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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen wenigstens einer optischen
Eigenschaft eines Substrates und ein Verfahren zum Herstellen eines optischen
Elements aus dem Substrat.
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Das
hergestellte optische Element kann insbesondere eine Linse sein,
welche in ein optisches System inkorporiert wird und dort von einem
Strahlengang des Systems durchsetzt wird. Ein solches optisches
System kann etwa ein in der Astronomie verwendetes Teleskop oder
ein Objektiv sein, wie es in lithographischen Schritten zur Abbildung
einer Maske auf eine photoempfindliche Schicht bei der Herstellung
miniaturisierter Komponenten, insbesondere bei der Herstellung von
Halbleiterbauelementen, eingesetzt wird.
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Ein
Erfolg solcher optischer Systeme hängt unter anderem davon ab,
mit welcher Genauigkeit deren einzelne optische Elemente hergestellt
werden können.
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Eigenschaften
von Linsen hängen
unter anderem von einer Gestalt von deren Oberflächen und von einer Homogenität des Brechungsindex
eines Materials ab, aus dem die Linse gefertigt ist. Somit soll
eine Linse, welche einer gegebenen Spezifikation genügt, sowohl
hinsichtlich der Gestalt ihrer Oberfläche als auch hinsichtlich der
Homogenität
des Brechungsindex des Linsenmaterials der Spezifikation genügen. Zur
Ermittlung der Gestalt der Oberflächen der Linsen sind eine Vielzahl
von interferometrischen Verfahren bekannt. Zur Ermittlung der Homogenität bzw. Inhomogenität des Materials,
aus dem die Linse gefertigt wird, ist insbesondere das Verfahren
nach J. Schwider bekannt, welches zum Beispiel in J. Schwider et
al., "Homogeneity
testing by phase sampling interferometry", APPLIED OPTICS, Vol. 24, No. 18, 3059–3061, 15.
September 1985, und C. Ai et al., "Measurement of the inhomogeneity of
a window", OPTICAL
ENGINEERING, Vol. 30, No. 9, 1399–1404, September 1991, beschrieben
ist.
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Es
hat sich herausgestellt, daß das
bekannte Verfahren nach J. Schwider bei erhöhten Anforderungen an die Genauigkeit
bei der Ermittlung von Inhomogenitäten des Brechungsindex' des Materials in der
Praxis als unzureichend empfunden wird.
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Es
ist demgemäß eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ermitteln wenigstens
einer optischen Eigenschaft eines Substrates bereitzustellen, welches
eine höhere
Genauigkeit bei der Bestimmung ermöglicht.
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Ferner
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
Herstellen eines optischen Elements aus einem Substrat bereitzustellen, welches
höheren
Anforderungen hinsichtlich einer erreichbaren Genauigkeit bei der
Herstellung des optischen Elements genügt.
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Ermitteln wenigstens
einer optischen Eigenschaft eines Substrates, welches zwei im wesentlichen
plane Hauptflächen
aufweist und folgende Maßnahmen
umfaßt:
- (a) Anordnen des Substrates in einem Meßstrahlengang
eines Interferometers derart, daß ein von einer Interferometeroptik
des Interferometers erzeugter Meßstrahl die beiden Hauptflächen des Substrats
durchsetzt und von einem Spiegel reflektiert wird, und Durchführen einer
ersten interferometrischen Messung mit dem das Substrat durchsetzenden
und von, dem Spiegel reflektierten Meßstrahl;
- (b) Nicht-Anordnen des Substrates in dem Meßstrahlengang des Interferometers,
so daß der
von der Interferometeroptik erzeugte Meßstrahl von dem Spiegel reflektiert
wird ohne das Substrat zu durchsetzen, und Durchführen einer
zweiten interferometrischen Messung mit dem das Substrat nicht durchsetzenden
und von dem Spiegel reflektierten Meßstrahl; und
- (e) Bestimmen der optischen Eigenschaft des Substrats in Abhängigkeit
von der ersten und der zweiten interferometrischen Messung;
Gemäß einem
ersten Aspekt zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, daß zwischen
dem Durchführen der
ersten interferometrischen Messung und dem Durchführen der
zweiten interferometrischen Messung der Spiegel relativ zu der Interferometeroptik
in eine Verlagerungsrichtung verlagert wird, welche sich quer zu
einer Richtung einer Oberflächennormalen
auf eine Spiegelfläche
des Spiegels erstreckt.
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Sowohl
bei der ersten interferometrischen Messung als auch bei der zweiten
interferometrischen Messung wird das Licht des Meßstrahlengangs
von dem Spiegel reflektiert. Der Spiegel ist hierbei ein mit einer
hohen Genauigkeit gefertigter Planspiegel, wobei allerdings verbleibende
Abweichungen der Spiegelfläche
von einer idealen planen Soll-Gestalt desselben unvermeidlich sind.
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Allerdings
ist bei der ersten interferometrischen Messung das Substrat in dem
Strahlengang vor dem Spiegel angeordnet, und bei der zweiten interferometrischen
Messung ist das Substrat in dem Strahlengang vor dem Spiegel nicht
angeordnet. Da das in dem Strahlengang angeordnete Substrat eine optische
Wirkung auf den Meßstrahlengang
hat, kann das Substrat insbesondere auch den Meßstrahlengang etwas ablenken,
so daß ein
bei der zweiten interferometrischen Messung aus der Interferometeroptik
austretender Teilstrahl schließlich
an einem ersten Ort des Spiegels reflektiert wird, während dieser Teilstrahl
bei der ersten interferometrischen Messung, bei der das Substrat
im Strahlengang angeordnet ist, schließlich, wenn der Spiegel zwischen
den beiden interferometrischen- Messungen nicht verlagert wird,
von einem zweiten Ort auf dem Spiegel reflektiert wird, welcher
von dem ersten Ort verschieden ist. Weicht der Spiegel von seiner
planen Soll-Gestalt ab, so kann beispielsweise der zweite Ort im
Vergleich zu dem ersten Ort näher
an der Interferometeroptik angeordnet sein, was bei der zweiten
interferometrischen Messung dann, im Vergleich zu der ersten interferometrischen
Messung zu einer gemessenen optischen Wegdifferenz führt, welche nicht
auf das zu vermessende Substrat sondern auf die Abweichung des Spiegels
von seiner planen Soll-Gestalt zurückzuführen ist.
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Um
derartige auf die Abweichung des Spiegels von seiner planen Soll-Gestalt
zurückzuführende Effekte
zu vermeiden, wird erfindungsgemäß die Verlagerung
des Spiegels zwischen der ersten und der zweiten interferometrischen
Messung vorgesehen. Diese Verlagerung kann derart durchgeführt werden,
daß der
Teilstrahl bei beiden interferometrischen Messungen an im wesentlichen
dem gleichen Ort auf die Spiegelfläche trifft und dann in im wesentlichen
die gleiche Richtung wieder von dieser reflektiert wird, so daß der Teilstrahl
bei beiden Messungen schließlich
auf die gleiche Weise wieder in die Interferometeroptik eintritt
und damit das Meßergebnis
in geringerem Ausmaß durch
verbleibende Unebenheiten des Spiegels verfälscht wird.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
ist an dem Spiegel wenigstens eine Markierung angebracht, welche über die
Interferometeroptik beispielsweise auf eine Kamera abgebildet wird.
Durch Auswertung der Kamerabilder ist es dann möglich, den Spiegel bei der
ersten und der zweiten interferometrischen Messung jeweils derart
durch laterales Verschieben zu justieren, daß die Markierung bei beiden
interferometrischen Messungen auf im wesentlichen den gleichen Ort
im Kamerabild abgebildet wird.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
weist das Substrat im wesentlichen plane Hauptflächen auf, welche allerdings
sich nicht derart parallel zueinander erstrecken, daß bei einer interferometrischen
Messung, bei der das Substrat in dem Meßstrahlengang angeordnet ist,
gleichzeitig beide Oberflächen
des Substrates Interferenzen erzeugen, wodurch eine Auswertung der
interferometrischen Messung aufgrund der Mehrfachinterferenzen schwierig
wird. Das Substrat kann dann eine Prismengestalt aufweisen, so daß sich seine
beiden planen Hauptflächen
beispielsweise unter einem Winkel von mehr als etwa 0,1° zueinander
erstrecken.
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Hierbei
sieht dann eine weitere beispielhafte Ausführungsform vor, daß die Richtung
der Verlagerung des Spiegels orthogonal zu einer Schnittgeraden
zwischen Verlängerungen
der beiden Hauptflächen
orientiert ist.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, daß der Spiegel
so dicht an dem Substrat angeordnet ist, daß der oben beschriebene Versatz
der auf den Spiegel treffenden Meßstrahlung zwischen der ersten
und der zweiten interferometrischen Messung ausreichend gering ist, so
daß eine
Beeinträchtigung
des Meßergebnisses bei
der nichtplanen Soll-Gestalt des Spiegels nicht wesentlich ist.
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Hierbei
ist dann vorgesehen, daß das
Substrat an einer Halterung montiert ist, welche über einen Antrieb
in den Strahlengang hinein bewegt wird und aus diesem entfernt wird.
Dadurch ist es nicht nötig, daß eine Bedienperson
das Substrat zum Anordnen in dem Strahlengang und zum Entfernen
aus demselben mit der Hand berührt,
wodurch ein lokaler Wärmeeintrag
in das Substrat und eine Verfälschung
des Meßergebnisses
durch thermisch erzeugte Inhomogenitäten des Brechungsindex' vermieden wird.
Hierbei ist vorgesehen, daß der
Spiegel bei der ersten interferometrischen Messung sehr dicht an
dem Substrat angeordnet ist. Um diese Anordnung in dem Substrat
zu erreichen, ist auch der Spiegel an einer Halterung montiert,
welche über
einen Antrieb bewegbar ist und insbesondere von dem Interferometer
entfernbar ist, wenn Substrat in den Strahlengengang hineinbewegt
wird und aus diesem entfernbar ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfaßt
das Verfahren weiter:
- (c) Anordnen des Substrates
in dem Meßstrahlengang
des Interferometers derart, daß der
von der Interferometeroptik des Interferometers erzeugte Meßstrahl
eine erste der beiden Hauptflächen
des Substrats durchsetzt und von einer zweiten der beiden Hauptflächen des
Substrats reflektiert wird, und Durchführen einer dritten interferometrischen
Messung mit dem von der zweiten Hauptfläche reflektierten Meßstrahl.
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Hierbei
wird die optische Eigenschaft des Substrats ferner in Abhängigkeit
von der dritten interferometrischen Messung bestimmt.
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Das
Verfahren umfaßt
damit einen weiteren Schritt, welcher einem Schritt des Verfahrens
nach J. Schwider entspricht.
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Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
umfaßt
das Verfahren ferner:
- (d) Anordnen des Substrates
in dem Meßstrahlengang
des Interferometers derart, daß der
von der Interferometeroptik des Interferometers erzeugte Meßstrahl
von der ersten der beiden Hauptflächen des Substrats wenigstens
teilweise reflektiert wird, so daß ein an der ersten Hauptfläche reflektierter
Teil des Meßstrahls
die zweite der beiden Hauptflächen
des Substrats nicht durchsetzt, und Durchführen einer vierten interferometrischen Messung
mit dem von der ersten Hauptfläche
reflektierten Meßstrahl.
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Hierbei
wird die optische Eigenschaft des Substrats ferner in Abhängigkeit
von der vierten interferometrischen Messung bestimmt.
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Damit
umfaßt
das Verfahren noch einen weiteren Schritt, welcher einen Schritt
des Verfahrens nach J. Schwider entspricht.
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Die
wenigstens eine ermittelte optische Eigenschaft ist insbesondere
eine Inhomogenität
des Brechungsindex' des
Materials.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen
eines optischen Elements aus einem Substrat vor, wobei wenigstens
eine optische Eigenschaft des Substrates gemäß den vorangehend beschriebenen
Verfahren ermittelt wird und dann das Substrat unter Berücksichtigung
der ermittelten optischen Eigenschaft zu dem optischen Element geformt
wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen
eines optischen Elements aus einem Substrat vor, wobei wenigstens
eine optische Eigenschaft des Substrates gemäß den vorangehend beschriebenen
Verfahren ermittelt wird und das Substrat nur dann zur Herstellung
des optischen Elements verwendet wird, wenn die wenigstens eine
ermittelte optische Eigenschaft des Materials einer Spezifikation
entspricht.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Hierbei
zeigen die
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1 bis 4 vier interferometrische Messungen jeweils
verschiedener Konfiguration zur Bestimmung von optischen Eigenschaften
eines zu vermessenden Substrates.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist eine Abwandlung des herkömmlichen
Verfahrens nach Schwider. Ein erster Schritt des Verfahrens ist
in 1 dargestellt. Diese
zeigt einen Interferometeraufbau 1 mit einer optischen
Achse 3 und einer Laserlichtquelle 5, wie etwa
einem Helium-Neon-Laser, welcher einen Laserstrahl 7 emittiert.
Ein Mikroobjektiv 9 kollimiert den Laserstrahl 7 auf
ein Loch (pin hole) eines Raumfilters 11 derart, daß ein divergierender
Strahl 13 kohärenten
Lichts aus dem Loch des Raumfilters 11 ausgeht. Zur Erzeugung
des divergierenden Strahls 13 kann neben dem Raumfilter 11 mit Pin
hole auch ein Faserende eines Lichtleiters oder eine rotierende
Mattscheibe dienen. Eine Interferometeroptik, welche symbolisch
als eine Kollimationslinse 15 dargestellt ist, formt aus
dem Strahl 13 einen parallelen Strahl 17, dessen
Wellenfronten im wesentlichen ebene Wellenfronten sind. Der Strahl 17 durchsetzt
eine leicht keilförmige
Platte 19, deren eine Oberfläche 21 eine Fizeau-Fläche des
Interferometers 1 bildet. Der Strahl 17 trifft
dann auf eine Spiegelfläche 23 eines
Spiegels 25, welcher den Strahl 17 in sich reflektiert,
so daß dieser
die Keilplatten 19 und die Kollimationsoptik 15 durchsetzt, an
einem Strahlteiler 27 reflektiert wird und über ein
Objektiv 29 auf eine lichtsensitive Fläche einer Kamera 31 geführt wird.
Der Strahlteiler 27 kann ein polarisierender Strahlteiler
sein oder auch ein Strahlteiler, welcher einen Teil des Lichts unabhängig von
dessen Polarisationsrichtung reflektiert bzw. transmittiert. Ebenfalls auf
die lichtsensitive Fläche
der Kamera 31 wird Referenzlicht geführt, welches von der Fizeau-Fläche 21 zurückreflektiert
wird. Das von der Spiegelfläche 23 reflektierte
Meßlicht
und das von der Fizeau-Fläche 21 reflektierte
Referenzlicht erzeugen in einer ersten interferometrischen Messung
ein erstes Interferenzmuster auf der Kamera 31.
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Die
Spiegelfläche 23 trägt eine
Markierung 35, welche in der in 1 dargestellten Konfiguration genau auf
der optischen Achse 3 angeordnet ist. Diese Markierung 35 wird
durch das reflektierte Meßlicht entlang
der optischen Achse 3 und nach dem Strahlteiler 27 entlang
der gefalteten optischen Achse 3' auf einen Ort der Kamera 31 abgebildet,
an welchem die Achse 3' das
lichtsensitive Substrat der Kamera 31 durchsetzt. Durch
Auswerten des Ortes, auf welchen die Markierung 35 in dem
Kamerabild abgebildet wird, ist es möglich, den Spiegel 25 durch
laterales Verschieben so zu justieren, daß die Markierung 35 auf
der Achse 3 angeordnet ist.
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Eine
zweite interferometrische Messung wird in einer Konfiguration durchgeführt, welche
in 2 dargestellt ist.
Dort ist das Substrat 37, dessen Homogenität des Brechungsindex' des Materials des Substrates
zu messen ist, in der zwischen der Fizeau-Fläche 21 und der Spiegelfläche 23 gebildeten Kavität angeordnet.
Das Substrat 37 weist zwei im wesentlichen plane Oberflächen 38 und 39 auf,
welche einen Winkel α von
etwa 0,16 ° zueinander
einschließen.
Das Substrat 37 ist derart angeordnet, daß eine Mittelebene 41 zwischen
den beiden Oberflächen 38, 39 im
wesentlichen or thogonal zu der optischen Achse 3 des Interferometers 1 orientiert
ist. Damit wird Meßlicht
des Meßstrahls 17 von
keiner der Oberflächen 38, 39 in
sich zurückreflektiert,
weshalb keine der Oberflächen 38, 39 zu
Interferenzen mit dem Referenzlicht in dem Kamerabild führt. Allerdings
führt eine
Prismenwirkung des Substrates 37 dazu, daß der Strahlengang
des Meßstrahls 17 durch das
Substrat 37 abgelenkt wird, wie dies in 3 übertrieben
durch einen Winkel γ zwischen
der optischen Achse 3 des Interferometers und einer abgelenkten
Achse 3'' des Meßstrahls 17 angedeutet
ist. Um sicher zu stellen, daß einzelne
Teilstrahlen des Meßstrahles 17 in
der Konfiguration gemäß 1 von gleichen Orten der
Spiegelfläche 23 reflektiert werden
wie in der Konfiguration gemäß 2, ist der Spiegel 25 in
der Konfiguration der 2 im
Vergleich zu der Konfiguration gemäß 1 um eine Strecke lateral verschoben,
welche die 2 durch einen
Pfeil 45 repräsentiert
ist. Zudem wird der Spiegel 25 im Vergleich zu der Konfiguration
gemäß 1 um den Winkel γ relativ
zu der Achse 3 verschwenkt, so daß das Meßlicht wiederum orthogonal auf
die Spiegelfläche 23 trifft
bzw. diese selbst orthogonal zu der abgelenkten Achse 3'' orientiert ist. Die Strecke 45 ist
parallel zu der Spiegelfläche 23 und
orthogonal zu einer Geraden 47, in der sich Ebenen der Oberflächen 38 und 39 des
Substrates 37 schneiden. Eine Größe der Verlagerung 45 und
der Verschwenkung des Spiegels ist so bemessen, daß die Markierung 35 auf
der abgelenkten optischen Achse 3'' angeordnet
ist. Diese Positionierung des Spiegels 25 kann wiederum über das
Kamerabild ermittelt werden, da bei korrekter Positionierung der
Markierung 35 diese im Kamerabild wiederum auf der gefalteten optischen
Achse 3' erscheint.
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Es
ergibt sich auf dem lichtsensitiven Substrat der Kamera 31 wiederum
ein Interferenzmuster durch Überlagerung
des von dem Spiegel 23 reflektierten Meßlichtes mit dem von der Fizeau-Fläche 21 reflektierten
Referenzlicht.
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Eine
Konfiguration zur Durchführung
einer dritten interferometrischen Messung ist in 3 gezeigt. Dort ist das Substrat 37 derart
in dem Strahlengang des Meßstrahles 17 angeordnet,
daß das
Meßlicht
die Oberfläche 38 des
Substrates durchsetzt und orthogonal auf die Oberfläche 39 des
Substrates 37 trifft, so daß das Meßlicht an der Oberfläche 39 in sich
zurückreflektiert
wird und auf der lichtsensitiven Fläche der Kamera 31 mit
dem an der Fizeau-Fläche 21 reflektierten
Referenzlicht interferiert.
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Eine
Konfiguration zur Gewinnung einer vierten interferometrischen Messung
ist in 4 dargestellt.
Dort ist das Substrat 37 derart im Strahlengang des Meßstrahles 17 angeordnet,
daß dieser
in sich an der Oberfläche 38 des
Substrates 37 zurückreflektiert
wird und auf dem lichtsensitiven Substrat der Kamera 31 mit
dem von der Fizeau-Fläche 21 zurückgeworfenen
Referenzlichtes interferiert.
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Aus
der ersten, zweiten, dritten und vierten interferometrischen Messung
können
die Inhomogenitäten
des Materials des Substrates 37 ermittelt werden, wie dies
in den oben angegebenen Artikeln von J. Schwider et al. und C. Ai
et al. beschrieben ist.
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Aus
dem Substrat 37 wird nachfolgend eine Linse gefertigt,
wobei das Substrat 37 nur dann zur Fertigung der Linse
eingesetzt wird, wenn die ermittelten Inhomogenitäten vorgegebene
Grenzen nicht überschreiten.
Andernfalls wird ein weiteres Substrat nach den vorangehend beschriebenen
Verfahren vermessen und dieses wird zur Fertigung der Linse verwendet,
sofern dessen Inhomogenitäten
unter den vorgegebenen Grenzen liegen.
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Ist
das zu fertigende optische Element eine Keilplatte bzw. ein Prisma,
so können
die gemessenen Inhomogenitäten
direkt berücksichtigt
werden, indem Soll-Gestalten der Oberflächen der Keilplatte abgewandelt
werden, um einem Einfluß der
ermittelten Inhomogenitäten
auf einen Strahlengang durch die Keilplatte in einem optischen System,
in welches diese nachfolgend integriert wird, derart Rechnung zu
tragen, daß die
Keilplatte auf den Strahlengang schließlich eine Wirkung aufweist,
wie dies gemäß einer
Auslegung des optischen Systems gewünscht ist.
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Das
Substrat 37 und der Spiegel 25 sind jeweils auf
einer separaten Halterung (in den 1 bis 4 nicht dargestellt) montiert,
so daß die
Bewegungen des Substrats und des Spiegels durch entsprechendes Bewegen
der Halterungen bewerkstelligt werden können. Hierdurch muß eine Bedienperson
das Substrat bzw. den Spiegel nicht mit der Hand berühren, um
die Bewegungen durchzuführen,
wodurch ein lokaler Wärmeeintrag
und eine damit einhergehende Deformation der Komponenten bzw. eine Änderung eines
Brechungsindex' des
Substrats vermeidbar ist. Die Halterungen können hierbei als beispielsweise ein
Verschiebetisch oder dergleichen realisiert sein. Die Halterung
kann ferner motorisch betätigbar
sein, oder, falls diese von der Hand des Benutzers zu betätigen ist,
einen Betätigungsort
zum Angreifen mit der Hand bereitstellen, welcher von dem Substrat bzw.
von dem Spiegel ausreichend weit entfernt ist, um einen Wärmeeintrag
durch die Hand auf das Substrat bzw. den Spiegel ausreichend gering
zu halten.
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Zusammenfassend
wird ein Verfahren zum Ermitteln wenigstens einer optischen Eigenschaft, insbesondere
von Inhomogenitäten
eines Brechungsindex' eines
Materials eines Substrates, ähnlich
einem Verfahren nach J. Schwider et al. durchgeführt, wobei allerdings ein Spiegel
zur Reflexion eines Meßstrahls
zwischen zwei interferometrischen Messungen lateral verlagert wird.
Die ermittelte optische Eigenschaft des Substrates wird bei einer
Herstellung eines optischen Elements aus dem Substrat berücksichtigt.