DE102020207946A1 - Measuring device for the interferometric determination of a surface shape - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (10) zur interferometrischen Bestimmung einer Form einer optischen Oberfläche (12) eines Testobjekts (14). Die Messvorrichtung (10) umfasst eine Bestrahlungseinrichtung (16) zum Generieren einer Eingangswelle (18), sowie ein diffraktives optisches Element (20), welches dazu konfiguriert ist, aus der Eingangswelle (18) eine erste Prüfwelle (22) mit einer zumindest teilweise an eine Sollform der optischen Oberfläche (12) angepassten Wellenfront zu erzeugen. Weiterhin ist die Messvorrichtung (10) dazu konfiguriert, die erste Prüfwelle (22) auf die optische Oberfläche (12) zu richten sowie eine zweite Prüfwelle (24) zu erzeugen, welche ebenfalls auf die optische Oberfläche (12) gerichtet und beim Auftreffen auf die optische Oberfläche (12) gegenüber der ersten Prüfwelle (22) verkippt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur interferometrischen Bestimmung einer Form einer optischen Oberfläche (12) eines Testobjekts (14).The invention relates to a measuring device (10) for the interferometric determination of the shape of an optical surface (12) of a test object (14). The measuring device (10) comprises an irradiation device (16) for generating an input wave (18) and a diffractive optical element (20) which is configured to generate a first test wave (22) with an at least partially to generate a wave front adapted to the desired shape of the optical surface (12). Furthermore, the measuring device (10) is configured to direct the first test wave (22) onto the optical surface (12) and to generate a second test wave (24) which is also directed to the optical surface (12) and when it hits the optical surface (12) is tilted relative to the first test shaft (22). The invention also relates to a corresponding method for interferometric determination of the shape of an optical surface (12) of a test object (14).
Description
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur interferometrischen Bestimmung einer Form einer optischen Oberfläche eines Testobjekts. Als Testobjekt wird beispielsweise ein optisches Element für die Mikrolithographie vermessen. Durch das Bedürfnis nach immer kleineren Strukturen werden in der Mikrolithographie immer höhere Anforderungen an die optischen Eigenschaften von eingesetzten optischen Elementen gestellt. Die optische Oberflächenform dieser optischen Elemente muss daher mit möglichst hoher Genauigkeit bestimmt werden.The invention relates to a measuring device and a method for interferometric determination of a shape of an optical surface of a test object. For example, an optical element for microlithography is measured as a test object. As a result of the need for ever smaller structures, ever higher demands are placed on the optical properties of the optical elements used in microlithography. The optical surface shape of these optical elements must therefore be determined with the highest possible accuracy.
Zur hochgenauen interferometrischen Vermessung optischer Oberflächen bis in den Subnanometerbereich sind interferometrische Messvorrichtungen und Verfahren bekannt, dabei denen ein diffraktives optisches Element aus einer Eingangswelle eine Prüfwelle und eine Referenzwelle erzeugt. Die Wellenfront der Prüfwelle kann durch das diffraktive optische Element derart an eine Solloberfläche des Testobjekts angepasst sein, dass diese an jedem Ort senkrecht auf die Sollform aufträfe und von dieser in sich zurückreflektiert werden würde. Mit Hilfe des durch Überlagerung der reflektierten Prüfwelle und der Referenzwelle gebildeten Interferogramms lassen sich dann Abweichungen von der Sollform bestimmen.For high-precision interferometric measurement of optical surfaces down to the subnanometer range, interferometric measuring devices and methods are known in which a diffractive optical element generates a test wave and a reference wave from an input wave. The wavefront of the test wave can be adapted to a target surface of the test object by the diffractive optical element in such a way that it would impinge perpendicularly on the target shape at any location and would be reflected back by this. With the aid of the interferogram formed by superimposing the reflected test wave and the reference wave, deviations from the nominal shape can then be determined.
So wird beispielsweise in
Ein Problem bei diesen bekannten Messvorrichtungen und Verfahren mit einem diffraktiven optischen Element besteht darin, dass durch eine notwendigerweise dreidimensionale Realisierung von berechneten zweidimensionalen Gitter- oder Hologrammstrukturen unerwünschte Wellenfrontänderungen auftreten können. Diese Wellenfrontänderungen werden auch als „rigorose Effekte“ bezeichnet und lassen sich mit Hilfe der Kalibrierwellen nicht vollständig heraus kalibrieren. Weitere Fehler können durch die verwendeten Kalibrierspiegel auftreten. Diese Umstände verursachen Messfehler bei einer Bestimmung einer Oberflächenform und verringern somit die Messgenauigkeit.A problem with these known measuring devices and methods with a diffractive optical element is that undesired wavefront changes can occur due to a necessarily three-dimensional realization of calculated two-dimensional grating or hologram structures. These wavefront changes are also referred to as “rigorous effects” and cannot be completely calibrated out with the aid of the calibration waves. Further errors can occur due to the calibration mirror used. These circumstances cause measurement errors when determining a surface shape and thus reduce the measurement accuracy.
Zugrunde liegende AufgabeUnderlying task
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung sowie ein Verfahren bereitzustellen, womit die vorgenannten Probleme gelöst werden, und insbesondere die Messgenauigkeit bei einer Bestimmung der Form einer optischen Oberfläche erhöht wird.It is an object of the invention to provide a measuring device and a method with which the aforementioned problems are solved and, in particular, the measuring accuracy when determining the shape of an optical surface is increased.
Erfindungsgemäße LösungSolution according to the invention
Die vorgenannte Aufgabe kann erfindungsgemäß beispielsweise gelöst werden mit einer Messvorrichtung zur interferometrischen Bestimmung einer Form einer optischen Oberfläche eines Testobjekts, welche eine Bestrahlungseinrichtung zum Generieren einer Eingangswelle sowie ein diffraktives optisches Element umfasst. Das diffraktive optische Element ist dazu konfiguriert, aus der Eingangswelle eine erste Prüfwelle mit einer zumindest teilweise an eine Sollform der optischen Oberfläche angepassten Wellenfront zu erzeugen. Die Messvorrichtung ist weiterhin dazu konfiguriert, die erste Prüfwelle auf die optische Oberfläche zu richten sowie eine zweite Prüfwelle zu erzeugen, welche ebenfalls auf die optische Oberfläche gerichtet und beim Auftreffen auf die optische Oberfläche gegenüber der ersten Prüfwelle verkippt ist.According to the invention, the aforementioned object can be achieved, for example, with a measuring device for interferometric determination of a shape of an optical surface of a test object, which comprises an irradiation device for generating an input wave and a diffractive optical element. The diffractive optical element is configured to generate a first test wave from the input wave with a wave front that is at least partially adapted to a nominal shape of the optical surface. The measuring device is also configured to direct the first test wave onto the optical surface and to generate a second test wave which is also directed onto the optical surface and is tilted relative to the first test wave when it hits the optical surface.
Die Bestrahlungseinrichtung stellt insbesondere eine für interferometrische Messungen ausreichend kohärente elektromagnetische Strahlung in einer oder mehreren verschiedenen Wellenlängen bereit. Dazu kann die Bestrahlungseinrichtung zum Beispiel einen geeigneten Laser umfassen. Weiterhin können kohärente Eingangswellen über eine von der Messvorrichtung umfasste Anordnung mit Linsen, Spiegeln, Faserelementen oder einer Kombination dieser Elemente bereitgestellt werden. Zur Reduktion von Speckle-Effekten ist außerdem ein nicht verschwindender Lichtleitwert des Interferometers vorteilhaft, derart, dass lokal am diffraktiven optische Element näherungsweise eine Beleuchtung durch ebene (also kohärente) Wellen vorliegt, wobei verschiedene Beleuchtungsrichtungen zueinander inkohärent sind und nur kleine Winkeldifferenzen aufweisen. Das Maximum der Winkeldifferenz der Bestrahlung an einem Punkt des diffraktiven optischen Elements definiert die Beleuchtungs-NA des Systems. Für einige Ausführungsformen liegt die Beleuchtungs-NA in der Größenordnung von 1 mrad, für andere sind jedoch kleinere Beleuchtungs-NAs vorteilhaft.In particular, the irradiation device provides electromagnetic radiation that is sufficiently coherent for interferometric measurements in one or more different wavelengths. For this purpose, the irradiation device can comprise a suitable laser, for example. Furthermore, coherent input waves can be provided via an arrangement comprised by the measuring device with lenses, mirrors, fiber elements or a combination of these elements. To reduce speckle effects is In addition, a non-vanishing light conductance value of the interferometer is advantageous such that there is approximately an illumination by plane (i.e. coherent) waves locally on the diffractive optical element, with different illumination directions being incoherent to one another and only having small angle differences. The maximum of the angle difference of the irradiation at a point of the diffractive optical element defines the illumination NA of the system. For some embodiments the illumination NA is on the order of 1 mrad, but for others smaller illumination NAs are advantageous.
Das diffraktive optische Element umfasst zum Beispiel ein computergeneriertes Hologramm (CGH) zum Erzeugen der ersten, der zweiten oder beider Prüfwellen. Ein computergeneriertes Hologramm wird durch Berechnen einer geeigneten Linienstruktur als diffraktive Struktur unter Verwendung eines Computers und geeigneter Verfahren, zum Beispiel Strahlenverfolgung, und anschließendes Schreiben der berechneten Linienstruktur auf oder in die Oberfläche eines Substrats erzeugt.The diffractive optical element comprises, for example, a computer-generated hologram (CGH) for generating the first, the second or both test waves. A computer-generated hologram is generated by calculating a suitable line structure as a diffractive structure using a computer and suitable methods, for example ray tracing, and then writing the calculated line structure on or in the surface of a substrate.
Die erste Prüfwelle kann bei Erzeugung am diffraktiven optischen Element direkt auf die optische Oberfläche gerichtet sein oder nach deren Erzeugung von einem weiteren optischen Element der Messvorrichtung auf die optische Oberfläche gerichtet werden. Die zweite Prüfwelle wird im Folgenden auch als gescherte Prüfwelle bezeichnet und beispielsweise mit Hilfe des diffraktiven optischen Elements oder eines oder mehrerer weiterer optischer Elemente der Messvorrichtung erzeugt. Auch bei der zweiten Prüfwelle kann die Ausrichtung auf die zu vermessende optische Oberfläche bei der Erzeugung oder erst danach mittels einem oder mehrerer geeigneter optischer Elemente der Messvorrichtung erfolgen.When generated on the diffractive optical element, the first test wave can be directed directly onto the optical surface or, after it has been generated, be directed onto the optical surface by a further optical element of the measuring device. The second test wave is also referred to below as a sheared test wave and is generated, for example, with the aid of the diffractive optical element or one or more further optical elements of the measuring device. In the case of the second test shaft, too, the alignment with the optical surface to be measured can take place during generation or only afterwards by means of one or more suitable optical elements of the measuring device.
Die erfindungsgemäße Lösung verringert den Einfluss rigoroser Effekte auf die Messung. Rigorose Effekte sind auf das Problem zurückzuführen, dass die Wirkung eines Beugungsgitters bei hohen Liniendichten, bei denen eine Gitterperiode nicht wesentlich größer ist als die Wellenlänge der verwendeten Strahlung, mit einer einfachen Beugungstheorie schwer vorhersagbar ist. Ferner haben auch fertigungsbedingte Parameter des Gitters, wie etwa Steghöhe, Flankensteilheit und Rundungen von Kanten einen Einfluss auf die Wirkung des Gitters. Derartige Einflüsse sind nicht alleine durch die Gitterperiode definiert und werden in dem vorliegenden technischen Feld auch als rigorose Effekte bezeichnet.The solution according to the invention reduces the influence of rigorous effects on the measurement. Rigorous effects are due to the problem that the effect of a diffraction grating at high line densities, where a grating period is not significantly greater than the wavelength of the radiation used, is difficult to predict with a simple diffraction theory. Furthermore, production-related parameters of the grille, such as the web height, flank steepness and rounding of edges, have an influence on the effect of the grille. Such influences are not only defined by the grating period and are also referred to as rigorous effects in the technical field at hand.
Gemäß einer Ausführungsform nach der Erfindung umfasst die Messvorrichtung weiterhin eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Interferogramms, welches durch Überlagerung der beiden Prüfwellen nach jeweiliger Wechselwirkung mit der optischen Oberfläche erzeugt wird. Beispielsweise enthält die Erfassungsvorrichtung eine Kamera, etwa eine CCD-Kamera, zum Erfassen eines in einer Erfassungsebene der Messvorrichtung durch Überlagerung der beiden Prüfwellen erzeugten Interferogramms.According to one embodiment according to the invention, the measuring device further comprises a detection device for detecting an interferogram which is generated by superimposing the two test waves after the respective interaction with the optical surface. For example, the detection device contains a camera, for example a CCD camera, for detecting an interferogram generated in a detection plane of the measuring device by superimposing the two test waves.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist die zweite Prüfwelle beim Auftreffen auf die optische Oberfläche gegenüber der ersten Prüfwelle um maximal 1 mrad, insbesondere um maximal 0,1 mrad, verkippt. Insbesondere ist die zweite Prüfwelle nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform bei der optischen Oberfläche um maximal 0,1 mrad gegenüber der ersten Prüfwelle verkippt.According to a further embodiment according to the invention, when it hits the optical surface, the second test shaft is tilted by a maximum of 1 mrad, in particular by a maximum of 0.1 mrad, with respect to the first test shaft. In particular, according to an embodiment of the invention, the second test shaft is tilted at the optical surface by a maximum of 0.1 mrad with respect to the first test shaft.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Messvorrichtung weiterhin eine Steuerungsvorrichtung, welche dazu konfiguriert ist, während der Durchführung eines Messvorgangs das Testobjekt nacheinander in mehreren Kippstellungen anzuordnen. Hierfür umfasst die Messvorrichtung zum Beispiel eine entsprechend verkippbare Halteeinrichtung zum Halten des Testobjekts. Vorzugsweise umfasst die Halteeinrichtung geeignet ausgebildete Aktuatoren, wie beispielsweise Piezoelemente, zum Kippen der Haltevorrichtung in eine bestimmte Kippstellung.In one embodiment according to the invention, the measuring device further comprises a control device which is configured to arrange the test object one after the other in a plurality of tilted positions while a measuring process is being carried out. For this purpose, the measuring device comprises, for example, a correspondingly tiltable holding device for holding the test object. The holding device preferably comprises suitably designed actuators, such as piezo elements, for tilting the holding device into a specific tilted position.
Durch die Anordnung des Testobjekts in den unterschiedlichen Kippstellungen erfolgt ein sogenanntes „Phasenschieben“. Dabei werden in aufeinanderfolgenden Phasenschritten unterschiedliche Phasendifferenzen zwischen der Prüfwelle und der gescherten Prüfwelle erzeugt. Die bei den einzelnen Phasenschritten erzeugten Interferogramme werden mittels der Erfassungseinrichtung aufgezeichnet.By arranging the test object in the different tilt positions, a so-called "phase shift" occurs. Different phase differences are generated between the test shaft and the sheared test shaft in successive phase steps. The interferograms generated in the individual phase steps are recorded by means of the detection device.
Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Auswerteeinrichtung, welche aus den bei einem Phasenschieben in einer Kipprichtung erzeugten Interferogrammen die Ableitungen der Formabweichung des Testobjekts von der Sollform entlang der Richtung des Phasenschiebens berechnet. Durch Integration der Ableitungen mittels der Auswerteeinrichtung wird anschließend die Formabweichung des Testobjekts in der genannten Richtung bestimmt.One embodiment of the invention comprises an evaluation device which calculates the derivatives of the form deviation of the test object from the nominal form along the direction of the phase shift from the interferograms generated during a phase shift in a tilting direction. By integrating the derivations by means of the evaluation device, the form deviation of the test object is then determined in the direction mentioned.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Phasenschieben in zwei verschiedenen Richtungen, insbesondere in zwei zueinander orthogonalen Richtungen, wobei für jede der Richtungen ein eigenes diffraktives optisches Element in der Messvorrichtung angeordnet ist. Durch Integration aller resultierenden Ableitungen mittels einer geeignet konfigurierten Auswerteeinrichtung wird daraufhin die Formabweichung des Testobjekts in beide Richtungen und somit zweidimensional bestimmt.According to a further embodiment, the phase shifting takes place in two different directions, in particular in two mutually orthogonal directions, with a separate one for each of the directions diffractive optical element is arranged in the measuring device. By integrating all the resulting derivations by means of a suitably configured evaluation device, the form deviation of the test object is then determined in both directions and thus two-dimensionally.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Messvorrichtung beziehen sich die Kippstellungen des Testobjekts auf eine Testobjekt-Kippachse, die parallel oder im spitzen Winkel zu einer Prüfwellen-Kippachse angeordnet ist, worauf sich die Verkippung der beiden Prüfwellen zueinander beim Auftreffen auf die optische Oberfläche bezieht. Insbesondere ist der Winkel zwischen der Kippachse des Testobjekts und der Kippachse der Prüfwellen kleiner als 45° oder kleiner als 10°. Durch ein Kippen des Testobjekts in Scherrichtung, also in Richtung der Verkippung der beiden Prüfwellen zueinander, lässt sich ein Phasenschieben und somit ein einstellbarer Phasenoffset zwischen den interferierenden Feldern realisieren. Das Phasenschieben wird zur Umrechnung der Streifen-Interferenzbilder in Phasen oder deren Ableitung verwendet.In an embodiment of the measuring device according to the invention, the tilt positions of the test object relate to a test object tilt axis which is arranged parallel or at an acute angle to a test shaft tilt axis, to which the tilt of the two test shafts to each other when they hit the optical surface relates. In particular, the angle between the tilt axis of the test object and the tilt axis of the test shafts is less than 45 ° or less than 10 °. By tilting the test object in the shear direction, that is to say in the direction of tilting the two test shafts relative to one another, a phase shift and thus an adjustable phase offset between the interfering fields can be implemented. Phase shifting is used to convert the fringe interference images into phases or to derive them.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist die zweite Prüfwelle gegenüber der ersten Prüfwelle bezüglich einer ersten Prüfwellen-Kippachse verkippt und die Messvorrichtung weiterhin dazu konfiguriert, eine dritte Prüfwelle zu erzeugen, welches ebenfalls auf die optische Oberfläche gerichtet ist und beim Auftreffen auf die optische Oberfläche gegenüber der ersten Prüfwelle bezüglich einer zweiten Prüfwellen-Kippachse verkippt ist. Bei einer Ausführungsvariante weicht die zweite Prüfwellen-Kippachse mindestens 45° von der ersten Prüfwellen-Kippachse ab. Insbesondere kann die Messvorrichtung derart konfiguriert sein, dass die beiden Prüfwellen-Kippachsen zueinander orthogonal sind. Mittels einer Kombination der gemessenen Abweichungen der Oberflächenform des Testobjekts von der Sollform in den beiden unterschiedlichen Scherrichtungen lässt sich eine zweidimensionale Passeabweichung bestimmen.According to a further embodiment of the invention, the second test shaft is tilted relative to the first test shaft with respect to a first test shaft tilting axis and the measuring device is further configured to generate a third test wave which is also directed at the optical surface and when it hits the optical surface is tilted relative to the first test shaft with respect to a second test shaft tilt axis. In one embodiment variant, the second test shaft tilting axis deviates at least 45 ° from the first test shaft tilting axis. In particular, the measuring device can be configured in such a way that the two test shaft tilting axes are orthogonal to one another. A two-dimensional fit deviation can be determined by combining the measured deviations of the surface shape of the test object from the nominal shape in the two different shear directions.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Messvorrichtung umfasst weiterhin mindestens einen Kalibierspiegel und das diffraktive optische Element ist dazu konfiguriert, aus der Eingangswelle eine auf den Kalibrierspiegel gerichtete Kalibrierwelle zu erzeugen. Dabei kann die Kalibrierwelle direkt auf den Kalibrierspiegel gerichtet sein oder von einem weiteren optischen Element der Messvorrichtung auf den Kalibrierspiegel gelenkt werden. Die Kalibrierwelle dient vorzugsweise dazu, Verzerrungen der Beugungsstrukturen des diffraktiven optischen Elements gegenüber einer Sollkonfiguration zu detektieren. Mittels dieser Information werden die durch die Verzerrungen erzeugten Fehler bei der Bestimmung der Form der optischen Oberfläche des Testobjekts heraus gerechnet. Insbesondere umfasst die Messvorrichtung bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform drei Kalibrierspiegel und das diffraktive optische Element ist dazu konfiguriert, aus der Eingangswelle drei Kalibrierwellen zu erzeugen, welche jeweils auf einen der drei Kalibrierspiegel gerichtet sind. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Kalibrierwellen jeweils sphärische Wellen.An embodiment of the measuring device according to the invention furthermore comprises at least one calibration mirror and the diffractive optical element is configured to generate a calibration wave directed onto the calibration mirror from the input wave. The calibration shaft can be directed directly onto the calibration mirror or be directed onto the calibration mirror by a further optical element of the measuring device. The calibration wave is preferably used to detect distortions of the diffraction structures of the diffractive optical element with respect to a target configuration. Using this information, the errors generated by the distortions when determining the shape of the optical surface of the test object are calculated out. In particular, in one embodiment according to the invention, the measuring device comprises three calibration mirrors and the diffractive optical element is configured to generate three calibration waves from the input wave, which are each directed to one of the three calibration mirrors. According to a further embodiment, the calibration waves are each spherical waves.
Bei einer Ausführungsform nach der Erfindung ist die Bestrahlungseinrichtung dazu konfiguriert, die Eingangswelle mit einer derartigen optischen Frequenzverteilung zu generieren, dass die beiden Prüfwellen bei Wechselwirkung der Eingangswelle mit dem diffraktiven optischen Element aus zwei unterschiedlichen optischen Frequenzen der Eingangswelle erzeugt werden. Mit anderen Worten weist die frequenzaufgelöste Intensitätsverteilung der Eingangswelle jeweils ein Maximum an zwei unterschiedlichen Frequenzen auf. Vorzugsweise ist das Verhältnis zwischen Frequenzabstand der beiden benachbarten Frequenzen zur Frequenz kleiner als 10-4. Die unterschiedliche Frequenz führt zu einer Aufspaltung der Eingangswelle an dem diffraktiven optischen Element in eine Prüfwelle mit einer ersten Frequenz und eine zu dieser gescherten Prüfwelle mit einer zweiten Frequenz. Der Winkel zwischen den Ausbreitungsrichtungen der Prüfwelle und der gescherten Prüfwelle hängt von der Wellenlänge, einer Gitterkonstanten des diffraktiven Elements und dem Verhältnis zwischen Frequenzabstand und Frequenz ab. Ferner weist die Eingangswelle bei beiden Frequenzen eine ausreichende Kohärenz für eine interferometrische Messung auf.In one embodiment according to the invention, the irradiation device is configured to generate the input wave with such an optical frequency distribution that the two test waves are generated from two different optical frequencies of the input wave when the input wave interacts with the diffractive optical element. In other words, the frequency-resolved intensity distribution of the input wave has a maximum of two different frequencies. The ratio between the frequency spacing of the two adjacent frequencies to the frequency is preferably less than 10 -4 . The different frequency leads to a split of the input wave at the diffractive optical element into a test wave with a first frequency and a test wave sheared in relation to this with a second frequency. The angle between the directions of propagation of the test wave and the sheared test wave depends on the wavelength, a lattice constant of the diffractive element and the relationship between frequency spacing and frequency. Furthermore, the input wave has sufficient coherence for an interferometric measurement at both frequencies.
Hierfür umfasst die Bestrahlungseinrichtung der Messvorrichtung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einen Frequenzkammgenerator zur Erzeugung der optischen Frequenzverteilung. Der Frequenzkammgenerator umfasst beispielsweise einen gepulsten Femtosekundenlaser. Ein solcher Laser erzeugt Lichtpulse mit einer Pulsdauer im Femtosekundenbereich. Alternativ kann der Frequenzkammgenerator auch eine lineare optische Kavität mit einem optischen Modulator enthalten oder auf eine andere, dem Fachmann bekannte Art und Weise aufgebaut sein. Ein Frequenzkammgenerator wird beispielsweise in der
Gemäß einer Ausführungsform nach der Erfindung umfasst das diffraktive optische Element ein komplex kodiertes Phasengitter mit einer ersten Phasenfunktion zur Erzeugung der ersten Prüfwelle und einer zweiten Phasenfunktion zur Erzeugung der zweiten Prüfwelle. Ein komplex kodiertes Phasengitter ist z.B. in
Eine Phasenverschiebung zwischen der Prüfwelle und der gescherten Prüfwelle erfolgt beispielweise durch einen Kipp des Testobjekts mittels einer geeignet konfigurierten Halteeinrichtung. Für kleine Scherungen werden im Wesentlichen die Ableitungen der Oberflächenform in Scherrichtung bestimmt. Aus dieser wird mit einer geeigneten Auswerteeinrichtung durch Integration eine Abweichung von einer Sollform des Testobjekts in der genannten Richtung bestimmt. Gegenüber konventioneller Scher-Interferometrie erfolgt eine Scherung bzw. Phasenschiebung im diffraktiven optischen Element und beim Testobjekt ohne zusätzliche fehlerinduzierende optische Elemente. Bei dieser Ausführungsform ist eine kleine Scherung s vorteilhaft, so dass die interferierenden Wellen keine hochfrequenten Phasenunterschiede p aufweisen, oder in anderen Worten, die Streifendichte im Interferogramm hinreichend klein bleibt, um die Interferenzstreifen und deren Kanten in der Kamera aufzulösen. Für kleine Scherung s ist dann p proportional zu Richtungsableitung der Prüflings-Passe h in Richtung der Scherung und zum Betrag der Scherung, insbesondere die Streifendichte also direkt proportional zu s. Andererseits verursachen kleine Scherungen Falschlicht aus benachbarten Beugungsordnungen, deren Winkel zu den beiden Nutzwellen des Interferogramms proportional zu 1/s ist. Dieser Winkel beschränkt sowohl die Beleuchtungs- als auch die Abbildungs-NA des interferometrischen Systems. Beide können beispielweise kleiner 0,1 oder 0,01 ein.A phase shift between the test shaft and the sheared test shaft occurs, for example, by tilting the test object by means of a suitably configured holding device. For small shearings, the derivatives of the surface shape in the shear direction are essentially determined. From this, with a suitable evaluation device, a deviation from a nominal shape of the test object in the mentioned direction is determined by integration. Compared to conventional shear interferometry, there is a shear or phase shift in the diffractive optical element and in the test object without additional error-inducing optical elements. In this embodiment, a small shear s is advantageous, so that the interfering waves do not have any high-frequency phase differences p, or in other words, the fringe density in the interferogram remains sufficiently small to resolve the interference fringes and their edges in the camera. For small shear s, p is then proportional to the directional derivative of the test object pass h in the direction of the shear and to the amount of shear, in particular the stripe density, i.e. directly proportional to s Interferogram is proportional to 1 / s. This angle limits both the illumination and imaging NA of the interferometric system. Both can, for example, be less than 0.1 or 0.01.
Eine weitere Ausführungsform mit komplex kodiertem Phasengitter, welche einen größeren Kippwinkel zwischen den Prüfwellen und damit eine größere Beleuchtungs- und Abbildungs-NA erlaubt, nutzt eine weitere Phasenfunktion im komplex kodierten Gitter, um die erste und zweite Prüfwelle nach Reflexion am Prüfling auf die gleiche Welle nach dem zweiten Durchlauf des CGHs abzubilden, sofern der Prüfling fehlerfrei ist. Zum Beispiel kann die erste Prüfwelle der Passe angepasst sein, die zweite Prüfwelle eine weitere Beugungsordnung der ersten Prüfwelle sein, und die zusätzliche CGH-Phasenfunktion der Phasendifferenz der am Prüfling reflektierten zweiten Welle und der Beleuchtungswelle in der CGH-Ebene angepasst sein. Nachteil dieser Ausführungsform ist, dass die CGH-Fläche nicht mehr näherungsweise zu sich selbst konjugiert ist im Sinne, dass Strahlaufspaltung und Rekombination näherungsweise am gleichen Ort des CGHs erfolgen, so dass die Interferenzphase a priori auch Fertigungsfehler des Interferometers außerhalb des CGHs erfasst, die einer separaten Kalibrierung bedürfen. So ist es in diese Ausführungsform vorteilhaft, das CGH in Reflektion zu nutzen, um Aberrationen einer kohärenten Beleuchtungswelle infolge des Durchtritts des CGH-Rückseite und der folgenden Propagation im homogenen, unstrukturierten Medium zu vermeiden.Another embodiment with a complex coded phase grating, which allows a larger tilt angle between the test waves and thus a larger illumination and imaging NA, uses a further phase function in the complex coded grating to convert the first and second test waves onto the same wave after reflection on the test object to be mapped after the second run of the CGH, provided the test item is free of errors. For example, the first test wave can be adapted to the yoke, the second test wave can be a further diffraction order of the first test wave, and the additional CGH phase function can be adapted to the phase difference of the second wave reflected on the test object and the illumination wave in the CGH plane. The disadvantage of this embodiment is that the CGH surface is no longer approximately conjugate to itself in the sense that beam splitting and recombination take place at approximately the same location of the CGH, so that the interference phase a priori also detects manufacturing errors of the interferometer outside the CGH, which one require separate calibration. In this embodiment it is advantageous to use the CGH in reflection in order to avoid aberrations of a coherent illumination wave as a result of the passage of the CGH rear side and the subsequent propagation in the homogeneous, unstructured medium.
Gemäß einer weiteren Ausbildungsform nach der Erfindung umfasst die Messvorrichtung weiterhin einen im Strahlengang der ersten Prüfwelle angeordneten Strahlteiler, welcher dazu konfiguriert ist, die zweite Prüfwelle von der ersten Prüfwelle abzuspalten. Insbesondere kann das diffraktive optische Element der Messvorrichtung ein Quad-CGH zum Erzeugen der Prüfwelle und von drei Kalibrierwellen umfassen. Der Strahlenteiler teilt dann die zweite, gescherte Prüfwelle von der vom Quad-CGH erzeugten Prüfwelle ab. Ferner kann auch bei diesen Ausführungsformen eine Halteeinrichtung derart konfiguriert sein, dass ein Phasenschieben durch Verkippen des Testobjekts durchführbar ist.According to a further embodiment according to the invention, the measuring device further comprises a beam splitter arranged in the beam path of the first test shaft, which beam splitter is configured to split off the second test shaft from the first test shaft. In particular, the diffractive optical element of the measuring device can comprise a Quad-CGH for generating the test wave and three calibration waves. The beam splitter then divides the second, sheared test wave from the test wave generated by the Quad-CGH. Furthermore, in these embodiments too, a holding device can be configured in such a way that phase shifting can be carried out by tilting the test object.
Der Strahlenteiler ist nach einer Ausführungsform der Erfindung als Beugungsgitter konfiguriert. Beispielsweise dienen unterschiedlichen Beugungsordnungen, wie etwa die +1. und -1. Beugungsordnung der auf das Beugungsgitter einstrahlenden ersten Prüfwelle als auf die optische Oberfläche des Testobjekts gerichtete erste und zweite, gescherte Prüfwellen. Bei einer Verwendung eines Strahlenteilers heben sich rigorose Fehler des diffraktiven optischen Elements durch eine Scher-Differenzbildung auf. Fehler durch den Strahlteiler lassen sich im Allgemeinen einfacher durch Kalibrierung berücksichtigen oder sind irrelevant.According to one embodiment of the invention, the beam splitter is configured as a diffraction grating. For example, different diffraction orders are used, such as the +1. and -1. Diffraction order of the first test wave radiating onto the diffraction grating as first and second, sheared test waves directed onto the optical surface of the test object. When using a beam splitter, rigorous errors of the diffractive optical element cancel each other out by forming a shear difference. Errors caused by the beam splitter can generally be taken into account more easily by calibration or are irrelevant.
Gemäß einer Ausführungsform nach der Erfindung ist ein erstes diffraktives optische Element dazu konfiguriert, aus der Eingangswelle die erste Prüfwelle und die zweite Prüfwelle zu erzeugen, und umfasst die Messvorrichtung ein zweites diffraktives optisches Element, welches dazu konfiguriert ist, die erste Prüfwelle und die dritte Prüfwelle zu erzeugen. Vorzugsweise ist die von den Ausbreitungsrichtungen der ersten und zweiten Prüfwelle aufgespannte Ebene senkrecht zu der von den Ausbreitungsrichtungen der ersten und dritten Prüfwelle aufgespannten Ebene. Mit anderen Worten ist die Kippachse der zweiten Prüfwelle gegenüber der ersten Prüfwelle orthogonal zur Kippachse der dritten Prüfwelle gegenüber der ersten Prüfwelle. Auf diese Weise werden in zwei zueinander orthogonalen Scherrichtungen Ableitungen der optischen Oberfläche bestimmt. Mit einer geeignet konfigurierten Auswerteeinrichtung kann aus diesen Ableitungen mittels Integration eine zweidimensionale Abweichung der Oberfläche von einer Sollform bestimmt werden.According to one embodiment of the invention, a first diffractive optical element is configured to generate the first test wave and the second test wave from the input wave, and the measuring device comprises a second diffractive optical element which is configured to generate the first test wave and the third test wave to create. The plane spanned by the directions of propagation of the first and second test waves is preferably perpendicular to the plane spanned by the directions of propagation of the first and third test waves. In other words, the tilt axis of the second test shaft relative to the first test shaft is orthogonal to the tilt axis of the third test shaft relative to the first test shaft. In this way, derivatives of the optical surface are created in two mutually orthogonal shear directions certainly. With a suitably configured evaluation device, a two-dimensional deviation of the surface from a nominal shape can be determined from these derivations by means of integration.
Ferner ist gemäß einer Ausführungsform nach der Erfindung ein Strahlenteiler derart drehbar im Strahlengang der ersten Prüfwelle angeordnet, dass in einer ersten Drehstellung die zweite Prüfwelle und in einer zweiten Drehstellung die dritte Prüfwelle von der ersten Prüfwelle abgespalten wird. Beispielsweise ist der Strahlenteiler um 90° drehbar ausgebildet. Wie bereits oben ausgeführt ist dann die von der ersten und zweiten Prüfwelle festgelegte Scherrichtung orthogonal zu der von der ersten und dritten Prüfwelle festgelegten Scherrichtung. Dieses ermöglicht eine sehr genaue zweidimensionale Vermessung der optischen Oberfläche.Furthermore, according to one embodiment of the invention, a beam splitter is rotatably arranged in the beam path of the first test shaft in such a way that the second test shaft is split off in a first rotary position and the third test shaft is split off from the first test shaft in a second rotary position. For example, the beam splitter is designed to be rotatable by 90 °. As already stated above, the shear direction established by the first and second test shaft is orthogonal to the shear direction established by the first and third test shaft. This enables a very precise two-dimensional measurement of the optical surface.
Die vorgenannte Aufgabe kann weiterhin beispielsweise gelöst werden mit einem Verfahren zur interferometrischen Bestimmung einer Form einer optischen Oberfläche eines Testobjekts, wobei das Verfahren ein Generieren einer Eingangswelle, ein Erzeugen einer ersten Prüfwelle mit einer zumindest teilweise an eine Sollform der optischen Oberfläche angepassten Wellenfront aus der Eingangswelle mittels eines diffraktiven optischen Elements, und ein Richten der ersten Prüfwelle auf die optische Oberfläche umfasst. Weiterhin umfasst das Verfahren ein Erzeugen einer zweiten Prüfwelle, welche ebenfalls auf die optische Oberfläche gerichtet und beim Auftreffen auf die optische Oberfläche gegenüber der ersten Prüfwelle verkippt ist.The aforementioned object can also be achieved, for example, with a method for interferometric determination of a shape of an optical surface of a test object, the method generating an input wave, generating a first test wave with a wavefront from the input wave that is at least partially adapted to a nominal shape of the optical surface by means of a diffractive optical element, and directing the first test wave onto the optical surface. The method further comprises generating a second test wave, which is also directed at the optical surface and is tilted relative to the first test wave when it hits the optical surface.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst ein Erfassen eines Interferogramms, welches durch Überlagerung der beiden Prüfwellen nach jeweiliger Wechselwirkung mit der optischen Oberfläche erzeugt wird. Ferner erfolgt bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Anordnen des Testobjekts nacheinander in mehreren Kippstellungen während der Durchführung eines Messvorgangs.One embodiment of the method according to the invention comprises recording an interferogram which is generated by superimposing the two test waves after each interaction with the optical surface. Furthermore, in one embodiment of the method according to the invention, the test object is arranged one after the other in a plurality of tilted positions while a measurement process is being carried out.
Die bezüglich der vorstehend aufgeführten Ausführungsformen, Ausführungsbeispiele bzw. Ausführungsvarianten, etc. der erfindungsgemäßen Messvorrichtung angegebenen Merkmale können entsprechend auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen werden. Diese und andere Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden in der Figurenbeschreibung und den Ansprüchen erläutert. Die einzelnen Merkmale können entweder separat oder in Kombination als Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht werden. Weiterhin können sie vorteilhafte Ausführungsformen beschreiben, die selbstständig schutzfähig sind und deren Schutz ggf. erst während oder nach Anhängigkeit der Anmeldung beansprucht wird.The features specified with regard to the above-mentioned embodiments, exemplary embodiments or design variants, etc. of the measuring device according to the invention can be transferred accordingly to the method according to the invention. These and other features of the embodiments according to the invention are explained in the description of the figures and the claims. The individual features can be realized either separately or in combination as embodiments of the invention. Furthermore, they can describe advantageous embodiments that can be independently protected and whose protection may only be claimed during or after the application is pending.
FigurenlisteFigure list
Die vorstehenden, sowie weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigt:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur interferometrischen Bestimmung einer Form einer optischen Oberfläche eines Testobjekts mit einem Frequenzkammgenerator in einer schematischen Veranschaulichung, -
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit einem computergenerierten Hologramm zur Erzeugung einer ersten Prüfwelle, einer gescherten Prüfwelle und drei sphärischer Kalibrierwellen in einer schematischen Veranschaulichung, -
3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit einem computergenerierten Hologramm zur Erzeugung einer ersten Prüfwelle und von Kalibrierwellen, sowie einem Strahlenteiler zur Erzeugung einer gescherten Prüfwelle aus der ersten Prüfwelle, sowie -
4 den Strahlengang von Spiegel-angepasster Prüfwelle und dazu verkippter Welle in einer Ausführungsform mit starker Kippung, bei der das CGH nicht näherungsweise selbstkonjugiert ist und die Beleuchtung durch zueinander inkohärente ebene Wellen erfolgt.
-
1 a first embodiment of a measuring device according to the invention for the interferometric determination of a shape of an optical surface of a test object with a frequency comb generator in a schematic illustration, -
2 a second embodiment of a measuring device according to the invention with a computer-generated hologram for generating a first test wave, a sheared test wave and three spherical calibration waves in a schematic illustration, -
3 a third embodiment of a measuring device according to the invention with a computer-generated hologram for generating a first test wave and calibration waves, and a beam splitter for generating a sheared test wave from the first test wave, and -
4th the beam path of the mirror-adapted test wave and the wave tilted to it in an embodiment with strong tilt, in which the CGH is not approximately self-conjugate and the illumination is carried out by mutually incoherent plane waves.
Detaillierte Beschreibung erfindungsgemäßer AusführungsbeispieleDetailed description of exemplary embodiments according to the invention
In den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bzw. Ausführungsformen oder Ausführungsvarianten sind funktionell oder strukturell einander ähnliche Elemente soweit wie möglich mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Daher sollte zum Verständnis der Merkmale der einzelnen Elemente eines bestimmten Ausführungsbeispiels auf die Beschreibung anderer Ausführungsbeispiele oder die allgemeine Beschreibung der Erfindung Bezug genommen werden.In the exemplary embodiments or embodiments or design variants described below, elements that are functionally or structurally similar to one another are provided as far as possible with the same or similar reference symbols. Therefore, in order to understand the features of the individual elements of a specific exemplary embodiment, reference should be made to the description of other exemplary embodiments or the general description of the invention.
Zur Erleichterung der Beschreibung ist in einigen Zeichnungen ein kartesisches xyz-Koordinatensystem angegeben, aus dem sich die jeweilige Lagebeziehung der in den Figuren dargestellten Komponenten ergibt. In
In
Die Messvorrichtung
Die Bestrahlungseinrichtung
Der Frequenzkammgenerator
Das diffraktive optische Element
Hierfür können die diffraktiven Strukturmuster
Die Eingangswelle
Die erste und die gescherte Prüfwelle
Das Kippen des Testobjekts
Durch ein Kippen des Testobjekts
Die von der optischen Oberfläche
Beide konvergente Prüfwellen
Eine in
Die Auswertungseinrichtung umfasst hierfür eine geeignet konfigurierte Datenverarbeitungseinheit und verwendet entsprechende, dem Fachmann bekannte Berechnungsverfahren. Alternativ oder zusätzlich kann die Messvorrichtung
Zur Bestimmung der Oberflächenform bezüglich einer zur x-Richtung nicht parallelen zweiten Scherrichtung kann die Messvorrichtung
Die Auswertungseinrichtung ermittelt analog zu der oben beschriebenen Richtungsableitung in x-Richtung nun auch die Richtungsableitung der Oberflächenform in y-Richtung aus erfassten Interferrogrammen bei verschiedenen Kippwinkeln. Mit Hilfe einer Kombination der ermittelten Richtungsableitungen der optischen Oberfläche in x- und in y-Richtung bestimmt die Auswertungseinrichtung schließlich eine zweidimensionale Abweichung der optischen Oberfläche von einer Sollform und somit die Form der Oberfläche.Analogously to the directional derivation in the x-direction described above, the evaluation device now also determines the directional derivation of the surface shape in the y-direction from recorded interferrograms at various tilt angles. With the help of a combination of the determined directional derivatives of the optical surface in the x and y directions, the evaluation device finally determines a two-dimensional deviation of the optical surface from a desired shape and thus the shape of the surface.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele ist eine zusätzliche Variation der jeweiligen Kipprichtung oder der Frequenzdifferenz zur Optimierung der Oberflächenvermessung möglich. Dieses wird beispielweise mit Hilfe eines entsprechend konfigurierten Frequenzkammgenerators oder einer geeignet ausgebildeten Halteeinrichtung für das Testobjekt oder das diffraktive optische Element ermöglicht.According to further exemplary embodiments, an additional variation of the respective tilting direction or the frequency difference is possible in order to optimize the surface measurement. This is made possible, for example, with the aid of an appropriately configured frequency comb generator or a suitably designed holding device for the test object or the diffractive optical element.
Ferner umfasst die Messvorrichtung
Nach einem erneuten Passieren des diffraktiven optischen Elements
Die Auswertungseinrichtung ist zur Auswertung der erfassten Interferenzmuster der Kalibrierwellen
Die Messvorrichtung
Im Unterschied zur Messvorrichtung nach
Weiterhin umfasst das diffraktive optische Element
Die Taylorentwicklung der Phase nach der Scherung s liefert die Approximation
The Taylor expansion of the phase after the shear s provides the approximation
Die Realisierung der Transferfunktion t im CGH kann mit weiteren Approximationen wie beispielsweise Stufengitter in der Phasen- oder Amplitudenwirkung einhergehen.The implementation of the transfer function t in the CGH can be accompanied by further approximations such as, for example, a step grating in the phase or amplitude effect.
Alternativ kann die Messvorrichtung auch zwei oder mehr im Strahlengang hintereinander angeordnete CGHs zur Erzeugung der Prüfwellen
Eine Phasenverschiebung Δϕj zwischen j-gescherten interferierenden Prüfwellen
Im Gegensatz zur konventionellen Scher-Interferometrie erfolgt bei der Messvorrichtung
In
Im Unterschied zur Messvorrichtung gemäß
Weiterhin umfasst die Messvorrichtung
Der Strahlenteiler
Die vorstehende Beschreibung beispielhafter Ausführungsbeispiele, Ausführungsformen bzw. Ausführungsvarianten ist exemplarisch zu verstehen. Die damit erfolgte Offenbarung ermöglicht es dem Fachmann einerseits, die vorliegende Erfindung und die damit verbundenen Vorteile zu verstehen, und umfasst andererseits im Verständnis des Fachmanns auch offensichtliche Abänderungen und Modifikationen der beschriebenen Strukturen und Verfahren. Daher sollen alle derartigen Abänderungen und Modifikationen, insoweit sie in den Rahmen der Erfindung gemäß der Definition in den beigefügten Ansprüchen fallen, sowie Äquivalente vom Schutz der Ansprüche abgedeckt sein.The above description of exemplary embodiments, embodiments or design variants is to be understood as exemplary. The disclosure thus made enables the person skilled in the art, on the one hand, to understand the present invention and the advantages associated therewith, and, on the other hand, also includes obvious changes and modifications of the structures and methods described in the understanding of those skilled in the art. Therefore, it is intended to cover all such changes and modifications insofar as they come within the scope of the invention as defined in the appended claims, and equivalents of the scope of protection of the claims.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- MessvorrichtungMeasuring device
- 1212
- optische Oberflächeoptical surface
- 1414th
- TestobjektTest object
- 1616
- BestrahlungseinrichtungIrradiation facility
- 1818th
- EingangswelleInput shaft
- 2020th
- diffraktives optisches Elementdiffractive optical element
- 2222nd
- erste Prüfwellefirst test wave
- 2424
- zweite, gescherte Prüfwellesecond, sheared test shaft
- 2626th
- HalteeinrichtungHolding device
- 2828
- ErfassungseinrichtungDetection device
- 3030th
- FrequenzkammgeneratorFrequency comb generator
- 3232
- diffraktive Strukturmusterdiffractive structure patterns
- 3434
- erste sphärische Kalibrierwellefirst spherical calibration shaft
- 3636
- zweite sphärische Kalibrierwellesecond spherical calibration shaft
- 3838
- dritte sphärische Kalibrierwellethird spherical calibration wave
- 4040
- Prüfwellen-KippachseTest shaft tilting axis
- 4242
- erste gescherte Kalibrierwellefirst sheared calibration shaft
- 4444
- zweite gescherte Kalibrierwellesecond sheared calibration shaft
- 4646
- dritte gescherte Kalibrierwellethird sheared calibration shaft
- 4848
- Testobjekt-KippachseTest object tilt axis
- 5050
- Verkippen TestobjektTilting test object
- 5252
- gekipptes Testobjekttilted test object
- 5454
- SteuerungsvorrichtungControl device
- 5656
- StrahlenteilerBeam splitter
- 5858
- Kameracamera
- 6060
- Okulareyepiece
- 6262
- ErfassungsebeneAcquisition level
- 6464
- erster Kalibrierspiegelfirst calibration mirror
- 6666
- erster Kalibrierspiegelfirst calibration mirror
- 6868
- erster Kalibrierspiegelfirst calibration mirror
- 7070
- monochrome Strahlenquellemonochrome radiation source
- 7272
- Quint-CGHQuint-CGH
- 7474
- Quad-CGHQuad CGH
- 7676
- StrahlenteilerBeam splitter
- 8080
- Beleuchtun7gswelleLighting wave
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- WO 2016/188620 A2 [0003]WO 2016/188620 A2 [0003]
- DE 102012212663 A1 [0021, 0038]DE 102012212663 A1 [0021, 0038]
- DE 102012217800 A1 [0022, 0040]DE 102012217800 A1 [0022, 0040]
Claims (15)
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