DE102012100311A1

DE102012100311A1 - Verfahren und Anordnung zur Kalibrierung des Wellenfrontfehlers eines computergenerierten Hologramms für die Prüfung optischer Oberflächen

Info

Publication number: DE102012100311A1
Application number: DE201210100311
Authority: DE
Inventors: Dr. Schreiner Roland
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2032-01-14
Also published as: DE102012100311B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Kalibrierung des Wellenfrontfehlers eines computergenerierten Hologramms (CGH) für die Prüfung optischer Oberflächen. Die Aufgabe, eine Kalibrierung computergenerierter Hologramme für die Prüfung optischer Oberflächen zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß gelöst, indem das CGH (3) vom Fizeau-Interferometer (1) kommendes Licht in die nullte Beugungsordnung als Kalibrierwelle (32) transmittiert, wobei die als Messwelle (31) für die optische Oberfläche (21) benutzte erste Beugungsordnung nur soweit geschwächt ist, dass der Messvorgang nicht beeinträchtigt wird, und temporär vor der Vermessung der optischen Oberfläche (21) an der Position des Prüflings (2) ein Referenzspiegel (4) eingesetzt wird, der eine Planwelle (12) als Kalibrierwelle (32) in der 0. Beugungsordnung in sich zurück reflektiert, wobei vom Fizeau-Interferometer (1) erfasste Abweichungen als Fehler des CGH (3) gespeichert und als Kalibrierwerte für die Korrektur der Messdaten der optischen Oberfläche (21) verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Kalibrierung des Wellenfrontfehlers eines CGH (Computer-generiertes Hologramm) für die Prüfung optischer Oberflächen, wobei mittels des CGH durch Strahlformung einer Messwelle, angepasst an die Form der zu vermessenden optischen Oberfläche eines Prüflings, Licht eines Fizeau-Interferometers im Wesentlichen ausschließlich als ±1. Beugungsordnung zur Prüfung der optischen Oberfläche verwendet und von dieser reflektiert dem Fizeau-Interferometer zugeführt wird. Die Erfindung findet insbesondere Anwendung zur Prüfung von Asphären, Zylinder- und Freiformflächen.
Optische Flächen werden üblicherweise mittels Interferometern bezüglich Form geprüft. Hierbei sind nur ebene Flächen und kugelförmige Flächen der direkten Oberflächenmessung zugänglich. Für die Prüfung von Plan- und Kugelflächen existieren Kalibrierverfahren, mit denen eine Messgenauigkeit von wenigen Nanometern Oberflächenabweichung möglich ist.
Für die interferometrische Formprüfung von asphärischen Oberflächen wird unter anderem ein zusätzliches optisches Bauteil in den Strahlengang des Interferometers eingebracht, das die Aufgabe hat, den Messstrahl zu formen und für die Oberflächenmessung der Asphäre anzupassen. Solch ein zusätzliches Element zur präzisen Formprüfung von optischen Bauteilen, bevorzugt Asphären, Zylinder und Freiformflächen eingesetzt, kann ein sogenanntes computergeneriertes Hologramm (CGH) sein.
Eine überwiegend verwendete Prüfanordnung besteht aus einem Fizeau-Interferometer, dem CGH und der zu prüfenden Fläche. Durch das den Messstrahl formende Element (CGH) wird unglücklicherweise auch ein zusätzlicher Messfehler in den Prüfaufbau eingebracht, der das eigentliche Messsignal überlagert. Durch diesen Sachverhalt ist die Messgenauigkeit eingeschränkt und hängt sogar wesentlich von der Qualität des CGH ab.
Das CGH ist üblicherweise ein einfaches Beugungsgitter, das mehrere Beugungsordnungen aufweist. Das einfallende Licht wird durch das CGH in verschiedene diskrete Richtungen abgelenkt. Die zur Verfügung stehende Lichtenergie wird dabei unterschiedlich auf die einzelnen Beugungsordnungen aufgeteilt. Der Anteil der Energie, die in jede einzelne Richtung abgestrahlt wird, folgt der Beugungstheorie für Gitter und ist in der Literatur beschrieben, z.B. in „SPIE Press, Vol. No TT62, Chapter 2" (ISBN o-8194-5171-1).
Um möglichst viel Licht in die erste Beugungsordnung zu lenken, muss das binäre Phasengitter zusätzlich zwei Eigenschaften aufweisen:

– Das Tastverhältnis von Steg zu Graben ist 1:1 (Stegbreite = Grabenbreite).
– Die Gittertiefe entspricht genau einem Phasenunterschied von einer halben Wellenlänge.

Für diesen Spezialfall eines binären Phasengitters mit Tastverhältnis 1:1 und einer Gittertiefe von λ/2 verschwindet die Lichtintensität in allen geraden Beugungsordnungen, insbesondere auch der nullten Beugungsordnung (a.a.O, S. 30). In diesen Fall ergeben sich folgende Beugungseffizienzen:

Beugungsordnung Beugungseffizenz

0 0 %

+1, –1 40,5%

+2, –2 0 %

+3, –3 4,5 %

+4, –4 0%

+5, –5 1,6%

+6, –6 0%

höhere BO zusammen 3,4%
Von diesem Spezialfall wird im Stand der Technik bei der Herstellung von CGH für die Prüfung von optischen Flächen überwiegend Gebrauch gemacht. Dabei die ist Richtung der einzelnen Beugungsordnungen durch die folgende Formel bestimmt: sinα = n·λ / p, (1) wobei α der Ablenkwinkel zur Gitternormalen, λ die Wellenlänge des Lichtes und p die Gitterperiode und n die Beugungsordnung. Mit der Richtungsanpassung erfolgt die konkrete Anpassung des CGH an die zu prüfende Oberfläche.
Ebenso ist es Stand der Technik, die Beugungseffizienz in der Messwelle zu erhöhen, indem man von binären Gitter abweicht und sogenannte mehrstufige Gitter (engl. „blazed grating“) realisiert. Die gemeinsame Eigenschaft der üblicherweise verwendeten den CGH-Varianten ist es, dass die Messwelle möglichst viel Lichtintensität bekommt und die Nullte Beugungsordnung möglichst kein Licht enthalten soll.
Weiterhin ist es bekannt, diese Art von CGH ohne weitere Kalibrierung in einem interferometrischen Prüfaufbau zu verwenden. Das heißt der Fehler, der durch das CGH in die Messung eingebracht wird, bleibt in der Einzelmessung unkorrigiert. In der Praxis wird versucht, den CGH-Fehler über Mittelungen von verschiedenen Prüflingspositionen und/oder unterschiedlichen Prüflingen zu bestimmen. Dieser Prozess ist langwierig und erfordert Bewegungen des Prüflings, gefolgt von Datenverarbeitung. Die Genauigkeit des Verfahrens hängt stark von der Sorgfalt des Bedieners ab und von der Vielzahl der gemittelten Messungen.
Wünschenswert wäre ein Verfahren bei dem ein Kalibrierdatensatz auf einfache Weise am Prüfaufbau bestimmt werden könnte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Prüfung und/oder Kalibrierung von computergenerierten Hologrammen (CGH), wie sie zur geeigneten Messwellenformung für die Prüfung beliebiger optischer Oberflächen, insbesondere asphärischer, aber auch sphärischer oder Freiformflächen, eingesetzt werden, zu finden, die eine zuverlässige und genaue Erfassung von Fehlern der strahlformenden Hologramme (CGH) gestattet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur Kalibrierung des Wellenfrontfehlers eines CGH für die Prüfung einer optischen Oberfläche, bei dem mittels des CGH zur Strahlformung einer Messwelle, angepasst an die Form der zu vermessenden optischen Oberfläche eines Prüflings, Licht eines Fizeau-Interferometers im Wesentlichen nur in die ±1. Beugungsordnung abgelenkt und zur Prüfung der optischen Oberfläche von dieser reflektiert wieder dem Fizeau-Interferometer zugeführt wird, durch die folgenden Schritte gelöst:

– Einsetzen eines CGH, das einen definiert von Null verschieden eingestellen Anteil der Intensität des vom Fizeau-Interferometer kommenden Lichts als Kalibrierlicht in die 0. Beugungsordnung transmittiert, wobei der in die ±1. Beugungsordnungen abgelenkte Anteil nur soweit geschwächt wird, dass der Messvorgang des Prüflings nicht negativ beeinflusst wird,
– Justieren des CGH bezüglich des Fizeau-Interferometers und der zu vermessenden optischen Oberfläche,
– Einsetzen eines ebenen Referenzspiegels an die Position der optischen Oberfläche,
– Aussenden einer Planwelle aus dem Fizeau-Interferometer in Richtung des Referenzspiegels, wobei die Planwelle das CGH zweimal durchquert,
– Erfassen von Abweichungen der am Referenzspiegel in sich zurück reflektierten Planwelle der 0. Beugungsordnung und Speichern der Abweichungen als Kalibrierdaten der Prüfanordnung mit Planwellenbeleuchtung des CGH.

Vorzugsweise werden die erfassten Abweichungen der 0. Beugungsordnung als direkte Kalibrierdaten der mit einer Planwelle als Messwelle betriebenen Prüfanordnung gespeichert. Es ist aber auch möglich, dass die erfassten Abweichungen der 0. Beugungsordnung als indirekte Kalibrierdaten zur Erzeugung eines Kalibrierdatensatzes für eine mit sphärischer Messwelle betriebenen Prüfanordnung gespeichert werden.
Die aus den Abweichungen resultierenden Kalibrierdaten werden zweckmäßig direkt in der Software des Fizeau-Interferometers gespeichert und als Korrekturwerte verwendet.
Es kann aber auch vorteilhaft sein, wenn die gespeicherten Kalibrierdaten in der Software des Fizeau-Interferometers bei jedem nachfolgenden Messvorgang der zu vermessenden Oberfläche den erfassten Messdaten überlagert werden.
Dabei werden die gespeicherten Kalibrierdaten in einer bevorzugten Variante in der Software des Fizeau-Interferometers bei jedem nachfolgenden Messvorgang der zu vermessenden Oberfläche von erfassten Messdaten abgezogen.
Zur Herstellung eines für die Kalibrierung geeigneten CGH wird die Transmission von Licht in der 0. Beugungsordnung durch eine modifizierte Tiefe eingestellt, die gegenüber der herkömmlichen idealen Gittertiefe des Phasengitters des CGH, bei der kein Licht in die 0. Beugungsordnung transmittiert wird, erzeugt wird.
Dabei wird die modifizierte Tiefe des Phasengitters gegenüber der idealen Gittertiefe vorteilhaft vergrößert. Sie kann aber auch gegenüber der idealen Gittertiefe verkleinert werden.
Des Weiteren wird die Aufgabe bei einer Anordnung zur Kalibrierung des Wellenfrontfehlers eines CGH bei der Prüfung optischer Oberflächen, enthaltend ein Fizeau-Interferometer, ein CGH zur Strahlformung einer Messwelle und eine zu vermessende optische Oberfläche, wobei Licht des Fizeau-Interferometers mittels des CGH, das an die Form der zu vermessenden optischen Oberfläche eines Prüflings angepasst ist, im Wesentlichen nur als ±1. Beugungsordnung auf eine zu prüfende optische Oberfläche gerichtet und von dieser reflektiert wieder dem Fizeau-Interferometer zugeführt ist, dadurch gelöst, dass das CGH so ausgebildet ist, dass vom Fizeau-Interferometer kommendes Licht als Strahlengang nach dem CGH einen definiert von Null verschiedenen Anteil der Intensität in die 0. Beugungsordnung als Kalibrierwelle aufweist, wobei die als Messwelle für die zu vermessende optische Oberfläche in die ±1. Beugungsordnungen abgelenkte Intensität nur soweit geschwächt ist, dass der Messvorgang des Prüflings nicht beeinträchtigt wird, und ein Referenzspiegel zur Kalibrierung des Wellenfrontfehlers des CGH temporär vor der Vermessung der optischen Oberfläche an der Position des Prüflings einsetzbar ist, sodass eine vom Fizeau-Interferometer ausgesendete Planwelle als in die 0. Beugungsordnung transmittierte Kalibrierwelle vom Referenzspiegel als Planwelle in sich zurück reflektiert wird, wobei vom Fizeau-Interferometer erfasste Abweichungen der Planwelle als Fehler des CGH erfassbar, als Kalibrierwerte für den Wellenfrontfehler speicherbar und als Korrekturwerte für die vom Fizeau-Interferometer erfassten Messdaten der optischen Oberfläche vorgesehen sind.
Der Referenzspiegel zur Kalibrierung des Wellenfrontfehlers des CGH ist dabei bevorzugt direkt vor dem Prüfling oder anstelle des Prüflings in den Strahlengang einschiebbar.
Die Kalibrierwerte aus den ermittelten CGH-Wellenfrontfehler sind zweckmäßig als Korrekturwerte in der Software des Fizeau-Interferometers gespeichert und direkt zur additiven Korrektur der Messdaten vorgesehen.
Es kann sich aber auch als vorteilhaft erweisen, dass die Kalibrierwerte der CGH-Wellenfrontfehler als Korrekturwerte in einer externen Software bereitgestellt sind, sodass vom Fizeau-Interferometer gelieferte Messdaten nachträglich durch die Kalibrierwerte korrigierbar sind.
In einer vorzuziehenden Ausführung der Erfindung ist die Beugungseffizienz des CGH in der ±1. Beugungsordnung zugunsten der 0. Beugungsordnung dadurch verringert, dass das CGH ein Phasengitter mit einer modifizierten Tiefe aufweist, die gegenüber der idealen Tiefe, bei der einfallendes Licht im Wesentlichen ausschließlich in die ±1. Beugungsordnung gebeugt wird, verändert ist.
Vorteilhaft ist die modifizierte Tiefe gegenüber der idealen Gittertiefe vergrößert. Sie kann aber auch verringert gewählt werden.
Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass Fehler bei der CGH-Herstellung einen wesentlichen Anteil zu den bei der Prüfung der asphärischen Optiken festgestellten Fehlern beitragen und somit die Asphärenprüfung beeinträchtigen oder verfälschen. Die Erfindung löst dieses Problem, indem bei einer herkömmlichen Prüfanordnung zur Asphärenprüfung, ausgestattet mit einen Fizeau-Interferometer, einem CGH zur Messwellen-Strahlformung und der zu prüfenden optischen Oberfläche eines Prüflings, das CGH modifiziert wird, um neben den für die Messwellenerzeugung erwünschten ±1. Beugungsordnungen auch (geringe) Strahlanteile in der 0. Beugungsordnung durchzulassen. Mit den Strahlanteilen der nullten Beugungsordnung wird unter Verwendung der herkömmlichen Prüfanordnung durch Einsatz eines ebenen Referenzspiegels anstelle des Prüflings das CGH auf Fehler untersucht und erfasste Abweichungen als Datensatz zur Kalibrierung des CGH oder als Korrekturdatensatz für die Messdaten des Prüflings verwendet.
Die Erfindung beschreibt demnach, wie bei der Fehlerprüfung von optischen Oberflächen mittels CGH der CGH-Fehler ermittelt und aus der eigentlichen Formmessung der optischen Oberfläche eliminiert werden kann. Mit diesem Verfahren sind bei der Messung von Asphären, Zylindern oder Freiformflächen vergleichbar gute Messgenauigkeiten wie bei der Messung von Sphären und Planflächen zu erreichen.
Die Erfindung beruht auf der Möglichkeit, die Beugungseffizienz der einzelnen Beugungsordnung durch die Wahl der Form des Beugungsgitters zu beeinflussen. Dazu wird der nullten Beugungsordnung ein kleiner Teil der Lichtintensität zugeordnet (wenige Prozent). Die gleichzeitige (geringe) Reduktion der Lichtintensität in der Messwelle wird in Kauf genommen und stört die Messung praktisch nicht. Gegenstand der Erfindung ist es, die CGH-Geometrie geeignet so zu wählen, dass die Intensität in förderlicher Weise auf die zur Kalibrierung verwendete nullte Beugungsordnung und auf die zur Messung verwendete Beugungsordnung aufgeteilt wird.
Vorteilhaft ist dabei, dass für Prüfanordnungen, die ebenfalls die Planwelle als eingehende Welle des CGH zur Strahlformung der Messwelle verwenden, zwischen Kalibriervorgang und Messvorgang keine oder nur geringe Änderungen am Prüfaufbau getätigt werden müssen. Der Kalibrierdatensatz kann ohne weitere Datenumrechnungen zur Korrektur der Messdaten im Prüfaufbau verwendet werden. Dies ist insbesondere bei Prüfaufbauten zur Messung von Zylinderoberflächen der Fall.
Aber auch bei Verwendung der Kugelwelle eines sphärischen Fizeau-Interferometers als eingehende Messwelle ist die vorhergehende Kalibrierung des CGH-Fehlers vorteilhaft. Allerdings muss in solchen Fällen das Interferometer vom Kalibriermodus (mit Planwelle) auf den Messmodus (mit Kugelwelle) umgerüstet werden. Damit unterscheidet sich der Strahlengang des Kalibriermodus von dem des Messmodus so stark, dass der Kalibrierdatensatz erst durch Datenaufbereitung für den Messmodus verwendbar gemacht werden muss. Dies kann prinzipiell aufgrund der unterschiedlichen Lichtwege durch das CGH-Substrat bei Kalibrierung und Messung nur näherungsweise geschehen. D.h., dass der im Kalibriermodus gemessene Wellenfrontfehler nur näherungsweise derselbe ist wie im Messmodus. Trotzdem kann mit dem genäherten Wellenfrontfehler eine Verbesserung der Messgenauigkeit erzielt werden, gegenüber dem unkalibrierten Fall. Auf die Art und Weise der Datenumrechnung wird an dieser Stelle nicht näher eingegangen
Der CGH-Fehler von Prüfaufbauten mit Planwellenbeleuchtung lässt sich also durch das Kalibrierverfahren direkt korrigieren. Hier zeigt sich die bevorzugte Verwendung des Verfahrens. Das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren ist aber auch in mehr indirekter Weise für Prüfaufbauten mit Kugelwellenbeleuchtung nutzbar.
Die Anwendung des Kalibrierverfahrens ist durch die am CGH eingehende Welle bestimmt und nicht von der Prüflingsform abhängig. Üblicherweise werden Asphären mit eingehender Kugelwelle geprüft. Es ist aber auch in manchen Fällen eine Planwelle denkbar. Umgekehrt gibt es Sonderfälle einer Kugelbeleuchtung für die Messung von Zylindern. Hauptanwendung der Erfindung ist aber die Prüfung von Zylindern mit Planwellenbeleuchtung. Bei der Zylinderprüfung ist das die überwiegend verwendete Anordnung.
Mit der Erfindung ist es möglich, eine Prüfung und/oder Kalibrierung von computergenerierten Hologrammen (CGH), die zur geeigneten Messwellenformung für die Prüfung optischer Oberflächen, wie Asphären, Zylinderflächen und Freiformflächen, eingesetzt werden, vorzunehmen und Fehler der strahlformenden CGH innerhalb derselben Prüfanordnung zuverlässig und genau zu erfassen und direkt bei der Optikprüfung zu berücksichtigen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
1: einen Prinzipaufbau der erfindungsgemäßen CGH-Prüfanordnung mit CGH-Kalibrierung,
2: eine Prinzipdarstellung eines binären Phasengitters eines herkömmlichen CGH mit idealer Gittertiefe t und ausschließlich ersten Beugungsordnung,
3: eine Prinzipdarstellung des binären Phasengitters eines erfindungsgemäßen CGH mit modifizierter Gittertiefe t’ und geringfügig erhöhter nullter Beugungsordnung zulasten der weiterhin dominanten ersten Beugungsordnung,
4: eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Prüfanordnung mit Planwellenbeleuchtung und erster Beugungsordnung als Messwelle (zur Zylinderflächenprüfung),
5: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Prüfanordnung mit Planwelle und nullter Beugungsordnung als Messwelle, wobei die Planwelle ungebeugt bleibt und das CGH so durchstrahlt, dass sie von einem ebenen (Referenz-) Spiegel in sich reflektiert wird und ihre Abweichungen für Prüf- und Kalibrierzwecke aufgenommen werden können,
6: eine Darstellung der relativen Beugungseffizienz bezogen auf die Gittertiefe für die HeNe-Laserwellenlänge von 632,8 nm.
Die Messanordnung besteht in ihrem Grundaufbau – wie in 1 schematisch dargestellt – aus einem Fizeau-Interferometer 1, einem Prüfling 2 mit einer zu vermessenden optischen Oberfläche 21, einem an der zu vermessenden optischen Oberfläche 21 angepassten CGH 3 sowie einem ebenen Referenzspiegel 4, der vorübergehend anstelle des Prüflings 2 eingefügt werden kann, um eine CGH-Kalibriermessung vorzunehmen.
Gegenüber den üblichen Messanordnungen zur Fehlermessung optischer Oberflächen 21 unter Verwendung eines Fizeau-Interferometers 1 mit CGH ist das CGH 3 gemäß der Erfindung modifiziert.
Für eine vom CGH 3 erzeugte Messwelle 31 ist es wünschenswert, eine Beugungsordnung zu verwenden, die viel Lichtintensität enthält und somit einen möglichst guten Kontrast im Interferometer-Messsignal erzeugt. Im einfachsten und herkömmlich meist angewendeten Fall eines binären Gitters sind dies die beiden ersten Beugungsordnungen (+ 1. und –1. Beugungsordnung).
2 zeigt ein solches binäres Phasengitter 33 und die schematisch dargestellten Strahlrichtungen der dominaten ersten Beugungsordnungen. Weitere Beugungsordnungen sind bezüglich ihrer Ausrichtung mit gestrichelten Linien eingezeichnet, sie sind jedoch praktisch fast vollständig unterdrückt. Für herkömmliche CGH zur Optikprüfung wird das Phasengitter 33 derart an die verwendete Wellenlänge des Fizeau-Interferometers 1 angepasst, dass möglichst alles eingestrahlte Licht in nur eine Beugungsordnung abgelenkt wird. Dafür wird vorzugsweise die ±1. Beugungsordnung gewählt, wobei aufgrund der eingehaltenen Bedingungen gemäß Gleichung (2), wie weiter unten zu 6 erklärt wird, dabei alle anderen Beugungsordnungen gegen Null gehen. Das gilt auch für die nullte Beugungsordnung, deren Licht das Phasengitter 33 ungebeugt passieren würde.
Ein Phasengitter 33 gemäß der Erfindung – wie es in 3 stilisiert dargestellt ist – wird im Unterschied dazu so dimensioniert, dass neben der weiterhin dominanten ersten Beugungsordnungen auch ein geringer Anteil des einfallenden Lichts in die nullte Beugungsordnung gelangt, d.h. das CGH 3 ungebeugt passiert. Die Gitterperiode p bleibt dabei unverändert. Die Änderung der Anteile der Beugungsordnungen wird allein dadurch erreicht, dass von der idealen Gittertiefe t des herkömmlichen Phasengitters 33 abgewichen wird. Es wird eine modifizierte Gittertiefe t’ gewählt, die gemäß unten stehender Gleichung (2) bezüglich ihrer Beugungseffizienz vorrangig auf die ersten Beugungsordnungen orientiert bleibt, aber für die nullte Beugungsordnung auf einen kleinen Wert von wenigen Prozent der ersten Beugungsordnungen einstellt ist. Die höheren Beugungsordnungen werden möglichst klein gehalten. Das genaue Vorgehen wird unten zu 6 noch näher erläutert.
Die erfindungsgemäß verwendete Prüfanordnung gemäß 1 besteht aus dem Fizeau-Interferometer 1, dem CGH 3 und der zu vermessenden optischen Oberfläche 21 eines Prüflings 2, der mittels einer Justiereinrichtung 5 zum Interferometer ausgerichtet wird, sowie einem ebenen Referenzspiegel 4, der vorübergehend direkt vor der zu vermessenden optischen Oberfläche 21 eingefügt wird oder anstelle derselben eingesetzt werden kann, um eine CGH-Kalibriermessung vorzunehmen.
Das Kalibrierverfahren wird durchgeführt, nachdem das CGH 3 vor dem Fizeau-Interferometer 1 einjustiert wurde. Solange sich der Justagezustand des CGH 3 zum Fizeau-Interferometer 1 nicht ändert, bleibt der Kalibrierdatensatz gültig. Der erzeugte Kalibrierdatensatz wird üblicherweise direkt in der Interferometersoftware gespeichert und automatisch von jeder folgenden Messung abgezogen. Jede andere Software-Methode zur Berücksichtigung des Kalibrierdatensatzes ist ebenfalls denkbar.
Beim erfindungsgemäßen CGH 3 wird die ideale Gittertiefe t zur Maximierung der ersten Beugungsordnung und Unterdrückung aller anderen Beugungsordnungen (siehe Gleichung 1) bewusst nicht angewendet, sondern insoweit abgeändert, dass ein Anteil von 2 bis 20 %, insbesondere von 5 bis 10 %, der eingestrahlten Lichtenergie als nullte Beugungsordnung das CGH 3 passiert. Mit diesem Lichtanteil erfolgt in einem der Oberflächenprüfung vorgelagerten Kalibrierschritt die Kalibrierung des CGH 3.
4 zeigt einen Ausschnitt aus der Prüfanordnung für einen Prüfling 2 mit der zu vermessenden optischen Oberfläche 21 (die eine Asphäre, Zylinder- oder Freiformfläche sein kann) in einer Seitenansicht. Zur Beleuchtung dient eine Plan-Kugelwelle 11 aus dem Fizeau-Interferometer 1 (nicht dargestellt), wobei der in die ±1. Beugungsordnung gebeugte Lichtanteil auf den Prüfling 2 gerichtet ist
5 zeigt dasselbe CGH 3 (wie 4) mit der durchgehenden 0. Beugungsordnung als Kalibrierwelle 32. Diese bleibt eine Planwelle 12 und kann mit einem ebenen Referenzspiegel 4 in sich zurückgeworfen werden.
Wird nun vom Fizeau-Interferometer 1 (in 5 nicht gezeichnet) eine Planwelle 12 durch das CGH 3 gesendet, erfährt diese in der nullten Beugungsordnung keine Richtungsänderung und kann am Referenzspiegel 4 in sich reflektiert werden. Das geschieht erfindungsgemäß in einem dem Messvorgang des Prüflings 2 vorgelagerten Kalibierschritt, in dem an die Stelle des Prüflings 2 mit der zu vermessenden optischen Oberfläche 21 oder – wie in 1 schematisch dargestellt – direkt vor der zu vermessenden optischen Oberfläche 21 ein hochgenauer Planspiegel (Referenzspiegel 4) in den Strahlengang des Fizeau-Interferometers 1 eingestellt wird, der die Planwelle 12 in sich reflektiert. Alle entstehenden Abweichungen sind Fehler des CGH 3 und können als Kalibrierwerte des CGH 3 bei der nachfolgenden Messung der optischen Oberfläche des Prüflings 2 zur Korrektur verwendet werden.
Beide Strahlengänge aus 4 und 5 durchsetzen das CGH 3 gleichzeitig. Die Kalibrierung der CGH-Prüfanordnung erfolgt anhand des Prüfsignals der nullten Beugungsordnung. Verwendet man im Kalibrierzustand der Prüfanordnung einen idealen Spiegel (Referenzspiegel 4), so ist die so gemessene Wellenfront direkt dem Prüfaufbau mit CGH 3 zuzuordnen. Hierbei liefert das CGH-Substrat 34 erwartungsgemäß den größten Beitrag zur Wellenfrontabweichung. Die durch die Wellenfrontmessung mittels nullter Beugungsordnung gewonnenen Daten werden bei der Messung eines Prüflings 2 (Asphäre, Zylinder oder Freiformfläche) zur Korrektur der Messfehler benutzt. Durch den Kalibriervorgang lässt sich die Genauigkeit der Messung deutlich steigern.
Bei der Verwendung von ebenen Referenzspiegeln 4 zur Kalibrierung von Fizeau-Interferometern 1 ist bekannt, dass damit Messgenauigkeiten besser als 1/30 der Messwellenlänge erreicht werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird bei der Prüfung mittels CGH 3 dieselbe Genauigkeiten erreicht. Letztlich wird die Messgenauigkeit der CGH-Prüfanordnung auf die (erwartungsgemäß höhere) Genauigkeit des Referenzspiegels 4 zurückgeführt. Da das erfindungsgemäße Verfahren das Kalibrierproblem sozusagen auf eine Ebenheitsmessung zurückführt, kann auch jedes bekannte Absolutkalibrierverfahren für Planflächen angewendet werden (z.B. US 5 502 566 A ). Mit Absolutkalibrierung ist gemeint, dass durch die in der Literatur beschriebenen Verfahren sogar die Referenzfläche nicht weiter zur Messunsicherheit beiträgt, sondern nur noch zufällige Fehler (Messrauschen).
Für die Erfindung relevant ist die Betrachtung der Beugungseffizienz der Gitterstruktur des CGH 3.
Zur Durchführung des Kalibrierverfahrens muss man dafür Sorge tragen, dass die nullte Beugungsordnung (gerade noch) ausreichend Lichtintensität erhält. Technisch löst man dies bevorzugt durch die geeignete Wahl einer modifizierten Gittertiefe t’ des CGH 3. Wie bereits erwähnt, verschwindet die nullte Beugungsordnung, wenn die Gittertiefe genau λ/2 Phasenunterschied beträgt (ideale Gittertiefe t).
Der Verlauf der Beugungseffizienz mit wechselnder Gittertiefe t für die Beleuchtungswellenlänge von 632,8nm ist in 6 graphisch dargestellt und wird mathematisch durch folgende Gleichung beschrieben:
wobei m die Nummer der Beugungsordnung, t die ideale Gittertiefe und t’ die davon modifizierte Tiefe bezeichnet (SPIE Press, Vol. No TT62, Chapter 4, Seite 72, ISBN o-8194-5171-1).
Aus 6 kann man ableiten, dass man beispielsweise durch eine tiefere oder durch eine flachere Gitterstruktur Lichtintensität in die nullte Beugungsordnung lenken kann. Der geringe Lichtverlust in der ersten Beugungsordnung kann dabei infolge der geringen Schwächung in Kauf genommen.
Konkret kann man statt der für die gewählte Interferometerwellenlänge von 632.8 nm idealen Gittertiefe t von 592 nm eine modifizierte Tiefe t’ von 850 nm verwenden. Da sich die ideale Gittertiefe t aus der Beleuchtungswellenlänge von 632.8 nm und dem bevorzugten Material Quarzglas ergibt, wäre bei einer Ätztiefe von 592 nm genau ein Phasenunterschied von λ/2 eingestellt und die nullte Beugungsordnung würde verschwinden.
Deshalb wird in einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung eine modifizierte Tiefe t’ von 850 nm verwendet, bei der die nullte Beugungsordnung ca. 6 % Intensität aufweist, was ausreichend ist, um in Verbindung mit einem hochreflektierenden Referenzspiegel 4 die Kalibrierung durchzuführen. Gleichzeitig verringert sich die Intensität der ersten Beugungsordnungen auf ca. 90 % gegenüber dem Idealfall, was aber die Messung des Prüflings 2 nicht nachweisbar beeinflusst und deshalb in Kauf genommen werden kann.
Es sei angemerkt, dass jede andere – von der idealen Gittertiefe t abweichende – modifizierte Tiefe t’ ebenfalls als geeignet verwendbar ist, solange die nullte Beugungsordnung ausreichende Intensität für die Kalibriermessung erhält, alle anderen höheren Beugungsordnungen nur wenig Intensität bekommen und die ersten Beugungsordnungen nicht zuviel Licht verlieren, damit sie für die Messung des Prüflings 2 noch ausreichen.
Die gegenüber der idealen Gittertiefe t modifizierte Tiefe t’ von 850 nm stellt also nur für das Beispiel von 6 bei der Laserwellenlänge 632.8 nm und Quarzglas als CGH-Material ein bevorzugt verwendetes Optimum dar.
Einerseits können sich für andere Kombination von CGH-Material und Lichtwellenlänge andere modifizierte Ätztiefen als optimal ergeben.
Andererseits sind auch gerade für das CGH-Beispiel von 6 mit der Wellenlänge von 632.8 nm durchaus noch akzeptable Werte für die 0. und ±1. Beugungsordnungen bei modifizierten Gittertiefen von 550–600 nm (kleiner als die ideale Gittertiefe t) und von 800 nm bis ca. 1 µm (größer als die ideale Gittertiefe t) erreichbar, bei der die Kalibrierung mittels der nullten Beugungsordnung funktioniert und die Messung des Prüflings in der ersten Beugungsordnung nicht übermäßig beeinträchtigt wird.
Bezugszeichenliste

1: Fizeau-Interferometer
11: Planwelle
12: Planwelle
2: Prüfling
21: (zu vermessende) optische Oberfläche
3: CGH (computergeneriertes Hologramm)
31: Messwelle
32: Kalibrierwelle
33: Phasengitter
34: CGH-Substrat
4: Referenzspiegel
5: Justitiereinrichtung
p: Gitterperiode
t: ideale Gittertiefe
t’: modifizierte Tiefe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5502566 A [0053]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„SPIE Press, Vol. No TT62, Chapter 2“ (ISBN o-8194-5171-1) [0005]
SPIE Press, Vol. No TT62, Chapter 4, Seite 72, ISBN o-8194-5171-1 [0056]

Claims

Verfahren zur Kalibrierung des Wellenfrontfehlers eines CGH für die Prüfung einer optischen Oberfläche, bei dem mittels des CGH zur Strahlformung einer Messwelle (31), angepasst an die Form der zu vermessenden optischen Oberfläche (21) eines Prüflings (2), Licht eines Fizeau-Interferometers (1) im Wesentlichen nur in die ±1. Beugungsordnung abgelenkt und zur Prüfung der optischen Oberfläche (21) von dieser reflektiert wieder dem Fizeau-Interferometer (1) zugeführt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Einsetzen eines CGH (3), das einen definiert von Null verschieden eingestellen Anteil der Intensität des vom Fizeau-Interferometer (1) kommenden Lichts als Kalibrierlicht in die 0. Beugungsordnung transmittiert, wobei der in die ±1. Beugungsordnungen abgelenkte Anteil nur soweit geschwächt wird, dass der Messvorgang des Prüflings (2) nicht negativ beeinflusst wird, – Justieren des CGH (3) bezüglich des Fizeau-Interferometers (1) und der zu vermessenden optischen Oberfläche (21), – Einsetzen eines ebenen Referenzspiegels (4) an die Position der optischen Oberfläche (21), – Aussenden einer Planwelle (12) aus dem Fizeau-Interferometer (1) in Richtung des Referenzspiegels (4), wobei die Planwelle (12) das CGH zweimal durchquert, – Erfassen von Abweichungen der am Referenzspiegel (4) in sich zurück reflektierten Planwelle (12) der 0. Beugungsordnung und Speichern der Abweichungen als Kalibrierdaten der Prüfanordnung mit Planwellenbeleuchtung des CGH (3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Abweichungen der 0. Beugungsordnung als direkte Kalibrierdaten der mit einer Planwelle (11 ) als Messwelle (31) betriebenen Prüfanordnung gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Abweichungen der 0. Beugungsordnung als indirekte Kalibrierdaten zur Erzeugung eines Kalibrierdatensatzes für eine mit sphärischer Messwelle (31) betriebenen Prüfanordnung gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den Abweichungen resultierenden Kalibrierdaten in der Software des Fizeau-Interferometers (1) gespeichert und als Korrekturwerte verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherten Kalibrierdaten in der Software des Fizeau-Interferometers (1) bei jedem nachfolgenden Messvorgang der zu vermessenden optischen Oberfläche (21) den erfassten Messdaten überlagert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherten Kalibrierdaten in der Software des Fizeau-Interferometers (1) bei jedem nachfolgenden Messvorgang der zu vermessenden optischen Oberfläche (21) von erfassten Messdaten abgezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmission von Licht in der 0. Beugungsordnung durch eine gegenüber der herkömmlichen idealen Gittertiefe (t) des Phasengitters (33) des CGH (3), bei der kein Licht in die 0. Beugungsordnung transmittiert wird, modifizierte Tiefe (t’) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte Tiefe (t’) des Phasengitters (33) gegenüber der idealen Gittertiefe (t) vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte Tiefe (t’) des Phasengitters (33) gegenüber der idealen Gittertiefe (t) verkleinert wird.
Anordnung zur Kalibrierung des Wellenfrontfehlers eines CGH bei der Prüfung optischer Oberflächen, enthaltend ein Fizeau-Interferometer, ein CGH zur Strahlformung einer Messwelle (31) und eine zu vermessende optische Oberfläche (21), wobei Licht des Fizeau-Interferometers (1) mittels des CGH, das an die Form der zu vermessenden optischen Oberfläche (21) eines Prüflings (2) angepasst ist, im Wesentlichen nur als ±1. Beugungsordnung auf eine zu vermessende optische Oberfläche (21) gerichtet und von dieser reflektiert wieder dem Fizeau-Interferometer (1) zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das CGH (3) so ausgebildet ist, dass vom Fizeau-Interferometer (1) kommendes Licht als Strahlengang nach dem CGH (3) einen definiert von Null verschiedenen Anteil der Intensität in die 0. Beugungsordnung als Kalibrierwelle (32) aufweist, wobei die als Messwelle (31) für die zu vermessende optische Oberfläche (21) in die ±1. Beugungsordnungen abgelenkte Intensität nur soweit geschwächt ist, dass der Messvorgang des Prüflings (2) nicht beeinträchtigt wird, und – ein Referenzspiegel (4) zur Kalibrierung des Wellenfrontfehlers des CGH (3) temporär vor der Vermessung der optischen Oberfläche (21) an der Position des Prüflings (2) einsetzbar ist, sodass eine vom Fizeau-Interferometer (1) ausgesendete Planwelle (11) als in die 0. Beugungsordnung transmittierte Kalibrierwelle (32) vom Referenzspiegel (4) als Planwelle (12) in sich zurück reflektiert wird, wobei vom Fizeau-Interferometer (1) erfasste Abweichungen der Planwelle (12) als Fehler des CGH (3) erfassbar, als Kalibrierwerte für den Wellenfrontfehler speicherbar und als Korrekturwerte für die vom Fizeau-Interferometer (1) erfassten Messdaten der optischen Oberfläche (21) vorgesehen sind.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzspiegel (4) zur Kalibrierung des Wellenfrontfehlers des CGH (3) vor dem Prüfling (2) oder anstelle des Prüflings (2) in den Strahlengang einschiebbar ist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierwerte der CGH-Wellenfrontfehler als Korrekturwerte in der Software des Fizeau-Interferometers (1) gespeichert und direkt zur additiven Korrektur der Messdaten vorgesehen sind.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierwerte der CGH-Wellenfrontfehler als Korrekturwerte in einer externen Software bereitgestellt sind, sodass vom Fizeau-Interferometer (1) gelieferte Messdaten nachträglich durch die Kalibrierwerte korrigierbar sind.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beugungseffizienz des CGH (3) in der ±1. Beugungsordnung zugunsten der Beugungsordnung verringert ist, indem das CGH (3) ein Phasengitter (33) mit einer modifizierten Tiefe (t’) aufweist, die gegenüber der idealen Tiefe (t), bei der einfallendes Licht im Wesentlichen ausschließlich in die ±1. Beugungsordnung gebeugt wird, verändert ist.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte Tiefe (t’) gegenüber der idealen Gittertiefe (t) vergrößert ist.