DE19516017C1

DE19516017C1 - Verfahren zur Kompensation von Wellenfrontdeformationen

Info

Publication number: DE19516017C1
Application number: DE19516017A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr Braunecker; Massimo Biber
Original assignee: Leica AG Switzerland
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 1995-05-02
Filing date: 1995-05-02
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2015-05-03
Also published as: DE59608843D1; EP0823976B1; WO1996035137A2; EP0823976A1; US5966243A; JPH11505034A; IL118078A; IL118078A0; WO1996035137A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Wellenfrontdeforma tionen die durch ein optisches System hervorgerufen werden und die mit Hilfe eines Wellenfrontmeßinstruments vermessen werden.

Unter einem optischen System sollen sowohl eine Anordnung von optischen Bau elementen zu einer Funktionseinheit als auch ein einzelnes optisches Bau element verstanden werden.

Jedes optische System bewirkt gemäß seiner speziellen Funktion eine spezi fische Veränderung einfallender Wellenfronten. Beispielsweise werden ebene Wellenfronten durch ein abbildendes optisches System in kugelförmige Wellen fronten umgewandelt. Jedoch gibt es Abweichungen von der idealen Form der Wellenfront beim Durchgang durch ein reales optisches System. Es kommt zu Wellenfrontdeformationen deren Ursachen hauptsächlich in den nicht-idealen Verläufen der Oberflächen der einzelnen optischen Bauteile, die das optische System bilden, begründet liegen. Diese Fehler in den Oberflächen werden als Oberflächenpaßfehler oder einfach als Paßfehler bezeichnet. Daneben spielen auch Materialinhomogenitäten und die Verkittung der optischen Bauteile eine Rolle.

Die in den Wellenfronten hervorgerufenen Fehler setzen sich aus unterschied lichen Fehleranteilen zusammen. Insbesondere rufen die durch Polierprozesse an optischen Bauteilen unvermeidbar erzeugten Oberflächenungenauigkeiten gestörte Wellenfronten hervor, deren Störung oder Deformation nach DIN 3140 gemäß 3 / A (B) klassifiziert wird. Dabei ist A ein Maß für den sphärischen Paßfehler, also der Abweichung der Oberflächenform von einem Probeglas, angegeben in der Anzahl von Newtonringen, während B den Ovalpaßfehler, also den astigmatischen Anteil, ebenfalls in den gleichen Einheiten, beschreibt.

Der verbleibende Rest der Wellenfrontdeformation ist bei den in Frage kommenden Herstellverfahren meist vernachlässigbar.

Mit Wellenfrontmeßinstrumenten, wie sie z. B. in DE 40 03 698 C2 oder in DE 40 03 699 C2 beschrieben sind, können die Wellenfrontdeformationen vermessen werden. Überschreiten die an einzelnen optischen Bauteilen oder an einer Gruppe von zusammengesetzten optischen Bauteilen gemessenen Wellenfront deformationen eine vorgegebene Toleranzgrenze, so werden diese Bauteile aus dem weiteren Produktionsprozeß herausgenommen und zur Nachbearbeitung zu einem vorhergehenden Prozeßschritt zurückgeführt. Die Nachbearbeitung erfolgt im allgemeinen nur an ganz bestimmten Stellen des optischen Bauteils, die aus der Messung der Wellenfrontdeformationen ermittelt wurden. Bei der Nachbearbeitung wird eine entsprechende Korrektur in das optische Bauteil ein poliert. Die Korrektur wirkt auf die Wellenfront als Gegenstörung, wodurch die ursprüngliche Wellenfrontdeformation bis zu einem gewissen Grad kompensiert wird.

Bei hohen Anforderungen an die Kompensation der Wellenfrontdeformationen er geben sich allerdings Schwierigkeiten. Werden Abweichungen von der ge wünschten idealen Form der Wellenfront gefordert, die kleiner sind als die Wellenlängen des sichtbaren Lichts, so erhöht sich die Anzahl der optischen Bauteile, die diese Toleranzgrenze überschreiten und die deshalb aus dem Her stellungsablauf herausgenommen werden müssen. Wird jedoch die Rückwei sungsrate zu groß, ist eine Rückführung der aussortierten optischen Bauteile zu einem vorangegangenen Prozeßschritt zum Zweck der Korrektur nicht mehr sinnvoll. Zum einen ist ein oftmaliges Eingreifen in den Fertigungsablauf sehr zeit- und kostenaufwendig und behindert eine flüssige Produktion. Zum anderen steigt das Risiko, durch einen nachträglichen Polierprozeß zusätzliche Fehler zu erzeugen. Unter Umständen werden mehr neue Fehler erzeugt als ursprüngliche Fehler vorhanden waren. Da die ursprünglichen Fehler nicht mehr ausreichend eliminiert werden können, sind die Grenzen der Prozeßbeherrschung erreicht. Um deutliche Verbesserungen zu erzielen, müßte unter großem Aufwand ein grundlegend anderes Herstellungsverfahren entwickelt werden.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die von einem optischen System hervor gerufenen Wellenfrontdeformationen mit einfachen Mitteln und mit geringem Zeitaufwand so weit zu eliminieren, daß die Toleranzgrenzen für die Wellen frontdeformationen kleiner als die Wellenlängen des sichtbaren Lichts sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den Strahlengang des optischen Systems zumindest zwei optische Kompensationselemente einge bracht werden, die aus einer Reihe vorgefertigter, mit unterschiedlichen Paß fehlerarten und -stärken versehener optischer Bauteile in Abhängigkeit von den Ergebnissen der mit dem Wellenfrontmeßinstrument gemessenen Wellenfront deformationen ausgewählt und zueinander und zum optischen System aus gerichtet werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Zur Kompensation der Wellenfrontdeformationen werden erfindungsgemäß vor gefertigte optische Kompensationselemente verwendet solche Elemente sind vorzugsweise Planplatten, die mit Paßfehlern verschiedener Art und unter schiedlicher Stärke versehen sind. Die Paßfehler werden beispielsweise in die Planplatten einpoliert.

Erfahrungsgemäß verursachen die meisten optischen Bauteile oder Systeme auf grund des Polierprozesses überwiegend sphärische und astigmatische Wellen frontdeformationen. Dementsprechend können Planplatten mit sphärischen und zylindrischen Paßfehlern solche Wellenfrontdeformationen kompensieren. Dabei können sphärische und zylindrische Paßfehler zugleich in einer Planplatte einge arbeitet sein. Es ist allerdings herstellungstechnisch erheblich einfacher, in Plan platten ausschließlich sphärische Paßfehler und in andere Planplatten aus schließlich zylindrische Paßfehler einzupolieren. Je nach sammelnder oder zer streuender Wirkung besitzen die Paßfehler positives oder negatives Vorzeichen. Die Angabe der Stärke eines Paßfehlers beinhaltet also die absolute Stärke mit einem Vorzeichen.

Aus einer Reihe dermaßen vorgefertigter Planplatten mit eingearbeiteten zylin drischen und/oder sphärischen Paßfehlern verschiedener Stärke werden zwei oder mehrere solcher Planplatten derart ausgewählt und gegenseitig und zum optischen System ausgerichtet, daß sie die vom optischen System erzeugten Wellenfrontdeformationen kompensieren. Dazu werden zunächst die Wellen frontdeformationen mit Hilfe eines Wellenfrontmeßinstruments vermessen. Die gemessenen Wellenfrontdeformationen werden mathematisch vorzugsweise durch Zernikepolynome beschrieben. Dadurch sind die Koeffizienten der Zer nikepolynome bestimmt. Andererseits lassen sich die in den Planplatten einge arbeiteten Paßfehler und auch die bei Kombination solcher Planplatten resul tierenden Paßfehler ebenfalls durch Zernikepolynome beschreiben. Die Koeffi zienten der Zernikepolynome lassen sich dabei durch die Stärke der Paßfehler und durch die gegenseitige Ausrichtung dieser Planplatten ausdrücken. Somit kann bei einer Auswahl zweier Planplatten mit Paßfehlern bekannter Stärke deren Ausrichtung zueinander und zum optischen System bestimmt werden, so daß sie in ihrer Gesamtwirkung die Wellenfrontdeformationen kompensieren können.

Folgendes Beispiel zeigt die Wirkung zweier Zylinderpassen. Werden bei einer einfallenden ebenen Welle zwei Zylinderpassen gleichen Vorzeichens und gleicher absoluter Stärke unter einem Winkel von 0° zueinander ausgerichtet, so ergibt sich eine rein zylindrische Wellenfront. Bei einer Ausrichtung der Zylinder passen von 90° resultiert eine rein sphärische Wellenfront. Besitzen die Zylinder passen unterschiedliche Vorzeichen bei gleicher absoluter Stärke, so bleibt die plane Wellenfront bei einer Ausrichtung der Zylinderpassen von 0° erhalten, während ein Winkel von 90° in diesem Fall eine rein zylindrische Wellenfront liefert. Für alle anderen Kreuzungswinkel ergeben sich entsprechende sphä rische und zylindrische Anteile der Wellenfront. Das Verhältnis der sphärischen zu zylindrischen Anteile variiert kontinuierlich mit dem Kreuzungswinkel. Es genügen somit zwei Zylinderpassen geeigneter Stärke, um Wellenfrontdeforma tionen kompensieren zu können.

Konsequenterweise werden als optische Kompensationselemente eine Reihe von Planplatten mit eingearbeiteten positiven zylindrischen Paßfehlern und von Planplatten mit eingearbeiteten negativen zylindrischen Paßfehlern jeweils gleicher absoluter Stärke hergestellt und auf Lager gelegt. Während des Ferti gungsprozesses von optischen Bauteilen oder Systemen werden die von diesen Systemen veränderten Wellenfronten mit dem Wellenfrontmeßinstrument vermessen. Aufgrund der gemessenen Wellenfrontdeformationen werden die geeigneten Kompensationselemente dem Lager entnommen und in der durch die Messung bestimmten Ausrichtung auf dem optischen Bauteil oder auf Elementen des optischen Systems aufgekittet oder aufgesprengt. Alternativ dazu können die optischen Kompensationselemente in der bestimmten Ausrichtung zueinander zunächst zu einem Kompensatormodul aufgebaut werden. Das Kompensatormodul wird dann seinerseits ausgerichtet in den Strahlengang des optischen Systems eingebracht.

Neben den genannten Zylinderpassen können als optische Kompensa tionselemente auch Planplatten mit eingearbeiteten sphärischen Paßfehlern ver schiedener Stärke verwendet werden. Kompensationselemente mit sphärischen Paßfehlern sind leichter und kostengünstiger herzustellen als solche mit zylin drischen Paßfehlern. Allerdings reicht eine Reihe Kompensationselemente mit sphärischen Paßfehlern nicht aus, um die auftretenden Arten von Wellenfront deformationen kompensieren zu können. Es müssen auch Planplatten mit zylin drischem Paßfehler bereitgestellt werden, wobei jedoch Paßfehlerstärken nur eines Vorzeichens ausreichen. Zur Kompensation von Wellenfrontdeformationen sind in diesem Fall im allgemeinen drei optische Kompensationselemente not wendig.

Ein wesentlicher Vorteil des beschriebenen Verfahren ist es, daß mit einer nur geringen Anzahl von zwei oder drei optischen Kompensationselementen Wellen frontdeformationen verschiedener Form und Stärke kompensiert werden können. Im Ablauf des Herstellungsprozesses von optischen Bauteilen und Systemen er folgt die Kompensation der Wellenfrontdeformationen damit schnell und mit ein fachen Mitteln. Es entfällt die Notwendigkeit, bereits gefertigte optische Bauteile oder Systeme, die nicht der Spezifikation entsprechen, in einen vorhergehenden Fertigungsprozeß zur Nacharbeit nochmals einzuschleusen.

Darüber hinaus hat sich ergeben, daß mit diesem Verfahren eine Kompensation von Wellenfrontdeformationen auf nur Bruchteile der optischen Wellenlängen ge lingt. Damit ist eine wesentlich bessere Kompensation möglich als sie durch Nachbearbeitung des gefertigten optischen Systems erreicht werden kann. Die durch den Fertigungsprozeß bedingte Toleranzgrenze wird deutlich unterschritten und somit ein besseres Ergebnis erzielt

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1a eine schematische Darstellung zweier optischer Kompensa tionselemente zur Kompensation der durch ein Prisma hervorge rufenen Wellenfrontdeformationen,

Fig. 1b ein Koordinatensystem zur Definition der Winkel,

Fig. 2 durch das Prisma nach Fig. 1 erzeugte und mit einem Wellenfrontmeß instrument vermessene Wellenfrontdeformationen,

Fig. 3 die kompensierende Wirkung der optischen Kompensationselemente nach Fig. 1 auf die Wellenfrontdeformationen nach Fig. 2,

Fig. 4 durch willkürliches, gegenseitiges Verdrehen der optischen Kompensa tionselemente erzeugte Wellenfrontdeformationen.

In Fig. 1a sind ein Prisma 5 und zwei optische Kompensationselemente 1 und 2 schematisch dargestellt. Ein Lichtstrahlenbündel 10 aus parallelen Lichtstrahlen fällt senkrecht auf die Oberfläche 6 des Prismas 5. Innerhalb des Prismas 5 wird das Lichtstrahlenbündel 10 an den Flächen 7 und 8 des Prismas 5 reflektiert. Es verläßt das Prisma 5 wieder durch die Oberfläche 6 und wird danach als Licht strahlenbündel 11 bezeichnet. Da die Flächen 7 und 8 des Prismas 5 einen Winkel von 45° zum einfallenden Lichtstrahlenbündel 10 bilden, wirkt das Prisma 5 als Retroreflektor, so daß das einfallende Lichtstrahlenbündel 10 und das aus dem Prisma 5 austretende Lichtstrahlenbündel 11 parallel verlaufen.

Im Wellenbild bedeuten die parallelen Lichtstrahlen des Lichtstrahlenbündels 10 eine ebene elektromagnetische Welle, deren Ausbreitungsrichtung senkrecht zu den ebenen Wellenfronten steht. Die ebenen Wellenfronten verlaufen somit parallel zur Oberfläche 6 des Prismas 5. Da die Oberflächen 6, 7 und 8 des Primas 5 aufgrund des Herstellungsprozesses örtliche Abweichungen von ideal ebenen Flächen aufweisen und da auch innerhalb des Prismas 5 beispielsweise den Brechungsindex beeinflussende Materialinhomogenitäten auftreten können, tritt die elektromagnetische Welle mit entsprechenden Wellenfrontdeformationen aus dem Prisma 5 aus. Die Wellenfrontdeformationen des austretenden Licht strahlenbündels 11 werden mit Hilfe eines nicht dargestellten Wellenfrontmeß instruments vermessen. An Hand der Meßergebnisse werden geeignete optische Kompensationselemente 1 und 2 aus einer Reihe vorgefertigter optischer Kom pensationselemente ausgewählt und die Ausrichtung der optischen Kompensa tionselemente 1 und 2 zueinander und ebenso zu den Koordinaten x und y des Prismas 5 bestimmt. Die Ausrichtungen sind durch die Winkel ϕ₁ und ϕ₂ ge geben, die die Achsen a1 und a2 der Kompensationselemente 1 und 2 zur x- Achse in der x-y-Ebene des Koordinatensystems x, y, z des Primas 5 bilden (Fig. 1b). Die optischen Kompensationselemente 1 und 2 sind als negative und posi tive Zylinderpassen dargestellt. Die durch das Prisma 5 hervorgerufenen Wellenfrontdeformationen des Lichtstrahlenbündels 11 werden durch die optischen Kompensationselemente 1 und 2 kompensiert, so daß das daraus hervorgehende Lichtstrahlenbündel 12 wieder ebene Wellenfronten enthält.

Zur mathematischen Beschreibung der gemessenen Wellenfrontdeformationen werden die allgemein bekannten Zernikepolynome (Born, Max, Wolf, Emil: Principless of Optics, 6th Edition Oxford, New York: Pergamon Press, 1980, S. 464) bevorzugt. Die gemessene Wellenfront wird nach den Zernikepolynomen zerlegt, wodurch die Koeffizienten der Zernikepolynome bestimmt sind. Andererseits können die Koeffizienten der Zernikepolynome für die in Fig. 1a gezeigten Zylinderpassen 1, 2 folgender maßen als Gleichungen dargestellt werden.

Nach Passieren der Zylinderpasse 1 gilt für die Phase W₁ der Wellenfront

W₁ = C₁ + C₁ · {2ρ² - 1} - 2C₁ρ² · {cos 2α cos 2_ϕ₁ + sin 2α, sin 2_ϕ₁}

mit

C₁ = (n-1) · λ/8·A₁

Hierbei bedeuten _d₁ der Azimutwinkel zur x-Achse, ρ und α die Polarkoordinaten in der x-y-Ebene, n der Brechungsindex der Zylinderpasse 1, λ die Lichtwellen länge und A₁ die Anzahl der Newton′schen Ringe gemäß der Klassifizierung nach DIN 3140, die ein Maß der Stärke des Paßfehlers darstellt.

Für die Zylinderpasse 2 gilt analog

W₂ = C₂ + C₂·{2ρ²-1} - 2C₂ρ²·{cos 2α cos2_ϕ₂ + sin2α sin 2_ϕ₂}

mit

C₂ = (n-1) λ/8·A₂

Es ist zweckmäßig, die Azimutwinkel _ϕ₁, _d₂ beider Zylinderachsen a1, a2 neu zu definieren:

Ω=(_ϕ₁ + _ϕ₂/2
ω=(_d₂ - _ϕ₁/2

Diese Winkelbeziehungen sind in Fig. 1b anschaulich dargestellt.

Bei Kombination der Zylinderpassen 1 und 2 ergibt sich für die Phase W der Wellenfront

W = W₁ + W₂ =
D₁ + D₃· Z₃ + D₄·Z₄ + D₅· Z₅
mit D₁=D₃=(n-1)·λ/8·{A₁ + A₂}
D₄=(n-1)· λ/4·{A₁· cos2(Ω-ω) + A₂· cos2(Ω + ω)},
D₅=(n-1)· λ/4·{(A₁· sin2(Ω-ω) + A₂· sin2(Ω + ω)}

und den

Zernikepolynomen Z₃ = 2ρ² - 1; Z₄ = ρ² coS2α, Z₅= ρ² sin 2α

Aus den Gleichungen für die Koeffizienten D₁, D₃, D₄ und D₅ der Zernikepo lynome der gekreuzten Zylinderpassen 1, 2 lassen sich mit den aus der ge messenen Wellenfrontdeformation ermittelten Werten der Koeffizienten D₁, D₃, D₄ und D₆ bei bekannten Paßfehlerstärken A₁ und A₂ der Zylinderpassen 1, 2 deren Kreuzungswinkel ω und Einbauwinkel Ω bestimmen.

Somit lassen sich aus einer Reihe vorgefertigter und mit unterschiedlichen Paß fehlern versehener optischer Kompensationselemente 1, 2 wenigstens zwei Kompensationselemente 1, 2 derart auswählen, daß die Winkel zum Koordi natensystem des Prismas 5 leicht einstellbar sind. Es versteht sich von selbst, daß in einem sehr selten auftretenden Fall, bei dem ein optisches System Wellenfrontdeformationen nur eines einzigen Typs erzeugt, auch nur ein einziges optisches Kompensationselement entsprechenden Typs und entsprechender Stärke zur Kompensation des Fehlers in der Wellenfront notwendig ist.

Ein optisches System besteht im allgemeinem nicht nur aus einem Prisma wie beispielhaft dargestellte Prisma 5. Es kann aus weiteren nicht-abbildenden optischen Funktionselementen und/oder abbildenden optischen Funk tionselementen wie Linsen, gekrümmte Spiegel, Hologramme etc. zusammen gesetzt sein. Alle Funktionselemente eines solchen optischen Systems tragen zu Deformationen der in das optische System einfallenden Wellenfronten bei. Selbstverständlich werden auch die nach dem Durchgang der optischen Strah lung durch ein solchermaßen zusammengesetztes optisches System insgesamt erzeugten Wellenfrontdeformationen nach dem beschriebenen erfindungs gemäßen Verfahren kompensiert.

Fig. 2 zeigt die vom Prisma 5 der Fig. 1 erzeugte und mit einem Wellenfrontmeß gerät vermessene Wellenfront. Es ist die Phase W der Wellenfront in Abhängig keit des Ortes in der x-y-Ebene aufgetragen. In der Mitte des Strahlenbündels 11 sind die Phasen W der Wellenfront gegenüber der eingezeichneten Ebene nacheilend, während sie am linken und insbesondere am rechten Rand des Strahlenbündels 11 vorauseilend sind.

Die Wirkung der optischen Kompensationselemente 1, 2 auf die in Fig. 2 ge zeigten Wellenfrontdeformationen ist in Fig. 3 zu sehen. Die Phase W der Wellenfront ist nach dem Durchgang des Lichts durch die optischen Kompensa tionselemente 1, 2 über den gesamten Querschnitt des Strahlenbündels 12 nahezu konstant. Die Abweichungen von einer idealen Ebene betragen nur Bruchteile der sichtbaren Lichtwellenlänge und liegen somit innerhalb der ge forderten Toleranzgrenze.

Fig. 4 zeigt Wellenfrontdeformationen bei einer willkürlichen Verdrehung der optischen Kompensationselemente 1 und 2 aus ihrer optimalen Lage gemäß Fig. 3.

Claims

1. Verfahren zur Kompensation von Wellenfrontdeformationen, die durch ein optisches System (5) hervorgerufen werden und die mit Hilfe eines Wellen frontmeßinstruments vermessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang des optischen Systems (5) zumindest zwei optische Kom pensationselemente (1, 2) eingebracht werden, die aus einer Reihe vorge fertigter, mit unterschiedlichen Paßfehlerarten und -stärken versehener optischer Bauteile in Abhängigkeit von den Ergebnissen der mit dem Wellenfrontmeßinstrument gemessenen Wellenfrontdeformationen ausge wählt und zueinander und zum optischen System ausgerichtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe vorge fertigter optischer Kompensationselemente (1, 2) durch Planplatten mit einge arbeiteten zylindrischen und/oder sphärischen Paßfehlern verschiedener Stärke dargestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe vorge fertigter optischer Kompensationselemente (1, 2) durch eine Reihe Planplatten mit eingearbeiteten positiven zylindrischen Paßfehlern und eine Reihe Plan platten mit eingearbeiteten negativen zylindrischen Paßfehlern jeweils gleicher absoluter Stärke dargestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe vorge fertigter optischer Kompensationselemente (1,2) durch eine Reihe von Plan platten mit eingearbeiteten sphärischen Paßfehlern verschiedener Stärke und durch eine Reihe Planplatten mit zylindrischen Paßfehlern verschiedener Stärke aber mit einheitlichem Vorzeichen dargestellt wird.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Korrektur der Wellenfrontdeformation ausgewählten und zu ein ander und zum optischen System (5) ausgerichteten einzelnen optischen Kompensationselemente (1, 2) auf Elementen des optischen Systems aufge kittet oder angesprengt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Korrektur der Wellenfrontdeformation ausgewählten und zueinander ausgerichteten optischen Kompensationselemente (1, 2) zu einem Kompen satormodul aufgebaut werden und daß das zum optischen System (5) ausge richtete Kompensatormodul in den Strahlengang des optischen Systems (5) eingebracht wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung der Kompensationselemente (1, 2) direkt nach Winkelgrößen erfolgt, die aus dem Verlauf der Wellenfrontdeformation berechnet wurden.