DE102005062232B3

DE102005062232B3 - Optisches Abbildungssystem zur Wellenfrontprüfung

Info

Publication number: DE102005062232B3
Application number: DE200510062232
Authority: DE
Inventors: Stefan Franz; Jörg WUNDERLICH; Ullrich Krüger
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2025-12-23
Also published as: WO2007076746A1

Abstract

Bei einem optischen Abbildungssystem zur Wellenfrontprüfung besteht die Aufgabe, ein optisches Abbildungssystem bereitzustellen, das Prüflinge in einem großen Wellenlängenbereich bis zum Pupillenrand mit ausreichender Schärfe abbildet. DOLLAR A Zur Wellenfronttransformation sind Spiegeloptiken vorgesehen, wobei ein erster, zur Pupillenabbildung eines Prüflings dienender Hohlspiegel und ein bildaufrichtender zweiter Hohlspiegel mit spiegelnden Flächen in Off-Axis-Stellungen einander zugewandt sind und parallel zueinander versetzt angeordnete Spiegelachsen bei zumindest annähernd gleichen Off-Axis-Winkeln aufweisen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Abbildungssystem zur Wellenfrontprüfung, das zur Wellenfronttransformation Spiegeloptiken vorsieht.
Werden für die Prüfung von Objektiven Kugelwellen benötigt, sind abbildende optische Systeme zur Wellenfronttransformation erforderlich, um dadurch eine Wellenfrontanpassung an den Prüfling erreichen zu können. Die abbildenden optischen Systeme sollen für große Prüflingsöffnungen geeignet sein. Die Öffnung des optischen Systems darf klein sein.
Es ist bekannt, dass sich Paraboloide für eine Transformation von ebenen Wellen in Kugelwellen eignen. Für einen obstruktionsfreien Strahlengang werden diese hier in Off-Axis-Position benutzt. Dabei besteht ein wesentlicher Nachteil darin, dass die Pupillenabbildung leicht gewölbt und insbesondere durch eine erhebliche Bildfeldneigung stark fehlerbehaftet ist. Die bestehende Forderung, nach welcher der Rand des Prüflings ausreichend scharf abzubilden ist, um beugungsbedingte Messfehler am Prüflingsrand zu reduzieren, kann deshalb nicht erfüllt werden.
Außerdem besteht der Nachteil, dass das Pupillenbild sehr nahe an dem Paraboloiden liegt, wodurch der Bauraum für weitere optische Elemente, wie z. B. Strahlteiler, sehr eingeschränkt ist.

Aus der WO 03/091685 A1 ist eine Messanordnung mit einer Hartmann-Platte zur Erzeugung einer Vielzahl von Lichtstrahlen bekannt, die auf ein in einer Messebene positioniertes, zu vermessendes Objekt gerichtet werden. Die Lage der Einzelstrahlen wird in unterschiedlichen Abständen zur Messebene mit und ohne zu vermessendem Objekt bestimmt und ausgewertet.

Mit einer Hartmann-Platte arbeitet auch die US 2005/0219549 A1, wobei mit einer durch ein Pinhole erzeugten Kugelwelle Herstellungsfehler und Fehlablagen der Hartmann-Platte bestimmt und zur Ermittlung der Aberration eines optischen Systems herangezogen werden.

Die US 4 443 058 verwendet zwei in Off-Axis-Stellung symmetrisch angeordnete Spiegel, von denen der erste Spiegel kollimierte Strahlen von Objektpunkten erzeugt und auf den zweiten Spiegel richtet, während der zweite Spiegel die kollimierten Strahlen refokussiert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die bestehenden Probleme zu lösen und ein optisches Abbildungssystem bereitzustellen, das Prüflinge in einem großen Wellenlängenbereich bis zum Pupillenrand mit ausreichender Schärfe abbildet.

Zusätzlich soll das Abbildungssystem genügend Bauraum für weitere optische Bauelemente schaffen und mit einfachen Mitteln eine Strahlanpassung bei Prüflingen mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln an den Empfänger ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem optischen Abbildungssystem zur Wellenfrontprüfung, das zur Wellenfronttransformation Spiegeloptiken vorsieht, dadurch erreicht, dass ein erster, zur Pupillenabbildung eines Prüflings dienender Hohlspiegel und ein bildaufrichtender zweiter Hohlspiegel mit spiegelnden Flächen in Off-Axis-Stellungen einander zugewandt sind und parallel zueinander versetzt angeordnete Spiegelachsen bei zumindest annähernd gleichen Off-Axis-Winkeln aufweisen.

Besonders zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen optischen Abbildungssystems ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste und der zweite Hohlspiegel als Parabolspiegel ausgebildet sind.

Alternativ zur vorgenannten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der erste und der zweite Hohlspiegel als Ellipsoidspiegel ausgebildet sind.

In beiden Fällen ist es vorteilhaft, wenn dem bildaufrichtenden zweiten Hohlspiegel im Strahlengang eine Kollimatoroptik nachgeordnet ist.

In einer weiteren Ausgestaltung können die beiden Hohlspiegel einen gegenseitigen Abstand aufweisen, bei dem ein von dem ersten Hohlspiegel erzeugtes Zwischenbild zumindest annähernd in der Mitte zwischen beiden Hohlspiegeln liegt, so dass für einen Strahlteiler einer Prüfanordnung, für die das optische Abbildungssystem vorgesehen ist, ausreichend Platz zur Verfügung steht.

Durch unterschiedliche Abstände zwischen den Hohlspiegeln, die durch Verschiebung entlang der Spiegelachsen erreicht werden kann, wird gewährleistet, dass das optische Abbildungssystem für Prüflinge mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln geeignet ist. Somit kann der Öffnungswinkel an die Sensorgröße angepasst werden, ohne dass ein umfangreicher Austausch von optischen Bauelementen erforderlich ist.

Die Erfindung kann weiterhin derart ausgestaltet sein, dass dem ersten Hohlspiegel prüflingsseitig ein weiterer Hohlspiegel mit spiegelnder Fläche in Off-Axis-Stellung zugewandt ist, wobei die Brennpunkte der beiden Hohlspiegel zusammenfallen.

Ferner kann auch ein ausgangsseitiges optisches Zwischenabbildungssystem vorgesehen sein.

Das erfindungsgemäße optische Abbildungssystem ist bevorzugt für Anordnungen zur optischen Prüfung von Objektiven geschaffen, indem es einen zwischen den beiden Hohlspiegeln angeordneten Strahlteiler zur Einkopplung von kollimierter Beleuchtungsstrahlung und einen zwischen dem ersten Hohlspiegel und einem Reflektor angeordneten Prüflingsaufnahmebereich aufweist und dem zweiten Hohlspiegel ausgangsseitig ein Empfängersystem nachgeordnet ist.

Werden die nach dem bildaufrichtenden zweiten Hohlspiegel noch divergenten Wellenfronten mit Hilfe der vorteilhaft dem bildaufrichtenden zweiten Hohlspiegel im Strahlengang nachgeordneten Kollimatoroptik in konvergente Wellenfronten transformiert, können besonders vorteilhaft Shack-Hartmann-Wellenfrontsensoren zur Anwendung kommen. Das Empfängersystem besteht bei einer derartigen Anordnung aus einem Mikrolinsenarray und einem Empfängerarray.

Alternativ zur vorgenannten Ausgestaltung kann das erfindungsgemäße optische Abbildungssystem in einer interferometrischen Prüfanordnung als spektral breitbandiges Interferometerobjektiv eingesetzt werden, um z. B. mit einer Kamera als Empfängersystem ein Interferogramm aufnehmen zu können. Auch hier bieten konvergente Wellenfronten Vorteile.

Bei einer derartigen Prüfanordnung ist die Beleuchtungsstrahlung kohärent ausgebildet und von dem Strahlteiler gehen ein Referenz- und ein über den ersten Hohlspiegel geführter Messarm aus.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Abbildungssystem
2 eine interferometrische Prüfanordnung zur Vermessung von Objektiven
3 ein modifiziertes optisches Abbildungssystem
4 das optische Abbildungssystem gemäß 3 in einer Prüfanordnung mit einem Shack-Hartmann-Sensor
5 ein optisches Abbildungssystem zur Ebenheitsmessung von ebenen Prüflingen
6 ein optisches Abbildungssystem mit einem ausgangsseitigen optischen Zwischenabbildungssystem
7 eine Prüfanordnung mit einem Shack-Hartmann-Sensor, die ein optisches Abbildungssystem mit Ellipsoidspiegeln enthält
Das Abbildungssystem gemäß 1 umfasst einen ersten prüflingsseitigen, bevorzugt als Parabolspiegel 1 ausgebildeten Hohlspiegel und einen zweiten Korrektur-Hohlspiegel in Form eines Parabolspiegels 2, die derart angeordnet sind, dass die Spiegelachsen S₁-S₁, S₂-S₂ parallel zueinander versetzt liegen und die Off-Axis-Winkel α, β gleich groß sind.
Kommt das erfindungsgemäße optische Abbildungssystem in einer interferometrischen Prüfanordnung gemäß 2 zur Anwendung, wird kohärente Strahlung einer im Wesentlichen punktförmigen Beleuchtungsquelle 3 direkt oder bevorzugt über eine optische Faser 4 eingekoppelt und über einen Kollimator 5, wie z. B. einen Parabolspiegel oder eine Linsenoptik, geführt und parallelisiert.
Ein Strahlteiler 6 teilt die resultierende Planwelle in zwei Teilwellen auf, von denen eine in einen Referenzarm 7 und die andere in einen Messarm 8 gerichtet ist.
Der Referenzarm 7 kann in unterschiedlichen Längen ausgeführt sein. In einer ersten Ausführung liegt der Referenzspiegel 9 in einem Abstand zum Strahlteiler 6, der dem Abstand des Zwischenbildes ZB zum Strahlteiler 6 gleich ist (Bezeichnungen A, A' auf gestricheltem Kreis), so dass auch der Randbereich des Referenzspiegels 9 hinreichend scharf abgebildet wird.
Eine zweite Ausführung enthält einen Referenzspiegel 9' in einer Entfernung, die der Summe der optischen Wege im Messarm 8 entspricht. Das hat den Vorteil, Licht kürzerer Kohärenzlängen und somit auch Anwendungen der Weißlichtinterferometrie verwenden zu können.
Schließlich ist es möglich, den Referenzarm 7 und den Messarm 8 weitgehend identisch aufzubauen, falls die Abbildung des Referenzspiegels 9 korrigiert sein muss (Linnik-Anordnung).
Der erste prüflingsseitige Parabolspiegel 1 des erfindungsgemäßen optischen Abbildungssystems wandelt die über den Strahlteiler 6 ankommenden ebenen Wellenfronten in Kugelwellen um, die den Prüfling 10 aufgrund eines im Strahlengang nachgeordneten Planspiegels 11 bevorzugt zweimal durchlaufen, so dass den Wellenfronten die Abberationen des Prüflings 10 aufgeprägt werden.
Der zweite Korrektur-Parabolspiegel 2 richtet das vom ersten Parabolspiegel 1 erzeugte schräg im Strahlengang liegende Bild auf, so dass zum interferometrischen Nachweis der Wellenfronten die Aufnahme eines Interferogramms mit einer Kamera 12 gewährleistet ist.
Die Abbildung des Prüflings 10 ist zur Ausschaltung von Streulicht durch eine hinreichend kleine Blendenöffnung abzublenden. Das kann zum einen durch die Öffnung 13 der interferometrischen Prüfanordnung erfolgen. Andererseits kann auch eine nicht dargestellte Streulichtblende im rückwärtigen Brennpunkt 14 der Prüfanordnung, dem Kreuzungspunkt der Strahlen vor der Kamera 12 positioniert werden.
Um die Zugänglichkeit für die Streulichtblende zu gewährleisten, sollte ein Vorzugs-Off-Axis-Winkel gewählt werden, bei dem der Brennpunkt gerade noch außerhalb des Parallelstrahles liegt.
Die abzubildende und der Öffnung des Prüflings 10 entsprechende Feldblende FB liegt in den 2 und 4 vor dem Prüfling 10. Sie kann aber auch im oder hinter dem Prüfling 10 liegen. Zwar ist als Vorzugsabstand der beiden Parabolspiegel 1, 2 ein Abstand vorgesehen, bei dem das Zwischenbild ZB in der Mitte zwischen den Parabolspiegeln 1, 2 liegt, doch kann der Abstand zur Einstellung des Abbildungsmaßstabes auch variabel sein.
Das erfindungsgemäße optische Abbildungssystem ist auch für eine Wellenfrontanalyse nach Hartmann geeignet, die keinen Interferometeraufbau erfordert und bei der die zu untersuchende Wellenfront durch Lochblenden in Subaperturen zerlegt wird, deren weitere Propagation die lokale Wellenfrontneigung gemäß dem Hartmann-Test anzeigt. Vorteilhaft sind jedoch kollimierte Wellenfronten, weshalb das optische Abbildungssystem gemäß 3 nach dem Parabolspiegel 2 eine ausgangsseitige Kollimatoroptik 15 aufweist. Im einfachsten Fall eignet sich hierfür eine Plankonvexlinse.
Bei einer lichtstärkeren Variante nach Shack zerlegt ein Mikrolinsenarray 16 gemäß 4 die ankommende Wellenfront in Teilbereiche, welche auf ein Empfängerarray 17 fokussiert werden. Aus der Verschiebung der Fokuspunkte zu deren Soll-Lage kann über die Brennweite der Lenslets des Mikrolinsenarrays 16 die lokale Wellenfrontneigung errechnet werden. Die Integration der Wellenfrontneigung ergibt die Wellenfrontform.
Da keine Interferenz notwendig ist, muss die Beleuchtungsquelle 3 zudem nicht kohärent sein.
Selbstverständlich beschränken sich die Einsatzmöglichkeiten nicht auf die beiden hier genannten, jedoch bevorzugten Ausführungen.
Weitere Ausführungen sind z. B. mit Quadri-Lateral-Shearing-Interferometern (QWLSI) gegeben, die eine (fehlerbehaftete) Wellenfront in vier identische Wellen zerlegen und zueinander nach unterschiedlichen Varianten „versetzt" wieder zur Interferenz bringen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß 5 ist prüflingsseitig als Kollimator ein weiterer, als Parabolspiegel 18 ausgebildeter Hohlspiegel vorgesehen, so dass ebene Prüflinge vermessen werden können. Der Parabolspiegel 18 ist derart angeordnet, dass sein Brennpunkt mit dem Brennpunkt des ersten Parabolspiegels 1 zusammenfällt, was mit F_G bezeichnet ist.
Ein ausgangsseitiges optisches Zwischenabbildungssystem 19 (6) ist vorteilhaft, wenn der Empfänger zu Kühlzwecken in einem Kühlbehälter untergebracht ist, wie z. B. bei Messungen im Infrarotbereich. Der resultierende große Arbeitsabstand zu dem Empfänger kann auf diese Weise überwunden werden.
Die Erfindung beschränkt sich nicht allein auf die Verwendung von parabolischen Spiegelgeometrien. Soll z. B. eine ideale Kugelwellentransformation vorgenommen werden, eignen sich hierfür Ellipsoide an Stelle von Paraboloiden.
Ein Ausführungsbeispiel für eine Prüfanordnung, die ein optisches Abbildungssystem mit Ellipsoidspiegeln 1', 2' enthält, ist in 7 dargestellt.
Im Unterschied zur Prüfanordnung gemäß 4 kann auf einen Beleuchtungskollimator verzichtet werden, da die Beleuchtung direkt im Brennpunkt des Ellipsoiden eingebracht werden kann.

Claims

Optisches Abbildungssystem zur Wellenfrontprüfung, das zur Wellenfronttransformation Spiegeloptiken vorsieht, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster, zur Pupillenabbildung eines Prüflings dienender Hohlspiegel und ein bildaufrichtender zweiter Hohlspiegel mit spiegelnden Flächen in Off-Axis-Stellungen einander zugewandt sind und parallel zueinander versetzt angeordnete Spiegelachsen (S₁-S₁, S₂-S₂) bei zumindest annähernd gleichen Off-Axis-Winkeln aufweisen.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem bildaufrichtenden zweiten Hohlspiegel im Strahlengang eine Kollimatoroptik (15) nachgeordnet ist.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hohlspiegel einen gegenseitigen Abstand aufweisen, bei dem ein von dem ersten Hohlspiegel erzeugtes Zwischenbild zumindest annähernd in der Mitte zwischen beiden Hohlspiegeln liegt.
Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hohlspiegel entlang der Spiegelachsen (S₁-S₁, S₂-S₂) zur gegenseitigen Abstandsänderung verschiebbar sind.
Optisches Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hohlspiegel prüflingsseitig ein weiterer Hohlspiegel mit spiegelnder Fläche in Off-Axis-Stellung zugewandt ist, wobei die Brennpunkte der beiden Hohlspiegel zusammenfallen.
Optisches Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein ausgangsseitiges optisches Zwischenabbildungssystem (19) vorgesehen ist.
Optisches Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Hohlspiegel als Parabolspiegel (1, 2) ausgebildet sind.
Optisches Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Hohlspiegel als Ellipsoidspiegel (1', 2') ausgebildet sind.
Anordnung zur Prüfung von Objektiven mit einem optischen Abbildungssystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Abbildungssystem einen zwischen den beiden Hohlspiegeln angeordneten Strahlteiler (6) zur Einkopplung von Beleuchtungsstrahlung und einen zwischen dem ersten Hohlspiegel und einem Reflektor (11) angeordneten Prüflingsaufnahmebereich aufweist, und dass dem zweiten Hohlspiegel ausgangsseitig ein Empfängersystem nachgeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfängersystem aus einem Mikrolinsenarray (16) und einem Empfängerarray (17) besteht.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsstrahlung kohärent ausgebildet ist, dass von dem Strahlteiler (6) ein Referenzarm (7) und ein über den ersten Hohlspiegel geführter Messarm (8) ausgehen, und dass als Empfängersystem eine zur Aufnahme eines Interferogramms ausgebildete Kamera (12) vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzarm (7) einen Referenzspiegel (9) in einem Abstand zum Strahlteiler (6) aufweist, der dem Abstand des Zwischenbildes (ZB) zum Strahlteiler 6 gleich ist.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzarm (7) in einer der Summe der optischen Wege im Messarm 8 entsprechenden Entfernung von dem Strahlteiler (6) einen Referenzspiegel (9') aufweist.