DE3625609A1

DE3625609A1 - Digitalinterferometer zum polarisationsrandzonenabtasten

Info

Publication number: DE3625609A1
Application number: DE19863625609
Authority: DE
Inventors: Wu Prof Shudong; Chen Xinagzhen; Tao Yuxiou
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 1985-08-06
Filing date: 1986-07-29
Publication date: 1987-04-16
Also published as: CN85106007B; CN85106007A; US4762417A; DE3622431A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Art Interferometer, der zur Prüfung optischer Eigenschaften verschiedener optischer Bauteile verwendet wird. Insbesondere betrifft die Erfindung Digitalinterferometer zum Randzonenabtasten.

Stand der Technik

Digitalinterferometer zum Randzonenabtasten wurden zuerst im Jahre 1974 von J. H. Burning et al. der Bell Telephone Company, USA vorgeschlagen (Appl. Opt. 1974, Band 13, Nr. 11. P2693) und dann von den Firmen TROPEL und ZYGO (M. Sohaham SPIE, 1981, Band 306, 183; US-Patent 42 01 473-A) in den Handel gebracht. Heute stellen sie die effektivsten Instrumente für äußerst genaue Wellenfrontmessungen dar.

Die bekannten Digitalinterferometer zum Randzonenabtasten, zum Beispiel das Interferometer von ZYGO, umfassen eine Lichtquelle, eine Randzonenabtastinterferenzeinheit, ein photoelektrisches Meßgerät und ein Datenverarbeitungssystem, wobei die Randzonenabtastung durch Ändern des optischen Weges eines Interferenzstrahls unter Verwendung eines Piezokristalls ausgeführt wird. Dieses Verfahren hat jedoch folgende Nachteile:

1. Es ist schwierig, den Piezokristall mit hoher Genauigkeit zu steuern.

2. Es ist ein Zweistrahl-Interferenzgerät zu verwenden, bei dem das Meßsystem sehr empfindlich gegenüber Turbulenzen und Vibrationen von außen ist, und daher ist für die Messung eine sehr kritische Umgebung erforderlich.

3. Es werden eine sehr genaue Referenzwellenfront sowie andere optische Bauteile hoher Qualität benötigt.

4. Als Lichtquelle ist ein frequenzstabilisierter Laser zu verwenden.

5. Die Interferenzrandronen sind instabil, so daß es schwierig ist, die nullte Ordnungs-Interferenzrandzone der Aberration einzuhalten.

6. Die Vorrichtung besitzt eine komplizierte Struktur.

Um die oben genannten Nachteile zu beseitigen, hat der Erfinder auf der im August 1984 in Japan stattgefundenen 13. Internationalen Optikkonferenz ein neues Randzonenabtastprinzip, die Polarisionsrandzonenabtastung, vorgeschlagen und in "Acta Optica Sinica" einen Artikel über "Polarization Fringe Scanning Interferometer" vorgelegt, um das Prinzip der Polarisationszonenabtastung näher zu erläutern (Acta Optica Sinica, 1985, Band 5, Nr. 2).

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Art praktischer Vorrichtung, die auf dem von dem Erfinder vorgeschlagenen Prinzip des Digitalinterferometers zum Polarisationsrandzonenabtasten basiert, sowie einen praktischen optischen Weg und ein Gerät zur Prüfung der Eigenschaften verschiedener optischer Bauteile, wie zum Beispiel Linsen, Kugelspiegel und Planspiegel etc., und ein Verfahren zu Verwendung der Vorrichtung zu schaffen.

Die technische Darstellung der Erfindung ist im folgenden aufgeführt: Die Wellenfrontmessung wird auf Airysche Punktmessung beschränkt, und es wird eine kooptische Weginterferenz verwendet. Die zu prüfende Phasenverteilung ϕ (X, Y) wird mittels einer erfindungsgemäßen Phasenpolarisationskodiereinrichtung als die Verteilung des Polarisationswinkels ϕ (x, y)/2 kodiert, und anschließend wird die Randzonenabtastung unter Verwendung eines Rotationsanalysators durchgeführt. Die Interferogramme werden von einer Videokamera fotografiert und zur Verarbeitung einem Mikrocomputer zugeführt.

Wenn N-Positionen innerhalb des Polarisationswinkelintervalls (0, π) eingenommen werden, so können die Intensitätsverteilungen I (X, Y, K) der entsprechenden N-Bilder der Interferenzrandzonen gemessen werden. Die relative Phase ϕ (X, Y) zwischen verschiedenen Punkten, die genau die Wellenfrontverteilung ist, läßt sich errechnen, indem das Prinzip der digitalen Synchrondetektion angewandt wird: worin

Die erfindungsgemäße Phasenpolarisationskodiereinrichtung (wie in Fig. 2 dargestellt) besteht aus einem Polarisator (12), einem Polarisationsloch (14) auf einem Polarisationsfilm (13) und einer Viertelwellenlängenplatte (15). Fig. 3 zeigt die Ausrichtung dieser Polarisationsbauteile, in der E _p die Polarisationsachse des Polarisators (12), E _⟂ bzw. E _// die Löschungs- bzw. Transmissionsachse des Polarisationsfilms (13) und E _f bzw. E _s die schnelle bzw. langsame Achse der Viertelwellenlängenplatte (15) sind. Die Winkel zwischen E _f und E _//, E _s und E _⟂ betragen jeweils 45°. Wenn der Airysche Punkt der zu prüfenden konvergenten Wellenfront durch den Polarisator (12) hindurchgeht und dann auf das Polarisationsloch (14) fällt, verursacht das Loch, das als Standardpunktquelle gesehen werden kann, eine Referenzwellenfront, deren Polarisation entlang E _⟂ liegt. Da die einfallende Polarisation E _p eine Komponente parallel zu E _// hat, besitzt die zu testende Wellenfront eine transmissive Komponente, deren Polarisation entlang E _// liegt. Die Amplituden der Referenzwellenfront und der zu prüfenden Wellenfront können durch Änderung des Winkels zwischen E _p und E _⟂ mittels Einstellung der Ausrichtung des Polarisators (12) exakt angeglichen werden. Nach dem Hindurchgehen durch die Viertelwellenlängenplatte (15) werden sie in Rechts- bzw. Linkskreispolarisierung umgewandelt, und ihre Kombination führt zu einer Linearpolarisierung, deren Polarisationswinkel die Hälfte der Differenz zwischen ihren Phasen beträgt, d. h. ϕ (x, y)/2. Auf diese Weise wird die Polarisationskodierung der Phasen durchgeführt.

Die Phasenpolarisationskodiereinrichtung ist für jede Wellenfront geeignet, vorausgesetzt sie wird auf einen Airyschen Punkt konvergiert und fällt auf das Polarisationsloch (14).

Im Vergleich zu den bekannten Randzonenabtastinterferometern besitzt das Digitalinterferometer zum Polarisationsrandzonenabtasten die folgenden Vorteile:

1. Zur Abtastung wird ein Rotationsanalysator verwendet, wobei eine Drehung um 180° der Änderung von einer Wellenlänge entspricht; daher ist eine hochgenaue Steuerung sehr leicht, was wiederum die Empfindlichkeit der Messung stark erhöht.

2. Durch die kooptische Weginterferenz wird die Vorrichtung gegenüber Turbulenz und Vibrationen von außen unempfindlich. Daher funktioniert sie gut in normaler Umgebung.

3. Die Vorrichtung benötigt keine optischen Bauteile hoher Qualität, insbesondere wird keine hochgenaue Referenzwellenfront zur Messung von Linsen benötigt; ein Standardloch reicht zum Funktionieren der Vorrichtung aus.

4. Die Verwendung eines frequenzstabilisierten Lasers als Laserquelle ist nicht notwendig.

5. Die Interferenzrandzonen sind sehr stabil. Eine Interferenz nullter Ordnung läßt sich leicht einstellen. Die Messung von Aberration und Wellenfront ist ebenfalls unmittelbar.

6. Seine Struktur ist einfach und umfaßt nur einige optische Bauteile.

7. Die Wellenfrontmessung wird bei diesem Verfahren auf die Airysche Punktmessung beschränkt, welche zu sehr genauen quantitativen Ergebnissen führen kann und die traditionelle qualitative Airysche Punktmessung quantitativ macht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt den optischen Weg einer praktischen Vorrichtung zur Messung von Linsen und Mikroskopobjekten.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Struktur der Phasenpolarisationskodiereinrichtung.
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Fig. 3 zeigt die Anordnung der Ausrichtung der verschiedenen Polarisationskomponenten der Phasenpolarisationskodiereinrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 4 zeigt den optischen Weg einer praktischen Vorrichtung zur Messung von Kugelflächen.

Fig. 5 zeigt einen Teil des optischen Weges der Messung von ebenen Flächen.

Ausführliche Beschreibung

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert.

In Fig. 2 ist mit (12) ein Polarisator bezeichnet, (13) ist ein Polarisationsfilm mit einem darauf befindlichen Loch (14), d. h. mit dem Polarisationsloch, dessen Durchmesser im Berech von 3 µm bis 20 µm liegt. (15) stellt eine Viertelwellenlängenplatte dar. Die Ausrichtungen dieser Polarisationskomponenten sind in Fig. 3 dargestellt. Der einstellbare Polarisator (12) kann den Winkel zwischen der Richtung der Polarisationsachse E _p des Polarisators und der Transmissionsrichtung des Polarisationslochs (d. h. der Löschungsachse des Polarisationsfilms) derart ändern, daß der Kontast der Interferenzrandzonen ein Maximum erreicht. Der Polarisator (12) sollte sich so nah wie möglich am Polarisationsloch befinden, zum Beispiel 1 mm bis 10 mm, so daß die Vorrichtung nicht von der Depolarisationserscheinung des zu prüfenden Teils beeinflußt wird (insbesondere beim Prüfen eines Mikroskops), daß ein Polarisator hoher Qualität unnötig wird, weil nur ein kleines Gebiet des Polarisators verwendet wird, daß keine zusätzliche sphärische Aberration verursacht wird, da der Öffnungswinkel des auf das Polarisationsloch fallenden Lichtstrahls klein ist.

Als Viertelwellenlängenplatte (15) läßt sich jede beliebige Viertelwellenlängenplatte verwenden. Vorzugsweise wird jedoch eine Fresnelplatte als Viertelwellenlängenplatte verwendet, weil es schwierig ist, eine gewöhnliche Viertelwellenlängenplatte mit hoher Präzision zu bearbeiten. Die gewöhnliche Quarzplatte wird zusammengeklebt, ist daher nicht wärmebeständig und kann nicht mit einem Antireflexions- Film hoher Qualität beschichtet werden. Eine sehr genaue Phasenverschiebung für eine große Bandbreite (der Wellenlänge) läßt sich mittels einer Fresnelplatte erreichen, deren Endflächen beschichtet werden können.

Fig. 1 ist eine Darstellung des optischen Weges einer praktischen Vorrichtung zum Messen von Linsen und Mikroskopobjektiven. Innerhalb der gestrichelten Linie befindet sich der Hauptteil des erfindungsgemäßen Digitalinterferometers zur Polarisationsrandzonenabtastung, d. h. die Polarisationsrandzonenabtastmeßeinrichtung (11), das die Phasenpolarisationskodiereinrichtung -(5), einen Rotationsanalysator (7), eine Videokamera (9), einen Mikrocomputer (10) und eine von dem Mikrocomputer gesteuerte Synchronisierungssteuerung umfaßt. Vorzugsweise wird eine Bilderzeugungslinse (6) zwischen die Phasenpolarisationskodiereinrichtung (5) und den Rotationsanalysator (7) eingefügt, so daß die Bilder der Interferenzrandzonen klar auf der Objektebene der Videokamera (9) erzeugt werden können.

Die Funktionsweise des Digitalinterferometers zum Polarisationsrandzonenabtasten ist beim Messen von Linsen oder Mikroskopobjektiven wie folgt:

Ein von einem Laser (1) ausgesandter Laserstrahl wird durch eine Fokussierlinse (2) auf ein Loch (3) fokussiert, welches sich auf der Objektebene einer zu prüfenden Linse befindet, und als Standardpunktlichtquelle verwendet, deren Bild auf das Polarisationsloch (14) einer Phasenpolarisationskodiereinrichtung (5) (siehe Fig. 2) fällt, und danach wird die Polarisationskodierung der zu prüfenden Wellenfront durchgeführt. Nach Hindurchtreten durch die Bilderzeugungslinse (6) und den Rotationsanalysator (7) wird die Randzonenabtastung durchgeführt. Das Interferogramm fällt auf die Objektebene der Videokamera (9) und wird von dieser fotografiert. Anschließend wird es zu dem Mikrocomputer zur Datenverarbeitung weitergeleitet. Bei dem Testverfahren steuert der Mikrocomputer (10) die Synchronisiersteuereinheit (8) , die zum Beispiel einen Schrittschaltmotor umfaßt, und zwar zur Synchronisation des Rotationsanalysators (7) mit der Videokamera (9), um so synchrone Polarisationsrandzonenabtastung und synchrone Messung zu erreichen.

Fig. 4 ist eine Darstellung des optischen Weges einer praktischen Vorrichtung zur Prüfung von Kugelflächen. Das vom Laser (1) ausgesandte Licht, welcher mit einer Einmodenlichtleitfaser (16) verbunden ist, wird auf einen achsennahen Bildpunkt (17) eines Mikroskopobjektivs (18) zur Erzeugung einer Punktlichtquelle gelenkt. Die Mitte einer zu prüfenden Kugelfläche (19) liegt auf der Achse der Objektebene des Mikroskopobjektivs (18). Der Laserstrahl wird von der zu prüfenden Kugelfläche (19) reflektiert und geht durch das Mikroskopobjektiv (18) hindurch, um auf der Bildebene an der Stelle, welche symmetrisch zu der Punktquelle (17) ist, ein Bild entstehen zu lassen. Diese Bild is genau der Airysche Punkt (20) und fällt mit dem Polarisationsloch (14) der Phasenpolarisationskodiereinrichtung -(5) in der Polarisationsrandzonenabtastmeßeinrichtung (11) zusammen. Die Kugelfläche kann durch die Polarisationsrandzonenabtastmeßeinrichtung geprüft werden.

Die Prüfung kann durchgeführt werden, sofern das von dem Laser (1) ausgesandte Licht auf einen achsennahen Bildpunkt (17) gelenkt wird und in dem oben genannten optischen Weg der praktischen Vorrichtung eine Punktlichtquelle erzeugt. Die Prüfung ist von der Art der Lichtlenkung unabhängig. Der Einsatz einer Einmodenlichtleitfaser (16) zur Lichtlenkung und die Verwendung ihres Endes als Standardpunktquelle führen zu einer flexibleren Verbindung zwischen dem Laser und dem Interferometer.

Bei der Prüfung müssen die Punktquelle (17) und der Bildpunkt (20) nahe genug beieinanderliegen, zum Beispiel 2 mm bis 5 mm, so daß ihre konjugierten Punkte auf der Objektphase des Mikroskopobjektivs sehr nahe seiner optischen Achse liegen. Aus diesem Grund wird durch die Messung keine zusätzliche Komaaberration verursacht.

Fig. 5 stellt einen Teil des optischen Weges zur Messung einer ebenen Fläche dar. In Fig. 4 wird anstelle der sphärischen Fläche (19) von Fig. 4 zur Prüfung der ebenen Fläche (22) ein Kollimator (21) verwendet.

Dem Fachmann ist es bekannt, daß die hier offenbarten Ausführungsformen in vielfältiger Weise geändert, modifiziert und verbessert werden können ohne dabei vom Erfindungsgedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen, und dies gilt analog angewendet auch für die beiliegenden Ansprüche.

Claims

1. Digitalinterferometer zum Polarisationsrandzonenabtasten zum Prüfen der optischen Qualität optischer Bauteile, mit einer Laserquelle, einer Videokamera und einem Mikrocomputer, dadurch gekennzeichnet, daß eine Polarisationsrandzonenabtasteinheit eine Phasenpolarisationskodiereinrichtung (5), welche die zu prüfende Wellenfront kodiert, einen Rotationsanalysator (7) und eine Synchronisiersteuereinheit (8) aufweist, welche durch den Mikrocomputer (10) zur Synchronisierung des Rotationsanalysators mit der Videokamera (9) steuerbar ist, um eine synchrone Polarisationsrandzonenabtastung und synchrone Messung zu erzielen.

2. Digitalinterferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenpolarisationskodiereinrichtung (5) einen Polarisator (12) mit verstellbarer Polarisationsachse, einen Polarisationsfilm (13) mit einem darauf befindlichen Polarisationsloch (14) und eine Viertelwellenlängenplatte (15) aufweist.

3. Digitalinterferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Durchmesser des Polarisationslochs (14) im Bereich von 3 µm bis 20 µm und der Polarisator (12) in der Nähe des Polarisationslochs (14), d. h. in einem Bereich von 1 mm bis 10 mm, befindet.

4. Digitalinterferometer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Viertelwellenlängenplatte (15) eine Fresnelplatte ist.

5. Digitalinterferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bilderzeugungslinse (6) zwischen der Phasenpolarisationskodiereinrichtung (5) und dem Rotationsanalysator (7) angeordnet ist.

6. Optisches Linsenprüfsystem insb. zur Verwendung bei dem Digitalinterferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fokussierlinse (2) einen von der Laserquelle (1) ausgesandten Laserstrahl auf das Loch (3) fokussiert, das in der Objektebene einer zu prüfenden Linse (4) liegt und als Standardpunktlichtquelle dient, deren Bildpunkt auf das Polarisationsloch (14) der Phasenpolarisationskodiereinrichtung (5) fällt, wobei die Wellenfront von der zu prüfenden Linse (4) kodiert wird, daß der Mikrocomputer (10) die Synchronisiersteuerungseinheit (8) zur Synchronisierung des Rotationsanalysators (7) mit der Videokamera (9) steuert, um so eine Polarisationsrandzonenabtastung zu erzielen, und daß die Videokamera (9) auf diese Weise erzeugte Interferogramme empfängt und zur Datenverarbeitung zum Mikrocompunter (10) sendet.

7. Optisches Linsenprüfsystem insb. zur Verwendung bei dem Digitalinterferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, so erzeugt, daß sich die Mitte einer zu prüfenden Kugelfläche (19) auf der Achse der Objektebene des Mikroskopobjektivs (18) befindet, daß sich das von der zu prüfenden Kugelfläche (19) reflektierte Licht, welches durch das Mikroskopobjektiv (18) hindurchgeht, auf dem Bildpunkt (20) symmetrisch zur punktförmigen Lichtquelle (17) fokussiet, und daß der Bildpunkt (20) mit em Polarisationsloch (14) der Phasenpolarisationskodiereinrichtung (5) zusammenfällt und somit die Prüfung der Kugelfläche (19) durch Verwendung der Polarisationsrandzonenabtasteinheit (11) stattfindet.

8. Linsenprüfsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einmodenlichtleitfaser (16) den Laserstrahl zur punktförmigen Lichtquelle (17) des Mikroskopobjektivs (18) lenkt.

9. Linsenprüfsystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die punktförmige Lichtquelle (17) und der Bildpunkt (20) in einem Bereich von 2 mm bis 5 mm nahe beieinander befinden.

10. Linsenprüfsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Prüfung einer ebenen Fläche (22) anstelle der Kugelfläche (19) ein Kollimator (21) verwendet ist.