DD213056A1

DD213056A1 - Verfahren und einrichtung zum messen der formabweichung polierter optischer flaechen

Info

Publication number: DD213056A1
Application number: DD24695883A
Authority: DD
Inventors: Klaus Merkel
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1983-01-03
Filing date: 1983-01-03
Publication date: 1984-08-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Messen der Formabweichungen polierter optischer Flaechen mittels Shearinginterferometer mit dem Ziel, die Messgenauigkeit der Pruefung der Flaechen, vorallem grosser Abbildungssysteme unter Beruecksichtigung der Interferometerfehler zu erhoehen. Das wird dadurch erreicht, dass durch parallelgeschaltete Shearinginterferometer nacheinander zwei Interferogramme orthogonaler Shearrichtung bei jeweils mindestens vier Phasenstellungen von einer Abtasteinheit intensitaetsmaessig in definierten Flaechenelementen abgetastet werden. In einem Rechner werden aus den so ermittelten Messgroessen die Phasendifferenzen bestimmt und ueber die damit bekannten Wellenflaechenneigungen die Formabweichung unter Beruecksichtigung der Interferometerkonstanten ermittelt.

Description

Titel: Verfahren und Einrichtung zum Messen der Formabweichung polierter optischer Flächen.

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Messen der Formabweichung polierter optischer Flächen mittels eines rechnergekoppelten Shearinginterferometers im Echt zeitverfahren, vorzugsweise zur Prüfung optischer Flächen mit großem Radius, z.B. Spiegel für Spiegelteleskope,

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: Nach dem "ABC- der Optik", VEB Brockhaus Verlag Leipzig, 1961, Seite 607, werden für die Prüfung optischer Abbildungssysteme mittels Interferenzen vielfach Abänderungen der Interferometeranordnungen von Michelson, Jamin oder Mach-Zehnder verwendet. Grundsätzlich beruht das Prinzip der interferometrische η Prüfung derartiger Prüfobjekte darauf, daß die durch das Prüfobjekt verformte Wellenfront entweder mit einer, idealen Wellenfront oder mit sich selbst verglichen wird* So sind aus den "Proceedings of the SPIS", 153 (1978), Seite 146, Methoden bekannt, nach denen die Formabweichung eines Prüflings aus den geometrischen Abweichungen mehrerer Interferenzstreifen von einem idealen Referenzgitter bestimmt werden,

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Aus der Applied Optics Λ3., (1974-) Seite 264-3 sowie aus den "Proceedings of the SPIS" 220, (1980) Seiten 11 und 75, ist bekannt, bei Einstellung nur weniger Interferenzstreifen (Interferenzbild im parallelen Schnitt), bei mindestens vier Phasenstellungen der interferierenden Wellen zueinander mittels eines Empfängerarrays die Intensitäten in einem festen, über das Interferenzsbild gelegten Rasters zu messen und daraus die Formabweichung der PrüfObjekte mittels eines Rechners zu ermitteln.

Pur diese Methoden wurden bisher Zweistrahlinterferometer vom Grundtyp de*¹ Pizeau- bzw» de? Michelsonanordnung verwendet. Aufgrund getrennter Interferometerwege werden diese Anordnungen insbesondere bei der Prüfung großer Spiegelflächen mit großen Radien anfällig gegenüber Luftturbulenzen und Schwingungen. Eine Auswertung des Interferenzbildes wird dadurch sehr erschwert.

Um diese Nachteile weitgehend auszuschließen, wird nach der "Peingerätetechnik" _3C) (1981), Seite 106, insbesondere ein Einwegshearinginterferometer für diese Meßzwecke eingesetzt, welches stabilere Interferenzbilder liefert. Allerdings müssen bei "Verwendung von Shearinginterferometern mindestens zwei Int erferοgramme orthogonaler Shearrichtung aufgezeichnet werden, um die Formabweichung des PrüfObjektes ermitteln zu können, da die gemessene Phasendifferenz nicht die Formabweichung selbst, sondern deren Differenzenquotienten darstellt. ("Jenaer Rundschau" _25 (1980), Heft 4-, Seiten 164--166).

Ziel der, Erfindung:

Es ist der Zweck der Erfindung, die Nachteile des Standes 'der 'Technik zu beseitigen und die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

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*-. 3 — Wesen der Er:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen, durch welche es ermöglicht die Formabweichung optischer Oberflächen insbesondere mit großem Durchmesser bzw. Krümmungsradius von der idealen Form unter Berücksichtigung der Interferometerehler mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren mittels Shearinginterferometer, bei welchem &ie Interferometerkonstante mittels einer Vergleichsmessung an einem Vergleichsnormal bestimmt und i& einem Rechner gespeichert" wird und nach d^er Messung des' Prüflings bei d^er Bestimmung der Formabweichung berücksichtigt wird, dadurch gelöst, daß durch parallelgeschaltete Shearinginterferometer vorzugsweise nacheinander zwei Interf er ogr amme orthogonaler Shearrichtungen von der zu prüfenden Fläche erzeugt werfen, daß beide Interferοgramme bei jeweils mindestens vier, durch variable Phasensteiler definiert eingestellte Interferenzbilder von einem Empfängerarray oder einer Kathodenstrahlröhre in definierten Flächenelementen intensitätsmäßig abgetastet werden, daß in einem Rechner aus den so ermittelten Meßgrößen die Phasendifferenzen bestimmt werden und über die damit bekannten Wellenflächenneigungen in zwei orthogonalen Richtungen die Formabweichung &er zu prüfenden Fläche unter.rechnerseitiger Berücksichtigung der Interferomet erkonstante ermittelt wird·

Bei einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer monochromatischen lichtquelle, strahlenaufweitenden und Abbildungssystemen, dem Strahlengang in einen Meß- und Kalibrier zweig und ^mi"c einer Interferometereinheit, welcher eine Abtast- und Auswerteeinheit nachgeordnet· ist, wird die Aufgabe dadurch gelöst, d^a>ß die Interf erometereinheit zwei-über einen Strahlenteiler parallelgeschaltete Shearinginterferc-

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meter umfaßt, deren Shearrichtungen orthogonal zueinander verlaufen, wobei einem jeden Shearinginterferometer ein variabler, mindestens vier Phasenstellungen der erzeugten Inte rf er ogr amme realisierender von einem Rechner einstellbarer Phasensteiler im Strahlengang nachgeordnet ist, und daß mindestens eine, die Interferοgramme abtastende Abtastanordnung, Vielehe über einen Analog-Digital-Wandler und einen Zwischenspeicher mit einem Rechner verbunden ist, vorgesehen ist.

Dabei kann auch einem jeden Shearinginterferometer eine Abtastanordnung nachgeordnet sein, mit welcher die Interferogramnie gleichzeitig abgetastet werden können.

Bei Anwendung nur einer Abtastanordnung ist es erforderlich, die Interferogramme zeitlich nacheinander abzutasten. Dazu ist der Strahlengang jeweils eines der Interferometer zu unterbrechen, was dadurch erreicht wird, daß im Strahlengang vor einem jeden Shearinginterferometer ein den Strahlengang des betreffenden Interferometers unterbrechendes Element, z.B. ein Verschluß, angeordnet ist.

Bei Q_ev Durchführung der Messungen wird zunächst mit Hilfe eines absolut vermessenen Vergleichsnormals, z.B. eines Hohlspiegels, dessen Fehler bekannt sind, der Fehler der Interferometereinheit, d«h. der Gerätefehler bestimmt und als Festwert im Rechner abgespeichert. Dazu wird mittels eines Verschlusses der Meßzweig des Strahlenganges gesperrt. Danach werden durch Absperrung des Kalibrierzweiges mittels eines in dessen Strahlengang angeordneten Verschlusses nacheinander in jeder d^er orthogonalen Shearrichtungen mittels der parallelgeschalteten Shearinginterferometer je ein Interferogramm der zu prüfenden Fläche erzeugt und in mindestens vier durch die Phasensteiler, z.B. drehbare ä -Platten einges"fellten Phasenstellungen abgetastet, wobei die Phasensteiler durch den

Reeimer über einen Digital-Analog~Wanaler gesteuert werfen. Die durch, die Abtastanordnung,. z.B, ein Empfängerarray oder eine Kathodenstrahlröhre, bei der Abtastung gewonnenen Signale werden über den Analog-Digital-Wandler und einen Zwischenspeicher dem Rechner zugeführt, welcher unter Berücksichtigung der Interferometerkonstanten bzw. der vorher ermittelten Gerätefehler die Formabweichungen des Prüfobjektes bestimmt.

Die Erfindung hat vorallem den Vorteil, daß sie eine genaue Messung der Formabweichungen großer optischer Flächen, wie z,B. astronomischer Spiegel, unbeeinflußt von Einflüssen der Umwelt ermöglicht. Sie zeichnet sich insbesondere durch Unempfindlichkeit gegenüber Luftturbulenzen und mechanischen Schwingungen aus.

Ausführungsbeispiel:

Die Erfindung soll nachstehend an einem-Ausführungsbeispiel näher'.: erläutert v/erden, welches schematisch in der Zeichnung dargestellt ist. \

Eine von einer vorgesehenen kohärenten monochromatischen lichtquelle 1, vorzugsweise einem laser, ausgesendete Welle 2 wird' von einem ^er lichtquelle 1 nachge ordne ten afokalen System aufgweitet und durch ein spezielles Meßobjektiv 4- über einen Strahlenteiler 5 auf ein Prüfobjekt 6 abgebildet. Bin dem Strahlenteiler 5 nachgeordnetes Abbildungssystem 7 erzeugt von der vom Prüfobjekt 6 reflektierten, den Strahlenteiler durchlaufenden "sphärischen Wellenfront eine ebene Wellenfront, welche in eine als D⁰PPelshear inginterferometer ausgebildete Interferometereinheit 8 eintritt, an einem Strahlenteiler 9 in zwei Teilwellen aufgespalten wir3 und zwei Shear inginterferometer-10 und 11 orthogonaler Shearrichtung, vorzugsweise

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Lateralpolarisations-Shearinginterferometer, durchläuft. In jedem dieser beiden Shearinginterferometer 10 und 11 werden zwei interferierende Teilwellen erzeugt, deren Phasenlage von den den Shearinginterferometern 10 und 11 jeweils nachgeschalteten Phasenstellern .12 und 13 bestimmt ist. Diese Phasensteller 12 und 13 sind vorteilhaft drehbare A- -Platten, bzYi. drehbare Polarisatoren, die über einen Digital-Analog-Wandler 14- von einem Rechner 15 steuerbar sind. Vorteilhaft umfassen die Shearinginterferometer 10 und 11 doppelbrechende Kristalle zur Erzeugung der interferierenden Teilwellen. Eine Aufspaltung kann jedoch auch mit anderen, ansich bekannten optischen Elementen erfolgen. Es sind ferner strahlenführende Elemente 16 und 17 und. eine Abbildungsoptik 18 vorgesehen, mit welchen die Interferogramme i9j20 der orthogonalen Shearrichtungen X und Ί auf die Empfängerfläche einer Abtasteinheit 21, einem.Empfängerarray oder einer Kathodenstrahlröhre, abgebildet werden. Die Abtasteinheit 21 ist über einen Analog-Digital-Wandler 22 und einen Zwischenspeicher 23 mit dem Rechner 15 verbunden. Zum Bestimmen der Gerätefehler bzw. der Interferometerkonstante vor Beginn der Messungen am Prüfobjekt 6 wird mit Hilfe eines Verschlusses 24 der Meßzweig des Strahlenganges gesperrt und der Strahlengang im Kalibr.ierzweig zum Normal 25, z.B. einem Spiegel, freigegeben, wobei die Fehler bzw. die Formabweichungen des Normals 25 bekannt sind. Die ermittelten Konstanten der InterferometereinJaeit 8 für jede Shearrichtung werden gespeichert.

Zur Messung des Prüfobjekt es 6 wird durch einen Verschluß 26 der Kalibrierzweig gesperrt und durch-Öffnen des Verschlusses 24 der Meßzweig freigegeben. Durch Verschlüsse 27 und 28 können die Strahlengänge zu den Shearinginterferometern 10 und 11 gesperrt oder freigegeben werden, je nachdem in welcher der Shearrichtungen X₅Y die Shearf unkt ion bestimmt -wer-

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den soll. So werfen nacheinander die Interferogramme 19 und 20 mit Hilfe der Abtasteinheit 21 in definierten Flächenelemente η intensitätsmäßig in mindestens vier Phasenstellungen der betreffenden-Phasensteiler 12,1.3 abgetastet und i*i den Rechner 15 übernommen. Von dem on-line gekoppelten Rechner wird das jev^eilige Feld der Phasend if f erenzf unkt ion (Shearf unkt ion) für' jede Shearrichtung Σ,Ύ ermittelt und aus den Shearfunkt ionen für die zwei orthogonalen Richtungen die Wellenfläche und damit die Formabweichung des Prüfob.jektes 6 berechnet, wobei die Eonstante der Interferometereinheifr 8 berücksichtigt wird.

Bine andere Ausführungsform, die nicht in der Zeichnung dargestellt ist, umfaßt zwei Abtasteinheiten, von denen je eine einem Shearinginterferometer 10,11 zugeordnet ist. Damit ist es u.a. möglich,die Interferogramme 19 und 20 gleichzeitig abzutasten. Die von den beiden Abtasteinheiten gelieferten Informationen werden analog zur oben beschriebenen Weise zur Ermittlung der Formabweichung des PrüfObjektes 6 im Rechner we iterverarbeitet.

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Claims

Erf inriungsanspruch:

Λ. Verfahren zum Messen <jer Forinabweichung polierter optischer Flächen mittels Shearinginterferometer, wobei #ie Interf erometerkonstante mittels eines absolut- -vermessenen Vergleichsnormals bestimmt un<j in einem Rechner gespeichert wir^«, (jie ,jie Pormabweichung kennzeichnenden Meßwerte mit Hilfe' Shearinginterferometers ermittelt un^ in ^en Rechner eingegeben werben un^ aus gen Meßwerten un^ ^er Interferometerkonstanten ^ie Pormabweichung 3er zu prüfenden Pläche mittels (jes Rechners bestimmt wir^, ^a^urch gekennzeichnet, ^aß <jurch parallelgeschaltete Shearinginterferometer vorzugsweise nacheinander z?iei Interferogramme orthogonaler Shearrichtungen von ^er zu prüfenden Pläche erzeugt τ/er^en, ^aB bei^e Interferogramme bei jeweils mindestens vier, (jurch variable Phasensteiler definiert eingestellte Interferenzbil^er von einem .Empfängerarray o^er einer Kathodenstrahlröhre in definierten Flächenelement en intensitätsmäßig abgetastet werben, <jaß in einem Rechner aus g.en so ermittelten Meßgrößen ^ie Phasen^ifferenzen bestimmt werben un<j über <jie äamit bekannten Wellenfläch enn ei gunge n in zwei orthogonalen Richtungen ^ie Pormabweichung der zu prüfenden Pläche unter rechnerseitiger Berücksichtigung 3er Interferometerkonstante ermittelt wirg.
2. Einrichtung zur Durchführung a.es Verfahrens nach Punkt 1, umfassen^

eine monochromatische Lichtquelle, strahlenaufweitende un<j Abb Übungssysteme, ein ^en Strahlengang in einen Meß- un<* einen Kalibrierzweig aufteilenden Strahlenteiler un^ eine Interf erometereinhe it , welcher eine Abtast- un^ Ausv/erteeinheit nachgeor^net ist, öa^urch gekennzeichnet, <jaß /jie Interferometereinheit zwei über einen Strahlenteiler parallelgeschal- tete Shearinginterferometer umfaßt, ^eren Shearrichtungen orthogonal zueinander verlaufen, wobei einem je^en Shearinginterferometer ein variabler, mindestens vier Phasenstellungen

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r erzeugten Interferogramme realisierender von einem Rechner einstellbarer Phasensteiler im Strahlengang nachgeor^net ist, un^ el aß mindestens eine, die Int erf er ο gramme abtastende. Abtastanordnung, welche über einen Analog-Digital-Wandler un<j einen Zwischenspeicher mit einem Rechner verbunden ist, vorgesehen ist, ,
3* Einrichtung nach Punkt 2, ^a^urch gekennzeichnet, 3aß einem je^en Shearinginterferometer eine Abtastanordnung nachge- or^net ist.
4, Einrichtung nach Punkt 2, ^a^urch gekennzeichnet, .^aß im Strahlengang vor einem je^en Shearinginterferometer ein &en Strahlengang ^es betreffenden Interferometers unterbrechendes Element, z.B. ein Verschluß angeordnet ist.

- Hierzu 1 Blatt Zeichnung