DE10005171A1

DE10005171A1 - System zum Prüfen von Krümmungsradien von optischen Prüflingen

Info

Publication number: DE10005171A1
Application number: DE2000105171
Authority: DE
Inventors: Rolf Freimann
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2000-02-05
Filing date: 2000-02-05
Publication date: 2001-08-09

Abstract

Bei einem System zum Prüfen von Krümmungsradien von optischen Prüflingen (1) mit sphärischen Oberflächen (2) ist eine von einem Interferometer (4) ausgesandte Ausgangswelle (3), die in eine Kugelwelle (3a) umgewandelt wird und ein in Autokollimation gestellter Prüfling (1) vorgesehen. Die Kugelwelle (3a) wird durch ein diffraktives Element (5) erzeugt und der Prüfling (1) wird bei einer erhabenen Oberfläche zwischen dem reellen Fokus (7) und dem diffraktiven optischen Element (5) und bei einem hohlen Prüfling (1) hinter dem virtuellen oder reellen Fokus positioniert. Durch eine Weglängenmeßeinrichtung (8) wird der Abstand (e') des Prüflings (1) zwischen dem diffraktiven optischen Element (5) und dem Scheitel (9) der zu prüfenden Oberfläche (2) des Prüflings (1) auf der optischen Achse gemessen, wonach bei bekanntem Radius (R) der Kugelwelle (3a) aus diesem und dem gemessenen Abstand (e') der Radius (R¶TP¶) der zu prüfenden Oberfläche (2) des Prüflings (1) rechnerisch ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Prüfen von Krümmungsradi en von optischen Prüflingen mit sphärischen Oberflächen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Krümmungsradien von optischen Elementen, insbesondere sphäri schen Linsen, müssen in der Optikfertigung genau gemessen wer den, da falsche Linsenradien die Funktion eines aus den Linsen gefertigten optischen Systems negativ beeinflussen.

Bekannt ist aus der Praxis ein Prüfverfahren, wobei der Prüf ling in Reflexion in die von einem Interferometer in Verbindung mit einem refraktiven Linsensystem erzeugten Kugelwelle ge stellt wird. Dabei gibt es zwei Positionen des Prüflings bei denen die sphärische Welle in sich zurückläuft, nämlich die Autokollimationsstellung, wobei die Strahlen senkrecht auf dem Prüfling stehen, und die Katzenaugenposition, wobei der Prüf ling genau im Fokus steht. In diesen beiden Positionen laufen die Strahlen in sich zurück. Der Abstand beider Positionen ist dann der gesuchte Krümmungsradius der zu prüfenden Oberfläche des Prüflings. Der Abstand kann dabei z. B. mit einem Laserweg meßsystem genau gemessen werden.

Das bekannte Verfahren hat jedoch einige deutliche Nachteile. So wird z. B. bei der beugungsoptischen Betrachtung der Katzen augenposition, wobei der Prüfling genau im Fokus steht, klar, daß die Strahlen sich nicht exakt in einem Punkt schneiden, sondern vielmehr eine Strahltaille bilden. Innerhalb dieses Bereiches bzw. dieser Taille sind die Wellenfronten eben und der Prüfling kann entsprechend verschoben werden, ohne daß dem reflektierten Licht nennenswerter Defokus aufgeprägt wird. Dies bedeutet, die Meßunsicherheit bei der bekannten Krümmungsra dienmessung entspricht mindestens dieser axialen Taillenlänge. Nimmt man dabei z. B. die Öffnungszahlen bei eins herum an, so bedeutet dies, daß die Strahltaille etwa 2 Lambda breit ist, wobei Lambda die Lichtwellenlänge bedeutet. Die Meßunsicherheit beträgt somit also mindestens zwischen 1 und 2 Mikrometern. Nachteilig ist weiterhin, daß der Prüfling den gesamten Weg zwischen der Autokollimationsstellung und der Katzenaugenposi tion, d. h. über den gesamten Weg des gesuchten Krümmungsradi uses, verschoben werden muß. Hierzu muß er auf einem Schlitten angeordnet werden, der motorisch verfahren wird. Bei großen Krümmungsradien, z. B. von 2 m, sind demzufolge entsprechend lange Verschiebewege erforderlich. Dabei ist darauf zu achten, daß der Prüfling zentriert bleibt.

Wenn für die Messung des Krümmungsradiuses eine sehr hohe Ge nauigkeit gefordert wird, stößt das bekannte Verfahren somit relativ bald an seine Grenzen.

Aus der US-PS 5,059,022 ist ebenfalls ein Prüfsystem für Krüm mungsradien von optischen Prüflingen bekannt. Dabei werden die Positionen des Prüflings, nämlich die Autokollimationsstellung und die Katzenaugenposition mit optischen Mitteln detektiert.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zum Prüfen von Krümmungsradien von optischen Prüf lingen mit sphärischen Oberflächen, insbesondere von Linsen, zu schaffen, das mit einer sehr hohen Genauigkeit arbeitet und darüber hinaus lange mechanische Verschiebewege vermeidet.

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

Einer der Grundgedanken der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß durch Einsatz eines präzise gefertigten diffraktiven optischen Elements (DOE) die Katzenaugenposition vermieden wird und demzufolge lange mechanische Verschiebewege eingespart wer den. Neben einem Interferometer und dem Prüfling ist für die Messung des Krümmungsradius lediglich noch ein sehr genaues Weglängenmeßsystem bzw. eine entsprechende Weglängenmeßeinrich tung erforderlich.

Dadurch, daß die Katzenaugenposition mit ihrer ungenauen Lage vermieden wird, wird eine wesentlich höhere Meßgenauigkeit er reicht. Es ist lediglich erforderlich, den Prüfling so zwischen dem diffraktiven optischen Element und dem reellen oder virtu ellen Fokus zu stellen, daß die von dem diffraktiven optischen Element erzeugten Kugelwellen senkrecht auf die zu messende Oberfläche auftreffen.

Zur Bestimmung des zu messenden Radius ist es lediglich erfor derlich, den Abstand e' zwischen dem diffraktiven optischen Element und dem Scheitel der zu prüfenden Oberfläche des Prüf lings auf der optischen Achse genau zu messen. Der Radius R, der von dem diffraktiven optischen Element erzeugten Kugelwelle ist bekannt, weshalb aus dem Abstand e' und dem Radius R der Kugelwelle sich dann rechnerisch der Radius R_TP ermitteln läßt.

Je nach der Form der zu prüfenden Oberfläche wird man in vor teilhafter Weise einen konvergierenden Strahl von dem diffrak tiven optischen Element erzeugen (bei erhabenen Oberflächen) oder einen divergierenden Strahl (bei hohl gekrümmten Oberflä chen).

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 die Prinzipdarstellung zur Messung des Krümmungsradius einer Linse mit einer erhabenen Oberfläche,

Fig. 2 die Prinzipdarstellung zur Messung des Krümmungsradius einer Linse mit einer hohlen Oberfläche, und

Fig. 3 die Prinzipdarstellung zur Messung des Krümmungsradius einer Linse mit einer schwach geöffneten hohlen Ober fläche.

In Fig. 1 ist das System bzw. die Anordnung zur Prüfung eines Prüflings 1 mit einer erhabenen Oberfläche 2 dargestellt. Eine Ausgangslichtwelle 3 wird von einem nicht näher dargestellten Interferometer 4 erzeugt. Bei dem Ausführungsbeispiel ist die Ausgangslichtwelle 3 eine ebene Welle, nämlich ein Parallel strahl. Im Bedarfsfalle kann sie jedoch auch divergent oder konvergent ausgeführt sein, ohne daß das Meßprinzip davon be troffen wäre. Die Ausgangslichtwelle 3 durchsetzt ein diffrak tives optisches Element - Substrat 5 - dessen Vorderfläche 6, die dem Interferometer 4 zugewandt ist, mit leichter Neigung ausgebildet ist. Durch die Neigung wird ein durch diese Fläche verursachter Rückreflex unschädlich gemacht. Anstelle einer Neigung kann man im Bedarfsfalle diese Fläche auch leicht ge krümmt ausführen. Ebenso wäre auch die Ausführung einer Kugel fläche denkbar, weil in diesem Falle das System aplanatisch und damit das diffraktive optische Element 5 unempfindlich gegen Kippung wäre. Am diffraktiven optischen Element 5 wird z. B. in der nullten Beugungsordnung eine Welle zurückreflektiert. Diese zurückreflektierte Welle kann vorteilhafterweise als Refe renzwelle 3' genutzt werden, wobei dies allerdings keine unbe dingte Voraussetzung ist. Bei einer Nutzung der Referenzwelle 3' fallen in vorteilhafter Weise durch das diffraktive optische Element 5 eingebrachte Störungen weg, weil sie sich in gleicher Weise sowohl der Prüflingswelle als auch der Referenzwelle auf prägen.

Das diffraktive optische Element 5 formt nun aus der einfallen den Ausgangswelle 3 eine Kugelwelle 3a, welche für einen Prüf ling 1 mit einer erhabenen Oberfläche 2 konvergent sein muß. Im Abstand R ± ΔR konvergiert die Kugelwelle 3a in ihrem gedachten Krümmungsmittelpunkt.

Wichtig ist nun, daß man das diffraktive optische Element 5 so präzise ausführt, daß ±ΔR kleiner als die gewünschte Meßunsi cherheit ist. Dazu ist es erforderlich, daß das diffraktive optische Element 5 mit einem sehr kleinen linearen Skalierungsfehler geschrieben ist, z. B. auf einem x-y Schreiber mit sehr genauen Positioniersystemen.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, liegt der Prüfling 1 zwi schen dem diffraktiven optischen Element 5 und dem Fokus 7, wobei er so in den konvergierenden Meßstrahl eingesetzt bzw. einjustiert ist, daß die Meßstrahlen senkrecht auf die zu mes sende Oberfläche 2 treffen. Zur Messung der Abstände ist eine Weglängenmeßeinrichtung 8 vorgesehen, die die Abstände - ausge hend vom Fokus 7 - äußerst genau mißt. Aus der Fig. 1 wird nun deutlich, daß nicht nur der Abstand R in die Radienmessung ein geht, sondern auch der in Autokollimation eingestellte Abstand e' zwischen dem diffraktiven optischen Element 5 und dem Schei tel 9 der gekrümmten, zu messenden Oberfläche 2.

Der Abstand e' sollte mit einer Genauigkeit von Lamda/10 be stimmt werden. Hierzu sind verschiedene Methoden geeignet. In vorteilhafter Weise wird man im allgemeinen optische Weglängen meßsysteme bzw. Weglängenmeßeinrichtungen 8 für diesen Zweck vorsehen, die entsprechend einen sehr exakten Meßstrahl 10 aus senden. Beispielsweise, jedoch nicht einschränkend, werden hierzu Kohärenztomographiegeräte, welche Genauigkeiten im Sub- Lambda-Bereich erreichen, Mehrwellenlängeninterferometrie- Geräte und ähnlich genau messende Geräte genannt. Wesentlich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Meßsystemes ist ledig lich, daß ein äußerst präzises Weglängenmeßsystem eingesetzt wird. Mit der in der Fig. 1 angegebenen einfachen Gleichung wird der Radius der zu messenden Oberfläche 2 des Prüflinges 1 aus dem bekannten Abstand R und dem mit einem Weglängenmeßsy stem bestimmten Abstand e' berechnet, nämlich in folgender Form

R_TP = R - e' ± ΔR ± Δe'.

Als Meßunsicherheit tritt schlimmstenfalls der Fehler ΔR + Δ e' auf, wobei letzterer Term den Weglängenmeßfehler beschreibt.

Voraussetzung für ein sehr präzises Meßsystem ist darüber hinaus, daß die Ringradien des diffraktiven optischen Elementes 5 sehr präzise gefertigt worden sind und damit dessen Brechkraft genau bekannt ist. Wird es als offaxis-Variante ausgeführt, müssen die Linienpositionen genau gefertigt worden sein. Damit liegt ein diffraktives optisches Element 5 mit einer sehr genau bekannten Brechkraft und einer äußerst genauen Kugelwelle mit einem sehr genauen Radius R vor.

In der Fig. 2 ist das Meßsystem für den Krümmungsradius eines Prüflings 1 mit einer hohl geformten Oberfläche 2' dargestellt. Der Aufbau der Meßeinrichtung ist dabei grundsätzlich mit dem nach der Fig. 1 gleich, weshalb hierfür auch die gleichen Be zugszeichen verwendet werden. Bei einem Prüfling 1 mit einer stark geöffneten hohlen Oberfläche 2' liegt der Prüfling jedoch zwangsläufig für eine Autokollimation hinter dem Fokus 7 und nicht zwischen dem Fokus 7 und dem diffraktiven optischen Ele ment 5 wie bei der Fig. 1. Auswertungsmäßig ist aus diesem Grunde die Auswertegleichung - wie in der Fig. 2 angegeben - etwas anders, nämlich

R_TP = e' - R ± ΔR ± Δe'.

Bei einem Prüfling 1 mit nur schwach geöffneter hohlen Oberflä che 2' empfiehlt sich zur Vermeidung großer Baulängen die Ver wendung eines diffraktiven optischen Elementes 5, welches eine divergierende Welle erzeugt. Hierzu wird auf die Fig. 3 verwie sen. Auch in diesem Falle ist die in der Fig. 3 angegebene Aus wertegleichung, nämlich

R_TP = R + e' ± ΔR ± Δe'

leicht modifiziert.

Neben der sehr hohen Meßgenauigkeit für die Radienmessung be sitzt das erfindungsgemäße System noch weitere Vorteile. So muß die einfallende Ausgangswelle 3 nicht exakt kollimiert sein, da das diffraktive optische Element 5 als Referenzfläche dient.

Kleine Divergenzen oder Konvergenzen wirken sich somit auf die Referenz- und die Prüflingswelle gleichermaßen aus und fallen im Interferogramm 4 somit heraus.

Wird das diffraktive optische Element 5 als axial symmetrisches zweistufig-binäres Phasenhologramm ausgeführt, kann man es bei gleicher Öffnungszahl sowohl für Prüflinge mit erhabener als auch mit hohler Oberfläche anwenden. Dies führt zu Aufwandsein sparungen.

Claims

1. System zum Prüfen von Krümmungsradien von Prüflingen mit sphärischen Oberflächen, insbesondere von sphärischen Lin senflächen, mit einer von einem Interferometer ausgesandten Meßwelle, die in eine Kugelwelle umgewandelt wird, wobei der Prüfling in Autokollimation eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelwelle (3a) durch ein diffrak tives optisches Element (5) erzeugt wird, und daß der Prüf ling (1) bei einer erhabenen Oberfläche zwischen dem reel len Fokus (7) und dem diffraktiven optischen Element (5) und bei einem hohlen Prüfling (1) hinter dem virtuellen (7') oder reellen Fokus (7) liegt, und daß durch eine Weglängenmeßeinrichtung (8) der Abstand e' des Prüflings (1) zwischen dem diffraktiven optischen Element (5) und dem Scheitel (9) der zu prüfenden Oberfläche (2) des Prüflings (1) auf der optischen Achse gemessen wird, wonach bei be kanntem Radius R der Kugelwelle aus diesem und dem gemesse nen Abstand e' der Radius (R_TP) der zu prüfenden Oberfläche des Prüflings (1) rechnerisch ermittelt wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das diffraktive optische Element (5) auf der dem Interferometer (4) zugewandten Seite geneigt oder leicht gekrümmt ist.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das diffraktive optische Element (5) auf der dem Interferometer (4) zugewandten Seite eine Kugelfläche aufweist.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das diffraktive optische Element (5) einen konvergierenden Strahl erzeugt.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das diffraktive optische Element (5) bei schwach gekrümmten hohlen zu prüfenden Oberflächen (2' des Prüflings (9) einen divergierenden Strahl erzeugt, und daß zur Messung der virtuelle Fokus (7') verwendet wird.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß als Weglängenmeßeinrichtung eine optische Weglängenmeßeinrichtung (8) vorgesehen ist.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß als Weglängenmeßeinrichtung (8), ein Kohä renztomographiegerät, ein Mehrwellenlängeninterferometrie gerät oder ähnlich exakt messende Geräte vorgesehen sind.