DE10223581A1

DE10223581A1 - System zur interferometrischen Prüfung gekrümmter Oberflächen

Info

Publication number: DE10223581A1
Application number: DE2002123581
Authority: DE
Inventors: Alexander Polescuk; Jean-Michel Asfour; Jens Hossfeld
Original assignee: Dioptic GmbH
Current assignee: Dioptic GmbH
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2002-05-28
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2022-05-29
Also published as: DE10223581B4

Abstract

Das interferometrische System zur Prüfung gekrümmter Oberflächen soll einfach aufgebaut sein, eine hohe Meßgenauigkeit aufweisen und durch Einsatz des jeweils zugeordneten diffraktiven Elements die Prüfung einer Vielzahl unterschiedlich gekrümmter Oberflächen erlauben. DOLLAR A Ein diffraktiv optisches Element (3, 4, 5) generiert in einem common-path-Interferometer in Reflexion eine Referenzwelle (7) und dient gleichzeitig in Transmission als Null-Optik zur Prüfung der reflektierenden, gekrümmten Oberfläche (1) des Testobjektes (2). DOLLAR A Das interferometrische System eignet sich insbesondere zur kostengünstigen Prüfung sphärischer und asphärischer optischer Oberflächen.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur interferometrischen Prüfung gekrümmter Oberflächen in Reflexion mit einem Interferometer und mit einem diffraktiven optischen Element.
Die präzise Prüfung von ebenen und sphärischen Oberflächen ist durch den Einsatz interferometrischer Techniken mittlerweile in relativ einfacher Weise möglich. Der Test asphärischer Oberflächen ist jedoch noch immer schwierig und kostenintensiv.
Häufig kommen dabei diffraktive Optiken, wie z. B. Computer-generierte Hologramme (CGHs), als Null-Optiken zum Einsatz, welche die Testwelle im Interferometer derart abbeugen, dass diese senkrecht zu der zu prüfenden asphärischen Oberfläche auftrifft, an dieser zurückreflektiert und vom CGH wieder rücktransformiert wird. Der Testwelle wird dann die separat geführte Referenzwelle überlagert. Hierbei limitieren u. a. die Substratqualität des CGHs, die Qualität der im Interferometer eingesetzten weiteren optischen Elemente und Störungen durch Luftfluktuationen die Messgenauigkeit. Eine Möglichkeit zur Kompensation eines Teiles dieser Fehler für den Fall kleiner Abweichungen der Asphäre von einer zugeordneten Sphäre mittels Mehrfachmessung und dem Einsatz eines speziell kodierten CGHs beschreibt die deutsche Anmeldeschrift DE 198 20 785 A1.
Eine weitere mögliche Prüfanordnung zur Asphärenprüfung beschreibt die US- Patentschrift 5,737,079. Bei diesem Aufbau wird eine der Asphärenform möglichst angepasste sphärische Lichtwelle erzeugt, welche als nullte Beugungsordnung eines eingebrachten DOE nahezu senkrecht auf die Asphäre trifft und von dieser reflektiert die Testwelle ergibt. In erster Beugungsordnung reflektiert das DOE einer der Asphärizität angepassten Referenzwelle. Für kleine Abweichungen der Asphäre von einer entsprechenden Sphäre und kleine Abstände zwischen DOE und Asphäre liegt hierbei der gegen Störungen der Interferometeroptik robuste Fall eines common-path- Interferometers vor.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein interferometrisches System zur Prüfung gekrümmter Oberflächen zu schaffen, welches einfach und preiswert ist, gleichzeitig eine hohe Meßgenauigkeit aufweist und durch Einsatz des jeweils zugeordneten diffraktiven Elements die Prüfung einer Vielzahl unterschiedlich gekrümmter Oberflächen erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System der in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Hierzu dient ein komplexes diffraktiv optisches Element in einem Fizeau- Interferometer zugleich in Reflexion als Strahlteiler und Referenzspiegel und in Transmission als Null-Optik.
Durch den Aufbau als common-path-Interferometer, ist das System vergleichsweise unempfindlich hinsichtlich Abweichung der Phasenfront der auf das diffraktiv optische Element einfallenden Welle, wie Sie etwa durch Toleranzen beim Zusammenbau des optischen Systems, bei der Qualität des Substrates des diffraktiv optischen Elementes oder durch Luftturbulenzen entstehen können. Auf eine Kompensation der entsprechenden Messabweichungen durch Mehrfachmessung kann somit i. A. verzichtet werden.
Die Erzeugung der Referenzwelle mittels Beugung erlaubt es, das diffraktive Element gegen die Eingangswelle geneigt einzubauen. Hierdurch kann z. B. anstelle eines sonst in Fizeau-Interferometern notwendigen gekeilten Referenzspiegels ein kostengünstigeres planparalleles Substrat verwendet werden, ohne dass ein ungewünschter Rückreflex von der zweiten Substratoberfläche die Messung stört.
Die Erzeugung der Referenzwelle mittels Beugung erlaubt es außerdem, gekrümmte Substrate einzusetzen und dennoch eine zur einfallenden Welle konjugierte Referenzwelle zur erzeugen.
Die Erzeugung der Referenzwelle mittels Beugung erlaubt es außerdem, die Intensität der Referenzwelle durch die Auswahl einer geeigneten Beugungseffektivität in weitem Bereich an die Reflektivität des Prüflings und die Beugungseffizienz des transmittiven Anteiles des diffraktiven Elementes anpassen. Eine solche Auswahl ist mit den Mitteln der computer-generierten Holografie z. B. durch Einstellung des Tastverhältnisses des lokalen Beugungsgitters in einfacher Weise möglich.
In gleicher Weise lässt sich die ebenfalls durch Beugung erzeugte Testwelle in Ihrer Intensität anpassen.
Die Erzeugung der Testwelle durch Beugung erlaubt es außerdem, z. B. unter Rückgriff auf die Methoden der Computergenerierten Holographie, die Vermessung verschieden gekrümmter Oberflächen, insbesondere auch solcher, die stark von einer sphärischen Form abweichen.
Die Auslegung als Nulloptik führt zu einer in sich zurücklaufenden Testwelle. Hierdurch werden zum einen große Messabstände in einfacher Weise möglich. Zum anderen ist der Strahlengang gegen Fluktuation etwa durch Luftturbulenzen sehr robust.
Durch die Erzeugung von Test- und Referenzwelle mittels Beugung ist die Auslegung beider diffraktiven Elemente als off-axis-Hologramme möglich, ohne das dabei die Auslegung als Common-path-Interferometer mit den entsprechenden Vorteilen aufgegeben werden muß. Eine Auslegung als off-axis-Hologramm erlaubt wiederum eine bessere Streulichtunterdrückung als entsprechende on-axis-Hologramme und somit eine höhere Meßgenauigkeit.
Nachfolgend ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, aus der weitere erfindungsgemäße Merkmale hervorgehen, anhand der Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemässes interferometrisches System mit planarem diffraktiven Element.
Fig. 2 eine Ausführungsform des diffraktiv optischen Element im System von Fig. 1.
Fig. 1 zeigt ein optisches Element (3) mit diffraktive Strukturen (4) (ein diffraktiv optisches Element, DOE), welche die einfallende kollimierte Lichtwelle (6) beugt. Dabei wird zum einen in Reflexion die zur einfallenden Lichtwelle (6) konjugierte Referenzwelle (7) generiert. Zum anderen wirkt das DOE in Transmission als Null- Optik für die zu prüfende Oberfläche (1). Hierzu erzeugt es durch Beugung der einfallenden Lichtwelle (6) in Transmission eine Lichtwelle, die an jedem Punkt senkrecht auf die Oberfläche (1) des Testobjektes (2) trifft. Diese Lichtwelle wird in sich zurückreflektiert, an den diffraktiven Strukturen (4) abermals gebeugt und als Testwelle (8) der Referenzwelle (7) überlagert. Zur Auswertung wird das resultierende Interferenzbild mittels einer geeigneten Optik (12, 13) raumfrequenzgefiltert. Hierbei wird Streulicht unterdrückt, welches u. a. durch ungewünschte Beugungsordnungen oder durch Kodierung verschiedener Funktionen in ein DOE entstehen kann.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des DOE. Hierbei werden die in Reflexion und in Transmission gewünschten Funktionen durch zwei streifenförmige Computergenerierte Hologramme erzeugt, wobei sich die Streifen (9) der Breite b des für die gewünschte Transformation in Transmission und die Streifen (10) des für die Transformation in Reflexion mit einer Periode 5 abwechseln. Dabei sind die Periode S und die Winkelausdehnung α der Blende (12) des Raumfrequenzfilters so aufeinander abzustimmen, dass S < λ/α, um ungewünschtes Streulicht zu vermeiden. Eine Anpassung der Intensitäten von Objekt- und Referenzwelle ist bei dieser Art Kodierung sowohl durch Anpassung der Beugungseffizienz der einzelnen Hologrammstreifen, etwa durch Pulsbreitenmodulation der lokalen Gitter, als auch durch Einstellung des Verhältnisses b/S möglich. Das DOE lässt sich mittels lithografischen Standardverfahren als Amplituden- oder Phasenhologramm herstellen.
Neben der gezeigten sind erfindungsgemäß weitere Ausführungsformen möglich:

- So können etwa die diffraktiven Strukturen auch auf gekrümmte Flächen aufgebracht werden.
- Die Kodierung zweier Transformationsfunktionen in eine diffraktive Struktur kann auch auf andere Weise erfolgen, etwa durch Addition der Transformationsfunktionen und anschließender holographischer Kodierung.
- Neben der im Bild gezeigten zumeist vorteilhaften off-axis-Auslegung, sind auch Inline-Konfigurationen möglich.
- Zur Justage des DOE gegen die Testfläche können weitere Funktionen in das DOE integriert werden. Hierzu können z. B. außerhalb des Kernbereichs des DOE Justagehologramme (15) integriert werden oder die Funktion der Justagehologramme wird im Kernbereich des DOE mit kodiert.
- Des weiteren können statt einer, mehrere Null-Optiken integriert werden, z. B. unter Anwendung von Winkelmultiplextechniken oder durch Nutzung der verschiedenen Beugungsordnungen, um auf diese Weise mit einem DOE mehrere verschieden gekrümmte Oberflächen prüfen zu können.

Claims

1. System zur interferometrischen Passeprüfung der Oberfläche (1) eines Testobjektes (2) mit einem Interferometer und unter Verwendung eines optischen Elementes (3) mit einer diffraktiven Strukturen (4) auf einer Fläche (5), welches in Reflexion durch Beugung der einfallenden Lichtwelle(6) die zu dieser konjugierte Referenzwelle (7) erzeugt, und welches in Transmission durch Beugung der einfallenden Lichtwelle (6), gefolgt von senkrechter Rückreflexion an der asphärischen Oberfläche (1) und erneuter Beugung in Transmission die Testwelle (8) erzeugt und der Referenzwelle (7) überlagert.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (5) des optischen Elements (3) eben und gegen die einfallende Lichtwelle (6) geneigt ist.

3. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die diffraktive Struktur aus zwei Unterstrukturen (9, 10) zusammengesetzt ist, wobei die erste (9) die in Reflexion gewünschte Funktion erzeugt und die zweite (10) die in Transmission gewünschte Funktion.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Unterstrukturen (9, 10) sich streifenweise auf der Fläche (5) abwechseln.

5. System nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass die diffraktive Struktur (4) durch Addition der gewünschten Reflexions- und Transmissionsfunktion und anschließender Kodierung erhalten wird.

6. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beugungseffizienzen der diffraktiven Struktur (4) in Reflexion und in Transmission so gewählt werden, dass sich im Interferogramm (14) ein optimaler Kontrast ergibt.

7. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Streulicht, welches insbesondere durch das Auftreten unerwünschter zusätzlicher Beugungsordungen und durch die Kombination der Unterstrukturen (9, 10) aufreten kann, mittels geeigneter Blenden ausgeblendet wird.

8. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zu Justagezwecken außerhalb des Kernbereichs des optischen Elements (3) zusätzliche diffraktive Strukturen (15) befinden.

9. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Transmission mehrere an verschiedene Testobjekte (3) angepasste Lichtfelder gleichzeitig erzeugt werden, sodaß die Vermessung dieser verschiedenen Testobjekte mit dem gleichen optischen Element (3) möglich ist.