DE4231851C2

DE4231851C2 - Spiegeloberflächen-Eigenschaftstestverfahren und -Vorrichtung

Info

Publication number: DE4231851C2
Application number: DE4231851A
Authority: DE
Inventors: Iwao Peter Adachi; Stephen B Coffman
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1991-09-23
Filing date: 1992-09-23
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2012-09-24
Also published as: DE4231851A1; US5187539A; JPH06109454A; JPH0792372B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Sy steme und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vor richtung zum Testen der optischen Qualität von asphäri schen Spiegeln. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine optische Technik zum Kartographieren der Oberflä chendefekte (Fehler) von sphärischen oder nicht-kreissym metrischen Spiegeln.

Hochqualitative reflektierende Spiegel werden in einer Vielzahl von fortschrittlichen optischen Anwendungen ver wendet, wie zum Beispiel Bildscannern (Abtastern) oder Sensoren, Bildvervielfältigung oder Bilddigitalisie rungssystemen. In hochauflösenden optischen Systemen müs sen die Spiegel hochqualitative optische Oberflächen be sitzen und sie müssen sehr genau ausgerichtet werden, um eine gewünschte hohe Auflösung oder hohe Bildregi strierung (Ausrichtung) vorzusehen. Daher ist es notwen dig, Herstellungsverfahren für Spiegel mit sehr genau de finierten Fokalmustern (Brennmustern) mit extrem kleinen Zonalen oder Oberflächendefekten vorzusehen, und Spiegel vorzusehen, die in der Lage sind, eine hohe Genauigkeit aufweisende Ausrichtung innerhalb eines optischen Systems zu erhalten. Der Ausrichtungsvorgang kann Systemausrich tung umfassen, könnte aber auch Anfangsausrichtung für Spiegel innerhalb einer Montagestruktur zum späteren Ge brauch umfassen.

Wenn flache, kreisförmige oder kreisförmig symmetrische Spiegel verwendet werden, ist es oft einfach, die Spiegel auszurichten durch einfaches Verwenden einer mechanischen Messung des Brennpunktes (Fokus) des Spiegels. Die Größe und kreisförmige Krümmung solcher Spiegel ist leicht zu messen und von diesen ist der Brennpunkt oder die Achse auch leicht zu bestimmen. Lichtstrahlen können auch von der Spiegeloberfläche reflektiert werden, und das re flektierte Licht beobachtet werden, um einen gemeinsamen Schnittpunkt zu bilden, der verwendet wird zum Skizzieren von vorbestimmten Mustern. Eine andere Methode ist es einen Spiegel zu drehen, während ein kollimierter Licht strahl oder ein Bild reflektiert wird und durch Einstel len der Spiegeldrehachse, bis ein reflektiertes Bild sta tionär ist. Eine Mehrzahl von interferometrischen Techni ken ist verfügbar, die einfallende und reflektierte La serlichtstrahlen und Bilder verwenden. Wenn jedoch mit asphärischen oder parabolischen oder komplexeren geome trischen Formen und versetzten Spiegeln umgegangen wird, arbeiten interferometrische Verfahren nicht gut.

Näheres zum Stand der Technik befindet sich beispielsweise in der Patentschrift DD 2 34 490 A1, die eine Anordnung zur optoelektronischen Verzeichnungsmessung von optisch abbildenden Systemen beschreibt.

Viele der komplexeren asphärischen Spiegel werden mit ho hen Genauigkeiten (Toleranzen) hergestellt, und zwar un ter Verwendung von speziellen Diamantdrehwerkzeugen und Polierprozessen. Unglücklicherweise hinterlassen diese Werkzeuge und Techniken oft kleine Bearbeitungsmale oder Oberflächenstörstellen und Verschlechterungen, die über mäßige Lichtstreuung oder falsche Reflektionen erzeugen und die Verwendung von hochauflösenden interferometri schen Laservorrichtungen unmöglich machen. Zur gleichen Zeit sind Zonaldefekte in einigen asphärischen Spiegeln in ihrer Natur von einer solchen Größe und Unregelmäßig keit, daß interferometrische Techniken schwer betroffen und häufig unbrauchbar sind.

Bei einem Verfahren zur Spiegelausrichtung wird angenom men, daß jeder Zonalfehler konzentrisch oder symmetrisch um die optische Mittelachse ist, wenn die Ausrichtung perfekt ist. Ein Interferogramm wird verwendet zum De tektieren oder Fokussieren einer Spiegelzone, die dann zur Einstellung der optischen Achse verwendet wird. In ähnlicher Weise können Ronchi-Tests verwendet werden, um Muster, die über eine Spiegelzone hinweggehen, zu finden.

Jedoch bei Bearbeitungsmalen und anderen Oberflächende fekten erweist sich die Zonalsymmetrieannahme als falsch, und die Ausrichtungstechniken schlagen fehl, es sei denn, daß zusätzliche Information über die Oberflächenver änderungen vorgesehen werden kann.

Asphärische Spiegel und Spiegel mit komplexen Oberflä chenformen werden für viele fortschrittliche Systeme ver wendet. Daher wird ein Verfahren und eine Vorrichtung benötigt zum Vorsehen von hohe Genauigkeit aufweisende Messungen der optischen Qualität und Fokal- oder Brenn eigenschaften solcher Spiegel. Es ist auch für jede op tische Technik wünschenswert mit einem Minimum an Kosten und Komplikationen verwendbar zu sein, während sie leicht zur automatisieren ist, für effizientere Spiegelver arbeitung.

In Hinsicht auf die Einschränkungen der Spiegeltest- und Ausrichtungsverfahren im Stand der Technik ist es ein Zweck der Erfindung, eine neue Technik zum Messen der op tischen Qualität von asphärischen Spiegeln vorzusehen.

Ein anderer Zweck der Erfindung ist es, ein hochgenaues Verfahren zum Ausrichten von asphärischen und geometrisch komplexen Spiegeln vorzusehen.

Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß ein hochgenaues und hochauflösendes Spiegeltestverfahren mit einem Minimum an Komplexität vorgesehen ist.

Ein anderer Vorteil der Erfindung ist, daß sie sich zur Automatisierung von einigen Oberflächentestverfahren und Ausrichtungsvorgängen eignet.

Diese und andere Zwecke, Ziele und Vorteile werden rea lisiert in einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 11 zum Te sten und Analysieren der optischen Oberflächeneigen schaften von Spiegeln, in der ein kreuzraster- oder kreuzgitterartiges Ronchi-Gitter von vorbestimmter und im wesentlichen einheitlicher Periodizität angeordnet ist entlang einer vorbestimmten Beobachtungsachse und zwar zum Analysieren der Spiegeloberfläche. Die Periodizität wird bestimmt durch die für die Anwendung interessante, verwendete Wellenlängen, sie ist aber typischerweise ein Bruchteil eines Millimeters. Die Beobachtungsachse sollte zumindest annähernd die optische Spiegelachse sein, was durch Verwendung verschiedener Ausrichtungstechniken er reicht werden kann. Bei der Verwendung eines Projektions selements sollte Licht mit einer vorbestimmten Frequenz reflektiert werden von der Spiegeloberfläche, und zwar entlang der Beobachtungsachse, und zwar von hinten durch das Gitter um ein rasterartiges Interferenz streifen- oder Fransenmuster an einer Beobachtungspupille durch das Zu sammenwirken mit dem Gitter zu erzeugen. Ein Abtastele ment wird verwendet, um das Streifenmuster an vorbestimm ten Koordinatenstellungen abzutasten, zur Bestimmung ei ner relativen Interferenzstreifenzahl für jede Interferenzstreifenlinie im Muster, und dann zum Erzeugen von Zernike-Koeffizienten entsprechend dem Streifenmu ster. Das Streifenmuster wird analysiert zum Bestimmen der Zonal- und Fokaleigenschaften (Defekte) der Spiege loberfläche, und zwar durch Analyse der seitlichen Ver setzung der Streifenlinien von der optischen Achse. Die Zernike-Koeffizienten werden in herkömmlicher Beziehung verwendet, zum Rekonstruieren der Spiegeloberflächenei genschaften.

Das Licht wird vorgesehen durch Positionieren eines lichtreflektierenden Elements transvers zur Beobach tungsachse, und zwar zwischen dem Spiegel und dem Gitter, das mindestens eine optische lichtreflektierende Ober fläche so angeordnet besitzt, daß sie Licht gegen den Spiegel reflektiert und im wesentlichen durchlässig ist für licht reflektiert vom Spiegel. Das Reflexionselement wird beleuchtet von der Seite, die dem Spiegel zugerich tet ist, und zwar von einer Quelle, beispielsweise einem Diodenlaser, der mit einer bestimmten Frequenz arbeitet.

Die Streifenzahl jeder Streifenlinie wird geschätzt an einer Vielzahl von Koordinatenstellen entlang einer Serie von gemeinsamen horizontalen und dann gemeinsamen verti kalen Positionen unter Verwendung einer Monomserie, und zwar zum Darstellen einer Streifenzahl an jeder Position. Die Serien- oder Reihenkoeffizienten werden abgeleitet unter Verwendung einer Vielzahl von erzeugten Serien und bekannten mathematischen Beziehungen. Die abgeleiteten Serienkoeffizienten werden verwendet zur Bestimmung der entsprechenden Zernike-Koeffizienten.

In weiteren Aspekten der Erfindung wird ein Subtrak tionselement verwendet, um eine Differenz zwischen den Monom-Serien benachbarter Streifenlinien zu bilden, und zwar vor dem Auflösen für eine relative Interferenzstrei fenzahl. Diese Subtraktion beseitigt Fehler, die durch ein Verfehlen des genauen Ausrichtens der Interferenz streifenlinien mit der entsprechenden Spiegelachse auf treten kann und ermöglicht eine verbesserte Hochgeschwindigkeitsspiegelanalyse.

In weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung werden die Interferenzstreifenmuster übertragen, und zwar unter Verwendung einer oder mehrerer Linsen, wie zum Beispiel einer Null-Linsenanordnung, und zwar an ein Bildverarbei tungs- oder Digitalisierungselement, wie zum Beispiel eine CCD-artige Kamera oder einem Bildabtaster (Scanner). Das Interferenzstreifenmuster wird digitalisiert und elektronisch abgetastet zum Vorsehen einer digitalen Dar stellung der Konturen der Intereferenzstreifenlinien. Das abgetaste oder elektronische Bild wird verwendet von ei nem Indexierungselement zum Errechnen der Streifenzahl an einer Vielzahl von Koordinatenstellungen entlang der Wege von gemeinsamen horizontalen und gemeinsamen vertikalen Positionen unter Verwendung von Monom-Seriendarstellun gen. Die Koeffizienten für die erzeugte Vielzahl von Mo nom-Serien unter Verwendung von algebräischen Beziehungen und entsprechenden Zernike-Koeffizienten.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine digitale Berechnungseinheit, wie zum Beispiel ein Computer verwendet zur Ableitung der Interferenz streifenzahl und Bestimmung der Zernike-Koffizienten. Zur gleichen Zeit werden die resultierenden Zernike-Koeffi zienten verwendet, um eine digitale Darstellung der Spie geloberfläche zu erzeugen, die weiterhin verwendet werden kann, um eine visuelle Darstellung der Spiegeloberfläche zu bilden. Die visuelle Darstellung kann zum Ansehen prä sentiert werden unter Verwendung einer Präsentationssein richtung, wie zum Beispiel einem Videobildschirm oder ei nem Drucker.

Zusätzlich kann die digitale Berechnungs- und Verarbei tungseinrichtung verbunden werden, und zwar zum Zusam menwirken mit einem oder mehreren Verarbeitungssteuerern, die wiederum gekoppelt sind mit Positionstranslations- oder Versetzungselementen, die verbunden sind mit dem zu testenden Spiegel und jeder Fokussier- und Abtasteinrich tung. Dies ermöglicht, das Automatisieren des Beobachtens und Abtastens der Spiegeloberfläche. Der Computer oder die Verarbeitungssteuerer können vorprogrammiert werden, um ausgewählte Positionsversetzungsbefehle vorzusehen, und zwar zum bewegbaren Anbringen der Einrichtungen für den Spiegel. Die Interferenzstreifeninformation kann auch für späteres Wiederaufrufen oder Analysieren gespeichert werden.

Die neuen Merkmale der vorliegenden Erfindung können bes ser verstanden werden durch die Beschreibung zusammen mit der Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen durchgehend gleiche Elemente bezeichnen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Übersicht einer Vorrichtung zum Testen der optischen Qualität und Oberflächeneigenschaften eines asphärischen Spiegels, die gemäß der vor liegenden Erfindung konstruiert ist und arbeitet;

Fig. 2 ein beispielhaftes Raster- oder Gittermuster das in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 zur Beobachtung von Spiegeloberflächen verwendet wird;

Fig. 3 ein beispielhaftes Interferenzstreifen- oder Fran senmuster, hergestellt durch die Vorrichtung ge mäß Fig. 1 während des Beobachtens einer im we sentlichen perfekten Spiegeloberfläche;

Fig. 4 ein beispielhaftes Interferenzstreifenmuster, her gestellt durch die Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 während des Beobachtens einer fehlerhaften Spiegeloberfläche;

Fig. 5 eine Anwendung einer optischen Analyse auf das In terferenzstreifenmuster der Fig. 3 und 4;

Fig. 6 ein Automatisierungssystem zum Durchführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7a und 7b beispielhafte Oberflächenkarten oder Kontu ren eines sphärischen Spiegels, hergestellt durch die vorliegende Erfindung, und zwar mit und ohne Interferenzstreifensubtraktion;

Fig. 8a und 8b beispielhafte Oberflächenkarten oder Kontu ren eines parabolischen Spiegels, hergestellt durch die vorliegende Erfindung, und zwar mit und ohne die Interferenzstreifensubtraktion; und

Fig. 9a, 9b und 9c beispielhafte Oberflächenkonturprofile für einen zweiten parabolischen Spiegel unter Verwendung von drei verschiedenen Bezugsradius werten.

Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren und eine Vorrichtung zum sehr genauen und effizienten Testen der optischen Qualität oder Oberflächenkonturen und Eigen schaften von Spiegeln, insbesondere von asphärischen Spiegeln vor. Die Erfindung erreicht dies durch Proji zieren von Licht auf die abzutastende Spiegeloberfläche und dessen Beobachten durch ein gitter- oder rasterarti ges Ronchi-Gitter (Beugungsgitter, grating). Das Ronchi-Gitter ist entlang einer Beobachtungsachse angeordnet, und zwar relativ nahe zum Brennpunkt (Fokus) des Spiegels und erzeugt ein gitter- oder rasterartiges Interferenz streifenmuster. Das Streifenmuster wird analysiert zum Be stimmen der Zonal- und Fokaleigenschaften (Defekte) der Spiegeloberfläche, und zwar durch Analysieren der seitli chen Versetzung der Interferenzstreifenlinien von der op tischen Achse. Um Ausrichtungsfehler während der Analse zu reduzieren, wird jede Interferenzstreifenlinie subtra hiert von der Linie mit der nächst höheren Ordnung, und diese Differenz wird verwendet zum Bestimmen einer Serie von Monom-Koeffizienten, aus denen die Zernike-Koeffi zienten erhalten werden.

Die für die Testtechnik der vorliegenden Erfindung ver wendete Vorrichtung wird in allgemein schematischer Form in Fig. 1 dargestellt. In Fig. 1 ist ein optisches Meß system 10 zur Bestimmung der optischen Oberflächeneigen schaften für einen Spiegel 12 gezeigt. Der Spiegel 12 kann eine Vielzahl von sphärischen, asphärischen oder nicht-kreisförmig symmetrischen Spiegelbauarten umfassen, die dem Fachmann bekannt sind. Der in Fig. 1 dargestellte Spiegel ist zum Zwecke der Klarheit und nicht als eine Einschränkung der Erfindungstechnik dargestellt. Obwohl das Verfahren der Erfindung für kreisförmig symmetrische oder flache Spiegel verwendet werden kann, wird ein grö ßerer Vorteil erreicht bei der Verwendung mit komplexen Spiegeloberflächenformen.

Ein lineares Ronchi-Gitter 14 ist angeordnet entlang ei ner Beobachtungsachse 16 zwischen einem Beobachtungs element 18 und dem Spiegel 12. Das Beobachtungselement 18 kann ein ohne Hilfsmittel versehenes menschliches Auge zum anfänglichen Ausrichten der Vorrichtung 10 umfassen. Ein ohne Hilfsmittel versehenes Auge kann typischerweise leicht die Grundinterferenzstreifenverformungen mit einem Abstand beim Beobachten von Gittern detektieren. Jedoch, für hochgenaue Ausrichtung umfaßt das Beobachtungselement mindestens ein Linsensystem zum Beobachten feiner Details der Interferenzstreifenformen und im allgemeinen eine elektro-optische Einrichtung, wie zum Beispiel eine la dungsgekoppelte Kamera (CCD-type camera) oder ein Video system. Die letztere Art der Einrichtung ermöglicht zum einen verbesserte Beobachtung und zum anderen Aufnehmen von Spiegeleigenschaften, die mit dem Spiegel 12 katalo gisiert werden können.

Um mit der Erfindung hochgenaue Ergebnisse zu erzielen, ist es wünschenswert, den Spiegel mit der Beobachtungs achse und dem verwendeten Raster genau auszurichten. Eine bevorzugte Spiegelausrichtungstechnik ist in dem US-Pa tent Ser. No. 07/676 013 offenbart, in dem ein kreisför miges Ronchi-Gitter in einer ähnlichen Vorrichtung ver wendet wird. Daher kann ein solches Ausrichtungsschema leicht aufgenommen werden in der Vorrichtung der vor liegenden Erfindung.

Die präzise Größe des Rastergitters 14 und des Reflektors 24 hängen von ihrer Stellung entlang des Spiegelbrennweges und der Größe des Spiegels oder reflektierten Lichtmu sters ab, wie es dem Fachmann bekannt ist. Für einen Spiegel mit einem Durchmesser oder einer Höhe in der Grö ßenordnung von 150 mm (ungefähr 6 inch) und einem Krüm mungsradius in der Größenordnung von 610 mm (ungefähr 24 inch) wird typischerweise ein Raster von ungefähr 25 mm (1 inch) oder weniger im Durchmesser verwendet.

Eine optische Quelle 20, wie zum Beispiel, aber nicht darauf beschränkt, ein Diodenlaser wird verwendet zum Projizieren eines Beleuchtungsstrahls 22 auf einen op tischen Reflektor oder ein Reflexionselement 24 und auf den Spiegel 12. Der Reflektor 24 kann mehrere bekannte Elemente aufweisen, wie zum Beispiel eine optische Ebene, einen Strahlenteiler, ein Prisma oder eine andere Ver bundreflexionsvorrichtung. Die optische Quelle 20 ist so ausgewählt, daß sie typischerweise spektral reines und kohärentes Licht vorsieht, und zwar zum Vorsehen einer stark mittig fokussierten Lichtquelle und um Streuung zu reduzieren. Aus diesem Grund wird eine laserartige Licht quelle vorgezogen für diese Anwendung, aber auch andere hochkollimierte optische Quellen können sich als geeignet erweisen zum Erreichen der Vorteile der Erfindung.

Die Lichtquelle 20 wird auch so ausgesucht, daß sie bei einer vorbestimmten Frequenz oder in einem erwünschten Frequenzbereich arbeitet, und zwar abhängig von der An wendung des Spiegels 12. Der Fachmann wird leicht erken nen, daß die optische Frequenz basiert auf den optischen Eigenschaften des Spiegels oder seinen vorgesehenen An wendungen, dem erwünschten Genauigkeitspegel, und den zu messenden Entfernungen oder Winkeln. Zur gleichen Zeit werden jeder der in dem Meßsystem 10 verwendeten reflek tierenden oder teilweise reflektierenden Überzüge, wie zum Beispiel auf dem Reflektor 24 so ausgewählt, daß sie die Wirkungsweise bei der Frequenz der optischen Quelle 20 verbessern.

Ein Verfahren der optischen Analyse würde ein lineares Gitter verwenden, welches eine Serie von Linien oder Drähten aufweist, die sich parallel zueinander und in ei ner einzigen axialen Richtung erstrecken. Dies sieht ein Interferenzstreifenmuster vor, das entlang oder für eine axiale Richtung analysiert werden kann. Das Raster wird dann umorientiert oder gedreht, und zwar senkrecht zu der ursprünglichen Einstellung und die Analyse wird wieder holt. Jedoch hat sich bei der Genauigkeit der Auflösung von Interesse ergeben, daß die Wiederausrichtung eines Gitters oder die Verwendung eines zusätzlichen Gitters Ergebnisse liefert, die weniger als befriedigend sind und eine minimale Wiederholbarkeit besitzen.

Daher wird in der vorliegenden Erfindung ein neues kreuz rasterartiges Gitter verwendet. Das Gitter 14 ist als ein kreuzrasterartiges Ronchi-Phasengitter ausgebildet, das zwei Serien von Linien oder Drähten verwendet, die sich parallel zueinander erstrecken, wobei jede Serie senk recht zu der anderen angeordnet ist. Das Resultat ist ein echtes "Raster"-Muster, das auch angesehen werden kann als eine Reihe von quadratischen Öffnungen. Die Rasterli nien sind mit Abstand voneinander angeordnet, und zwar mit einer Periodizität, die bestimmt wird, durch die Fre quenz des verwendeten Lichts.

Ein beispielhaftes Gitter zum Arbeiten bei einer Licht wellenlänge von 680 nm besitzt eine Periodizität von un gefähr 0,333 mm oder weniger im Abstand zwischen den Li nien. Solch geringer Rasterabstand wird im allgemeinen benötigt, um genau die Oberflächenveränderungen zu karto graphieren, die in ihrer vertikalen Ausmessung recht klein sind, jedoch einen großen Einfluß auf die Spiegel qualität besitzen. Das Rastergitter 14 ist über die Beob achtungsachse 16 in dem allgemeinen optischen Brennweg des Spiegels 12 angeordnet, und zwar zwischen dem Reflek tor 24 und irgendeinem Beobachtungselement 18, weg von dem Spiegel 12. Das quadratische Gitter 14 wird im we sentlichen senkrecht zu der Beobachtungsachse angeordnet, die eine Schätzung der optischen Achse des Spiegels 12 repräsentiert.

Eine Vielzahl von rasterartigen Gittern kann verwendet werden, um die vorliegende Erfindung zu realisieren, aber einige können sich als geeigneter erweisen als andere für die sehr hochgenaue Ausrichtung. Verschiedene Arten von Gittern werden in der Technik verwendet, und viele sind hilfreich beim Erreichen der Vorteile der vorliegenden Erfindung. Jedoch wurde herausgefunden, daß die lambda/2 geätzte Art des Gitters ein einen hohen Kontrast aufwei sendes hochsensitives Interferenz streifen erzeugendes Element vorsieht. Tief geätzte oder schwarz und weiße Ronchi-artige Gitter besitzen hohe Frequenzkomponenten, die in einem reduzierten Kontrast bei der Anordnung der Erfindung resultieren. Daher wird ein Halb-Wellen, für die Lichtquellenwellenlänge geätztes Gitter bevorzugt.

Der Eingangslichtstrahl 22 reflektiert von dem Reflektor 24 hinter dem Rastergitter 14 und trifft die Oberfläche des Spiegels 12, wo er einen verallgemeinerten reflek tierten Strahl bildet, dessen optischen Eigenschaften von der Oberfläche des Spiegels 12 abhängen, der dem reflek tierten Licht Phasen- und Richtungsveränderungen hinzu fügt. Dieser Lichtstrahl wird nach außen entlang der op tischen Achse des Spiegels 12 als ein Lichtstrahl 26 re flektiert, wo es durch das Gitter 14 aufgefangen wird und nachfolgend durch das Beobachtungselement 18 beobachtet wird. Das Kreuzgitter 14 wirkt zusammen mit dem re flektierten Lichtstrahl 26 zum Erzeugen rasterartiger In terferenz- oder Streifenmustern, wie dies in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Die Fransenmuster, dargestellt in den Fig. 3 und 4 werden erhalten unter Verwendung eines beispielhaften Ausführungsbeispiels mit den oben genann ten physikalischen Ausmessungen (Dimensionen) und durch Verwendung von Bilddigitalisierung und elektronisches Aufzeichnen. Die Figuren repräsentieren Messungen der In terferenz eines 0,33 mm periodischen Multiachsen drahtgitters mit dem reflektierten Licht eines Spiegels mit einem Durchmesser von 6 inch und einer ungefähren Brennweite von ungefähr 24 inch. Eine Lichtwellenlänge von ungefähr 600 nm wurde verwendet.

Gemäß Fig. 5 werden das Zusammenwirken des reflektierten Lichts mit dem Kreuzgitter und die resultierenden Inter ferenzstreifen beschrieben, in Form von relativer Posi tion eines über lagerten Bildes innerhalb einer Beobach tungspupille. Die reflektierte Lichtwellenfront, die sich durch die Pupille bewegt, besitzt Koordinaten X und Y, während die Pupille selbst radiale Koordinaten L und Θ besitzt, die mit der Wellenfront in Beziehung stehen, und zwar gemäß:

X = L cos Θ

und

Y = L sin Θ.

Das Raster oder Gitterbild auf der beobachteten Pupille, zum Beispiel beobachtet durch eine Kamera, besitzt axiale Koordinaten U und V, die idealerweise mit der Wellenfront und Pupillenachse ausgerichtet werden müssen.

Wenn das Gitter nahe dem Fokus oder Brennpunkt des Spie gels 12 angeordnet ist, kann der Schatten des Gitters auf der Beobachtungspupille für die Wellenfront W(X,Y) ausge drückt werden durch:

wobei:

R der Krümmungsradius ist;
Hm die Spiegelhöhe ist;
p die Periode des Gitters in festen Einheiten (hier in mm) ist;
n die Interferenzstreifenzahl ist.

Die numerische Öffnung (Apertur), NA, ist definiert als:

NA = Hm/R = sin Θ

Wenn das Gitter 14 mit einem Abstand d von dem achsen nahen (paraxialen) Brennpunkt des Spiegels angeordnet ist, wird die entsprechende Änderung in der Wellenfront aberration, die äquivalente Wellenlänge genannt, die aus gedrückt werden kann als:

EWL = (1 - cosθ) d = [(1 - cosθ)/tanθ]p (2)

und die relativen axialen Positionen für U und V können ausgedrückt werden als:

Bei der Verwendung der äquivalenten Wellenlängenmessungs einheit kann Gleichung 1 ausgedrückt werden als:

dW(X,Y)/dX = n für die X-Achse und
dW(X,Y)/dY = n für die Y-Achse

Die Wellenfrontaberrationen können ausgedrückt werden als eine verallgemeinerte Monom-Serien, und zwar als:

Dieser Ausdruck für die Wellenfrontaberrationen kann bei jeder Interferenzstreifenzahl n oder Stellung analysiert werden, und zwar zur Bestimmung der Koeffizientenwerte. Wenn diese Analyse für die Gitterlinien oder Drähte, die parallel zur Y-Achse liegen, erreicht ist, wird der Aus druck:

wobei die in Klammern befindlichen Faktoren [Bmn] Aus drücke repräsentieren, die eliminiert werden oder durch den Prozeß des Differenzierens fehlen. In gleicher Weise für die Gitterlinien oder Drähte, die parallel zur X-Achse liegen, wird der Ausdruck (Gleichung 3):

Die Interferenzstreifenzahl n sollte der Gitterkoordinate (relative Draht- oder Linienposition im Raster) entspre chen und ist eine ganzzahlige Zahl in einem normali sierten Koordinatensystem. Ist der Gitterschatten ent sprechend der UV-Achse (des Gitterbildes) auf der Pupille fehlausgerichtet mit der Wellenfront X-, Y-Achse, so wird ein Fehler in das Interferenzstreifenmuster eingeführt.

Wo das Gitter parallel zur X-Achse genau ausgerichtet ist mit der Achse, stimmt die Mittelrasterlinie, Interferenz streifenzahl Null, mit der X-Achse überein, und wo die Y-Achse des Gitters genau ausgerichtet ist, mit der Achse stimmt die Mittelrasterlinie mit der Y-Achse überein. Da her werden die obigen Gleichungen:

dW(X,Y)/dX = 0, und
dW(X,Y)/dY = 0.

Wenn die Mittelinie oder das Rasterelement nicht mit der Achse übereinstimmt, tritt ein wesentlicher Fehler beim Bestimmen der Serienkoeffizienten unter Verwendung der obigen Beziehungen auf. Nicht nur ist die Mittellinien berechnung falsch, sondern alle Koeffizienten in den Se rien sind betroffen. Die Ausrichtung steuert die Genauig keit des Verfahrens. Jeder Fehler, der an diesem Punkt eingeführt würde, würde die effektive Verwendung der Technik verhindern, da solche Fehler zu einem inkorrekten Wert, oder zur Maskierung Verdecken der Oberflächeneigen schaften führen.

In der Praxis ist, obwohl das Gitter mit extremer Ge nauigkeit in der Größenordnung eines Bruchteils eines Mikrometers hergestellt ist, wäre es nicht praktikabel, ein Gitter exakt mit den X- und Y-Achsen auszurichten. Zum Beseitigen dieses Fehlausrichtungsproblems verwendet die vorliegende Erfindung aufeinanderfolgende Interferenz streifen und subtrahiert benachbarte Interfe renzstreifen entlang einer axialen Richtung voneinander, bei einem gemeinsamen Wert für die andere Achse. Zum Bei spiel werden Interferenz streifen entlang der X-Achse von einander subtrahiert bei gemeinsamen Y-Achsenwerten und dann werden die Y-Achseninterferenzstreifen bei gemeinsa men X-Achsenwerten subtrahiert. Die Interferenzstreifen subtraktion wird erreicht durch Subtrahieren des n-1 Interferenzstreifens von dem n Interferenzstreifen. Daher wird die Interferenzstreifenzahl 2 subtrahiert von der Interferenzstreifenzahl 3, Zahl 1 von Zahl 2, Zahl -2 von Zahl -1 usw., abhängig von der Zahl der beobachteten Interferenzstreifen. Wenn die Periodizität des Gitters sehr gleichmäßig über das Gitter hergestellt ist, vermei det dieser Vorgang Fehler in der Erzeugung der Interferenzstreifenzahl n.

Die Gitterinterferensstreifen, die erzeugt werden durch Hindurchgehen des Lichtstrahls 26 durch das Gitter 14 werden dann digitalisiert an einer Serie von gemeinsamen Achswerten. In dem vorliegenden beispielhaften Ausfüh rungsbeispiel werden die Interferenzstreifen erst digi talisiert durch Digitalisierung jedes Interferenzstrei fens parallel zur Y-Achse, und zwar von links nach rechts im Gesichtsfeld und dann durch Digitalisieren der Inter ferenzstreifen parallel zur X-Achse, und zwar von unten nach oben.

Jedoch wird der Fachmann bemerken, daß anderen Digitali sierungsmustern gefolgt werden können unter der Voraus setzung, daß die Gesamtbeziehung der Information beibe halten wird.

Die Interferenz streifen werden in der oben beschriebenen Art und Weise digitalisiert, zuerst an einer Serie von gemeinsamen Y-Achswerten und dann gemeinsamen X-Achswer ten. In dem vorliegenden Beispiel werden vier solcher Werte auf einer normalisierten Skala ausgesucht, wobei die aus gesuchten Werte durch im wesentlichen gleiche In tervalle getrennt sind, hier 0.96, 0.72, 0.48, 0.24, und die X-Achse (0). In der Praxis kann der Digitali sierungsfehler in den Y-Werten reduziert werden auf ein Spitzen-zu-Tal-Verhältnis (P-V) von ungefähr 0.006 (für die Wellenlänge von Interesse) mit einem mittleren Fehler von ungefähr 0.0035 für die normalisierten Koordinaten. Mit einem arithmetischen Mittelwert für Y_m können wir für die Interferenzstreifenwerte lösen unter Verwendung des folgenden Ausdrucks:

Wo der Ausdruck B₂₀ leicht bekannt ist, von dem Ronchi-Gramm und die eingeklammerten Ausdrücke [Y_m B_nm] ver schwinden durch Substraktion, um den folgenden Ausdruck zu erhalten:

Dann wird für ein Gitter parallel zur X-Achse der obige Ausdruck:

Die fehlenden Ausdrücke, die gelöst werden beim Analy sieren von einer optischen Oberfläche werden:

wobei der Ausdruck B₂₀ direkt bestimmt wird von dem Ron chi-Gramm. Durch Verwendung von zwei Ronchi-Grammen in den X- und Y-axialen Richtungen kann der gesamte Satz von Koeffizienten leicht bestimmt werden.

Der Fachmann wird leicht erkennen, daß unter Vorgabe der obigen Gleichungen und Information erzeugt durch Beob achtungen der Gittermusterinterferenzstreifen die Koef fizienten gelöst werden können unter Verwendung von be kannten algebraischen Techniken, wie zum Beispiel der Fehlerquadratmethode und multilinearen Regression. Wenn eine Serie von fünf Datenpunkten entlang jeder der X- und Y-Achsen, wie oben beschrieben, verwendet werden, wird aus den Gleichungen 7 und 8 eine Serie von Gleichungen, die beginnt mit:

1 - 2B₂₀(x_-1 - x_-2) = . . . , 1 - 2B₂₀ (x₀ - x_-1) = . . .
1 - 2B₂₀(x₁ - x₀) = . . . , 1 - 2B₂₀(x₂ - x₁) = . . .
1 - 2B₂₀(x₃ - x₂) = . . . , beim Lösen für x, und

1 - 2B₂₀(y_-1 - y_-2) = . . . , 1 - 2B₂₀(y₀ - y_-1) = . . .
1 - 2B₂₀(y₁ - y₀) = . . . , 1 - 2B₂₀(y₂ - y₁) = . . .
1 - 2B₂₀(y₃ - y₂) = . . . , beim Lösen für y.

Diese Beziehungen werden dann gelöst unter Verwendung von bekannten mathematischen Techniken zum Ableiten der un bekannten Koeffizienten. Sobald die Monom-Serien koeffizienten bekannt sind, werden die Zernike-Koeffi zienten erhalten, aus denen dann die Oberflächenkonturen oder -eigenschaften errechnet werden. Unter Vorgabe der Monom-Serienkoeffizienten wird die Übersetzung in Zer nike-Koeffizienten in der Tabelle I unten vorgesehen.

Tabelle I

wobei die ungeradzahligen Zernike-Ausdrücke im allgemei nen bekannt sind als die "Koma"-Ausdrücke und die gerad zahligen Zernicke-Ausdrücke im allgemeinen bekannt sind als die "Astigmatismus"-Ausdrücke.

Zur Erläuterung der Arbeitsweise der vorliegenden Er findung wird nun auf die Interferenzstreifenmuster gemäß den Fig. 3 und 4 Bezug genommen. Zum Erhalten des Inter ferenzstreifenmusters gemäß Fig. 3 wird eine im we sentlichen perfekte Spiegeloberfläche, innerhalb der Ge nauigkeit des Systems, verwendet und nur ein im we sentlichen quadratisches Interferenzstreifenmuster wird beobachtet. Das Gitterindex oder Rastermuster zum Er zeugen dieses Interferenzstreifenmusters ist in Fig. 2 gezeigt.

Das Beispiel der Fig. 2 dient dem Zwecke der Darstellung und repräsentiert einen vergrößerten Teil eines nahezu perfekten Kreuzrastermusters. Ein Raster mit einer Perio dizität von 0,333 mm würde ungefähr 76 Interferenzstrei fenlinien in jener Richtung vorsehen, und zwar in einer Größe von einem Quadratinch. Die Linien sind mit den an gemessenen Indexzahlen bezeichnet, wie sie es zum Zwecke der Ausrichtung und Digitalisierung wären. Dieses Raster muster wird gehalten (preserviert) in dem Zusammenwirken von reflektiertem Licht von einer im wesentlichen idealen Spiegeloberfläche, abhängig von den Brechungseffekten die die dunklen Bereiche innerhalb der Rasteröffnungen erzeugen.

Wenn der Spiegel 12 sphärische Aberrationen besitzt, zum Beispiel ein parabolischer Spiegel, dann wird ein Muster gemäß Fig. 4 erzeugt und beobachtet. Das Bild gemäß Fig. 4 sieht gekrümmte Interferenzstreifenlinien vor, obwohl das gleiche quadratische Raster der Fig. 2 verwendet wird. Die Spiegeldefekte haben bewirkt, daß das pro jizierte Rastermuster versetzt wird relativ zu den axia len Positionen. Dieser Grad der Versetzung sieht die In formation vor, die gebraucht wird zum Rekonstruieren der Spiegeloberflächendefekte, die benötigt werden zum Erzeu gen dieses Musters aus dem bekannten Gitterraster.

Es ist für den Fachmann offensichtlich, daß, wenn der Spiegel 12 zusätzliche oder unterschiedlichere Oberflä chendefekte aufweist, das Interferenzstreifenmuster zu sätzlich Krümmung und Verwerfung der beobachteten Inter ferenzstreifenmuster aufweist. Das vergrößerte symme trisch gekrümmte Rastermuster der Fig. 4 dient nur dem Zwecke der Darstellung und wird erreicht unter Verwendung von simplen, großen Oberflächendefekten. Für hochgenaue Spiegeloberflächenanalyse einer Vielzahl von kleineren Oberflächendefekten wäre die Anzahl der analysierten In terferenzstreifenlinien oder Datenpunkte viel größer und mehrere Verschiebungen oder Krümmungen in verschiedene, nicht-symmetrische Richtungen können über das Raster be obachtet werden für komplexe Fehler-(Defekt) Muster.

Die beispielhaften 76 Interferenzstreifenlinien pro inch Gitter, wie oben beschrieben, sehen eine große Menge ei nes zu beobachtenden Details vor. Es ist leicht zu sehen, daß sowohl ein hoher Genauigkeitsgrad als auch eine Sichtbarkeit der Darstellung erhalten wird für Oberflä chenfehler, und zwar bei der Verwendung der vorliegenden erfindungsgemäßen Technik.

Wo dies wünschenswert ist, können eine oder mehrere Transfer- oder Null-Linsen 28 entlang der Beobachtungs achse 16 eingesetzt werden, und zwar zwischen dem Be obachtungselement 18 und dem Reflektor 24 zum Verbessern des Bildes oder Verlängern des Beobachtungsweges.

Während die oben gegebene Beschreibung die Vorteile der vorliegenden Erfindung offenbart, kann eine weitere Ver besserung gemacht werden durch Automatisieren oder elek tronisches Steuern eines Teils des Ausrichtungsvorgangs. Fig. 6 illustriert eine Anwendung eines Computers oder einer elektronischen Steuerung auf den Oberflächenana lysevorgang, und die Fig. 7a, 7b, 8a, 8b, 9a, 9b und 9c zeigen digitale Oberflächenkarten, die aus solchen Vor gängen resultieren.

In Fig. 6 ist eine elektronisch gesteuerte oder steuerba re Oberflächenkartographiervorrichtung 50 gezeigt, in der der Spiegel 12 wieder getestet und eingestellt wird unter Verwendung einer Lichtquelle 20 zum Vorsehen des Ein gangsstrahls 22 von dem Reflektor 24 und dem Spiegel 12. Das Licht 26 wird reflektiert von dem Spiegel 12, geht durch das Gitter 14 und wird durch eine Abbildvorrichtung 52 beobachtet. Die Einrichtung 52 ist eine elektronische Abbildungseinrichtung oder -system, wie zum Beispiel eine ladungsgekoppelte Kamera, ist aber nicht hierauf be schränkt. Die Abbildungseinrichtung 52 sieht als ein elektronisches Signal, ein Ausgangssignal vor, das eine digitalisierte Version des beobachteten Interferenzstrei fenmusters repräsentiert. Das heißt, das Ausgangssignal kartographiert das Auftreten von hellen und dunklen Be reichen in dem Interferenzstreifenmuster in eine digitale Darstellung von Hell und Dunkel, oder Nullen und Einsen. Diese Information wird wiederum durch einen Datenbus, Ka bel oder Verbinder zu einem Vorgangssteuerer oder einer Digitalanalysevorrichtung 54 übertragen.

Die Kamera 52 ist typischerweise angebracht auf einem be wegbaren Betätiger oder Positionstranslationselement 60, welches wiederum auf einem Tragelement 62 angeordnet ist. Der Translator 60 kann eine von vielen bekannten elektro mechanischen Einrichtungen, wie zum Beispiel einen Schrittmotor oder ein Elektromagnet (Solenoid) sein, das unter Verwendung eines Eingangssteuersignals betätigt werden kann. Der Translator 60 stellt die Position der Abbildungseinrichtung 60 relativ zu anderen Teilen der Vorrichtung 50 ein, wo dies angemessen ist, wie zum Bei spiel zum Aufnehmen sowohl einer Ausrichtung als auch ei nes Oberflächentestvorgangs, wie dies oben beschrieben ist.

Der Träger 62 ist ein relativ fester Bezugsrahmen für die Bauteile der Testvorrichtung 50 und kann eine Einrichtung sein, wie zum Beispiel eine optische Bank oder eine spe ziell ausgerichtete Tragschienenanordnung. Dem Fachmann sind diese Arten von Einrichtungen bekannt. Die Linsenan ordnung 28 ist auch auf einem Positionstranslator 64 an geordnet, und zwar zur benötigten Feineinstellung der Re lativposition.

Das Kreuzrastergitter 14 ist gesichert an einem Posi tionstranslator 66 und der Spiegel 12 ist angeordnet auf einem Horizontalpositionstranslator 68. Der Translator 68 wird im allgemeinen als eine bewegbare Tragplattform für eine Vertikalpositiontranslationsanordnung 70 mit einem vertikalen Tragelement 72 mit einem oder mehreren verti kalen Translatoren 74, die sich entlang des Tragelements 72 bewegen. Der Spiegel 12 ist gesichert an dem Transla tor 74 durch Elemente, wie zum Beispiel Befestigungspfo sten 76, die weiterhin individuell bewegbare Betätiger oder Rotationselemente verwenden können, und zwar zum un abhängigen Bewegen von unterschiedlichen Teilen des Spie gels 12 zur Ausrichtung. Der Fachmann erkennt, daß diese Übersetzungs- oder Translationsbauteile nur als Darstel lung der Einrichtungen dienen, die als nützlich befunden wurden zum Erreichen der Arbeitsweise der Erfindung, und daß es andere, oft komplexere Betätiger und Mehrfach- Freiheitsachsen-Anbringungssysteme (multiple-axis-of-freedon mounting systems) sein können, die in der Kon struktion der Erfindung nützlich sein können. Es ist nur nötig, daß Positionsübersetzungseinrichtungen verwendet werden, die leicht steuerbar sind durch die Anwendung von Steuersignalen, die leistungs- oder impulsbreitenein stellbare oder digitale Befehle umfassen.

Jeder der Positionsübersetzungstreiber oder -betätiger ist typischerweise verbunden zum Empfangen von Positions korrektursignalen oder -befehlen entlang eines Signalbus ses. Dieser Bus kann auch einen Zwei-Richtungs (bi-direk tionalen) Datenkanal repräsentieren, der etwas Positions information an den Vorgangssteuerer 54, und zwar den un terschiedlichen Bauteilen, wie zum Beispiel durch Wider stands- oder elektromechanische Sensoren usw. Die Positi onsübersetzer 60, 64, 66, 68 und 70 sind gezeigt verbun den mit dem Prozessor 54, durch die Befehlsignalleitungen 80, 84, 86, 88 bzw. 90.

Der Vorgangssteuerer repräsentiert eine der vielen be kannten Einrichtungen zum Bewirken der Steuerung von Mo toren und ähnlichen Betätigern durch Ausgeben von Be fehlssignalen. Die Signale können analoge oder digitale Steuersignale sein, abhängig von der Art des verwendeten Übersetzers oder Betätigers. Ein beispielhafter Vorgangs steuerer 54 weist einen digitalen Computer auf mit inter ner Speicherung (memory) zum Speichern von vorbestimm ten Steuerprogrammen, die ansprechen auf empfangene Bild daten und das Einstellen der Position des Spiegels, wenn dies benötigt ist, vorsehen.

Außerdem empfängt und analysiert der Computer die digita lisierten Interferenzstreifenliniendaten, die eingerahmt und gegriffen wurden durch die CCD-Kamera und dann digi talisiert werden. Dies wird erreicht durch elektronisches Abtasten der digitalisierten Daten in vorbestimmten Mu stern, d. h. von links nach rechts, von unten nach oben, usw., und zwar zum Bestimmen der Stellung der Interfe renzstreifenlinien. Die Linien werden durch unterschied liche Defekte versetzt, aber sie werden alle verwendet zum Erzeugen der angemessenen Interferenzstreifenindex zahl mit Anwendung von einer oder mehreren analytischen Techniken, zum Erzeugen der Monom-Serienkoeffizienten, wie oben diskutiert wurden. Der Computer führt auch die benachbarte Interferenzstreifensubtraktion als ein Teil dieser Analyse der Interferenzstreifenlinien durch, und zwar entsprechend dem oben offenbarten Vorgang.

Der Computer bestimmt die Monom-Koeffizienten und leitet dann die entsprechenden Zernike-Koeffizienten ab. Bei der Verwendung der Zernike-Koeffizienten wird eine Wellen front und somit Oberflächenkonturkarte für den Spiegel erzeugt. Beispielhafte Oberflächenkonturen, entwickelt unter Verwendung dieser Technik, sind in den Profilen der Fig. 7, 8 und 9 dargestellt. Videoanzeigelemente 56 kön nen verwendet werden zum Durchführen von zwei- oder drei dimensionalen Anzeigen der Wellenfrontkontur, wo dies er wünscht ist oder die Kontur kann gedruckt oder abgebildet werden auf einem transportierbaren Medium unter Verwen dung eines Druckers.

Der Computer 54 kann auch eine Speicherung (memory) oder Speicherelemente 58 zum Speichern der Bilddaten oder zum Zusammenstellen von Matrizen und bekannten Bildauswahl kriterien zum Bestimmen der Zahl der vorhandenen Interfe renzstreifenlinien in einem empfangenen Bild verwenden. Zur selben Zeit können menschliche Betätigungssignale durch Eingangslinien oder Leitungen 92 empfangen werden zum Helfen des Auswählens oder Steuern des Betriebs des Vorgangs oder zum Auswählen oder Implementieren von Be triebsprogrammen.

Im allgemeinen wird ein Testspiegel mit bekannten Eigen schaften verwendet, um zuerst das System 50 zu bestätigen und zu eichen. Sobald die anfängliche Konfiguration der Vorrichtung bestätigt ist, wird ein Spiegel einer un bekannten Oberflächenqualität oder mit unbekannten Ober flächeneigenschaften an den Befestigungspfosten 76 ange ordnet und ausgerichtet mit der Beobachtungsachse der Ab bildungseinrichtung 52. Während des Vorganges kann ein Bild auf den Videoschirm 56 sowie dem Steuerer 54 darge stellt werden. Die digitalisierten Bilddaten werden ver wendet zur Bestimmung des Vorhandenseins der Interfe renzstreifenlinien und der Steuerer 54 gibt Übersetzungs befehle an die Betätiger 68 und 70 zum Wiederausrichten des Spiegels, wo dies erwünscht ist. Der Spiegel kann auch relativ zu der Beobachtungsachse 16 geneigt werden unter Verwendung der angemessenen Übersetzer oder Betäti ger, die in Serie mit dem Befestigungspfosten 76 angeord net sind. Diese Art System ist hocheffizient für große Spiegel, da es die Oberflächenkonturen und Schnittpunkte für mehrere Messungen sehr schnell errechnen kann.

Bei der Verwendung des in Fig. 2 gezeigten quadratischen Rasters wurde ein eine gute Qualität aufweisender Spiegel getestet. Das erhaltene Interferenzstreifenmuster wurde analysiert unter Verwendung von "klassischen" Techniken wie in Gleichungen 4 und 5 und der neuen Subtraktions technik wie in Gleichungen 7 und 8. Die resultierenden Zernike-Koeffizienten sind in der Tabelle II aufgelistet und sehen die zwei-dimensionalen Oberflächenkonturkarten oder Darstellungen, die in den Fig. 7a, bzw. 7b gezeigt sind, vor.

Die Zernike-Koeffizienten, die während dieser Analyse er zeugt wurden, wurden gelöst für eine äquivalente Wellen länge von 1,66 Mikrometer. Die Wirkung des Achsenaus richtungsfehlers ist in Fig. 7a gezeigt, wo er asymme trische Aberrationen beeinflußt, wie zum Beispiel die ungradzahligen Koeffizienten, die Koma repräsentieren und die geradzahligen Koeffizienten, die Astigmatismus reprä sentieren. Wenn das Subtraktionsverfahren der Erfindung verwendet wird, ist die resultierende zwei-dimensionale Konturenkarte, die der Fig. 7b, wo Fehlausrichtungsfehler beseitigt werden und die asymmetrischen Aberrationen ver ringert werden. Die korrigierte Analyse zeigt eine fast perfekte sphärische Spiegeloberfläche.

Wenn dieselbe Technik, klassische gegen Subtraktion aus einen parabolischen Spiegel angewandt wurde, resultierten die resultierende Oberflächenrekonstruktion in den zwei dimensionalen Karten gemäß den Fig. 8a bzw. 8b. In dieser Konfiguration waren die "Transparenten" oder "klaren" Schachbrettmuster ausgerichtet mit der Achse im Gegensatz zum Ausrichten der dunklen Rasterlinien. Eine ähnliche fehlerhafte Analyse tritt auf für Fehlausrichtung in Fig. 8a, während dieser Fehler in der Fig. 8b verschwindet. Wieder werden die Zernike-Koeffizienten in Tabelle II un ten aufgelistet, zusammen mit dazugehörigen RMS und Spit zen-zu-Tal-Werten.

Tabelle II

Um weiter den Betrieb der Erfindung darzustellen, wurde der parabolische Spiegel, der für die Oberflächenkon turanalyse der Fig. 8a und 8b verwendet wurde, auch ver wendet zum Erzeugen einer Serie von drei-dimensionalen Oberflächenkonturdrucken für eine äquivalente Wellenlänge von 1,66 µm. Diese drei-dimensionalen Drucke wurden er zeugt unter Verwendung von unterschiedlichen Werten für den Bezugskrümmungsradiuswert für den R20 Zernike-Koeffi zienten und sie sind dargestellt in den Fig. 9a, 9b und 9c. In diesen Figuren wurde der Krümmungsradius verändert durch Defokussieren von 0 bis 0,4 und 1,4. Das Resultat ist eine Bezugssphäre, die nahezu der Krümmung einer Pa rabel gleicht, wobei eine die Parabel an ihren Mitpunkt ihrer Höhe berührt bzw. eine die Parabel an ihrem Eck punkt berührt. Die Werte von R20 zusammen mit assoziier ten P-V- und RMS-Werten sind dargestellt in der Tabelle III. Die Drucke zeigen eine größere Perspektive der zwei dimensionalen Karte, dargestellt in Fig. 7b.

Tabelle III

Was beschrieben wurde, ist eine neue Technik zum Testen von Spiegeln, welche sehr genaues Kartographien von ver schiedenen Oberflächendefekten und -konturen an einer Vielzahl von Spiegelgeometrien vorsieht, und die sehr ef fizient und wirtschaftlich durchzusetzen ist. Diese Tech nik reagiert auch nicht besonders sensibel auf Vi brationen (kein Dämpfer wird gebraucht) und kann größere Oberflächenverformungen sehen, wie sie mit interfero metrischen Techniken zu beobachten sind.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor. Eine Vorrichtung und ein Verfahren sind offenbart zum Charak terisieren der Oberfläche von Spiegeln, in der ein kreuz rasterartiges Phasengitter von hinten durch Licht reflek tiert von dem Spiegel beleuchtet wird, um ein ra sterartiges Interferenzmuster zu erzeugen, wenn entlang einer Beobachtungsachse beobachtet wird. Die Interfe renzstreifenlinien in dem erzeugten oder beobachteten In terferenzmuster werden in Übereinstimmung mit dem Gitter gebracht und auf relative Versetzung von der Gitterachse beobachtet. Interferenzstreifenindexzahlen für die Interferenzstreifenlinien werden verwendet zum Bestimmen von Koeffizienten für eine Vielzahl von Monom-Serien, die wiederum verwendet werden zum Ableiten von Zernike-Koef fizienten, aus denen eine Wellenfrontkontur erhalten wird. Um Ausrichtungsfehler während der Analyse zu redu zieren, wird jede Interferenzstreifenlinie subtrahiert von der Linie der nächst niedrigeren Ordnung, und zwar bevor die Monomkoeffizienten bestimmt werden. In weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung wird das Interferenzstreifenmuster übertragen unter Verwendung ei ner oder mehrerer Linsen, und zwar an einen Bilddigitali sierer, wie zum Beispiel eine CCD-Kamera, die gekoppelt ist mit einer digitalen Berechnungseinrichtung, die die beobachteten Interferenz streifen analysiert und die Seri enkoeffizienten berechnet, und dann diese in Zernike-Ko effizientenwerte übersetzt, die verwendet werden durch die Spiegeloberflächenkonturen zu rekonstruieren.

Claims

1. Ein Verfahren zum Messen der optischen Oberflächen eigenschaften eines Spiegels, das folgende Schritte aufweist:
Reflektieren von eingestrahltem Licht mit vorgewählter Frequenz von einer Oberfläche des Spiegels, für die die optischen Eigenschaften entlang einer Beobachtungsachse bestimmt werden sollen;
Übertragen des reflektierten Lichts durch ein kreuz rasterartiges Ronchi-Gitter einer vorgewählten und im wesentlichen gleichförmigen Periodizität, das entlang der Beobachtungsachse angeordnet ist, um ein rasterartiges Interferenzstreifenmuster zu erzeugen;
Abtasten des Interferenzstreifenmuster an vorbe stimmten Koordinatenstellen;
Bilden einer Differenz zwischen benachbarten Interferenzstreifenlinien; und
Bestimmen einer relativen Interferenzstreifenzahl für jede Interferenzstreifenlinie in dem Muster; und
Erzeugen von Zernike-Koeffizienten für das Interferenzstreifenmuster.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte des Reflektierens und Übertragens die folgenden Schritte aufweisen:
Positionieren eines lichtreflektierenden Elements transversal zu der Beobachtungsachse zwischen dem Spiegel und dem Gitter, wobei das Reflexionselement mindestens eine optische Oberfläche besitzt, die das Licht reflektiert und die so angeordnet ist, daß sie das Licht gegen die Spiegeloberfläche reflektiert und im wesentlichen durchlässig ist für Licht, re flektiert von dem Spiegel; und
Beleuchten des Reflexionselements von einer Seite, die dem Spiegel zugerichtet ist, und zwar mit einem Lichtstrahl.

3. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Abtastens weiterhin den Schritt des Übertragens eines Bildes an ein Digitaiisierungselement und Digitalisieren des Interferenzstreifenmusters auf weist.

4. Das Verfahren nach Anspruch 3 weist weiterhin die folgenden Schritte auf:
Schätzen der Interferenzstreifenzahl an einer Viel zahl von Koordinatenstellen entlang einer Serie von gemeinsamen horizontalen und dann gemeinsamen ver tikalen Positionen unter Verwendung einer Monom-Serie zum Repräsentieren der Interferensstreifenzahl an jeder Position;
Lösen der Serienkoeffizienten unter Verwendung einer erzeugten Vielzahl der Serien; und
Bestimmen der Zernike-Koeffizienten, die den Serien koeffizienten entsprechen.

5. Das Verfahren nach Anspruch 4 weist weiterhin Bilden einer Differenz zwischen Monom-Serien benachbarter Interferenzstreifenlinien vor dem Lösen für eine re lative Interferenzstreifenzahl auf.

6. Das Verfahren nach Anspruch 5 weist weiterhin die Verwendung der Zernike-Koeffizienten zum Rekonstruieren der Spieloberflächeneigenschaften auf.

7. Das Verfahren nach Anspruch 5 weist weiterhin die Verwendung eines digitalen Berechnungsmittels zum Schätzen der Interferenzstreifenzahl und Bestimmen der Zernike-Koeffizienten auf.

8. Das Verfahren nach Anspruch 7 weist weiterhin den Schritt des Erzeugens einer digitalen Darstellung der Spiegeloberfläche auf.

9. Das Verfahren nach Anspruch 3 umfaßt weiterhin die folgenden Schritte:
Digitalisieren der beobachteten Interferenzstreifen in einer ladungsgekoppelten Kamera;
elektronisches Abtasten der digitalisierten Interfe renzstreifen; und
Schätzen der Interferenzstreifenzahl an einer Viel zahl von Koordinaten entlang einer Serie von gemein samen horizontalen und dann gemeinsamen vertikalen Positionen unter Verwendung einer Monom-Serie zum Repräsentieren der Interferenzstreifenzahl einer jeden Position;
Lösen der Serienkoeffizienten unter Verwendung einer erzeugten Vielzahl der Serien; und
Bestimmen der Zernike-Koeffizienten, die den Serien koeffizienten entsprechen.

10. Das Verfahren nach Anspruch 9 weist weiterhin den Schritt des Berechnens jedes der Koeffizienten in einem digitalen Berechnungsmittel auf.

11. Eine Vorrichtung zum Bestimmen der optischen Oberflächeneigenschaften von Spiegeln, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
ein rasterartiges Ronchi-Gitter mit vorbestimmter und im wesentlichen gleichförmiger Periodizität, an geordnet entlang einer vorbestimmten Beobachtungsachse relativ zur reflektierenden Oberfläche des Spiegels; Projiziermittel zum Projizieren eines Lichtstrahls auf die reflektierende Oberfläche des Spiegels und durch Reflexion auf das Gitter, um ein Interferenz streifen- oder Fransenmuster zwischen dem reflek tieren Licht und dem Gitter zu erzeugen;
Abtastmittel zum Abtasten des Interferenzstreifen musters an vorbestimmten Koordinatenstellen zum Be stimmen einer relativen Interferenzstreifenzahl für jede Interferenzstreifenlinie in dem Muster;
Subtraktionsmittel zum Bilden einer Differenz zwischen benachbarten Interferenzstreifenlinien; und
Übersetzungsmittel zum Berechnen der Zernike-Koef fizienten für das Interferenzstreifenmuster.

12. Die Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Projiziermittel folgendes aufweisen:
einen Laser, der mit einer vorbestimmten Frequenz als eine optische Lichtquelle arbeitet, und
ein Lichtreflexionselement, angeordnet transversal zu der Beobachtungsachse, das mindestens eine optische Oberfläche besitzt, die das Laserlicht reflektiert, und zwar so angeordnet, daß sie Licht gegen die Spiegeloberfläche reflektiert und die im wesentlichen durchlässig ist für reflektiertes Licht von dem Spiegel.

13. Die Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei Abtastmittel weiterhin ein Bilddigitalisierungelement aufweisen.

14. Die Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei Abtastmittel weiterhin folgendes aufweisen:
Schätzmittel zum Schätzen der Interferenzstreifen zahl für jede Interferenzstreifenlinie an einer Vielzahl von Koordinatenstellen entlang einer Serie von gemeinsamen horizontalen und dann gemeinsamen vertikalen Positionen, unter Verwendung einer Monom-Serie zum Repräsentieren der Interferenzstreifenzahl an jeder Position;
Koeffizientenerzeugungsmittel zum Bestimmen der Se rie unter Verwendung einer erzeugten Vielzahl der Serien.

15. Die Vorrichtung nach Anspruch 14, die weiterhin Subtraktionsmittel zum Bilden einer Differenz zwischen Monom-Serien, benachbarter Interferenzstreifenlinien vor dem Schätzen der relativen Interferenzstreifenzahl aufweist.

16. Die Vorrichtung nach Anspruch 15, die digitale Berechnungsmittel zum Erzeugen der Interferenzstreifenzahl und der Zernike-Koeffizienten aufweist.

17. Die Vorrichtung nach Anspruch 16 weist weiterhin fol gendes auf:
Abtastmittel zum Digitalisieren der beobachteten In terferenzstreifen; und die Berechnungsmittel weisen folgendes auf:
Indexierungsmittel zum Berechnen der Interferenz streifenzahl an einer Vielzahl von Kooordinaten stellen entlang einer Serie von gemeinsamen horizon talen und dann gemeinsamen vertikalen Positionen un ter Verwendung einer Monom-Serie zum Repräsentieren der Interferenzstreifenzahl an jeder Position; und
Koeffizientenmittel zum Lösen der Serienkoeffizien ten unter Verwendung einer erzeugten Vielzahl der Serien.

18. Die Vorrichtung nach Anspruch 17, die weiterhin Dar stellungsmittel zum Bilden einer visuellen Dar stellung der Spiegeloberfläche aus der Zernike-Koef fizienteninformation aufweist.