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Die vorliegende Erfindung betrifft
Verfahren zur Ermittlung der Form einer Oberfläche, insbesondere Verfahren
zur Ermittlung der Form von Oberflächen für optische Anwendungen, und
Messeinrichtungen zur Durchführung
derartiger Verfahren.
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Herkömmliche Verfahren zur Vermessung der
Form von Flächen
(z. B. Oberflächen
eines Probenkörpers)
basieren typischerweise auf einer optisch-geometrischen Messung
oder auf einer Phasenkontrastmessung. Bei beiden Prinzipien kann
jeweils eine flächenhafte
oder eine abtastende (scannende) Messung vorgesehen sein.
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Zur flächenhaften, optisch-geometrischen Messung
wird beispielsweise ein Streifenmuster mit bekannter Geometrie auf
die interessierende Oberfläche
projiziert. Die geometrische Form der Oberfläche wird aus der Verzerrung
der Streifen in der Abbildung des Musters auf der Oberfläche abgeleitet.
Mit dieser Projektionstechnik können
zwar große
Fläche gemessen
werden, die sogar Unstetigkeiten aufweisen oder matt sein können. Ein
wesentlicher Nachteil ist jedoch die geringe Messgenauigkeit. Das
Auflösungsvermögen ist
durch die Ortsfrequenz des Streifenmusters begrenzt. Die Projektionstechnik
wird daher nur für
grobe Formbestimmungen verwendet.
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Die abtastende, optisch-geometrischen
Messung basiert beispielsweise auf einer Triangulation. Die Oberfläche wird
mit einem Lichtstrahl abgetastet. An jedem Messort werden die Einfalls-
und Reflektionswinkel des Lichtstrahls ermittelt und daraus die
lokale Steigung der Oberfläche
ermittelt. Die gesamte Form ergibt sich durch Zusammensetzung (Integration)
der lo kalen Steigungen. Obwohl diese Technik eine erhöhte Genauigkeit
der Winkelmessung und eine Vereinfachung des Messaufbaus ermöglicht,
ist sie mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. Bei abtastenden
Verfahren gehen Justierungenauigkeiten zwischen den einzelnen Messorten
generell direkt in das Messergebnis ein. Es müssen besondere Vorkehrungen
zur Strahlzuordnung getroffen werden, um festzustellen, auf welchen
Beleuchtungsstrahl ein konkret detektierter Reflektionsstrahl zurückgeht.
Des Weiteren wird ein hoher Rechenaufwand benötigt, um die lokalen Messwerte
zusammenzufassen. Die Triangulation wird in der Regel nur als eindimensionales
Verfahren angewendet, sie ergibt nur Schnittlinien der untersuchten
Oberfläche. Schließlich können systematische
Fehler dadurch entstehen, dass aus lokalen Messwerten auf die Gesamtgeometrie
geschlossen wird. Die lokalen Messwerte können jedoch durch kurzwellige
Strukturen überlagert
sein, die ggf. nicht erfasst werden. Schließlich reagiert die Reflektionsmessung
besonders empfindlich auf Verunreinigungen oder unstetige Sprünge in der
Oberfläche.
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Zur Phasenkontrastmessung wird die
Oberfläche
mit einer parallel Wellenfront bestrahlt. Durch Interferenz von
einfallendem und reflektierten Licht kommt es in Abhängigkeit
von der Oberflächenform zu
auswertbaren lokalen Verstärkungen
oder Auslöschungen
im reflektierten Licht. Diese Technik ist auf die Detektion von
Fehlern, die kleiner als λ/4
(λ: Wellenlänge des
Lichtes) sind, in ebenen, reflektierenden Oberflächen beschränkt. Refraktive Oberflächen können nicht
gemessen werden. Zur Messung an stärker gekrümmten Oberflächen bestehen
die folgenden Möglichkeiten.
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Zur flächenhaften Messung an gekrümmten Oberflächen wird
die Wellenfront des einfallenden Lichtes durch ein diffraktives
Element (Hologramm), das eine ideale Modellfläche repräsentiert, so verformt, dass
das von der Oberfläche
reflektierte Licht mit dem einfallenden Licht auswertbare Interferenzen bil det
(siehe z. B.
JP 2000097651
A ,
JP 2000097652 A ).
Ein Nachteil der Phasenkontrastmessung besteht in den hohen Kosten
des optischen Aufbaus (Nulloptik). Für jede Oberflächenform
muss ein angepasstes diffraktives Element vorbereitet sein, dessen
Herstellung mit hohen Kosten verbunden ist. Des Weiteren ist die
Messung mit einem hohen Justieraufwand verbunden. Schließlich ist
die Messgenauigkeit von der Genauigkeit der Herstellung und der
Justierung des diffraktiven Elements abhängig, die Fehleranfälligkeit ist
relativ hoch.
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Zur abtastenden Messung an gekrümmten Oberflächen erfolgen
lokale Interferenzmessungen an lokalen Steigungsänderungen (sog. Stitching-Interferometrie,
siehe z. B.
DE 198 54 942 ).
Die Gesamtform wird aus einer Vielzahl lokaler Messergebnisse zusammengesetzt.
Diese Technik besitzt die oben genannten Nachteile scannender Verfahren. Des
weiteren ist die Auflösung
begrenzt. Bei starken Krümmungen
kann es zur einer extremen Erhöhung der
Bilderzahl kommen, die in praktisch interessierenden Rechenzeiten
nicht mehr auswertbar sind. Schließlich sind Oberflächensprünge nicht
eindeutig auflösbar,
wenn diese größer als λ/4 sind.
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Die herkömmlichen Messverfahren unterliegen
wegen der genannten Nachteile in Bezug auf die Auflösung, die
auswertbare Geometrie des Probenkörpers, den Justieraufwand,
den Geräteaufwand und
die Universalität
gravierenden praktischen Einschränkungen.
Sie werden daher nur bei bestimmten Spezialaufgaben, z. B. bei der
Vermessung von Flächen
mit bestimmten Symmetrien angewendet.
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Es ist bekannt, Oberflächen für optische
Anwendungen für
eine konkrete Aufgabe frei mit einer bestimmten Form auszustatten
(Freiformflächen). Die
Gestaltung von Freiformflächen
z. B. für
Beleuchtungszwecke mit einem Berechnungsverfahren, dem sog. Freiformflächenmassschneidern
(sog. freeform surface tailoring, im folgenden auch: FST-Verfahren) wird
von H. Ries et al. in „Optics & Photonics News" (2001, Bd. 12, S.
46–49)
und in „J.
Opt. Soc. Am. A" (Bd.
19, 2002, S. 590–595)
beschrieben. Ein Lösungsansatz
zum FST-Verfahren wird von M. Maes in "Mathematical Methods for Reflector Design" Philips Electronics,
1997, ISBN 90-74445-36-5, beschrieben. Mit dem FST-Verfahren wird
die reflektierende oder brechende Fläche berechnet, die bei Beleuchtung
mit Licht aus einer punktförmigen
Lichtquelle auf einem zu beleuchtenden Gegenstand (z. B. auf einer Wand)
eine gewünschte
Beleuchtungsgeometrie (Bestrahlungsstärkeverteilung) erzeugt. Das FST-Verfahren
basiert auf differentialgeometrischen Methoden, die die Umlenkung
von Licht durch die Lage der Lichtquelle, die optische Fläche, die
geometrischen Eigenschaften der Fläche und die gewünschte Bestrahlungsstärkeverteilung
kombinieren. Die Anwendung des FST-Verfahren war bisher auf gestalterische
Aufgaben in der nicht-abbildenden Optik beschränkt, bei denen in erster Linie
auf die Realisierung einer komplizierten Beleuchtungsverteilung
ankommt, wie z. B. auf die Gestaltung von Scheinwerferreflektoren,
Raumleuchten etc..
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Da Freiformflächen in der Regel keine vorbestimmte
Regelmäßigkeit
oder Symmetrie aufweisen, sind sie mit den oben genannten herkömmlichen Messtechniken
in der Regel nicht mit ausreichender Genauigkeit messbar.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es,
verbesserte Verfahren zur Ermittlung der Form einer Oberfläche anzugeben,
mit denen die Nachteile herkömmlicher
Techniken überwunden
werden. Das Verfahren soll insbesondere universell einsetzbar und
mit hoher Genauigkeit und praktikabler Messzeit durchführbar sein.
Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, verbesserte Messeinrichtungen
zur Ermittlung der Form einer Oberfläche bereitzustellen, mit denen
die Verfahren umsetzbar sind.
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Diese Aufgabe wird durch Verfahren
und Messeinrichtungen mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 oder
11 gelöst.
Vor teilhafte Ausführungsformen
und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Eine Grundidee der Erfindung ist
es, eine Bestrahlungsstärkeverteilung
von Licht, das mit der zu vermessenden Fläche (Oberfläche, Probenfläche, Prüffläche) in
Wechselwirkung getreten ist, auf einer Targetfläche zu messen und aus der Bestrahlungsstärkeverteilung
die (geometrische) Form der Fläche zu
ermitteln. Dieses Verfahren besitzt den Vorteil, dass die Form der
Oberfläche
aus der geometrisch-optischen Funktion der Oberfläche ermittelt wird.
Die Wellenfront des vorzugsweise von einer punktförmigen Lichtquelle
ausgehenden Lichts wird an der gesuchten Oberfläche in charakteristischer Weise
deformiert. Diese Deformation steht in eindeutigem Zusammenhang
mit der gemessenen Bestrahlungsstärkeverteilung. Ohne Einsatz
einer abbildenden Optik kann bereits mit einer einzigen flächenhaften,
integralen Messung der Bestrahlungsstärkeverteilung (Helligkeitsmessung)
die erforderliche Information zur Formermittlung für die gesamte
Prüffläche gewonnen
werden. Der Justieraufwand im Vergleich zu den herkömmlichen
Verfahren ist erheblich vereinfacht. Da erfindungsgemäß eine Helligkeitsmessung erfolgt,
sind zusätzliche
Vorkehrungen zur Strahlzuordnung wie z. B. bei der Triangulation
nicht erforderlich. Die Bestrahlungsstärkeverteilung kann mit einer relativ
einfach aufgebauten Detektoreinrichtung erfasst werden. Im Unterschied
zu herkömmlichen
Interferenzverfahren erfolgt keine Phasenmessung, sondern eine praktikablere
Intensitätsmessung. Überraschenderweise
hat sich herausgestellt, dass die Form aus der Bestrahlungsstärkeverteilung
mit einer extrem hohen Genauigkeit bis in den sub-μm- und nm-Bereich ermittelt
werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfasst die Ermittlung der Oberflächenform eine numerische Berechnung
einer berechneten Oberfläche,
die bei Beleuchtung unter den identischen Bedingungen wie bei der
Messung die gemessene Bestrahlungsstärkeverteilung ergeben würde, wobei
die Form der gesuchten Oberfläche gleich
der geometrischen Form der berechneten Oberfläche ist. Als Berechnungsverfahren
wird das oben genannte, an sich bekannte FST-Verfahren verwendet.
Diese Ausführungsform
hat den Vorteil, dass zur Formermittlung an sich verfügbare Programme verwendbar
sind. Des Weiteren kann die Formermittlung, die auf der Lösung eines
Gleichungssystems basiert, mit erheblich höherer Geschwindigkeit als bspw.
Optimierungsverfahren auf der Grundlage von Wahrscheinlichkeitsrechnungen
erfolgen.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der
Erfindung kann die Ermittlung der Form der Oberfläche mindestens
einen Vergleich der gemessenen Bestrahlungsstärkeverteilung mit mindestens
einer Modell-Bestrahlungsstärkeverteilung
umfassen, die einer vorbestimmten Modelloberfläche entspricht. Durch den Vergleich
der gemessenen Bestrahlungsstärkeverteilung
mit einem Referenzbild kann die Formermittlung erheblich vereinfacht
werden. Das Verfahren kann einfach in einen Produktionsprozess zur
Herstellung optischer Oberflächen
integriert werden, z. B. wenn in oder nach einem Polierprozess nach
großflächigen Verformungen
im Prüfkörper gesucht
wird.
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Wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung die Beleuchtung der Oberfläche mit monochromatischem Licht
erfolgt, kann sich die Auswertung der Bestrahlungsstärkeverteilung
wegen der Vermeidung von Dispersionseffekten vereinfachen.
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Es können aber auch mehrere Messphasen vorgesehen
sein, in denen jeweils eine Beleuchtung mit monochromatischem Licht
mit verschiedenen Wellenlängen
erfolgt und mehrere Bestrahlungsstärkeverteilungen für die jeweiligen
Wellenlängen
ermittelt werden. Wenn die gesuchte geometrische Form der Oberfläche aus den
verschiedenen Bestrahlungsstärkeverteilungen
ermittelt wird, kann durch den zusätzlichen Freiheitsgrad Wellenlänge die
Genauigkeit der Messung erhöht
werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung können
mehrere Messphasen vorgesehen sein, in denen jeweils eine Beleuchtung
mit verschiedenen Lichtwegen erfolgt und mehrere Bestrahlungsstärkeverteilungen
für die
jeweiligen Lichtwege ermittelt werden. In diesem Fall kann ebenfalls
eine Erhöhung
der Messgenauigkeit erreicht werden.
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Weitere Vorteile können sich
insbesondere für
die Geschwindigkeit der Formermittlung ergeben, wenn bei der erfindungsgemäßen Messung
von einer fast bekannten Fläche
ausgegangen wird und die Ermittlung der Form der Oberfläche eine
Detektion einer Verformung der Oberfläche im Vergleich zu einer Ziel-
oder Referenzfläche
umfasst.
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Wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung die Beleuchtung mit pulsförmigem Licht und eine zeitaufgelöste Messung
der Bestrahlungsstärkeverteilung
erfolgen, können
vorteilhafterweise Streulichteffekte vermindert werden. Die Messung
der Bestrahlungsstärkeverteilung
kann unter Umgebungslichtbedingungen erfolgen. Die Erfindung ist
in einen Produktionsprozess, z. B. in einen Poliervorgang integrierbar.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung
ist es, dass keine Beschränkung
etwa auf Spiegelflächen gegeben
ist. Das Messverfahren ist sowohl mit reflektierenden als auch mit
refraktiven Grenzflächen
umsetzbar.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung
ist eine Messeinrichtung zur Ermittlung der Form einer Oberfläche, mit
einer Lichtquelle, von der ein Lichtweg, in dem die gesuchte Oberfläche angeordnet
ist, zu einer Targetfläche
führt,
einer Detektoreinrich tung, die zur Messung einer Bestrahlungsstärkeverteilung des
von der Lichtquelle auf der Targetfläche auftreffenden Lichtes eingerichtet
ist, und einer Auswertungseinrichtung, die zur Ermittlung der Form
der Oberfläche
aus der Bestrahlungsstärkeverteilung eingerichtet
ist. Die erfindungsgemäße Messeinrichtung
besitzt im Vergleich zu den herkömmlichen Techniken
einen erheblich vereinfachten Aufbau. Der Messfleck (Bestrahlungsstärkeverteilung
auf der Targetfläche)
ist wesentlich größer als
die Lichtquelle und daher mit an sich verfügbaren Detektoren (z. B. einer
CCD-Kamera) mit hoher Genauigkeit erfassbar.
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Zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens
enthält
die Auswertungseinrichtung vorzugsweise eine Berechnungseinrichtung
zur Durchführung
des FST-Verfahrens oder eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich
der gemessenen Bestrahlungsstärkeverteilung
mit mindestens einer Modell-Bestrahlungsstärkeverteilung.
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Gemäß weiteren vorteilhaften Ausführungsformen
der Erfindung ist die Messeinrichtung mit einer Stelleinrichtung
ausgestattet, mit der die Positionen der Lichtquelle, der gesuchten
Oberfläche und/oder
der Targetfläche
relativ zur Detektoreinrichtung (und/oder die Positionen der Lichtquelle,
der Oberfläche
und der Targetfläche
relativ zueinander) verstellbar sind. Die Stelleinrichtung ermöglicht insbesondere
die oben genannte Messung mit mehreren Messphasen mit verschiedenen
Lichtwegen.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung
ist eine Vorrichtung zur Fertigung eines Objektes, die zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
eingerichtet und/oder mit einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung ausgestattet
ist.
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Die Erfindung besitzt die folgenden
weiteren Vorteile. Durch das Messverfahren ist der Anwendungsbereich
hochgenauer Freiformflächen
erweitert worden. Das Messverfahren ist zur weiteren Genauigkeitssteigerung
mit den herkömmlichen
Techniken kom binierbar. Die Orte der Messung der Bestrahlungsstärkeverteilung
und der Auswertung der Messung können
räumlich
getrennt sein. Des Weiteren werden Beschränkungen herkömmlicher
Verfahren in Bezug auf die Größe der zu
vermessenden Oberflächen überwunden.
Erfindungsgemäß können Oberflächen mit
Dimensionen bis in die Größenordnung
einiger 10 cm (z. B. bis zu 80 cm) oder darüber bis in den Bereich mehrerer
Meter (z. B. für
Teleskopoptiken) vermessen werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile
der Erfindung werden aus der Beschreibung der beigefügten Zeichnungen
ersichtlich. Es zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung
für Reflektionsmessungen,
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2:
eine schematische Illustration des erfindungsgemäßen Messprinzips,
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3:
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung
für Reflektionsmessungen,
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4:
eine schematische Darstellungen einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messeinrichtungen
für Durchlichtmessungen,
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5:
ein Flussdiagramm zur Illustration von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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6:
eine beispielhafte Auswahl verschiedener Oberflächen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
bestimmbar sind,
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7:
Illustrationen von Bestrahlungsstärkeverteilungen, die Oberflächen gemäß 6 erzeugen, und
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8:
eine schematische Illustration einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung.
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Eine erfindungsgemäße Messeinrichtung 100 umfasst
gemäß 1 eine Lichtquelle 10,
eine Targetfläche 20,
eine Detektoreinrichtung 30 und eine Auswertungseinrichtung 40.
Ein Lichtweg 11 führt
von der Lichtquelle 10 über
eine optische Oberfläche 1,
deren Form zumindest in einem Teilbereich gemessen werden soll,
zur Targetfläche 20.
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Die Lichtquelle 10 ist vorzugsweise
eine Punktlichtquelle, d. h. eine Lichtquelle mit einer minimalen
Ausdehnung, die insbesondere relativ zur Dimension der Oberfläche 1 vernachlässigbar
gering ist. Die Punktlichtquelle erzeugt eine Wellenfront mit einer
minimalen Phasenraumausdehnung. Diese Bedingung kann insbesondere
durch eine monomodale Lichtquelle erfüllt werden, z. B. einen Monomodelaser,
eine Laserdiode, ggf. gekoppelt mit einer Monomode-Faser, oder eine
Quelle mit einer Lochblende (einhole), die eine oder wenige Strahlungsmoden passieren
lässt.
Es kann beispielsweise das Licht einer Quecksilberdampflampe mit
einem Leuchtdurchmesser von 0.5 mm auf eine Lochblende gebündelt werden,
dessen Durchmesser etwa der verwendeten Wellenlänge entspricht. Je nach den
praktischen Bedingungen kann die Lichtquelle 10 zur Emission
von Licht im UV-, VIS- oder IR-Bereich
eingerichtet sein. Die Spannungsversorgung der Lichtquelle 10 kann
in die Auswertungseinrichtung 40 integriert sein.
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Die Lichtquelle 10 kann
mit einer Maske, z. B. einer groben Lochmaske ausgestattet sein,
die für Justierzwecke
in den Lichtweg 11 geschoben werden kann. Mit der Maske
können
Punkte auf der Oberfläche 1 und
der Targetfläche 20 eindeutig
einander zugeordnet werden. Die Anzahl und Abstände der Löcher in der Lochmaske werden
in Abhängigkeit
vom konkreten Anwendungsfall gewählt.
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Die Oberfläche 1 ist bei diesem
Beispiel die reflektierende Oberfläche eines Prüfkörpers (optisches
Bauteil, hier nicht dargestellt), z. B. eine Freiformfläche für Beleuchtungszwecke
oder ein optischer Spiegel. Die Oberfläche 1 besitzt allgemein eine
glatte, stufenlose, mathematisch stetige Kontur vorzugsweise mit
optischer Oberflächenqualität. Allgemein
ist die optische Qualität
der Oberfläche 1 dadurch
gekennzeichnet, dass die Rauhigkeit geringer ist als die Wellenlänge des
Lichtes, das mit dem optischen Bauteil reflektiert, und lokal eine
spekulare Reflektion (oder Brechung) des Lichtes ohne Strahlaufweitung
erfolgt. Wenn die Auswertung der gemessenen Bestrahlungsstärke mit
dem FST-Verfahren erfolgt, muss die Oberfläche 1 vorteilhafterweise
keinen umlaufenden, lichtundurchlässigen Rand besitzen. Der Prüfkörper ist
nicht zwingend ein optisches Bauteil. Die Erfindung ist auch bei
der Ermittlung von Oberflächen
anderer fester Körper,
z. B. von Werkzeugoberflächen
anwendbar.
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Die Oberfläche 1 z. B. eines
optischen Bauteils kann eine dielektrische Beschichtung (z. B. eine Vergütungsschicht)
tragen, ohne dass dies die Durchführung der erfindungsgemäßen Formmessung
beeinträchtigt,
da die dielektrischen Beschichtungen in der Regel eine Dicke kleiner
als die Wellenlänge
besitzen und die Wirkung des Snell'schen Gesetzes oder des Reflektionsgesetzes
nicht beeinflussen. Des Weiteren kann die Oberfläche 1 eine mehrdimensionale
optische Funktion dahingehend besitzen, dass nicht nur die Richtung,
sondern auch die Polarisation, Farbe etc. des durchgehenden oder
reflektierten Lichtes beeinflusst wird. Es kann beispielsweise eine
anisotrope Reflektion erfolgen.
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Die Targetfläche 20 wird mit dem
Licht der Lichtquelle 10, das durch die Oberfläche 1 modifiziert worden
ist, mit einer charakteristischen Bestrahlungsstärkeverteilung beleuchtet. Die
Targetfläche 20 ist
beispielsweise ein Schirm, ein photographischer Film oder ein Teil
der Detektoreinrichtung (siehe 3)
und besitzt vorzugsweise eine ebene Oberfläche. Alternativ kann eine geeignet
gekrümmte
Targetfläche
vorgesehen sein, um die Anforderungen an den Lichtweg zu erfüllen (siehe
unten).
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Der Schirm bildet vorzugsweise eine
Lambert'sche Fläche, wie
sie z. B. durch weißes
Papier oder eine MgO-Schicht gegeben ist. Die Dimension des Schirmes
wird in Abhängigkeit
vom konkreten Anwendungsfall gewählt.
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Der Lichtweg 11 wird durch
die Ausbreitung des Lichtes gebildet, das von der Lichtquelle 10 mit einer
bestimmten Richtungscharakteristik ausgeht, an der Oberfläche 1 reflektiert
wird und nach der Reflektion mit einer durch die Oberflächenform
modifizierten Richtungscharakteristik auf die Targetfläche 20 fällt. Der
Lichtweg 11 wird durch eine geeignete Positionierung der
Lichtquelle 10, Oberfläche 1 und Targetfläche 20 so
aufgespannt, dass ein eineindeutiger Zusammenhang zwischen jedem
Punkt auf der Oberfläche 1 und
einem zugehörigen
Zielpunkt auf der Targetfläche 20 besteht.
Strahlen, die von verschiedenen Punkten der Oberfläche 1 reflektiert
wurden, dürfen
sich in der Targetfläche
nicht schneiden. Die Beleuchtung der Targetfläche erfolgt abbildungsfrei,
d. h. ohne Erzeugung eines Bildes der Lichtquelle oder einer Kaustik.
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Die Beleuchtung ohne eine Kaustik
bedeutet, dass auf die Targetfläche
ausschließlich
Licht fällt,
das von der Oberfläche 1 ausgeht.
Licht, das von der Lichtquelle 10 ausgeht, fällt nicht
direkt auf die Targetfläche.
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Die Erfüllung dieser Anforderungen
kann je nach den räumlichen
Bedingungen der konkreten Messaufgabe und der gewünschten
Messgenauigkeit (Zahl und Dichte der Messpunkte auf der Targetfläche) durch
eine geeignete Positionierung der Teile gewählt werden. Zur Positionierung
wird auf Erfahrungswerte zurückgegriffen,
oder es ist ggf. ein Vorversuch mit einem Test verschiedener Relativpositionen
vorgesehen.
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Zur Messung einer Bestrahlungsstärkeverteilung
des von der Lichtquelle auf der auf der Targetfläche auftreffenden Lichtes ist
die Detektoreinrichtung 30 vorgesehen. Diese ist beispielsweise
als Kamera oberhalb der Targetfläche
angeordnet. Es kann eine kalibrierte Digitalkamera verwendet werden,
die mit der Auswertungseinrichtung 40 verbunden ist. Die
Kamera kann relativ zur Targetfläche
geneigt angeordnet sein. Die entsprechende Verzerrung der Bestrahlungsstärkeverteilung
kann bei der Auswertung rechnerisch kompensiert werden, wenn die
Relativpositionen von Kamera und Targetfläche und die Reflektionscharakteristik
der Targetfläche
bekannt sind. Alternativ kann die Kamera unterhalb der Targetfläche angeordnet
sein (gestrichelt gezeigt), falls diese einen halbtransparenten
Schirm umfasst.
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Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform
kann die Detektoreinrichtung 30 eine photometrische Messeinrichtung
sein, mit der beispielsweise die Schwärzungsverteilung eines als
Targetfläche belichteten
und entwickelten photographischen Filmes gemessen wird. Diese Gestaltung
besitzt den Vorteil, dass die Messung der Bestrahlungsstärkeverteilung
vom Messaufbau räumlich
getrennt durchgeführt
werden kann.
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Die Detektoreinrichtung 30 ist
mit der Auswertungseinrichtung 40 verbunden. Die Verbindung dient
der Übertragung
von Daten, die die gemessene Bestrahlungsstärkeverteilung repräsentieren.
Es kann auch umgekehrt eine Datenübertragung zu der Detektoreinrichtung 30 vorgesehen
sein, beispielsweise um die Kamera zu kalibrieren. Mit der Auswertungseinrichtung 40 wird
die Form der optischen Oberfläche
aus der Bestrahlungsstärkeverteilung
ermittelt. Hierzu enthält
die Auswertungseinrichtung 40 gemäß der o. g. ersten Ausführungsform
eine Berechnungseinrichtung zur Anwendung des FST-Verfahrens auf
die gemessene Bestrahlungsstärkeverteilung.
Die Form einer berechneten Oberfläche, die für die gegebene Lage der Lichtquelle
und der Targetfläche
die gemessene Bestrahlungsstärkeverteilung
ergibt, ist dann die gesuchte reale Oberfläche. Gemäß der o. g. zweiten Ausführungsform
enthält
die Auswertungseinrichtung 40 eine Vergleichseinrichtung
zum Vergleich der gemessenen Bestrahlungsstärkeverteilung mit einer Modell-Bestrahlungsstärkeverteilung.
Die Auswertungseinrichtung 40 kann zur Durchführung von
beiden Auswertungsverfahren ausgebildet sein.
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Die Auswertungseinrichtung 40 kann
mit der Lichtquelle 10 verbunden sein (siehe 1). Diese Verbindung dient
der Übertragung
von Kalibrierungsdaten, Steuerdaten und/oder der Versorgungsspannung
an die Lichtquelle 10, und/oder der Übertragung von Daten, die den
Betriebszustand der Lichtquelle 10 charakterisieren, an
die Auswertungseinrichtung 40. Weitere Datenverarbeitungseinrichtungen,
wie z. B. Speicherschaltkreise, Berechnungsschaltkreise und Anzeigeeinrichtungen,
können
ebenfalls Teil der Auswertungseinrichtung 40 oder gesondert
vorgesehen sein.
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In 1 bezieht
sich das Bezugszeichen 50 auf eine Stelleinrichtung, die
mindestens eine verstellbare Halterung 51 und/oder 52 aufweist,
mit der die Positionen der Lichtquelle 10, des Prüfkörpers mit der
Oberfläche 1 und/oder
der Targetfläche 20 relativ zur
Detektoreinrichtung 30 oder relativ zueinander verstellbar
sind. Die Halterungen 51, 52 sind beispielsweise
jeweils mit einem piezoelektrischen Antrieb ausgestattet, der eine
Bewegung in alle Raumrichtungen und in Verkippen ermöglicht.
Neben der Justierung ermöglicht
die Stellein richtung 50 eine Messung mit mehreren Messphasen,
in denen jeweils eine Beleuchtung mit verschiedenen Lichtwegen erfolgt
und mehrere Bestrahlungsstärkeverteilungen
für die
jeweiligen Lichtwege ermittelt werden. Die Form der Oberfläche kann
dann mit erhöhter
Genauigkeit aus den verschiedenen Bestrahlungsstärkeverteilungen ermittelt werden.
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2 illustriert
das Messprinzip, das beim erfindungsgemäßen Verfahren ausgenutzt wird.
Zwischen der lokalen Krümmung
(und Neigung) der mit Licht bestrahlten Oberfläche 1 und der Bestrahlungsstärke am entsprechenden
Messpunkt der Targetfläche 20 besteht
ein eindeutiger Zusammenhang. Die. Neigung bestimmt die Richtung
der von der Oberfläche
reflektierten Strahlung, die Krümmung
bestimmt die Helligkeit auf der Targetfläche. Gemäß dem Teilbild (a) erhöht eine
negative Krümmung
die Intensität auf
der Targetfläche,
während
gemäß dem Teilbild
(c) eine positive Krümmung
die Intensität
verringert. Bei einem lokal ebenen Abschnitt ergibt sich eine im
Wesentlichen konstante Intensität.
Dieser qualitative Zusammenhang wird beim FST-Verfahren durch Anwendung differentialgeometrischen
Methoden quantitativ ausgewertet. Aus den o. g. Publikationen, deren
Inhalt hiermit vollständig
in die vorliegende Beschreibung einbezogen wird, ist der Ablauf
der FST-Rechnung an sich bekannt, so dass hier auf Einzelheiten
nicht eingegangen wird.
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Die in 3 gezeigte
abgewandelte Ausführungsform
der Messeinrichtung 100 mit Reflektionsmessung ist im Wesentlichen
analog zu der Ausführungsform
gemäß 1 aufgebaut. Gleiche Komponenten,
die oben beschrieben wurden, sind mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. Im Unterschied zu der obigen Beschreibung bildet gemäß 3 das lichtempfindliche
Bauteil, z. B. eine CCD-Matrix, der Detektoreinrichtung 30 die
Targetfläche 20.
Abweichend von der Illustration kann die Detektoreinrichtung 30 mit
einer Optik ausgestattet sein, die die ausgedehnten Wellenfronten
von der Oberfläche 1 auf das
lichtempfindliche Bauteil, der Detektoreinrichtung 30 abbilden.
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4 zeigt
die Messeinrichtung 100 zur erfindungsgemäßen Formmessung
an einer refraktiven Oberfläche.
Komponenten, die Teilen der Ausführungsform
gemäß 1 entsprechen, sind wiederum mit
den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Prüfkörper 2 ist ein lichtdurchlässiges optisches
Bauteil, z. B. eine asphärische
Linse. Da der Lichtweg 11 durch das Bauteil hindurchführt, wird
die Wellenfront sowohl durch die erste Oberfläche 3 als auch durch die
eigentlich interessierende Oberfläche 1 modifiziert.
Um die erfindungsgemäße Formermittlung
mittels FST-Verfahren
oder Vergleich durchzuführen, muss
die Form der ersten Oberfläche 3 (oder
jeder weiteren, im Lichtweg angeordneten brechenden Oberfläche) bekannt
sein. Bei der numerischen Auswertung der Bestrahlungsstärkeverteilung
können generell
die Einflüsse
bekannter Oberflächen
im Lichtweg 11 (auch bei der Reflektionsmessung gemäß 1) als Eigenschaften des
Strahlungsfeldes der Lichtquelle aufgefasst und berücksichtigt
werden.
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5 illustriert
wesentliche Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens. Weitere Schritte,
wie z. B. die Ausrichtung der Oberfläche im Lichtweg o. dgl., die
je nach der konkreten Anwendung vorgesehen sind, werden nicht gezeigt.
Zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
vorzugsweise mit einer der beschriebenen Messeinrichtungen erfolgt
von der Lichtquelle 10 über
die Oberfläche 1 eine
Beleuchtung der Targetfläche 20 (Schritt
1). Mit der Detektoreinrichtung 30 wird die Bestrahlungsstärkeverteilung
des auftreffenden Lichtes auf der Targetfläche 20 gemessen (Schritt
2). Die geometrische Form mindestens eines Teilbereiches der Oberfläche 1 wird
aus der gemessenen Bestrahlungsstärkeverteilung ermittelt (Schritt
3). Wenn das Umgebungslicht abgeschirmt ist, können die Beleuchtung und Messung
kontinuierlich erfolgen. Zur Unterdrückung von Feh lern durch Rauschen
und/oder zur Abschirmung von Umgebungslicht kann eine phasensensitive
Messung (Log-In-Technik) erfolgen. Es kann insbesondere eine Lichtquelle
mit Pulsbetrieb (z. B. fs-Laser)
verwendet werden und eine zeitaufgelöste Messung der Bestrahlungsstärke vorgesehen
sein.
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Insbesondere die Messung unter Umgebungslicht
mit Log-In-Technik
ermöglicht
es, das erfindungsgemäße Verfahren
in einem Regelkreis in ein Verfahren zur Herstellung einer optischen
Oberfläche
zu integrieren. Ein Poliervorgang z. B. zur Herstellung eines asphärischen
Bauteils (Linse oder Spiegel) wird solange wiederholt, bis die gemessene Bestrahlungsstärkeverteilung
einem gewünschten Referenzwert
entspricht.
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Die 6 und 7 zeigen beispielhaft die Durchführung des
Verfahrens an vier Oberflächen. Gemäß 6 werden jeweils von der
Lichtquelle 10 Prüfkörper 2 mit
der Oberfläche 1 hin
zur Targetfläche 20 durchleuchtet
(Detektoreinrichtung nicht gezeigt). Die Prüfkörper 2 umfassen optische
Linsen mit einer konkaven sphärischen
Oberfläche
auf der Seite der Lichtquelle 10 und der Oberfläche 1,
die ermittelt werden soll, auf der Seite der Targetfläche 20.
Die Lichtquelle 10 befindet sich im Mittelpunkt der unteren
konkaven Oberfläche.
Die Oberfläche 1 ist
eine astigmatische Asphäre
(A), eine konische Asphäre (B),
eine Sphäre
(C) oder eine plane Oberfläche
(D). Die konische Asphäre
B besitzt die gleiche Krümmung
im Zentrum wie die Sphäre
(C). Die Asphäre
C besitzt in einer Richtung (y-Richtung) die gleiche Krümmung im
Zentrum wie die Sphäre
(C).
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7 illustriert
die entsprechenden Bestrahlungsstärkeverteilungen (Simulationsergebnisse)
auf der Targetfläche 20 als
Helligkeitsbilder (linker Teil) oder als Schwärzungsprofile (rechter Teil).
Bereits an den relativ einfachen Beispiel-Oberflächen zeigen sich die deutlich
unterschiedlichen Bestrah lungsstärkeverteilungen,
aus denen die jeweilige Oberfläche beispielsweise
mit dem FST-Verfahren berechenbar ist.
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In 8 ist
beispielhaft eine Fertigungseinrichtung 200 gezeigt, die
erfindungsgemäß zur Durchführung des
beschriebenen Verfahrens und/oder mit einer Messeinrichtung 100 ausgestattet ist.
Die Messeinrichtung 100 ist entsprechend den oben beschriebenen
Merkmalen der Erfindung aufgebaut. Die Fertigungseinrichtung 200 ist
eine Maschine zur Herstellung oder Bearbeitung des Prüfkörpers 2 (Objekt
mit fester Oberfläche,
Werkstück),
z. B. eine an sich bekannte Schleifmaschine zur Fertigung optischer
Bauteile.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist, insbesondere
zur Erhöhung
der Genauigkeit wie folgt modifizierbar. Die Modifizierungen stellen
Kombinationen der Erfindung mit den o. g. herkömmlichen Messprinzipien dar.
Erstens kann eine Ringprojektion durch einen Blendenring im Lichtweg
vorgesehen sein, um den Rand einer zu erfassenden Oberfläche, z.
B. einer Linse, festzulegen. Es können ein oder mehrere Blendenringe
oder ein im Durchmesser verstellbarer Blendenring verwendet werden.
Zweitens können
mehrere kohärente
Lichtquellen verwendet werden, um zusätzlich interferometrische Effekte auszuwerten.
Schließlich
könnte
zur Genauigkeitserhöhung
eine Kombination mit dem Stitching-Verfahren vorgesehen sein.