DE10009217A1

DE10009217A1 - Verfahren zur optischen Bestimmung charakteristischer Größen von optischen Komponenten und Vorrichtungen hierfür

Info

Publication number: DE10009217A1
Application number: DE10009217A
Authority: DE
Inventors: Bernd Doerband
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 1999-03-16
Filing date: 2000-02-26
Publication date: 2000-09-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen bestimmung charakteristischer Größen von optischen Komponenten, insbesondere von Radien, Dicken oder Luftabständen bei Linsen oder Linsensystemen, mittels eines Interferometers, umfassend eine Einrichtung zur Aufnahme der Intensität an mindestens einem Punkt im Interferogramm bei kontinuierlichem Wechsel der Wellenlänge zwischen einer ersten Wellenlänge lambda¶2¶, DOLLAR A mit folgenden Schritten: DOLLAR A es wird die Anzahl der Streifen DELTAm gemessen, die bei einem kontinuierlichen Wechsel der Wellenlänge von lambda¶1¶ nach lambda¶2¶ einen beliebigen Punkt im Interferenzbild passieren; DOLLAR A aus der Anzahl der passierten Streifenperioden bei Wechsel der Wellenlänge von lambda¶1¶ auf lambda¶2¶ wird die optische Weglängendifferenz bestimmt; DOLLAR A aus der optischen Weglängendifferenz werden die charakteristischen Größen der optischen Komponenten ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Bestimmung charakteristischer Größen optischer Komponenten, insbesondere von Radien, Dicken oder Luftabständen bei Linsen oder Linsensystemen mittels eines Interferometers umfassend eine Einrichtung zur Aufnahme der Intensität bei kontinuierlichem Wechsel der Wellenlänge an mindestens einem Punkt im Interferogramm, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Zur optischen Vermessung von Radien, Luftabständen und Linsendicken werden in der Praxis derzeit Techniken eingesetzt, die auf dem Anfahren der Linsenscheitel und der Krümmungsmittelpunkte basieren. Beispielsweise können Linsendicken dadurch vermessen werden, daß Autofokussensoren in den Linsenscheitel gefahren und ihr Abstand mit einem Längenmeßsystem detektiert wird. Die Bestimmung von Radien kann auf Prüftürmen durch Vergleich gegen eine genau bekannte Nulllinse erfolgen. Nachteilig an diesen Verfahren ist, daß entweder die zu prüfenden Oberflächen durch Meßsonden berührt werden oder beispielsweise im Falle der Radienvermessung mögliche Veränderungen der Prüfungsauflage, auf der die Nulllinse vermessen wurde das Ergebnis verfälschen.

Die US 4 293 224 beschreibt ein optisches Verfahren zur Überwachung der Dickenänderung eines transparenten Filmes. Bei dem Verfahren gemäß der US 4 293 224 wird Weißlicht auf den Film geworfen. Das reflektierte Licht, das um die optischen Interferenzen in den elektrischen Schichten modifiziert ist, wird bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen mit Hilfe von Fotodetektoren aufgenommen. Die sich periodisch ändernden Intensitätsmuster bei diesen beiden Wellenlängen werden miteinander verglichen und erlauben die absolute Bestimmung der Filmdicke.

Die US 5 141 317 zeigt ein Verfahren zur optoelektronischen Messung von Entfernungen und/oder Winkeln auf einer zu untersuchenden, reflektiven Oberfläche.

Bei diesem Verfahren werden zwei Strahlen auf die Oberfläche unter einem vorgegebenen Winkel gelenkt, dort gestreut und in einen Sensor geleitet. Aus der Phasendifferenz des gestreuten Strahls in Bezug auf ein Referenzsignal wird die Entfernung oder der Winkel auf der Objektoberfläche bestimmt.

Bei dem Verfahren gemäß der US 5 141 317 gelangen als verstimmbare Lichtquellen Halbleiter-Laser zum Einsatz.

Aus der US 4 606 638 ist ein interferometrisches Meßverfahren zur Bestimmung des Abstandes zwischen zwei planaren Oberflächen, insbesondere des Abstandes von Magnetköpfen von der Oberfläche einer Magnetplatte bekanntgeworden. Bei dem Verfahren gemäß der US 4 606 638 wird ein Fizeau-Interferometer verwand, und das Interferenzmuster mit Hilfe einer Fotodiodenkamera aufgenommen. Der Abstand zwischen den Oberflächen wird durch Vergleich der Meßwellenfront und der Referenzwellenfront ermittelt.

Die US 5 192 982 offenbart die Bestimmung der Wellenfront eines Strahls mit Hilfe eines Mach-Zehnder-Interferometers, wobei eine Frequenzkodierung des Streifenmusters der Intensitätsverteilung vorgenommen wird.

Aus der EP-B-0 193 742 ist ein Wellenlängenscanning- Laserdiodeninterferometer bekanntgeworden sowie ein Verfahren zur Bestimmung eines Interferenzmusters eines mit einem derartigen Wellenlängenscanning-Laserdiodeninterferometers aufgenommenen Interferenzmusters. Zur Bestimmung optischer Größen macht diese Schrift keinerlei Aussage.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung charakteristischer Größen mittels eines Interferometers von optischen Komponenten anzugeben, das die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet, einfach zu handhaben ist und zuverlässige Ergebnisse liefert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Anzahl der passierten Streifenperioden an einem beliebigen Punkt des Interferogrammes bei kontinuierlichem Wechsel der Wellenlänge von λ₁ auf λ₂ bestimmt wird und aus dieser Anzahl der Streifenperioden die für die optischen Komponenten charakteristischen Größen ermittelt werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Lichtquelle eine Laserdiode, vorzugsweise eine durchstimmbare Laserdiode verwand. Auch andere Lichtquellen sind denkbar, beispielsweise konventionelle Kaltlichtquellen mit entsprechend durchstimmbaren Wellenlängenfiltern, beispielsweise einen kontinuierlich geneigten Interferenzfilter. Diese Art der Lichtquelle kann in verschiedenen Typen von Interferometern, beispielsweise einem Fizeau-, einem Mach-Zehnder, einem Twyman-Green-Interferometer, etc. verwandt werden.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Anzahl der Streifenperioden auf einfache Art und Weise dadurch bestimmt wird, daß die Anzahl der durchwandernden Streifen an einer festen Stelle während eines kontinuierlichen Wellenlängenwechsels beispielsweise mit Hilfe einer CCD- Kamera oder einer Photodiode bestimmt werden.

In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, das Verfahren zur Dickenbestimmung optischer Komponenten, beispielsweise von Linsen einzusetzen. Als Interferometer wird hierfür vorzugsweise ein Mach-Zehnder- Interferometer verwandt und bei bekannter Brechzahl und Dispersion der optischen Komponenten aus der optischen Weglängendifferenz die Dicke derselben bestimmt.

Die Radienbestimmung optischer Komponenten mit der erfindungsgemäßen Methode geschieht vorzugsweise dadurch, daß ein Fizeau-Interferometer zum Einsatz gelangt, wobei der Radius der Fizeau-Fläche bekannt ist. Aus der optischen Weglängendifferenz kann dann auf den Radius der zu untersuchenden optischen Komponente rückgeschlossen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt aber auch die Bestimmung der Luftstrecke bei Systemen mit einer Vielzahl optischer Komponenten. Sind sämtliche Dicken, Brechzahlen und die Dispersion der einzelnen optischen Komponenten bekannt, so können aus der erfindungsgemäß bestimmten optischen Weglänge die Luftstrecke in dem optischen System bestimmt werden.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren stellt die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung, die sich dadurch auszeichnet, daß die Vorrichtung eine Einrichtung zum Zählen der Anzahl der durchwandernden Streifen des Interferenzstreifenmusters bei sich veränderter Wellenlänge aufweist.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele näher beschrieben werden:

Es zeigen:

Fig. 1 ein Mach-Zehnder-Interferometer, zur Vermessung von Linsendicken mit einer tunebaren Laserdiode

Fig. 2 eine Anordnung zur Radienbestimmung mit Hilfe der erfindungsgemäßen Methode

Fig. 1 zeigt ein Mach-Zehnder-Interferometer, in dessen Prüfarm 1 und Referenzarm 3 jeweils ein baugleiches Teleskop eingebracht ist. In den Prüfarm 1 bringt man am Ort des Zwischenfokus eine zu prüfende Linse 5 ein. Aus der optischen Weglängendifferenz zwischen Prüf- und Referenzstrahl kann bei bekannter Brechzahl n die Linsendicke bestimmt werden. Der Vorteil der in Fig. 1 dargestellten Anordnung liegt insbesondere darin, daß ein weites Brennweitenspektrum an Linsen vermessen werden kann, ohne daß die Fokussierung der Wellenfront sich wesentlich verändert.

Die Bestimmung der optischen Weglängendifferenz für die zu untersuchenden optischen Komponente mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich wie folgt herleiten:
Sei l = d . n die optische Weglängendifferenz in einem Zweistrahlinterferometer,
d die geometrische Strecke des Lichtweges,
n die Brechzahl des Mediums längs des optischen Weges,
dann ist die Anzahl m₁ der Streifenperioden bei Verwendung der Wellenlänge λ₁ gegeben durch

m₁ = d . n/λ₁

Bei Wechsel auf die neue Wellenlänge λ₂ ergibt sich entsprechend

m₂ = d . n/λ₂

Zählt man nun die durchwandernden Streifenperioden Δm während des kontinuierlichen Wellenlängenwechsels, so lassen sich diese bei Kenntnis der Wellenlängen umrechnen in die gesuchte Weglängendifferenz l = d . n:

Für die erreichbaren Meßunsicherheiten ergibt sich:

δl = |λ²/Δλ| . δΔm + |l/Δλ| . δΔλ + |2 . l/λ| . δλ

mit λ mittlere Wellenlänge
Δλ Tuningbereich der Wellenlänge
δΔm Fehler der Phasenmessung
l zu messende optische Weglängendifferenz
δΔλ Fehler des Tuningbereiches
δλ Fehler der mittleren Weglänge

Mit λ = 635 nm, Δλ = 10 nm, δΔm = 0,01 δΔλ = 10^-4 nm δλ = 10^-4 nm lassen sich folgende Meßunsicherheiten erreichen:

δl = 0,4 µm + l . 10^-5

Mit kommerziellen tunebaren Laserdioden sind somit Meßunsicherheiten bei der Bestimmung optischer Weglängendifferenzen von besser als 1 µm erreichbar, solange die optischen Weglängen kleiner als 60 mm bleiben.

Das Meßverfahren kann in jedem Zweistrahlinterferometer beliebigen Typs zur Vermessung der absoluten Weglängendifferenz oder zur Vermessung der Weglängendifferenz-Änderung (z. B. Messung gegen leere Cavity) verwendet werden.

Wenn mit einem Interferometer gemessen wird, das eine abgeglichene leere Cavity besitzt, gilt für die Mittendicke d_Linse:

Erreichbare Meßunsicherheiten lassen sich berechnen nach der folgenden Gleichung (worst case):

δd_Linse = |λ²/Δλ| . δΔm + |d_Linse/Δλ| . δΔλ + |2 . d_Linse/λ| . δλ + |d_Linse/(n - 1)| . δn

Mit den oben angegebenen Beispielwerten lassen sich dann folgende Meßunsicherheiten erreichen:

δd_Linse = 0,4 µm + d_Linse . (10^-5 + δn/(n - 1))

Um Genauigkeiten von 1 µm zu erzielen muß somit die Brechzahl auf etwa 10^-5 bekannt sein.

Wenn die Einzeldicken der Komponenten bestimmt wurden, wie zuvor beschrieben, und die Brechzahlen der Einzelkomponenten bekannt sind, so kann für ein ganzes System aus optischen Komponenten die Luftstrecke bestimmt werden. Die gemessene gesamte Weglänge setzt sich nämlich zusammen aus den Luftstrecken und den optischen Wegen der Einzelkomponenten entsprechend:

Bei Kenntnis der n_i . d_i der übrigen Elemente lassen sich somit einzelne Lufträume bestimmen. Neben der Bestimmung der Dicke und der Luftstrecke kann das Verfahren in einem Fizeau-Interterometer vorteilhaft zur Vermessung der Krümmungsradien sphärischer Flächen eingesetzt werden. Dazu muß der Krümmungsradius r_fiz der sphärischen Fizeaufläche bekannt sein.

In der in Fig. 2 dargestellten Prüfkonfiguration berechnet sich der Radius der unbekannten sphärischen Fläche wegen n = 1 zu

r_Prüf = r_fiz - d

wobei:
r_prüf: Radius der Prüffläche 10
r_fiz: Radius der Fizeaufläche 12
d: Abstand der Prüffläche von der Fizeaufläche

Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber den bisher genutzten Techniken besteht darin, daß Passe- und Radius am selben Aufbau ohne zusätzlichen Arbeitsaufwand vermessen werden können. Die zusätzliche Vermessung der Nulllinse um den Vergleich zu einer Referenz herzustellen entfällt. Bei Kenntnis des Fizeaulinsenradius entfällt dieser Schritt in dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Die Erfindung stellt somit erstmals ein sehr einfach durchzuführendes Verfahren dar, bei dem mit Hilfe eines verstimmbaren Laserinterferometers optische Komponenten in Bezug auf charakteristische Größen wie Dicke, Radius und Luftstrecke vermessen werden können.

Claims

1. Verfahren zur optischen Bestimmung charakteristischer Größen von optischen Komponenten, insbesondere von Radien, Dicken oder Luftabständen bei Linsen oder Linsensystemen, mittels eines Interferometers, umfassend eine Einrichtung zur Aufnahme der Intensität an mindestens einem Punkt im Interferogramm bei kontinuierlichem Wechsel der Wellenlänge zwischen einer ersten Wellenlänge λ₁ und einer zweiten Wellenlänge λ₂, mit folgenden Schritten:

1. 1.1 es wird die Anzahl der Streifen Δm gemessen, die bei einem kontinuierlichen Wechsel der Wellenlänge von λ₁ nach λ₂ einen beliebigen Punkt im Interferenzbild passieren;
2. 1.2 aus der Anzahl der passierten Streifenperioden bei Wechsel der Wellenlänge von λ₁ auf λ₂ wird die optische Weglängendifferenz bestimmt;
3. 1.3 aus der optischen Weglängendifferenz werden die charakteristischen Größen der optischen Komponenten ermittelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle des Interferometers ein verstimmbarer Laser oder eine konventionelle Lichtquelle mit durchstimmbarem Filter ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser eine verstimmbare Laserdiode umfaßt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Aufnahme der Intensität eine Photodiode oder ein Photodioden-Array, insbesondere eine CCD-Kamera umfaßt.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer vom Fizeau-, Mach-Zehnder-, Twyman-Green-Typ ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer ein Mach-Zehnder-Interferometer ist und die Dicke der in den einen Strahlengang des Interferometers eingebrachten optischen Komponente bei bekannter Brechzahl und Dispersion der optischen Komponente aus der optischen Weglängendifferenz bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer ein Fizeau-Interferometer ist und der Radius der in den Strahlengang des Interferometers eingebrachten optischen Komponente bei bekanntem Radius der Fizeau-Fläche aus der optischen Weglängendifferenz bestimmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftstrecke in einem System aus einer Vielzahl von optischen Komponenten bei bekannter Dicke, Dispersion und Brechzahl aus der optischen Weglängendifferenz bestimmt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend

1. 9.1 ein Interferometer mit einer Lichtquelle, deren Wellenlänge verändert werden kann;
2. 9.2 eine Dioden-Array-Einrichtung oder ein Photoempfänger zur Aufnahme des Interferenzstreifenmusters dadurch gekennzeichnet, daß
3. 9.3 die Vorrichtung eine Einrichtung zum Zählen der Anzahl der durchwandernden Streifen des Interferenzstreifenmusters bei sich verändernder Wellenlänge der Lichtquelle umfaßt.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine konventionelle Lichtquelle mit durchstimmbarem Filter oder ein verstimmbarer Laser, insbesondere eine verstimmbare Laserdiode ist.

11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden-Array-Einrichtung eine CCD-Kamera ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Photoempfänger eine Photodiode ist.