CN101283259B - 用于干涉测量检验物的光学性能的方法以及用于实施该方法的适当装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于大透镜(Grossoptik)的干涉测量的方法。推荐一种由作为“拼接技术”而公知的方法与浸渍法的组合。在拼接技术方法中，确定和软件控制地组合在测量范围的子平面上的子干涉图，因而有可能使用较小的、成本低廉的干涉仪，但是以检验物抛光的表面为前提。在浸渍法中，虽然对检验物表面质量的要求较低，但同时有引起干扰的边缘误差出现。为了使这种组合成为可能，开发了一种拼接技术的改型，在该改型中将测量范围(CA)完全用由一种浸渍液体构成的膜覆盖。一种适宜于实施该方法的装置，以紧靠在检验物主平面上的由透明材料构成的定位体而出众，这些定位体完全覆盖测量范围(CA)，其中在定位体与检验物主平面之间形成由一种浸渍液体构成的膜。

Description

用于干涉测量检验物的光学性能的方法以及用于实施该方法的适当装置
技术领域
本发明涉及一种用于干涉测量检验物的待测量测量范围的光学性能的方法，该检验物由带有两个彼此相对的主平面的透明材料组成，包括下列方法步骤：
a)将检验物这样布置在干涉仪的测量光程中，使干涉仪的测量光束穿过检验物在测量范围的第一子平面中的主平面，和进行第一干涉测量以获得第一组测量数据，
b)将检验物这样布置在测量光程中，使测量光束穿过检验物在该测量范围的第二子平面中的主平面，该子平面与第一子平面是错位布置的并与第一子平面在重叠范围(Ueberlappungsbereich)重叠，和进行至少一个第二干涉测量以获得第二组测量数据，
c)为制定所述测量范围上的完整干涉图，在应用从重叠范围得到的冗余信息的情况下，调整第一和第二组测量数据。
除此之外，本发明涉及用于测量检验物在测量范围内的光学性能的装置，该检验物由透明材料组成并具有两个彼此相对的主平面，该装置带有
a)检验物的夹持装置，
b)干涉仪，该干涉仪适合于将测量光束对准到检验物的要测量的测量范围的子平面上并测量该子平面的子干涉图，
c)传送系统，检验物借助于该系统可在垂直于测量光束的方向移动，致使可在大量子平面上进行测量，这些子平面将测量范围完全覆盖，其中每个子平面与相邻的子平面至少部分在重叠范围中重叠，和
d)控制单元，该单元控制干涉仪和传送系统，以及在子干涉图的基础上确定由检验物透射的波前形状，其中还将在重叠范围中确定的测量数据应用于将子干涉图互相匹配。
背景技术
如光学透镜那样的光学元件的折射率均匀性的测量往往是以干涉方式进行的。其中，将在通过检验物的光束与参考光束之间形成的干涉图样用干涉仪测量和分析。大透镜的典型尺寸在450mm×450mm，在专门制作时也明确的超过该尺寸。近年来，对这类大面积光学元件均匀性的要求和因此深入到对测量技术的要求日益增长，而这些要求关系到测量精确度和测量范围的大小。
一般在干涉测量时，干涉仪测量的测量光束的直径至少要如测量范围那样大，该测量范围是与检验物的给定体积范围对应的(这个体积范围在此也称作为“CA范围”(clear aperture，通光口径))。往往为这类的测量使用带有测量光束直径为12英寸的干涉仪。更大的测量光束需要费事的光学扩展，这是很昂贵的。
对此可替换的是，将大的测量范围在使用标准干涉仪的情况下以称作为“拼接(Stitching)”的技术来测量。将用于经过共用的点、面或棱来连接平面的功能称作为“拼接”。在拼接技术中，确定子干涉图，也就是确定测量范围的大量子平面，这些子干涉图完全覆盖整个测量范围。其中，相邻子平面的子干涉图在重叠范围中彼此重叠。将重叠范围中的测量结果用于将不同子平面的测量结果软件控制地彼此匹配，使各个子干涉图可以尽可能无误差地综合成一个展示检验物整个测量范围的总干涉图。
例如由“Otsubo，Okada，Tsujiuchi，Measurement of large plane surface shapes byconnecting small-aperture interferograms，Opt.Eng.33”(2)，pp.608-613，1994”和由“M.Bray，Stitching interferometry：how and why it works，Proc.SPIE 3739，pp.259-2731999”阐述的这种技术，然而在应用到测量折射率均匀性上时，还要求检验物有个精确的表面抛光，因此是很花费时间和费用的。
实施拼接技术的一种装置要求有传送单元，该传送单元带有对检验物和测量光束相对精确定位的控制装置，以及有计算机用于子干涉图软件支持的定位和匹配。例如从DE 697 06 247 T2公知一种这类的装置。
此外，在DE 44 01 145 C1中阐述一种用于确定光学预成形的径向折射率曲线的干涉测量的测量方法。在预成形端面的一个薄剖面上，产生一个在径向方向的剖面棱(Schnittkante)，将薄剖面转入到浸渍液体中，借助于一个剪切干涉显微镜产生剖面棱的双图像。从图像重叠可以求得径向折射率曲线。
在DD 215 168 B中，关系到借助于干涉测量的检验方法确定光学预成形的纵向均匀性，其中将一个激光射线分解成两个相干射线束，一个射线束穿过要检验的预成形，另一个射线束穿过一个参考样品。两个激光射线这样重叠和在显示屏上成像，使折射率曲线中的干扰作为等距线的变形出现。
从DE 102 61 775 A1中公知的是一种借助于剪切干涉测量-波前记录来光学测量有很大孔径的成像系统的装置。为此设置的是，在成像系统相邻的光学部分之间的中间空隙可以分别用一种浸渍液体灌满。以这样的方式可以减小检验射线的横截面而没有信息丢失，致使在有大于1.0图像误差的很大孔径的成像系统时，也可以借助于剪切干涉仪准确地测量。
发明内容
本发明所基于的任务在于，在保持高测量精确性和可重复性的情况下，就效率和节约成本而言达到改进公知的“拼接技术”的目的。
除此之外，本发明所基于的任务还在于，为了实施该方法，提供一种成本低廉、运行可靠和操作相对简单的装置。
关于方法，以开始时提到的方法为出发点按照本发明这样去解决这个任务，使测量范围完全被由浸渍液体构成的膜覆盖，该膜在检验物的主平面与透明材料组成的定位体(Anlegekoerper)之间形成。
因此，按照本发明的测量方法，在检验物的主平面与定位体之间使用一种浸渍液体。这种措施其实是公知的，例如在P.Hartmann，R.Mackh，H.Kohlmann，“Advance in the homogeneity measurement of optical glasses at the Schott 20 inchFizeau interferometer”，Proc.SPIE 2775，pp.108-114，1996中阐述过。
其中，借助于通过高均匀性和精确表面抛光而著称的定位板(Anlegeplatte)，在检验物的主平面上固定一种浸渍液体。在这种“三明治布置”(定位板-浸渍液体-检验物-浸渍液体-定位板)中，通过定位板造成的测量射线的附加畸变，通过没有检验物在光程中的参考测量来补偿和考虑。
应用浸渍液体就允许使用没有精确抛光的检验物，从而去掉表面抛光的花费。例如通过磨、铣、研磨或切削进行主平面的最后机械加工就足够。
然而，在这种“浸渍方法”中，在浸渍液体膜边缘范围中的成像缺陷是固有的。一般定位板是与干涉仪测量光束的大小匹配的，而且检验物典型的较小，致使这些缺陷通常出现在CA范围之外的测量场边缘上，并且不会引起干扰。在测量带有大于干涉仪测量光束的尺寸的检验物时，边缘缺陷出现在子干涉图的边缘上，也就是出现在重叠范围，并阻止或给上述“拼接技术”造成困难，该“拼接技术”即在重叠范围中的测量结果基础上多个子干涉图由软件控制地组合成为一个总干涉图。按照本发明公知方法的修改就在于，借助于足够大的定位体将浸渍液体膜分布在一个平面上，该平面包括检验物的整个测量范围。因此，主平面的整个对应于CA范围的平面部分完全用一种浸渍液体的膜浸湿和由定位体遮盖。以这样的方式，将浸渍方法所固有的边缘缺陷避免掉或移到检验物的外部范围，该范围不属于CA范围并且一般没有指明。
因此，按照本发明在整体由浸渍液体覆盖的整个测量范围的子平面上确定各个子干涉图，使得在没有出现本来要出现的边缘伪影(Rand-Artefakte)的情况下分析相邻子干涉图的重叠范围，以用于产生总干涉图。其中，这样去选择子干涉图的数量和位置，使整个的CA范围被包括在内，这也像往常在拼接-技术时那样。因此，按照本发明的方法使由于去掉表面抛光而成本低廉的浸渍方法首次可用在对于测量大面积的检验物同样由于去掉往常必须的测量光束扩展而廉价的拼接技术中。
按照本发明方法的一个有利的扩展方案，检验物具有两个基本上平整的主平面。
平整的主平面不用费事地匹配检验物和定位体的表面，简化了浸渍液体均匀膜的形成。
优选的是，定位体是以定位板的形式设计的。
板形式的定位体可相对成本低廉地制造，且可以相对简单地操作。为了避免多次干涉，定位板具有很小的楔形是有利的。
具有矩形形状的定位板证明是特别适用。矩形的定位板在预先给定干涉仪-箱的结构高度时，遮盖的面积范围比圆形定位板要大。
除此之外，如果定位体各方面突出于测量范围至少20mm，证明是有利的。
以这样的方式，就有可能不用以出现边缘伪影为代价来测量整个测量范围。
除此之外，如果定位体各方面突出于检验物至少20mm，证明是有利的。
以这样的方式，简化了定位体的布置和浸渍液体的涂覆。
证明有利的是，为了夹持检验物和定位体设置一个夹持装置，该夹持装置借助于具有电传动装置的传送系统可在垂直于测量光束的方向移动。
将上面提到的由定位体和检验物构成的“三明治布置”，用夹持装置固定并为了测量子平面而共同从一个位置朝另一个位置移动。自动传送系统允许测量位置有准确的起动，并简化了操作。为了避免振动，有利的是使用无振动的电传动装置和吸收振动的元件，以及将夹持装置用很小的速度移动。
为了装配和准备浸渍膜，将夹持装置布置在干涉仪箱之内并可借助于传送系统移动到这个干涉仪箱之外是有利的。
因此，夹持装置可以在干涉仪箱之外运动，这使操作大的板和检验物以及装卸夹持装置变得容易。
有利的是，传送系统的定位精确度至少比干涉仪的空间分辨率好5倍。
因此，可以将测量光束的局部位置看作是准确已知的，这使借助于拼接技术的子干涉图组合变得简单。
检验物材料的待测量光学性能优选地包括折射率的均匀性，和/或在测量范围中的应力双折射。
优选的是，检验物和定位体的透明材料是掺杂的或未掺杂的石英玻璃。
关于装置，这个任务以开始时提到的方法为出发点按照本发明这样去解决，即由透明材料制成的定位体紧靠在检验物的主平面上，这些定位体完全遮盖测量范围，其中在定位体与检验物的主平面之间形成由一种浸渍液体制成的膜。
按照本发明的装置首先用于实施上面详细介绍的方法。这个方法建立在“拼接技术”与“浸渍方法”组合的基础上。此外，推荐一种装置，该装置修改由“拼接技术”公知的元件，如检验物的夹持装置、干涉仪、传送系统和控制单元，使得存在由透明材料制成的定位体，这些定位体完全遮盖测量范围并用于在整个测量范围上形成由一种浸渍液体形成的膜。
公知装置的这种修改允许使用“浸渍方法”和随之而来允许使用没有精确抛光的检验物，致使去掉表面抛光的花费。检验物主平面最后的机械加工，例如通过磨、铣、研磨或切削就足够。在应用通常的定位体而且参数在测量范围中时，避免了在浸渍液体膜的边缘范围中为“浸渍方法”所固有的成像缺陷。这些成像缺陷阻碍或给“拼接技术”的实施造成困难，该“拼接技术”即在重叠范围中测量结果的基础上将多个子干涉图由软件控制地组合成为一个总干涉图。这以这样的方式来达到，即将由浸渍液体形成的膜借助于定位体分布在一个平面上，该平面包括检验物的整个测量范围。因此，主平面的与CA范围对应的整个平面部分完全用由一种浸渍液体形成的膜浸湿并由定位体遮盖。以这样的方式，将浸渍方法所固有的边缘缺陷避免或移到检验物的外部范围，该范围不属于CA范围并且一般没有指明。
本发明装置的有利实施形式由从属权利要求得出。只要在从属权利要求中阐述的装置的实施形式复制了在从属权利要求中为本发明方法提到的方法，为了补充说明要对上面的实施指明相应的方法权利要求。
附图说明
在下面用一个实施例和附图详细阐述本发明。在附图中详细示出
图1a：在测量一个测量样品时示意表示实施本发明测量方法的结构，
图1b：按照图1a不带测量样品的用于进行参考测量的结构，
图2a：在定位板上用拼接技术测量的干涉图，
图2b：按照图2a在干涉图上的折射率分布，
图3：用于比较不同光学性能的测量结果的方格图，这些光学性能用拼接技术和用一种简单的干涉测量获得，和
图4：在拼接技术时子干涉图的重叠规模对不同测量值的影响的图表。
具体实施方式
图1a和1b示意性地展示借助于本发明的方法测量测量样品1在要指定的测量范围“CA”的范围中的折射率-均匀性的一种结构。使用带有孔径为12英寸和工作波长为632.8nm的氦氖激光器的Fizeau干涉仪(Zygo GPI系列)。干涉仪装备有分辨率为640×480像点的摄像机，并安装在光学架座上，该架座借助于一个主动的和一个被动的振动隔离系统基本上与环境振动隔离。整个测量结构借助于一个具有两个调节回路的空调设备热化到+/-0.1°K。
干涉仪镜头从氦氖激光束中成形出一个带有基本上平面波前的平行射线束。通过在第一干涉镜面10上的反射，从该射线束分支出参考光束3并反射回去。真正的测量光束4在测量范围“CA”的一个子范围中穿过测量样品1(图1a)，然后在第二干涉镜面2上被反射回去。测量光束4和参考光束3在干涉仪中重叠并得出第一干涉测量，其测量数据被储存并用摄像机成像为第一干涉图5a。
测量样品1涉及为聚焦激光射线的大透镜用的由合成石英玻璃形成的矩形半成品。测量样品1具有两个平整研磨的扁平侧面，和夹在两个紧贴着测量样品的扁平侧面的、具有矩形截面的定位板6，7之间。
定位板6，7的平面是精确抛光(≤λ/10)的。在接触平面之间，两面都设置由一种浸渍液体形成的膜8，该膜覆盖测量样品扁平侧面的整个面积。为此，定位板6，7设计得如此之大，使它们在各方面超出圆形测量样品1至少20mm。
定位板6，7具有矩形截面，它们的尺寸约为650mm×650mm×100mm。它们由天然原材料制成的均匀的石英玻璃构成，该石英玻璃在Herasil 102的名称下可从哈瑙的Heraeus石英玻璃有限公司&两合公司购得。
浸渍液体8涉及一种商业上通用的油，这种油在22.0℃和工作波长为λ＝632.8nm时具有1.45704的折射率。
为了消除定位板和浸渍液体对测量结果的影响，就像图1b示意展示的那样，进行另一个不带测量样品1的测量。此时得到第二干涉图5b。将得到的测量值从第一干涉图5a的测量值中减去，从而获得通过测量样品1引起的测量光束4的波前改变作为最终结果。
定位板6，7和测量样品1夹持在夹持装置上并彼此固定。为了分别容纳一个定位板6，7，夹持装置包括两个张紧框架11，框架抓着定位板6，7的四周并固定在一个可移动的支座12上。为了装配和准备浸渍油，可以将支座12移到干涉仪箱之外，这使操作明显变得容易。
支座12的移动借助于传送系统进行，该系统在图1a中示意性地通过一个线性电动机13表示。传送系统13安装在光学架座上并对地没有接触。以这样的方式，也将振动阻尼作用用于传送系统13和夹持装置。为了避免传送系统13产生振动，为了产生运动而使用振动小的电传动装置、精密轴承和振动阻尼元件。除此之外，为了将振动减至最小，传送系统的运动速度很小。
借助于传送系统13，夹持装置可在垂直于测量光束4的传播方向的平面中移动。
此外，为了预先给定、获取和分析数据以及为了控制传送系统13，设置(在图中未示出的)控制单元。
按照本发明的装置基本上可用于具有任意大小测量范围的样品。在实施例中，该测量范围由于现有干涉仪箱的尺寸而限制在610mm×610mm。
下面用图1详细阐述按照本发明方法的一个实施例。
应对的任务是，用上面提到的尺寸420mm×405mm确定CA范围之内的折射率分布。为此，将研磨平的、配备浸渍油的和与抛光的定位板6，7一起固定在框架11中的测量样品1，借助于传送系统13相继移动到相对于干涉仪的光程预先计算的位置上，以便像通常在拼接技术中那样对整个CA范围的片断进行测量。该位置要选择得使子干涉图覆盖整个CA范围，其中在相邻的测量范围之间产生重叠。
为了组合各个子干涉图，使用一个专门开发的软件，该软件建立在最小方差方法的基础上。
剩余的拼接误差的数量和范围，基本上取决于干涉仪的测量精确度，然而也取决于从重叠范围所选择的测量数值的重叠(Ueberlapp)和分析。
图2a展示的是正方形定位板6，7的一个干涉图，该干涉图如在图1b中示意展示的那样是用拼接技术测量的。测量范围为610mm×610mm。整个干涉图是由15个各有一个12英寸测量平面的子干涉图组成的。存在的拼接错误是很小的。
图2b用一个图表展示按照图2a的干涉图的结果，其关系到在定位板6，7横截面上的折射率分布。此时，在y轴上标绘的是以ppm为单位的折射率差Δn，在x轴上是以mm为单位的位置。线条21展示在中线23(图2a)之一范围中的折射率分布，线条22展示在定位板边缘范围24(图2a)中的折射率分布。将在此测量的2.2ppm作为最大的折射率不均匀度。两个曲线中的小突变以拼接误差为基础，然而这些误差无论如何小于0.02ppm。
图3的方格图也给出有关拼接技术的准确性和可再现性的一个印象。展示的是在具有直径为300mm的测量范围的石英玻璃测量样品上进行干涉测量的测量结果，其关系到PV值(pv)、焦点(focus)、像散性(astig)和球形像差(sa3)。在y轴上标绘的是各特性的平均值“μ”。
左边的方块分别代表用18英寸干涉仪按照标准方法求得的结果，右边的方块分别代表用12英寸干涉仪借助于本发明的方法和拼接技术求得的结果。分别标出一个误差方块，该误差方块说明95％置信区间，该误差方块在标准测量时建立在20个数据组基础上，在按照本发明的方法时建立在7个数据组基础上。该图表展示，借助于标准方法和按照本发明方法求得的结果在该置信区间的范围内彼此一致。
众所周知，在拼接技术时测量精确度取决于所选择的干涉图的重叠。因此，这种依赖关系在按照本发明的方法中也像在由图4的图表看到的那样存在。在x-轴上，重叠“Ue”在此是作为整个干涉图的冗余点的％部分标绘的。在y轴的左边，以工作波长[λ]为单位绘出在重叠的子干涉图边缘上的最大相位差的度量“D”，在y轴的右边标绘的是在500mm的CA范围上的干涉图的最大差别(PV值)。如所期待的那样，拼接误差随着重叠的增长而下降。对于实际应用，约90％(涉及冗余的像素数)的重叠就足够。与此相比，组合的波前干涉图的PV值与重叠没有依赖关系。

Claims (20)

1.一种用于干涉测量检验物(1)待测量的测量范围的光学性能的方法，该检验物由透明材料组成并带有两个彼此相对的主平面，包括下列方法步骤：
(a)将检验物(1)布置在干涉仪的测量光程中，使干涉仪的测量光束(4)穿过检验物(1)在测量范围(CA)的第一子平面中的主平面，并且进行第一干涉测量以获得第一组测量数据，
(b)将检验物(1)布置在所述测量光程中，使测量光束穿过检验物(1)在测量范围(CA)的第二子平面中的主平面，该第二子平面与第一子平面是错位布置的并与该第一子平面在重叠范围重叠，并且进行至少一个第二干涉测量以获得第二组测量数据，
(c)为产生所述测量范围上的总干涉图，在应用从重叠范围得到的冗余信息的情况下，调整第一和第二组测量数据，
其特征在于，测量范围(CA)完全被由一种浸渍液体(8)构成的膜覆盖，该膜形成在检验物(1)的主平面与由透明材料组成的定位体(6；7)之间。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，检验物(1)具有两个基本上平整的主平面。
3.如权利要求1的方法，其特征在于，定位体是以定位板(6；7)的形式设计的。
4.如权利要求3的方法，其特征在于，定位板(6；7)具有矩形形状。
5.如权利要求1的方法，其特征在于，定位体(6；7)在各个侧面都突出于测量范围(CA)至少20mm。
6.如权利要求1至5中任一项的方法，其特征在于，定位体(6；7)在各个侧面都突出于检验物(1)至少20mm。
7.如权利要求1至5中任一项的方法，其特征在于，为了夹持检验物(1)和定位体(6；7)而设置夹持装置(11；12)，该夹持装置可借助于具有电传动装置的传送系统(13)在垂直于测量光束(4)的方向上移动。
8.如权利要求7的方法，其特征在于，夹持装置(11；12)布置在干涉仪箱之内并可借助于所述传送系统(13)移动到这个干涉仪箱之外。
9.如权利要求7的方法，其特征在于，传送系统(13)的定位精确度至少比干涉仪的空间分辨率好5倍。
10.如权利要求1至5中任一项的方法，其特征在于，检验物材料的待测量的光学性能包括折射率的均匀性和/或在测量范围中的应力双折射。
11.如权利要求1至5中任一项的方法，其特征在于，检验物(1)和定位体(6；7)的透明材料是掺杂的或未掺杂的石英玻璃。
12.一种用于测量检验物(1)在工作范围(CA)的光学性能的装置，该检验物由透明材料组成并具有两个彼此相对的主平面，所述装置带有
(a)用于检验物(1)的夹持装置(11；12)，
(b)干涉仪，该干涉仪适合于将测量光束对准到检验物(1)的指定的测量范围(CA)的子平面上并测量该子平面的子干涉图，
(c)传送系统(13)，检验物(1)借助于该传送系统可在垂直于测量光束的方向上移动，致使可在大量将测量范围(CA)完全覆盖的子平面上进行测量，其中每个子平面与相邻的子平面至少部分在重叠范围重叠，和
(d)控制单元，该控制单元控制干涉仪和传送系统(13)以及在子干涉图的基础上确定被检验物(1)透射的波前形状，其中还将在重叠范围确定的测量数据应用于使得子干涉图相互匹配，
其特征在于，由透明材料组成的定位体(6；7)紧靠在检验物(1)的主平面上，这些定位体完全覆盖测量范围(CA)，其中在定位体(6；7)与检验物(1)的主平面之间形成由一种浸渍液体(8)构成的膜。
13.如权利要求12的装置，其特征在于，检验物(1)具有两个基本上平整的主平面。
14.如权利要求12的装置，其特征在于，定位体是以定位板(6；7)的形式设计的。
15.如权利要求14的装置，其特征在于，定位板(6；7)具有矩形形状。
16.如权利要求12的装置，其特征在于，定位体(6；7)在各个侧面都突出于测量范围(CA)至少20mm。
17.如权利要求12至16中任一项的装置，其特征在于，定位体(6；7)在各个侧面都突出于检验物(1)至少20mm。
18.如权利要求12至16中任一项的装置，其特征在于，设置夹持装置(11；12)用于共同夹持检验物(1)和定位体(6；7)。
19.如权利要求18的装置，其特征在于，所述夹持装置(11；12)布置在于涉仪箱之内并可借助于所述传送系统(13)移动到这个干涉仪箱之外。
20.如权利要求12至16中任一项的装置，其特征在于，所述传送系统(13)的定位精确度至少比干涉仪的空间分辨率好5倍。
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