DE3732149C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Charakterisieren einer Genauigkeitseigenschaft einer optischen Linse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Cha­ rakterisieren einer Genauigkeitseigenschaft einer optischen Linse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. ein Verfah­ ren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

Es ist üblich, die Linsenqualität auf der Basis inter­ ferometrischer Auswertungen zu beurteilen. Obwohl eine solche Methode sehr empfindlich selbst gegenüber winzigen Abweichungen im System ist, ist die Dateninterpretation in Bezug auf den Wert der speziellen Abweichungen, zum Beispiel einer Verzeichnung oder eines Astigmatismus, extrem schwie­ rig.

Zum Laserdrucken oder bei der Halbleiterchip-Herstellung verwendete Laser-Abtastsysteme beruhen auf optischen Syste­ men, bei denen bewußt negative Verzeichnungen eingeführt werden. Eine Abweichung in der sich bei einer Reallinse dieser Art ergebenen Verzeichnungen gegenüber ihren Kon­ struktionsdaten um mehr als 0,05 µm könnte unannehmbar sein. Mikroreduktionslinsen mit begrenzter Beugung, wie sie bei der Fotolithographie in der Halbleiterchip-Herstellung benutzt werden, dürfen nur eine Verzeichnung von weniger als 0,2 µm in dem nutzbaren Feld und minimale Gesamtabbildungs­ fehler aufweisen.

Es ist daher einzusehen, daß ein dringender Bedarf an einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren besteht, welches eine quantitative Analyse von Abweichungen einer Linse oder Linsenanordnung, insbesondere von Verzeichnungen im Mikrome­ ter- und Submikrometerbereich ermöglicht.

Aus der GB-Patentschrift 909,383 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Testen von Linsen bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung wird ein rechteckiger schlitzartiger Lichtstrahl durch eine zu testende Linse hindurchgeleitet und dabei entlang einer Linie quer zur Ausrichtung des Lichtstrahl-Schlitzes abgelenkt (abgetastet). Nach dem Durchtritt durch die Linse gelangt der Lichtstrahl zu einem Lichtsensor. Zwischen Linse und Lichtsensor ist eine Blende aus einem lichtundurchlässigen Material angeordnet, die ein speziell gestaltetes Lichtdurchtrittsfenster aufweist. Das Lichtdurchtrittsfenster erstreckt sich in die Richtung der Abtastlinie und weist periodisch abwechselnde enge und weite Bereiche derart auf, daß der schlitzartige Lichtstrahl während des Entlangwanderns entlang der Abtastlinie peri­ odisch mehr oder weniger abgedeckt wird. Es entsteht eine Modulation des empfangenen Lichtsignals, deren Stärke von der Abbildungsschärfe des auf der Maske abgebildeten schlitzartigen Lichtflecks abhängig ist. Je besser die Qualität der Linse, desto schärfer wird die Abbildung des rechteckigen schlitzartigen Lichtflecks auf der Maske und desto stärker wird die Modulation des auf den Lichtsensor auftreffenden Lichtanteils. Dieses Verfahren erlaubt eine Klassifizierung der Linsen in solche guter bzw. schlechter Qualität.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren der Eingangs genannten Art zu schaffen, das die quantitative Bestimmung von Linsenverzeichnungen sowie anderen Abbildungsfehlern gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrich­ tung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Die Erfindung erlaubt die quantitative Erfassung von Linsenverzeichnungen und anderen für Linsenfehler charakteristischen Abweichun­ gen. Mit der Erfindung kann darüber hinaus eine Verschlech­ terung der Qualität des Laserstrahls in dem untersuchten op­ tischen 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 eingesetzt, die mit einem optischen Codierer, einem Lichtsensor und einem zur Aufzeichnung und Verarbeitung des Sensor-Ausgangssignals geeigneten Informa­ tionsspeicher ausgestattet wird. Die Linse wird in einer fe­ sten Position derart angeordnet, daß der Lichtstrahl eine Linie auf der Oberfläche der Linse periodisch überstreicht. Ein hinter der Linse angeordneter Codierer sorgt für eine Modulation des Lichtstrahls. Ein hinter dem Codierer ange­ ordneter Lichtsensor nimmt den codierten Lichtstrahl auf und erzeugt elektrische Signale, die proportional zu der Inten­ sität des durch den Codierer hindurchgetretenen Licht­ strahlanteils sind.

Der Codierer weist eines oder mehrere Fenster auf, die jeweils transparente und lichtundurchlässige Fensterbereiche haben. Diese Fensterbereiche bilden ein bestimmtes Muster derart, daß ein in einer bestimmten Richtung über die Fensterbereiche geführter Lichtstrahl in spezieller Weise moduliert wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

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 17a, die in der Brennebene der Abtastlinse 16 angeordnet ist. Die Länge der Linearabtastung 17a beträgt L = 2f∅, wobei f = die Brennweite der Linse 16 und ∅ = 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 17a 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 17b 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 17b 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 17b 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 17b, 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 17b 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 17b (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 17b 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 17b, 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 solange 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 17b nicht beeinträchtigt.

Nach der anfänglichen Positionierung wird die Baueinheit 26 solange 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 17b 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 17b 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 diese n 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 das 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 t₁ aufgezeichneten Signals von dem zu einem Zeitpunkt t₁ + Δt aufgezeichneten Werts verwendet werden, wobei Δt 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 65000 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 (11)

1. Vorrichtung zum Charakterisieren einer Genauigkeits­ eigenschaft einer optischen Linse (18) mit
einer ein die Linse (18) abtastendes Lichtstrahlbündel (15) erzeugenden Einrichtung (10, 12, 13, 14),
einem Lichtsensor (22) zum Empfangen des Lichtstrahlbün­ dels nach dessen Durchgang durch die Linse (18), wobei der Lichtsensor (22) ein Signal erzeugt, das proportional zu dem auf den Lichtsensor (22) auftretenden Lichtanteil des Lichtstrahlbündels ist,
einem zwischen der Linse (18) und dem Lichtsensor (22) angeordneten, das durch die Linse (18) hindurchgetretene Lichtstrahlbündel modulierenden Codierer (19), der ein Fenster (32) mit einer zwischen einem lichtundurchlässigen Fensterbereich (260, 33) und einem transparenten Fensterbe­ reich (300, 37, 49) angeordneten Kante (47, 51) aufweist, und
einer mit dem Lichtsensor (22) gekoppelten Einrichtung (23, 24, 28) zum Bestimmen der Änderungen des Signals (25) bezogen auf eine Abtastzeit des die Linse (18) abtastenden und das Fenster überstreichenden Strahlbündels,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Fenster eine Mehrzahl von Kanten (47 oder 51) aufweist, die beim Abtasten der Linse (18) von dem durch das Fenster (32) hindurchtretenden und sich entlang einer Abtastlinie (48) bewegenden Lichtstrahlbündel überquert werden, wobei die Länge der Kanten (47 oder 51) größer als der Durchmesser des Lichtstrahlbündels ist, so daß sich der auf den Lichtsensor (22) fallende Lichtanteil ändert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erste Kanten (51) im wesentlichen senkrecht zur Abtast­ linie (48) und in regelmäßigen Abständen angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zweite Kanten (47) in einem spitzen Winkel zur Abtastli­ nie (48) in den regelmäßigen Abständen angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet das die ersten Kanten (51) und die zweiten Kanten (47) eine sägezahnförmige Begrenzung der transparenten Fensterbereiche (49) bilden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Kanten (47) mehrere treppenförmige Stufen (45) aufweisen, so daß beim Überqueren der zweiten Kanten mit jeder folgenden Stufe ein größerer Lichtanteil des Lichtstrahlbündels durch die transparenten Fensterbereiche zum Lichtsensor (22) gelangt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge jeder Stufe (45) größer als der Lichtstrahl­ durchmesser des hindurchtretenden Lichtstrahlbündels ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der zweiten Kanten (47) 30 Stufen (45) aufweist, wobei jede Stufe (45) eine Höhe von 0,1 Mikrometer und eine Länge von 3 Mikrometer hat.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Codierer (19) ein zweites Fenster (31) mit mehreren entlang einer Linie (29) hintereinander angeordneten transparenten Öffnungen (37) aufweist, wobei das zweite Fenster der Ausrichtung des Codierers (19) dient, indem die Abtastlinie des durch die Linse (18) hindurchge­ tretenen Lichtstrahlbündels mit der Linie (29) zur Deckung gebracht wird.

9. Verfahren zum Charakterisieren einer Genauigkeitsei­ genschaft einer Linse, wobei
die Oberfläche der Linse durch ein Lichtstrahlbündel ab­ getastet wird,
das Lichtstrahlbündel nach dem Durchgang durch die Linse mit Hilfe einer lichtundurchlässige und transparente Fen­ sterbereiche aufweisenden Fensters beim Überqueren einer Kante zwischen den lichtundurchlässigen und den transparen­ ten Fensterbereichen moduliert wird,
das durch das Fenster hindurchgetretene Lichtstrahlbün­ del mittels eines Lichtsensors empfangen wird, wobei von dem Lichtsensor ein Signal erzeugt wird, das zum empfangenen Lichtanteil des Lichtstrahlbündels proportional ist, und wo­ bei das erzeugte Signal zum Bestimmen einer Veränderung des Signals bezogen auf eine Abtastzeit des die Linse abtasten­ den und durch das Fenster hindurchtretenden Lichtstrahlbün­ dels quantifiziert wird, wobei das Ergebnis mit einem Referenzwert verglichen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kante zwischen den lichtundurchlässigen und den transparenten Fensterbereichen so angeordnet wird, daß mehrere Kantenabschnitte entlang einer Abtastlinie hinter­ einander in regelmäßigen Abständen angeordnet sind, wobei die Breite der Kantenabschnitte größer als der Durchmesser des Lichtstrahlbündels ist, und
daß das durch die Linse hindurchtretende Lichtstrahlbün­ del beim Abtasten entlang der Abtastlinie über das Fenster derart geführt wird, daß bei jedem Überqueren eines Kanten­ abschnitts der durch das Fenster hindurchtretende Lichtan­ teil des Lichtstrahlbündels verändert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche der Linse mit einer gleichförmigen Abtastgeschwindigkeit abgetastet wird,
daß die Kantenabschnitte senkrecht zur Abtastlinie ange­ ordnet werden und
daß die Veränderung des Signals des Lichtsensors bezogen auf die Zeit bestimmt wird, wobei die Veränderung beim Übergang des Lichtstrahlbündels von einem transparenten zu einem lichtundurchlässigen Fensterbereich einen näherungs­ weise Gauß-förmigen Verlauf erhält und Maxima des Signals in regelmäßigen zeitlichen Abständen auftreten, sofern die Linse keine Verzerrungen aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß eine sägezahnförmig verlaufende Kante zwischen den lichtundurchlässigen und den transparenten Fensterbereichen derart vorgesehen wird, daß erste Kantenabschnitte (47) in einem spitzen Winkel zur Abtastlinie und zweite Kantenab­ schnitte (51) im wesentlichen senkrecht zur Abtastlinie angeordnet werden, und
daß das Lichtstrahlbündel beim Durchtreten durch das Fenster abwechselnd erste und zweite Kantenabschnitte überstreicht.