DE2151528A1

DE2151528A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abtastung eines interferometrischen Linienmusters

Info

Publication number: DE2151528A1
Application number: DE19712151528
Authority: DE
Inventors: Little Jun William Seelye
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1970-10-15
Filing date: 1971-10-15
Publication date: 1972-04-27
Also published as: GB1363263A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. RWeickmann, 2151528

D1PL.-ING. H.Weickmann, Dipl.-Phys. OkTK. Fincke Dipl.-Ing. E A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

XBI

8 MÜNCHEN 86, DEN

XEROX CORPORATION postfach 860 820

_Vqt,„„ _Qrl-_1Qr,_o MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER "48 3921/22

Xerox Square -98 3921/22 >

Rochester, N.Y. 14 603
USA

Verfahren und Vorrichtung zur Abtastung eines interferometrischen Linienmusters

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abtastung eines interferometrischen Linienmusters innerhalb eines ausgedehnten Bestrahlungsbereichs. Es handelt sich dabei um eine gleichmäßige Bestrahlung einer Empfangsfläche mit einem Interferenzstreifenmuster, wobei die Empfangsfläche über die Grenzen des Bestrahlungsmusters hinaus verläuft.

Durch die US-Patentschrift 3 507 564 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Beugungsgitters durch optische Ätzung eines Interferenzstreifenmusters in eine fotochemisch behandelte Bestrahlungsfläche bekannt. Das Beugungsgitter wird durch Beleuchtung der Interferenzstreifen in der Belichtungsebene unter Rekombination eines zuvor aufgeteilten Strahls monochromatischen Lichtes erzeugt, dieser Vorgang ist als interferometrisches Abbildungsverfahren bekannt. Der Bestrahlungsbereich ist dabei jedoch auf die Grenzen des beleuchteten Musters beschränkt, so daß die Größe des Beugungsgitters begrenzt ist, das nach diesem Verfahren hergestellt wird. Eine Erweiterung des Bestrahlungsbereiches über die

209818/0976

Grenzen des Originalbildes hinaus mittels bekannter Strahlabtastung war bisher nicht möglich. Die üblichen Abtastverfahren arbeiten mit einer Winkelbewegung der Interferenzlichtstrahlen, wodurch eine Phasenänderung des Interferenzmusters auftritt und damit die Position der interferometrischen Streifen geändert wird. Ferner ist das in der Bestrahlungsebene erzeugte Intensitätsmuster durch die Eigenschaften der meisten bekannten Quellen für monochromatisches Licht ungleichmäßig, Wenn das fotochemische Material o.a. dieser ungleichmäßigen Beleuchtung ausgesetzt wird, können einige Bereiche zu stark entwickelt werden, während gleichzeitig andere Bereiche zu schwach entwickelt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Reproduktion eines gleichmäßigen und stabilen interferometrischen Linienmusters zu schaffen und insbesondere die Abtastung so zu verwirklichen, daß eine gleichmäßige Bestrahlung mit einem stabilen interferometrischen Linienmuster innerhalb eines Bereiches erfolgt, der größer ist als das Bestrahlungsmuster selbst.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß das parallele kohärente Licht einer Lichtquelle in zumindest zwei diskrete Lichtstrahlen geteilt wird, welche in einem Teil einer Auswerteebene zur Bildung eines interferometrischen Linienmusters einander überlagert werden und daß der unzerteilte Lichtstrahl auf eine Anzahl Positionen parallel zum Originalstrahl verlagert wird, wodurch das bestrahlte interferometrische Linienmuster in der Auswerteebene bewegt wird und die Phasenbeziehung zwischen den überlagerten Lichtstrahlen in der Auswerteebene unverändert bleibt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zeichnet sich in weiterer Ausbildung des Erfindungsgedankens aus durch einen einer Lichtquelle für paralleles kohärentes Licht zuge-

209818/0975

ordneten Strahlenteiler, durch Reflexionsflächen zur Überlagerung der geteilten Lichtstrahlen in einer Auswerteebene und damit verbundenen Erzeugung von Interferenzstreifen in der Auswerteebene, durch eine optische Vorrichtung zur Verlagerung des unzerteilten Lichtstrahls in mindestens eine zweite Position parallel zum Originalstrahl und damit verbundenen Bewegung des Interferenzstreifenmusters innerhalb der Auswerteebene und durch eine der optischen Vorrichtung zugeordnete Steuervorrichtung zur Regulierung der Verlagerung des unzerteilten Lichtstrahls .

Die Erfindung wird im folgenden anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zu ihrer Durchführung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung eines interferometrischen Linienmusters nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des mit der Vorrichtung nach Fig. 1 in der Auswerteebene erzeugten Intensitätsmusters ,

Fig. 3 eine Darstellung der mittleren zeitlichen Belichtung in&er Auswerteebene bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung,

Fig. k eine Seitenansicht einer transparenten Platte, die in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zur Verlagerung des Originallichtstrahls vor dessen Zerteilung vorgesehen ist,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung der Auswerteebene der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung sowie des in ihr erzeugten Strahlungsmusters,

Fig. 6 einen Teilschnitt einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung, mit der das Streifenmuster in der Auswerteebene abgetastet werden kann, und

Fig. 7 eine grafische Darstellung der linearen Strahlverlagerung in Abhängigkeit von der Winkelverlagerung der Platte.

209818/0975

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung schematisch dargestellt, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet. Eine punktförmige Lichtquelle 10 richtet einen Strahl stark kohärenten und parallelen Lichtes 11 auf einen Strahlenteiler 12, mit dem ein Teil der Lichtenergie längs einer ersten optischen Achse 13 auf eine Auswerteebene 14 gerichtet wird, die die Koordinaten χ und y hat. Die übrige Lichtenergie tritt durch den Strahlenteiler hindurch und wird mittels einer Reflexionsfläche 16 auf einem zweiten optischen Weg 17 auf die Ausweiteabene gerichtet. Der Strahlenteiler und die Reflexionsfläche sind so angeordnet, daß die zwei umgelenkten Lichtstrahlen in der Auswerteebene einander überlagert werden.

Zwei identische Projektioneoptiken 20 sind auf jeder optischen Achse der umgelenkten Lichtstrahlen angeordnet, wie es in Fig. gezeigt ist. Die Optiken dienen zur Vergrößerung des Originalbildes in der Auswerteebene und zur Umsetzung der originalen ebenen Wellenfront des in die jeweilige Optik eintretenden Lichtes in eine sphärische Wellenfront. Die Lichtstrahlen werden in der Auswerteebene rekombiniert und erzeugen ein extrem stabiles Interferenzmuster in der Art wie ein Fresnel¹sches Biprisma oder eine Young'sehe Doppellochvorrichtung.

Schmutz oder Staub innerhalb des Lichtstrahls kann das parallele Licht beugen und daher ein unerwünschtes Rauschen in der Bestrahlungs- oder Auswerteebene erzeugen. Ein räumliches Filter 26 ist in der hinteren Brennpunktebene einer jeden Optik angeordnet. Es ist mit einer winzigen öffnung 30 versehen, die auf den Brennpunkt der jeweiligen Optik zentriert ist. Das Filter verhindert eo, daß der größte Teil des Rauschens die Auswerteebene erreicht. Die Filter sind vorzugsweise die letzte optische Komponente des Systems, um den Betrag des äußeren Rauschens minimal zu halten, welches in der Auswerteebene aufgezeichnet wird.

209818/0975

Der Laser wird wegen seines nahezu monochromatischen Lichtes vorzugsweise als Lichtquelle bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung angewendet. Die Energieverteilung der meisten Laser hat jedoch einen Gauß¹sehen Verlauf und ist daher für eine gleichmäßige Beleuchtung ungeeignet. Auch wenn das Licht innerhalb des Systems eine Änderung seiner Wellenform erfährt, hat die Energieverteilung des Interferenzmusters diejenige der Lichtquelle, so daß der Gauß'sehe Verlauf erhalten bleibt. Die Augenblicksverteilung der Energie ist in Fig. 2 grafisch dargestellt, wobei die Intensität I der Energie über der Verlagerung gegenüber der optischen Mittellinie 19 des Interferenzmusters in Richtung der Koordinate X der Auswerteebene aufgetragen ist. Wie zu erkennen ist, wird ein großer Teil der Strahlungsenergie um die Mitte des abgegebenen Bildes konzentriert, wobei die Energie von diesem mittleren Bereich ausgehend in allen Richtungen stark abfällt.

Der Ausgangsstrahl 11 der Lichtquelle ist für die meisten Laser insofern typisch, als er relativ schmal ist und allgemein dieselbe Breite wie ein normaler Bleistift hat. Der relativ schmale Strahl muß über die Auswerteebene geführt werden, um deren vollständige Bestrahlung sicherzustellen. Die üblichen Abtastverfahren können in der erfindungsgemäßen Vorrichtung jedoch nicht angewendet werden, da sie im allgemeinen mit einer Winkelverlagerung eines oder mehrerer Lichtstrahlen arbeiten. Dadurch wird wiederum die Phasenbeziehung zwischen den Interferenzstrahlen geändert und damit eine Verschiebung der Position der Interferenzstreifen verursacht.

Es ist eine Vorrichtung zur Bestrahlung der Auswerteebene mit dem bewegten Intensitätsmuster Gauß'scher Verteilung ohne Änderung der Position der individuellen Interferenzstreifen vorgesehen. Die Bewegung des Streifenmusters in der Auswerteebene erfolgt mittels zweier transparenter Platten, die vorzugsweise aus Glas bestehen und im Lichtstrahl 11 drehbar an einer Stelle vor der Zerteilung des Strahls angeordnet sind,

209818/0975

wie es aus Fig. 1 hervorgeht. Obwohl es zur Durchführung des Verfahrens nicht erforderlich ist, kann die Rotationsachse einer jeden Glasplatte nahe der optischen Mittellinie des Originalstrahls 11 angeordnet sein, so daß die Platten leicht innerhalb des Lichtstrahls verlagert werden kann. Jede Platte ist mit einer Lichteintrittsfläche 37 und einer Lichtaustrittsfläche 38 versehen, beide Flächen sind eben und parallel zueinander angeordnet. Werden die Platten mit den Lichteintrittsflächen normal zum Originalstrahl 11 angeordnet, so verlaufen die Lichtstrahlen in einer geraden Linie von der fc Quelle zum Strahlenteiler. Eine verkantete Anordnung jeder der Platten innerhalb des Strahls in seitlicher Richtung bewirkt eine Verschiebung des Originalstrahls derart, daß der Strahl die jeweilige Platte in einer zur Eintrittsrichtung parallelen Richtung verläßt.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, verhält sich ein einzelner Lichtstrahl, der durch die geneigt angeordnete Platte hindurchfällt, an jeder Grenzfläche entsprechend dem Snell¹sehen Gesetz. Der austretende Lichtstrahl verläuft parallel zum Eintrittsstrahl, er ist jedoch gegenüber diesem um einen gewissen Abstand versetzt, der mit zunehmendem Einfallswinkel ansteigt. Es hat sich experimentell gezeigt, daß durch die be-" schriebene Art der Haltung des austretenden Strahls parallel zum Eintrittsstrahl das Intensitätsmuster in der Auswerteebene ohne Störung der Positionen der individuellen interferometrischen Streifenlinien verschoben werden kann. Mit einer Vorrichtung ähnlich der beschriebenen wurde ein Test durchgeführt, wobei eine einzige 6,3 mm dicke Glasplatte im Austrittsstrahl eines Lasers in beschriebener Weise drehbar angeordnet war. Die Kanten der Platte waren mit einem undurchsichtigen Band abgedeckt, und die ebenen parallelen Flächen wurden mit ca. 180 Umdrehungen pro Minute durch den Laserstrahl bewegt, wobei als Antrieb ein Motor vorgesehen war. Auf diese Weise wurden die beleuchteten Bereiche in der Auswerteebene wiederholt abgetastet. Ein Teil der Auswerteebene wurde dann unter

209818/0975

einem Mikroskop mit dem Vergrößerungsfaktor 500 betrachtet, und es zeigte sich, daß das Streifenmuster in dem betrachteten Bereich extrem stabil war, wobei keine Bewegung zwischen den hellen und den dunklen Streifen feststellbar war. Die hellen Streifen blieben an einer stationären Position, und nur der Pegel der Intensität dieser Streifen änderte sich während der abtastenden Bewegung des Beleuchtungsmusters innerhalb des betrachteten Bereichs.

Die Einstellung der jeweiligen lichtdurchlässigen Platte 35 bzw. 36 wird mit einer programmierten Steuerschaltung gesteuert, die einen Digitalrechner 51, zwei Impulsgeneratoren 52 und 53 und zwei umsteuerbare Schrittmotore 54 und 55 umfaßt. Die Platten 35 und 36 sind auf Achsen 57 und 58 drehbar gelagert, ferner auf der mit dem jeweiligen Schrittmotor direkt gekoppelten Achse, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Die Platte dient zur Steuerung der Horizontalauslenkung des Beleuchtungsmusters, während dieses in der x-Richtung innerhalb der Auswerteebene bewegt wird, wie sie in Fig. 1 und 5 dargestellt ist. Die Platte 35 ist ähnlich angeordnet und steuert die vertikale Position des Musters, wenn es sich in der y-Richtung innerhalb der Auswerteebene bewegt.

Beim Betrieb der Einrichtung wird eine vorbestimmte Bewegung der horizontalen Steuerplatte 36 durch die vorstehend beschriebene Steuerschaltung erteilt, wodurch die Lichteintrittsfläche 37 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs durch den Eintrittsstrahl bewegt wird. Wie beispielsweise aus Fig. 4 zu ersehen ist, wird die Normale 60 zur Lichteintrittsfläche um ca. 45° auf jeder Seite der optischen Mittellinie 61 des Eintrittsstrahls bewegt; wodurch eine Abtastbewegung des Beleuchtungs- musters in der x-Richtung der Auswerteebene erzielt wird. Durch den umsteuerbaren Motor 55 wird die Eintrittsfläche der Platte 36 innerhalb des vorgegebenen Bewegungsbereiches vor und zurück bewegt, wodurch die durch die Linien 63 in Fig. 5 gezeigte horizontale Verlagerung entsteht. Nach Durchführung eines je-

209818/0975

weiligen horizontalen Bewegungsvorganges und vor der Umkehrung der Bewegungsrichtung wird die vertikale Steuerplatte 35 innerhalb des EintrittsStrahls mittels des ihr zugeordneten Schrittmotors 54 erneut eingestellt, wodurch bei der Rückführungsbewegung ein Weg zurückgelegt wird, der praktisch parallel zu der jeweils vorhergehenden Spur innerhalb der Auswerteebene verläuft, wie es in Fig. 5 dargestellt ist.

Die in Fig. 7 gezeigte Kurve zeigt die seitliche StrahlVerlagerung als eine Funktion der Winkelverlagerung der Platte innerhalb der vorstehend beschriebenen Einrichtung, wobei zur abtastenden Bewegung des Strahls eine ebene Platte verwendet wird. Bei dieser Anordnung ist es möglich, die seitliche Strahl-Verlagerung a durch die Winkelverlagerung φ der Lichteintrittsfläche gegenüber der Normalen 60 (Fig. 4) auszudrücken. Diese Beziehung lautet:

a = t sin φ

1 -\

1 - sin φ η²- sin² φ

t = Dicke der Platte

η = Brechungsindex des Plattenraaterials φ - Einfallswinkel ist.

Wie aus der Kurve zu ersehen ist, verläuft die Funktion für die ersten 30° der Plattenverlagerung zu jeder Seite der Normalen hin relativ linear. Danach wird sie nichtliniear, da die ünderungsgeschwi^digkeit der Strahlverlagerung pro Einheit der Winke!Verlagerung der Platte ansteigt. Daraus folgt, daß bei kont:orter Winkelverlagerung der Platte eine Ungleichmäßigkeit ce-¹ Bestrahlung in der Auswerteebene erzeugt wird. Der Digitalrechner 51 dient zur individuellen Steuerung des Ausgangssignals der Impulsgeneratoren 52 und 53, wodurch

209818/0975

die Schrittmotore 54 und 55 schrittweise derart nachgestellt werden, daß die Bewegung der Platten programmiert ist, wodurch eine über der Zeit gleichmäßige mittlere Bestrahlung des Musters in x- und y-Richtung der Auswerteebene gewährleistet ist. Die resultierende Bestrahlung in der x-Richtung ist in Fig. 3 grafisch dargestellt.

Die Erfindung wurde vorstehend für ein Bestrahlungsmuster mit Gauß-scher Verteilung der Intensität beschrieben, dem Fachmann ist jedoch klar, daß sie unabhängig von der Intensität sverteilung des Strahlenmusters auch für eine andere Art der Erzeugung einer gleichmäßigen Bestrahlung eines stabilen interferometrischen Linienmusters in der Auswerteebene eingesetzt werden kann. Ferner ist die Erfindung nicht auf die spezielle beschriebene Vorrichtung beschränkt. Fig. 6 zeigt hingegen eine Anordnung, bei der die Bewegung des Bestrahlungsmusters in der Auswerteebene durch eine einzige Platte gesteuert werden kann. Diese Platte 70 ist in dem unzerteilten Laserlichtstrahl kardanisch in einem Ring 71 mittels eines Achsensegmentes 72. gelagert. Der Kardanring ist in ähnlicher Weise innerhalb eines Rahmens 73 auf Achsensegmenten 74 gelagert. Die Achsen 72 und 74 sind so angeordnet, daß ihre Mittellinien in Ebenen liegen, die normal zueinander verlaufen. Umsteuerbare Schrittmotore 54 und 55, wie sie vorstehend beschrieben wurden, sind direkt mit den Achsen gekoppelt und dienen zur Bewegung der Platte innerhalb eines programmierten Bewegungsbereiches derart, daß das Bestrahlungsmuster in x- und y-Richtung innerhalb der Auswerteebene abtastend bewegt wird.

Das durch die Überlagerung der Strahlen in der Auswerteebene 14 erzeugte Interferenzmuster dient zur Erzeugung eines Bildes des Musters auf einer in der Ebene angeordneten lichtempfindlichen Fläche. Eine solche Fläche ist beispielsweise ein normaler fotografischer Film, eine fotoleitfähige Platte, die vorher durch gleichmäßige Aufladung sensitiviert wurde, ein Ätzschutzmaterial, welches nachfolgend zur Bilderzeugung

2Ü9818/0975

- ίο -

geätzt werden kann, oder ein deformierbares Material, das einer zuvor geladenen fotoleitfähigen Schicht zugeordnet ist und bei Einwirkung von Wärme unter dem Einfluß des latenten elektrostatischen Bildes der fotoleitfähigen Schicht deformiert wird.

209818/0975

Claims

21515? R

Patentansprüche

Qy- Verfahren zur Abtastung eines interferometrischen Linienmusters innerhalb eines ausgedehnten Bestrahlungsbereiches, dadurch gekennzeichnet, daß das parallele kohärente Licht einer Lichtquelle in zumindest zwei diskrete Lichtstrahlen geteilt wird, welche in einem Teil einer Auswerteebene zur Bildung eines interferometrischen Linienmusters einander überlagert werden und daß der unzerteilte Lichtstrahl auf eine Anzahl Positionen parallel zum Originalstrahl verlagert wird, wodurch das bestrahlte interferometrische Linienmuster in der Auswerteebene bewegt wird und die Phasenbeziehung zwischen den überlagerten Lichtstrahlen in der Auswerteebene unverändert bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der unzcrteilte Lichtstrahl in mehr als einer Lbene verlagert wi i'd.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der unzerteilte Lichtstrahl in zwei Ebenen verlagert v.'ird, die normal zueinander verlaufen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Auswerteebene die Oberfläche eines lichtempfindlichen Aufzeiclinungsträgers verwendet vjrä.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach p-inem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen einer Lichtquelle (10) für paralleles kohärentes Licht ru/reordneten Strahlenteiler (12), durch Reflexionsflächei. (1?, 6) zur Überlagerung dor geteilten Lichtstrahlen (13, 17) in einer Aupverteebene (14) und damit verbundenen Er* :V-■*)■/' von Interferenzstreifen in der Auswerteebene (14), eine optische Vorrichtung (35, 36) zur Verlagerui:

209818/0975

2751528

unzerteilten Lichtstrahls (11) in mindestens eine zweite Position parallel zum Originalstrahl und damit verbundenen Bewegung des Interferenzstreifenmusters innerhalb der Auswerteebene (14) und durch ehe der optischen Vorrichtung (35, 36) zugeordnete Steuervorrichtung (51, 52, 53) zur Regulierung der Verlagerung des unzerteilten Lichtstrahls (11).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Vorrichtung (35, 36) zumindest ein lichtdurchlässiges Element (35, 36) mit ebener Lichteintrittsfläche (37)

. und dazu paralleler ebener Lichtaustrittsfläche (38) umfaßt ™ und daß der Steuervorrichtung (51 ₉ 52, 53) ein Antrieb (54,

55) für das lichtdurchlässige Element (35, 36) zugeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (54, 55) das lichtdurchlässige Element (35, 36) um mehr als eine Achse dreht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (54, 55) das lichtdurchlässige Element (35, 36) um zwei Achsen dreht, die normal zueinander verlaufen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtdurchlässige Element eine kardanisch aufgehängte Glasplatte (70) ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei lichtdurchlässige Elemente (35, 36) vorgesehen sind, die ^reils eine ebene Lichteintrittsfläche (37) und eine dazu parallele ebene Lichtaustrittsfläche (38) aufweisen, daß das erste lichtdurchlässige Element (35) innerhalb des unzerteilten Lichtstrahls (11) verstellbar angeordnet ist, daß das zweite lichtdurchlässige Element (36) innerhalb des aus dem ersten Element (35) austretenden Lichtstrahls verstellbar angeordnet ist und daß der Steuervorrichtung (51, 52, 53) ein mit jedem der Elemente (35, 36) zu dessen

209818/0975

Verstellung gekoppelter Antrieb (54, 55) zugeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb aus zwei umsteuerbaren Schrittmotoren (54, 55) besteht, die die lichtdurchlässigen Elemente (35, 36) um zwei aufeinander senkrecht stehende Rotationsachsen drehen.

2 U 9 8 I » / Ü 9 7 S