DE3732149A1 - Verfahren und vorrichtung zum charakterisieren einer genauigkeitseigenschaft einer optischen linse - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum charakterisieren einer genauigkeitseigenschaft einer optischen linseInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Produktion präzi
ser optischer Komponenten und Anordnungen, wie Laserscanner,
mikrophotolithographischer Bauelemente, Mikroskopvorrichtungen
usw. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Prüfung
von Abweichungen in solchen Systemen.
Es ist üblich, die Linsenqualität auf der Basis interferome
trischer Auswertungen zu beurteilen. Obwohl eine solche Metho
de sehr empfindlich selbst gegenüber winzigen Abweichungen im
System ist, ist die Dateninterpretation in bezug auf den Wert
der besonderen Abweichung, z.B. einer Verzeichnung oder eines
Astigmatismus, extrem schwierig, und zwar insbesondere im
Falle von mehrteiligen optischen Anordnungen.
Zum Laserdrucken und zur Halbleiterchipherstellung verwendete
Laser-Abtastsysteme beruhen auf optischen Systemen, bei denen
bewußt negative Verzeichnungen eingeführt sind. Eine Abwei
chung in den sich bei einer realen Linse dieser Art ergebenden
Verzeichnungen gegenüber ihren Konstruktionsdaten um mehr als
0,05 µm könnte für eine Linsenbenutzung unannehmbar sein.
Mikroreduktionslinsen mit begrenzter Beugung, wie sie bei der
Photolithographiestufe der Halbleiterchipherstellung benutzt
werden, dürfen nur eine Verzeichnung von weniger als 0,2 µm in
dem benutzbaren Feld und eine Minimalgröße von Gesamtverzeich
nungen haben. Es ist daher einzusehen, daß ein dringender
Bedarf an einer Vorrichtung und einem Verfahren besteht, wel
che eine quantitative Analyse von Abweichungen bzw. Aberratio
nen einer Linse oder Linsenanordnung, insbesondere von Ver
zeichnungen im Mikron- und Submikron-Verzeichnungsbereich
ermöglichen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine solche Vorrichtung und ein
solches Verfahren zur Messung von Linsenverzeichnungen sowie
anderen Linsenabweichungen oder anderen Linseneigenschaften
zur Verfügung zu stellen.
Die Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
genauen quantitativen Erfassung einer Linsenverzeichnung und
anderer für Linsenfehler charakteristischen Abweichungen zur
Verfügung. Mit der Erfindung kann auch die Laserstrahl-Quali
tätsverschlechterung in dem untersuchten optischen System
analysiert werden. Erfindungsgemäß wird eine Linse (oder eine
Linsenanordnung, bestehend aus mehreren Linsen, die für die
Zwecke der vorliegenden Erfindung im folgenden einfach als
"Linse" bezeichnet wird) in eine Laser-Abtasteinrichtung ein
gesetzt, die mit einem optischen Codierer, einem Lichtsensor
und einem zur Aufzeichnung und Verarbeitung des Sensor-Aus
gangssignals geeigneten Informationsspeicher ausgestattet ist.
Die Linse wird in einer festen Position derart angeordnet, daß
ein Scanner eine Fläche der Linse mit einem Lichtbündel, im
folgenden Lichtstrahl genannt, überstreicht. Ein in der Linse
angeordneter Codierer sorgt für eine Codierung des Linsen-Aus
trittsstrahls. Ein hinter dem Codierer angeordneter Lichtsen
sor nimmt den codierten Strahl auf und erzeugt elektrische
Signale, die der Intensität des codierten Lichts proportional
sind. Das Lichtsensor-Ausgangssignal wird an ein Digitalisier
gerät angelegt und einer Analog/Digital-Umsetzung unterworfen,
und die digitalisierte Information wird von einem Computer
verarbeitet.
Der Codierer hat eine Gruppe von transparenten Fenstern oder
Öffnungen, die an einer lichtundurchlässigen Fläche definiert
sind. Die Fenster haben ein bestimmtes Muster derart, daß ein
über die Fenster wandernder Strahl ein spezielles Lichtinten
sitätsmuster hervorruft, welches von dem hinter dem Codierer
angeordneten Lichtsensor empfangen wird.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung, teilweise als
Blockdiagramm, des Ausführungsbeispiels der er
findungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 die Anordnung eines Codierers und eines Lichtemp
fängers mit Bezug auf eine Linse und einen Licht
strahl;
Fig. 3 eine Frontansicht eines Teils des Codierers ent
sprechend der Schnittlinie 3-3 in Fig. 2, wobei
drei Gruppen von Öffnungen auf der Frontseite
gezeigt sind;
Fig. 4 eine Ansicht eines Ausrichtfensters als Teil des
Codierers gemäß Fig. 3, wobei auch ein Codierpro
fil dargestellt ist, das der Ausrichtung oder der
Prüfung einer Linse zugeordnet ist;
Fig. 5 eine Ansicht auf einen Teil des Charakterisie
rungsfensters gemäß Fig. 3, wobei außerdem einer
Codierung eines Strahls zugeordnete Codierungs
profile dargestellt sind;
Fig. 6 eine Ansicht eines Teils der Anstiegsflanke des
Sägezahnprofils gemäß Fig. 5, wobei auch die an
der ansteigenden Flanke des Sägezahnprofils vor
handenen rampenförmigen Stufen und bei der Mes
sung der Degradation bzw. Verschlechterung des
Laserstrahls auftretende Kurvenformen gezeigt
sind; und
Fig. 7 eine dreidimensionale Darstellung von Lichtinten
sitätsprofilen, die in einer Verarbeitung digita
lisierter Daten gewonnen worden sind.
Die Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Durchführung einer genauen quantitativen Messung einer Linsen
verzeichnung oder anderer Linsen anhaftender Fehler zur Verfü
gung und ermöglicht außerdem die Analysierung der Qualitäts
verschlechterung von Laserstrahlen in dem getesteten optischen
System. Obwohl eine spezielle Testkonfiguration und -folge
beschrieben werden, liegen innerhalb des Erfindungsgedankens
verschiedene Abwandlungen. Es ist für den Fachmann klar, daß
spezielle Einzelheiten zur Realisierung der Erfindung nicht
erforderlich sind. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen
und Schaltungen nicht im einzelnen beschrieben, um die Erfin
dung nicht mit unnötigen Einzelheiten zu belasten.
Fig. 1 stellt die grundsätzliche Testkonfiguration dar, wie
sie bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel Verwendung fin
det. Eine lichtemittierende Vorrichtung, z.B. ein Laser 10,
dient zur Erzeugung eines Lichtbündels. Ein Laserstrahlbündel
11 fällt durch eine Zoomlinse 12 auf einen rotierenden Scanner
13. Die Zoomlinse 12 kann eine beliebige Linsenanordnung mit
Zoomeignung zur Einstellung des Laserbündeldurchmessers auf
der Oberfläche eines Spiegels 14 sein. Der Scanner 13 enthält
den Spiegel 14, der umläuft und bewirkt, daß der Einzelstrahl
bzw. das einzelne Strahlbündel 11 zu einem Abtaststrahl 15
wird. Der Spiegel 14 ist ein auf dem Scanner 13 montierter
hochpolierter Spiegel. Der Scanner 13 ist ein rotierendes
Präzisionsgerät, das mit einer konstanten Geschwindigkeit
umläuft. Der Scanner 13 ist aus herkömmlichen Komponenten
aufgebaut, die als solche bekannt und im Handel erhältlich
sind.
Während der Abtastspiegel 14 auf dem Scanner 13 rotiert,
durchstößt der Abtaststrahl 15 eine telezentrische, flache
Feldabtastlinse 16 und bildet als Ergebnis der Ablenkung eine
lineare Abtastung 17 a, die in der Brennebene der Abtastlinse
16 angeordnet ist. Die Länge der Linearabtastung 17 a beträgt
L=2f Φ, wobei f=die Brennweite der Linse 16 und Φ = der
Halbfeldwinkel der Linse 16 ist. Der oben genannte Teil des
Geräts stellt den klassischen Vorobjektiv-Laserscanner dar,
wie er beispielsweise in Donald C. O′Shea "Elements of Modern
Optical Design" John Wiley & Sons, 1985 beschrieben worden
ist.
Eine zu prüfende Linse (oder Linsenanordnung) 18 ist zwischen
der Abtastlinie 17 a und einem optischen Codierer 19 angeord
net. Ein Strahl bzw. Strahlbündel 15 durchläuft die Linsen 16
und 18, wobei die zu prüfende Linse 18 effektiv das Bild der
Abtastlinie 17 b auf eine Fläche 20 des Codierers 19 proji
ziert. Der Abtaststrahl 15 tritt durch Öffnungen in der Fläche
20 und fällt auf einen Sensor 21. Der Sensor 21 ist direkt
hinter dem Codierer 19 montiert. Der Sensor 21, der als Licht
empfänger wirkt, enthält eine Fotodiode 22. Die als gewöhnli
che Fotodiode ausgebildete Diode 22 erzeugt einen Fotostrom,
der dem die Fotodiode 22 erreichenden Lichtstrom proportional
ist.
Der analoge Fotostrom wird über eine Leitung 25 an ein Digita
lisiergerät 23 angelegt, das das Analogsignal in eine für eine
Weiterverarbeitung durch einen Computer 24 geeignete digitale
Form umsetzt. Dabei können die meisten der bekannten Digitali
siergeräte und Prozessoren verwendet werden. Ein Video-Anzei
gegerät 28, beispielsweise ein Oszilloskop, kann mit dem Com
puter 24 gekoppelt sein, um Videoanzeigen des Fotostromsignals
sichtbar zu machen. Die meisten bekannten Video-Anzeigegeräte
können zu diesem Zweck verwendet werden. Außerdem können das
Digitalisiergerät 23, der Computer 24 und das Oszilloskop 28
in einer einzigen Einheit kombiniert sein.
Obwohl eine Zoomlinse 12 und ein rotierender Scanner 13 in dem
beschriebenen Ausführungsbeispiel eingesetzt sind, sind diese
Geräte zur Realisierung der Erfindung nicht erforderlich.
Notwendig ist, daß der Laser 10 einen Strahl bzw. ein Strahl
bündel 15 erzeugt, welches über die Fläche der Linse 18
streicht, wodurch der Strahl 15 nach Durchtritt durch die
Linse 18 über die Fläche 20 des Codierers 19 abgelenkt wird.
Als Sensor 21 können viele verschiedene Geräte benutzt werden.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Fotodiode
22 zur Erzeugung eines Stroms verwendet, der proportional zu
der die Fotodiode 22 erreichenden Lichtmenge des Strahls 15
ist. Zum Testen einer flachen Feldlinse selbst wird die zu
testende Linse anstelle der Abtastlinse 16 in Position ge
bracht.
In Fig. 2 ist die Anordnung der Linse 18, des Codierers 19 und
des Sensors 21 mit Bezug auf den Strahl 15 gezeigt. Die Linse
18 (die in einer Linsenanordnung montiert sein kann) ist so
angeordnet, daß der Strahl 15 eine der Achsen auf der Fläche
der Linse 18 überstreicht. Der Codierer 19 ist so angeordnet,
daß die Fläche 20 mit dem Abtastlinienbild 17 b zusammenfällt.
Obwohl irgendeine Art von Haltemechanismus zum Positionieren
des Codierers 19 verwendet werden kann, findet bei dem be
schriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Gerät Verwen
dung, welches die Einstellung der Position des Codierers 19
während eines Testzyklus ermöglicht. Der Sensor 21 mit der
Diode 22 ist direkt hinter dem Codierer 19 angeordnet und
arbeitet als Einzelanordnung 26 zu Positionierungszwecken. Die
Signalleitung 25 koppelt das Analogsignal von der Diode 22 zum
Digitalisiergerät 23 in Fig. 1.
Fig. 3 zeigt die Frontseite bzw. -fläche 20 des Codierers 19.
Die Frontseite 20 ist aus einem lichtundurchlässigen Material
gebildet, das auf einem für die beim Test verwendete Laser
strahlenwellenlänge durchlässigen Substrat verklebt, verkittet
oder auf andere Weise zum Haften gebracht ist. Verschiedene
bekannte Ätzmethoden können zur Definition der Ausricht- und
Codiergeometrien in der lichtundurchlässigen Schicht verwendet
werden. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der
Codierer unter Verwendung einer Elektronenstrahllithographie
methode auf einer Chrom-auf-Glas-Maske gebildet. Bei dem be
schriebenen Ausführungsbeispiel hat die Frontseite 20 drei
lichtdurchlässige bzw. transparente Bereiche 30, 31 und 32,
die für die beim Test benutzte Laserwellenlänge transparent
sind. Diese Bereiche werden im folgenden als "Fenster" be
zeichnet. Ein Initialisierungsfenster 30 besteht aus einem
großen transparenten Feld 300. Dieses könnte beliebig geformt
sein, solange sein Querschnitt beträchtlich größer als die
Länge des Abtastlinienbildes 17 b ist, das von der zu testenden
Linse 18 in der Bildebene entsprechend Darstellung in Fig. 3
erzeugt wird. Der einzige Zweck des Initialisierungsfensters
30 ist die Herstellung einer Grobausrichtung des Codierers 19
zum Abtastlinienbild 17 b, das von der zu testenden Linse er
zeugt wird. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die
transparente Zone 300 rechtwinklig und hat eine Breite von 3
mm und eine Höhe von 2 mm.
Das Ausrichtfenster 31 hat mehrere transparente rechteckige
Felder 37, die in einer Zeile nebeneinander angeordnet sind.
Es dient zur Feinausrichtung. Bei dem beschriebenen Ausfüh
rungsbeispiel besteht das Ausrichtfenster 31 aus rechteckigen
Feldern 37, von denen jedes eine Breite von 0,5 mm und eine
Höhe 5 µm hat. Auch bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist jedes rechteckige Feld 37 durch lichtundurchlässige Zonen
33 getrennt, die jeweils eine Breite von 10 µm haben und die
Felder 37 seitlich begrenzen. Die Geometrie der lichtundurch
lässigen Zonen 33 und der transparenten Felder 37 im Fenster
31 muß so gewählt werden, daß eine geeignete Strahlcodierung
dadurch geschaffen wird, daß die Abtastlinien-Bildebene in
derselben Ebene wie das Ausrichtfenster 31 sein kann, wie dies
in gestrichelten Linien 29 gezeigt ist. Dadurch wird eine
Information geliefert, die von der gegenseitigen Orientierung
des Bildes der Abtastlinie 17 b und des Feinausrichtfensters 31
abhängig ist. Zwar hat das Ausrichtfenster 31 bei dem be
schriebenen Ausführungsbeispiel spezielle Abmessungen; jedoch
ist es nur notwendig, daß die gesamte Länge des Ausrichtfen
sters 31 größer als die Länge des von der Linse 18 erzeugten
Bildes der Abtastlinie 17 b (Fig. 1 und 2) ist. Die Breite
des Ausrichtfensters 31 sollte nahe der Querschnittsgröße des
Laserstrahlbündels in der von der Linse 18 erzeugten Abtastli
nien-Bildebene sein.
Die tatsächliche Linsencharakterisierung geschieht durch das
Fenster 32. Das Fenster 32, das eine Geometrie aus lichtun
durchlässigen und durchlässigen Zonen bzw. Feldern hat, lie
fert eine geeignete Strahlcodierung zur Auswertung der Aberra
tionscharakteristik der Linse 18, wenn der Strahl durch die
Linse 18 und das Fenster 32 tritt. Bei dem bevorzugten Ausfüh
rungsbeispiel besteht das Charakterisierungsfenster 32 aus
mehreren Sägezahnprofilen 38. Jedes Sägezahnprofil 38 weist
eine Vielzahl komplexer Mehrfachstufen 45 entlang der An
stiegsflanke 47 auf. Die Gesamthöhe des Sägezahns 38 sowie die
Stufenlänge jeder Stufe 45 muß größer als die Querschnittsab
messung des Strahls in der Abtastlinien-Bildebene 17 b sein.
Die Länge jedes transparenten Feldes 49 ist 90 µm, und jede
ansteigende Flanke 47 wird durch dreißig gleiche Stufen 45
gebildet, wobei jede Stufe 45 eine Länge von 3 µm und eine
Höhe von 0,1 µm hat. Die Abmessungen des bevorzugten Ausfüh
rungsbeispiels entsprechen einer Querschnittsabmessung des
Strahlbündels in der Bildebene 17 b, die gleich 2 µm für einen
geeigneten Codiererbetrieb ist.
Der Codierer 19 und der Sensor 21 sind als eine Baueinheit 26
in einem Halter montiert, der sechs Freiheitsgrade der Bewe
gung für diese Einheiten zur Verfügung stellt. Ein Halter
(nicht gezeigt) dieser Art wird gewöhnlich in optischen Labors
verwendet und schafft Translationen in orthogonalen (linearen)
und Rotationsrichtungen. Ein spezieller Halter, wie er bei dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet wird, benutzt drei
Translationen in Orthogonalrichtung drei Rotationstranslatio
nen um drei unterschiedliche Achsen zum Ausrichten der Einheit
26 auf eine Brennebene für verschiedene Charakterisierungser
fordernisse.
Im folgenden wird auf die Fig. 1, 2 und 3 Bezug genommen.
In der Praxis wird die Baueinheit 26 zunächst so positioniert,
daß das Strahlbündel 15 das Initialisierungsfenster 30 über
streicht und einen Fotostrom in der Fotodiode 22 erzeugt. Die
lichtempfindliche Fläche der Fotodiode 22 muß größer als die
von den Ausricht- und Codiergeometrien eines Codierers 20
eingenommene Gesamtfläche sein, damit der durch die Codierer
-Sensor-Baueinheit 26 durchtretende Strahl 15 von der Fotodio
de 22 aufgenommen werden kann.
Das das Initialisierungsfenster 30 überstreichende Strahlbün
del 15 erzeugt einen Fotostrom im Sensor 21 und entsprechende
elektrische Impulse einer gewissen Dauer auf dem Oszilloskop
28. Die Dauer dieses Impulses ist eine Funktion der Scanner
-Drehgeschwindigkeit und der Parameter der Flachfeldlinse 16
und der zu testenden Linse 18 und kann für einen vorgegebenen
Fall leicht berechnet werden. Die Baueinheit 26 wird in ihrem
Halter bezüglich des Abtaststrahlbündels 15 so lange bewegt,
bis die Dauer des beobachteten Impulses gleich dem berechneten
Wert ist. Dies gewährleistet den Zweck einer anfänglichen
Codiereinstellung derart, daß der das Fenster 30 umgebende
lichtundurchlässige Bereich 260 des Codierers 19 das von der
getesteten Linse 18 erzeugte Bild der Abtastlinie 17 b nicht
beeinträchtigt.
Nach der anfänglichen Positionierung wird die Baueinheit 26
so lange nach oben bewegt, bis das Strahlbündel 15 im Ausricht
fenster 31 erscheint. Dies zeigt sich unter Bezugnahme auf
Fig. 4 als spezielle elektrische Impulsfolge 41 entsprechend
der Ausrichtfenstergeometrie. Das Feinausrichtfenster 31 dient
zur Zentrierung des Codierers 19 auf das Abtastlinienbild 29
derart, daß die Codiererebene (durch die Frontseite 20 des
Codierers 19 gebildete Ebene) mit der Linsen-Bildebene und
andererseits die Codierergeometrie mit dem Abtastlinienbild 29
ausgerichtet ist. Die zentrale lichtundurchlässige Zone 35
erzeugt die Impulssenke 43 im Zentrum des elektrischen Impul
ses, wenn die Baueinheit 26 zentriert ist. In ähnlicher Weise
erzeugt die Zone 34 eine Senke 42 und die Zone 36 eine Senke
44. zum Ausrichten der Codiererebene auf die Linsen-Bildebene
dient eine Analyse der Dauer der abfallenden oder ansteigenden
Flanken der Impulse 42, 43 und 44. Bei Anordnung des Codierers
19 in der Bildebene 17 b der Linse 18 ist die Dauer der Impuls
fronten am kürzesten, und die Differenz zwischen den Impuls
fronten ist am kleinsten, wenn die Codiererebene mit der Ab
tastlinienbildebene 29 zusammenfällt.
Das Ausrichtfenster 31 ermöglicht auch die Ausrichtung der
Fensterorientierung in bezug auf das Abtastlinienbild 29. Da
die Breite des Ausrichtfensters angenähert so groß wie die
Größe des Strahlbündels 15 in seiner Ebene ist, erzeugen
selbst kleine Drehungen und Fehlausrichtungen des Codierers in
bezug auf das Abtastlinienbild 29 eine teilweise Abdeckung des
Abtaststrahlbündels, und die entsprechenden Impulsfolgen haben
eine Impulsdauer, welche kürzer als die unbeeinträchtigte
Impulsdauer ist.
Sobald die Codiererebene mit der Abtastlinienbildebene 29 im
Feinausrichtfenster 31 ausgerichtet ist, ist die Geometrie in
geeigneter Weise mit dem von der getesteten Linse 18 erzeugten
Abtastlinienbild 17 b ausgerichtet. Danach wird die Baueinheit
26 soweit aufwärtsbewegt, bis sich der Abtaststrahl 15 über
das Charakterisierungsfenster 32 entlang der Abtastlinienbahn
48 bewegt.
Im folgenden wird auf die Fig. 1, 2 und 5 Bezug genommen.
Fig. 5 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Teils von
Fenster 32. Wenn das Strahlbündel 15 die Bewegungsbahn 48
überstreicht, so modulieren die ansteigenden Flanken 47 und
die abfallenden Flanken 51 des Sägezahns 38 den Lichstrom zum
Sensor 21. In dem Falle, daß der Sensor 21 ein elektrisches
Ausgangssignal erzeugt, das zum Lichtstrom direkt proportional
ist, erzeugt der Sensor 21 eine Wellenform A in Fig. 5. Die
Amplitude des elektrischen Signals für eine vorgegebene
Strahlposition ist proportional zum unabgedeckten Bereich des
Strahlbündels. Die Analyse der Mehrzahl von Rückflanken 52 der
Wellenform A liefert die Information über die Verzeichnungs
charakteristik der untersuchten Linse 18 und der Größe des
Laserstrahlbündels 15 in Abtastrichtung. Die Analyse der an
steigenden Flanken 53 erlaubt die Auswertung der Laserstrahl
bündel-Punktgröße in der zur Abtastrichtung rechtwinkligen
Richtung. Da die Gesamthöhe der Rückflanken 51 größer als der
Durchmesser des Strahlbündels ist und die Länge der ersten
Sägezahnstufe 45 nach der Flanke 51 ebenfalls größer als der
Strahlquerschnitt ist, bildet der Beginn jedes Sägezahnprofils
38 eine hindernde Messerkante.
Aus (2) Donald K. Cohen et al, Appl. Opt., Vol. 23, Nr. 4; und
(3) Y. Suzaki und A. Tachibana, Appl. Opt., Vol. 14 ist es
bekannt, daß in einem solchen Falle die Ableitung der Wellen
form bzw. Kurve nach der Zeit (dI/dt) in diesen Bereichen 54
der Gausschen Verteilung entspricht, wobei die anwendbaren
Parameter von der Lichtintensitätsverteilung im Strahl 15
abhängig sind. Die Scheitelposition 58 der Gausschen Vertei
lung 57 fällt mit der Position der abfallenden Flanken 51
zusammen, und ihre Breite bei 1/e2 Leistungspegel des maxi
malen Ableitungswerts ist gleich der Punktgröße des Laser
strahlbündels in der Codiererebene in Richtung der Abtastung.
Bei der beschriebenen Testkonfiguration gemäß Fig. 1 ist dann,
wenn die untersuchte Linse 18 verzeichnungsfrei ist und die
abfallenden Flanken 51 einheitliche Abstände haben, der Ab
stand zwischen den Gausschen Scheitelpunkten 58, erzeugt durch
die Ableitung der beobachteten Wellenform A in der entspre
chenden Zone ebenfalls gleich, wie dies durch die Wellenform
bzw. Kurve B gemäß Fig. 5 veranschaulicht ist. Die beobachtete
Kurve B ist dann eine Wellenform mit konstanter Periode 55.
Wenn Verzeichnungen in der untersuchten Zone der Linse auftre
ten, bleibt die Wellenperiode 55 nicht länger konstant. Die
Länge der Periode 55 hängt ab vom Grad der positiven oder
negativen Verzeichnung in dem den entsprechenden Teil der
Wellenform erzeugenden Teil der untersuchten Linse. Dement
sprechend variiert der Abstand 55 zwischen den durch den die
Rückflanken 51 kreuzenden Strahl erzeugten Gausschen Scheide
punkten 58 entsprechend dem Grad der Verzeichnung in der un
tersuchten Linse. Entsprechend kann auch der Linsenfehler bzw.
die Linsenverzeichnung über das Linsenfeld in der zuvor be
schriebenen Weise prozentual gemessen werden.
Die anderen Fehler in der Linse zeigen sich in Form einer
Erhöhung der Laserstrahlbündel-Querschnittsgröße in der Lin
senbildebene in diesen Bereichen des Abtastlinienbildes. Unter
Verwendung der gleichen Wellenformen bzw. Kurven A und B, die
zur Auswertung der Linsenverzeichnung dienen ist es möglich,
den kombinierten Wert der anderen Fehler über das untersuchte
Linsenfeld zu messen, da die Breite am 1/e2-Pegel der Gaus
schen Verteilung 57 durch die Ableitung der beobachteten Wel
lenform A in der Umgebung der abfallenden Flanken 51 erzeugt
wird und äquivalent der Laserstrahl-Punktgröße in dem betrach
teten Teil der Linse in Abtastrichtung ist.
Bis hier wurde nur der Abschnitt des Charakterisierungsfen
sters 32, der im wesentlichen die Multimesserkantengeometrie
darstellt, zum Messen der Verzeichnung der getesteten Linse
und der Summe des Rests der Fehlercharakteristiken benutzt.
Dementsprechend ist das komplizierte gestufte Sägezahn-Codier
profil nicht notwendig, um die oben erwähnte Information zu
gewinnen. Tatsächlich könnten die Feinausrichtfunktionen und
Charakterisierungsfunktionen unter Verwendung des gleichen
Codierfensters mit mehreren abwechselnden rechtwinkligen
transparenten und lichtundurchlässigen Bereichen entsprechend
Darstellung des Fensters 31 in Fig. 4 ausgeführt werden. Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die gestufte Form der
ansteigenden Flanken 45 des Codierfensters zum Codieren und
späteren Extrahieren derjenigen Information genutzt, die sich
speziell auf die Astigmatismuseigenschaft der untersuchten
Linse bezieht, oder für den Fall, daß die Qualität des Laser
strahlbündels selbst untersucht und ausgewertet werden soll.
Im folgenden wird auch auf Fig. 6 Bezug genommen. Jede anstei
gende Flanke 47 des Sägezahnprofils 38 besteht aus feinen
Stufen 45. Die Länge jeder Stufe 45 muß größer als der Strahl
punktquerschnitt 70 in der Linsenbildebene 80 sein. Die Höhe
jeder Stufe bestimmt die Auflösung der Intensitätsabbildung
des getesteten Laserstrahlbündels. Das bevorzugte Ausführungs
beispiel hat mehrere Anstiegsflanken 47, jede mit dreißig
gleichen Stufen, so daß jede Stufe eine Höhe von 0,1 µm und
eine Länge von 3 µm hat. Wenn das Strahlbündel über die rampen
förmigen Stufen 45 streicht, ist der Wert des elektrischen
Sensor-Ausgangssignals zu jedem Zeitpunkt proportional zu der
zum Sensor übertragenen Laserstrahlleistung, wie in Verbindung
mit der oben erläuterten Messerkantenmethode ausgeführt wurde.
Der Teil der Anstiegsflanke, der vom elektrischen Ausgangssi
gnal des Sensors 21 für den entlang der Bahn 48 über die Stu
fen 45 laufenden Strahl erzeugt wird, ist durch den Kurvenver
lauf bzw. die Wellenform C gezeigt.
Die Stufen 45 schneiden das Laserstrahlbündel in der Richtung
senkrecht zur Strahlbündelbewegung in Scheiben. Wenn sich das
Strahlbündel zwischen den Punkten 73 und 74 in der Nähe der
Stufe 45 bewegt, so ist der Wert des elektrischen Ausgangssi
gnals des Sensors 21 zu einem vorgegebenen Zeitpunkt proporti
onal zur Größe bzw. Leistung des im unabgedeckten Teil der
dünnen "Scheibchen" des Strahlquerschnitts enthaltenen Strahl
bündels, der vom durchlässigen Teil des Charakterisierungsfen
sters 32 erzeugt wird. Die Ableitung (di) in bezug auf die
Zeit t entspricht der Lichtintensitätsverteilung in diesem
anfänglichen "Scheibchen-"Abschnitt 76 des Strahlbündels. Wenn
das Strahlbündel zwischen den Punkten 74 und 75 weiterbewegt
wird, so ist das Sensor-Ausgangssignal zu irgendeinem Zeit
punkt proportional zur Summe der Größe bzw. Leistung im unab
gedeckten Teil der ersten 76 und zweiten 77 "Scheibchen" des
Strahlbündels.
Wenn diese Methode zum Zerlegen des Signals nach seinen Kompo
nenten entsprechend den getrennten Beiträgen der ersten und
zweiten "Scheibchen" 76 und 77 bei der Bildung der Wellenform
zwischen den Punkten 74 und 75 zu irgendeinem vorgegebenen
Zeitpunkt verwendet wird, so könnte das Lichtintensitätsprofil
des zweiten "Scheibchens" 77 des Strahlbündels durch Ableitung
seiner Komponente nach der Zeit gewonnen werden. Derartige
Mittel sind vorgesehen, da das Digitalisiergerät und der Com
puter zum Aufzeichnen und Analysieren des erzeugten Sensor
-Ausgangssignals verwendet werden.
Wenn das Strahlbündel über das Charakterisierungsfenster 32
streicht, wird das Ausgangssignal des Sensors 21 digitali
siert, und die Wellenform C wird in der digitalisierten Form
im Speicher des Digitalisierers gespeichert und danach zum
Computerspeicher übertragen. Es ist wichtig, daß der Digitali
sierer in der Lage ist, die gesamte Wellenforminformation
innerhalb der gewählten Abtastfolge zu speichern. Die konstan
te Strahlabtastfolge, die konstante Digitalisierungsabtastfol
ge und die Wellenformspeicherung im Digitalisierer oder im
Computerspeicher liefert die Basis für die Zerlegung (deconvo
lution). Einfache Computerprogramme können in einem solchen
Falle zur Subtraktion des Werts des zu einem Zeitpunkt t 1
aufgezeichneten Signals von dem zu einem Zeitpunkt t 1+ Δ t
aufgezeichneten Werts verwendet werden, wobei Δ t diejenige
Zeit ist, die das Strahlbündel zum Überstreichen der Länge
einer Stufe benötigt. Die Kurve bzw. Wellenform D stellt das
Resultat einer solchen Subtraktion dar, wobei die Wellenform D
den abgetrennten Beitrag des nachfolgenden Scheibchenab
schnitts des Strahlbündels an der Bildung der Wellenform C in
dem betrachteten Bereich darstellt. Die Ableitung dieser auf
geteilten Wellenform D nach der Zeit entspricht der Lichtin
tensitätsverteilung in den aufeinanderfolgenden Scheibchenab
schnitten des Strahlbündels.
Eine Wiederholung der gleichen Routine für alle Stufen und die
Signalableitung nach der Zeit an dem Subtraktionsergebnis
ermöglicht die Rekonstruktion der Lichtintensitätsverteilung
in allen dreißig betrachteten Zonen des Strahlbündels in der
Nähe jeder Stufe 45 jedes Sägezahnprofils 38, wie die Kurve
bzw. Wellenform E zeigt. Eine andere Computer-Subroutine dient
zur Kombination dieser Lichtintensitätsprofile zur Zusammen
setzung einer dreidimensionalen Darstellung 60 der Lichtinten
sitätsverteilung in der Nachbarschaft jedes Zahns des Säge
zahnmusters 38, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Die obige Routine
dient zur Entwicklung der Astigmatismuseigenschaften der un
tersuchten Linse. Die Breite der zusammengesetzten dreidimen
sionalen Gausschen Verteilung am 1/e2-Pegel des Verteilungs
maximalwerts findet sich sowohl in der Abtastrichtung als auch
in der dazu rechtwinkligen Richtung. Das Verhältnis stellt den
Grad des Astigmatismus in der untersuchten Linse in Zuordnung
zu dem speziellen Teil des Linsenfeldes dar. Durch Anwendung
des obigen Verfahrens über die volle Länge der Wellenform läßt
sich der Grad des Astigmatismus über das volle Feld der unter
suchten Linse bestimmen.
Das analoge Verfahren kann zum Auswerten der Qualität des
Laserstrahlbündels verwendet werden, da das beschriebene Ver
fahren im wesentlichen die Lichtintensitätsabbildung des in
den Codierer fallenden Laserstrahlbündels erzeugt. Für eine
solche Auswertung muß der Codierer in die Bildebene der tele
zentrischen Flachfeld-Abtastlinse 16 gebracht werden, wobei
das untersuchte Strahlbündel in den Systemeingang geschickt
wird. Bei dem beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel
werden alle zuvor angegebenen Analyse- und Datenverarbeitungen
durchgeführt, wobei die von einer einzigen Wellenform bzw.
Kurve gewonnene Information benutzt wird, welche durch eine
einzige Ablenkung über das Charakterisierungsfenster erzeugt
wird. Der Wellenformwert wird "auf einem Flug" mit einem
16-Bit-Analog/Digital-Umsetzer bei einer Abtastfrequenz von 10
kHz digitialisiert, wobei 65 000 digitalisierte Datenpunkte zur
Darstellung einer analogen Wellenform bei 3 mm langen Abtast
linienbildern erzeugt werden. Dies und die verwendete parame
trische Gauskurvenroutine ermöglichen die Bestimmung von Lin
senverzeichnungen (distortions) bei einer Genauigkeit von
weniger als 0,03 µm über das Feld der geprüften Linse 18.
Außerdem ermöglicht die gleiche Methode eine Bewertung bzw.
Bestimmung der Größe des Laserstrahlbündels in beiden Richtun
gen bei einer Genauigkeit von weniger als 0,1 µm.
Alle oben beschriebenen Charakterisierungsverfahren sind auf
den Fall bezogen, daß ein Codierer in der Bildebene der unter
suchten Linse angeordnet ist. Bei Wiederholung des beschriebe
nen Verfahrens an einigen anderen Codiererpositionen, wobei
der Codierer von der Bildebene der untersuchten Linse wegbe
wegt wird, können andere Charakteristiken, wie Feldkrümmung,
Brennweite, Telezentrizität usw. gemessen werden.
Vorstehend wurde eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen
von Linsenverzeichnungen sowie anderen Linsenfehlern, anderen
Linseneigenschaften sowie des Grades einer Laserstrahlverfor
mung beschrieben. Dabei wurde eine spezielle Achse charakteri
siert. Die Linse kann zum Testen von Linseneigenschaften an
anderen Linsenbereichen gedreht werden.
Claims (26)
1. Vorrichtung zum Charakterisieren einer Genauigkeitseigen
schaft einer optischen Linse mit einer ein Lichtstrahlenbündel
(11) erzeugenden Vorrichtung (10), einer Vorrichtung (13) zur
Ablenkung des Lichtstrahlenbündels derart, daß die zu untersu
chende Linse (18) abgetastet wird, und einem Lichtsensor (21)
zur Aufnahme des Lichtstrahls nach dessen Durchtritt durch die
Linse (18),
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Codierer (19) zwischen der Linse (18) und dem Sensor
(21) angeordnet ist und so ausgebildet ist, daß er das den
Sensor erreichende Licht codiert, und daß das Lichtstrahlen
bündel über eine Fläche bzw. Seite (20) des Codierers (19)
streicht, während das Lichtbündel (15) die Linse (18) über
streicht, wobei die Codierung durch Modulation des den Sensor
(21) erreichenden Teils des Lichtstrahlenbündels vorgesehen
ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Frontseite (20) des Codierers (19) eine lichtundurchlässi
ge Schicht mit wenigstens einem in dieser angeordneten trans
parenten Fenster (32) aufweist und das Fenster so ausgebildet
ist, daß es das Strahlbündel (15) bei dessen Überstreichen des
Fensters codiert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Fenster (32) eine Vielzahl von sägezahnförmigen Codieröff
nungen (38) aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Anstiegsflanken der sägezahnförmigen Codieröffnungen (38)
mehrere rampenförmige Stufen (45) zur Bestimmung einer Verzer
rung des Lichtstrahlbündels und astigmatischer Eigenschaften
der Linse (18) aufweisen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Frontseite (20) des Codierers ein
zweites Fenster (31) mit mehreren in gegenseitigem Abstand
angeordneten Öffnungen (37) zur lagemäßigen Ausrichtung des
Codierers (19) bezüglich des Lichtstrahlbündels (15) auf
weist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Laser (10) als Lichtstrahlquelle vor
gesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß als Ablenkvorrichtung zum Ablenken des
Laserstrahlbündels (11) ein rotierender Spiegel (13, 14) vor
gesehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Linse (18) aus einer Linsenkombination
besteht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Sensor (21) ein Prozessor zur Verar
beitung des in Abhängigkeit von der den Sensor erreichenden
Lichtmenge entwickelten elektrischen Signals nachgeschaltet
ist.
10. Vorrichtung zum Charakterisieren einer Genauigkeitsei
genschaft einer optischen Linsenanordnung mit einer Einrich
tung zum Überstreichen der Linsenanordnung (18) mit einem
Abtastlichtbündel und mit einem Lichtsensor (21) zur Aufnahme
des Lichtbündels nach dessen Durchlauf durch die Linsenanord
nung (18), wobei der Sensor ein zur Intensität des den Sensor
treffenden Lichtbündels proportionales Signal erzeugt,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der Linsenanordnung (18) und dem Sensor (21) ein
die den Sensor erreichende Lichtmenge modulierender Codierer
(19) angeordnet ist, daß eine Frontseite des Codierers recht
winklig zum Lichtbündel (15) angeordnet ist, daß die Frontsei
te lichtundurchlässig ausgebildet ist und das Eindringen des
Lichtbündels verhindert, daß die Frontseite ein Fenster (32)
mit sägezahnförmigen Öffnungen (38) aufweist, die (38) eine
Codierung des Lichtbündels durch Codierung des in den Sensor
(21) eintretenden Lichts ermöglichen, daß das Lichtbündel über
das Fenster (32) derart abgelenkt ist, daß mit der Bewegung
des Lichtbündels über jeden Zahn der Sägezahnöffnung ein zu
nehmender Teil des Lichtbündels in den Sensor (21) eintritt
und daß ein Prozessor mit dem Lichtsensor (21) gekoppelt ist
und eine Signaländerung in bezug auf die Zeit derart bestimmt,
daß die Änderung an einer Rückflanke jeder der sägezahnförmi
gen Öffnungen eine Gaussche Verteilung mit einheitlich beab
standeten Scheitelpunkten hat, wenn keine Verzeichnung vorhan
den ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die ansteigende Flanke jeder der Sägezahnöffnungen (38)
eine Vielzahl von Rampenstufen (45) derart aufweist, daß bei
jeder nachfolgenden Stufe während des Überfahrens der Öffnung
mit dem Lichtbündel ein größerer Abschnitt (76, 77) des Licht
bündels (70) in den Sensor (21) eintritt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Prozessor das Signal an jeder rampenförmigen
Stufe (45) zerlegt und die durch das Strahlbündel (70) hervor
gerufene Verzeichnung bzw. sonstigen Fehler bestimmt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß der Prozessor so ausgebildet ist, daß er den Astigmatismus
der Linsenanordnung (18) bestimmt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß ein zweites Fenster (31) mit mehreren
lichtdurchlässigen Öffnungen (37) vorgesehen ist, wobei das
zweite Fenster (31) zur lagemäßigen Ausrichtung des Codierers
(19) in bezug auf das Lichtbündel (15) vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die Öffnungen (37) des zweiten Fensters in einer Reihe
angeordnet und durch lichtundurchlässige Stege (33) der licht
undurchlässigen Frontseite (20) voneinander getrennt sind und
daß die lichtundurchlässigen Stege eine Senke der Lichtaufnah
me hervorrufen, wenn das Lichtbündel über die Öffnungen des
zweiten Fensters streicht und die Senken gleichmäßig verteilt
angeordnet sind, wenn der Codierer (19) in geeigneter Weise
mit dem Lichtbündel (15) ausgerichtet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß als Lichtstrahlenquelle ein Laser (10)
vorgesehen ist, dem ein rotierender Spiegel (13, 14) zum Ab
lenken des vom Laser erzeugten Lichtbündels (11) nachgeschal
tet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß der Prozessor einen Digitalisierer (23)
aufweist und ein Speicher mit dem Prozessor gekoppelt ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß jede der sägezahnförmigen Öffnungen (38)
dreißig Stufen (45) hat, von denen jede eine Höhe von 0,1 µm
und eine Länge von 3 µm hat.
19. Verfahren zum Charakterisieren einer Genauigkeitseigen
schaft einer Linse bzw. Linsenanordnung, dadurch gekennzeich
net, daß man eine Fläche der Linse mit einem Lichtbündel ab
tastet, daß man das Lichtbündel nach dessen Durchlauf durch
die Linse durch ein in einer lichtundurchlässigen Fläche vor
gesehenes transparentes Fenster codiert, daß man das Lichtbün
del über das Fenster wandern läßt, wobei das Lichtbündel nur
im Bereich des Fensters durchgelassen wird, daß das durch das
Fenster fallende Licht mit einem Lichtsensor aufgefangen und
in ein Signal umgesetzt wird, das proportional zur Intensität
des empfangenen modulierten Lichts ist, und daß das Signal
quantifiziert wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß
das ausgelenkte Abtastlichtbündel abwechselnd über lichtun
durchlässige und transparente Zonen des Codierers geführt
wird, daß während des Quantifizierungsschritts eine Änderungs
rate des Signals in bezug auf die Zeit beim Überfahren dieser
Zonen bestimmt wird und daß die Änderungsrate eine Gaussche
Verteilung von gleichmäßig beabstandeten Scheiteln hat, wenn
kein Fehler und keine Verzeichnung vorhanden ist.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß
als transparente Zone eine Vielzahl von Sägezahnöffnungen
verwendet wird und daß eine abfallende Flanke jeder Sägezahn
öffnung als Überkreuzungszone benutzt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß
eine ansteigende Flanke jeder Sägezahnöffnung in eine Vielzahl
von Stufen unterteilt wird und daß das Lichtbündel derart über
die Stufen geführt wird daß ein vorgegebener Abschnitt des
Bündels bei jeder Stufe von einem Sensor erfaßt wird, wenn das
Lichtbündel fehlerfrei und unverzerrt ist, und daß man einen
Quantifizierungsschritt zur Bestimmung einer Verzerrung des
Lichtbündels verwendet.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß
das Signal während des Quantifizierungsschrittes zerlegt
wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, daß der Astigmatismus der Linse gemessen
wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch
gekennzeichnet, daß das Lichtbündel abwechselnd über lichtun
durchlässige und transparente Zonen eines Codierers geführt
und während des Quantifizierungsschrittes eine Signalsenke an
lichtundurchlässigen Zonen bestimmt wird und daß ein einheit
licher Abstand zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Senken
als lagerichtige Einstellung des Codierers in bezug auf das
Lichtbündel bewertet wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß
als transparente Zonen eine Reihe von rechteckigen Öffnungen
verwendet wird.
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