DE4230386A1

DE4230386A1 - Phase transfer function determn. device for lens of optical system - measures position of focus of beam projected into aperture of system through spiral array of holes in rotary screen

Info

Publication number: DE4230386A1
Application number: DE19924230386
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr Grimm
Original assignee: AMTECH GES fur ANGEWANDTE MIC
Current assignee: AMTECH GES fur ANGEWANDTE MIC
Priority date: 1992-09-11
Filing date: 1992-09-11
Publication date: 1994-03-17

Abstract

Light with a well-defined wavefront is supplied from an illuminating device to the aperture of the system (100) with which a perforated screen (108) is associated. The screen is rotatable about an axis (118) parallel to that (114) of the system and contains nine holes arranged along a spiral so that only one hole faces the aperture in any angular position. The beam of light passing through the hole is focused on to a position-sensitive photodetector (112) at right angles to the optical axis. ADVANTAGE - The complete phase transfer function is found more quickly from simple appts.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Phasen transmissionsfunktion eines optischen Systems, insbesondere einer Linse, mit einer Beleuchtungseinrichtung, von der Licht mit einer wohldefinierten Wellenfront ausgeht, das die Apertur des Systems ausleuchtet, mit einer der Apertur optisch vorgeordneten Loch blende, die ein eng begrenztes Teillichtbündel ausblendet und die Apertur damit abtastet, und mit einem senkrecht zur optischen Achse angeordneten ortsempfindlichen Fotodetektor, auf den das das System passierende Teillichtbündel fokussiert wird.The invention relates to a device for determining the phases transmission function of an optical system, in particular one Lens, with a lighting device, of which light with a well-defined wavefront, which is the aperture of the system illuminated, with a hole optically arranged in front of the aperture aperture, which hides a narrowly limited partial light beam and the aperture scans with it, and with a perpendicular to the optical Position-sensitive photo detector arranged on the axis the partial light beam passing through the system is focused.

Eine solche Vorrichtung ist in der Beschreibungseinleitung der DE-A-40 03 699 erwähnt. Das im weiteren beschriebene Prüfsystem überfährt die zu untersuchende Apertur mit einer einen Kollimator enthaltenden Lichtquelle zeilenförmig in einer Ebene parallel zu der Wellenfront. Das erfordert einen hochpräzisen X-Y-Positioniertisch und einen sehr stabilen optischen Aufbau. Entsprechend hoch ist der apparative Aufwand.Such a device is in the introduction to the description DE-A-40 03 699 mentioned. The test system described below runs over the aperture to be examined with a collimator containing light source in a line parallel in a plane to the wavefront. That requires high precision X-Y positioning table and a very stable optical structure. The expenditure on equipment is correspondingly high.

Aus der EP-A-O 429 332 ist eine Vorrichtung zur Messung der op tischen Eigenschaften einer Linse bekannt, bei der die zu unter suchende Apertur mit vier Lichtbündeln abgetastet wird, die durch eine Lochblende mit vier Löchern hindurchtreten und so abgedeckt werden, daß immer nur ein Lichtbündel gleichzeitig auf die Apertur fällt. Die Messung ist auf vier Subaperturen beschränkt und damit nicht geeignet, die vollständige Phasentransmissionsfunktion der Linse zu liefern. Als ortsempfindlicher Fotodetektor kommt bei der EP-A-O 429 332 ein PSD (Position-Sensitive-Detector) zum Einsatz.From EP-A-O 429 332 a device for measuring the op known properties of a lens, in which the under searching aperture is scanned with four light beams passing through pass a pinhole with four holes and cover it be that only one light beam on the aperture at a time falls. The measurement is limited to four sub-apertures and thus not suitable for the full phase transmission function to deliver the lens. Comes as a location-sensitive photo detector in EP-A-O 429 332 a PSD (position sensitive detector) for use.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs ge nannten Art zu schaffen, die mit geringem apparativem Aufwand und kurzer Meßzeit die vollständige Phasentransmissionsfunktion eines optischen Systems liefert.The object of the invention is a device of the ge named type to create that with little equipment and the short measuring time the complete phase transmission function of an optical system.

Diese Aufgabe wird mit einer solchen Vorrichtung dadurch gelöst, daß die Lochblende um eine mit der optischen Achse nicht zusammen fallende Achse drehbar ist und mehrere Löcher aufweist, die bei Drehung der Lochblende die Apertur über im wesentlichen deren volle Fläche überstreichen und von denen sich in allen Winkel stellungen der Lochblende höchstens eines vor der Apertur be findet. This object is achieved with such a device in that that the pinhole is not together with the optical axis falling axis is rotatable and has several holes that at Rotation of the pinhole the aperture over essentially their cover the entire surface and of which can be seen at all angles Positions of the pinhole are at most one in front of the aperture finds.

Die erfindungsgemäße Abtastung der zu untersuchenden Apertur mit einer rotierenden Lochblende ermöglicht es, in schneller Folge Messungen an Subaperturen vorzunehmen, die über im wesent lichen die volle Fläche der zu untersuchenden Apertur verteilt liegen. Die Lochblende ist das einzige mechanisch bewegte Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das macht den Aufbau einfach. Die an die Positionsgenauigkeit der Löcher, die Lagerpräzision der Lochscheibe usw. gestellten Anforderungen lassen sich mit vergleichsweise geringem Aufwand erfüllen. Dank der Anordnung der Lochblende mit nicht in der optischen Achse liegender Dreh achse ist eine Belegung mit Löchern möglich, von denen sich immer nur eines vor der Apertur befindet. Dementsprechend fällt auch nur ein wohldefiniertes Teillichtbündel ein, ohne daß andere Teillichtbündel aufwendig ausgeblendet werden müßten. Die Hinter grundlichtunterdrückung ist gut, und man erhält ein günstiges Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Auch ist die Position der Subapertur, an der jeweils gemessen wird, problemlos zu erfassen und aufzu zeichnen, da sich immer nur ein einziges Loch in wohldefinierter Winkelstellung der Lochblende vor der Apertur befindet.The inventive scanning of the aperture to be examined With a rotating pinhole, it allows in faster Subsequent measurements to make subapertures that over essentially the entire area of the aperture to be examined is distributed lie. The pinhole is the only mechanically moving part the device according to the invention. This makes it easy to set up. The position accuracy of the holes, the bearing precision the perforated disc etc. can be met with comparatively little effort. Thanks to the arrangement the pinhole with rotation not in the optical axis Axis is possible with holes, of which there are always only one is in front of the aperture. Accordingly, it also falls only a well-defined partial light beam without others Partial light beams would have to be hidden in a complex process. The back Basic light suppression is good and you get a cheap one Signal-to-noise ratio. Is also the position of the subaperture, against which measurements are taken, can be easily recorded and recorded draw, since there is always only one hole in a well-defined Angular position of the pinhole in front of the aperture.

Vorzugsweise ist die Drehachse der Lochblende zu der optischen Achse parallel und von der optischen Achse beabstandet. Man hat dadurch einen einfachen Aufbau. Ebenfalls möglich ist aber eine Konfiguration mit einer zu der optischen Achse geneigten Drehachse der Lochblende. Wesentlich ist nur, daß die Drehachse und die optische Achse nicht identisch sind. The axis of rotation of the pinhole is preferably to the optical Axis parallel and spaced from the optical axis. One has thereby a simple structure. However, one is also possible Configuration with an axis of rotation inclined to the optical axis the pinhole. It is only essential that the axis of rotation and the optical axis are not identical.

Bei einer bevorzugten Bauform sind die Löcher rund und auf kon zentrischen Kreisen der Lochblende angeordnet, die um ca. den Lochdurchmesser beabstandet sind. Dadurch wird eine im wesent lichen vollständige Überdeckung der zu messenden Apertur mit Subaperturen in radialer Richtung der Lochblende erreicht.In a preferred design, the holes are round and con centric circles of the pinhole arranged around the Hole diameters are spaced. This essentially becomes one complete coverage of the aperture to be measured with Subapertures reached in the radial direction of the pinhole.

Es empfiehlt sich eine Lochblende, bei der auf jedem Kreis ein Loch liegt. Es wird dann mit jeder Umdrehung der Lochblende eine komplette Messung durchgeführt, was die Auswertung erleichtert.It is recommended to use a pinhole with one on each circle Hole lies. It then becomes one with each revolution of the pinhole complete measurement carried out, which facilitates the evaluation.

Bei einem bewährten Prototyp hat die Lochblende neun auf kon zentrischen Kreisen liegende Löcher.In a proven prototype, the pinhole has nine on con holes in central circles.

An der Lochblende ist vorzugsweise ein Startpunkt codiert, z. B. durch einen Reflektor, der sich mittels einer Reflexionslicht schranke erfassen läßt. Die Startpunkterfassung liefert bei jeder Umdrehung der Lochblende ein Startsignal, das den Beginn einer Messung anzeigt. Bei hinreichend konstanter Drehzahl besteht die Möglichkeit, das jeweils zur Messung herangezogene Loch und seine Position anhand des Zeitpunkts der Messung zwischen zwei Startsignalen zu ermitteln.A starting point is preferably coded on the pinhole, e.g. B. through a reflector that is reflected by means of a reflection light barrier can be detected. The starting point detection delivers for everyone Rotation of the pinhole a start signal that the beginning of a Measurement. At a sufficiently constant speed there is the possibility of the hole used for the measurement and its position based on the time of measurement between two To determine start signals.

Alternativ oder zusätzlich können an der Lochblende Meßpositionen der Löcher codiert sein, die vorzugsweise um ca. den Lochdurch messer versetzt sind. Die Codierung ermöglicht es, das jeweils zur Messung herangezogene Loch und seine Position unabhängig von Drehzahlschwankungen der Lochblende eindeutig zu bestimmen. Durch den Versatz der Meßpositionen in Umfangsrichtung um ca. den Lochdurchmesser wird eine im wesentlichen vollständige Über deckung der zu messenden Apertur mit Subaperturen in Umfangs richtung der Lochblende erreicht.Alternatively or additionally, measuring positions can be made on the pinhole of the holes must be encoded, preferably around the hole knives are offset. The coding enables that each hole used for measurement and its position independent of speed fluctuations of the pinhole to be clearly determined. Due to the offset of the measuring positions in the circumferential direction by approx. the hole diameter becomes a substantially complete over Coverage of the aperture to be measured with sub-apertures in circumference direction of the pinhole reached.

Bei einer bevorzugten Bauform ist die Lochblende am Rand mit konzentrisch zu ihrer Achse angeordneten, den Meßpositionen der Löcher zugeordneten Codelöchern versehen, die sich mittels einer Gabellichtschranke auslesen lassen. Diese Anordnung ist unauf wendig und präzise. Die Signale der Gabellichtschranke bestimmen in vorteilhafter Weise den Meßtakt.In a preferred design, the pinhole is on the edge arranged concentrically to their axis, the measuring positions of the Provide holes assigned to code holes, which are by means of a Have the fork sensor read out. This arrangement is unobtrusive agile and precise. Determine the signals of the fork light barrier advantageously the measuring cycle.

Den Meßpositionen eines radial innen liegenden Lochs zugeordnete Codelöcher sind weiter voneinander beabstandet als den Meß positionen eines radial außen liegenden Lochs zugeordnete Code löcher. Diese Konfiguration gibt den in Umfangsrichtung größeren Abstand der Meßpositionen radial innen liegender Löcher gegenüber radial außen liegenden Löchern wieder, wenn ein Positionsversatz in Umfangsrichtung um jeweils ca. den Lochdurchmesser beabsichtigt ist.Assigned to the measuring positions of a radially inner hole Code holes are spaced further apart than the measurement positions associated with a radially outer hole holes. This configuration gives the larger one in the circumferential direction Distance between the measuring positions of radially inner holes opposite radially outer holes again when a position offset intended in the circumferential direction by approx. the hole diameter in each case is.

Falls das zu untersuchende optische System selbst fokussierend wirkt, wie das z. B. bei der Untersuchung einer Sammellinse der Fall ist, kann das System selbst als Fokussierelement dienen, mit dem das das System passierende Teillichtbündel auf den Foto detektor fokussiert wird. Andernfalls wird das Teillichtbündel mit einer aberrationsfreien Sammellinse auf den Fotodetektor fokussiert. Man hat dann die Möglichkeit, den Fotodetektor stationär in der Brennebene der Sammellinse anzuordnen und sowohl fokussierende, als auch defokussierende optische Systeme zu ver messen. Das zu vermessende System wird also als Störung behandelt. Der Meßbereich ist dann allerdings durch die Aufnahmefeldgröße des Fotodetektors und die Unschärfe des darauf erzeugten Licht flecks begrenzt. Bevorzugt ist daher eine Anordnung, bei der sich der Fotodetektor parallel zu der optischen Achse verstellen und so in den gemeinsamen Brennpunkt der Sammellinse und des zu untersuchenden optischen Systems rücken läßt. Dadurch wird der Meßbereich deutlich erweitert.If the optical system to be examined is self-focusing acts as the z. B. when examining a converging lens If so, the system itself can serve as a focusing element with the partial light beam passing through the system in the photo detector is focused. Otherwise the partial light beam with an aberration-free converging lens on the photo detector focused. You then have the option of using the photo detector to be arranged stationary in the focal plane of the converging lens and both focusing as well as defocusing optical systems measure up. The system to be measured is therefore treated as a fault. The measuring range is then due to the size of the field of view of the photo detector and the blurring of the light generated on it stains limited. An arrangement is therefore preferred in which the photodetector move parallel to the optical axis and so in the common focus of the converging lens and the to be examined optical system. This will the measuring range significantly expanded.

Der Fotodetektor ist vorzugsweise ein an sich bekannter PSD (Position-Sensitive-Detector), wie er auch bei der EP-A-0 429 332 zum Einsatz kommt. Ein PSD erlaubt eine schnelle und genaue Be stimmung des Beleuchtungsschwerpunkts über ein großes Aufnahmefeld hinweg. Dadurch ist die Vermessung einer großen Zahl von Sub aperturen mit hoher Genauigkeit in kurzer Meßzeit möglich.The photodetector is preferably a PSD known per se (Position-Sensitive-Detector), as he also in EP-A-0 429 332 is used. A PSD allows quick and accurate loading mood of the lighting focus over a large recording field away. This is the measurement of a large number of sub apertures with high accuracy possible in a short measuring time.

Die Beleuchtungseinrichtung kann eine kontinuierliche oder ge pulste Lichtquelle, vorzugsweise einen Halbleiterlaser, enthalten. Ein gepulster Halbleiterlaser ist leicht so zu synchronisieren, daß er nur dann Licht aussendet, wenn sich eine Öffnung der Loch blende in Meßposition befindet. Die hohe Lichtpulsleistung trägt zu einer guten Meßgenauigkeit bei. Auch besteht die Möglichkeit, für die Messung mit dem Fotodetektor Zeitfenster zu setzen und dadurch Fremdlichteffekte zu eliminieren.The lighting device can be continuous or ge pulsed light source, preferably a semiconductor laser. A pulsed semiconductor laser is easy to synchronize that he only emits light when there is an opening in the hole aperture is in measuring position. The high light pulse power carries to a good measuring accuracy. There is also the possibility time window for the measurement with the photodetector and thereby eliminating extraneous light effects.

Die Beleuchtungslichtquelle liefert vorzugsweise ein paralleles Lichtbündel mit einer ebenen Wellenfront. Das ist für die Messung und Auswertung bevorzugt, da an allen Subaperturen gleiche ebene Wellenfronten vorliegen. Die beleuchtende Wellenfront muß aller dings nicht notwendigerweise eben, sondern ihre Form lediglich bekannt sein.The illuminating light source preferably provides a parallel one Beams of light with a flat wavefront. That is for the measurement and evaluation preferred, since all subapertures have the same level Wavefronts are present. The illuminating wave front must be everyone not necessarily flat, but only their shape be known.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to one in the drawings illustrated embodiment explained in more detail. Show it:

Fig. 1 schematisch den optischen Aufbau einer ersten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 1 shows schematically the optical structure of a first variant of the device according to the invention;

Fig. 2 dasselbe für eine zweite Variante; Fig. 2 shows the same for a second variant;

Fig. 3 die Draufsicht auf eine Lochblende der Vorrichtung; und Figure 3 is a plan view of a pinhole of the device. and

Fig. 4 in Draufsicht die Belegung der Meßapertur mit Sub aperturen, die durch Löcher der Lochblende gebildet sind. Fig. 4 in plan view the assignment of the measuring aperture with sub apertures, which are formed by holes in the pinhole.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Messung der Phasen transmissionsfunktion eines optischen Systems, das in Fig. 1 durch eine Sammellinse 100, und in Fig. 2 durch eine Zerstreuungs linse 102 repräsentiert ist. Eine Lichtquelle 104 dient zur Be leuchtung der zu vermessenden Linsenapertur mit einem parallelen Lichtbündel, das ebene Wellenfronten hat. Zwischen Lichtquelle 104 und Linsenapertur 106 ist in einer zu der Linsenpupille kon jugierten Ebene eine rotierende Lochblende 108 angeordnet, durch deren Löcher 1-9 eng begrenzte Teillichtbündel auf die Linsen apertur 106 gelangen, diese selektiv beleuchten und die Apertur 106 dadurch in Subaperturen 110 aufteilen. Die Teillichtbündel passieren das zu untersuchende optische System und werden auf einen ortsempfindlichen Fotodetektor 112 fokussiert, der in einer Fokalebene senkrecht zu der optischen Achse 114 angeordnet ist.The device according to the invention is used to measure the phase transmission function of an optical system, which is represented in FIG. 1 by a converging lens 100 and in FIG. 2 by a diverging lens 102 . A light source 104 is used to illuminate the lens aperture to be measured with a parallel light beam that has flat wave fronts. A rotating pinhole 108 is arranged between the light source 104 and the lens aperture 106 in a plane conjugated to the lens pupil, through whose holes 1-9 narrowly delimited partial light beams reach the lens aperture 106 , selectively illuminate it and thereby divide the aperture 106 into subapertures 110 . The partial light beams pass through the optical system to be examined and are focused on a location-sensitive photodetector 112 , which is arranged in a focal plane perpendicular to the optical axis 114 .

Bei der Untersuchung eines fokussierenden optischen Systems wie der Sammellinse 100 gemäß Fig. 1 erfolgt die Fokussierung durch das System selbst. Ansonsten werden die Teillichtbündel durch eine dem zu untersuchenden System nachgeordnete aberrationsfreie Sammellinse 116 auf den Fotodetektor 112 fokussiert. Letzterer kann stationär in der Fokalebene der Sammellinse 116 angeordnet sein. Zur Erweiterung des Meßbereichs empfiehlt es sich aber, den Fotodetektor 112 parallel zu der optischen Achse 114 ver stellbar anzuordnen und in die gemeinsame Fokalebene des zu unter suchenden Systems und der Sammellinse 116 zu rücken.When examining a focusing optical system such as the converging lens 100 according to FIG. 1, the focusing takes place by the system itself. Otherwise, the partial light beams are focused on the photodetector 112 by an aberration-free converging lens 116 arranged after the system to be examined. The latter can be arranged stationary in the focal plane of the converging lens 116 . To expand the measuring range, it is recommended to arrange the photodetector 112 parallel to the optical axis 114 and to move it into the common focal plane of the system to be examined and the converging lens 116 .

Mit dem Fotodetektor 112 wird die nach Passieren des optischen Systems deformierte Wellenfront erfaßt. Dazu wird von den Sub aperturen 110 kommendes Licht auf den Fotodetektor 112 fokussiert und die Position des Brennpunkts gemessen. Die jeweilige Position des Brennpunkts bzw. deren Abweichung von der Normalposition ist proportional zur lokalen Verkippung der Wellenfront. Die Berechnung der Phasentransmissionsfunktion erfolgt als Fit (modaler Fit) der gemessenen lokalen Wellenfrontverkippungen an einen Satz von fünfzehn Zernike-Polynomen bzw. deren Ab leitungen. Aus den drei Zernike-Polynomen zweiten Grades kann man durch Transformation in ein gedrehtes Koordinatensystem die sphärischen und zylindrischen Wellenfrontanteile als Stärke der Sphäre und Stärke und Winkel des Zylinders (Astigmatismus 2. Grades) berechnen. Zusätzlich dazu lassen sich direkt Koma, sphärische Aberration und höhere Astigmatismusterme angeben.The wavefront deformed after passing through the optical system is detected with the photodetector 112 . For this purpose, light coming from the sub apertures 110 is focused on the photodetector 112 and the position of the focal point is measured. The respective position of the focal point or its deviation from the normal position is proportional to the local tilt of the wavefront. The phase transmission function is calculated as a fit (modal fit) of the measured local wavefront tilt to a set of fifteen Zernike polynomials or their derivatives. From the three Zernike polynomials of the second degree, the spherical and cylindrical wavefront components can be calculated as the strength of the sphere and the strength and angle of the cylinder (2nd degree astigmatism) by transformation into a rotated coordinate system. In addition, coma, spherical aberration and higher astigmatism terms can be specified directly.

Die Erzeugung des Subaperturmusters mit der rotierenden Lochblende 108 ist in Fig. 3 und Fig. 4 illustriert. Die Lochblende 108 ist eine Kreisscheibe mit runden Löchern 1-9. Ihre Drehachse 118 erstreckt sich parallel zu der optischen Achse 114 und mit Abstand von der optischen Achse 114 außerhalb der zu vermessenden Apertur 106. Die Löcher 1-9 der Lochblende 108 sind so über ihre Fläche verteilt, daß sie die zu vermessende Apertur 106 bei Drehung der Lochblende 108 überstreichen, sich jeweils aber immer nur ein Loch 1-9 vor der Apertur 106 befindet.The generation of the Subaperturmusters with the rotating aperture plate 108 is illustrated in Fig. 3 and Fig. 4. The pinhole 108 is a circular disk with round holes 1-9 . Its axis of rotation 118 extends parallel to the optical axis 114 and at a distance from the optical axis 114 outside the aperture 106 to be measured. The holes 1-9 of the perforated diaphragm 108 are distributed over their surface in such a way that they pass over the aperture 106 to be measured when the perforated diaphragm 108 rotates, but there is always only one hole 1-9 in front of the aperture 106 .

Die der Apertur 106 in einer Projektion parallel zu der optischen Achse 114 gegenüberliegende Kreisringzone der rotierenden Loch blende 108 ist in Fig. 3 durch die Grenzlinien 120, 122 markiert. The circular zone of the rotating aperture 108 opposite the aperture 106 in a projection parallel to the optical axis 114 is marked in FIG. 3 by the boundary lines 120 , 122 .

In dieser Zone sind auf neun konzentrischen Kreisen, die radial um jeweils ca. den Lochdurchmesser versetzt sind, über den Umfang der Lochblende 108 neun Löcher 1-9 verteilt, d. h. ein Loch 1-9 pro Kreis. Bei rotierender Lochblende 108 überstreichen die Löcher 1-9 die Apertur 106 auf Kreisbahnabschnitten 124, die in Fig. 4 angedeutet sind. Auf den Kreisbahnabschnitten 124 sind Meßpositionen der Löcher 1-9 definiert, die in Umfangs richtung um ca. den Lochdurchmesser versetzt sind. Dadurch ergeben sich die in Fig. 4 gezeigten siebenundsechzig Meßpositionen, die die Apertur 106 nahezu vollständig ausfüllen und in siebenund sechzig Subaperturen 110 zerlegen.In this zone are nine concentric circles, the radially around each about the hole diameter are offset, distributed over the circumference of the aperture plate 108 nine holes 1-9, ie a hole 1-9 per circle. With the rotating aperture plate 108, the holes 1-9 sweep over the aperture 106 on circular path sections 124 , which are indicated in FIG. 4. On the circular path sections 124 measuring positions of the holes 1-9 are defined, which are offset in the circumferential direction by approximately the hole diameter. This results in the sixty-seven measuring positions shown in FIG. 4, which almost completely fill the aperture 106 and break it down into sixty-seven sub-apertures 110 .

Den Meßpositionen sind auf einem konzentrischen Kreis am Rand der Lochblende 108 liegende Codebohrungen 11-95 zugeordnet, die mit einer Gabellichtschranke 126 ausgelesen werden. Die zu den Meßpositionen eines bestimmten Lochs 1-9 gehörigen Code bohrungen 11-95 liegen diesem auf der Lochblende 108 radial gegenüber. Anhand des Dunkel-Hell-Übergangs und/oder Hell-Dunkel- Übergangs, der eintritt, wenn eine Codebohrung 11-95 die Gabel lichtschranke 126 passiert, wird diskriminiert, daß sich das zugehörige Loch 1-9 an einer der Meßpositionen seines Kreisbahn abschnitts 124 befindet. Das radial innerste Loch 1 hat fünf solche Meßpositionen und dementsprechend fünf ihm auf der Loch blende 108 radial gegenüberliegende Codebohrungen 11-15. Die beiden radial nächstäußeren Löcher 2 und 3 haben sieben Meß positionen und zugehörige Codebohrungen 21-27 bzw. 31-37. Die vier radial nächstäußeren Löcher 4-7 haben neun Meß positionen und zugehörige Codebohrungen 41-49, 51-59, 61-69 und 71-79. Das radial nächstäußere Loch 8 hat sieben Meß positionen und zugehörige Codebohrungen 81-87. Das radial äußerste Loch 9 hat fünf Meßpositionen und zugehörige Code bohrungen 91-95. Die Zahl der Meßpositionen und zugehörigen Codebohrungen ergibt sich aus der Länge und dem Durchmesser der die Apertur 106 überstreichenden Kreisbahnabschnitte 124 und die in radialer Richtung und Umfangsrichtung jeweils um ca. den Lochdurchmesser versetzte Aufeinanderfolge der Meßpositionen.Code bores 11-95 , which are read out with a fork light barrier 126, are assigned to the measuring positions on a concentric circle at the edge of the perforated diaphragm 108 . The code holes 11-95 belonging to the measuring positions of a specific hole 1-9 lie radially opposite this on the aperture plate 108 . On the basis of the dark-light transition and / or light-dark transition that occurs when a code hole 11-95 passes the fork light barrier 126 , it is discriminated that the associated hole 1-9 is located at one of the measuring positions of its circular section 124 located. The radially innermost hole 1 has five such measuring positions and, accordingly, five code bores 11-15 radially opposite it on the aperture 108 . The two radially next outer holes 2 and 3 have seven measuring positions and associated code holes 21-27 and 31-37 . The four radially nearest outer holes 4-7 have nine measuring positions and associated code holes 41-49 , 51-59 , 61-69 and 71-79 . The radially next outer hole 8 has seven measuring positions and associated code holes 81-87 . The radially outermost hole 9 has five measuring positions and associated code holes 91-95 . The number of measuring positions and associated code bores results from the length and the diameter of the circular path sections 124 that cross the aperture 106 and the succession of the measuring positions, each offset by approximately the hole diameter in the radial direction and circumferential direction.

Die den Meßpositionen eines radial inneren Lochs 1-9 zuge ordneten Codebohrungen 11-95 haben in Umfangsrichtung einen größeren Abstand, als die den Meßpositionen eines radial äußeren Lochs 1-9 zugeordneten Codebohrungen 11-95. Das entspricht der Tatsache, daß sich die Lochblende 108 bei einem auf einem inneren Kreis liegenden Loch 1-9 um einen größeren Winkel drehen muß, um die nächste Meßposition zu erreichen, als bei einem auf einem äußeren Kreis liegenden Loch 1-9. Auf einer entsprechend ungleichmäßigen Spiralbahn liegen die Löcher 1-9 über den Umfang der Lochblende 108 verteilt.The assigned to the measuring positions of a radially inner hole 1-9 code holes 11-95 have a larger circumferential distance than the measuring positions of a radially outer hole 1-9 assigned code holes 11-95 . This corresponds to the fact that the aperture 108 has to rotate through a larger angle with a hole 1-9 lying on an inner circle to reach the next measuring position than with a hole 1-9 lying on an outer circle. The holes 1-9 are distributed over the circumference of the perforated diaphragm 108 on a correspondingly uneven spiral path.

Für eine Messung an allen siebenundsechzig Subaperturen 110 bedarf es gerade einer vollen Umdrehung der Lochblende 108. An der Rück seite der Lochblende 108 ist in wohldefinierter Winkelposition ein Reflektor angeordnet, der mit einer Reflexionslichtschranke 128 ausgelesen wird. Bei Passieren des Reflektors liefert die Reflexionslichtschranke 128 ein den Beginn einer Messung an zeigendes Startsignal.A measurement of all sixty-seven sub-apertures 110 requires just one full revolution of the pinhole 108 . On the rear side of the pinhole 108 , a reflector is arranged in a well-defined angular position, which is read out with a reflection light barrier 128 . When passing the reflector, the reflection light barrier 128 supplies a start signal which indicates the start of a measurement.

Anstelle der beschriebenen Anordnung der Lochblende 108 räumlich vor der zu untersuchenden Apertur 106 besteht auch die Möglich keit, die Lochblende 108 optisch, z. B. durch ein Linsenrelais, auf die Apertur 106 abzubilden. Die Lochblende 108 muß der zu untersuchenden Apertur 106 also nicht geometrisch, sondern nur optisch vorgeordnet sein, was die Möglichkeit beliebiger Zwischen abbildungen einschließt.Spatially in front of the aperture 106 to be examined also possible the aperture plate 108 is in place of the described arrangement, the aperture plate 108 ness, optical, z. B. by a lens relay, on the aperture 106 . The pinhole 108 must not be geometrically, but only optically upstream of the aperture 106 to be examined, which includes the possibility of any intermediate images.

Die Lichtquelle 104 der Vorrichtung ist entweder ein kontinuier licher oder vorzugsweise ein gepulster Halbleiterlaser, der immer dann einen Lichtpuls aussendet, wenn die Gabellichtschranke 126 ein Signal abgibt, das anzeigt, daß sich ein Loch 1-9 in Meß position befindet. Für die Lichtdetektion an dem Fotodetektor 112 wird ein entsprechendes Zeitfenster gesetzt. Das ermöglicht die Eliminierung von Fremdlichteffekten durch Dunkel- und Hell-Samplen. Durch die hohe Pulslichtintensität und kurze Be lichtungszeit des Halbleiterlasers wird eine hohe Ortsauflösung an dem Fotodetektor 112 erreicht.The light source 104 of the device is either a continuous or preferably a pulsed semiconductor laser which emits a light pulse whenever the fork light barrier 126 emits a signal which indicates that a hole 1-9 is in the measuring position. A corresponding time window is set for the light detection at the photodetector 112 . This enables the elimination of extraneous light effects through dark and light samples. Due to the high pulse light intensity and short exposure time of the semiconductor laser, a high spatial resolution is achieved at the photodetector 112 .

Als Fotodetektor 112 kommt ein PSD (Position-Sensitive-Detector) zum Einsatz. Der PSD liefert in den zwei zueinander senkrechten Koordinatenrichtungen seines Aufnahmefelds vier Ströme, die in Spannungen umgewandelt miteinander verrechnet werden müssen, um intensitätsunabhängige Positionssignale zu erzeugen. Bezeichnet man die horizontalen Spannungen mit U_h1 und U_h2 und die vertikalen mit U_v1 und U_v2, dann ergibt sich die horizontale Position pos_h und vertikale Position pos_v aus:A PSD (position-sensitive detector) is used as the photo detector 112 . The PSD delivers four currents in the two mutually perpendicular coordinate directions of its recording field, which currents have to be converted into voltages and offset against one another in order to generate position signals that are independent of intensity. If one designates the horizontal voltages with U _h1 and U _h2 and the vertical ones with U _v1 and U _v2 , then the horizontal position pos _h and vertical position pos _v result from:

pos_h = (U_h1-U_h2)/(U_h1 + U_h2) und
pos_v = (U_v1-U_v2)/(U_v1 + U_v2).pos _h = (U _h1 -U _h2 ) / (U _h1 + U _h2 ) and
pos _v = (U _v1 -U _v2 ) / (U _v1 + U _v2 ).

Diese Berechnungen werden von einem Rechner durchgeführt. Man muß also für jede zu vermessende Position vier Spannungen an alog-digital-wandeln und in den Rechner einlesen. Um sicher zustellen, daß die durch die Lochblendenbewegung entstehenden Ungenauigkeiten klein bleiben, wird für die analog-digi tal-Wandlung ein ADC mit vier direkt von der Gabellichtschranke 126 gleichzeitig getriggerten sample-and-hold-Bausteinen ver wendet. Die Bewegungsungenauigkeit der Aperturbestimmung ergibt sich daher aus der Sample-Zeit von 2 µs. Dieser Wert gilt für eine kontinuierliche Lichtquelle 104 in Form einer Laser-Diode und läßt sich bei Einsatz einer gepulsten Lichtquelle noch er heblich verbessern. These calculations are carried out by a computer. So you have to convert four voltages to alog-digital for each position to be measured and read them into the computer. In order to ensure that the inaccuracies resulting from the pinhole movement remain small, an ADC with four sample-and-hold modules directly triggered simultaneously by the fork light barrier 126 is used for the analog-digital conversion. The inaccuracy of movement of the aperture determination therefore results from the sample time of 2 µs. This value applies to a continuous light source 104 in the form of a laser diode and can be considerably improved if a pulsed light source is used.

Die Erfindung folgt nach alledem dem Meßprinzip, die Phasentrans missionsfunktion eines optischen Systems durch zeitlich aufein anderfolgendes Beleuchten der zu vermessenden Apertur 106 mit jeweils einem parallelen Lichtbündel und Detektion der Position des abgelenkten Lichtbündels in einer von der Pupillenebene unter schiedlichen Ebene senkrecht zu der optischen Achse 114 zu messen.The invention follows the measuring principle, the phase transmission function of an optical system by temporally successively illuminating the aperture 106 to be measured, each with a parallel light beam and detection of the position of the deflected light beam in a plane perpendicular to the optical axis 114 from the pupil plane to eat.

Charakteristika der Erfindung sind:Characteristics of the invention are:

Die zu vermessende Pupille wird von einem parallelen Laserlicht bündel vollständig ausgeleuchtet.The pupil to be measured is emitted by a parallel laser light bundle fully illuminated.

Die selektive Beleuchtung der Pupille wird mit Hilfe einer rotierenden Lochblende 108 erzeugt, deren Drehachse 118 sich außerhalb der zu vermessenden Pupille befindet.The selective illumination of the pupil is generated with the aid of a rotating pinhole 108 , the axis of rotation 118 of which is located outside the pupil to be measured.

Die Löcher 1-9 auf der Lochblende 108 sind so angeordnet, daß sich jeweils nur ein Loch 1-9 vor der zu vermessenden Pupille befindet.Holes 1-9 on pinhole 108 are arranged so that there is only one hole 1-9 in front of the pupil to be measured.

Die Detektion der Position des Brennpunkts in der Beobachtungs ebene erfolgt mit einem PSD.The detection of the position of the focal point in the observation level is done with a PSD.

Die genaue Definition des Ortes der Subapertur wird durch eine entsprechend kurze Integrationszeit des PSD ermöglicht. The exact definition of the location of the subaperture is given by a correspondingly short integration time of the PSD enables.

Die lokale Transmissivität des optischen Systems wird mit einer der Verteilung der Subaperturen 110 entsprechenden Auflösung bestimmt. Aus der Darstellung der Phasentransmissionsfunktion in Form eines zweidimensionalen Polynoms können lokale Ab weichungen der Brechungseigenschaften bestimmt werden.The local transmissivity of the optical system is determined with a resolution corresponding to the distribution of the subapertures 110 . Local deviations in the refractive properties can be determined from the representation of the phase transmission function in the form of a two-dimensional polynomial.

Im Unterschied zu dem klassischen Hartmann-Test werden die Sub aperturen 110 nicht gleichzeitig mit Hilfe eines konzentrischen Punktmusters vermessen, sondern nacheinander mit einem Muster, das in der zu vermessenden Apertur 106 nur Achsensymmetrie hat.In contrast to the classic Hartmann test, the sub apertures 110 are not measured simultaneously with the aid of a concentric point pattern, but successively with a pattern that only has axis symmetry in the aperture 106 to be measured.

Vorteile gegenüber interferometrischen Messungen ergeben sich daraus, daß die Wellennatur des Lichtes bei der Messung nicht ausgenutzt wird. Will man relativ große Wellenfrontfehler ver messen, muß man lediglich die Wahl einer geeigneten Fokussierlinse und den Meßbereich einstellen und hat nicht das Problem, viele Interferenzringe mit möglicherweise sehr kleinem Abstand zählen zu müssen. Die Anforderungen an die mechanischen Halterungen sind je nach Meßbereich flexibel. Will man relativ schlechte Linsen vermessen, muß man nicht die für ein Interferometer not wendigen engen Toleranzen einhalten.There are advantages over interferometric measurements from the fact that the wave nature of the light is not in the measurement is exploited. If you want to ver relatively large wavefront errors measure, you just have to choose a suitable focusing lens and adjust the measuring range and has no problem many Count interference rings with a possibly very small distance to have to. The requirements for the mechanical mounts are flexible depending on the measuring range. If you want relatively bad Measuring lenses, one does not have to do that for an interferometer adhere to maneuverable narrow tolerances.

Die erfindungsgemäße Messung der Phasentransmissionsfunktion erfolgt in der Pupillenebene des optischen Systems. Die gemessene Wellenfront erlaubt daher direkte Aussagen darüber, an welcher Stelle der Pupille Aberrationen auftreten. In der Brennebene erfolgende Messungen der MTF (Modulation-Transfer-Function), PTF (Phase-Transfer-Function) oder PSF (Point-Spread-Function) sind dazu nicht in der Lage. Durch eine schnelle Fourrier-Trans formation (FFT) kann man aus der Phasentransmissionsfunktion die PSF und durch eine Autokorrelation die MTF und PTF berechnen. Der umgekehrte Vorgang ist nicht ohne weiteres möglich. Diese Rechenoperationen mit nicht allzu großer Präzision benötigen auf einem modernen PC nur wenige Sekunden. Man erhält also alle für den Test des optischen Systems relevanten Funktionen aus einer einzigen Messung.The measurement of the phase transmission function according to the invention takes place in the pupil plane of the optical system. The measured Wavefront therefore allows direct statements about which Site of pupil aberrations occur. In the focal plane measurements of the MTF (modulation transfer function), PTF (phase transfer function) or PSF (point spread function) are unable to do so. Through a fast Fourrier trans formation (FFT) can be derived from the phase transmission function calculate the PSF and, through an autocorrelation, the MTF and PTF. The reverse process is not easily possible. This Arithmetic operations with not too great precision only a few seconds on a modern PC. So you get all relevant functions for testing the optical system one measurement.

Liste der BezugszeichenList of reference numbers

1-9 Loch
91-95 Codierloch
100 Sammellinse
102 Zerstreuungslinse
104 Lichtquelle
106 Apertur
108 Lochblende
110 Subapertur
112 Fotodetektor
114 optische Achse
116 aberationsfreie Sammellinse
118 Drehachse
120 Grenzlinie
122 Grenzlinie
124 Kreisbahnabschnitt
126 Gabellichtschranke
128 Reflexionslichtschranke 1-9 holes
91-95 coding hole
100 converging lens
102 diverging lens
104 light source
106 aperture
108 pinhole
110 subaperture
112 photo detector
114 optical axis
116 aberation-free converging lens
118 axis of rotation
120 border line
122 boundary line
124 circular path section
126 fork light barrier
128 retro- reflective sensor

Claims

1.Device for determining the phase transmission function of an optical system, in particular a lens, with an illumination device from which light with a well-defined wavefront emits, which illuminates the aperture of the system, with a pinhole optically arranged in front of the aperture, which fades out a narrowly limited partial light beam and thus scans the aperture, and with a position-sensitive photo detector arranged perpendicular to the optical axis and onto which the partial light beam passing through the system is focused, characterized in that the pinhole ( 108 ) about an axis which does not coincide with the optical axis ( 114 ) ( 118 ) is rotatable and has a plurality of holes ( 1-9 ) which, when the aperture plate ( 108 ) rotates, sweep over the aperture ( 106 ) over essentially its entire surface and of which at most one is present in all angular positions of the aperture plate ( 108 ) the aperture ( 106 ) is located.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the axis of rotation ( 118 ) of the pinhole ( 108 ) to the optical axis ( 114 ) is parallel and from the optical axis ( 114 ) spac stands.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the holes ( 1-9 ) are round and lie on concentric circles of the perforated diaphragm ( 108 ) which are spaced about the hole diameter.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that a hole ( 1-9 ) lies on each circle.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the pinhole ( 108 ) has about nine holes ( 1-9 ).

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that a starting point is coded on the pinhole ( 108 ), z. B. by a reflector which can be detected by means of a re flexion light barrier ( 128 ).

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that on the pinhole ( 108 ) in the circumferential direction by about the hole diameter offset measuring positions of the holes ( 1-9 ) are coded.

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the perforated diaphragm ( 108 ) preferably on the edge with concentric to its axis ( 118 ) arranged, the measuring positions of the holes ( 1-9 ) assigned code holes ( 11-95 ) is provided, which can be read out by means of a fork light barrier ( 126 ).

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the measuring positions of a radially inner hole ( 1-9 ) associated code holes ( 11-95 ) are further apart from each other than the measuring positions of a radially outer hole ( 1 -9 ) assigned code holes ( 11-95 ).

10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the partial light beam is focused by the system to be examined on the photo detector ( 112 ).

11. The device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the partial light beam with an aberration-free converging lens ( 116 ) is focused on the photodetector ( 112 ).

12. Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the photodetector ( 112 ) is arranged stationary in the focal plane of the converging lens ( 116 ).

13. Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the photodetector ( 112 ) is adjustable parallel to the optical axis ( 114 ).

14. Device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the photodetector ( 112 ) is a PSD.

15. The device according to one of claims 1 to 14, characterized in that the lighting device contains a continuous or preferably pulsed light source ( 104 ), in particular a semiconductor laser.

16. The device according to one of claims 1 to 15, characterized ge indicates that the lighting device is a parallel Beams of light with a flat wavefront provides.