DE19782060B4

DE19782060B4 - Interferometer mit katadioptrischem Abbildungssystem mit erweitertem numerischem Aperturbereich

Info

Publication number: DE19782060B4
Application number: DE19782060A
Authority: DE
Inventors: Steven J. Vankerkhove
Original assignee: Tropel Corp
Current assignee: Tropel Corp
Priority date: 1996-10-16
Filing date: 1997-10-15
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2017-10-16
Also published as: DE19782060T1; JP2000505900A; JP3242412B2; WO1998016799A1; US5757493A

Abstract

Katadioptrisches Abbildungssystem eines Interferometers zum Messen einer konvexen Oberfläche mit:
einer Lichtquelle zum Erzeugen eines divergierenden Lichtstrahls;
einer Strahlteilerplatte mit einer teilweise reflektierenden Oberfläche zum Reflektieren des divergierenden Strahls als weiteren divergierenden Strahl;
einem Konkavspiegel zum Reflektieren des weiteren divergierenden Strahls als konvergierenden Strahl;
wobei die teilweise reflektierende Oberfläche der Strahlteilerplatte zum Durchlassen des konvergierenden Strahls zur konvexen Oberfläche auch teilweise durchlässig ist;
einer Stütze zum Anordnen der konvexen Oberfläche in einer Position zum Reflektieren des konvergierenden Strahls als redivergierenden Strahl auf einem Rückweg zur Lichtquelle;
wobei die Strahlteilerplatte eine Dicke und eine Position relativ zum Konkavspiegel hat, die eine sphärische Restaberration im konvergierenden Strahl erzeugen; und
einer Brechungsoptik, die zwischen der Strahlteilerplatte und der Stütze angeordnet ist, zum mindestens teilweisen Auslöschen der sphärischen Restaberration, die durch die Dicke und Position der Strahlteilerplatte verursacht wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Metrologie und insbesondere Interferometer mit Spiegellinsen- bzw. katadioptrischen Abbildungssystemen zum Messen konvexer Oberflächen.

Hintergrund

Die Erfindung unterstützt meine frühere Erfindung mit George Schnable, die in der US-A-5155554 offenbart ist und den Titel "Large Aperture Reflective Interferometer for Measuring Convex Spherical Surfaces" trägt. Beide Erfindungen haben die gleiche Gesamtaufgabe der optischen Messung konvexer Oberflächen mit großer Apertur. Indes betrifft meine neue Erfindung das Messen konvexer Oberflächen mit breiteren Größen- und numerischen Aperturbereichen.

Konvexe Oberflächen lassen sich wie ebene oder konkave Oberflächen optisch dadurch messen, daß eine auf die konvexe Oberfläche einfallende Prüfwellenfront mit einer Referenzwellenfront verglichen wird. Wirkliche Messungen erfolgen durch Bewerten eines resultierenden Interferenzmusters, das durch Kombinieren der beiden Wellenfronten erzeugt wird. Die ein fallende Wellenfront ist eine konvergierende Wellenfront, die durch optische Komponenten geformt wird, die zwangsläufig viel größer als die zu prüfenden konvexen Oberflächen sind. Große Linsen zum Erzeugen solcher konvergierenden Wellenfronten sind schwer mit der erforderlichen Meßgenauigkeit herzustellen; und bis zu meiner gemeinsam mit Herrn Schnable zustande gekommenen Erfindung begrenzte diese Schwierigkeit die Größe konvexer Oberflächen, die durch normale interferometrische Verfahren gemessen werden konnten.

Die unter meiner Mitwirkung zustande gekommene Erfindung nutzte ein katadioptrisches Abbildungssystem zum Erzeugen des konvergierenden Prüfstrahls (Wellenfront). Ein sphärisch divergierender Strahl von einer Punktquelle trat durch eine durchlässige Mittelöffnung eines großen sphärischen Konkavspiegels aus und wurde durch eine Strahlteilerplatte zum sphärischen Konkavspiegel als weiterer divergierender Strahl zurück reflektiert. Der sphärische Konkavspiegel reflektierte den weiteren divergierenden Strahl als konvergierenden Strahl, der durch die Strahlteilerplatte auf einem senkrechten Einfallsweg auf eine konvexe Prüfoberfläche durchgelassen wurde.

Solche großen sphärischen Konkavspiegel lassen sich mit höherer Genauigkeit als ähnlich große Linsen herstellen. Jedoch erzeugt der Durchgang eines konvergierenden Strahls durch eine Strahlteilerplatte eine sphärische Aberration, die durch Meridianstrahlen gekennzeichnet ist, die weiter entfernt von der Platte als paraxiale Strahlen des konvergierenden Strahlenbündels bzw. Strahls fokussiert sind. Die unter meiner Mitwirkung zustande gekommene Erfindung löste dieses Problem durch Justieren der Position der Strahlteilerplatte gegenüber dem sphärischen Konkavspiegel, um eine auslöschende sphärische Aberration mit umgekehrtem Vorzeichen zu erzeugen, die durch Meridianstrahlen gekennzeichnet ist, die näher zur Platte als paraxiale Strahlen des konvergierenden Strahls fokussiert sind. Das heißt, statt den weiteren divergierenden Strahl mit senkrechtem Einfall zum Konkavspiegel zu reflektieren, wurde die Strahlteilerplatte zum Konkavspiegel hin oder von ihm weg bewegt, um die Punktquelle in einer Position zu refokussieren, die von der Krümmungsmitte des Spiegels abweicht. Dadurch wurde die durch den Durchgang durch eine Strahlteilerplatte verursachte sphärische Aberration durch eine entgegengesetzte sphärische Aberration ausgelöscht, die durch Anordnen der Strahlteilerplatte in einer Position verursacht wurde, die den sphärischen Konkavspiegel abweichend von einfacher Vergrößerung fokussiert.

Obwohl die unter meiner Mitwirkung zustande gekommene Erfindung die Möglichkeiten zum optischen Messen konvexer Oberflächen stark erweiterte, begrenzen die Positionieranforderungen der Strahlteilerplatte die Größe (d.h. den Durchmesser) und numerische Apertur der konvexen Oberflächen, die mit einer beliebigen Kombination aus Konkavspiegel und Strahlteilerplatte gemessen werden können. Wegen des langen optischen Wegs des Prüfstrahls durch das katadioptrische Abbildungssystem unterliegt die Messung zudem systematischen und umgebungsbedingten Fehlern. Fehler in der optischen Gestaltung zum Übertragen des Prüfstrahls sowie Umgebungsbedingungen, die den Prüf- und Referenzstrahl differentiell beeinflussen, reduzieren die Meßgenauigkeit durch variierende optische Weglängen zwischen dem Test- und Referenzstrahl über die Veränderungen hinaus, die Fehler in den konvexen Oberflächen repräsentieren sollen.

Zusammenfassung der Erfindung

Durch meine Erfindung werden Größen- und numerische Aperturbereiche konvexer Oberflächen stärker erweitert, die mit Interferometern gemessen werden, die Prüfwellenfronten mit katadioptrischen Abbildungssystemen formen. Daneben werden weitere Verbesserungen der Wellenfrontqualität möglich, und die resultierenden Messungen können unempfindlicher gegenüber systematischen oder umgebungsbedingten Fehlern gemacht werden.

Eine Version meiner Erfindung als verbessertes katadioptrisches Abbildungssystem für ein Interferometer weist die bekannten Merkmale einer Lichtquelle, einer Strahlteilerplatte, eines Konkavspiegels und einer Prüfoberflächenstütze auf. Die Strahlteilerplatte hat eine teilweise reflektierende Oberfläche zum Reflektieren eines divergierenden Strahls von der Lichtquelle als weiteren divergierenden Strahl. Der Konkavspiegel reflektiert den weiteren divergierenden Strahl als konvergierenden Strahl. Zudem ist die teilweise reflektierende Oberfläche der Strahlteilerplatte zum Durchlassen des konvergierenden Strahls zu einer konvexen Prüfoberfläche teilweise durchlässig. Die Prüfoberflächenstütze positioniert die konvexe Prüfoberfläche im wesentlichen zum Retroreflektieren des konvergierenden Strahls als redivergierenden Strahl auf einem Rückweg zur Lichtquelle.

Statt aber die Strahlteilerplatte so zu positionieren, daß sie durch Durchgänge durch die Platte verursachte sphärische Aberration kompensiert, kann die Platte zum Konkavspiegel hin oder von ihm weg justiert werden, um die Maximalgröße (d.h. den Durchmesser) und die numerische Apertur des konvergierenden Strahls zu justieren. Bewegen der Platte hin zum Konkavspiegel erhöht die Maximalgröße der meßbaren konvexen Prüfoberflächen, reduziert aber ihre numerische Apertur. Bewegen der Platte weg vom Konkavspiegel verringert die Maximalgröße der meßbaren konvexen Prüfoberflächen, vergrößert aber ihre numerische Apertur.

Eine Brechungsoptik mit einem oder mehreren einzelnen optischen Brechungselementen, die zwischen der Strahlteilerplatte und der Prüfoberflächenstütze angeordnet sind, formt den konvergierenden Strahl zum Realisieren vielfältiger Zwecke weiter um. Erstens kann die Brechungsoptik so gestaltet sein, daß sie sphärische Restaberration kompensiert, die mit dem erweiterten Bereich von Strahlteilerplattenpositionen zusammenhängt. Zweitens kann die Brechungsoptik dazu dienen, die numerische Apertur des konvergierenden Strahls weiter zu justieren. Drittens kann eine Objektivoberfläche der Brechungsoptik so angeordnet sein, daß sie einen sogenannten Fizeauschen Hohlraum mit der konvexen Prüfoberfläche bildet, was die Grundgestaltung des Interferometers so ändert, daß gemeinsame Wege für sowohl Prüf- als auch Referenzstrahlen durch das katadioptrische Abbildungssystem vorgesehen sind.

Statt einen Primärstrahl in einen gesonderten Prüf- und Referenzstrahl vor dem katadioptrischen Abbildungssystem zu zerlegen und nur die Prüfwellenfront durch das katadioptrische Abbildungssystem zu leiten, kann die Objektivoberfläche verwendet werden, den Prüf- und Referenzstrahl innerhalb des katadioptrischen Abbildungssystems kurz vor der konvexen Prüfoberfläche zu trennen. Im Grunde bleiben außer im Hohlraum, der die Objektivoberfläche von der konvexen Prüfoberfläche trennt, der Prüf- und Referenzstrahl auf einem gemeinsamen Weg durch das katadioptrische Abbildungssystem sowohl zur konvexen Prüfoberfläche als auch von ihr weg kombiniert. Eine weiter verbesserte Meßgenauigkeit ist möglich, da optische Unvollkommenheiten im Abbildungssystem dazu neigen, sowohl den Prüf- als auch den Referenzstrahl gleichermaßen zu beeinflussen.

Vorzugsweise tritt Licht in das katadioptrische Abbildungssystem durch ein Fokussiersystem ein, das einen kollimierten Lichtstrahl von der Lichtquelle in einen divergierenden Strahl von einer Punktquelle umwandelt. Der kollimierte Strahl ist im wesentlichen zeitkohärent, und der divergierende Strahl von der Punktquelle ist im wesentlichen raumkohärent. Allerdings sieht eine Ausführungsform meiner Erfindung auch eine Unterbrechung des kollimierten Strahls mit einer asphärischen bzw. torischen Platte vor, um Aberrationen im katadioptrischen Abbildungssystem weiter einzudämmen. Besonders nützlich ist die asphärische Platte zum Korrigieren großer sphärischer Aberrationen, die nicht ausreichend durch Justierungen der Strahlteilerplatte und Brechungsoptik allein korrigiert werden können.

Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung meines katadioptrischen Abbildungssystems, das einen Prüfstrahl in einem Twyman-Green-Interferometer überträgt.
2 ist eine schematische Darstellung eines alternativen katadioptrischen Abbildungssystems, das sowohl Prüf- als auch Referenzstrahlen in einem Fizeauschen Interferometer überträgt.
3 ist ein alternatives katadioptrische Abbildungssystem zum Messen von Oberflächen mit kleinen numerischen Aperturen.
4 ist ein alternatives katadioptrische Abbildungssystem zum Messen von Oberflächen mit großen numerischen Aperturen.
Nähere Beschreibung
1 zeigt ein Beispiel für meine Erfindung, die in einem Twyman-Green-Interferometer realisiert ist. Eine herkömmliche Laserquelle 10 strahlt einen zeitkohärenten Lichtstrahl 11 ab, der durch eine Zerstreuungslinse 12 und eine Kollimationslinse 14 in einen kollimierten Strahl 16 umgeformt wird. Ein Strahlteilerblock 18 zerteilt den kollimierten Strahl 16 in einen Referenzstrahl 20, der in eine Richtung durch den Block 18 durchgelassen wird, und einen Prüfstrahl 22, der in eine weitere Richtung durch den Block 18 durchgelassen wird.
Wie bei einem Twyman-Green-Interferometer typisch, legen der Referenzstrahl 20 und der Prüfstrahl 22 getrennte Wege zurück, bevor sie zum Strahlteilerblock 18 zurückkehren, wo sie zu einem Interferenzstrahl 24 rekombiniert werden. Auf ihren getrennten Wegen wird der Referenzstrahl 20 durch einen flachen Referenzspiegel 26 retroreflektiert; und der Prüfstrahl 22 wird nach einer gewissen weiteren Strahlformung durch eine zu prüfende konvexe Oberfläche 28 retroreflektiert. Durch eine Feldlinse 30 wird der Interferenzstrahl 24 auf die Apertur einer Kamera oder anderen Abbildungsvorrichtung 32 zum Aufzeichnen eines Interferenzmusters zwischen dem Referenz- und Prüfstrahl projiziert. Jede Abweichung der Prüfoberfläche 28 von ihrer gewünschten konvexen Form ändert den rücklaufenden Prüfstrahl 22 gegenüber seiner Ausgangsform und erzeugt Veränderungen in einem Streifenmuster des aufgezeichneten Interferogramms. Der Referenzspiegel 26 ist in Richtung von Pfeilen 34 beweglich, um die Interferenzstreifen zu modulieren und so Phaseninformationen über diskrete Stellen im Streifenmuster zu erhalten.
Der vom Prüfstrahl 22 zurückgelegte Weg wird durch mein neues katadioptrisches Abbildungssystem 40 gesteuert, dessen Zweck darin besteht, einen Lichtkegel mit senkrechtem Einfall auf die konvexe Prüfoberfläche 28 zu erzeugen. Der Prüfstrahl 22 tritt in das katadioptrische Abbildungssystem 40 durch eine Fokussierlinsengruppe 42 ein, die den Prüfstrahl 22 aus einem kollimierten Strahl in einen divergierenden Prüfstrahl 36 umwandelt, der auf einer Punktquelle 44 austritt. Der divergierende Prüfstrahl 36 wird durch eine durchlässige Mittelöffnung 48 in einem sphärischen Konkavspiegel 46 auf eine Strahlteilerplatte 52 projiziert. Die Mittelöffnung 48 kann durch eine wirkliche Öffnung im Spiegel 46 oder durch einen durchlässigen Abschnitt des Spiegels 46 gebildet sein, der nicht vollständig von der reflektierenden Spiegeloberfläche 50 bedeckt ist.
Die Strahlteilerplatte 52 hat eine Oberfläche 54, die so behandelt ist, daß sie Strahlungsenergie teils reflektiert und teils durchläßt. Ein Abschnitt des divergierenden Prüfstrahls 36 reflektiert von der Oberfläche 54 der Strahlteilerplatte 52 zurück zum Konkavspiegel 46 als weiterer divergierender Prüfstrahl 38. Der Konkavspiegel 46 refokussiert den weiteren divergierenden Prüfstrahl 38 als konvergierenden Prüfstrahl 60, der durch die Strahlteilerplatte 52 zur konvexen Prüfoberfläche 28 als umgeformter konvergierenden Prüfstrahl 62 durchgelassen wird. Vorzugsweise sind der Konkavspiegel 46, die Strahlteilerplatte 52 und die konvexe Prüfoberfläche auf einer gemeinsamen optischen Achse 64 angeordnet.
Sowohl der Durchgang durch die Strahlteilerplatte 52 als auch alle nicht senkrechten Reflexionen vom Konkavspiegel 46 können sphärische Aberrationen im umgeformten konvergierenden Prüfstrahl 62 erzeugen. Die Brechung durch die Strahlteilerplatte 52 steigt mit zunehmenden Einfallswinkeln der Randstrahlen, wodurch sie zu einem Fokus auf der optischen Achse 64 hinter denen von einfallenden paraxialen Strahlen gerichtet werden (d.h. positive sphärische Aberration). Die Menge der durch die Strahlteilerplatte 52 erzeugten sphärischen Aberration ist proportional zu ihrer Dicke, die vorzugsweise möglichst klein ist. Allerdings ist eine ausreichende Dicke erforderlich, um eine Verstärkung von Schwingungen aufgrund von Bewegungen von Luft oder Stützstrukturen zu begrenzen.
Die nicht senkrechten Reflexionen vom Konkavspiegel 46 erzeugen eine sphärische Aberration mit umgekehrtem Vorzeichen, d.h. negative sphärisch Aberration, bei der Randstrahlen vor paraxialen Strahlen fokussiert werden. Die Größe der nicht senkrechten Reflexionen und der entsprechenden negativen sphärischen Aberration wird durch Justieren der Position der Strahlteilerplatte 52 auf der optischen Achse 64 gesteuert. Ein herkömmliches Positioniersystem 66, das einen Schrittantrieb enthält, kann dazu genutzt werden.
Die Bewegung der Strahlteilerplatte 52 justiert die Effektivposition der Punktquelle 44 als Objektpunkt 68, der auf der optischen Achse 64 gegenüber der Krümmungsmitte 70 des Konkavspiegels variiert werden kann. Ein konjugierter Bildpunkt 72, dem sich der konvergierende Strahl 60 nähert, variiert gegenüber der Spiegelkrümmungsmitte 70 in Gegenrichtung auf der optischen Achse 64. Jede Trennung des Objekt- und Bildkonjugats 68 und 72 fokussiert den Spiegel 46 abweichend von einfacher Vergrößerung und erzeugt einen entsprechenden Betrag von negativer sphärischer Aberration.
Gemäß meiner gemeinsamen Erfindung mit George Schnable, veröffentlicht als US-A-5155554, die hierin durch Verweis aufgenommen ist, wird die Position der Strahlteilerplatte 52 auf der optischen Achse 64 so justiert, daß eine negative sphärische Aberrationsmenge erzeugt wird, die die durch Brechung durch die Strahlteilerplatte 52 verursachte positive sphärische Aberration auslöscht. Allerdings begrenzt diese Einschränkung die Größen- und numerischen Aperturbereiche der konvexen Prüfoberfläche 28, die mit einer vorgegebenen Kombination aus Konkavspiegel 46 und Strahlteilerplatte 52 gemessen werden können.
Meine jetzige Erfindung erweitert die meßbaren Größen- und numerischen Aperturbereiche der konvexen Prüfoberfläche 28 durch Bereitstellen einer zusätzlichen Brechungsoptik 74 zwischen der Strahlteilerplatte 52 und der konvexen Prüfoberfläche 28. Die Brechungsoptik 74, die aus einem oder mehreren Brechungselementen, z.B. Linsen, bestehen kann, ist so gestaltet, daß sie sphärische Restaberrationen kompensiert, die durch Positionen der Strahlteilerplatte 52 verursacht sind, die nicht genau die durch Brechung durch die Strahlteilerplatte 52 bewirkte sphärische Aberration auslöschen. Die durch die Brechungsoptik 74 korrigierten Restaberrationen können jedes Vorzeichen haben, das durch Positionen der Strahlteilerplatte bewirkt ist, die die durch Brechung durch die Strahlteilerplatte 52 erzeugten positiven sphärischen Aberrationen überkompensieren oder unterkompensieren.
Im Beispiel von 1 ist die Strahlteilerplatte 52 näher am Konkavspiegel 46 positioniert, als dies zum Auslöschen der durch Brechung durch die Strahlteilerplatte 52 erzeugten positiven sphärischen Aberration erforderlich wäre. Zusätzlich zum Überkompensieren positiver sphärischer Aberration erweitert die nähere Position der Strahlteilerplatte 52 die Größe und reduziert die numerische Apertur des konvergierenden Prüfstrahls 60. Die Brechungsoptik 74 löscht die negative sphärische Restaberration aus und bricht außerdem den umgeformten konvergierenden Prüfstrahl 62 in einen weiteren umgeformten konvergierenden Prüfstrahl 76, der sich der konvexen Prüfoberfläche 28 mit senkrechtem Einfall nähert.
Außerdem kann die Brechungsoptik 74 die numerische Apertur des weiteren umgeformten konvergierenden Prüfstrahls 76 variieren, um den Bereich meßbarer Prüfoberflächen stärker zu erhöhen. Beispielsweise zeigt 1 den weiteren umgeformten konvergierenden Prüfstrahl 76 mit einer vergrößerten numerischen Apertur gegenüber dem umgeformten konvergierenden Prüfstrahl 62. Jedoch könnte die Brechungsoptik 74 auch so angeordnet sein, daß sie die numerische Apertur des weiteren umgeformten konvergierenden Prüfstrahls 76 verkleinert. Die Strahlteilerplatte 52 könnte auch weiter entfernt vom Konkavspiegel 46 positioniert sein, als dies zum Auslöschen der positiven sphärischen Aberration erforderlich wäre, um die numerische Apertur des konvergierenden Prüfstrahls 60 zu vergrößern.
Eine herkömmliche Positioniervorrichtung 78 justiert die konvexe Prüfoberfläche 28 auf der optischen Achse 64 in eine Position, an der die weitere umgeformte konvergierende Prüfwellenfront 76 mit senkrechtem Einfall über die gesamte Arbeitsfläche der konvexen Prüfoberfläche 28 auftrifft. Für konvexe sphärische Prüfoberflächen fällt eine Krümmungsmitte 80 der Prüfoberfläche vorzugsweise mit dem Bildpunkt 72 zusammen. Die einfallenden Strahlen der weiteren umgeformten konvergierenden Prüfwellenfront 76 werden durch die konvexe Prüfoberfläche 28 auf einem Rückweg durch die Punktquelle 44 zum Strahlteilerblock 18 retroreflektiert. Jede Abweichung in der kollimierten Prüfwellenfront 22, die von der konvexen Prüfoberfläche 28 zurückgeführt wird, erzeugt Veränderungen im durch die Kamera 32 aufgezeichneten Interferenzmuster. Bei ordnungsgemäßer Aberrationskorrektur des katadioptrischen Abbildungssystems 40 stellen die Veränderungen im Interferenzmuster Veränderungen in der konvexen Prüfoberfläche 28 dar.
Obwohl die Brechungsoptik 74 allgemein zum Korrigieren aller sphärischen Restaberrationen verwendet wird, die durch die Strahlteilerplatte 52 verursacht werden, sind weitere Korrekturen möglich, indem eine asphärische bzw. torische Platte 86 vor der Fokussierlinsengruppe 42 angeordnet wird. Die asphärische Platte 86 unterbricht den kollimierten Prüfstrahl 22, um eine relativ schnelle Formänderung des Prüfstrahls 22 vorzusehen. Große Aberrationen lassen sich durch die asphärische Platte 86 korrigieren, wobei die Endkorrekturen der Brechungsoptik 74 überlassen bleiben.
Die Punktquelle 44, aus der der divergierende Strahl 36 austritt, ist vorzugsweise möglichst nahe an der reflektierenden Oberfläche 50 des Konkavspiegels 46 angeordnet, um die notwendige Größe der Öffnung 48 durch die reflektierende Oberfläche 50 zu begrenzen. Jedoch könnte auch eine (nicht gezeigte) herkömmliche Positioniervorrichtung mit einer oder mehreren der Komponenten der Fokussierlinsengruppe 42 verbunden sein, um die Position der Punktquelle 44 zum weiteren Eindämmen der Aberrationen zu justieren, die durch die Relativposition der Strahlteilerplatte 52 verursacht werden.
Ein zweites Beispiel für meine Erfindung gemäß 2 ist in einem Fizeau-Interferometer zum Senken der Fehlerempfindlichkeit in einem entsprechenden katadioptrischen Abbil dungssystem 100 realisiert. Ähnlich wie im vorherigen Beispiel erzeugt eine Laserquelle 90 zusammen mit einer Zerstreuungslinse 92 und einer Kollimationslinse 94 einen kollimierten Strahl 96 aus kohärentem monochromatischem Licht. Allerdings läßt ein modifizierter Strahlteilerblock 98 den kollimierten Strahl 96 zum katadioptrischen Abbildungssystem 100 als kombinierten Prüf- und Referenzstrahl 102 durch und reflektiert den kombinierten Prüf- und Referenzstrahl 102, der vom katadioptrischen Abbildungssystem 100 zurückkehrt, zu einer Feldlinse 104 zum Projizieren eines Bilds eines resultierenden Interferenzmusters auf eine Kamera oder andere Abbildungsvorrichtung 106.
Der kombinierte Prüf- und Referenzstrahl 102 tritt in das katadioptrische Abbildungssystem 100 durch eine Fokussierlinsengruppe 108 ein, die den kombinierten Strahl 102 aus einer kombinierten Form in einen divergierenden Strahl 110 umwandelt, der aus einer Punktquelle 112 austritt. Durch eine Mittelöffnung 114 in einem sphärischen Konkavspiegel 116 kann der divergierende Strahl 110 den Konkavspiegel 116 auf einer gemeinsamen optischen Achse 118 zu einer Strahlteilerplatte 120 durchlaufen. Eine teilweise reflektierende Oberfläche 122 der Strahlteilerplatte 120 führt einen Abschnitt des divergierenden Strahls 110 zum Konkavspiegel 116 als weiteren divergierenden Strahl 124 zurück.
Im Gegensatz zur vorherigen Ausführungsform trifft der weiteren divergierende Strahl 124 auf eine reflektierende Oberfläche 126 des Konkavspiegels 116 mit senkrechtem Einfall und wird als konvergierender Strahl 128 auf einem Weg zur Spiegelkrümmungsmitte 130 retroreflektiert. An dieser Position der Strahlteilerplatte 120 enthält der konvergierende Strahl 128 keine sphärische Aberration, die durch Fokussieren der Punktquelle 112 abweichend von einfacher Vergrößerung verursacht wird. Allerdings ist diese Position der Strahlteilerplatte 120 nur eine der vielen weiteren Positionen, die durch meine Erfindung möglich sind. Eine Positioniervorrichtung 132 kann verwendet werden, um die Strahlteilerplatte 120 in jede Richtung auf der optischen Achse 118 zu justieren und so die numerische Apertur oder die Größe sphärischer Aberration im konvergierenden Strahl 128 zu variieren.
Ein Abschnitt des konvergierenden Strahls 128 wird durch die Strahlteilerplatte 120 als geringer Aberration unterworfener oder umgeformter konvergierender Strahl 134 durchgelassen. Eine Brechungsoptik 136 entfernt mindestens einen Teil der sphärischen Aberration, die durch Brechung durch die Strahlteilerplatte 120 verursacht wurde. Eine Objektivoberfläche 138 der Brechungsoptik 136 retroreflektiert einen Abschnitt des konvergierenden Strahls 134 als Referenzstrahl 140. Der restliche Abschnitt des konvergierenden Strahls 134 wird durch die Objektivoberfläche 138 als Prüfstrahl 142 auf einem Weg mit senkrechtem Einfall zu einer konvexen Prüfoberfläche 144 durchgelassen. Der Prüfstrahl 142 wird zurück zur Objektivoberfläche 138 retroreflektiert, wo er sich mit dem Referenzstrahl 140 rekombiniert, um ein Interferenzmuster als Darstellung etwaiger Veränderungen in der konvexen Prüfoberfläche 144 zu bilden. Die kombinierten Referenz- und Prüfstrahlen 140 und 142 kehren zum Strahlteilerblock 98 zurück, wo sie zur Kamera 106 zum Aufzeichnen des Interferenzmusters geführt werden.
Vorzugsweise sind die Objektivoberfläche 138 und die konvexe Prüfoberfläche 144 um einen Minimalabstand durch einen sogenannten Fizeauschen Hohlraum 146 beabstandet. Außer im Fizeauschen Hohlraum 146 bleiben der Referenz- und Prüfstrahl 140 und 142 auf dem gleichen optischen Weg durch das katadioptrische Abbildungssystem 100 kombiniert. Folglich neigen alle Fehler im Abbildungssystem dazu, beide Strahlen 140 und 142 gleichermaßen zu beeinflussen. Allerdings ändern Fehler in der konvexen Prüfoberfläche 144 die Relativphase des Prüfstrahls 142 gegenüber dem Referenzstrahl 140, was im resultierenden Interferenzmuster als Maß für den Prüfoberflächenfehler interpretiert werden kann.
Eine herkömmliche Positioniervorrichtung 148 justiert die Position der konvexen Prüfoberfläche 144 auf der optischen Achse 118. Eine Phasenverschiebung wird vorzugsweise erreicht, indem die konvexe Prüfoberfläche 144 auf der optischen Achse 118 bewegt wird oder indem ähnlich die Objektiv oberfläche 138 mit einer (nicht gezeigten) ähnlichen Positioniervorrichtung bewegt wird.
Sowohl die Strahlteilerplatte 120 als auch die Brechungsoptik 134 haben wichtige Funktionen über ihre Wirkung auf sphärische Aberration hinaus. Beispielsweise justiert die Position der Strahlteilerplatte 120 die numerische Apertur des konvergierenden Strahls 128, und die Brechungsoptik 134 bildet eine Objektivoberfläche 136 für einen Fizeauschen Hohlraum 146. Eine asphärische Platte 148 kann vor der Fokussierlinsengruppe 108 angeordnet sein, um große Korrekturen an der sphärischen Aberration des kombinierten Prüf- und Referenzstrahls 102 vorzunehmen. Besonders effektiv ist die asphärische Platte 148 zum Verringern der Anzahl optischer Elemente in der Brechungsoptik 134, die ansonsten die Größe der konvexen Prüfoberfläche 144 begrenzen würden.
3 und 4 zeigen zwei zusätzliche katadioptrische Abbildungssysteme 150 und 190, die gemäß meiner Erfindung angeordnet sind. Die Anordnung von 3 verkleinert die numerische Apertur erheblich. Die Anordnung von 4 vergrößert die numerische Apertur erheblich.
In 3 tritt ein divergierender Strahl 152 aus einer Punktquelle 154 nahe einer Mittelöffnung 156 eines sphärischen Konkavspiegels 158 aus. Eine Strahlteilerplatte 160 reflektiert einen Abschnitt des divergierenden Strahls 152 zurück zum Konkavspiegel 158 als weiteren divergierenden Strahl 162. Der Konkavspiegel 158 reflektiert den weiteren divergierenden Strahl 162 als Schmalwinkelstrahl 164, der eine Wellenfront mit geringer Krümmung hat. Der Schmalwinkelstrahl 164 konvergiert zu einem Fokus, der weit hinter der Krümmungsmitte 166 des Konkavspiegels 158 liegt. Tatsächlich könnte die Strahlteilerplatte 160 auch so ausreichend nahe am Konkavspiegel 158 positioniert sein, daß ein gering divergierender Schmalwinkelstrahl erzeugt wird.
Der Durchgang des Schmalwinkelstrahls 164 durch die Strahlteilerplatte 160 erzeugt einen umgeformten Schmalwinkelstrahl 168, der gewisse sphärische Aberration enthält, die durch Brechung durch die Strahlteilerplatte 160 bewirkt wurde. Allerdings enthält der umgeformte Schmalwinkelstrahl 168 eine noch größere sphärische Aberrationsmenge mit umgekehrtem Vorzeichen, die durch die Nähe der Strahlteilerplatte 160 zum Konkavspiegel 158 hervorgerufen wird.
Eine Brechungsoptik 170 weist zwei Linsenkomponenten 172 und 174 zum weiteren Umformen des umgeformten Schmalwinkelstrahls 168 auf. Durch beide Komponenten 172 und 174 erfolgt eine weitere Kompensation der größeren sphärischen Aberration der Strahlteilerplattenposition. Jedoch wirkt eine Objektivoberfläche 176 der Komponente 174 auch als Fizeausche Oberfläche zum Retroreflektieren eines Abschnitts des weiteren umgeformten Schmalwinkelstrahls als Referenzstrahl 180 und zum Durchlassen eines Restabschnitts des weiteren umgeformten Schmalwinkelstrahls als Prüfstrahl 182.
Eine konvexe Prüfoberfläche 184 retroreflektiert im wesentlichen den Prüfstrahl 182 zurück zur letzten Oberfläche 176, wo er sich mit dem Referenzstrahl 180 rekombiniert, um ein Interferenzmuster als Anzeige für etwaige Veränderungen in der Prüfoberfläche 184 zu erzeugen. Ein ähnlicher Rückweg durch das katadioptrische Abbildungssystem 150 überträgt die kombinierten Referenz- und Prüfstrahlen 180 und 182 zu einer Kamera oder anderen Aufzeichnungsvorrichtung (nicht gezeigt) zum Messen der Relativintensitäten unterschiedlicher Punkte im Interferenzmuster.
In 4 beginnt das katadioptrische Abbildungssystem 190 ebenfalls mit einem divergierenden Strahl 192, der aus einer Punktquelle 194 austritt, die nahe einer Mittelöffnung 196 eines sphärischen Konkavspiegels 198 angeordnet ist. Eine Strahlteilerplatte 200 reflektiert einen Abschnitt des divergierenden Strahls 192 zurück zum sphärischen Konkavspiegel 198 als weiteren divergierenden Strahl 202. Jedoch ist die Strahlteilerplatte 200 in einem ausreichenden Abstand vom Konkavspiegel 198 positioniert, so daß der weitere divergierende Strahl 202 auf den Konkavspiegel 198 mit nahezu senkrechtem Einfall auftrifft. Dadurch reflektiert der Konkavspiegel den weiteren divergierenden Strahl 202 als Weitwinkelstrahl 204.
Der Durchgang des Weitwinkelstrahls 204 erzeugt die übliche Aberration in einem umgeformten Weitwinkelstrahl 208, was auch für die Position der Strahlteilerplatte 200 gilt. Eine Brechungsoptik 210, die zwei Linsenkomponenten 212 und 214 enthält, formt den umgeformten Weitwinkelstrahl 208 in einen noch breiteren Weitwinkelstrahl 216 weiter um, der eine noch größere numerische Apertur hat. Beide Komponenten 212 und 214 korrigieren außerdem etwaige Restaberrationen im noch breiteren Weitwinkelstrahl 216, die durch die Strahlteilerplatte 200 verursacht sind.
Der noch breitere Weitwinkelstrahl 216 dient als Prüfstrahl durch Retroreflektieren von einer konvexen Prüfoberfläche 218 auf einem Rückweg durch das katadioptrische Abbildungssystem 190 zu einem (nicht gezeigten) Strahlteiler, wo der Prüfstrahl mit einem Referenzstrahl rekombiniert wird. Phasendifferenzen zwischen dem Prüf- und Referenzstrahl sind als Veränderungen in der konvexen Prüfoberfläche 218 interpretierbar.

Claims

Katadioptrisches Abbildungssystem eines Interferometers zum Messen einer konvexen Oberfläche mit: einer Lichtquelle zum Erzeugen eines divergierenden Lichtstrahls; einer Strahlteilerplatte mit einer teilweise reflektierenden Oberfläche zum Reflektieren des divergierenden Strahls als weiteren divergierenden Strahl; einem Konkavspiegel zum Reflektieren des weiteren divergierenden Strahls als konvergierenden Strahl; wobei die teilweise reflektierende Oberfläche der Strahlteilerplatte zum Durchlassen des konvergierenden Strahls zur konvexen Oberfläche auch teilweise durchlässig ist; einer Stütze zum Anordnen der konvexen Oberfläche in einer Position zum Reflektieren des konvergierenden Strahls als redivergierenden Strahl auf einem Rückweg zur Lichtquelle; wobei die Strahlteilerplatte eine Dicke und eine Position relativ zum Konkavspiegel hat, die eine sphärische Restaberration im konvergierenden Strahl erzeugen; und einer Brechungsoptik, die zwischen der Strahlteilerplatte und der Stütze angeordnet ist, zum mindestens teilweisen Auslöschen der sphärischen Restaberration, die durch die Dicke und Position der Strahlteilerplatte verursacht wird.
Abbildungssystem nach Anspruch 1, wobei eine Referenzposition der Strahlteilerplatte als Position festgelegt ist, an der die Reflexion von der Strahlteilerplatte sphärische Aberration auslöscht, die durch den Durchgang durch die Dicke der Strahlteilerplatte verursacht wird.
Abbildungssystem nach Anspruch 2, wobei die Strahlteilerplatte zum Verkleinern einer numerischen Apertur des konvergierenden Strahls näher zum Konkavspiegel als die Referenzposition bewegt wird.
Abbildungssystem nach Anspruch 3, wobei die Brechungsoptik die numerische Apertur des konvergierenden Strahls weiter verkleinert.
Abbildungssystem nach Anspruch 2, wobei die Strahlteilerplatte zum Vergrößern einer numerischen Apertur des konvergierenden Strahls weiter weg vom Konkavspiegel als die Referenzposition bewegt wird.
Abbildungssystem nach Anspruch 5, wobei die Brechungsoptik die numerische Apertur des konvergierenden Strahls weiter vergrößert.
Abbildungssystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Fokussiersystem, das einen Lichtstrahl von der Lichtquelle empfängt und den Strahl in den divergierenden Strahl umwandelt.
Abbildungssystem nach Anspruch 7, ferner mit einer Fokussiersystemstütze zum Justieren einer Stelle einer Punktquelle für den divergierenden Strahl.
Abbildungssystem nach Anspruch 7, ferner mit einem asphärischen optischen Element, das den Lichtstrahl von der Lichtquelle unterbricht, zum weiteren Korrigieren von Aberration im konvergierenden Strahl.
Abbildungssystem nach Anspruch 9, wobei das Fokussiersystem einen kollimierten Strahl von der Lichtquelle in den divergierenden Strahl überführt und den divergierenden Strahl durch eine Öffnung im Konkavspiegel projiziert.
Abbildungssystem nach Anspruch 10, wobei das asphärische optische Element den kollimierten Strahl unterbricht.
Abbildungssystem nach Anspruch 1, wobei die Brechungsoptik eine Objektivoberfläche zum Erzeugen eines Interferenzmusters zwischen einem Abschnitt des konvergierenden Strahls, der von der Objektivoberfläche reflektiert wird, und dem von der konvexen Oberfläche reflektierten redivergierenden Strahl hat.
Abbildungssystem nach Anspruch 12, wobei ein Abschnitt des konvergierenden Strahls auf die Objektivoberfläche im wesentlichen mit senkrechtem Einfall auftrifft und ein weiterer Abschnitt des konvergierenden Strahls auf die konvexe Oberfläche im wesentlichen mit senkrechtem Einfall auftrifft.
Abbildungssystem nach Anspruch 13, wobei die Brechungsoptik mehrere optische Brechungselemente aufweist und die Objektivoberfläche auf dem optischen Brechungselement angeordnet ist, das der konvexen Oberfläche am nächsten ist.
Interferometer zum Messen einer konvexen sphärischen Oberfläche mit: einer Lichtquelle zum Erzeugen eines monochromatischen Lichtstrahls, der in einen divergierenden Lichtstrahl geformt wird; einem Konkavspiegel mit einer durchlässigen Fläche zum Projizieren des divergierenden Lichtstrahls; einem Strahlteiler zum teilweisen Reflektieren des divergierenden Strahls in einen weiteren divergierenden Strahl; wobei der Konkavspiegel zum Reflektieren des weiteren divergierenden Strahls als konvergierender Strahl positioniert ist, einer Objektivoberfläche, die einen ersten Abschnitt des konvergierenden Strahls als Referenzstrahl auf einem Rückweg zum Strahlteiler reflektiert; und einer Stütze zum Anordnen der konvexen Oberfläche in einer Position, die einen zweiten Abschnitt des konvergierenden Strahls als Prüfstrahl auf einem Rückweg zum Strahlteiler reflektiert, wobei der Prüf- und Referenzstrahl ein Interferenzmuster an der Objektivoberfläche als Darstellung von Veränderungen in der konvexen Oberfläche erzeugen.
Interferometer nach Anspruch 15, wobei die Objektivoberfläche auf einer Brechungsoptik gebildet ist, die zwischen dem Strahlteiler und der Stütze angeordnet ist.
Interferometer nach Anspruch 16, wobei der Strahlteiler den konvergierenden Strahl zur Objektivoberfläche durchläßt und eine Dicke hat, die eine erste sphärische Aberration in den konvergierenden Strahl einführt.
Interferometer nach Anspruch 17, wobei der Strahlteiler gegenüber dem Konkavspiegel in einer Position angeordnet ist, die eine zweite sphärische Aberration in den konvergierenden Strahl einführt.
Interferometer nach Anspruch 18, wobei die Brechungsoptik eine dritte sphärische Aberration in den konvergierenden Strahl einführt, die eine Kombination aus der ersten und zweiten sphärischen Aberration mindestens teilweise auslöscht.
Interferometer nach Anspruch 19, ferner mit einer justierbaren Stütze zum Anordnen des Strahlteilers in unterschiedlichen Positionen zum Modifizieren der zweiten sphärischen Aberration.
Interferometer nach Anspruch 15, ferner mit einem asphärischen optischen Element, das zwischen der Lichtquelle und dem Konkavspiegel angeordnet ist, zum Einführen einer vierten sphärischen Aberration, die eine Summe aus der ersten, zweiten und dritten sphärischen Aberration weiter reduziert.
Interferometer nach Anspruch 21, ferner mit einem Fokussiersystem, das einen kollimierten Strahl von der Lichtquelle in den divergierenden Strahl überführt.
Interferometer nach Anspruch 22, wobei der kollimierte Strahl von der Lichtquelle auf das asphärische optische Element auffällt.
Interferometer nach Anspruch 18, ferner mit einem Fokussiersystem, das den monochromatischen Lichtstrahl durch eine Punktquelle zum Formen des divergierenden Lichtstrahls konvergiert.
Interferometer nach Anspruch 24, ferner mit einem Positioniersystem zum Justieren der Position der Punktquelle gegenüber dem Konkavspiegel zum Justieren der durch die Strahlteilerplatte eingeführten zweiten sphärischen Aberration.
Katadioptrisches Abbildungssystem zum Übertragen eines Lichtstrahls mit senkrechtem Einfall zu einer Prüfoberfläche eines Interferometers mit: einem Konkavspiegel mit einer Mittelöffnung zum mindestens teilweisen Durchlassen des Lichtstrahls durch den Konkavspiegel; einem Strahlteiler zum Reflektieren eines Abschnitts des Lichtstrahls zurück zum Konkavspiegel; dem Konkavspiegel zum Reflektieren des Strahlabschnitts zurück zur Strahlteilerplatte; wobei der Strahlteiler einen Körper zum Durchlassen eines Abschnitts des reflektierten Strahlabschnitts aufweist; und einer Brechungsoptik zum Richten des durchgelassenen Strahlabschnitts zur Prüfoberfläche mit senkrechtem Einfall.
System nach Anspruch 26, wobei die Brechungsoptik eine Objektivoberfläche zum Retroreflektieren eines Abschnitts des durchgelassenen Strahlabschnitts als Referenzstrahl und zum weiteren Durchlassen des durchgelassenen Strahlabschnitts als Prüfstrahl aufweist.
System nach Anspruch 27, wobei die Prüfoberfläche im wesentlichen zum Retroreflektieren des Prüfstrahls zur Objektivoberfläche zum Bilden eines Interferenzmusters mit dem Referenzstrahl als Anzeige für Veränderungen in der Prüfoberfläche positioniert ist.
System nach Anspruch 26, ferner mit einer Positioniervorrichtung zum Justieren einer Position des Strahlteilers gegenüber einer Referenzposition, an der sphärische Aberration im reflektierten Strahlabschnitt durch Durchlassen durch den Strahlteiler verursachte sphärische Aberration im durchgelassenen Strahlabschnitt auslöscht.
System nach Anspruch 29, wobei der Strahlteiler zum Verkleinern einer numerischen Apertur des reflektierten Strahlabschnitts näher zum Konkavspiegel als die Referenzposition positioniert ist.
System nach Anspruch 29, wobei der Strahlteiler zum Vergrößern einer numerischen Apertur des reflektierten Strahlabschnitts weiter entfernt vom Konkavspiegel als die Referenzposition positioniert ist.
System nach Anspruch 29, wobei der Strahlteiler in einem Abstand von der Referenzposition positioniert ist und die Brechungsoptik einen Restabschnitt der sphärischen Aberration im durchgelassenen Strahlabschnitt mindestens teilweise auslöscht.
System nach Anspruch 29, wobei der Strahlteiler in einem Abstand von der Referenzposition positioniert ist und die Brechungsoptik eine numerische Apertur des durchgelassenen Strahlabschnitts ändert.
System nach Anspruch 26, ferner mit einer asphärischen Platte zum mindestens teilweisen Auslöschen sphärischer Aberration, die mit dem Strahlteiler und der Brechungsoptik zusammenhängt.