DD233174A1

DD233174A1 - Interferometer

Info

Publication number: DD233174A1
Application number: DD27180584A
Authority: DD
Inventors: Klaus Merkel; Walter Endlicher; Johannes Schwider; Wolfgang Holota; Karl-Edmund Elsner
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1984-12-27
Filing date: 1984-12-27
Publication date: 1986-02-19
Also published as: DD233174B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Interferometer fuer die Messung der Wellenflaeche von optischen Funktionsflaechen und Systemen. Ziel der Erfindung ist die Reduzierung des Messgeraeteaufwandes bei Pruefungen, wo sowohl visuelle FIZEAU-Interferometer als auch rechnergekoppelte TWYMAN-GREEN-Anordnungen Anwendung finden. Es soll eine Interferometeranordnung geschaffen werden, die sowohl als TWYMAN-GREEN- als auch als FIZEAU-Interferometer einsetzbar ist. Das Interferometer besteht aus einem Referenzarm, einem Pruefarm mit Messobjektiv, einem Referenzarm, einem Abbildungsarm, einem Beleuchtungsarm, und einem gemeinsamen Polarisationsstrahlenteiler, wobei erfindungsgemaess ein Verschluss im Referenzarm vorhanden und das Messobjektiv einen kippbaren konzentrischen Meniskus aufweist, der so ausgebildet ist, dass die Kruemmungsmittelpunkte der Meniskusflaechen einen definierten Abstand aufweisen. Figur

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das erfindungsgemäße Interferometer ist zur Messung der Wellenfläche von optischen Funktionsflächen und Systemen geeignet.

Charakteristikder bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, FIZEAU- oder TWYMAN-GREEN-Interferometer zur Prüfung optischer Funktionsflächen oder kompletter optischer Systeme zu verwenden.

FIZEAU-Interferometer weisen als Voraussetzung für visuelle Prüfanordnungen gleiche Lichtwege für Prüf- und Referenzwelle auf. Diese Anordnungen finden breite Anwendung bei der Prüfung von polierten optischen Funktionsflächen (Forman, P. F.:

Proceedings of the SPIE 192 [1979] 41).

Eine Steigerung der Meßgenauigkeit wurde durch die online-Kopplung von Interferometer und Mikrorechner erreicht (Augustin, W.H. et. al.: Proceedings oft the SPIE 153 [1978] 146).

TWYMAN-GREEN-Interferometer bieten aufgrund der Möglichkeit einer günstigen Variation der Phasendifferenz zwischen Prüf- und Referenzwelle ideale Voraussetzungen für die Anwendung einer hochgenauen rechnergekoppelten Interferogrammauswertung mit Hilfe von Phase-Sampling, Heterodyne- oder Phase-Look-Verfahren.

Nachteilig dabei ist, daß aufgrund der unvermeidlichen Gerätefehler (J.Schwider et. al.: Appl. Optics 22 [1983] S. 3421) die TWYMAN-GREEN-Anordnung für die visuelle Bewertung des Interferenzbildes wenig geeignet ist und eine Absolutprüfung nur in Verbindung mit dem in einem Mikrorechner gespeicherten Gerätefehler zuläßt (Bruning, J. H. et. al.: Appl. Optics 13 [1974]

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Reduzierung des Meßgeräteaufwandes bei der Prüfung optischer Funktionsflächen oder optischer Systeme, wo sowohlvisuelle Prüfanordnungen als auch rechnergekoppelte Interferogrammauswertungen zur Anwendung kommen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Interferometeranordnung zu schaffen, die bei der Prüfung von optischen Funktionsflächen und optischen Systemen sowohl als visuelles als auch als rechnergekoppeltes digitales Prüfgerät einsetzbar ist.

Die Aufgabe löst ein Interferometer mit einem Referenzarm, einem Prüfarm mit Meßobjektiv, einem Abbildungsarm mit Empfängerarrey und nachgeordneten Rechnersystem, einem gemeinsamen Polarisationsstrahlenteiler und einem Beleuchtungsarm mit monochromatischer Lichtquelle, an deren Ausgang linear polarisiertes Licht zur Verfügung steht, Aufweitungsoptik und λ/2-Phasenplatte erfindungsgemäß dadurch, daß dem Polarisationsstrahlenteiler folgend ein Verschluß für den Referenzraum im Referenzstrahlengang nachgeordnet ist und das Meßobjektiv einen definiert kippbaren konzentrischen Meniskus aufweist, der so ausgebildet ist, daß die Krümmungsmittelpunkte der Meniskusflächen einen definierten Abstand aufweisen. Je nach Aufgabe kann das erfindungsgemäße Interferometer als visuelles FIZEAU-Interferometer oder als digitales TWYMAN-GREEN-Interferometer Anwendung finden.

Bei der Arbeitsweise als visuelles FIZEAU-Interferometer ist der Referenzarm durch den Verschluß abgeschaltet. Die λ/2-Phasenplatte ist so gedreht, daß alles Licht in den Prüfarm eintritt. Der konzentrische Meniskus des Meßobjektivs ist so gekippt, daß der Krümmungsmittelpunkt der Vorderfläche auf der optischen Achse des Gerätes liegt und die Vorderfläche als FIZEAU-Referenzfläche dient und damit das von der Referenzfläche reflektierte Licht durch eine im Abbildungsstrahlengang vorhandene Streulichtblende auf den Empfängerarrey fällt. Durch die definiert eingeführte Ablage der Krümmungsmittelpunkte wird der Reflex von der Rückseite des Meniskus an der Streulichtblende im Abbildungsstrahlengang ausgeblendet. Bei der Arbeitsweise als TWYMAN-GREEN-Anordnung ist der Verschluß des Referenzarmes geöffnet, die λ/2-Phasenplatte ist entsprechend der Reflexionsverhältnisse von Prüfling und Referenzspiegel eingestellt und der konzentrische Meniskus ist so gekippt, daß der Krümmungsmittelpunkt sowohl der Vorder- als auch der Rückfläche des Meniskus soweit neben der optischen Achse des Gerätes liegt, daß das an der Vorder- und der Rü"k..äche des Meniskus reflektierte Licht an derStreuliohtblende des Abbildungsstrahlenganges ausgeblendet wird.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Das Interferometer besteht aus einem Referenzraum 18, einem Prüfarm 6, einem Abbildungsarm 14, einem gemeinsamen Polarisationsstrahlenteiler 5 und einem Beleuchtungsstrahlengang mit einer auf den Polarisationsstrahlenteiler 5 gerichteten monochromatischen Strahlungsquelle 1,an deren Ausgang linear polarisiertes Licht zur Verfügung steht, der Lichtquelle nachgeordneter Aufweitungsoptik 3 und dem Polarisationsstrahlenteiler 5 vorgelagerter λ/2-Phasenplatte 4.

Der Referenzarm 18 weist dem Polarisationsstrahlenteiler 5 folgend einen Verschluß 15, ein λ/4-Plättchen 16 und einen Referenzspiegel 17 auf.

Der Abbildungsarm 14 enthält dem Polarisationsstrahlenteiler 5 folgend eine λ/2-Phasenplatte 19, einen Analysator 20, ein Objektiv 21, eine Blende 22 und einen Empfängerarrey 23. Dem Empfängerarrey folgend sind ein AD-Wandler 24, ein Mikrorechner 25 mit Bildschirm angeordnet. Der Prüfarm 6 weist dem Polarisationsstrahlenteiler 5 folgend eine λ/4-Phasenplatte 7, ein afokales Aufweitungssystem 8 und ein Meßobjekt 10 auf, dem der Prüfling 13 vorgelagert ist, wobei das dem Prüfling 13 nächstliegende optische Glied des Meßobjektives 10 ein kippbarer konzentrischer Meniskus 11 ist, dessen Vorderfläche als FIZEAU-Referenzflache 12 ausgebildet ist, wobei die Krümmungsmittelpunkte der beiden Meniskusflächen eine definierte Ablage aufweisen.

An der Schnittstelle 9 werden die für die Messung von Prüflingen verschiedener Durchmesser-und Radienbereiche notwendigen Meßobjektive 10 angesetzt.

Mit dieser Interferometeranordnung sind wahlweise zwei Interferometerschaltung realisierbar:

• Variante A — visuelles FIZEAU-Interferometer

Die von einer kohärenten monochromatischen Lichtquelle 1 ausgehende linear polarisierte Welle 2 wird von einem afokalen System 3 aufgeweitet. Die λ/2-Platte 4 wird so gedreht, daß die linear polarisierte Welle 2 mit parallel zur Zeichenebene stehender Schwingungsrichtung auf den Polarisationsstrahlenteiler 5 fällt und damit alles Licht in Richtung Prüflingsarm 6 hindurchtritt. Die mit ihren Transmissionsrichtungen unter 45° zur Durchlaßrichtung des Strahlenteilers 5 stehende λ/4-Phasenplatte 7 erzeugt zirkulär polarisiertes Licht, daß von dem afokalen System 8 auf den notwendigen Durchmesser des Prüflingsarms aufgeweitet wird. Der Prüfling wird so eingesetzt, daß Konvergenzpunkt des Meßobjektivs 10 und der Krümmungsmittelpunkt der zu prüfenden Fläche zusammenfallen. Die von der Referenzfläche 12 reflektierte zirkulär polarisierte Teilwelle (Referenzwelle) und die von Prüfling 13 reflektierte zirkulär polarisierte Teilwelle laufen durch das Meßobjektiv 10 und das Aufweitungssystem 8 zurück, werden an der λ/4-Platte 7 mit um 90° einfallenden Welle gedrehter Schwingungsrichtung wieder linear polarisiert und am Polarisationsstrahlenteiler 5 vollständig reflektiert und interferieren im Abbildungsstrahlengang 14 miteinander. λ/2-Platte 19 und Analysator 20 werden bezüglich ihrer Schwingungsrichtungen parallel zur senkrecht zur Zeichenebene schwingenden, durch Interferenz entstandenen, resultierenden Welle gestellt. Durch das Objektiv 21 wird das Interferenzbild auf die Empfängerfläche eines Vidicons, die sich in einer zum Prüfling konjugierten Ebene befindet, abgebildet und auf dem Monitor beobachtet.

Bedingung für diese Interferometerschaltung ist, daß der Krümmungsmittelpunkt der Referenzfläche mit der Interferometerachse zusammenfällt.

• Variante B — digitales TWYMAN-GREEN-Interferometer

Die von der Laserlichtquelle 1 ausgehende auf den Polarisationsstrahlenteiler 5 auffallende linear polarisierte Welle 2 wird bezüglich ihrer Schwingungsrichtung mit Hilfe des λ/2-Plättchens 4 so gedreht, daß das Licht am Polarisationsstrahlenteiler 5 in der Weise in eine durchgehende (Prüfarm 6) und reflektierte Teilwelle (Referenzarm 18) aufgespaltet wird, daß die im Abbildungsstrahlengang 14 interferierenden Teilwellen gleiche Amplituden haben und damit ein Interferenzbild maximalen Kontrastes erzeugen. Der Verschluß 15 des Referenzarmes ist geöffnet. Die Referenzwelle wird nach Reflexion am Referenzspiegel 17 und doppelten Durchgang durch das λ/4-Plättchen 16 und erfolgter Drehung der Schwingungsebene um 90° am Polarisationsstrahlenteiler 5 vollständig durchgelassen.

Die Welle im Interferometerprüfarm 6 wird nach Aufweitung durch 8 durch das Meßobjektiv 10 so fokussiert, daß die Wellennormalen senkrecht auf die Prüflingsfläche 13 treffen. Dabei wird die letzte Fläche 12 des Meßobjektivs 10 so verkippt, daß der von ihr erzeugte Reflex an der Blende 22 ausgeblendet wird und damit nicht zur Interferenz beiträgt. Die vom Prüfling 13 reflektierte Welle wird nach doppeltem Durchgang durch Meßobjektiv 10, Aufweitungssystem 8 und ' λ/4-Platte 7 bezüglich ihrer Schwingungsrichtung so gedreht, daß sie am Polarisationsstrahlenteiler 5 vollständig reflektiert wird und hinter dem Analysator 20 mit der aus dem Referenzarm 18 kommenden Teilwelle interferiert. Die Intensität des auf dem Empfängerarrey 23 entstehenden Interferenzbildes wird digitalisiert in 24 und in einem Mikrorechner 25 so weiterverarbeitet, daß die Geometrie des Prüflings ermittelt werden kann.

Damit ist durch entsprechende Gestaltung des speziellen konzentrischen Meniskus 11 des Meßobjektivs 10 in Verbindung mit dem Strahlenteiler 5, dem Verschluß im Referenzarm 15 und der Blende 22 im Abbildungsstrahlengang 14 und durch Kippung des konzentrischen Meniskus 11 das Interferometer von einem FIZEAU auf ein TWYMAN-GREEN-Interferometer umzustellen und damit die für visuelle Prüfung vorrangig geeignete FIZEAU-Variante und die für hochgenaue digitale Auswertungen nit notwendiger Phasenmodulation zu bevorzugen TWYMAN-GREEN-Variante in einem Gerät ohne Wechsel des Meßobjektivs realisiert.

Claims

Patentanspruch: i

Interferometer mit einem Referenzarm, einem Prüfarm mit Meßobjektiv, einem Abbildungsarm mit Empfängerarrey und nachgeordnetem Rechnersystem, einem gemeinsamen Polarisationsstrahlenteiler und einem Beleuchtungsarm mit monochromatischer Lichtquelle, an deren Ausgang linear polarisiertes Licht zur Verfügung steht, Aufweitungsoptik und λ/2-Phasenplatte, gekennzeichnet dadurch, daß dem Polarisationsstrahlenteiler folgend ein Verschluß für den Referenzarm im Referenzstrahlengang nachgeordnet ist und das Meßobjektiv einen definiert kippbaren konzentrischen Meniskus aufweist, der so ausgebildet ist, daß die Krümmungsmittelpunkte der Meniskusflächen einen definierten Abstand aufweisen.

Hierzu 1 Seite Zeichnung