DE102017222734B4

DE102017222734B4 - Objektiv für eine Wellenfrontmessende Vorrichtung zur optischen Messung mindestens einer gekrümmten Messoberfläche

Info

Publication number: DE102017222734B4
Application number: DE102017222734.6A
Authority: DE
Inventors: Frank Höller; Christoph-Hilmar Graf vom Hagen
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2022-05-25
Anticipated expiration: 2037-12-15
Also published as: DE102017222734A1

Abstract

Objektiv (110) für eine Wellenfrontmessende Vorrichtung (142) zur optischen Messung mindestens einer gekrümmten Messoberfläche (114), umfassend- mindestens ein afokales System (116), welches eingerichtet ist, mindestens ein einfallendes Strahlenbündel (118) auf einen vorgegebenen Durchmesser zu vergrößern;- mindestens ein erstes optisches Element (124), welches eingerichtet ist, das Strahlenbündel mit vergrößertem Durchmesser in ein zumindest teilweise paralleles Strahlenbündel zu transferieren;- mindestens ein zweites optisches Element (130), welches eingerichtet ist, das parallele Strahlenbündel derart zu reflektieren, dass es in einem Fokalpunkt (132) fokussiert ist, wobei das zweite optische Element (130) eingerichtet ist, Kugelwellen aberrationsfrei zu erzeugen, wobei das zweite optische Element (130) mindestens einen konkav gewölbten Spiegel (134) in Form einer Kegelschnittfläche aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Objektiv, eine Wellenfrontmessende Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Messung mindestens einer gekrümmten Messoberfläche. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik, insbesondere Koordinatenmessgeräte zur optischen Vermessung eines Messobjekts.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur optischen Messung mindestens einer gekrümmten Messoberfläche bekannt. Beispielsweise sind Interferometer und Interferometerobjektive bekannt, welche eine interferometrische Prüfung hochaperturiger, sphärischer Flächen mit Öffnungswinkel größer als 100° mittels Aufnahme mehrerer Interferogramme von Teilsegmenten erlauben, welche anschließend mit Hilfe von entsprechender Software zusammengefügt werden müssen. Bei einem solchen Zusammenfügen können typischerweise Fehler, wie so genannte Dachschindeleffekte, entstehen. Zudem sind derartige Verfahren zeitaufwändig und erfordern eine aufwändige Kinematik. Typische Messzeiten liegen im Bereich von Stunden. Zudem ist eine hohe Genauigkeit, kleiner 1 µm, bei einer Verschiebung der Messoberfläche notwendig. Weiter erfordern derartige bekannte Interferometer eine Vielzahl von sphärischen Flächen und sind aufwändig herzustellen.
DE 197 82 060 T1 beschreibt ein Interferometer mit katadioptrischem Abbildungssystem. Eine derartige Vorrichtung erlaubt jedoch keine Prüfung sphärischer Flächen mit Öffnungswinkel größer als 100°. Zudem sind zusätzliche Bauteile zur Kompensation, wie ein beweglicher sphärischer Reflektor, zur Kompensation von sphärischer Aberration notwendig.
US 5 410 407 A beschreibt eine Kombination von Hindle-Sphäre- und Hindle-Kugel-Testkörpern zum Testen einer optischen Oberflächenqualität oder optischen Figur einer Testoptik mit einer konvexen Hyperboloid-reflektierenden Oberfläche. Hyperboloidspiegel weisen, wie eine Zerstreuungslinse, keinen zugänglichen Fokuspunkt auf und können nicht zur Prüfung von konvexen Flächen eingesetzt werden.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Objektiv, eine Wellenfrontmessende Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine vereinfachte Messung hochaperturiger konkaver Flächen und konvexer Flächen bei gleichzeitiger Vergrößerung des messbaren Aperturbereichs ermöglicht werden.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben dem durch diese Begriffe eingeführten Merkmal, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe oder ähnliche Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Objektiv für eine Wellenfrontmessende Vorrichtung zur optischen Messung mindestens einer gekrümmten Messoberfläche vorgeschlagen.
Unter einem „Objektiv“ kann ein optisches System verstanden werden, welches mindestens zwei optische Komponenten aufweist und eingerichtet ist, die Messoberfläche abzubilden. Die Komponenten können dabei räumlich getrennt voneinander ausgestaltet sein. Unter einer „Wellenfrontmessenden Vorrichtung“ kann eine grundsätzlich beliebig ausgestaltete Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, eine Eigenschaft einer Wellenfront zu bestimmen. Beispielsweise kann die Wellenfrontmessende Vorrichtung ein Interferometer oder einen Shack Hartmann Sensor aufweisen. Das Interferometer kann mindestens ein Interferometer ausgewählt aus der Gruppe bestehen aus: einem Fizeau-Interferometer; ein Twyman-Green-Interferometer; einem Michelso-Interferometer. Unter einer Eigenschaft einer Wellenfront kann mindestens eine Phase der Wellenfront und/oder mindestens eine Phasenabweichung der Wellenfront und/oder eine Neigung der Wellenfront und/oder eine Krümmung der Wellenfront verstanden werden.
Unter einer „Messoberfläche“ kann eine Oberfläche oder eine Oberfläche eines Teilbereichs eines grundsätzlich beliebigen Messobjekts verstanden werden. Unter einem „Objekt“ kann dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebig geformtes zu vermessendes Objekt verstanden werden. Beispielsweise kann das Objekt eine hochaperturige Fläche, beispielsweise eines Mikroskop-Objektivs, oder eine Tastkugel, beispielsweise für ein Koordinatenmessgerät, sein. Auch andere Objekte sind jedoch denkbar. Unter einer „gekrümmten“ Messoberfläche kann eine konkave oder konvexe Messoberfläche verstanden werden.
Das Objektiv umfasst

- mindestens ein afokales System, welches eingerichtet ist, mindestens ein einfallendes Strahlenbündel auf einen vorgegebenen Durchmesser zu vergrößern;
- mindestens ein erstes optisches Element, welches eingerichtet ist, das Strahlenbündel mit vergrößertem Durchmesser in ein zumindest teilweise paralleles Strahlenbündel zu transferieren;
- mindestens ein zweites optisches Element, welches eingerichtet ist, das parallele Strahlenbündel derart zu reflektieren, dass es in einem Fokalpunkt fokussiert ist, wobei das zweite optische Element eingerichtet ist, Kugelwellen aberrationsfrei zu erzeugen, wobei das zweite optische Element mindestens einen konkav gewölbten Spiegel in Form einer Kegelschnittfläche aufweist.

Die Bezeichnung „erstes“ und „zweites“ optisches Element sind als reine Bezeichnungen zu verstehen und geben insbesondere keinen Aufschluss über eine Reihenfolge oder ob das Objektiv weitere optische Elemente aufweist.
Unter dem Begriff „Strahlenbündel“ kann grundsätzlich eine Lichtmenge verstanden werden, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder ausgesandt wird. Unter „Licht“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung elektromagnetische Strahlung in mindestens einem Spektralbereich ausgewählt aus dem sichtbaren Spektralbereich, dem ultravioletten Spektralbereich und dem Infraroten Spektralbereich verstanden werden. Der Begriff sichtbarer Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 380 nm bis 780 nm. Der Begriff Infraroter (IR) Spektralbereich umfasst einen grundsätzlich einen Bereich von 780 nm bis 1000 µm, wobei der Bereich von 780 nm bis 1.4 µm als nahes Infrarot (NIR), und der Bereich von 15 µm bis 1000 µm als fernes Infrarot (FIR) bezeichnet wird. Der Begriff ultraviolett umfasst grundsätzlich einen Spektralbereich von 100 nm to 380 nm. Bevorzugt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung sichtbares Licht, also Licht aus dem sichtbaren Spektralbereich, verwendet.
Das einfallende Strahlenbündel kann von einer Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere einer Beleuchtungsvorrichtung der Wellenfrontmessenden Vorrichtung erzeugt werden. Unter einer Beleuchtungsvorrichtung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, mindestens einen Lichtstrahl zu erzeugen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine Monochromatische Lichtquelle und/oder mindestens eine polychromatische Lichtquelle und/oder mindestens eine Weißlichtquelle aufweisen.
Das einfallende Strahlenbündel kann eine Welle sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer ebenen Welle, einer sphärischen Welle.
Unter einem „afokalen System“ kann ein optisches System verstanden werden, welches eingerichtet ist, den Durchmesser des einfallenden Strahlenbündels zu vergrößern. Das afokale System kann eine Vielzahl von optischen Bauteilen aufweisen, beispielsweise mindestens eine Linse, insbesondere mindestens eine Zerstreuungslinse, und/oder ein Linsensystem und/oder mindestens ein Blendenelement. Das Objektiv kann mindestens eine optische Achse aufweisen. Die optische Achse kann eine gemeinsame optische Achse der Komponenten des Objektivs sein. Unter einem Durchmesser des Strahlenbündels kann eine Fläche, insbesondere eine Kreisfläche, in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse verstanden werden, welche das Strahlenbündel abdeckt. Insbesondere kann das afokale System eingerichtet sein, aus dem einfallenden Strahlenbündel ein divergierendes Strahlenbündel zu erzeugen. Das afokale System kann eingerichtet sein, den Durchmesser um einen Faktor von 5 bis 50, bevorzugt um einen Faktor von 10 bis 20 zu vergrößern. Unter einem „vorgegebenen“ Durchmesser kann verstanden werden, dass der Durchmesser einstellbar und/oder vorgebbar und/oder vorbestimmt sein kann. Beispielsweise kann der vorgegebene Durchmesser abhängig von einer Größe der zu vermessenden Messoberfläche sein. Der Durchmesser kann beispielsweise durch Einstellen eines Abstandes zwischen afokalem System und dem ersten optischen Element eingestellt werden. Beispielsweise kann eine ebene Welle von 12.5 mm Durchmesser über das afokale System auf einen Durchmesser von 100 mm vergrößert werden.
Unter einem „ersten optischen Element“ kann grundsätzlich ein beliebig ausgestaltetes optisches Element verstanden werden, welches eingerichtet ist, aus dem Strahlenbündel mit vergrößertem Durchmesser ein zumindest teilweise paralleles Strahlenbündel zu erzeugen. Unter zumindest teilweise parallel kann verstanden werden, dass Abweichungen von einer parallelen Anordnung möglich sind, beispielsweise Abweichungen kleiner oder gleich 10%, bevorzugt kleiner oder gleich 5% und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1%. Insbesondere kreuzen sich Strahlen des Strahlenbündels nicht vor Erreichen des zweiten optischen Elements. Insbesondere können sich die Strahlen parallel zur optischen Achse ausbreiten. Unter „transferieren“ kann ein Erzeugen eines zumindest teilweise parallelen Strahlenbündels aus dem Strahlenbündel mit vergrößertem Durchmesser verstanden werden.
Unter einem „zweiten optischen Element“ kann optisches Element verstanden werden, welches eingerichtet ist, das parallele Strahlenbündel derart zu reflektieren, dass es in mindestens einem Fokalpunkt fokussiert ist. Unter einem Fokalpunkt, auch Fokuspunkt oder Fokus genannt, kann ein Brennpunkt des zweiten optischen Elements verstanden werden. Die zu messende Messoberfläche kann derart angeordnet sein, dass ihr Mittelpunkt mit dem Fokalpunkt des zweiten optischen Elements zusammenfällt.
Das zweite optische Element ist eingerichtet, Kugelwellen aberrationsfrei zu erzeugen. Unter einer „aberrationsfreien“ Erzeugung von Kugelwellen kann verstanden werden, dass nach einer Wechselwirkung, insbesondere Reflektion, von parallel zur optischen Achse einfallenden Strahlen des Strahlenbündels mit vergrößertem Durchmesser mit dem zweiten optischen Element in dem Fokalpunkt fokussiert werden. Das zweite optische Element kann eine aberrationsfreie Erzeugung von Kugelwellen mit zugänglichem Fokalpunkt bis weit über 180° ermöglichen. Das Objektiv, insbesondere das zweite optische Element, kann eigerichtet sein die Messoberfläche mit einem Öffnungswinkel von ≥ 100°, bevorzugt von ≥ 180°, besonders bevorzugt von ≥ 300°, zu vermessen. Das Objektiv, insbesondere das zweite optische Element, kann eigerichtet sein zu einer ganzflächigen Vermessung einer Kugel, wobei die ganzflächige Vermessung nur durch eine Halterung der Kugel begrenzt ist.
Das zweite optische Element weist mindestens einen konkav gewölbten Spiegel in Form einer Kegelschnittfläche auf. Die Kegelschnittfläche kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Paraboloid, einem Ellipsoid. Das zweite optische Element kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Parabolspiegel, mindestens einem Ellipsoidspiegel. Beispielsweise kann das zweite optische Element ein Parabolspiegel sein mit einem Radius von 50 mm und einer Brennweite von 25 mm. Der Parabolspiegel kann in einem Abstand von etwa 100 mm von dem afokalen System angeordnet sein.
Mit einem Parabolspiegel oder Ellipsoidspiegel erzeugte Kugelwellen können sowohl zur Vermessung von konvexen Messoberflächen als auch zur Vermessung von konkaven Messoberflächen verwendet werden. Eine Verwendung eines Parabolspiegels kann weiter vorteilhaft sein, da ein Abstand zwischen Wellenfrontmessender Vorrichtung, insbesondere weiteren Elementen der Wellenfrontmessenden Vorrichtung, und Objektiv keinen Einfluss auf die Wellenfront hat.
Das zweite optische Element kann einstückig ausgestaltet sein. Insbesondere kann das zweite optische Element eine durchgängige Oberfläche aufweisen. Das zweite optische Element kann insbesondere ohne eine Unterbrechung oder ein Loch ausgestaltet sein. Das Objektiv kann insbesondere genau ein zweites optisches Element aufweisen.
Das Objektiv kann einen Messstrahlengang, auch Interferometerstrahlengang genannt, aufweisen. Unter dem Begriff „Strahlengang“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verlauf von Lichtstrahlen durch optische Elemente verstanden werden. In dem Messstrahlengang können das afokale System, das erste optische Element und das zweite optische Element nacheinander, insbesondere in der genannten Reihenfolge, entlang der optischen Achse angeordnet sein. Wie oben beschrieben, kann die Messoberfläche in dem Fokalpunkt des zweiten optischen Elements angeordnet sein, also zwischen dem ersten optischen Element und dem zweiten optischen Element. Bei einer derartigen Anordnung kann eine Mittenabschattung der Messoberfläche erfolgen. Das afokale System kann eingerichtet sein, den Durchmesser des einfallenden Strahlenbündels derart einzustellen, dass der Durchmesser sehr viel größer, insbesondere einen Faktor von 10 bis 20 größer, als die zu messende Messoberfläche ist. So kann eine Reduzierung der Mittenabschattung erreicht werden. Beispielsweise kann bei einer Messoberfläche in Form einer Kugelfläche mit 2.5 mm Radius eine abgeschattete Fläche einen Durchmesser von 0,125 mm aufweisen, bezogen auf einen Gesamtflächendurchmesser von 5 mm.
Das Objektiv kann mindestens einen Abbildungsstrahlengang aufweisen. Das zweite optische Element kann eingerichtet sein, mindestens einen von der Messoberfläche reflektierten Strahl zu reflektieren. Das erste optische Element kann eingerichtet sein, den reflektierten Strahl auf das afokale System zu fokussieren. Das afokale System kann eingerichtet sein, den reflektierten Strahl auf mindestens ein weiteres optisches Element abzubilden, beispielsweise einem Strahlteiler eines Interferometers oder eine Abbildungsvorrichtung.
Das Objektiv kann mindestens ein zweites afokales System aufweisen. Das afokale System und das zweite afokale System können verschieden ausgestaltet sein. Ein Abstand zwischen dem ersten afokalen System und dem zweiten afokalen System kann einstellbar sein derart, dass der von der Messoberfläche reflektierte Strahl mit unveränderter Wellenfront abbildbar ist, beispielsweise auf eine unten beschriebene Abbildungsvorrichtung. Das zweite afokale System kann eine Vergrößerung von 1:1 aufweisen.
Das Objektiv kann eine Gesamtlänge von kleiner oder gleich 400 mm aufweisen. Weiter kann bei einer Verwendung von korrigierten Optiken erreicht werden, dass ein Wellenfrontfehler im justierten Zustand gleich, innerhalb Messtoleranzen, null ist. Die Gesamtlänge kann von einem Durchmesser der zu prüfenden Kugel, dem Öffnungsverhältnis des Kollimators und dem Grad der Abschattung abhängen. Eine Brennweite kann insbesondere von 100 mm bis 1000 mm betragen.
Das Objektiv kann mindestens eine Kompensationsvorrichtung, auch Kompensationssystem genannt, aufweisen, welche eingerichtet ist, die Welle zu formen. Die Kompensationsvorrichtung kann mindestens ein Element aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Diffraktiven Optischen Element (DOE); mindestens einem Hologramm; mindestens einer Refraktiven Nulllinie; mindestens einer Hilfsasphäre. Beispielsweise kann das zweite optische Element mindestens einen konkav gewölbten Spiegel in Form einer Kugelfläche, insbesondere eines Kugelausschnitts, aufweisen und eine durch ein Kompensationssystem vor-deformierte Welle verwendet werden. Weiter sind Ausführungsformen denkbar, in welchen das zweite optische Element einen konkav gewölbten Spiegel in Form einer asphärischen Fläche aufweist.
In einem weiteren Aspekt wird eine Wellenfrontmessende Vorrichtung zur optischen Messung mindestens einer gekrümmten Messoberfläche vorgeschlagen. Die Wellenfrontmessende Vorrichtung umfasst mindestens ein erfindungsgemäßes Objektiv. Hinsichtlich Definitionen und Ausführungsformen der Wellenfrontmessenden Vorrichtung kann auf oben beschriebene Definitionen und Ausführungsformen des Objektivs verwiesen werden.
Die Wellenfrontmessende Vorrichtung weist mindestens eine Abbildungsvorrichtung auf, welche eingerichtet ist, mindestens einen von der Messoberfläche reflektierten Strahl abzubilden. Unter „abbilden“ kann grundsätzlich eine Erzeugung einer Abbildung, insbesondere eines Bildes, der Messoberfläche mittels der Abbildungsvorrichtung verstanden werden. Die Wellenfrontmessende Vorrichtung kann eingerichtet sein, eine ausreichend scharfe Abbildung der zu messenden Messoberfläche zu erzeugen derart, dass eine Zuordnung der Wellenfrontfehler zu Koordinaten der Messoberfläche möglich ist. Die Abbildungsvorrichtung kann beispielsweise einen CCD-Sensor und/oder einen CMOS-Sensor aufweisen.
Die Wellenfrontmessende Vorrichtung kann ein Interferometer und/oder einen Shack Hartmann Sensor aufweisen. Das Interferometer kann mindestens ein Interferometer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Fizeau-Interferometer; einem Michelson-Interferometer; und einem Twyman-Green-Interferometer. Die Wellenfrontmessende Vorrichtung kann eingerichtet sein, mindestens ein Interferogramm zu erzeugen. Beispielsweise kann die Wellenfrontmessende Vorrichtung mindestens einen Referenzstrahlengang und mindestens einen Prüfstrahlengang aufweisen. Die Wellenfrontmessende Vorrichtung kann die mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann eingerichtet sein, den mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen.
Beispielsweise kann das Interferometer ein Twyman-Green-Interferometer oder ein Michelson-Interferometer aufweisen. Die Wellenfrontmessende Vorrichtung kann mindestens einen Strahlteiler aufweisen. Der Strahlteiler kann eingerichtet sein, aus einem einfallenden Strahl, insbesondere einem von der Beleuchtungsvorrichtung erzeugten Lichtstrahl, mindestens einen Referenzstrahl und mindestens einen Prüfstrahl zu erzeugen. Der Strahlteiler kann eingerichtet sein, den Prüfstrahl zu dem Objektiv zumindest teilweise durchzulassen und den Referenzstrahl mindestens teilweise zu einer Referenzfläche durchzulassen. Unter „zumindest teilweise durchlassen“ kann verstanden werden, dass der Strahlteiler vollständig durchlässig für den Prüfstrahl und der Referenzstrahl ist, aber auch Ausführungsformen denkbar sind, in welchen Teile des Prüfstrahls und des Referenzstrahls, beispielsweise durch Reflektion, nicht von dem Strahlteiler durchgelassen werden. Unter einer „Referenzfläche“ kann eine grundsätzlich beliebige reflektierende Fläche verstanden werden. Die Referenzfläche kann in einem festen Abstand von dem Strahlteiler angeordnet sein, und/oder der Abstand zwischen Referenzfläche und Strahlteiler kann einstellbar sein. Die Referenzfläche kann insbesondere eine ebene Fläche sein. Der von der Referenzfläche reflektierte Strahl kann in den Strahlteiler eingekoppelt werden und mit einem reflektierten Prüfstrahl, beispielsweise in der Abbildungsvorrichtung, überlagert werden. Die Wellenfrontmessende Vorrichtung kann eigerichtet sein, mindestens ein Interferogramm der überlagerten Strahlen zu erzeugen.
Alternativ zu einer Erzeugung der Prüf- und Referenzstrahlen mit einem Strahlteiler, kann die Wellenfrontmessende Vorrichtung eingerichtet sein, das Objektiv mit einem kombinierten Prüf- und Referenzstrahl zu beaufschlagen. Die Halterung der Messoberfläche kann, wie oben beschrieben, eine Glasplatte sein, welche als Referenzfläche für das Interferometer verwendet werden kann. Beispielsweise kann das Interferometer ein Fizeau-Interferometer aufweisen. Ein von der Beleuchtungsvorrichtung erzeugter Lichtstrahl kann auf die Referenzfläche treffen und von der Referenzfläche teilweise reflektiert und teilweise zu dem zweiten optischen Element als Prüfstrahl durchgelassen werden. Die Referenzfläche kann eingerichtet sein den von dem zweiten optischen Element reflektieren Lichtstrahl zu der Abbildungsvorrichtung zumindest teilweise durchzulassen. Der von dem zweiten optischen Element reflektierte Lichtstrahl kann in der Abbildungsvorrichtung mit dem Referenzstrahl überlagert werden.
Die Wellenfrontmessende Vorrichtung kann eingerichtet sein, dass der Prüfstrahl entlang des Messstrahlengangs durch das afokale System, das erste optische Element zu dem zweiten optischen Element laufen kann und auf die Messoberfläche reflektiert wird. Die Messoberfläche kann den Prüfstrahl auf das zweite optische Element reflektieren. Der reflektierte Prüfstrahl kann entlang des Abbildungsstrahlengangs zu dem Strahlteiler zurücklaufen. Die Wellenfrontmessende Vorrichtung, insbesondere das Objektiv, kann mindestens ein zweites afokales System aufweisen. Das afokale System und das zweite afokale System können verschieden ausgestaltet sein. Ein Abstand zwischen Abbildungsvorrichtung und zweitem afokalen System und ein Abstand zwischen Strahlteiler und zweitem afokalen System können derart einstellbar sein, dass der von der Messoberfläche reflektierte Strahl mit unveränderter Wellenfront abbildbar ist. Das zweite afokale System kann eine Vergrößerung von 1:1 aufweisen. Das zweite afokale System kann eingerichtet sein zu einer Punktabbildung der Abbildungsvorrichtung auf die Messoberfläche im Abbildungsstrahlengang. So kann eine Messung von kleinsten Änderungen der Messoberfläche, beispielsweise Kratzer, ermöglicht werden.
Die Wellenfrontmessende Vorrichtung kann mindestens eine Haltevorrichtung zur Positionierung der Messoberfläche relativ zu dem Objektiv aufweisen. Die Haltevorrichtung kann mindestens eine Auflage aufweisen, auf welcher das Messobjekt angeordnet werden kann. Die Haltevorrichtung kann mindestens eine Justiervorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, eine Position der Messoberfläche relativ zu dem Objektiv einzustellen. Die Justiervorrichtung kann mindestens ein Piezohalter aufweisen. Die Justiervorrichtung kann eingerichtet sein, die Messoberfläche und das zweite optische Element relativ zueinander zu positionieren, beispielsweise durch Verschieben des zweiten optischen Elements und/oder der Messoberfläche. Die Justiervorrichtung kann eingerichtet sein, die Messoberfläche und das zweite optische Element relativ zueinander typischerweise im Bereich von 0.1 µm genau zu positionieren. Beispielsweise kann die Justiervorrichtung eine einarmige Halterung aufweisen, um eine Abschattung durch die Halterung zu minimieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Auflage eine Glasplatte sein, auf welcher die Messoberfläche angeordnet ist. Die Glasplatte kann als Referenzfläche für das Interferometer verwendet werden.
Die Wellenfrontmessende Vorrichtung kann mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit aufweisen, welche eingerichtet ist, mindestens eine von der Abbildungsvorrichtung erzeugte Abbildung auszuwerten. Unter „einer Steuer- und Auswerteeinheit“ kann dabei allgemein eine elektronische Vorrichtung verstanden sein, welche eingerichtet ist, um von der Abbildungsvorrichtung erzeugte Signale, insbesondere Abbildungen, auszuwerten. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann beispielsweise zu diesem Zweck mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um das Sensorelement anzusteuern. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar.
Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, Wellenfrontfehler, beispielsweise Unterschiede oder Abweichungen in den Wellenfronten von Referenzstrahl und Prüfstrahl, zu bestimmen und/oder ein Interferenzmuster, beispielsweise aus dem Interferogramm, zu bestimmen, und eine Information über die Messoberfläche aus den Wellenfrontfehlern zu erzeugen. Unter einer Information über die Messoberfläche kann eine Information über eine Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere eine Krümmung, und/oder eine Qualität der Messoberfläche verstanden werden. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, die bestimmten Wellenfrontfehler mindestens einer Koordinate in der von der Abbildungsvorrichtung erzeugten Abbildung der Messoberfläche zuzuordnen. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, die bestimmten Wellenfrontfehler mindestens einer Koordinate der Messoberfläche zuzuordnen. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, eine von der Abbildungsvorrichtung erzeugte Abbildung numerisch zu korrigieren, insbesondere auftretende Verzeichnungen.
In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur optischen Messung mindestens einer gekrümmten Messoberfläche vorgeschlagen. Das Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf:

a) Erzeugen mindestens eines Strahlenbündels mit mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung;
b) Vergrößern eines Durchmessers des Strahlenbündels mit mindestens einem afokalen System auf einen vorgegebenen Durchmesser;
c) Transferieren des Strahlenbündels mit vergrößertem Durchmesser in ein zumindest teilweise paralleles Strahlenbündel mit mindestens einem ersten optischen Element;
d) Reflektieren des parallelen Strahlenbündels mit mindestens einem zweiten optischen Element derart, dass es in einem Fokalpunkt fokussiert ist, wobei Kugelwellen aberrationsfrei erzeugt werden, wobei das zweite optische Element mindestens einen konkav gewölbten Spiegel in Form einer Kegelschnittfläche aufweist.

Hierbei können die Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden. In dem Verfahren kann ein erfindungsgemäßes Objektiv verwendet werden. Für Einzelheiten in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren wird auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Objektivs und der erfindungsgemäßen Wellenfrontmessenden Vorrichtung verwiesen.
Das Verfahren kann einen Positionierungsschritt aufweisen, in welchem die Messoberfläche relativ zu dem zweiten optischen Element positioniert wird, derart, dass ein Mittelpunkt der Messoberfläche in dem Fokalpunkt angeordnet ist. Das Verfahren kann weiterhin den folgenden Schritt umfassen:

e) Abbilden eines von der Messoberfläche reflektierten Strahls mit mindestens einer Abbildungsvorrichtung.

Das Verfahren kann weiterhin die folgenden Schritte umfassen:

f) Erzeugen eines Referenzstrahls;
g) Reflektion des Referenzstrahls an mindestens einer Referenzfläche;
h) Überlagern des von der Messoberfläche reflektierten Strahls und dem reflektierten Referenzstrahl;
i) Erzeugen mindestens eines Interferogramms der überlagerten Strahlen;
j) Bestimmen mindestens einer Information über die Messoberfläche durch Auswerten des mindestens einen Interferogramms und Zuordnen der Information über die Messoberfläche zu mindestens einer Koordinate der Messoberfläche.

Das Verfahren kann mindestens ein Phasenschrittverfahren aufweisen, wobei in dem Verfahrensschritt i) mindestens drei phasenverschobene Interferogramme erzeugt werden und wobei in dem Verfahrensschritt j) die Information über die Messoberfläche durch Auswerten der mindestens drei Interferogramme und Zuordnen der Information über die Messoberfläche zu der Koordinate der Messoberfläche bestimmt wird.
Das Verfahren kann mindestens einen Kalibrierschritt aufweisen, in welchem ein Kalibrierverfahren durchgeführt wird, beispielsweise unter Verwendung einer rotierenden Kugel. Die Kugel kann verspiegelt oder aus Schwarzglas sein, um eine Rückflächenreflexion zu verhindern. Alternativ oder zusätzlich kann eine kurzkohärente Beleuchtung erfolgen.
Zusammenfassend sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgende Ausführungsformen besonders bevorzugt:

Ausführungsform 1: Objektiv für eine Wellenfrontmessende Vorrichtung zur optischen Messung mindestens einer gekrümmten Messoberfläche, umfassend
- - mindestens ein afokales System, welches eingerichtet ist mindestens ein einfallendes Strahlenbündel auf einen vorgegebenen Durchmesser zu vergrößern;
- - mindestens ein erstes optisches Element, welches eingerichtet ist, das Strahlenbündel mit vergrößertem Durchmesser in ein zumindest teilweise paralleles Strahlenbündel zu transferieren;
- - mindestens ein zweites optisches Element, welches eingerichtet ist, das parallele Strahlenbündel derart zu reflektieren, dass es in einem Fokalpunkt fokussiert ist, wobei das zweite optische Element eingerichtet ist, Kugelwellen aberrationsfrei zu erzeugen, wobei das zweite optische Element mindestens einen konkav gewölbten Spiegel in Form einer Kegelschnittfläche aufweist.
Ausführungsform 2: Objektiv nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Kegelschnittfläche ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem Paraboloid, einem Ellipsoid.
Ausführungsform 3: Objektiv nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das zweite optische Element ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Parabolspiegel, mindestens einem Ellipsoidspiegel.
Ausführungsform 4: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das zweite optische Element einstückig ausgestaltet ist.
Ausführungsform 5: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messoberfläche eine konkave oder eine konvexe Oberfläche aufweist.
Ausführungsform 6: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei ein Mittelpunkt der Messoberfläche in dem Fokalpunkt angeordnet ist.
Ausführungsform 7: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das zweite optische Element eingerichtet ist, mindestens einen von der Messoberfläche reflektierten Strahl zu reflektieren, wobei das erste optische Element eingerichtet ist, den reflektierten Strahl auf das afokale System zu fokussieren, wobei das afokale System eingerichtet ist, den reflektierten Strahl auf mindestens ein weiteres optisches Element abzubilden.
Ausführungsform 8: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das einfallende Strahlenbündel eine Welle ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer ebenen Welle, einer sphärischen Welle, einer vor-deformierten Welle.
Ausführungsform 9: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Objektiv mindestens eine Kompensationsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, die Welle zu formen, wobei die Kompensationsvorrichtung mindestens ein Element aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Diffraktiven Optischen Element; mindestens einem Hologramm; mindestens einer Refraktiven Nulllinie; mindestens einer Hilfsasphäre.
Ausführungsform 10: Wellenfrontmessende Vorrichtung zur optischen Messung mindestens einer gekrümmten Messoberfläche umfassend mindestens ein Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenfrontmessende Vorrichtung mindestens eine Abbildungsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, mindestens einen von der Messoberfläche reflektierten Strahl abzubilden.
Ausführungsform 11: Wellenfrontmessende Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Wellenfrontmessende Vorrichtung mindestens ein Interferometer und/oder einen Shack Hartmann Sensor aufweist.
Ausführungsform 12: Wellenfrontmessende Vorrichtung nach einer der vorhergehenden eine Wellenfrontmessende Vorrichtung betreffenden Ausführungsformen, wobei die Wellenfrontmessende Vorrichtung mindestens einen Referenzstrahlengang und mindestens einen Prüfstrahlengang aufweist.
Ausführungsform 13: Wellenfrontmessende Vorrichtung nach einer der vorhergehenden eine Wellenfrontmessende Vorrichtung betreffenden Ausführungsformen, wobei die Wellenfrontmessende Vorrichtung mindestens einen Strahlteiler aufweist.
Ausführungsform 14: Wellenfrontmessende Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der Strahlteiler eingerichtet ist aus einem einfallenden Strahl mindestens einen Referenzstrahl und mindestens einen Prüfstrahl zu erzeugen, wobei der Strahlteiler eingerichtet ist, den Prüfstrahl zu dem Objektiv zumindest teilweise durchzulassen und den Referenzstrahl mindestens teilweise zu einer Referenzfläche durchzulassen.
Ausführungsform 15: Wellenfrontmessende Vorrichtung nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Wellenfrontmessende Vorrichtung mindestens ein zweites afokales System aufweist, wobei ein Abstand zwischen Abbildungsvorrichtung und zweitem afokalen System und ein Abstand zwischen Strahlteiler und zweitem afokalen System derart einstellbar ist, dass der von der Messoberfläche reflektierte Strahl mit unveränderter Wellenfront abbildbar ist.
Ausführungsform 16: Wellenfrontmessende Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das zweite afokale System eine Vergrößerung von 1:1 aufweist. Ausführungsform 17: Wellenfrontmessende Vorrichtung nach einer der vorhergehenden eine Wellenfrontmessende Vorrichtung betreffenden Ausführungsformen, wobei die Wellenfrontmessende Vorrichtung mindestens eine Haltevorrichtung zur Positionierung der Messoberfläche relativ zu dem Objektiv aufweist.
Ausführungsform 18: Wellenfrontmessende Vorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Haltevorrichtung mindestens eine Justiervorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, eine Position der Messoberfläche relativ zu dem Objektiv einzustellen, wobei die Justiervorrichtung mindestens einen Piezohalter aufweist.
Ausführungsform 19: Wellenfrontmessende Vorrichtung nach einer der vorhergehenden eine Wellenfrontmessende Vorrichtung betreffenden Ausführungsformen, wobei die Wellenfrontmessende Vorrichtung mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit aufweist, welche eingerichtet ist, mindestens eine von der Abbildungsvorrichtung erzeugte Abbildung auszuwerten und eine Information über die Messoberfläche zu erzeugen.
Ausführungsform 20: Wellenfrontmessende Vorrichtung nach einer der vorhergehenden eine Wellenfrontmessende Vorrichtung betreffenden Ausführungsformen, wobei die Wellenfrontmessende Vorrichtung mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweist, wobei die Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet ist mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen.
Ausführungsform 21: Verfahren zur optischen Messung mindestens einer gekrümmten Messoberfläche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
1. a) Erzeugen mindestens eines Strahlenbündels mit mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung;
2. b) Vergrößern eines Durchmessers des Strahlenbündels mit mindestens einem afokalen System auf einen vorgegebenen Durchmesser;
3. c) Transferieren des Strahlenbündels mit vergrößertem Durchmesser in ein zumindest teilweise paralleles Strahlenbündel mit mindestens einem ersten optischen Element;
4. d) Reflektieren des parallelen Strahlenbündels mit mindestens einem zweiten optischen Element derart, dass es in einem Fokalpunkt fokussiert ist, wobei Kugelwellen aberrationsfrei erzeugt werden, wobei das zweite optische Element mindestens einen konkav gewölbten Spiegel in Form einer Kegelschnittfläche aufweist.
Ausführungsform 22: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei in dem Verfahren eine Wellenfrontmessende Vorrichtung nach einer der vorhergehenden eine Wellenfrontmessende Vorrichtung betreffenden Ausführungsformen verwendet wird.
Ausführungsform 23: Verfahren nach einer der vorhergehenden ein Verfahren betreffenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren einen Positionierungsschritt aufweist, in welchem die Messoberfläche relativ zu dem zweiten optischen Element positioniert wird, derart, dass ein Mittelpunkt der Messoberfläche in dem Fokalpunkt angeordnet ist.
Ausführungsform 24: Verfahren nach einer der vorhergehenden ein Verfahren betreffenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren weiterhin den folgenden Schritt umfasst:
- e) Abbilden eines von der Messoberfläche reflektierten Strahls mit mindestens einer Abbildungsvorrichtung.
Ausführungsform 25: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte umfasst:
- f) Erzeugen eines Referenzstrahls;
- g) Reflektion des Referenzstrahls an mindestens einer Referenzfläche;
- h) Überlagern des von der Messoberfläche reflektierten Strahls und dem reflektierten Referenzstrahl;
- i) Erzeugen mindestens eines Interferogramms der überlagerten Strahlen;
- j) Bestimmen mindestens einer Information über die Messoberfläche durch Auswerten des mindestens einen Interferogramms und Zuordnen der Information über die Messoberfläche zu mindestens einer Koordinate der Messoberfläche.
Ausführungsform 26: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei das Verfahren mindestens ein Phasenschrittverfahren aufweist, wobei in dem Verfahrensschritt i) mindestens drei phasenverschobene Interferogramme erzeugt werden und wobei in dem Verfahrensschritt j) die Information über die Messoberfläche durch Auswerten der mindestens drei Interferogramme und Zuordnen der Information über die Messoberfläche zu der Koordinate der Messoberfläche bestimmt wird.

Figurenliste
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen zeigen:

1A und 1B jeweils ein Ausführungsbeispiel eines Messstrahlengangs eines erfindungsgemäßen Objektivs;
2 ein Ausführungsbeispiel eines Abbildungsstrahlengangs des Objektivs;
3 eine Abbildung einer Messoberfläche; und
4 ein Ausführungsbeispiel einer Wellenfrontmessenden Vorrichtung.

Ausführungsbeispiele
1A und 1b zeigen Ausführungsbeispiele eines Objektivs 110 für eine Wellenfrontmessende Vorrichtung 112 zur optischen Messung mindestens einer gekrümmten Messoberfläche 114. Beispielsweise kann die Messoberfläche 114 eine hochaperturige Fläche, beispielsweise eines Mikroskop-Objektivs, oder eine Tastkugel, beispielsweise für ein Koordinatenmessgerät, sein. Die Messoberfläche 114 kann konkav oder konvex sein und kann sowohl konkave als auch konvexe Teilbereiche aufweisen.
Das Objektiv 110 umfasst mindestens ein afokales System 116, welches eingerichtet ist, mindestens ein einfallendes Strahlenbündel 118 auf einen vorgegebenen Durchmesser zu vergrößern. In dem in den 1A bis 4 gezeigten Ausführungsformen kann das Objektiv 110 zwei afokale Systeme 116 aufweisen, beispielsweise ein erstes afokales System 117 und ein zweites afokales System 119. Das einfallende Strahlenbündel 118 kann von einer, hier nicht dargestellten, Beleuchtungsvorrichtung 120 erzeugt werden. Die Beleuchtungsvorrichtung 120 kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung 120 kann mindestens eine monochromatische Lichtquelle und/oder mindestens eine polychromatische Lichtquelle und/oder mindestens eine Weißlichtquelle aufweisen.
Das einfallende Strahlenbündel 118 kann eine Welle sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer ebenen Welle, einer sphärischen Welle.
Das afokale System 116 kann eine Vielzahl von optischen Bauteilen aufweisen, beispielsweise mindestens eine Linse, insbesondere mindestens eine Zerstreuungslinse, und/oder ein Linsensystem und/oder mindestens ein Blendenelement. Das Objektiv 110 kann mindestens eine optische Achse 122 aufweisen. Die optische Achse 122 kann eine gemeinsame optische Achse der Komponenten des Objektivs 110 sein. Insbesondere kann das afokale System 116 eingerichtet sein, aus dem einfallenden Strahlenbündel 118 ein divergierendes Strahlenbündel zu erzeugen. Das afokale System 116 kann eingerichtet sein, den Durchmesser um einen Faktor von 5 bis 50, bevorzugt um einen Faktor von 10 bis 20 zu vergrößern.
Das Objektiv 110 weist mindestens ein erstes optisches Element 124 auf, welches eingerichtet ist, das Strahlenbündel mit vergrößertem Durchmesser 126 in ein zumindest teilweise paralleles Strahlenbündel 128 zu transferieren. Der Durchmesser des Strahlenbündels 126 kann beispielsweise durch Einstellen eines Abstandes zwischen afokalem System 116 und dem ersten optischen Element 124 eingestellt werden. Beispielsweise kann eine ebene Welle von 12.5 mm Durchmesser über das afokale System 124 auf einen Durchmesser von 100 mm vergrößert werden.
Das Objektiv 110 weist mindestens ein zweites optisches Element 130 auf, welches eingerichtet ist, das parallele Strahlenbündel 128 derart zu reflektieren, dass es in einem Fokalpunkt 132 fokussiert ist. Das zweite optische Element 130 ist eingerichtet, Kugelwellen aberrationsfrei zu erzeugen. Das zweite optische Element 130 weist mindestens einen konkav gewölbten Spiegel 134 in Form einer Kegelschnittfläche auf. Die zu messende Messoberfläche 114 kann derart angeordnet sein, dass ihr Mittelpunkt mit dem Fokalpunkt 132 des zweiten optischen Elements 130 zusammenfällt. Das zweite optische Element 130 kann eine aberrationsfreie Erzeugung von Kugelwellen mit zugänglichem Fokalpunkt 132 bis weit über 180° ermöglichen. Die Kegelschnittfläche kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Paraboloid, einem Ellipsoid. Das zweite optische Element 130 kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Parabolspiegel, mindestens einem Ellipsoidspiegel. Beispielsweise kann das zweite optische Element 130 ein Parabolspiegel sein mit einem Radius von 50 mm und einer Brennweite von 25 mm. Der Parabolspiegel kann in einem Abstand von etwa 100 mm von dem afokalen System 116 angeordnet sein. Mit einem Parabolspiegel oder Ellipsoidspiegel erzeugte Kugelwellen können sowohl zur Vermessung von konvexen Messoberflächen, als auch zur Vermessung von konkaven Messoberflächen verwendet werden.
Das zweite optische Element 130 kann einstückig ausgestaltet sein. Insbesondere kann das zweite optische Element 130 eine durchgängige Oberfläche aufweisen. Das zweite optische Element 130 kann insbesondere ohne eine Unterbrechung oder ein Loch ausgestaltet sein. Das Objektiv 110 kann insbesondere genau ein zweites optisches Element 130 aufweisen.
Das Objektiv 110 kann einen Messstrahlengang 136, auch Interferometerstrahlengang genannt, aufweisen. In dem Messstrahlengang 136 können das afokale System 116, das erste optische Element 124 und das zweite optische Element 130 nacheinander, insbesondere in der genannten Reihenfolge, entlang der optischen Achse 122 angeordnet sein. Die Messoberfläche 114 kann in dem Fokalpunkt 132 des zweiten optischen Elements 130 angeordnet sein, also zwischen dem ersten optischen Element 124 und dem zweiten optischen Element 130. Bei einer derartigen Anordnung kann eine Mittenabschattung der Messoberfläche 114 erfolgen. Das afokale System 116 kann eingerichtet sein, den Durchmesser des einfallenden Strahlenbündels 118 derart einzustellen, dass der Durchmesser sehr viel größer, insbesondere einen Faktor von 10 bis 20 größer, als die zumessende Messoberfläche 114 ist. So kann eine Reduzierung der Mittenabschattung erreicht werden. Beispielsweise kann bei einer Messoberfläche 114 in Form einer Kugelfläche mit 2.5 mm Radius eine abgeschattete Fläche einen Durchmesser von 0.125 mm aufweisen, bezogen auf einen Gesamtflächendurchmesser von 5 mm.
Das Objektiv 110 kann eine Gesamtlänge von kleiner oder gleich 400 mm aufweisen. Weiter kann bei einer Verwendung von korrigierten Optiken erreicht werden, dass ein Wellenfrontfehler im justierten Zustand gleich, innerhalb Messtoleranzen, null ist. Die Gesamtlänge kann von einem Durchmesser der zu prüfenden Messobjekts, insbesondere einer Kugel, dem Öffnungsverhältnis des Kollimators und dem Grad der Abschattung abhängen. Eine Brennweite kann insbesondere von 100 mm bis 1000 mm betragen.
1A zeigt ein Ausführungsbeispiel, in welchem der Durchmesser des einfallen Strahlenbündels 118 derart vergrößert wird, dass eine aberrationsfreie Prüfung bis zu 180° möglich ist. 1B zeigt ein Ausführungsbeispiel, in welchem das erste optische Element 124 näher zu dem zweiten optischen Element 130 angeordnet ist und so ein Durchmesser des einfallenden Strahlenbündels 118 größer ist als in dem Ausführungsbeispiel von 1A. Eine derartige Positionierung des ersten optischen Elements 124 kann eine aberrationsfreie Prüfung über 180° hinaus ermöglichen.
Das Objektiv 110 kann mindestens einen Abbildungsstrahlengang 138 aufweisen. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Abbildungsstrahlengangs 138. Das zweite optische Element 130 kann eingerichtet sein, mindestens einen von der Messoberfläche 114 reflektierten Strahl 140 zu reflektieren. Das erste optische Element 124 kann eingerichtet sein, den reflektierten Strahl 140 auf das afokale System 116 zu fokussieren. Das afokale System 116 kann eingerichtet sein, den reflektierten Strahl 140 auf mindestens ein weiteres optisches Element abzubilden, beispielsweise einen Strahlteiler eines Interferometers oder eine Abbildungsvorrichtung.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Wellenfrontmessenden Vorrichtung 142 zur optischen Messung der mindestens einen gekrümmten Messoberfläche 114. Die Wellenfrontmessende Vorrichtung 142 umfasst mindestens ein erfindungsgemäßes Objektiv 110, beispielsweise ein wie in 1A gezeigtes Objektiv 110. Die Wellenfrontmessende Vorrichtung 142 weist mindestens eine Abbildungsvorrichtung 144 auf, welche eingerichtet ist, mindestens einen von der Messoberfläche 114 reflektierten Strahl 140 abzubilden. Die Wellenfrontmessende Vorrichtung 142 kann eingerichtet sein, eine ausreichend scharfe Abbildung der zu messenden Messoberfläche 114 zu erzeugen derart, dass eine Zuordnung der Wellenfrontfehler zu Koordinaten der Messoberfläche 114 möglich ist. Die Abbildungsvorrichtung 144 kann beispielsweise einen CCD-Sensor und/oder einen CMOS-Sensor aufweisen.
Die Wellenfrontmessende Vorrichtung 142 kann ein Interferometer 146 und/oder einen Shack Hartmann Sensor aufweisen. Das Interferometer 146 kann beispielsweise, wie in 4 gezeigt, ausgewählt sein aus einem Fizeau-Interferometer, einem Twyman-Green-Interferometer oder ein Michelson-Interferometer. Die Wellenfrontmessende Vorrichtung 142 kann eingerichtet sein, mindestens ein Interferogramm zu erzeugen.
Beispielsweise kann die Wellenfrontmessende Vorrichtung 142 als ein Fizeau-Interferometer ausgestaltet sein. Die Wellenfrontmessende Vorrichtung 142 kann eingerichtet sein, das Objektiv 110 mit einem kombinierten Prüf- und Referenzstrahl zu beaufschlagen. Das Objektiv 110 kann eine Referenzfläche 147 aufweisen. Ein von der Beleuchtungsvorrichtung 120 erzeugter Lichtstrahl kann auf die Referenzfläche 147 treffen und von der Referenzfläche 147 teilweise reflektiert und teilweise zu dem zweiten optischen Element 130 als Prüfstrahl durchgelassen werden. Die Referenzfläche 147 kann eingerichtet sein den von dem zweiten optischen Element 130 reflektieren Lichtstrahl zu der Abbildungsvorrichtung 144 zumindest teilweise durchzulassen. Der von dem zweiten optischen Element 130 reflektierte Lichtstrahl kann in der Abbildungsvorrichtung 144 mit dem Referenzstrahl überlagert werden.
Beispielsweise kann die Wellenfrontmessende Vorrichtung 142 als ein Twyman-Green-Interferometer oder als Michelson-Interferometer ausgestaltet sein. Die Wellenfrontmessende Vorrichtung kann mindestens einen Strahlteiler 151 aufweisen. Der Strahlteiler 151 kann eingerichtet sein, aus einem einfallenden Strahl, insbesondere einem von der Beleuchtungsvorrichtung 120 erzeugten Lichtstrahl, mindestens einen Referenzstrahl und mindestens einen Prüfstrahl zu erzeugen. Der Strahlteiler 151 kann eingerichtet sein, den Prüfstrahl zu dem Objektiv 110 zumindest teilweise durchzulassen und den Referenzstrahl mindestens teilweise zu einer Referenzfläche 154 durchzulassen. Die Referenzfläche 154 kann in einem festen Abstand von dem Strahlteiler 151 angeordnet sein, und/oder der Abstand zwischen Referenzfläche 154 und Strahlteiler 151 kann einstellbar sein. Die Referenzfläche 154 kann insbesondere eine ebene Fläche sein. Der von der Referenzfläche 154 reflektierte Strahl kann in den Strahlteiler 151 eingekoppelt werden und mit einem reflektierten Prüfstrahl in der Abbildungsvorrichtung 144 überlagert werden. Die Wellenfrontmessende Vorrichtung 142 kann eigerichtet sein, mindestens ein Interferogramm der überlagerten Strahlen zu erzeugen.
Die Wellenfrontmessende Vorrichtung 142 kann mindestens eine Haltevorrichtung 148 zur Positionierung der Messoberfläche 114 relativ zu dem Objektiv 110 aufweisen. Die Haltevorrichtung 148 kann mindestens eine Auflage 150 aufweisen, auf welcher das Messobjekt 114 angeordnet werden kann. Die Haltevorrichtung 148 kann mindestens eine Justiervorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, eine Position der Messoberfläche 114 relativ zu dem Objektiv 110 einzustellen. Die Justiervorrichtung kann mindestens einen Piezohalter aufweisen. Die Justiervorrichtung kann eingerichtet sein, die Messoberfläche 114 und das zweite optische Element 130 relativ zueinander zu positionieren, beispielsweise durch Verschieben des zweiten optischen Elements 130 und/oder der Messoberfläche 114. Die Justiervorrichtung kann eingerichtet sein, die Messoberfläche 114 und das zweite optische Element 130 relativ zueinander typischerweise im Bereich von 0.1 µm genau zu positionieren. Beispielsweise kann die Justiervorrichtung eine einarmige Halterung aufweisen, um eine Abschattung durch die Halterung zu minimieren. In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Auflage 150 eine Glasplatte, auf welcher die Messoberfläche 114 angeordnet ist. Die Glasplatte kann als Referenzfläche für das Interferometer 146 verwendet werden, von welcher der Referenzstrahl reflektiert wird. Der von der Referenzfläche reflektierte Strahl kann in das Interferometer 146 eingekoppelt werden und dort mit einem reflektierten Prüfstrahl überlagert werden. Die Wellenfrontmessende Vorrichtung 142 kann eigerichtet sein, mindestens ein Interferogramm der überlagerten Strahlen zu erzeugen.
Die Wellenfrontmessende Vorrichtung 142 kann eingerichtet sein, dass der Prüfstrahl entlang des Messstrahlengangs 136 durch das afokale System 116, das erste optische Element 124 zu dem zweiten optischen Element 130 laufen kann und auf die Messoberfläche 114 reflektiert wird. Die Messoberfläche 114 kann den Prüfstrahl auf das zweite optische Element 130 reflektieren. Der reflektierte Prüfstrahl kann entlang des Abbildungsstrahlengangs 138 zu dem Interferometer 146 zurücklaufen. Die Wellenfrontmessende Vorrichtung 142 kann, wie oben ausgeführt, mindestens ein erstes afokales System 117 und mindestens ein zweites afokales System 119 aufweisen. Das afokale System 116 und das zweite afokale System können verschieden ausgestaltet sein. Ein Abstand zwischen Abbildungsvorrichtung 144 und zweitem afokalen System 119 und ein Abstand zwischen erstem und zweitem afokalen System 119 kann derart einstellbar sein, dass der von der Messoberfläche 114 reflektierte Strahl mit unveränderter Wellenfront abbildbar ist. Das zweite afokale System 119 kann durch Abstandsänderung zwischen den beiden afoaklen Systemen 117, 119 eine scharfe Abbildung der Kugelfläche auf die Abbildungsvorrichtung 144 ermöglichen, wobei die Wellenfront nicht bezüglich. der Phase verändert wird, aber bezüglich der Querauflösung. Das zweite afokale System kann eine Vergrößerung von 1:1 aufweisen.
Die Wellenfrontmessende Vorrichtung 142 kann mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit 152 aufweisen, welche eingerichtet ist, mindestens eine von der Abbildungsvorrichtung 144 erzeugte Abbildung auszuwerten. Die Steuer- und Auswerteeinheit 152 kann beispielsweise zu diesem Zweck mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um das Sensorelement anzusteuern. Die Steuer- und Auswerteeinheit 152 kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/AusgabeVorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Steuer- und Auswerteeinheit 152 kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar.
Die Steuer- und Auswerteeinheit 152 kann eingerichtet sein, Wellenfrontfehler, beispielsweise Unterschiede oder Abweichungen in den Wellenfronten von Referenzstrahl und Prüfstrahl, zu bestimmen und/oder ein Interferenzmuster, beispielsweise aus dem Interferogramm, zu bestimmen, und eine Information über die Messoberfläche aus den Wellenfrontfehlern zu erzeugen. Die Steuer- und Auswerteeinheit 152 kann eingerichtet sein, die bestimmten Wellenfrontfehler mindestens einer Koordinate in der von der Abbildungsvorrichtung erzeugten Abbildung der Messoberfläche zuzuordnen. Die Steuer- und Auswerteeinheit 152 kann eingerichtet sein, die bestimmten Wellenfrontfehler mindestens einer Koordinate der Messoberfläche 114 zuzuordnen. Die Steuer- und Auswerteeinheit 152 kann eingerichtet sein, eine von der Abbildungsvorrichtung 144 erzeugte Abbildung numerisch zu korrigieren, insbesondere auftretende Verzeichnungen. 3 zeigt eine von der Abbildungsvorrichtung 144 erzeugte Abbildung der zu messenden Messoberfläche 114 und auftretende Verzeichnungen.
Bezugszeichenliste

110: Objektiv
112: Wellenfrontmessende Wirkung
114: Messoberfläche
116: afokales System
117: erstes afokales System
118: einfallendes Strahlenbündel
119: zweites afokales System
120: Beleuchtungsvorrichtung
122: optische Achse
124: erstes optisches Element
126: vergrößertes Strahlenbündel
128: paralleles Strahlenbündel
130: zweites optisches Element
132: Fokalpunkt
134: konkav gewölbter Spiegel
136: Messstrahlengang
138: Abbildungsstrahlengang
140: reflektierter Strahl
142: Wellenfrontmessende Vorrichtung
144: Abbildungsvorrichtung
146: Interferometer
147: Referenzfläche
148: Haltevorrichtung
150: Auflage
151: Strahlteiler
152: Steuer- und Auswerteeinheit
154: Referenzfläche

Claims

Objektiv (110) für eine Wellenfrontmessende Vorrichtung (142) zur optischen Messung mindestens einer gekrümmten Messoberfläche (114), umfassend - mindestens ein afokales System (116), welches eingerichtet ist, mindestens ein einfallendes Strahlenbündel (118) auf einen vorgegebenen Durchmesser zu vergrößern; - mindestens ein erstes optisches Element (124), welches eingerichtet ist, das Strahlenbündel mit vergrößertem Durchmesser in ein zumindest teilweise paralleles Strahlenbündel zu transferieren; - mindestens ein zweites optisches Element (130), welches eingerichtet ist, das parallele Strahlenbündel derart zu reflektieren, dass es in einem Fokalpunkt (132) fokussiert ist, wobei das zweite optische Element (130) eingerichtet ist, Kugelwellen aberrationsfrei zu erzeugen, wobei das zweite optische Element (130) mindestens einen konkav gewölbten Spiegel (134) in Form einer Kegelschnittfläche aufweist.
Objektiv (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Kegelschnittfläche ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem Paraboloid, einem Ellipsoid.
Objektiv (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das zweite optische Element ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Parabolspiegel, mindestens einem Ellipsoidspiegel.
Objektiv (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite optische Element (130) einstückig ausgestaltet ist.
Objektiv (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Mittelpunkt der Messoberfläche (114) in dem Fokalpunkt (132) angeordnet ist.
Wellenfrontmessende Vorrichtung (142) zur optischen Messung mindestens einer gekrümmten Messoberfläche (114) umfassend mindestens ein Objektiv (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wellenfrontmessende Vorrichtung (142) mindestens eine Abbildungsvorrichtung (144) aufweist, welche eingerichtet ist, mindestens einen von der Messoberfläche (114) reflektierten Strahl (140) abzubilden.
Wellenfrontmessende Vorrichtung (142) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Wellenfrontmessende Vorrichtung (142) mindestens ein Interferometer (146) und/oder einen Shack Hartmann Sensor aufweist.
Wellenfrontmessende Vorrichtung (142) nach einem der vorhergehenden eine Wellenfrontmessende Vorrichtung (142) betreffenden Ansprüche, wobei die Wellenfrontmessende Vorrichtung (142) mindestens einen Strahlteiler aufweist, wobei der Strahlteiler eingerichtet ist, aus einem einfallenden Strahl mindestens einen Referenzstrahl und mindestens einen Prüfstrahl zu erzeugen, wobei der Strahlteiler eingerichtet ist, den Prüfstrahl zu dem Objektiv (110) zumindest teilweise durchzulassen und den Referenzstrahl mindestens teilweise zu einer Referenzfläche durchzulassen.
Wellenfrontmessende Vorrichtung (142) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Wellenfrontmessende Vorrichtung (142) mindestens ein zweites afokales System (119) aufweist, wobei ein Abstand zwischen Abbildungsvorrichtung (144) und zweitem afokalen System (119) und ein Abstand zwischen Strahlteiler und zweitem afokalen System (119) derart einstellbar ist, dass der von der Messoberfläche (114) reflektierte Strahl mit unveränderter Wellenfront abbildbar ist.
Wellenfrontmessende Vorrichtung (142) nach einem der vorhergehenden eine Wellenfrontmessende Vorrichtung (142) betreffenden Ansprüche, wobei die Wellenfrontmessende Vorrichtung (142) mindestens eine Haltevorrichtung zur Positionierung der Messoberfläche (114) relativ zu dem Objektiv (110) aufweist, wobei die Haltevorrichtung (148) mindestens eine Justiervorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, eine Position der Messoberfläche (114) relativ zu dem Objektiv (110) einzustellen, wobei die Justiervorrichtung mindestens einen Piezohalter aufweist.
Wellenfrontmessende Vorrichtung (142) nach einem der vorhergehenden eine Wellenfrontmessende Vorrichtung (142) betreffenden Ansprüche, wobei die Wellenfrontmessende Vorrichtung (142) mindestens eine Steuer- und Auswerteeinheit (152) aufweist, welche eingerichtet ist, mindestens eine von der Abbildungsvorrichtung (144) erzeugte Abbildung auszuwerten und eine Information über die Messoberfläche (114) zu erzeugen.
Verfahren zur optischen Messung mindestens einer gekrümmten Messoberfläche (114), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Erzeugen mindestens eines Strahlenbündels mit mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung (120); b) Vergrößern eines Durchmessers des Strahlenbündels mit mindestens einem afokalen System (116) auf einen vorgegebenen Durchmesser; c) Transferieren des Strahlenbündels mit vergrößertem Durchmesser in ein zumindest teilweise paralleles Strahlenbündel mit mindestens einem ersten optischen Element (124); d) Reflektieren des parallelen Strahlenbündels mit mindestens einem zweiten optischen Element (130) derart, dass es in einem Fokalpunkt (132) fokussiert ist, wobei Kugelwellen aberrationsfrei erzeugt werden, wobei das zweite optische Element (130) mindestens einen konkav gewölbten Spiegel (134) in Form einer Kegelschnittfläche aufweist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in dem Verfahren eine Wellenfrontmessende Vorrichtung (142) nach einem der vorhergehenden eine Wellenfrontmessende Vorrichtung (142) betreffenden Ansprüche verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden ein Verfahren betreffenden Ansprüche, wobei das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte umfasst: e) Abbilden eines von der Messoberfläche (114) reflektierten Strahls mit mindestens einer Abbildungsvorrichtung (144); f) Erzeugen eines Referenzstrahls; g) Reflektion des Referenzstrahls an mindestens einer Referenzfläche; h) Überlagern des von der Messoberfläche (114) reflektierten Strahls und dem reflektierten Referenzstrahl; i) Erzeugen mindestens eines Interferogramms der überlagerten Strahlen; j) Bestimmen mindestens einer Information über die Messoberfläche (114) durch Auswerten des mindestens einen Interferogramms und Zuordnen der Information über die Messoberfläche (114) zu mindestens einer Koordinate der Messoberfläche (114).