DE102011077982B4

DE102011077982B4 - Method and device for the optical analysis of a test object

Info

Publication number: DE102011077982B4
Application number: DE102011077982.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Henning; Friedrich Fleischmann; Ufuk Ceyhan; David Hilbig
Original assignee: Hochschule Bremen
Current assignee: Hochschule Bremen
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2017-11-30
Anticipated expiration: 2031-06-23
Also published as: DE102011077982A1

Abstract

Verfahren zur optischen Analyse eines Prüflings (1), bei dem a) ein durch eine Beleuchtungseinrichtung (2) erzeugter Prüfstrahl (T) auf verschiedene Oberflächenpositionen (Pi) auf dem Prüfling (1) gerichtet wird und basierend auf einer Detektion des Prüfstrahls (T), welche über eine Intensitätsmessung mittels einer Sensoreinrichtung (4) erfolgt, für jede Oberflächenposition (Pi) der Strahlverlauf des Prüfstrahls (T) nach Passieren des Prüflings (1) ermittelt wird, wobei zur Ermittlung des Strahlverlaufs die Auftreffpositionen (Si1, Si2, Sin) des Prüfstrahls (T) nach Passieren des Prüflings (1) in mehreren, entlang der Richtung des Prüfstrahls (T) zueinander versetzten Ebenen (E1, E2, En) bestimmt werden; b) aus den Strahlverläufen des Prüfstrahls (T) eine approximierte Funktion (Sf(x, y)) bestimmt wird, welche die Form einer optischen Wellenfront nach Passieren des Prüflings (1) und/oder die Form der Oberfläche (S) des Prüflings (1) beschreibt; c) für jeweilige Oberflächenpositionen (Pi) die Phasenverteilung des Prüfstrahls (T) innerhalb seines Querschnitts nach Passieren des Prüflings (1) aus zumindest einer durch die Sensoreinrichtung (4) detektierten Intensitätsverteilung (Ii1, Ii2) des Prüfstahls (T) in zumindest einer der Ebenen (E1, E2, En) ermittelt wird; d) basierend auf der Phasenverteilung eine Korrektur für die approximierte Funktion (Sf(x, y)) im Bereich des Querschnitts des Prüfstrahls (T) um die jeweiligen Oberflächenpositionen (Pi) ermittelt wird.Method for optical analysis of a test object (1), in which a) a test beam (T) generated by an illumination device (2) is directed to different surface positions (Pi) on the test object (1) and based on a detection of the test beam (T) , which takes place via an intensity measurement by means of a sensor device (4), the beam path of the test beam (T) is determined for each surface position (Pi) after passing through the test object (1), wherein the impact positions (Si1, Si2, Sin) for determining the beam path the test beam (T) after passing through the test piece (1) in several, along the direction of the test beam (T) mutually offset planes (E1, E2, En) are determined; b) an approximated function (Sf (x, y)) is determined from the beam paths of the test beam (T), which has the shape of an optical wavefront after passing through the test object (1) and / or the shape of the surface (S) of the test object ( 1) describes; c) for respective surface positions (Pi) the phase distribution of the test beam (T) within its cross section after passing the test specimen (1) from at least one intensity distribution (Ii1, Ii2) of the test steel (T) detected by the sensor device (4) in at least one of Levels (E1, E2, En) is determined; d) based on the phase distribution, a correction for the approximated function (Sf (x, y)) in the region of the cross section of the test beam (T) around the respective surface positions (Pi) is determined.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Analyse eines Prüflings sowie eine entsprechende Vorrichtung.The invention relates to a method for optical analysis of a test specimen and a corresponding device.

Zur optischen Analyse von Bauteilen, wie z. B. Linsen, Spiegeln, Objekten mit Freiformflächen oder Wafern, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahren bekannt. Mithilfe dieser Verfahren können optische Eigenschaften der Bauteile, beispielsweise die durch eine Linse generierte Wellenfront, oder auch die Oberflächentopographie der Bauteile bestimmt werden.For the optical analysis of components, such. As lenses, mirrors, objects with free-form surfaces or wafers, various methods are known from the prior art. By means of these methods, optical properties of the components, for example the wavefront generated by a lens, or also the surface topography of the components can be determined.

Ein Standardverfahren zur optischen Analyse von Bauteilen ist die Interferometrie. Dabei wird ein bekanntes, kohärentes Wellenfeld an dem zu analysierenden Prüfling reflektiert oder transmittiert und dadurch verformt. Diese Objektwelle wird mit einer bekannten Referenzwelle überlagert. Das hierbei entstehende Interferenzmuster enthält Informationen über den Prüfling. Bei der Interferometrie ist darauf zu achten, dass die Abweichung zwischen der durch den Prüfling generierten Objektwelle und der Referenzwelle nicht zu groß wird. Deshalb sind in der Regel Referenzoptiken erforderlich, die nahezu die gleiche Topographie wie der Prüfling aufweisen. Interferometrische Messverfahren sind somit aufwändig und benötigen aufgrund der Verwendung von Referenzoptiken hochwertige und teure Messsysteme.A standard method of optical analysis of components is interferometry. In this case, a known, coherent wave field is reflected or transmitted to the test specimen to be analyzed and thereby deformed. This object wave is superimposed with a known reference wave. The resulting interference pattern contains information about the test object. In the case of interferometry, it must be ensured that the deviation between the object wave generated by the test object and the reference wave does not become too large. Therefore, reference optics are generally required, which have almost the same topography as the examinee. Interferometric measuring methods are thus complex and require high-quality and expensive measuring systems due to the use of reference optics.

Ein weiteres Verfahren, das zur Topographiemessung von Prüflingen eingesetzt wird, ist das Abscannen der Oberfläche des Prüflings mit einem optischen Sensor. Hierzu wird ein optischer Abstandssensor relativ zum Prüfling bewegt, um für eine Vielzahl von Oberflächenpunkten auf dem Prüfling den Abstand seiner Oberfläche zu einer Referenzebene zu messen. Scannende Verfahren haben das Problem, dass zum Erzielen einer hohen räumlichen Auflösung sehr viele Punkte auf der Oberfläche des Prüflings angefahren werden müssen.Another method used for topography measurement of specimens is to scan the surface of the specimen with an optical sensor. For this purpose, an optical distance sensor is moved relative to the specimen in order to measure the distance of its surface to a reference plane for a plurality of surface points on the specimen. Scanning methods have the problem that to achieve a high spatial resolution many points on the surface of the specimen must be approached.

Ferner sind aus dem Stand der Technik sog. taktil messende Verfahren bekannt. Dabei werden taktile Abstandssensoren verwendet, bei denen eine Messkugel über die zu vermessende Oberfläche des Prüflings fährt und damit ein Profilschnitt oder auch eine dreidimensionale Oberflächentopographie bestimmt wird. Diese Verfahren haben den Nachteil, dass während des Messprozesses eine mechanische Berührung zwischen der Messkugel und dem Prüfling stattfindet.Furthermore, so-called tactile measuring methods are known from the prior art. In this case, tactile distance sensors are used in which a measuring ball travels over the surface to be measured of the test specimen and thus a profile section or a three-dimensional surface topography is determined. These methods have the disadvantage that mechanical contact between the measuring ball and the test object takes place during the measuring process.

Zur optischen Analyse von Objekten sind darüber hinaus Wellenfrontsensoren, z. B. auf der Basis von Shack-Hartmann-Sensoren, bekannt. In einem Shack-Hartmann-Sensor wird mithilfe eines Mikrolinsenarrays und eines ortsauflösenden Sensors eine optische Komponente analysiert. Ferner gibt es deflektometrische Messverfahren, welche auf dem Prinzip der Streifenreflektion beruhen und über die Deformation eines Linienmusters bei der Abbildung an einem Prüfling Eigenschaften des Prüflings und insbesondere dessen Oberflächentopographie ermitteln.For the optical analysis of objects beyond wavefront sensors, z. B. on the basis of Shack Hartmann sensors known. In a Shack-Hartmann sensor, an optical component is analyzed by means of a microlens array and a spatially resolving sensor. Furthermore, there are deflectometric measurement methods, which are based on the principle of strip reflection and determine the deformation of a line pattern when imaging on a test specimen properties of the specimen and in particular its surface topography.

In der Druckschrift [1] ist ein Verfahren zur Analyse einer optischen Einrichtung beschrieben, bei dem ein optischer Prüfstrahl auf eine Vielzahl von Oberflächenpositionen der zu analysierenden optischen Einrichtung gerichtet wird und der Prüfstrahl nach Passieren der optischen Einrichtung durch einen ortsauflösenden Sensor in zueinander versetzten Detektionsebenen erfasst wird. Dabei werden der Strahlverlauf der jeweiligen Prüfstrahlen nach Passieren der Einrichtung und hieraus optische Eigenschaften der optischen Einrichtung ermittelt.The document [1] describes a method for analyzing an optical device, in which an optical test beam is directed to a plurality of surface positions of the optical device to be analyzed and the test beam after passing through the optical device detected by a spatially resolving sensor in mutually offset detection planes becomes. In this case, the beam path of the respective test beams are determined after passing through the device and from this optical properties of the optical device.

Das Dokument [2] offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Bestimmung der Phase und Amplitude des elektromagnetischen Feldes in der Bildebene einer Abbildung eines Objekts. Dabei wird das Objekt mit kohärentem Licht beleuchtet und in die Bildebene abgebildet. In einer Pupillenebene zwischen Objekt und Bildebene wird die Phase bzw. Amplitude des Lichts mehrmals gemessen, wobei die Phase bzw. Amplitude des Lichts über eine Ortsfrequenzfilterung modifiziert werden. Aus den Messungen kann die Phase der Strahlung, bspw. mit einem Algorithmus aus der Gerchberg-Saxton-Familie, berechnet werden.Document [2] discloses a method and apparatus for spatially resolved determination of the phase and amplitude of the electromagnetic field in the image plane of an image of an object. The object is illuminated with coherent light and displayed in the image plane. In a pupil plane between the object and the image plane, the phase or amplitude of the light is measured several times, the phase or amplitude of the light being modified by a spatial frequency filtering. From the measurements the phase of the radiation can be calculated, for example with an algorithm from the Gerchberg-Saxton family.

Die Druckschrift [6] beschreibt die topographische Analyse eines Prüflings mittels eines einzelnen Prüfstrahls, bei dem Variationen der Oberfläche des Prüflings über ein Phasen-Extraktions-Verfahren ermittelt werden. Bei diesem Phasen-Extraktions-Verfahren werden Intensitätsverteilungen des am Prüfling reflektierten Prüfstrahls analysiert.The document [6] describes the topographic analysis of a test specimen by means of a single test beam, in which variations of the surface of the specimen are determined by a phase extraction method. In this phase extraction method, intensity distributions of the test beam reflected on the test piece are analyzed.

In der Druckschrift [7] wird ein weiteres Verfahren zur Phasenrückgewinnung aus Intensitätsverteilungen beschrieben, welche durch Bestrahlen eines Prüflings mit Röntgenstrahlung erhalten werden.Reference [7] describes another process for phase recovery from intensity distributions, which is obtained by irradiating a test specimen with X-ray radiation.

In der Druckschrift [8] ist ein Wellenfrontsensor offenbart, der eine Aberrationseinrichtung umfasst, deren Form eine geeignete Filterfunktion definiert.Document [8] discloses a wavefront sensor comprising an aberrator whose shape defines a suitable filter function.

Die Druckschrift [9] beschreibt die Charakterisierung von Oberflächendefekten mit Makyoh-Bildern.The document [9] describes the characterization of surface defects with Makyoh images.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse eines Prüflings zu schaffen, mit denen Eigenschaften des Prüflings mit hoher Genauigkeit erfasst werden können.The object of the invention is to provide a method and a device for analyzing a test specimen, with which properties of the specimen can be detected with high accuracy.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. This object is achieved by the method according to claim 1 and the device according to claim 14. Further developments of the invention are defined in the dependent claims.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem Schritt a) ein durch eine Beleuchtungseinrichtung erzeugter Prüfstrahl auf verschiedene Oberflächenpositionen eines Prüflings gerichtet, wobei der Prüfstrahl aus kohärentem bzw. teilkohärentem Licht derart besteht, dass die weiter unten beschriebene Phasenverteilung bestimmbar ist. Dabei wird basierend auf einer Detektion des Prüfstrahls, welche über eine Intensitätsmessung mittels einer Sensoreinrichtung erfolgt, für jede Oberflächenposition der Strahlverlauf des Prüfstrahls nach Passieren des Prüflings ermittelt. Zur Ermittlung des Strahlverlaufs werden die Auftreffpositionen des Prüfstrahls nach Passieren des Prüflings in mehreren, entlang der Richtung des Prüfstrahls zueinander versetzten Ebenen bestimmt. Zur Durchführung des Schritts a) kann z. B. das in der Druckschrift [1] beschriebene Verfahren bzw. die dort offenbarte Messanordnung eingesetzt werden. Der gesamte Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird durch Verweis zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.In the method according to the invention, in a step a), a test beam generated by an illumination device is directed to different surface positions of a test object, the test beam consisting of coherent or partially coherent light such that the phase distribution described below can be determined. In this case, based on a detection of the test beam, which takes place via an intensity measurement by means of a sensor device, the beam path of the test beam after passing through the test object is determined for each surface position. In order to determine the beam path, the impact positions of the test beam are determined after passing through the test object in a plurality of planes offset from one another along the direction of the test beam. To carry out the step a) can z. B. the method described in the document [1] or the measuring arrangement disclosed therein. The entire disclosure content of this document is incorporated by reference into the content of the present application.

In einem Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus den Strahlverläufen des Prüfstrahls eine approximierte Funktion bestimmt, welche die Form einer optischen Wellenfront nach Passieren des Prüflings und/oder die Form der Oberfläche des Prüflings beschreibt. Vorzugsweise wird durch die Funktion dabei die Form einer ursprünglich ebenen Wellenfront beschrieben, welche durch den Prüfling verformt wird. Auch für den Schritt b) kann die in der Druckschrift [1] beschriebene Messanordnung verwendet werden. Die approximierte Funktion stellt einen näherungsweisen Verlauf der Wellenfront bzw. der Oberfläche dar, da bei der Bestimmung der Auftreffpositionen über den Strahlquerschnitt des Prüfstrahls gemittelt wird.In a step b) of the method according to the invention, an approximated function is determined from the beam paths of the test beam, which describes the shape of an optical wavefront after passing through the test object and / or the shape of the surface of the test object. Preferably, the function describes the shape of an originally planar wavefront, which is deformed by the test object. Also for the step b), the measuring arrangement described in the publication [1] can be used. The approximated function represents an approximate course of the wavefront or of the surface, since averaging is carried out in the determination of the impact positions over the beam cross section of the test beam.

In einem Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für jeweilige Oberflächenpositionen die Phasenverteilung des Lichts des Prüfstrahls innerhalb seines Strahlquerschnitts nach Passieren des Prüflings und insbesondere unmittelbar nach Passieren des Prüflings aus zumindest einer durch die Sensoreinrichtung detektierten Intensitätsverteilung des Prüfstrahls in zumindest einer der zueinander versetzten Ebenen bestimmt. Vorzugsweise wird die Phasenverteilung an der Oberfläche des Prüflings bestimmt, an welcher der Prüfstrahl reflektiert wird bzw. aus dem Prüfling heraustritt. Zur Ermittlung der Phasenverteilung können aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren eingesetzt werden, mit denen aus Intensitätsverteilungen von Licht auf die entsprechende Phasenverteilung des Lichts geschlossen werden kann. Solche Verfahren werden weiter unten näher beschrieben und werden in der Regel als Phase-Retrieval-Verfahren bezeichnet.In a step c) of the method according to the invention, the phase distribution of the light of the test beam within its beam cross section is determined for each surface position within at least one of the staggered planes after passing the test specimen and in particular immediately after passing the test specimen out of at least one intensity distribution of the test beam detected by the sensor device , Preferably, the phase distribution at the surface of the specimen is determined at which the test beam is reflected or emerges from the test specimen. In order to determine the phase distribution, methods known from the prior art can be used with which intensity distributions of light can be used to determine the corresponding phase distribution of the light. Such methods are described in more detail below and are generally referred to as phase retrieval methods.

In Schritt d) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird basierend auf der zuvor ermittelten Phasenverteilung eine Korrektur für die approximierte Funktion im Bereich des Strahlquerschnitts des Prüfstrahls um die jeweiligen Oberflächenpositionen ermittelt. Hierzu wird der an sich bekannte Zusammenhang zwischen Phase und räumlicher Distanz genutzt, der über die Wellenlänge gegeben ist. Man macht sich in Schritt d) die Erkenntnis zunutze, dass innerhalb des Strahlquerschnitts über die Phasenverteilung auf die relative Veränderung der Wellenfront bzw. der Oberfläche bezüglich der approximierten Funktion geschlossen werden kann. Über die approximierte Funktion kann diese Veränderung in Beziehung zu den absoluten Verlauf der Wellenfront bzw. Oberfläche im Raum gesetzt werden. Somit können aus der Phasenverteilung für entsprechende Positionen innerhalb des Strahlquerschnitts Korrekturterme in der Form von Abweichungen zwischen der Oberflächen-/Wellenfront-Form, bestimmt durch die approximierte Funktion, und der tatsächlichen bzw. mit höherer Auflösung bestimmten Oberflächen-/Wellenfront-Form ermittelt werden.In step d) of the method according to the invention, a correction for the approximated function in the region of the beam cross section of the test beam about the respective surface positions is determined on the basis of the previously determined phase distribution. For this purpose, the known relationship between phase and spatial distance is used, which is given over the wavelength. In step d), one makes use of the knowledge that, within the beam cross section, it is possible to conclude, via the phase distribution, the relative change of the wavefront or of the surface with respect to the approximated function. Using the approximated function, this change can be related to the absolute progression of the wavefront or surface in space. Thus, correction terms in the form of deviations between the surface / wavefront shape as determined by the approximate function and the actual or higher resolution surface / wavefront shape may be determined from the phase distribution for corresponding positions within the beam cross section.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass über die Messung der Phasenverteilung innerhalb des Strahlquerschnitts von Prüfstrahlen mit deutlich höherer räumliche Auflösung die Form einer durch den Prüfling generierten Wellenform bzw. die Oberflächentopographie des Prüflings bestimmt werden kann. Insbesondere kann dabei neben dem Profil der Oberfläche des Prüflings auch die Welligkeit und die Rauheit der Oberfläche gemessen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einem einfachen Messaufbau ohne Referenzoptiken realisiert werden, wie er beispielsweise in der Druckschrift [1] beschrieben ist.The method according to the invention is characterized in that the shape of a waveform generated by the test specimen or the surface topography of the test specimen can be determined by measuring the phase distribution within the beam cross section of test beams having a significantly higher spatial resolution. In particular, in addition to the profile of the surface of the specimen, the waviness and the roughness of the surface can be measured. The inventive method can be realized with a simple measurement setup without reference optics, as described for example in the document [1].

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl für gerichtet reflektierende Prüflinge als auch für transmissive Prüflinge eingesetzt werden. Unter gerichtet reflektierenden Prüflingen sind dabei Objekte zu verstehen, an denen die Strahlung nicht gestreut wird, sondern nach Art eines Spiegels reflektiert wird. Unter dem obigen Begriff „Passieren des Prüflings” ist bei einem reflektierenden Prüfling die Reflektion am Prüfling zu verstehen, wohingegen bei einem transmissiven Prüfling der Begriff des Passierens dem Hindurchtreten des Prüfstrahls durch den Prüfling entspricht. Bei gerichtet reflektierenden Prüflingen wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere die Form der Oberfläche des Prüflings bestimmt. Demgegenüber wird bei einem transmissiven Objekt, wie z. B. einer Linse, mit dem Verfahren insbesondere die Form der Wellenfront nach Passieren des transmissiven Objekts ermittelt.The method according to the invention can be used both for specularly reflecting specimens and for transmissive specimens. Sub-reflecting specimens are to be understood as objects in which the radiation is not scattered, but is reflected in the manner of a mirror. The term "passing the test object" above is understood to mean the reflection on the test object in the case of a reflecting test specimen, whereas in the case of a transmissive specimen, the term of passing corresponds to the passage of the test beam through the specimen. In the case of specularly reflecting specimens, in particular the shape of the surface of the test specimen is determined by the method according to the invention. In contrast, in a transmissive object, such. As a lens, the method determines in particular the shape of the wavefront after passing through the transmissive object.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Bestimmung der Auftreffpositionen des Prüfstrahls die Detektionsfläche der Sensoreinrichtung nacheinander in den zueinander versetzten Ebenen angeordnet. Alternativ oder zusätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass mit einer Optik die zueinander versetzten Ebenen virtuell in der Detektionsfläche der Sensoreinrichtung geeignet erzeugt werden. Diese Variante hat den Vorteil, dass durch eine Messung in einer einzigen Detektionsfläche gleichzeitig mehrere Intensitätsverteilungen bzw. Auftreffpositionen des Prüfstrahls aus zueinander versetzten Ebenen ermittelt werden können, ohne dass die Sensoreinrichtung in die zueinander versetzten Ebenen verschoben werden muss. In a further embodiment of the method according to the invention, the detection surface of the sensor device is successively arranged in the mutually offset planes for determining the impact positions of the test beam. Alternatively or additionally, it is also possible for the mutually offset planes to be generated virtually in the detection surface of the sensor device using an optical system. This variant has the advantage that a plurality of intensity distributions or impact positions of the test beam from staggered planes can be determined simultaneously by measuring in a single detection area without the sensor device having to be displaced into the mutually offset planes.

In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine jeweilige Auftreffposition des Prüfstrahls über die Ermittlung des Schwerpunkts einer von der Sensoreinrichtung detektierten Intensitätsverteilung des Prüfstrahls bestimmt. Diese Intensitätsverteilung kann dann auch zur Bestimmung der Phasenverteilung gemäß Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden.In a further variant of the method according to the invention, a respective impact position of the test beam is determined by determining the center of gravity of an intensity distribution of the test beam detected by the sensor device. This intensity distribution can then also be used to determine the phase distribution according to step c) of the method according to the invention.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die in Schritt a) bestimmten Strahlverläufe durch jeweilige Gradienten der Prüfstrahlen beschrieben, welche beispielsweise durch lineare Regression aus den Auftreffpositionen der Prüfstrahlen in den jeweiligen Ebenen abgeleitet werden. Dabei wird mittels Integration aus diesen Gradienten die approximierte Funktion in an sich bekannter Weise ermittelt.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the beam paths determined in step a) are described by respective gradients of the test beams which are derived, for example, by linear regression from the incident positions of the test beams in the respective planes. In this case, the approximated function is determined in a manner known per se by means of integration from these gradients.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Phasenverteilung in Schritt c) aus mehreren durch die Sensoreinrichtung detektierten Intensitätsverteilungen des Prüfstrahls in mehreren der Ebenen und insbesondere in zwei Ebenen ermittelt. Dabei wird berücksichtigt, dass zur Bestimmung der Phasenverteilung die Veränderung einer Intensitätsverteilung in verschiedenen Ebenen benötigt wird. Bei der Berechnung der Phasenverteilung über die Intensitätsverteilung in lediglich einer Ebene muss eine Intensitätsverteilung in einer anderen Ebene als vorbekannt angenommen werden.In a further embodiment of the method according to the invention, the phase distribution in step c) is determined from a plurality of intensity distributions of the test beam detected by the sensor device in a plurality of the planes and in particular in two planes. It is taken into account that the change of an intensity distribution in different planes is needed to determine the phase distribution. When calculating the phase distribution over the intensity distribution in only one plane, an intensity distribution in a different plane than previously known must be assumed.

Wie bereits oben erwähnt, wird die Phasenverteilung in Schritt c) mit an sich bekannten Verfahren und insbesondere mit einem Phase-Retrieval-Verfahren bestimmt. Eine Ausführungsform eines solchen Phase-Retrieval-Verfahrens wird näher in der detaillierten Beschreibung erläutert. Vorzugsweise wird als Phase-Retrieval-Verfahren ein iteratives Verfahren und insbesondere eine Abwandlung des an sich bekannten Gerchberg-Saxton-Verfahrens verwendet, wobei in dieser Abwandlung anstatt einer Fourier-Transformation ein Propagator für die freie Strahlausbreitung eingesetzt wird.As already mentioned above, the phase distribution in step c) is determined by methods known per se and in particular by a phase retrieval method. An embodiment of such a phase retrieval method will be explained in more detail in the detailed description. Preferably, an iterative method and in particular a modification of the known Gerchberg-Saxton method is used as phase retrieval method, wherein in this modification, instead of a Fourier transform, a propagator for the free beam propagation is used.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der durch die Beleuchtungseinrichtung erzeugte Prüfstrahl eine vorbekannte Intensitätsverteilung im Strahlquerschnitt, insbesondere eine Gaußsche Intensitätsverteilung, auf. In diesem Fall kann zur Bestimmung der Phasenverteilung ggf. nur die gemessene Intensitätsverteilung in einer einzelnen Ebene herangezogen werden, wobei für die andere Ebene die vorbekannte Intensitätsverteilung angenommen werden.In a further embodiment of the method according to the invention, the test beam generated by the illumination device has a previously known intensity distribution in the beam cross section, in particular a Gaussian intensity distribution. In this case, if necessary, only the measured intensity distribution in a single plane can be used to determine the phase distribution, the previously known intensity distribution being assumed for the other plane.

Vorzugsweise wird der Prüfstrahl in dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Laser, insbesondere einem fasergekoppelten Diodenlaser, erzeugt. Beispielsweise kann ein fasergekoppelter Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 635 Nanometer verwendet werden, wobei vorzugsweise eine Monomodefaser mit einem Kerndurchmesser von 4 Mikrometer benutzt wird.Preferably, the test beam is generated in the method according to the invention with a laser, in particular a fiber-coupled diode laser. For example, a fiber-coupled diode laser having a wavelength of 635 nanometers may be used, preferably using a monomode fiber having a core diameter of 4 microns.

Die Wellenlänge des Lichts des Prüfstrahls kann je nach Anwendungsfall verschieden gewählt werden. Vorzugsweise liegt die Wellenlänge im sichtbaren Spektralbereich. Ebenso kann der Strahldurchmesser des Prüfstrahls variiert werden. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt der Strahldurchmesser des Prüfstrahls 500 Mikrometer oder weniger, insbesondere 200 Mikrometer, was einem üblichen Strahldurchmesser eines Laserstrahls entspricht.The wavelength of the light of the test beam can be chosen differently depending on the application. The wavelength is preferably in the visible spectral range. Likewise, the beam diameter of the test beam can be varied. In preferred embodiments, the beam diameter of the test beam is 500 microns or less, in particular 200 microns, which corresponds to a conventional beam diameter of a laser beam.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Prüfstrahl in einem rasterförmigen Muster auf Oberflächenpositionen auf den Prüfling gerichtet, wobei benachbarte Oberflächenpositionen des rasterförmigen Musters vorzugsweise einen Abstand aufweisen, der dem Strahldurchmesser des Prüfstrahls entspricht oder kleiner als der Strahldurchmesser ist. Auf diese Weise wird die vollflächige Erfassung der Oberfläche des Prüflings bzw. der durch den Prüfling generierten Wellenfront erreicht. Das rasterförmige Muster kann dabei ein matrixförmiges Muster oder auch ein spiralförmiges Muster bzw. ein Muster aus konzentrischen Kreisen sein. Das spiralförmige Muster bzw. das Muster aus konzentrischen Kreisen wird vorzugsweise durch eine Rotation des Prüflings um eine in Richtung des Prüfstrahls verlaufende Achse und durch Bewegung des Prüfstrahls und/oder des Prüflings senkrecht zu dieser Achse erzeugt.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the test beam is directed in a raster-shaped pattern on surface positions on the specimen, wherein adjacent surface positions of the raster-shaped pattern preferably have a distance which corresponds to the beam diameter of the test beam or is smaller than the beam diameter. In this way, the full surface coverage of the surface of the specimen or the wave front generated by the specimen is achieved. The grid-shaped pattern may be a matrix-shaped pattern or a spiral pattern or a pattern of concentric circles. The spiral pattern or the pattern of concentric circles is preferably generated by a rotation of the specimen about an axis extending in the direction of the test beam and by movement of the test beam and / or the specimen perpendicular to this axis.

Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur optischen Analyse eines Prüflings, welche folgende Komponenten umfasst:

– eine Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung eines Prüfstrahls, der im Betrieb der Vorrichtung auf verschiedene Oberflächenpositionen auf den Prüfling gerichtet wird;
– eine Sensoreinrichtung zur Detektion des auf die verschiedenen Oberflächenpositionen auf dem Prüfling gerichteten Prüfstrahls nach Passieren des Prüflings, wobei die Detektion über eine Intensitätsmessung mittels der Sensoreinrichtung erfolgt;
– eine Auswerteeinheit, welche derart ausgestaltet ist, dass sie im Betrieb folgende Schritte durchführt:
i) basierend auf der Detektion des Prüfstrahls durch die Sensoreinrichtung wird für jede Oberflächenposition der Strahlverlauf des Prüfstrahls nach Passieren des Prüflings ermittelt, wobei zur Ermittlung des Strahlverlaufs die Auftreffpositionen des Prüfstrahls nach Passieren des Prüflings in mehreren, entlang der Richtung des Prüfstrahls zueinander versetzten Ebenen bestimmt werden;
ii) aus den Strahlverläufen des Prüflings wird eine approximierte Funktion bestimmt, welche die Form einer optischen Wellenfront nach Passieren des Prüflings und/oder die Form der Oberfläche des Prüflings beschreibt;
iii) für jeweilige Oberflächenpositionen wird die Phasenverteilung des Lichts des Prüfstrahls innerhalb seines Querschnitts nach Passieren des Prüflings aus zumindest einer durch die Sensoreinrichtung detektierten Intensitätsverteilung des Prüfstrahls in zumindest einer der Ebenen ermittelt;
iv) basierend auf der Phasenverteilung wird eine Korrektur für die approximierte Funktion im Bereich des Querschnitts des Prüfstrahls um die jeweiligen Objektpositionen ermittelt.

In addition to the method described above, the invention relates to a device for optical analysis of a test object, which comprises the following components:

- A lighting device for generating a test beam, which is directed in operation of the device to different surface positions on the specimen;
A sensor device for detecting the test beam directed at the various surface positions on the test object after passing through the test object, the detection occurring via an intensity measurement by means of the sensor device;
An evaluation unit which is designed such that it performs the following steps during operation:
i) based on the detection of the test beam by the sensor device, the beam path of the test beam is determined for each surface position after passing the test specimen, wherein determined for determining the beam path, the impact positions of the test beam after passing the specimen in several along the direction of the test beam offset planes become;
ii) an approximate function is determined from the beam paths of the test object, which describes the shape of an optical wavefront after passing through the test object and / or the shape of the surface of the test object;
iii) for respective surface positions, the phase distribution of the light of the test beam is determined within its cross section after passing the test specimen out of at least one intensity distribution of the test beam detected by the sensor device in at least one of the planes;
iv) based on the phase distribution, a correction for the approximated function in the region of the cross section of the test beam is determined around the respective object positions.

Die soeben beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass mit der Vorrichtung eine oder mehrere der oben beschriebenen bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführbar sind.The device according to the invention just described is preferably designed such that one or more of the above-described preferred variants of the method according to the invention can be carried out with the device.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.Embodiments of the invention are described below in detail with reference to the accompanying drawings.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Aufbaus zur Durchführung einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens; 1 a schematic representation of a structure for carrying out a variant of the method according to the invention;

2 eine schematische Darstellung, welche den Zusammenhang zwischen einem einfallenden bzw. reflektierten Prüfstrahl und der Oberflächenform eines Prüflings verdeutlicht; und 2 a schematic representation which illustrates the relationship between an incident or reflected test beam and the surface shape of a test specimen; and

3 eine schematische Darstellung, anhand der eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Oberflächentopographie eines reflektierenden Prüflings erläutert wird. 3 a schematic representation, based on an embodiment of the method according to the invention for determining the surface topography of a reflective specimen is explained.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens basieren auf einem Aufbau, wie er in der Druckschrift [1] beschrieben ist. In diesem Dokument wird über eine Beleuchtungseinrichtung ein Prüfstrahl auf verschiedene Oberflächenpositionen eines zu analysierenden Objekts bzw. Prüflings gerichtet. Der Prüfstrahl bzw. dessen Intensitätsverteilung wird für die verschiedenen Oberflächenpositionen nach Passieren des Objekts durch eine geeignete Sensoreinrichtung in mehreren Ebenen erfasst, und hieraus werden in einer Auswerteeinheit die Strahlverläufe dieser Prüfstrahlen und die Wellenfront nach Passieren des Objekts bestimmt.The embodiments of the method according to the invention described below are based on a structure as described in the publication [1]. In this document, a test beam is directed to different surface positions of an object or specimen to be analyzed by means of a lighting device. The test beam or its intensity distribution is detected for the different surface positions after passing the object by a suitable sensor device in several planes, and from this the beam paths of these test beams and the wavefront are determined in an evaluation unit after passing the object.

Das nachfolgend beschriebene Verfahren stellt eine Erweiterung des in der Druckschrift [1] beschriebenen Verfahrens dahingehend dar, dass über die detektierte Intensitätsverteilung des Lichts des Prüfstrahls dessen Phasenverteilung nach Passieren des Objekts innerhalb des Prüfstrahldurchmessers bestimmt wird, woraus dann Variationen der ursprünglich bestimmten Wellenfront innerhalb des Strahldurchmessers und somit räumlich hochfrequente Anteile der optischen Wellenfront ermittelt werden. D. h., die Form der Wellenfront wird mit höherer räumlicher Auflösung bestimmt. Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen dabei dazu, die Oberflächentopographie eines gerichtet reflektierenden Objekts über einen am Objekt reflektierten Prüfstrahl zu ermitteln, wobei ein eindeutiger Zusammenhang zwischen einer (am) Objekt reflektierten Wellenfront und der Form der Oberfläche des Objekts besteht. Nichtsdestotrotz kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Vermessung von transmissiven Objekten, wie z. B. Linsen, eingesetzt werden. In diesem Fall wird mit dem Verfahren die optische Wellenfront nach Durchgang durch die Linse bestimmt, woraus wiederum Eigenschaften der Linse abgeleitet werden können.The method described below represents an extension of the method described in the document [1] to the effect that the phase distribution after passing the object within the test beam diameter is determined via the detected intensity distribution of the light of the test beam, from which then variations of the originally determined wavefront within the beam diameter and thus spatially high-frequency components of the optical wavefront are determined. That is, the shape of the wavefront is determined with higher spatial resolution. The embodiments of the method according to the invention described below serve to determine the surface topography of a directionally reflecting object via a test beam reflected on the object, wherein there is a clear relationship between an (am) object reflected wavefront and the shape of the surface of the object. Nevertheless, the inventive method can also be used to measure transmissive objects, such. As lenses are used. In this case, the method determines the optical wavefront after passing through the lens, from which in turn properties of the lens can be derived.

In dem Aufbau der 1 ist der zu analysierende Prüfling 1 ein gerichtet reflektierendes Objekt mit einer strukturierten Oberfläche, welche sich in die dargestellte x- und y-Richtung erstreckt. Zur Bestimmung der Oberflächentopographie wird ein Prüf- bzw. Teststrahl T, der durch eine Strahlungsquelle 2 in der Form eines Lasers generiert wird, senkrecht auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Positionen auf der Oberfläche des Prüflings gerichtet. Es erfolgt somit eine Abrasterung bzw. ein Abscannen der Oberfläche des Prüflings, wobei hierfür der Prüfstahl und der Prüfling zueinander versetzt werden. Das Versetzen kann durch eine Verschiebung des Prüfstrahls und/oder auch durch eine Verschiebung des Prüflings in der durch die x-Achse und y-Achse auf gespannten Ebene erfolgen, wie dies auch in der Druckschrift [1] beschrieben ist.In the construction of the 1 is the test object to be analyzed 1 a directionally reflective object having a structured surface extending in the illustrated x and y directions. To determine the surface topography is a test or test beam T, by a radiation source 2 is generated in the form of a laser, directed perpendicular to a variety of different positions on the surface of the specimen. There is thus a scanning or a scanning of the surface of the specimen, in which case the test steel and the specimen are offset from each other. The transfer can be done by a shift of the test beam and / or by a displacement of the specimen in the plane through the x-axis and y-axis on a plane, as also described in the document [1].

In dem Aufbau der 1 durchläuft der Prüfstrahl einen Strahlteiler 3 und wird anschließend nach Durchgang durch den Strahlteiler an der Oberfläche des Prüflings 1 reflektiert. Der an der Oberfläche reflektierte und zum Strahlteiler 3 zurücklaufende Prüfstrahl ist in 1 mit T' und der anschließend am Strahlteiler reflektierte und um 90° abgelenkte Prüfstrahl mit T'' bezeichnet. Die Oberflächenposition, an welcher der Prüfstrahl in dem Szenario der 1 auf den Prüfling 1 auftrifft, ist dabei mit P_i bezeichnet. In dem Aufbau der 1 wird die Intensität des Prüfstrahls für die jeweilige Oberflächenposition P_i mithilfe einer Sensoreinrichtung 4 detektiert, wobei der Aufbau der Sensoreinrichtung nicht gezeigt ist, sondern lediglich die entsprechenden Ebenen E₁, E₂, ..., E_n, in denen mittels der Sensoreinrichtung die Intensitätsverteilung und hieraus die Auftreffpositionen des Prüfstrahls in diesen Ebenen detektiert wird. Die jeweiligen Auftreffpositionen des Prüfstrahls in den einzelnen Ebenen E₁, E₂ bzw. E_n sind dabei mit S_i1, S_i2 bzw. S_in bezeichnet. Die einzelnen Ebenen E₁, E₂, ..., E_n sind versetzt entlang der Achse z angeordnet, in die sich der Prüfstrahl nach dessen Ablenkung durch den Strahlenteiler 3 erstreckt. Die einzelnen Positionen der Ebenen entlang der Achse z sind dabei mit z₁ für die Ebene E₁, z₂ für die Ebene E₂ und z_n für die Ebene E_n bezeichnet. Die Anzahl n der Ebenen kann je nach Ausführungsform variieren, es müssen jedoch mindestens zwei Ebenen vorgesehen sein. Die horizontalen Achsen der Ebenen sind jeweils mit ξ und die vertikalen Achsen jeweils mit η bezeichnet.In the construction of the 1 the test beam passes through a beam splitter 3 and then after passing through the beam splitter on the surface of the specimen 1 reflected. The reflected on the surface and the beam splitter 3 returning test beam is in 1 with T 'and then reflected at the beam splitter and deflected by 90 ° test beam with T''. The surface position at which the test beam in the scenario of 1 to the examinee 1 impinges, is denoted by P _i . In the construction of the 1 is the intensity of the test beam for the respective surface position P _i using a sensor device 4 is detected, wherein the structure of the sensor device is not shown, but only the corresponding planes E ₁ , E ₂ , ..., E _n , in which by means of the sensor device, the intensity distribution and from this the impact positions of the test beam is detected in these planes. The respective impact positions of the test beam in the individual planes E ₁ , E ₂ and E _n are denoted by S _i1 , S _i2 and S _in . The individual planes E ₁ , E ₂ , ..., E _n are arranged offset along the axis z, in which the test beam after its deflection by the beam splitter 3 extends. The individual positions of the planes along the axis z are denoted by z ₁ for the plane E ₁ , z ₂ for the plane E ₂ and z _n for the plane E _n . The number n of levels may vary depending on the embodiment, but at least two levels must be provided. The horizontal axes of the planes are each denoted by ξ and the vertical axes by η.

Als Sensoreinrichtung 4 wird in der Ausführungsform der 1 eine CCD-Kamera mit einer Detektionsfläche in der Form des CCD-Arrays verwendet. Zur Bestimmung der entsprechenden Auftreffpositionen des Prüfstrahls wird diese Detektionsfläche durch Verschieben der Kamera in die Ebenen E₁, E₂, ..., E_n bewegt. Gegebenenfalls kann auch vor der Sensoreinrichtung eine entsprechende Optik vorgesehen sein, mit der ein Prüfstrahl in mehrere Strahlen aufgeteilt wird, so dass die Strahlen bis zur Detektion auf der Detektionsebene unterschiedliche Wege derart zurücklegen, dass in einer einzigen Detektionsebene virtuell die zueinander versetzten Ebenen E₁, E₂ usw. generiert werden und somit ohne Verschieben der Kamera die Auftreffpositionen der Prüfstrahlen erfasst werden können.As a sensor device 4 is in the embodiment of the 1 a CCD camera with a detection surface in the form of the CCD array used. To determine the corresponding impact positions of the test beam, this detection surface is moved by moving the camera into the planes E ₁ , E ₂ ,..., E _n . Optionally, a corresponding optics can also be provided in front of the sensor device, with which a test beam travels different paths until detection on the detection plane such that in a single detection plane the mutually offset planes E ₁ , E ₂ etc. can be generated and thus the impact positions of the test beams can be detected without moving the camera.

Zur Bestimmung der Auftreffpositionen S_i1, S_i2, ..., S_in wird die Intensitätsverteilung des Prüfstrahls detektiert und basierend darauf der Schwerpunkt dieser Intensitätsverteilung ermittelt, der dann mit der Auftreffposition gleichgesetzt wird. Aus den einzelnen Auftreffpositionen und der Information über den Versatz der Ebenen wird dann durch lineare Regression der Verlauf des Prüfstrahls für die Oberflächenposition P_i in der Form entsprechender Steigungen T_ξi bzw. T_ηi in ξ-Richtung bzw. η-Richtung gemäß dem Koordinatensystem der Ebenen ermittelt. Diese Steigungen haben aufgrund des Reflexionsgesetzes eine eindeutige Beziehung zum Gradienten der Oberfläche des Prüflings 1, wie nachfolgend anhand von 2 verdeutlicht wird.In order to determine the impact positions S _i1 , S _i2 ,..., S _in , the intensity distribution of the test beam is detected and based on this the center of gravity of this intensity distribution is determined, which is then equated with the impact position. From the individual impact positions and the information about the offset of the planes, the course of the test beam for the surface position P _i in the form of corresponding slopes T _ξi or T _ηi in the ξ-direction or η-direction according to the coordinate system of the Levels determined. Due to the law of reflection, these gradients have a clear relationship to the gradient of the surface of the test object 1 , as described below by means of 2 is clarified.

2 zeigt eine Detailansicht eines Teils der Oberfläche S des Prüflings 1 im Bereich der Oberflächenposition P_i, an welcher der Prüfstrahl T nach Durchgang durch den Strahlteiler 3 auftrifft. Der Prüfstrahl ist dabei im Schnitt gezeigt, wobei dessen Durchmesser mit D bezeichnet ist. Der an der Oberfläche reflektierte Prüfstrahl ist wiederum mit T' wiedergegeben, wobei die Ausbreitungsrichtungen der Prüfstrahlen über gestrichelte Linien angedeutet sind. In 2 ist für die Auftreffposition P_i die Tangentialebene TE an der Oberfläche S sowie das Lot L auf dieser Tangentialebene wiedergegeben. Dabei entspricht der Winkel des Prüfstrahls der Ablenkung um die Summe aus Einfallswinkel und Ausfallswinkel, d. h. dem Winkel 2·α in 2. Der Gradient der Oberflächenform S an der Stelle P_i ist dabei identisch mit dem Tangens des Einfalls- bzw. Ausfallswinkel α, wie aus 2 ersichtlich ist. Somit beschreibt der Gradient des Prüfstrahls den doppelten Winkel gegenüber dem Gradienten der Oberfläche, so dass aus den Strahlverläufen des Prüfstrahls in einfacher Weise die Gradienten der Oberfläche des Prüflings ermittelt werden können. Durch eine entsprechende, an sich bekannte modale oder zonale Integration kann hieraus die Oberflächenfunktion S_f(x, y) zur Beschreibung der Oberfläche S abgeleitet werden. 2 shows a detailed view of a part of the surface S of the specimen 1 in the region of the surface position P _i at which the test beam T after passing through the beam splitter 3 incident. The test beam is shown in section, wherein the diameter is denoted by D. The test beam reflected on the surface is again represented by T ', the directions of propagation of the test beams being indicated by dashed lines. In 2 For the impact position P _i, the tangent plane TE on the surface S and the perpendicular L on this tangential plane are reproduced. The angle of the test beam corresponds to the deflection by the sum of the angle of incidence and the angle of reflection, ie the angle 2 · α in 2 , The gradient of the surface form S at the point P _i is identical to the tangent of the incidence or angle of departure α, as shown 2 is apparent. Thus, the gradient of the test beam describes twice the angle with respect to the gradient of the surface, so that the gradients of the surface of the test object can be determined in a simple manner from the beam paths of the test beam. By means of a corresponding known modal or zonal integration, the surface function S _f (x, y) can be derived from this for the description of the surface S.

Die Oberflächenfunktion S_f(x, y) ist dabei eine Mittelung über den Bereich des Strahlquerschnitts D des Prüfstrahls auf der Oberfläche des Prüflings. D. h., die maximale Raumfrequenz, mit der die Oberflächentopographie des Prüflings 1 erfasst werden kann, hängt vom Strahldurchmesser D am Ort der Reflexion ab. Dies bedeutet, dass die Bestimmung der Oberflächenfunktion S_f(x, y), die durch das Scannen der gesamten Oberfläche des Prüflings bestimmt werden kann, durch ein Tiefpassverhalten charakterisiert ist, dessen Grenzfrequenz durch den Strahldurchmesser gegeben ist. Durch die Funktion S_f(x, y) wird somit die (gemittelte) Form der Oberflächentopographie, jedoch nicht die Welligkeit und Rauheit der Oberfläche mit Auflösungen kleiner als der Strahldurchmesser wiedergegeben. Die Rauheit von optischen Funktionsflächen bezieht sich dabei auf räumliche Auflösungen von 20 Mikrometer oder weniger, wohingegen die Welligkeit Raumfrequenzen mit typischen Perioden im Bereich von 20 Mikrometer bis 1 Millimeter betrifft. Durch Raumfrequenzen mit Perioden größer als 1 Millimeter wird demgegenüber die Form der Oberfläche beschrieben.The surface function S _f (x, y) is an averaging over the region of the beam cross section D of the test beam on the surface of the test object. That is, the maximum spatial frequency with which the surface topography of the specimen 1 can be detected depends on the beam diameter D at the location of the reflection. This means that the determination of the surface function S _f (x, y), which can be determined by scanning the entire surface of the specimen, is characterized by a low-pass behavior whose cut-off frequency is given by the beam diameter. The function S _f (x, y) thus reproduces the (average) shape of the surface topography, but not the waviness and roughness of the surface with resolutions smaller than the beam diameter. The roughness of optical functional surfaces refers to spatial resolutions of 20 microns or less, whereas the ripple relates to spatial frequencies with typical periods in the range of 20 microns to 1 millimeter. By spatial frequencies with Periods greater than 1 millimeter, in contrast, the shape of the surface is described.

Das erfindungsgemäße Verfahren schafft in der hier beschriebenen Ausführungsform nunmehr die Möglichkeit, auch die Welligkeit bzw. die Rauheit der Oberfläche eines Prüflings zu erfassen. Hierzu wird ein an sich bekanntes Phase-Retrieval-Verfahren verwendet, welches eine Abwandlung des Gerchberg-Saxton-Verfahrens darstellt und im Folgenden anhand von 3 näher erläutert wird. In 3 ist wiederum die Oberfläche S des Objekts im Bereich der Oberflächenposition P_i wiedergegeben. Diese Oberfläche wird durch die gemittelte Funktion S_f(x, y) beschrieben und berücksichtigt nicht die Welligkeit bzw. Rauheit der Oberfläche, welche durch die Linie S angedeutet ist. Die Linie S' entspricht dabei der Oberfläche unter Berücksichtigung der Welligkeit bzw. Rauheit. Die Abweichungen zwischen der Oberfläche S und der Oberfläche S' werden für die entsprechenden Positionen innerhalb des Strahldurchmessers D mit ΔS_i(x, y) bezeichnet.In the embodiment described here, the method according to the invention now makes it possible to also detect the waviness or the roughness of the surface of a test object. For this purpose, a known per se phase retrieval method is used, which is a modification of the Gerchberg Saxton method and in the following with reference to 3 is explained in more detail. In 3 in turn, the surface S of the object is reproduced in the area of the surface position P _i . This surface is described by the averaged function S _f (x, y) and does not take into account the ripple of the surface indicated by the line S. The line S 'corresponds to the surface taking into account the waviness or roughness. The deviations between the surface S and the surface S 'are designated for the corresponding positions within the beam diameter D by ΔS _i (x, y).

In 3 ist der an der Oberflächenposition P_i reflektierte Teststrahl T'' bei Hindurchtreten durch die Ebenen E₁ und E₂ wiedergegeben, wobei diese Ebenen in 3 senkrecht zur Blattebene verlaufen. Aus Übersichtlichkeitsgründen wurde die Reflexion des Prüfstrahls am Strahlteiler 3 weggelassen. Im Rahmen der Ermittlung der Auftreffpositionen S_i1 und S_i2 werden entsprechende Leistungsdichte- bzw. Intensitätsverteilungen I_i1 für die Ebene E₁ bzw. I_i2 für die Ebene E₂ ermittelt. In 3 wurde als Prüfstrahl ein Laserstrahl mit Gaußscher Intensitätsverteilung verwendet. Diese Intensitätsverteilung ist unmittelbar nach der Reflexion am Prüfling in der Ebene E₁ noch vorhanden. Aufgrund der durch die Reflexion veränderten Phase des Prüfstrahls verändert sich die Intensitätsverteilung jedoch bei größeren Abständen vom Prüfling, was durch die Intensitätsverteilung I_i2 der 3 angedeutet ist.In 3 is reflected at the surface position P _i test beam T '' when passing through the planes E ₁ and E ₂ reproduced, these levels in 3 perpendicular to the leaf level. For reasons of clarity, the reflection of the test beam at the beam splitter 3 has been omitted. As part of the determination of the impact positions S _i1 and S _i2 , corresponding power density or intensity distributions I _i1 for the plane E ₁ and I _i2 for the plane E _{2 are} determined. In 3 A laser beam with Gaussian intensity distribution was used as test beam. This intensity distribution is still present immediately after reflection on the specimen in the plane E ₁ . Due to the changed by the reflection phase of the test beam, however, the intensity distribution changes at greater distances from the specimen, which by the intensity distribution I _i2 the 3 is indicated.

Die Intensitätsverteilungen I_i1 und I_i2 werden nunmehr dazu benutzt, um basierend auf einem Phase-Retrieval-Verfahren die Phasenverteilung des Prüfstrahls innerhalb des Strahldurchmessers an der Oberfläche S zu bestimmen. Wie bereits oben erwähnt, beruht dieses Phase-Retrieval-Verfahren auf einer Abwandlung des in der Druckschrift [3] beschriebenen Gerchberg-Saxton-Verfahrens. Gemäß dem Gerchberg-Saxton-Verfahren wird aus mindestens zwei bekannten bzw. gemessenen Intensitätsverteilungen die zugehörige Phasenverteilung durch einen Iterationsalgorithmus bestimmt. In dem ursprünglichen Verfahren gemäß Druckschrift [3] wurden hierbei die Intensitätsverteilungen in der Pupillen- und Fokalebene eines optischen Elements herangezogen. In diesem Fall sind die entsprechenden Amplitudenverteilungen über eine Fourier-Transformation miteinander verknüpft. Der Iterationsalgorithmus kann jedoch auch zwischen beliebigen anderen Ebenen durchgeführt werden, welche entlang der optischen Achsen gegeneinander verschoben sind. D. h., anstelle der Fourier-Transformation wird in einem solchen abgewandelten Verfahren der Propagator für die freie Strahlausbreitung verwendet. Zwecks näherer Beschreibung von Phase-Retrieval-Verfahren wird auch auf die Dokumente [4] und [5] verwiesen.The intensity distributions I _i1 and I _i2 are now used to determine the phase distribution of the test beam within the beam diameter at the surface S based on a phase retrieval method. As already mentioned above, this phase retrieval method is based on a modification of the Gerchberg-Saxton method described in reference [3]. According to the Gerchberg-Saxton method, the associated phase distribution is determined by an iteration algorithm from at least two known or measured intensity distributions. In the original method according to document [3], the intensity distributions in the pupil and focal plane of an optical element were used here. In this case, the corresponding amplitude distributions are linked to one another via a Fourier transformation. However, the iteration algorithm may also be performed between any other planes that are shifted from one another along the optical axes. That is, instead of the Fourier transform, the propagator for free beam propagation is used in such a modified method. For a more detailed description of phase retrieval procedures, reference is also made to documents [4] and [5].

In der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird ein Phase-Retrieval-Algorithmus eingesetzt, der im Wesentlichen auf der iterativen Abfolge von vier Schritten besteht (siehe auch Dokument [5]). Zunächst wird in einer ersten Ebene eine Amplitudenverteilung aus der in dieser Ebene gemessenen Intensitätsverteilung und einer geschätzten, willkürlich gewählten Phasenverteilung gebildet. Die gemessene Intensitätsverteilung ist in der Ausführungsform der 3 dabei die Intensitätsverteilung I_i1. Die Amplitudenverteilung wird unter Verwendung des Propagators der freien Strahlausbreitung in eine zweite Ebene propagiert, welche gemäß 3 der Ebene E₂ entspricht. Nun erfolgt eine für den Algorithmus typische Manipulation derart, dass bei Erhaltung der Phasenverteilung der numerisch berechnete Betrag der Amplitudenverteilung durch die Wurzel der in der zweiten Ebene gemessenen Intensitätsverteilung ersetzt wird. Die gemessene Intensitätsverteilung in der zweiten Ebene ist in 3 die Intensitätsverteilung Ii2. Die auf diese Weise synthetisch generierte Amplitudenverteilung wird anschließend zurück in die Ausgangsebene, d. h. die Ebene E₁ der 3, propagiert. In dieser Ebene erfolgt wiederum die zuvor beschriebene Manipulation der Amplitudenverteilung mit dem einzigen Unterschied, dass jetzt die in der Ausgangsebene gemessene Intensitätsverteilung (Verteilung I_i1 gemäß 3) herangezogen wird. Der Algorithmus wird so lange wiederholt, bis die propagierten Verteilungen möglichst gut den gemessenen Intensitätsverteilungen entsprechen. In diesem Fall ist in den beiden Ebenen die Phase aus den Intensitätsmessungen rekonstruiert. Durch Anwendung des Propagators kann nunmehr die Phasenverteilung in einer anderen Ebene bestimmt werden, wobei hierfür der Abstand zwischen der Ausgangsebene und der anderen Ebene bekannt sein muss.In the embodiment of the invention described here, a phase retrieval algorithm is used which essentially consists of the iterative sequence of four steps (see also document [5]). First, in a first plane, an amplitude distribution is formed from the intensity distribution measured in this plane and an estimated, arbitrarily selected phase distribution. The measured intensity distribution is in the embodiment of 3 while the intensity distribution I _i1 . The amplitude distribution is propagated using the propagator of free beam propagation into a second plane, which according to 3 corresponds to the level E ₂ . Now, a manipulation typical of the algorithm is performed such that when the phase distribution is maintained, the numerically calculated magnitude of the amplitude distribution is replaced by the root of the intensity distribution measured in the second plane. The measured intensity distribution in the second plane is in 3 the intensity distribution Ii2. The amplitude distribution synthetically generated in this way is then returned to the starting plane, ie the plane E ₁ of FIG 3 , propagated. In this plane again the previously described manipulation of the amplitude distribution takes place with the only difference that now the intensity distribution measured in the output plane (distribution I _i1 according to _FIG 3 ) is used. The algorithm is repeated until the propagated distributions correspond as well as possible to the measured intensity distributions. In this case, the phase is reconstructed from the intensity measurements in the two planes. By using the propagator, it is now possible to determine the phase distribution in another plane, for which purpose the distance between the output plane and the other plane must be known.

Gemäß 3 wird die Phasenverteilung φ_i(x, y) an der Oberfläche S des Prüflings unmittelbar nach der Reflexion am Prüfling bestimmt. In dieser Phasenverteilung sind die Höhenunterschiede der Oberfläche innerhalb des Strahldurchmessers D codiert, wobei die Phasenverteilung jedoch keine Informationen hinsichtlich der Lage des Prüfstrahls in Bezug auf die Oberfläche S enthält. Diese Information ist jedoch durch die gemittelte Form der Oberfläche gemäß der Funktion S_f(x, y) gegeben. Somit kann über die Phasenunterschiede innerhalb der Phasenverteilung und die Funktion S_f(x, y) die Abweichung ΔS_i(x, y) gemäß 3 ermittelt werden. Es wird somit ein entsprechender Korrekturterm ΔS_i für entsprechende Positionen innerhalb des Strahldurchmessers bestimmt, der die Welligkeit bzw. Rauheit der Oberfläche innerhalb des Strahlquerschnitts des Prüfstrahls beschreibt.According to 3 the phase distribution φ _i (x, y) on the surface S of the test piece is determined immediately after reflection on the test piece. In this phase distribution, the height differences of the surface are coded within the beam diameter D, but the phase distribution does not contain any information regarding the position of the test beam with respect to the surface S. However, this information is given by the averaged shape of the surface according to the function S _f (x, y). Thus, via the phase differences within the phase distribution and the function S _f (x, y), the deviation ΔS _i (x, y) according to 3 be determined. It is determined for corresponding positions within the beam diameter thus a corresponding correction term .DELTA.S _i, which describes the waviness or roughness of the surface within the beam cross-section of the test beam.

Bei einer hinreichenden Abtastung des Prüfstrahls in den entsprechenden Ebenen E₁ und E₂ kann mit dem soeben beschriebenen Verfahren die Auflösung der Messung und damit die Auflösung der ermittelten Oberflächentopographie um einen Faktor von 20 bis 100 erhöht werden. Insbesondere wird neben der Form der Oberfläche des Prüflings auch dessen Welligkeit und Rauheit erfasst. Wie bereits oben erwähnt, kann das Verfahren auch zur Vermessung von transmissiven Prüflingen und insbesondere von Linsen eingesetzt werden. In diesem Fall wird die Form einer Wellenfront ebenfalls mit einer deutlich höheren Genauigkeit bestimmt.With a sufficient scanning of the test beam in the corresponding planes E ₁ and E ₂ , the resolution of the measurement and thus the resolution of the determined surface topography can be increased by a factor of 20 to 100 with the method just described. In particular, in addition to the shape of the surface of the specimen and its ripple and roughness is detected. As already mentioned above, the method can also be used for the measurement of transmissive test objects and in particular of lenses. In this case, the shape of a wavefront is also determined with a much higher accuracy.

Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnen sich durch eine Kombination eines Gradientenverfahrens mit einem Phase-Retrieval-Verfahren aus. Gemäß dem Gradientenverfahren wird in an sich bekannter Weise der Strahlverlauf von Prüfstrahlen ermittelt und hierdurch die räumlich niederfrequenten Anteile der Oberflächentopographie eines Prüflings bestimmt. Hierdurch wird eine virtuelle Referenzoberfläche generiert, welche die über den Strahlquerschnitt gemittelte Form der Oberfläche des Prüflings beschreibt. Mit dem Phase-Retrieval-Verfahren werden aus den gemessenen Leistungsdichteverteilungen des Prüfstrahls in mehreren Ebenen die räumlich hochfrequenten Abweichungen der tatsächlichen Oberflächentopographie von der virtuellen Referenzoberfläche im Bereich des Prüfstrahls abgeleitet. Das Verfahren entspricht insofern prinzipiell der Interferometrie mit einer variablen, dem jeweiligen Prüfling anpassbare Referenzfläche.The embodiments of the method according to the invention described above are characterized by a combination of a gradient method with a phase retrieval method. According to the gradient method, the beam path of test beams is determined in a manner known per se, and thereby the spatially low-frequency components of the surface topography of a test object are determined. In this way, a virtual reference surface is generated, which describes the averaged over the beam cross-section shape of the surface of the specimen. With the phase retrieval method, the spatially high-frequency deviations of the actual surface topography from the virtual reference surface in the area of the test beam are derived from the measured power density distributions of the test beam in several planes. In principle, the method corresponds to interferometry with a variable reference surface which can be adapted to the respective test object.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere kann die Oberflächentopographie eines Prüflings bzw. die durch einen Prüfling generierte optische Wellenfront mit hoher Dynamik und hoher Raumfrequenz gemessen werden. Die vertikale Auflösung liegt dabei im Subwellenbereich entsprechend der Wellenlänge des einfallenden Prüfstrahls. Das liegt daran, dass Aberrationen in diesem Bereich bereits signifikanten Einfluss auf das Propagationsverhalten kohärenter Strahlung haben. Insofern kann prinzipiell durch Messung der Intensitätsverteilungen auf Aberrationen und damit auf die hochfrequente Oberflächentopographie des Prüflings geschlossen werden. Aufgrund der Bestimmung der virtuellen Referenzfläche durch das Gradientenverfahren können nahezu beliebig geformte Oberflächentopographien vermessen werden. Insbesondere ist es möglich, die Topographien asphärischer Prüflinge oder von Freiformflächen zu erfassen, die mit herkömmlichen Methoden nur sehr schwer oder gar nicht messbar sind. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren mit einem kompakten und kostengünstigen Aufbau, z. B. basierend auf dem Aufbau der Druckschrift [1], realisiert werden. Es werden keine teuren Referenzoptiken oder spezielle Optiken zur Anpassung der Messapertur oder der Apertur des Prüflings benötigt. Aufgrund der Tatsache, dass Gradienten und nicht absolute Abstände gemessen werden, ist der Aufbau robust gegenüber Umwelteinflüssen, wie z. B. Erschütterungen.The inventive method has a number of advantages. In particular, the surface topography of a test object or the optical wave front generated by a test object can be measured with high dynamics and high spatial frequency. The vertical resolution lies in the sub-wave range corresponding to the wavelength of the incident test beam. This is because aberrations in this area already have a significant impact on the propagation behavior of coherent radiation. In this respect, it is possible to conclude in principle by measuring the intensity distributions on aberrations and thus on the high-frequency surface topography of the test object. Due to the determination of the virtual reference surface by the gradient method, almost arbitrarily shaped surface topographies can be measured. In particular, it is possible to detect the topographies of aspherical specimens or free-form surfaces, which are very difficult or impossible to measure with conventional methods. In addition, the inventive method with a compact and inexpensive construction, for. B. based on the structure of the document [1] can be realized. No expensive reference optics or special optics are needed to adjust the measuring aperture or the aperture of the test object. Due to the fact that gradients and not absolute distances are measured, the structure is robust against environmental influences, such. B. shocks.

Literaturverzeichnis:Bibliography:

[1] DE 10 2007 003 681 A1
[2] WO 2008/025433 A2
[3] R.W. Gerchberg and W.O. Saxton, "A practical algorithm for the determination of phase from image and diffraction plane pictures", optics, vol. 35, no. 2, pp. 237-246, April 1972
[4] L.J. Allen and M.P. Oxley, "Phase retrieval from series of images obtained by defocus variation", Optics Communications 199 (2001), pages 65-75
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[6] WO 00/29 835 A1
[7] EP 0 954 951 B1
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[9] by Finck A .; Duparré A .; Pfeiffer M .: Makyoh imaging for the characterization of surface defects. In: Fraunhofer IOF Annual Report 2008, 2008, pages 80 to 81

Claims

Method for the optical analysis of a test object ( 1 ), in which a) is illuminated by a lighting device ( 2 ) generated test beam (T) on different surface positions (P _i ) on the test specimen ( 1 ) and based on a detection of the test beam (T), which via an intensity measurement by means of a sensor device ( 4 ), for each surface position (P _i ) of the beam path of the test beam (T) after passing the test specimen ( 1 ) is determined, wherein for determining the beam path, the impact positions (S _i1 , S _i2 , S _in ) of the test beam (T) after passing the test specimen ( 1 ) in a plurality of planes (E ₁ , E ₂ , E _n ) offset from one another along the direction of the test beam (T); b) an approximated function (S _f (x, y)) is determined from the beam paths of the test beam (T) which takes the form of an optical wavefront after passing through the test object ( 1 ) and / or the shape of the surface (S) of the test piece ( 1 ) describes; c) for respective surface positions (P _i ), the phase distribution of the test beam (T) within its cross section after passing the test piece ( 1 ) from at least one of the sensor device ( 4 ) detected intensity distribution (I _i1 , I _i2 ) of the test steel (T) in at least one of the planes (E ₁ , E ₂ , E _n ) is determined; d) based on the phase distribution, a correction for the approximated function (S _f (x, y)) in the region of the cross section of the test beam (T) around the respective surface positions (P _i ) is determined.

Method according to Claim 1, in which the test object ( 1 ) comprises a directionally reflective object.

Method according to Claim 1 or 2, in which the test object ( 1 ) comprises a transmissive object.

Method according to one of the preceding claims, in which, for the determination of the impact positions (S _i1 , S _i2 , S _in ) of the test beam (T), the detection surface of the sensor device ( 4 ) in the mutually offset planes (E ₁ , E ₂ , E _n ) is arranged and / or with an optic the staggered planes (E ₁ , E ₂ , E _n ) virtually in the detection surface of the sensor device ( 4 ) be generated.

Method according to one of the preceding claims, in which a respective impact position (S _i1 , S _i2 , S _in ) of the test beam (T) via the determination of the center of gravity of one of the sensor device ( 4 ) detected intensity distribution of the test beam (T) is determined.

Method according to one of the preceding claims, in which the beam paths determined in step a) are described by respective gradients of the test bars (T), wherein the approximated function (S _f (x, y)) is determined by integration from these gradients.

Method according to one of the preceding claims, in which the phase distribution in step c) consists of several by the sensor device ( 4 ) detected intensity distributions of the test steel (T) in several of the planes (E ₁ , E ₂ , E _n ) is determined.

Method according to one of the preceding claims, in which the phase distribution in step c) is determined by a phase retrieval method.

Method according to Claim 8, in which a modification of the Gerchberg-Saxton method is used as the phase retrieval method, in which a propagator for free beam propagation is used instead of a Fourier transformation.

Method according to one of the preceding claims, in which the light emitted by the illumination device ( 2 ) produced test steel (T) has a previously known intensity distribution in the beam cross-section.

Method according to one of the preceding claims, in which the test beam (T) is generated by a laser.

Method according to one of the preceding claims, in which the wavelength of the light of the test steel (T) is in the visible spectral range and / or the beam diameter of the test beam is 500 micrometers or less.

Method according to one of the preceding claims, in which the test steel (T) is arranged in a grid-shaped pattern on surface positions (P _i ) on the test object ( 1 ).

Device for the optical analysis of a test object ( 1 ), comprising: - a lighting device ( 2 ) for generating a test beam (T), which in operation of the device on different surface positions (P _i ) on the test specimen ( 1 ); A sensor device ( 4 ) for detecting the on the different surface positions (P _i ) on the test specimen ( 1 ) directed test beam (T) after passing the test specimen ( 1 ), wherein the detection via an intensity measurement by means of the sensor device ( 4 ) he follows; An evaluation unit which is designed such that it carries out the following steps during operation: i) based on the detection of the test steel by the sensor device ( 4 ), the beam path of the test beam (T) for each surface position (P _i ) after passing through the test object ( 1 ), wherein for determining the beam path the impact positions (S _i1 , S _i2 , S _in ) of the test beam (P) after passing the test object ( 1 ) in several, along the direction of the test beam ( 1 ) mutually offset planes (E ₁ , E ₂ , E ₃ ) are determined; ii) from the beam paths of the test beam (T), an approximated function (S _f (x, y)) is determined, which takes the form of an optical wavefront after passing through the test object ( 1 ) and / or the shape of the surface of the test piece ( 1 ) describes; iii) for respective surface positions (P _i ), the phase distribution of the test beam (T) within its cross section after passing through the test piece ( 1 ) from at least one of the sensor device ( 4 ) detected intensity distribution (I _i1 , I _i2 ) of the test steel (T) in at least one of the planes (E ₁ , E ₂ , E _n ) determined; iv) based on the phase distribution, a correction for the approximated function (S _f (x, y)) for the region of the cross section of the test beam (T) around the respective surface positions (P _i ) is determined.

Apparatus according to claim 14, which is designed such that with the device Method according to one of claims 2 to 13 is feasible.