DE102019122083A1

DE102019122083A1 - Optische ausrichtung basierend auf spektral-gesteuerter interferometrie

Info

Publication number: DE102019122083A1
Application number: DE102019122083.1A
Authority: DE
Inventors: Artur Olszak
Original assignee: Apre Instr Inc; Apre Instruments Inc
Current assignee: Apre Instr Inc; Apre Instruments Inc
Priority date: 2019-08-16
Filing date: 2019-08-16
Publication date: 2021-02-18

Abstract

[0030] Um verschiedene Komponenten eines Instruments auszurichten, wird der von einer spektral-gesteuerten Lichtquelle erzeugte Strahl mit der optischen Achse des Instruments ausgerichtet und die erste Komponente wird an ihrer vorbestimmten Position entlang der optischen Achse platziert. Indem die spektrale Modulation der Quelle konfiguriert wird, so dass eine Oberfläche der Komponente als Referenzoberfläche verwendet wird, wird dann das Spektrum der Quelle moduliert, um ein Korrelogramm zu erzeugen, dass durch Reflexionen von der Referenzoberfläche und von der anderen Oberfläche der optischen Komponente gebildet wird. Die korrekte Ausrichtung der Komponente wird bestimmt durch Anpassen seiner Position so dass bewirkt wird, dass das Korrelogramm mit der Bullseye-Konfiguration übereinstimmt, die den vorbestimmten Design-Parametern entspricht. Der Vorgang wird mit jeder Komponente des Instruments wiederholt, wobei die Ausrichtung von jeder Komponente auf Interferenzmustern basiert, die unabhängig von anderen Komponenten geschaffen werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Interferometrie. Im Besonderen bezieht sie sich auf ein neues Verfahren zum Ausrichten der Komponenten eines optischen Instrumentariums unter Verwendung von spektral-gesteuerter Interferometrie.
Beschreibung des Standes der Technik
Optisches Instrumentarium kann ziemlich komplex sein und seine Leistung beruht auf der präzisen Positionierung jedes optischen Elements innerhalb der Anordnung. Jedes Element muss innerhalb der optischen Achse des Systems angeordnet sein und mit dieser ausgerichtet sein. Daher wurden viele verschiedene Techniken entwickelt, um sich mit dem Ausrichtungsproblem bei der Herstellung ebenso wie zu Wartungszwecken zu befassen. Eine herkömmliche Technik basiert auf der Verwendung eines Laserstrahls als Referenzachse; die optischen Elemente des Instruments werden an der richtigen Stelle entlang der Achse platziert durch Beobachten der Interferenzbilder, die durch Reflexionen der verschiedenen Oberflächen der Elemente erzeugt werden. Jedoch wird die Interpretation dieser Interferenzbilder mit wachsender Anzahl von Elementen im System zunehmend komplex.
Eine typische Ausrichtungsanordnung, die einen Laserstrahl zur Ausrichtung verwendet, ist in 1 zu sehen. Ein Laser 10 emittiert einen Laserstrahl 12, der zum Beleuchten des optischen Systems durch ein kleines Loch in einem Schirm 14 verwendet wird. Da der hochkohärente Strahl 12 durch die optische Achse 16 des Systems hindurchtritt, wird ein Teil des Strahls von jedem lichtbrechenden Element in dem System reflektiert (zum Beispiel Strahlen 18 und 20 von Linse 22, und Strahlen 24 und 26 von Linse 28). Das reflektierte Licht breitet sich in die entgegengesetzte Richtung aus und kann auf dem Bildschirm 14 beobachtet werden. Da der Laserstrahl eine hohe temporäre Kohärenz hat, interferiert und bildet das reflektierte Licht charakteristische sogenannte „Bullseye“-Bilder (bullseye patterns), welche verwendet werden, um den Ausrichtungsprozess zu führen. Das erste optische Element 22 des Systems wird typischerweise verwendet, um durch Ausrichten des Strahls an seiner optischen Achse ein Koordinatensystem zu errichten. Dies geschieht durch Manipulieren des Elements, so dass das „Bullseye“ mit einer symmetrischen Konfiguration in dem auf dem Bildschirm 14 gebildeten Bild zentriert wird, wodurch das typische Interferenzbild, welches durch eine einzelne Linse erzeugt wird, gebildet wird, wie in 2 gezeigt.
Eine Interpretation eines solchen Bullseye-Interferenzbildes ist einfach, wenn nur zwei optische Elemente vorhanden sind, wie im Falle einer einzelnen Linse; wenn jedoch mehr optische Elemente zum Ausrichtungspfad hinzugefügt werden, wird es immer schwieriger, das Interferenzbild immer zu interpretieren, da die kohärenten Reflexionen von jeder Schnittstelle im System paarweise interferieren, da die kohärenten Reflektionen von jeder Schnittstelle im System paarweise interferieren und Bilder erzeugen, wobei es schwierig ist, den Grund von Fehlausrichtungen zu erkennen. Im Ergebnis ist dieses Ausrichtungsverfahren auch schwierig zu automatisieren und erfordert stattdessen ausgebildetes Personal, was sich alles in allem nicht für die Verwendung in industrieller Produktion eignet. Die vorliegende Erfindung geht dieses Problem an durch Anwendung der Eigenschaften von spektral-gesteuerter Interferometrie.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung liegt in der Erkenntnis, dass die Eigenschaften von spektral-gesteuerter Interferometrie (spectrally-controlled interferometry, SCI) in vorteilhafter Weise ausgenutzt werden können für eine andersartige Ausrichtungsprozedur, die es möglich macht, jede Komponente basierend auf Interferenzbildern auszurichten, die unabhängig von anderen Komponenten in des optischen Strangs des auszurichtenden Instruments erzeugt werden. Weiterhin ermöglicht SCI, Phasenverschiebungen in den Bildern ohne physisches Scannen des Objekts einzuführen. Daher sind diese beiden Merkmale besonders geeignet für die Automatisierung des Ausrichtungsprozesses.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der SCI-basierten Herangehensweise ist die Fähigkeit, im Raum ein eindeutiges Koordinatensystem zu erzeugen, das leicht durch die optische Achse des ersten optischen Elements erstellt werden kann. Verfahren aus dem Stand der Technik, wie Auto-Kollimierung, erfordern mechanische Mittel zur Referenzierung, typischerweise eine hochpräzise luftgelagerte Spindel, deren Achse für die Ausrichtung verwendet wird. Solche Komponenten sind teuer und erzeugen Fehler in der Ausrichtungsprozedur.
Gemäß der allgemeinsten Herangehensweise basiert die Erfindung auf der Verwendung einer Lichtquelle, die zur spektralen Modulation fähig ist, um einen Lichtstrahl mit einer variierenden spektralen Verteilung zu erzeugen. Wie für alle SCI-Anwendungen, wird eine solche Quelle moduliert, um einen Strahl mit einer temporären Kohärenz zu erzeugen, so dass Interferenzmuster (interference fringes) innerhalb des Messraums erfassbar sind. Der von der Quelle erzeugte Strahl wie zuerst mit der optischen Achse des Instruments ausgerichtet und das erste auszurichtende optische Element wird an seiner vorbestimmten Position entlang der optischen Achse angeordnet. Dann wird die spektrale Modulation der Quelle konfiguriert, so dass eine Oberfläche des Elements als Referenzoberfläche zum Interferieren des von der Lichtquelle erzeugten Strahls verwendet wird, das Spektrum der Quelle wird moduliert, so dass ein Korrelogramm durch Reflexionen von der Referenzoberfläche und von der anderen Oberfläche des optischen Elements gebildet wird. Die korrekte Ausrichtung des optischen Elements wird durch Anpassen seiner Position bestimmt, so dass bewirkt wird, dass das Korrelogramm mit der Bullseye-Konfiguration, welche vorbestimmten Design-Parametern entspricht, übereinstimmt. Schließlich wird die Prozedur mit jeder Komponente des Instruments wiederholt, entweder unter Verwendung derselben Referenzoberfläche oder indem diese durch eine passendere der bereits entlang der optischen Anordnung des Instruments angeordneten Oberflächen ausgetauscht wird. Die zur Erzeugung der Bullseye-Korrelogramme erforderliche spektrale Modulation, die zum Ausrichten jeder optischen Komponente verwendet wird, wird vorzugsweise mit einer sinusförmigen Modulation der durch die Quelle erzeugten Lichtphase ausgeführt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann der Prozess des Anordnens des optischen Elements, welches in der richtigen vorbestimmten Position entlang der optischen Achse des Instruments ausgerichtet werden soll, ausgeführt werden durch Ändern der Modulationsperiode der Lichtquelle, um ein Korrelogramm mit maximalem Kontrast an dieser vorbestimmten Position zu bilden.
Gemäß einem noch anderen Aspekt der Erfindung wird der von der SCI-Quelle produzierte Strahl durch geeignete Optik vergrößert, um ein Interferenz-Korrelogram mit höherer Auflösung zu erhalten. Im Ergebnis werden die auszurichtenden Oberflächen erfasst und stellen mehr Information über das optische System bereit, wie beispielsweise das Vorhandensein von Abbildungsfehlern die den Ausrichtungsprozess beeinflussen.
Verschiedene andere Vorteile der Erfindung werden ersichtlich durch ihre Erläuterung in der folgenden Beschreibung und den neuartigen Merkmalen, die insbesondere in den angehängten Ansprüchen hervorgehoben werden. Daher besteht die Erfindung, zum Zwecke der Erfüllung der oben beschriebenen Ziele, aus den hierin in den Zeichnungen dargestellten Merkmalen, welche vollständig in der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform beschrieben werden, und welche insbesondere in den Ansprüchen hervorgehoben werden. Jedoch offenbaren solche Zeichnungen und die Beschreibung nur einige der verschiedenen Wege, in welchen die Erfindung praktiziert werden kann.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein herkömmliches Ausrichtungssystem unter Verwendung eines Laserstrahls als eine Referenz zum Ausrichten der verschiedenen Elemente des Systems an seiner optischen Achse.
2 zeigt das typische Bullseye-Interferenzbild, welches während der Ausrichtungsprozedur von herkömmlichen Techniken gebildet wird.
3 zeigt ein Ausrichtungssystem basierend auf spektral-gesteuerter Interferometrie gemäß der Erfindung.
4 ist ein Flussdiagramm der wesentlichen Schritte, die zur Ausführung der Erfindung erforderlich sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie in dieser Offenbarung verwendet, soll sich „Weißlicht“ auf jedes breitbandige Licht des Typs beziehen, wie es in der Technik der Weißlicht-Interferometrie (white-light interferometry, WLI) verwendet wird, typischerweise mit einer Bandbreite im Bereich von vielen Nanometern. WLI und CSI (coherence scanning interferometry, Kohärenz-Scanning Interferometrie) werden austauschbar verwendet. Mit Bezug auf Licht im Allgemeinen, werden die Begriffe „Frequenz“ und „Wellenlänge“ alternativ verwendet, wie fachüblich, aufgrund ihrer wohlbekannten inversen Beziehung. „Optische Pfaddifferenz“ oder „OPD“ (optical path difference) und „Zeitverzögerung“ können alternativ verwendet werden aufgrund ihrer Raum/Zeit-Beziehung in der Interferometrie. Wie normalerweise fachüblich hinsichtlich interferometrischer Vorrichtungen, werden „optische Pfaddifferenz“ und „OPD“ auch verwendet, um sich auf die Differenz zwischen den Längen der optischen Pfade der Test- und Referenzarme der Vorrichtung zu beziehen. Ebenso werden „Sinus“ und „Cosinus“ und verwandte Begriffe alternativ verwendet, falls nicht ausdrücklich anders angegeben. Die Begriffe „Referenzoberfläche“ und „Referenzoptik“ können alternativ verwendet werden, wie normalerweise in der Technik der Interferometrie üblich. Ebenso werden die Begriffe „Testoberfläche“, „gemessene Oberfläche“, „Testartikel“, „Testobjekt“, „Testlinse“ und optische/s „Element“ oder „Komponente“ allesamt verwendet, um sich auf das Objekt zu beziehen, dass Gegenstand der Messung ist. „Optische Pfaddifferenz“ oder „OPD“ und „Zeitverzögerung“ können alternativ verwendet werden, aufgrund ihrer Raum/Zeit-Beziehung in der Interferometrie. Im Hinblick auf den Prozess der Ausrichtung von optischen Elementen innerhalb des optischen Stranges eines optischen Systems werden die Begriffe „platziert“ und „vorgesehene (oder vorbestimmte) Platzierung“ verwendet, um sich auf die anfängliche Platzierung jedes optischen Elements entlang der optischen Achse des Systems zu beziehen, während „Position“, „Positionierung“ und „positioniert“ allgemein verwendet werden, um sich auf die verschiedenen Positionen eines optischen Elements während des Prozesses der Veränderung seiner X/Y, Tip/Tilt- und Z-Platzierung während des Ausrichtungsprozesses zu beziehen.
Die Begriffe „modulieren“ und „Modulation“ werden in Verbindung mit einer Lichtquelle im weitesten Sinne verwendet, um jedwede Veränderung der Frequenzverteilung, Amplitudenverteilung oder Phasenverteilung der von der Lichtquelle produzierten Energie zu beinhalten, und auch die Synthese eines Lichtsignals mit einer gewünschten Frequenz, Amplitude oder Phasenverteilung durch jegliches Mittel zu beinhalten. Der Begriff „Modulation“ bezieht sich auf die Interferenzmuster-Hüllkurve (fringe envelope), sofern in Verbindung mit Interferenzmustern verwendet. Im Falle von spektral-gesteuerten Quellen oder Quellen mit multiplen Wellenlängen soll „lokalisierte Interferenzmuster (localized fringes)“ eindeutig identifizierbare Interferenzmusterbilder (fringe patterns) bedeuten, die in vorbestimmten Abständen von der Referenzoberfläche gebildet werden. Lokalisierte Interferenzmuster werden als positioniert auf den Oberflächen, von welchen die hergestellt werden, beschrieben, um darzustellen wie sie sich auf jene Oberflächen und Oberflächenformen beziehen, welche diese herstellen; jedoch sollte verstanden werden, das solche lokalisierte Interferenzmuster physisch nur virtuelle Interferenzmuster sind und dass wirkliche Interferenzmuster tatsächlich nur auf der Oberfläche des Detektors gebildet werden. Auch werden der Satz „Herstellen von lokalisierten Interferenzmustern an einer vorbestimmten Position im Raum“ und verwandte Ausdrücke zur Vereinfachung verwendet, aber es sollte verstanden werden, dass die präzise beabsichtigte Bedeutung ist „Herstellen einer interferometrischen Umgebung, wobei eindeutig identifizierbare Interferenzmusterbilder hergestellt werden, wenn eine Testoberfläche in einer vorbestimmten Position im Raum platziert wird“ bezüglich einer Referenzoberfläche. Die Begriffe „Interferenzmuster (fringes)“, „Interferenzmusterbild (fringe patterns)“, „Interferenzmuster (interference fringes)“ und Korrelogramme werden austauschbar innerhalb der normalerweise in dieser Technik auf sie bezogenen Bedeutung verwendet. Der allgemeine Begriff „Interferometrie“ und verwandte Begriffe sollten breit, wie sie in der Technik verwendet werden, ausgelegt werden und nicht auf Formmessungen unter Verwendung eines bildgebenden Interferometers begrenzt werden. Somit soll die Interferometrie ohne Einschränkung die Messung von Veränderungen in der Position eines Objektes, oder der Dicke von optischen Elementen unter Verwendung jeder bekannten interferometrischen Technik beinhalten. Schließlich soll der Begriff „spektral steuerbare Lichtquelle“ jede Lichtquelle bedeuten, die zur spektralen Modulation in der Lage ist, egal ob die Quelle eine spektral gesteuerte Lichtquelle aus einer einzelnen Komponente, wie beispielsweise aktuell erhältliche Laser, die zur spektralen Modulation in der Lage sind, oder eine Multi-Komponenten-Quelle, wie beispielsweise eine Quelle, die eine Breitbandquelle und einen Modulator als separate Komponenten beinhaltet.
Diese Erfindung basiert auf der Verwendung von spektral-gesteuerter Interferometrie, um die Ausrichtung von optischen Systemen zu vereinfachen. Wie in zahlreichen Veröffentlichungen (siehe beispielsweise US-Patent Nr. 8,422,026 , Nr. 8,810,884 und Nr. 8,675,205 ), bei denen die Anmelderin Mitinhaberin ist, ist spektral-gesteuerte Interferometrie (SCI) eine interferometrische Technik, die die Implementierung von herkömmlicher Weißlicht-Interferometrie-(WLI)-Messsystemen in gewöhnlichen Pfadinterferometern ermöglicht. WLI (vereinbarungsgemäß auch als Kohärenz-Scanning-Interferometrie (coherence scanning interferometry, CSI) definiert) ist charakterisiert durch das Fehlen von störenden, in herkömmlicher Laserinterferometrie vorhandenen Interferenzproblemen (kohärenter Lärm), aufgrund der kurzen Kohärenzlänge des Lichts, typischerweise im Bereich von wenigen Mikrometern. Daher werden die multiplen Interferenzmusterbilder, die vom kohärenten, in herkömmlichen Ausrichtungssystemen verwendeten Licht produziert werden, in einem CSI-System nicht gebildet.
SCI kombiniert erfolgreich die Vorteile von sowohl herkömmlicher Pfadinterferometrie als auch WLI. Es erzeugt lokalisierte Interferenzmuster in einem unbalancierten-OPD-Interferometer, wodurch auch die Messung von Oberflächen innerhalb eines breiten Bereichs des Raums vor dem Interferometer ermöglicht wird. Somit ist es für eine axiale Ausrichtung verschiedener optischer Elemente des optischen Instrumentariums geeignet. Wie in vielen SCIbezogenen Offenbarungen und weiter hierin im Einzelnen ausgeführt, können viele verschiedene interferometrische Analysetechniken lediglich durch Beeinflussen der spektralen Eigenschaften einer spektral-kontrollierten Lichtquelle gemäß den SCI-Prinzipien implementiert werden.
Hauptsächlich basiert spektral-kontrollierte Interferometrie auf der Fähigkeit, lokalisierte Interferenzmuster in einem vordefinierten Abstand von der Referenzoberfläche unter Verwendung eines Interferometers unter unbalancierten OPD-Bedingungen zu bilden. Beispielsweise ist es möglich, durch Modulieren des Spektrums der Lichtquelle solche lokalisierten Interferenzmuster zu bilden, und durch Ändern der Art und Weise der Modulation ist auch eine Phasenverschiebung der Interferenzmuster möglich, was die Verwendung moderner Interferenzmusteranalyseverfahren zum Messen des Testartikels ermöglicht, ohne jegliches physisches Scannen des Objekts oder der Referenzoberfläche. Zusätzlich zum Ausführen der Interferometrie in WLI- und herkömmlichen Laserinterferometrie-Moden mit den beschriebenen Vorteilen ermöglicht SCI somit auch die Messung von isolierten Oberflächen und ermöglicht die direkte Messung von deren Abständen von der Referenzoberfläche des Interferometers.
Die Verteilung und Phase der von einem Interferometer produzierten Interferenzmuster wird vom Wiener-Kinchin-Theorem geregelt (siehe Born M, Wolf E., Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light, 7th Expand Ed., Cambridge, New York: Cambridge University Press; 1999) und wird als Fourrier-Transformation der spektralen Leistungsverteilung der Quelle ausgedrückt. SCI lehrt, dass es möglich ist, eine Lage und Verteilung der Interferenzmuster im Raum durch Modulation des Spektrums der Quelle zu definieren. Für eine Quelle mit einer mittleren Wellenlänge λ₀, drückt die unten stehend Gleichung 1 den Abstand der Lage L der Interferenzmusterbildung (d. h., der Peak des Interferenzmusterkontrasts) von der Referenzoberfläche als eine Funktion der Periode von spektraler Modulation Δλ aus, $L = \frac{λ_{0}^{2}}{2 Δ λ}$
um beispielsweise Interferenzmuster bei einem Abstand von 1 Meter von der Referenzoberfläche mit einer bei einer mittleren Wellenlänge von 500 nm arbeitenden Lichtquelle zu bilden, muss die Modulationsperiode 0,125 pm sein. Diese Eigenschaft ist die Grundlage der SCI-Praktik zusammen mit jeder Technik, die im Stand der Technik zur Analyse von Interferenzmustern verwendet wird, wie z. B. Weißlicht-Scanning und interferometrische Phasenverschiebungsalgorithmen.
Meistens ist es praktisch, das Spektrum unter Verwendung einer Sinusfunktion zu modulieren, welche eine einzelne Lage im Messraum erzeugt, dort wo Interferenzmuster sichtbar sind (wobei die anderen Lagen in dem damit verbundenen Bereich außerhalb des Messraumes und am Null-OPD der Referenzoberfläche sind). In diesem Fall ist die Phase der Interferenzmuster an die Phase des Modulierungssignals gebunden. Unten stehende Gleichung 2 beschreibt das Interferenzbild, welches sich aus der sinusförmigen Modulation des Quellenspektrums ergibt, $I (z, λ, φ) = 0.5 [1 + c o s (\frac{2 π z}{λ_{0}} + φ)] e x p (- \frac{Λ (z - \frac{λ_{0}^{2}}{2 Δ λ})}{π λ_{0}^{2}})$
wobei λ₀ die Wellenlänge, z der Abstand vom Null-OPD-Punkt (bezüglich der Referenzoberfläche), A die gesamte Bandbreite der Quelle, und φ die Phase der spektralen Modulation ist. Bei gegebener Quelle mit fester, bekannter Bandbreite und mittlerer Wellenlänge ist es also möglich, die Lage der Testoberfläche bezüglich der Referenzoberfläche durch Bestimmung der Wellenlängenmodulationsperiode, die erforderlich ist, um Interferenzmuster mit höchstem Kontrast zu erzeugen, zu bestimmen.
Basierend auf diesen durch SCI ermöglichte Vorteilen, zeigt 3 schematisch ein beispielhaftes System, welches zum Ausrichten von optischem Instrumentarium geeignet ist. Eine spektral-steuerbare Quelle 30 wird verwendet, um einen engen Ausrichtungsstrahl 32 entlang der Achse des auszurichtenden Instrumentariums zu erzeugen, wie es das herkömmliche Vorgehen ist. Jedoch wird, anstatt des in 1 dargestellten Schirms 14, ein Strahlenteiler 34 eingeführt, um das vom optischen System zurückreflektierte Licht in Richtung einer Kamera 36 umzuleiten, welche zum Beobachten und Erfassen von Interferenzbildern verwendet wird. Die SCI-Quelle 30 wird gesteuert, um Änderungen in sowohl Phase als auch Periode der Modulation zu erzeugen, um selektiv Reflexionen von den verschiedenen Schnittstellen des optischen Systems zu interferieren. Weil SCI die Bildung von Interferenzmustern mit niedriger Kohärenz in gewünschten Lagen im Raum vor der Quelle ermöglicht, ermöglicht es die Erfindung, jede optische Komponente des Instruments einzeln zu analysieren und auszurichten, ohne Interferenz von den anderen Elementen im System.
Die Ausrichtungsprozedur beruht also auf selektiv interferierenden Strahlen, die nur von jedem der verschiedenen optischen Elemente entlang der optischen Ache des Instruments reflektiert werden. Sie startet durch Platzieren des ersten optischen Elements 38 an seiner vorgesehenen Lage und seiner Ausrichtung mit dem Strahl 32, um ein Referenz-Koordinatensystem zu erstellen. Typischerweise wird die Richtung der Lichtausbreitung entlang der optischen Achse des Instruments als Z-Richtung gewählt, wobei X und Y die orthogonalen Richtungen in der Ebene senkrecht zu Z sind und wobei der Scheitelpunkt von einer der Oberflächen des Elements 38, vorzugsweise erstere, als Ursprung des Koordinatensystem genommen wird. Die Reflexionen 42 und 44 der beiden Oberflächen des ersten optischen Elements 38 werden durch Modulieren der Quelle gemäß Gleichung 1 zum Interferieren gebracht, so dass der Abstand L gleich der optischen Dicke des Elements 38 entlang der optischen Achse des Strahl 32 ist. Zu diesem Zweck werden die beiden Oberflächen des Elements 38 als Referenz- und Testinterferometrische Oberflächen genommen, und die Interferenzmuster (die Bullseyes), welche durch Reflexionen darauf erzeugt werden, werden für Ausrichtungszwecke überwacht. Die Position des Elements wird angepasst, bis die Ausrichtungskriterien dadurch erfüllt sind, dass das Bullseye-Bild eine vorbestimmte Konfiguration, wie durch optische Übereinstimmungsparameter gemessen (wie durch Messen der Lage und Symmetrie des/der durch die Kamera aufgenommenen Interferenzmuster-Intensitätsbildes oder -phase) erreicht.
Als Nächstes wird ein weiteres Element, wie beispielsweise Element 40 in 3, zum System und an seine vorgesehene Lage hinzugefügt und die Quelle wird in der gleichen Art und Weise zum Erzeugen on Interferenz zwischen den vorderseitigen und rückseitigen Oberflächen des Elements eingestellt. Das Element wird sodann unter Verwendung von herkömmlichen Verfahren ausgerichtet, um die resultierenden Interferenzmuster zu reduzieren, so dass ein nahezu perfektes Bullseye möglich wird, was durch visuelles Überwachen der Interferenzmuster oder durch eine automatisierte Prozedur, basierend auf Interferenzmusterbildanalyse geschehen kann. Ein weiteres Element kann dann eingeführt werden, nachdem das zweite Element ausgerichtet ist und die gleiche Prozedur kann wiederholt werden, um dieses Element ebenfalls auszurichten, und so weiter bis jedes Element im System entsprechend vorbestimmten Qualitätskontrollparametern ausgerichtet ist. Da SCI die Flexibilität des Bildens (und somit Analysierens) von Korrelogrammen leistet, die durch Interferenz zwischen beliebigen zwei Oberflächen entlang des Strahls 32 erzeugt wurden, tragen nur von ausgewählten Oberflächen erzeugte Interferenzmuster zum Bullseye-Bild bei, das für Ausrichtungszwecke verwendet wird, wodurch die störenden Interferenzmuster, die in Systemen mit kohärentem Licht wie im Stand der Technik vermieden werden.
Zusätzlich zur Ausrichtung der X,Y lateralen Position und der Drehung der optischen Elemente wie in herkömmlichen Verfahren, ermöglicht die Verwendung einer spektralmodulierten Quelle weiterhin auch die Positionierung jeglicher Elemente in der korrekten Lage (die vorbestimmte Design-Position) entlang der Z-Richtung des Strahls aufgrund der Lage-Eigenschaft der durch SCI hergestellten Interferenz. Durch Ändern der Periode der spektralen Modulation können Interferenzmuster in jeder gewünschten Lage im Raum innerhalb des auszurichtenden optischen System positioniert werden, wodurch auch die Notwendigkeit von absoluten Abstandsmessungen erfüllt wird. Die Verwendung solcher Modulationsverfahren mit Weißlicht ermöglicht die akkurate Erfassung von optischen Elementen entlang des Strahlenpfades, somit kann dass ihre Z-Position so eingestellt werden, dass sie die erforderlichen Design-Parameter erfüllt. Dies ist ein weiteres einzigartiges Merkmal, welches in anderen Ausrichtungsverfahren nicht vorhanden ist.
Es ist ebenso wichtig anzumerken, dass - weil SCI eine selektive Bildung von Interferenzmustern zwischen beliebigen zwei Oberfläche in jeder praktikablen Lage entlang des optischen Pfades eines Instruments, welches zur Ausrichtung seiner Elemente gemessen wird, ermöglicht, jedes neue Element, das während des Ausrichtungsprozesses gemessen wird, irgendwo in dem Instrument sein kann, entweder vor oder hinter der Z-Position des letzten gemessenen Elements. Jeder Ausrichtungsschritt kann visuell durch einen Facharbeiter ausgeführt werden, der auf einem Monitor die Form des durch das betrachtete Element erzeugten Bullseye-Bildes beobachtet, oder kann automatisch geschehen, durch Anwenden herkömmlicher automatisierter Vorgänge, wo das anfängliche Korrelogramm durch computerisierte Algorithmen analysiert wird und Feedback-Signale dazu verwendet werden, um Positionseinstellungsmechanismen zu betreiben, die das Element solange neu positionieren, bis das letzte Korrelogramm dem Bullseye-Bild entspricht, welches den vorbestimmten Ausrichtungsparametern entspricht.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der von der SCI-Quelle bereitgestellten Option, geeignete Optik zu verwenden, um einen erweiterten Strahl anstelle eines engen Strahls zu verwenden, wie mit Bezug auf 3 beschrieben. Dadurch können Interferenzbilder mit höherer Auflösung der ausgerichteten Oberflächen aufgenommen werden und mehr Information über das optische System bereitgestellt werden, wie beispielsweise das Vorhandensein von Abweichungen, die die Ausrichtung des optischen Systems beeinflussen. Weiterhin können unter diesen Bedingungen zusätzlich zum Bullseye-Bild andere Verfahren verwendet werden, um die korrekte Ausrichtungsposition jedes optischen Elements zu finden. Zum Beispiel können durch Abbildungsfehler erzeugte Abweichungen von einer erwarteten Wellenfront (aberration contents of the wavefront) zusätzliche Informationen über die Position der Elemente im System geben.
Somit wurde ein neues Verfahren zum Ausrichten der Elemente eines optischen Systems offenbart, in Bezug auf Z-Position ebenso wie auf X,Y und Tip/Tilt-Ausrichtung. Das Verfahren hat zwei entscheidende Vorteile gegenüber den Vorgehensweisen aus dem Stand der Technik: zum einen die Fähigkeit, selektiv nur zwei Strahlen zeitgleich zu interferieren durch entsprechendes Aussuchen der Periode spektraler Modulation; zum anderen die Fähigkeit, Phasenverschiebungen in die Interferenzmuster einzuführen, wodurch automatisierte Analyseverfahren ermöglicht werden. Dementsprechend werden die Deutung von Interferenzmustern während des Ausrichtungsprozesses und die Automatisierung erheblich vereinfacht. 4 zeigt eine Flussdiagramm-Skizze der entscheidenden Schritte, die am Praktizieren der Erfindung beteiligt sind. Praktizierbare Lösungen sind wahrscheinlich komplexer und optimierter, um auf besondere Probleme zu passen, aber die hierin gegebene Beschreibung bietet eine ausreichende Basis, um den Fachmann zu befähigen, die Hauptaspekte der Erfindung zu verstehen und darauf aufzubauen.
Die Erfindung wurde anhand der Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben, von denen anzunehmen ist, dass sie die am besten praktikablen und bevorzugtesten Ausführungsformen sind, aber es sollte beachtet werden, das Abweichungen davon gemacht werden können. Zum Beispiel wurde die Referenzoberfläche in der ganzen Offenbarung beschrieben als eine der Oberflächen von einem der optischen Elemente, die gemäß der Erfindung ausgerichtet werden, aber es sollte verstanden werden, das jede andere Oberfläche, die während der Messung entlang der Achse der interferometrischen Wellenfront platziert ist, in gleicher Weise verwendet werden kann. Ebenso ist die korrekte Z-Position der optischen Elemente so beschrieben worden, dass sie vorzugsweise durch Ändern der Modulationsperiode der SCI-Quelle vorgenommen wird, so dass die Position identifiziert wird, die dem maximalen Kontrast entspricht. Jedoch wird der Fachmann sofort verstehen, dass andere Techniken ebenso verwendet werden können, um die korrekte Z-Position einer Testoberfläche zu ermitteln, wie beispielsweise mit dem Verfahren, welches im US-Patent 5,398,113 gelehrt wird. Daher soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Details beschränkt werden, sondern es soll der volle Umfang der Ansprüche zugestanden werden, um jegliche und alle gleichwertigen Geräte und Verfahren zu umfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8422026 [0013]
US 8810884 [0013]
US 8675205 [0013]
US 5398113 [0025]

Claims

Ein spektral-gesteuertes interferometrisches Verfahren zum Ausrichten optischer Elemente entlang einer optischen Achse, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen einer Lichtquelle, die zur spektralen Modulation in der Lage ist, um einen Lichtstrahl mit variierender spektraler Verteilung zu erzeugen, wobei der Strahl eine temporäre Kohärenz hat, so dass Interferenzmuster innerhalb eines Messraums entlang der optischen Achse erfassbar sind; Modulieren der Lichtquelle, so dass ein Korrelogramm erzeugt wird, das durch Reflexionen von einer Referenzoberfläche und von einer Oberfläche eines optischen Elements, das an einer vorbestimmten Position entlang der optischen Achse positioniert ist, gebildet wird; Anpassen einer Position des optischen Elements, so dass bewirkt wird, dass das Korrelogramm einer vorbestimmten Konfiguration entspricht, die indikativ für die optische Ausrichtung des optischen Elements ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Lage entlang der optischen Achse durch Ändern einer Modulationsperiode der Lichtquelle bestimmt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Modulationsperiode der Lichtquelle so geändert wird, dass ein Korrelogramm mit maximalem Kontrast gebildet wird, wenn das optische Element in der vorbestimmten Lage positioniert wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Korrelogramm durch Ändern einer Modulationsphase der Lichtquelle erzeugt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Korrelogramm durch sinusförmige spektrale Modulation der Lichtquelle erzeugt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die vorbestimmte Konfiguration eine Bullseye-Konfiguration ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Referenzoberfläche eine weitere Oberfläche des optischen Elements ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, weiterhin aufweisend: Wiederholen der Modulations- und Anpassungsschritte mit jedem von zusätzlichen optischen Elementen, welche in einer entsprechenden zusätzlichen vorbestimmten Lage entlang der optischen Achse platziert sind.
Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Korrelogramm durch Ändern einer Phase der Modulation der Lichtquelle erzeugt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Korrelogramm durch sinusförmige spektrale Modulation der Lichtquelle erzeugt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei die vorbestimmte Konfiguration eine Bullseye-Konfiguration ist.
Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Referenzoberfläche eine weitere Oberfläche von jedem der zusätzlichen optischen Elemente ist.
Ein spektral-gesteuertes interferometrisches Verfahren zum Ausrichten von optischen Elementen entlang einer optischen Achse, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen einer Lichtquelle, die zur spektralen Modulation in der Lage ist, um einen Lichtstrahl mit variierender spektraler Verteilung zu erzeugen, wobei der Strahl eine temporäre Kohärenz hat, so dass Interferenzmuster innerhalb eines Messraums entlang der optischen Achse erfassbar sind; Platzieren eines optischen Elements an einer vorbestimmten Lage entlang der optischen Achse; Ändern der Modulationsperiode der Lichtquelle, um ein Korrelogramm mit maximalem Kontrast zu bilden, wenn das optische Element an der vorbestimmten Lage positioniert ist. Sinusförmiges Modulieren der Phase der Lichtquelle, um ein Korrelogramm zu erzeugen, das durch Reflexionen von der Testoberfläche und einer Oberfläche des optischen Elements gebildet wird; Anpassen einer Position des optischen Elements, um zu bewirken, dass das Korrelogramm einer vorbestimmten Bullseye-Konfiguration entspricht, die indikativ für die optische Ausrichtung des optischen Elements ist; Platzieren eines zusätzlichen optischen Elements an einer zusätzlichen vorbestimmten Position entlang der optischen Achse; und Wiederholen der Änderungs-, Modulations- und Anpassungsschritte mit dem zusätzlichen optischen Element.