DE102006057606A1 - Test sample's e.g. concave test sample, optically smooth surface e.g. free form surface, laminar measurement method, involves filtering object waves, which are reflected from surface, by aperture stop in Fourier plane of imaging lens - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Messvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 21. Dabei wird unter einer optisch glatten Oberfläche eine spiegelnd reflektierende Oberfläche verstanden.The The present invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a measuring device according to the preamble of claim 21. It is under a visually smooth surface a mirroring reflective surface understood.
Ein
solches interferometrisches Verfahren und eine solche Messvorrichtung
ist bereits am Institut für
Technische Optik der Universität
Stuttgart entwickelt und in der
Zur Vermessung optischer Oberflächen bietet sich die Interferometrie als genaues und schnelles Verfahren an. Die Interferometrie nutzt die Welleneigenschaft des Lichtes. Bei der Überlagerung einer bekannten Referenzwelle und einer von der Oberfläche des Prüflings üblicherweise deformierten Objektwelle entstehen Bereiche mit Auslöschung und Bereiche mit Lichtverstärkung. Das entstehende Intensitätsbild, das Interferogramm, enthält die Information über die Abweichung des Prüflings von der Sollform und kann ausgewertet werden.to Measurement of optical surfaces Interferometry is an accurate and fast method at. Interferometry uses the wave property of light. In the overlay a known reference wave and one of the surface of the Test specimens usually deformed object wave arise areas with extinction and Areas with light amplification. The resulting intensity image, the interferogram, contains the information about the deviation of the test object from the nominal shape and can be evaluated.
Weichen jedoch Objektwelle und Referenzwelle stark voneinander ab, so sind die Interferenzstreifen so dicht, dass sie von dem Detektor nicht mehr aufgelöst werden können. Bei dem Detektor handelt es sich in der Regel um einen bildgebenden Sensor, z.B. eine Kamera.give way however, object wave and reference wave are strongly different from each other, so are the interference fringes are so dense that they no longer reach the detector disbanded can be. The detector is usually an imaging sensor, e.g. a camera.
Die Interferometrie dient zum Beispiel zur Vermessung von optischen Bauteilen wie Linsen. Der Großteil heutiger Optiken enthält ausschließlich Sphären, also Linsen, deren Oberflächen eine Kugelgestalt besitzen. Die interferometrische Prüfung sphärischer Linsen ist unproblematisch und standardisiert. Bei ihrer Vermessung vermeidet man zu starke Abweichungen zwischen Objektwelle und Referenzwelle durch die Verwendung einer sog. Nulllinse, die eine zunächst ebene Messwelle zu einer Kugelwelle formt, die dann idealerweise senkrecht auf die zu vermessende Sphäre fällt und von ihr als Objektwelle reflektiert wird, so dass bei dem Rücklauf durch die Nulllinse wieder eine ebene Welle entsteht, die als Objektwelle mit der ebenfalls ebenen Referenzwelle überlagert wird.The Interferometry is used, for example, for the measurement of optical Components such as lenses. The majority Contains today's optics exclusively spheres, so Lenses whose surfaces have a spherical shape. The interferometric test spherical Lenses is unproblematic and standardized. In her survey avoids excessive deviations between the object wave and the reference wave by the use of a so-called null lens, which is an initially flat Measuring wave forms into a spherical wave, which then ideally perpendicular on the sphere to be measured falls and is reflected by it as an object wave, so that in the return through the Null lens again, a plane wave is created, which as an object wave is superimposed with the also flat reference wave.
Durch die Verwendung von Asphären, also Linsen, deren Oberflächen von der reinen Kugelform abweichen, werden Optiken leistungsfähiger und können kompakter gebaut werden. Solche Optiken durchdringen den Markt in Bereichen wie Hochleistungsobjektive für die Waferbelichtung, aber auch Brillengläser und Fotooptiken mehr und mehr.By the use of aspheres, So lenses whose surfaces deviate from the pure spherical shape, optics are more powerful and can be more compact be built. Such optics penetrate the market in areas like high performance lenses for the wafer exposure, but also lenses and photo optics more and more.
Als Voraussetzung für eine genaue Fertigung von Asphären gilt die genaue Vermessung ihrer Oberfläche. Prinzipiell können Asphären ähnlich wie Sphären mit Hilfe einer Nulllinse, oder allgemeiner, einer Nulloptik, vermessen werden.When requirement for an exact production of aspheres applies the exact measurement of their surface. In principle, aspheres can be similar to spheres with Help a zero lens, or more generally, a zero optics, measured become.
Im Gegensatz zur Vermessung sphärischer Oberflächen stellt die interferometrische Vermessung asphärischer Oberflächen jedoch eine in vielen Bereichen noch nicht befriedigend gelöste Aufgabe der optischen Messtechnik dar. Der Ursprung der auftretenden Probleme liegt darin, dass Nulltests an Asphären immer die Fertigung spezieller, an die Asphäre angepasster refraktiver oder diffraktiver Optiken als Nulllinsen erfordern.in the Contrary to the measurement of spherical surfaces However, the interferometric measurement of aspheric surfaces a task that has not been satisfactorily solved in many areas the optical metrology. The origin of the problems occurring lies in the fact that zero tests on aspheres always the production of special, to the asphere adapted refractive or diffractive optics as zero lenses require.
Es
werden bereits Nulloptiken für
Asphären standardmäßig diffraktiv
und refraktiv gefertigt, wobei eine diffraktive Struktur dazu verwendet
wird, die sphärische
Objektwelle eines Interferometerobjektivs so umzuformen, dass eine
an den Prüfling
angepasste Welle entsteht. Vergleiche
Da Asphären in einer enormen Formenvielfalt gefertigt werden, ist die Erzeugung angepasster Nulllinsen jedoch mit einem großen Zeit- und Kostenaufwand verbunden.There aspheres are produced in an enormous variety of forms, is the production adapted zero lenses but with a great deal of time and expense connected.
Es ist ferner bekannt, eine für die Prüfung sphärischer Linsen verwendete Linse durch ein sog. computergeneriertes Hologramm (CGH) zu ergänzen. Ein CGH ist ein diffraktives optisches Element, das die Anpassung der Messwelle an einen asphärischen Prüfling ermöglicht, so dass auch hier die Messwelle senkrecht auf den Prüfling trifft. Auch hier gilt, dass die Herstellung solcher CGHs zeitaufwändig und teuer ist, so dass dieser Weg nur bei hohen Stückzahlen effizient ist.It is also known, a for the test more spherical Lens used lens by a so-called. Computer generated hologram (CGH). A CGH is a diffractive optical element that matches the adaptation the measuring shaft to an aspherical examinee allows so that here too, the measuring shaft is perpendicular to the test object. Again, the preparation of such CGHs is time consuming and is expensive, so this way is efficient only at high volumes.
Versuche, Asphären ohne Nulloptiken im Nicht-Nulltest interferometrisch zu vermessen, scheitern oft an dem Auftreten von Interferogrammen mit zu hohen Streifendichten, die nicht mehr von der verwendeten Kamera aufgelöst werden. Ferner reichen Standard-Kalibrierverfahren nicht aus. Oft verlassen die an der Oberfläche des Prüflings reflektierten Strahlen gar das optische System.Tries, aspheres without interferometry measurement without zero optics in the non-zero test, often fail due to the occurrence of interferograms with too high Streak densities that are no longer resolved by the camera used. Furthermore, standard calibration methods are not sufficient. Often they leave on the surface of the test piece reflected rays even the optical system.
In
den Veröffentlichungen
Bei der Vermessung einzelner Ringzonen durch Bewegungen der Asphäre oder der Interferometeroptik ist man jedoch auf rotationssymmetrische Asphären beschränkt. Außerdem erweisen sich hier mechanische Stellungenauigkeiten als problematisch.at the measurement of individual ring zones by movements of the asphere or However, the interferometer optics is limited to rotationally symmetric aspheres. In addition, prove here mechanical inaccuracies as problematic.
Für zuverlässige Messungen
im Nicht-Nulltest müssen
Wege gefunden werden, das Interferometer samt seiner Abweichungen
von der Sollkonfiguration zu charakterisieren. In diesem Zusammenhang
beschreiben
Bei der von Greivenkamp et al. vorgeschlagenen Methode des „reverse engineering" wird empfohlen, das optische System aus möglichst wenigen Komponenten zusammenzustellen, um den Parameterraum einzuschränken. Dies schränkt jedoch die Leistungsfähigkeit des Interferometers z.B. in Bezug auf die Auflösung ein.at that of Greivenkamp et al. proposed method of "reverse engineering " recommended the optical system from as few components as possible to collapse the parameter space. This restricts however the efficiency of the interferometer e.g. in terms of resolution.
Eine
weitere Methode, die bei der Messung von sphärischen Optiken mit großen Aperturen
bereits erfolgreich angewandt wird und inzwischen auf die Vermessung
von Asphären übertragen
wurde, ergibt sich durch das "Subaperture
Stitching Interferometer" der
Firma QED, mit dem einzelne Bereiche der Asphäre durch Drehung des Prüflings und Schwenken
des Interferometers vermessen werden. Vergleiche
Das subaperture stitching Interferometer ist jedoch gerätetechnisch relativ aufwändig und noch auf schwache Asphären beschränkt.The subaperture stitching interferometer, however, is device technology relatively expensive and still on weak aspheres limited.
Ein
Stitching-Verfahren der Firma QED, bei dem auch der Interferometerfehler,
der für
alle Messungen gleich ist, ermittelt wird, führt zu einer Gesamtmessung,
deren Messunsicherheit bei der Messung von Sphären sogar niedriger ist als
bei Messungen ohne Stitching. Vergleiche
Das
aus der eingangs genannten
Durch
die Verkippung wird der auswertbare Bereich des Interferogramms
verschoben, so dass die Asphäre
segmentweise vermessen werden kann. Unter einer Verschiebung eines
Bereiches des Interferogramms wird dabei eine Änderung des zweidimensionalen
Streifenbildes verstanden. Diese Änderung ergibt sich beim Gegenstand
der
Für das richtige Zusammenfügen der Bereiche ist es notwendig, den genauen Einfluss der Verkippung auf die Messung zu ermitteln. Dazu werden im Vorfeld Kalibrationsmessungen mit zwei gleichzeitig aktivierten verkippten Referenzwellen und ausgeblendeter Objektwelle durchgeführt, um deren Differenz direkt interferometrisch zu messen.For the right one Put together of the areas it is necessary to know the exact influence of the tilting to determine the measurement. For this purpose, calibration measurements are made in advance with two simultaneously activated tilted reference waves and hidden object wave performed to their difference directly to measure interferometrically.
Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch der Zeitaufwand. Der Zeitaufwand ergibt sich dadurch, dass viele Interferogramme mit verschiedenen Referenzwellenverkippungen sequenziell aufgenommen werden müssen, um jeden Punkt des Messfeldes mit mindestens einer Messung zu erfassen. Außerdem treten bei stärkeren Asphären wieder hohe Streifendichten auf, die eine Vermessung dieser stärkeren Asphären erschweren.However, a disadvantage of this method is the time required. The time required results from the fact that many interferograms with different reference wave tilts must be recorded sequentially around each point of the measurement field of the at least one measurement to capture. In addition, higher aspheres again show high stripe densities, which make it difficult to measure these stronger aspheres.
Bekannt sind ferner nicht-interferometrische Verfahren wie die deflektometrischen Verfahren, bei denen die Oberflächenform aus der Strahlablenkung bei Reflexion an der Oberfläche rekonstruiert wird, und rein mechanische Tastschnittverfahren, bei denen ein mechanischer Taster über die Oberfläche geführt und dessen Auslenkung gemessen wird. Deflektometrische Verfahren messen entweder punktweise oder flächig. Tastschnittverfahren messen grundsätzlich punktweise. Punktweise messende Verfahren (Tastschnittverfahren oder punktweise messende Deflektometrie) benötigen relativ viel Zeit für die Messungen. Mit der flächig messenden Deflektometrie lassen sich zwar lokale Steigungen und Krümmungen des Prüflings gut messen, allerdings ist der auftretende Absolutfehler der Messungen nicht zufriedenstellend.Known are also non-interferometric methods such as the deflectometric Procedures in which the surface shape reconstructed from the beam deflection at reflection on the surface is, and purely mechanical Tastschnittverfahren, in which a mechanical Push button over the surface guided and whose deflection is measured. Deflectometric method measure either pointwise or areally. Profile method measure basically point by point. Point-by-point measuring methods (stylus method or point-wise deflectometry) take a relatively long time for the measurements. With the area Although measuring deflectometry can be local slopes and bends of the test piece measure well, but the absolute error of the measurements is not satisfactory.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Verfahrens und einer Messvorrichtung der jeweils eingangs genannten Art, mit der sich auch stärkere Asphären und/oder Freiformflächen mit verringertem Zeitaufwand ohne Nulloptiken genau vermessen lassen.In front In this background, the object of the invention in the specification a method and a measuring device of the beginning mentioned type, with which also stronger aspheres and / or freeform surfaces with Reduced time required without Nulloptiken accurately measured.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren und einer Messvorrichtung jeweils durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.These Task is in a method and a measuring device respectively by the characteristics of the independent claims solved.
Dadurch, dass die Oberfläche gleichzeitig mit mehreren Objektwellen verschiedener Punktlichtquellen beleuchtet wird und die von der Oberfläche reflektierten Objektwellen durch eine im Strahlengang vor dem Detektor in einer Fourierebene (Fokalebenene) der Abbildungsoptik angeordnete Aperturblende gefiltert werden, ergibt sich der Vorteil, dass der asphärische Prüfling gleichzeitig unter vielen verschiedenen Winkeln beleuchtet wird, wobei jeder Beleuchtungswinkel in einer oder mehreren Zonen zu auswertbaren Interferenzen führt.Thereby, that the surface simultaneously with several object waves of different point light sources is illuminated and reflected from the surface object waves in the beam path in front of the detector in a Fourier plane (Focal plane) of the imaging optics filtered aperture diaphragm filtered be the advantage that the aspherical DUT at the same time among many illuminated at different angles, each lighting angle leads to evaluable interference in one or more zones.
Im Vergleich mit dem bekannten Interferometer mit verkippter Referenz ergibt sich daraus als wesentlicher Vorteil die Möglichkeit, mehrere Zonen zeitlich parallel zu vermessen, was den Zeitaufwand für eine komplette Vermessung des Prüflings drastisch verringert. Es hat sich außerdem gezeigt, dass die Erfindung auch eine Vermessung stärkerer Asphären erlaubt als dies mit dem Interferometer mit verkippter Referenz möglich ist.in the Comparison with the known interferometer with tilted reference the main advantage of this is the possibility of measuring several zones in parallel, which reduces the time required for a complete Measurement of the test object drastically reduced. It has also been shown that the invention also a measurement stronger aspheres allowed as with the interferometer with tilted reference possible is.
Im Gegensatz zu Asphären-Vermessungen mit diffraktiven oder refraktiven Nulloptiken ergibt sich eine Zeit- und Kostenersparnis, weil keine speziellen Nulloptiken gefertigt werden müssen. Gegenüber Interferometern, bei denen der Prüfling oder die Interferometeroptik entlang der optischen Achse bewegt wird, ergibt sich der Vorteil, dass die Ergebnisse nicht durch mechanische Stellungenauigkeiten beeinflusst werden. Außerdem ist eine Vermessung nicht-rotationssymmetrischer Prüflinge möglich.in the Contrary to aspheric measurements with Diffractive or refractive Nulloptiken results in a time and cost savings, because no special Nulloptiken made Need to become. Across from Interferometers, in which the specimen or the interferometer optics moved along the optical axis, there is the advantage that the results are not affected by mechanical inaccuracies become. Furthermore is a measurement non-rotationally symmetric specimens possible.
Das im Folgenden vorgestellte Interferometer mit variabler Objektwelle ermöglicht nicht nur die Reduktion von Streifendichten bei der interferometrischen Vermessung asphärischer Oberflächen, sondern bietet durch eine speziell entwickelte Kalibrierstrategie ferner die Möglichkeit einer umfassenden Charakterisierung des Interferometers. Dabei umfasst die Kalibrierstrategie eine Definition und simulationsunterstützte Bestimmung der Wellen im Prüfraum, die zu den verschiedenen Quellen gehören und der Wellen, die aus dem Prüfraum auf die verschiedenen Kamerapixel zulaufen. Die Kenntnis dieser Wellen führt zur Vermeidung von sogenannten „retrace errors".The in the following introduced interferometer with variable object wave allows not just the reduction of stripe densities in the interferometric Surveying aspherical Surfaces, but offers through a specially developed calibration strategy also the possibility a comprehensive characterization of the interferometer. Includes the calibration strategy is a definition and simulation-aided determination the waves in the test room, that belong to the different sources and the waves that come from the test room on the different camera pixels. The knowledge of this Waves leads to avoid so-called "retrace errors".
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.Further Advantages will be apparent from the description and the attached figures.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It it is understood that the above and the following yet to be explained features not only in the specified combination, but also in other combinations or alone, without to leave the scope of the present invention.
Zeichnungendrawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:embodiments The invention are illustrated in the drawings and in the following description explained. In each case, in schematic form:
Im
Einzelnen zeigt die
Wesentlich
ist zunächst,
dass das Punktlichtquellen-Array
Bei
dieser Ausgestaltung werden diskrete Objektwellen
Das
2-dimensionale Punktlichtquellen-Array dient zur Erzeugung von Objektwellen
Wird,
wie in der
Dies
wird deutlich, wenn man den Strahlengang in der
Das
in den Referenzlichtwellenleiter
In
der Ausgestaltung der
Weil
die Aperturblende
Um
sicher zu gehen, dass jeder Punkt der Oberfläche
Um
zu vermeiden, dass sich die Interferenzen in den überlappenden
Bereichen stören,
wird nur eine Auswahl an Objektwellen
Ein
Rechner
Als
Lichtquelle
Im
Folgenden wird unter Bezug auf die
Das
Flüssigkristalldisplay
Zur
Aktivierung einer Punktquelle
In
einer bevorzugten Ausgestaltung weist das phasenschiebende Punktlichtquellen-Array
Das
Quarzsubstrat, das auf der einen Seite die Mikrolinsen
Die
Ausgestaltung nach der
Zu
der Messvorrichtung
Hier bezeichnet der Term die Summe mit den Indexvariablen i, j, k, l. Diese gehen von Null bis zu einem von der gewünschten Genauigkeit abhängigen Wert. Q ist ein 4-dimensionaler Tensor der Quellenwellen mit den Koeffizienten Qijkl beschreibt, die zu den Potenzenprodukten MiNjXkYk gehören. Andere Polynomdarstellungen, z.B. Zernike-Polynome, sind denkbar.Here is the term the sum with the index variables i, j, k, l. These range from zero to a value dependent on the desired accuracy. Q is a 4-dimensional tensor describing source waves with the coefficients Q ijkl belonging to the power products M i N j X k Y k . Other polynomial representations, eg Zernike polynomials, are conceivable.
Äquivalent zur Definition der Quellenwellen Q können Pixelwellen P als die Wellen definiert werden, die aus dem Prüfraum durch das gesamte Abbildungssystem genau auf einen Kamerapixel zulaufen. Diese Pixelwellen werden ebenfalls als Weglängenfunktionen beschrieben, die von Ortskoordinaten x, y in einer Bezugsebene im Prüfraum und von den Kamerapixelkoordinaten m, n abhängen. Wieder dienen Polynome zur Beschreibung der Weglängen WP der Pixelwellen P Equivalent to the definition of the source waves Q, pixel waves P may be defined as the waves that exactly pass from the inspection room through the entire imaging system to a camera pixel. These pixel waves are also described as path length functions that depend on location coordinates x, y in a reference plane in the test space and on the camera pixel coordinates m, n. Again, polynomials are used to describe the path lengths WP of the pixel waves P
Die
Charakterisierung des Interferometers
Offen
ist nun noch, wie unvermeidbare Abweichungen eines realen Interferometers
Diese
werden als charakteristische Weglängenänderungen des Koeffizienten
gespeichert. Anschließend
werden mit dem realen Interferometer
Diese
Koeffizientenabweichungen werden zu den Koeffizienten des idealen
Interferometers addiert, um P und Q des realen Interferometers
Ist
das Interferometer
Die Abweichung des realen Messergebnisses von dem simulierten Messergebnis eines idealen Prüflings wird wieder als Linearkombination der Abweichungen einzelner Koeffizienten dargestellt. Das entstehende lineare Gleichungssystem wird nach den Koeffizientenabweichungen aufgelöst, welche auf die Koeffizienten der idealen Prüflingsform addiert werden. Hochfrequente Restabweichungen, die durch die Beschreibung durch Polynome nicht erfasst werden, werden unter Berücksichtigung des Auftreffwinkels der Strahlen auf die Prüflingsoberflache abgebildet.The Deviation of the real measurement result from the simulated measurement result an ideal examinee becomes again as linear combination of the deviations of individual coefficients shown. The resulting linear system of equations is calculated according to Coefficient deviations resolved, which are added to the coefficients of the ideal candidate form. High-frequency residual deviations, which are described by the description by Polynomials are not recorded, taking into account the impact angle the rays on the specimen surface displayed.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Rechner das beschriebene Kalibrationsverfahren durchführt und daher zu dessen Durchführung eingerichtet, insbesondere programmiert ist. Alternativ oder ergänzend werden die Ergebnisse des Kalibrationsverfahrens in dem Rechner gespeichert und bei der Vermessung von Prüflingen verwendet.A preferred embodiment is characterized in that the computer performs the described calibration procedure and therefore set up to carry it out, is programmed in particular. Alternatively or in addition the results of the calibration process stored in the computer and in the measurement of test pieces used.
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