DE19803100B4

DE19803100B4 - Meßanordnung mit Wellenfrontsensor und Verfahren zum Kalibrieren

Info

Publication number: DE19803100B4
Application number: DE19803100A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Schweizer
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1998-01-28
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2018-01-29
Also published as: DE19803100A1

Abstract

Meßanordnung mit
– einer Lichtquelle (1),
– einer Hilfsoptik (3, 5),
– einem Meßobjekt (6) in Form eines optischen Elements oder eines optischen Systems,
die in ihrem Zusammenwirken einen Fokusbereich erzeugen, mit einer Blende (7) im Fokusbereich und einem für Kugelwellen als Sollform geeigneten Wellenfrontsensor (8) mit Kollimatorlinse (8a), dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung der Blende (7) veränderbar ist und soweit geschlossen werden kann, daß sie als Punktlichtquelle für den Wellenfrontsensor (8) wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Solche Anordnungen mit Wellenfrontsensoren, z.B. ZEISS Detect 16, oder Detect 32, treten in jüngerer Zeit bei mäßigen Genauigkeitsanforderungen anstelle von aufwendigen und langsamen aber hochgenauen Interferometrie-Meßsystemen und -Verfahren in der Qualitätskontrolle von optischen Elementen und Baugruppen, wo Material-, Oberflächen-, Form- und Justagefehler zu erfassen sind.
Die Anwendbarkeit dieser Wellenfrontsensor-Technik bei wesentlich gesteigerter Messgenauigkeit zu ermöglichen, ohne den enormen Aufwand der Vorhaltung je eines exakt vermessenen Meisterstückes für jedes Messobjekt als Referenz, ist die Aufgabe dieser Erfindung.
In der DE 195 09 157 C2 ist ein optisches System offenbart das eine punkförmige Strahlungsquelle aufweist, wobei die Lage von Steuerelementen kontinuierlich veränderbar ist.
Die Lösung gelingt bei einer Messanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch, dass gemäß dem Kennzeichen die Öffnung der Blende veränderbar ist und soweit geschlossen werden kann, dass sie als Punktlichtquelle für den Wellenfrontsensor wirkt.
Durch diese an sich einfache Maßnahme wird das Verfahren zum Kalibrieren nach Anspruch 3 ermöglicht. Der Wellenfrontsensor kann also mit einer Punktlichtquelle kalibriert werden, ohne dass irgendwelche Umbauten erforderlich wären. Die Kalibrierung kann also jederzeit und beliebig oft wiederholt werden.
Ist nach Anspruch 2 die Blende auch seitenverschieblich angeordnet, so hat dies den Vorteil, dass gemäß Anspruch 4 auch außerachsiale Fehler des Wellenfrontsensors erfasst werden können.
Durch die Variabilität der Blende wird auch das Verfahren nach Anspruch 5 möglich, welches eine Differenzierung nach verschiedenen Fehlereinflüssen des Meßobjekts ermöglicht.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand der Zeichnung.
Deren einzige 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Linsen-Prüfaufbau mit CCD-Wellenfrontsensor.
Als Lichtquelle 1 dient ein Laser, dessen Laserstrahl 2a durch eine Hilfsoptik, bestehend aus Sammellinse 3, Lochblende 4 und längerbrennweitiger Sammellinse 5, zu einem auf geweiteten Bündel 2b umgeformt wird. Dieses Bündel 2b muß sehr gut parallel sein und eine ebene Wellenfront mit Abweichungen von ca. 5 nm aufweisen.
Dieses wird durch das Meßobjekt 6 geschickt, welches zunächst auf eine Lochblende 7 fokussiert. Das Loch in der Lochblende 7 ist nun im Durchmesser einstellbar: Minimal ist die Öffnung z.B. mit Durchmesser 25 nm, maximal offen z.B. mit Durchmesser 5 mm.
Ist die Lochblende 7 minimal, so werden durch sie alle durch Fehler des Meßobjekts 6 erzeugten Wellenfrontdeformationen weggefiltert und eine praktisch ideale Kugelwelle trifft auf die Vorsatzlinse 8a des Wellenfrontsensors 8. Diese formt zwar näherungsweise wieder eine ebene Welle, jedoch enthält diese Wellenfront nun die Fehler der Vorsatzlinse 8a. Diese Wellenfront trifft auf das Mikrolinsenarray 8b, welches auf dem CCD-Chip 8c einer CCD-Kamera Fokus-Spots erzeugt, deren Lage nun von den Fehlern der Vorsatzlinse 8a und des Mikrolinsenarrays 8b, sowie den Unregelmäßigkeiten des CCD-Chips 8c bestimmt ist. Im Normalbetrieb werden aus der Lage der Foki die Wellenfrontfehler berechnet. In diesem Fall nun werden die Fehler des Wellenfrontsensors 8 erfaßt. Die Fehler des Prüflings gehen nicht ein, da sie durch die fast geschlossene Blende 7 weggefiltert werden. Es kann nun also der Wellenfrontsensor 8 kalibriert werden, d.h. seine eigenen optischen Fehler können gemessen und registriert (abgespeichert) werden.
Wird nun die Blende 7 vollständig geöffnet, so kommen zu den vorhandenen Wellenfrontfehlern noch die vom Meßobjekt 6 erzeugten hinzu und werden über die entsprechenden Fokus-Lagen des Mikrolinsenarrays 8b von der CCD-Kamera 8c aufgezeichnet.
Da aber jetzt die Wellenfront-Fehler des Wellenfrontsensors 8 bekannt sind, können sie von den mit Meßobjekt 6 gemessenen numerisch abgezogen werden. Das Resultat ist die allein vom Meßobjekt 6 erzeugte Wellenfrontverformung – und damit ist die optische Qualität des Meßobjekts 6 wie gewünscht bestimmt und zwar absolut und nicht relativ zu einem Meisterstück.
Im gezeigten Beispiel ist das Meßobjekt 6 ein sammelndes Kittglied. Jede fokussierende Optik, von der einzelnen Sammellinse bis zum kompletten Objektiv, kann mit der unveränderten Anordnung vermessen werden. Die Blende 7 ist lediglich in Richtung der optischen Achse in deren Brennebene zu schieben und der Durchmesser des Lichtbündels 2a muß ausreichend sein. Andere Optiken, zerstreuende Linsen oder Spiegel, können mit abgewandelten Hilfsoptiken ebenfalls vermessen werden. Die Abwandlungen sind aus der Prüfung mit Interferometern bekannt.
Prinzipiell genügt es, wenn die verstellbare Blende 7 nur zwei Stellungen – minimal, ca. 25 μm Durchmesser, und offen – ca. 5 mm Durchmesser – aufweist. Bei dem minimalen Durchmesser ist bei der gegebenen Auflösung des Wellenfrontsensors 8 kein Unterschied zu einer idealen Punktlichtquelle mehr feststellbar, doch kommt noch ausreichend Licht hindurch. In der offenen Stellung muß der komplette Fokusfleck mit allen Störungen die Blende 7 passieren können. Dazu ist dann ein einfacher Wechselmechanismus mit zwei Blendenöffnungen oder mit einer Vorsatzblende ausreichend.
Bevorzugt ist aber eine Irisblende mit stufenlos einstellbarem Öffnungsdurchmesser. Durch Messungen mit verschiedenen Blendendurchmessern können dann die Fehlereinflüsse des Meßobjekts 6 differenziert aufgenommen werden.
Auch eine seitliche Verschiebbarkeit der Blende 7 ist vorteilhaft, da dann der Wellenfrontsensor 8 auch für nicht achssymmetrischen Strahlengang kalibriert werden kann und bedarfsweise die Fokalebene des Meßobjekts 6 abgescannt werden kann. Auch eine Zentrierung der Blende 7 auf den ggf. zur optischen Achse seitenversetzten Fokusfleck des Prüflings 6 ist dann möglich.
Ein geeigneter Wellenfrontsensor 8 ist komplett von Carl Zeiss, Oberkochen, unter der Bezeichnung Direct 16 oder Direct 32 erhältlich.

Claims

Meßanordnung mit – einer Lichtquelle (1), – einer Hilfsoptik (3, 5), – einem Meßobjekt (6) in Form eines optischen Elements oder eines optischen Systems, die in ihrem Zusammenwirken einen Fokusbereich erzeugen, mit einer Blende (7) im Fokusbereich und einem für Kugelwellen als Sollform geeigneten Wellenfrontsensor (8) mit Kollimatorlinse (8a), dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung der Blende (7) veränderbar ist und soweit geschlossen werden kann, daß sie als Punktlichtquelle für den Wellenfrontsensor (8) wirkt.
Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (7) seitwärts verschieblich angeordnet ist.
Verfahren zum Kalibrieren einer Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßbild des Wellenfrontsensors (8) bei als Punktlichtquelle geschlossener Blende (7) aufgenommen wird und daraus die Fehlereinflüsse des Wellenfrontsensors (8) festgestellt werden.
Verfahren zum Kalibrieren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßanordnung nach Anspruch 2 vorgesehen ist und Fehler des Wellenfrontsensors (8) für außerachsialen Strahlengang durch Meßbilder bei geschlossener Blende (7) in verschiedenen seitwärtigen Positionen erfaßt werden.
Verfahren zum Vermessen eines Meßobjekts mit einer Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Meßbilder des Wellenfrontsensors (8) bei mehreren verschiedenen Stellungen – Öffnung und/oder Position – der Blende (7) aufgenommen werden.