beugungsgitter (24, 25) in einer positiven Ordnung bewirkt, wobei die Phasenverschiebung hervorgerufen wird, die optische Vorrichtung (18) das Beugen des zweiten Paares von Strahlen (16", 17") durch das Beugungsgitter (24, 25) in einer negativen Ordnung bewirkt, und die Meßvorrichtung (34, 35) aus der gemessenen Phasenverschiebung eine Information über eine Versetzung des Gitters entlang der Gitteranordnungsrichtung des Beugungsgitters (24, 25) ermittelt.

13. Meßeinrichtung nach Anspruch 12, in der die positive Ordnung die positive erste Ordnung ist und die negative Ordnung die negative erste Ordnung ist.

14. Meßeinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, in der die optische Vorrichtung (18) das Fortpflanzen des ersten Paares von Strahlen (16"', 17"') in einer Richtung bewirkt, die zu einer Richtung entgegengesetzt ist, in der sich das zweite Paar von Strahlen (16", 17") fortpflanzt.

15. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, in der die jeweils das erste Paar von Strahlen bzw. das zweite Paar von Strahlen bildenden beiden Lichtstrahlen zueinander senkrechte Polarisation haben.

16. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, in der der niederfrequente Strahl des ersten Paares die gleiche Frequenz wie der niederfrequente Strahl des zweiten Paares hat und der hochfrequente Strahl des ersten Paares die gleiche Frequenz wie der hochfrequente Strahl des zweiten Paares hat.

17. Gerät zum Messen von Informationen über eine Versetzung oder über eine Lage eines Objektes mit einer Meßeinrichtung nach Anspruch 9, wobei

die Strahlformungsvorrichtung (1, 15) ein Lichtquellenteil ist,

die optische Vorrichtung (4, 18) ein optisches System ist, welches das Auftreffen des ersten Paares von Strahlen (16"' 17"') auf ein Objekt bewirkt, wodurch eine Phasenverschiebung, die zwischen den beiden hochfrequenten Strahlen (3', 3"; 17", 17"') der jeweiligen Paare und zwischen den beiden niederfrequenten Strahlen (2', 2"; 16", 16"') der jeweiligen Paare hervorgerufen wird, zu der Versetzung oder der Lage des Objektes proportional ist,

die erste Detektorvorrichtung (10; 32, 33) ein erster Photodetektor ist,

die zweite Detektorvorrichtung (10; 30, 31) eine zweiter Photodetektor ist; und

die Meßvorrichtung (12a; 34, 35) ein Signalverarbeitungssystem zum Erfassen von Informationen über die Versetzung oder die Lage des Objektes durch Vergleichen des ersten Schwebungssignals mit dem zweiten Schwebungssignal ist.

18. Gerät nach Anspruch 17, in dem das optische System ein Michelson-Interferometer aufweist, welches das erste Paar von Strahlen (2", 3") über einen bewegbaren Spiegel (7) als Objekt und das zweite Paar von Strahlen (2', 3') über einen Bezugsseiten-Spiegel (6) leitet, und das Signalverarbeitungssystem (12a) eine Versetzung entlang des Einfallens eines Lichtstrahls auf den bewegbaren Spiegel (7) erfaßt.

19. Gerät nach Anspruch 18, in dem das optische System bewirkt, daß das erste Paar von Strahlen (16"', 17"') durch ein Beugungsgitter (24, 25) als Objekt hindurchtritt und in einer positiven Ordnung gebeugt wird und daß das zweite Paar von Strahlen (16", 17") durch das Beugungsgitter (24, 25) hindurchtritt und in einer negativen Ordnung gebeugt wird, und das Signalverarbeitungssystem (34, 35) eine Lage entlang einer Gitteranordnung des Beugungsgitters (24, 25) erfaßt.

20. Gerät nach Anspruch 19, das ferner

eine Vorrichtung zum Absondern eines Teils des ersten und des zweiten Paares von Strahlen,

ein zweites optisches System, welches bewirkt, daß das erste Paar von Strahlen des abgesonderten ersten Paares von Strahlen durch ein zweites Beugungsgitter hindurchtritt und in einer positiven Ordnung gebeugt wird und daß das zweite Paar von Strahlen des abgesonderten zweiten Paares von Strahlen durch das zweite Beugungsgitter hindurchtritt und in einer negativen Ordnung gebeugt wird,

einen dritten Photodetektor zum Erfassen eines dritten Schwebungssignals, welches durch Überlagerung des abgesonderten Teils des ersten Paares von Strahlen niedriger Frequenz mit dem abgesonderten Teil des zweiten Paares von Strahlen hoher Frequenz gebildet ist, die jeweils durch das zweite Beugungsgitter hindurchgetreten sind, und

einen vierten Photodetektor zum Erfassen eines vierten Schwebungssignals aufweist, welches durch Überlagerung des abgesonderten Teils des ersten Paares von Strahlen mit hoher Frequenz mit dem abgesonderten Teil des zweiten Paares von Strahlen niedriger Frequenz gebildet ist, die jeweils durch das zweite Beugungsgitter hindurchgetreten sind,

wobei das Signalverarbeitungssystem die Gitteranordnungsausrichtung-Lagebeziehung zwischen dem ersten und dem zweiten Beugungsgitter aufgrund der Ausgangssignale aus dem ersten bis vierten Photodetektor erfaßt.

21. Meßgerät nach einem der Ansprüche 17 bis 20, in dem die jeweils das erste Paar von Strahlen bzw. das zweite Paar von Strahlen bildenden beiden Lichtstrahlen zueinander senkrechte Polarisation haben.

22. Meßgerät nach einem der Ansprüche 17 bis 21, in dem der niederfrequente Strahl des ersten Paares die gleiche Frequenz wie der niederfrequente Strahl des zweiten Paares hat und der hochfrequente Strahl des ersten Paares die gleiche Frequenz wie der hochfrequente Strahl des zweiten Paares hat.