DE10005170A1 - System zur interferometrischen Prüfung von sphärischen Oberflächen - Google Patents

Abstract

Ein System zur interferometrischen Prüfung von sphärischen Oberflächen von optischen Elementen (6) ist mit einem Interferometer (1) und einem zusätzlichen Prüfobjektiv mit mindestens einer Linse (3) und einem auf einem Träger (7) angeordneten diffraktiven optischen Element (4) versehen. Der Prüfstrahlengang (2) ist am Ausgang aplanatisch und das diffraktive optische Element (4) weist eine hohe Brechkraft auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur interferometrischen Prü­ fung von sphärischen Oberflächen von optischen Elementen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierte Art.

Ein System und ein Prüfobjektiv dieser Art ist aus der US-PS 5,818,632 bekannt. Hierzu ist ein mehrlinsiges Interferometer- Objektiv mit einem diffraktivem optischen Element (DOE) vorge­ sehen, in welchem die Linsen ausschließlich plankonvex oder plankonkav sind. Das DOE dient zur Reduktion von Aberrationen. Die Lichtstrahlen werden dabei in dem System sanft gebrochen und das Anwendungsziel sind Interferometerobjetive mit Durch­ messern von 4 bis 6 Zoll.

Nachteilig bei dem bekannten Prüfobjektiv ist die für die Prü­ fung erforderliche hohe Anzahl an Linsen, insbesondere bei starken Öffnungen, und die damit verbundenen hohen Kosten. Dar­ über hinaus muß zur Prüfung der Prüfling sehr genau zentriert sein, damit der Strahl sowohl auf dem Hinweg als auch auf dem Rückweg exakt parallel zur Achse läuft. Nur durch eine sehr genaue Zentrierung läßt sich die Koma so klein halten, daß sie nicht stört. Beim Stand der Technik muß somit für eine exakte Messung eine sehr genaue Zentrierung erfolgen, was einen ent­ sprechend hohen Aufwand bedeutet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei ein­ facherem Aufbau und damit mit geringerem Aufwand eine sehr ge­ naue Prüfung von sphärischen Oberflächen mit dem eingangs er­ wähnten System zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die Erzeugung einer Aplanasie in Verbindung mit einem diffraktiven optischen Element entsprechend hoher Brechkraft können zum einen Linsen eingespart werden und zum anderen ist auf diese Weise keine so exakte Zentrierung notwendig. Trotzdem kann eine hohe Meßgenauigkeit erreicht werden.

Das diffraktive optische Element erzeugt eine sehr exakte Ku­ gelwelle. Die zu prüfende sphärische Fläche des Prüflings wird in Autokollimation zwischen das diffraktive optische Element und den Fokus oder hinter den Fokus gestellt.

Wenn der einfallende Strahl divergent ist, so kann eine dort vor dem DOE angeordnete Linse im Durchmesser deutlich kleiner ausgeführt werden und ist somit entsprechend billiger.

Bei dem erfindungsgemäßen System kann auch mit einem Parallel­ strahl am Eingang des DOE gearbeitet werden. In vorteilhafter Weise wird man jedoch bereits den vom Interferometer kommenden Strahl divergierend belassen.

Die Erzeugung der erfindungsgemäßen Aplanasie kann entweder alleine durch das DOE oder in einfacher Weise zusammen mit ei­ ner im Strahlengang vorgeschalteten Linse, die eine entspre­ chende Verzeichnung einbringt, um die Sinusbedingung zu erfül­ len, erreicht werden. Das DOE bringt dabei die Brechkraft und die notwendige Korrektur, insbesondere die Bildfehlerkorrektur.

Im Bedarfsfalle kann hinter dem DOE und vor dem Prüfling noch­ mals eine letzte Linse zur Erzeugung einer zusätzlichen Brech­ kraft eingesetzt werden. Die letzte Linse kann auch als Refe­ renzfläche ausgeführt werden. Die erste Linse kann als kleine Meniskuslinse ausgeführt sein.

Wenn das DOE auf einer gekrümmte Fläche eines Trägers aufge­ bracht ist, dann läßt sich gegebenenfalls eine derartige Krüm­ mung und eine Aplanasie des Systems erzeugen, daß eine vorge­ schaltete Linse nicht mehr erforderlich ist.

Eine der Hauptbedingungen des erfindungsgemäßen Systems besteht darin, daß man unter einem bestimmten Winkel möglichst wenig Koma bekommt. Diese Bedingung kann man in einem Optik-Rechen­ programm vorgeben und dabei dann die Linsenradien zusammen mit dem DOE so lange variieren, bis die Koma entsprechend klein ist.

Als DOE lassen sich Amplituden-Hologramme und auch Phasen-Holo­ gramme, z. B. zweistufig binäre Phasen-Hologramme, verwenden.

Als Hologramme können Inline-Hologramme, jedoch auch Offaxis- Hologramme verwendet werden. Offaxis bringen bei relativ schwach geöffneten Objektiven zur Vermeidung von störenden Beu­ gungsordnungen einen Vorteil. Als DOE lassen sich auch Chrom­ masken mit Chromlinien auf Glas verwenden.

Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Prüfobjektiv mit einem diffrak­ tiven optischen Element nebst vorgeschalteter Menis­ kuslinse und einer nachgeschalteten Linse mit einem kollimierten Eingangsstrahl; und

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Prüfobjektiv anderer Ausgestal­ tung, ebenfalls mit einem diffraktiven optischen Ele­ ment nebst vorgeschalteter Meniskuslinse und einer nachgeschalteten Linse mit einem divergierenden, von einer Punktquelle erzeugten Eingangsstrahl.

Grundsätzlich sind beide Ausführungsbeispiele von gleichem Auf­ bau, weshalb für beide Ausführungsbeispiele auch die gleichen Bezugszeichen verwendet worden sind.

Gemäß Fig. 1 werden von einem Interferometer 1 (nur vereinfacht und gestrichelt dargestellt) erzeugte parallele Prüfstrahlen 2 über eine Meniskuslinse 3, welche ausgangsseitig die Parallel­ strahlen 2 divergierend zu einem diffraktiven optischen Element (DOE) 4 weitergeleitet. Als diffraktives optisches Element 4 wird ein Element mit einer hohen Brechkraft verwendet, wozu die Liniendichte der Ringe im Randbereich mindestens 250 pro mm be­ trägt. Auf diese Weise wird eine hohe Brechkraft für die er­ zeugten konvergierenden Prüfstrahlen erreicht, welche nach Durchtritt durch eine Fizeau-Linse 5 auf die zu prüfende sphä­ rische Oberfläche eines Prüflings 6 treffen, welcher mit seiner zu prüfenden Oberfläche in Autokollimation zu einem Fokus F steht.

Die Fizeau-Linse 5 ist mit ihrer letzten Fläche konzentrisch zu dem Fokus F und gibt einen Rückreflex für die Interferometrie. Die dem diffraktiven optischen Element (DOE) 4 zugewandte Ober­ fläche der Fizeau-Linse 5 bringt zusätzlich noch eine Brech­ kraft mit ein.

Das diffraktive optische Element 4 ist auf einem ebenen Träger 7 angeordnet, kann jedoch im Bedarfsfalle auch auf einem ge­ krümmten Träger angeordnet sein. Das DOE 4 und die im Strahlen­ gang vor dem Träger 7 angeordnete Meniskuslinse 3 sind so aus­ gebildet, daß sie zusammen die Sinusbedingung erfüllen und daß der Prüfstrahlengang am Ausgang aplanatisch ist. Darüber hinaus bildet das Prüfobjektiv mit einer Kugelwelle stigmatisch ab. Die Meniskuslinse 3 bringt eine erforderliche Verzeichnung ein und das DOE 4 eine hohe Brechkraft zusammen mit einer Aplana­ tionskorrektur, d. h. Bildfehlerkorrektur. Die nachgeordnete Fizeau-Linse 5 bringt eine weitere Erhöhung der Brechkraft, was bedeutet, daß das erfindungsgemäße Prüfobjektiv deutlich weni­ ger Linsen benötigt als herkömmliche Prüfobjektive.

Die Meniskuslinse 3 ist eine zerstreuende Linse, die den Prüf­ strahl 2 divergieren läßt. Optimale Liniendichten des DOE 4 im Randbereich liegen bei 700 bis 1000 pro mm, wenn man Öffnungs­ zahlen im Bereich von F/0,67 bis F/1,5 erreichen will.

Als diffraktives optisches Element 4 läßt sich ein computerge­ schriebenes Hologramm (CGH) in Form eines Inline- bzw. Onaxis- Hologramms, aber auch Offaxis-Hologramms verwenden. Als Holo­ gramme lassen sich Phasen-Hologramme oder auch Amplituden- Hologramme verwenden.

Um Koma möglichst klein zu machen, wird man die Linse 3 mit einem speziell ausgebildeten Krümmungsradius versehen. Mit ei­ nem Optik-Rechenprogramm können die Radien der Linsen, insbe­ sondere der Radius der Linse 3, zusammen mit dem DOE 4 so lange variiert werden, bis die Koma entsprechend klein ist.

In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines positiven Prüf­ objektives dargestellt, bei dem der geringere Aufwand und die durch niedrigere Kosten im Vergleich zu Lösungen nach dem Stand der Technik noch deutlicher werden. In diesem Falle sind näm­ lich die von dem Interferometer 1 erzeugten Prüfstrahlen 2 di­ vergierend und zwar bis zu dem DOE 4. Aus diesem Grunde kann man die dem DOE 4 vorgeschaltete Meniskuslinse 3 relativ nahe am Interferometer 1 anordnen. Dies bedeutet, sie kann im Durch­ messer sehr klein gehalten werden und trägt damit zusätzlich zu der reduzierten Linsenzahl zu einer weiteren Kosteneinsparung bei. Das Prüfobjekt gemäß Fig. 2 ist im übrigen von gleichem Aufbau wie das in Fig. 1 beschriebene und besitzt somit eben­ falls eine Fizeau-Linse 5 und einen zwischen der Fizeau-Linse 5 und dem Fokus F angeordneten Prüfling 6.

Claims (11)

1. System zur interferometrischen Prüfung von sphärischen Oberflächen von optischen Elementen mit einem Interferome­ ter und einem positivem Prüfobjektiv mit mindestens einer Linse und einem auf einem Träger angeordneten diffraktiven optischen Element, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüf­ strahlengang (2) am Ausgang aplanatisch ist, und daß das diffraktive optische Element (4) eine hohe Brechkraft auf­ weist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Liniendichte der Ringe im Randbereich des diffraktiven op­ tischen Elements (4) mindestens 250 pro mm beträgt.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das diffraktive optische Element (4) auf einem ebenen Trä­ ger (7) angeordnet ist, und daß in dem Strahlengang vor dem Träger (7) eine Linse (3) angeordnet ist, die eine Ver­ zeichnung derart einbringt, daß zusammen mit dem diffrakti­ ven optischen Element (4) die Sinusbedingung erfüllt ist.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgeschaltete Linse (3) eine Zerstreuungslinse ist, die einen divergenten Strahl erzeugt oder diesen verstärkt.

5. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das diffraktive optische Element (4) auf einem gekrümmten Träger angeordnet ist.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das diffraktive optische Element (4) als Pha­ sen-Hologramm ausgebildet ist.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das diffraktive optische Element (4) als Amplituden-Hologramm ausgebildet ist.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß hinter dem diffraktiven optischen Element (4) eine weitere Linse (5) angeordnet ist, die die Brechkraft erhöht.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Linse (5) eine Fizeau-Linse ist.

10. System nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Hologramm ein Onaxis-Hologramm ist.

11. System nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Hologramm ein Offaxis-Hologramm ist.