WO1991012502A1

WO1991012502A1 - Wellenfrontsensor

Info

Publication number: WO1991012502A1
Application number: PCT/EP1991/000194
Authority: WO
Inventors: Bernhard Braunecker; Bernhard GÄCHTER; André +di HUISER
Original assignee: Leica Heerbrugg Ag; Huiser-Simonin, Christiane +Hf
Priority date: 1990-02-07
Filing date: 1991-02-02
Publication date: 1991-08-22
Also published as: DE4003698C2; DE4003698A1; DE59104981D1; JP2744131B2; US5294971A; EP0466881B1; JPH04506573A; EP0466881A1

Abstract

Wellenfrontsensor mit einem fokussierenden optischen System (1), einer Lochblende (2) mit einer Mehrzahl gleichzeitig im Strahlengang (3) befindlicher Löcher (21) in codierter Anordnung, insbesondere nach zyklischem Hadamard-Code, einer Einrichtung (22) zur Fortschaltung der Lochblende (2), so dass nacheinander eine Vielzahl verschiedener codierter Anordnungen von Löchern (21) im Strahlengang (3) liegen und insgesamt der ganze Querschnitt des Strahlengangs (3) mehrfach mit verschiedenen codierten Anordnungen von Löchern (21) abgestastet wird, einem nahe der Fokusebene (4) des optischen Systems (1) angeordneten ortsauflösenden Lichtdetektor (41), insbesondere einem Lateraldetektor mit Ortsauflösung im nm-Bereich, der jeweils Lage und Intensität des Lichtflecks (33) bestimmt, der aus der Überlagerung der von den Löchern (21) erzeugten Mehrzahl von Strahlenbündeln (32) resultiert, und einer Speicher- und Recheneinheit (5), welche die vom Lichtdetektor (41) bestimmten Lage- und Intensitätswerte unter Verwendung des Codes der Anordnung der Löcher (21) rücktransformiert zu Phase und Amplitude der Wellenfront.

Description

H e 1 1 e n f r o n t s e n s o r

Die Erfindung betrifft einen Wellenfrontsensor.

Bekannte Wellenfrontsensoren arbeiten mit Interferometrie oder Ho- lografie. Diese sind empfindl ch gegen Umwelteinflüsse wie Tempe¬ raturänderungen.

Die Objektivprüfung nach Hartmann, bekannt z.B. aus DE 33 18 293 AI, tastet mit einem oder mehreren Strahlen, die durch eine beweg¬ liche Lochblende mit einem oder mehreren Löchern ausgeblendet wer- den, die Objektivöffnung ab und verwendet einen ortsempfindlichen Detektor, insbesondere einen fotografischen Firn, der vor oder hin¬ ter der Fokusebene angeordnet ist. Im Falle mehrerer Löcher (DE 33 18 293 AI) ist vorgesehen, den Detektor so anzuordnen und auszubilden, daß die Signale zu den einzelnen Löchern getrennt aufgenommen werden.

In D. Malacara, Optical Shop Testing, Kap. 10 I. Ghozeil, Hartmann and Other Screen Tests, pp. 323 ff, Wiley New York 1978, ist der Hartmann-Test in Varianten und auch die Auswertetheorie beschrieben. Optische Multiplexverfahren mit Code-Matrizen nach Hadamard sind in M. Hewitt, N.J.A. Sloane, Hadamard Transform Optics, Academic Press New York, 1979 für Spektrometer und Bildanalysesysteme be¬ schrieben. Damit kann eine wesentliche Rauschunterdrückung er¬ reicht werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines effizienten und robusten rauscharmen Wellenfrontsensors mit dem Amplitude und Phase der Wellenfront bestimmt werden können. Daraus kann dann auch das Fernfeld der Welle bestimmt werden.

Dies wird gelöst durch einen Wellenfrontsensor mit einem fokus¬ sierenden optischen System, einer Lochblende mit einer Mehrzahl gleichzeitig im Strahlengang befindlicher Löcher in codierter An¬ ordnung, einer Einrichtung zur Fortschaltung der Lochblende, so daß nacheinander eine Vielzahl verschiedener codierter Anordnungen von Löchern im Strahlengang liegen und insgesamt der ganze Quer¬ schnitt des Strahlengangs mehrfach mit verschiedenen codierten An¬ ordnungen von Löchern abgetastet wird, einem nahe der Fokusebene des optischen Systems angeordneten ortsauflösenden Lichtdetektor, der jeweils Lage und Intensität des Lichtflecks bestimmt, der aus der Überlagerung der von den Löchern erzeugten Mehrzahl von Strah¬ lenbündeln resultiert^ so daß ein Multiplex-Effekt auftritt, und einer Speicher- und Recheneinheit, welche die vom Lichtdetektor bestimm¬ ten Lage- und Intensitätswerte unter Verwendung des Codes der An¬ ordnung der Löcher rücktransformiert zu Phase und Amplitude der Wellenfront.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Un¬ teransprüche 2 bis 13.

_SATZBLATT Die Erfindung wird mit Hilfe der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 schematisch den Gesamtaufbau eines Wellenfrontsensors, Fig. 2 eine Variante mit telezentrischer Optik und rotierender

Scheibe als Träger der Lochblende, Fig. 3 eine Scheibe mit Lochblende nach einem zyklischen

Hadamard-Code mit radialer Lochanordnung, Fig. 4 eine Scheibe mit Lochblenden, die orthogonal codierte

Bereiche bilden.

Der in Fig. 1 dargestellte Wellenfrontsensor enthält ein hoch kor¬ rigiertes fokussierendes optisches System 1, dargestellt als ein¬ fache Sammellinse, eine Lochblende 2, die in dem der Wellenfront 31 entsprechenden parallelen Strahlengang 3 eine Mehrzahl von co¬ diert angeordneten Löchern 21^* aufweist, und in der Fokusebene 4 (Abstand f von der Linsenhauptebene) einen hoch ortsauflösenden Lichtdetektor 41.

Die die Löcher 21 passierenden Strchlenbündel 32 haben ihren realen Fokus abhängig von der Störung der Wellenfront 31 an Orten, die vom idealen Fokus abweichen. Sie überlagern sich jedoch auf dem Detektor 41 zu einem Lichtfleck 33. Der Detektor 41 ist so groß gewählt, daß der gesamte Lichtfleck, der bei Wegnahme der Loch¬ blende 2 entsteht, voll erfaßt werden kann. Damit ergibt sich ein Multiplex-Effekt und die damit verbundene Rauschunterdrückung. Ein geeigneter Detektor 41 ist ein Lateraldetektor Typ SiTEK 2L4 mit 4 x 4 m ^ Detektorfl che und einer Ortsauflösung für den Intensi¬ tätsschwerpunkt des Lichtflecks 33 im Nano eterbereich.

Die Lochblende 2 ist mit einer Einrichtung zur Fortschaltung 22 verbunden, die nacheinander verschieden codierte Anordnungen von Löchern 21 in den Strahlengang 3 bringt. Das wird so oft wiederholt, bis insgesamt der ganze Querschnitt des Strahlengangs 3 mit allen Rasterpunkten mehrfach in Kombina¬ tion mit verschiedenen anderen Rasterpunkten abgetastet i-st.

Der Lichtdetektor 41 und die Einrichtung 22 sind mit einer Spei¬ cher- und Recheneinheit 5 verbunden, welche die vom Lichtdetektor 41 bestimmten Lage- und Intensitätswerte unter Verwendung des Codes der Anordnung der Löcher 21 rücktransformiert zu Phase und Amplitude der Wellenfront.

Als Code ist insbesondere ein zyklischer Hada ard-Code geeignet.

Die Rücktransformation kann so erfolgen, daß mit z. B. aus M. Hewitt, N. J. A. Sloane, a.a.O. bekannten Algorithmen ein "Demultiplex"-Schritt durchgeführt wird, der für jedes Rasterele¬ ment der Lochblende den je einzeln erzeugten Lichtfleck nach Lage und Intensität bestimmt. Damit kann dann nach der aus D. Malacara, I. Ghozeil, a.a.O. bekannten Theorie die Verteilung von Phasen und Am¬ plitude über die Wellenfront bestimmt werden.

Eine Variante zeigt Fig. 2. Zur Vermessung von Wellenfronten 31 großen Durchmessers, z.B. 100 mm, enthält das fokussierende opti¬ sche System 1 eine telezentrische Optik 12, welche den Strahlen¬ gang 3 in ein paralleles Strahlenbündel mit reduziertem Quer¬ schnitt 34 umwandelt, in dem die Lochblende 2 vor einer Sammellin¬ se 11 angeordnet ist. Die Lochblende 2 ist auf einer Scheibe 20 angeordnet, welche durch einen Schrittmotor 221 gedreht wird. Der reduzierte Querschnitt 34 kann z.B. 8 mm Durchmesser haben, der mit einem 8 x 8 Raster mit Löchern 21 von 0,8 mm Durchmesser im Rastermaß 1 mm abgetastet wird.

Zur Bestimmung relativer Deformationen der Wellenfront 31 müssen die Lage des Sensors 41 und die Stabilität der Lochblende nicht ^• besonders gut bekannt sein, da sie ausgemittelt werden. Die ro-

R_SA_TZBLATT tierende Scheibe kann daher gegenüber der Optik schwingungsge¬ dämpft aufgehängt werden, so daß die Ortsauflösung des Lichtdetek¬ tors 41 nicht durch Schwingungen des Scheibenantriebs 22, 221 be¬ einträchtigt wird. Die Anordnung ist auch weitgehend unempfindlich gegen Temperatur- und Druckschwankungen.

Fig. 3a) zeigt einen Detailausschnitt einer Scheibe 20 nach Fig. 3b) mit einer Lochblende 2 nach einem zyklischen Hadamard-Code mit radialer Anordnung der Löcher 21 in acht Codezeilen und mit einer acht Schritt-Periode 202 der Codespalten in radialer Anordnung. Ein Schrittmotor 221 treibt die Scheibe 20 an und hat den gleichen Schrittwinkel von 1,44° wie die Lochblende 2.

Zur Messung wird jeweils um einen solchen Winkelschritt weiterge¬ schaltet.

Fig. 4 zeigt eine alternative Scheibe 20, deren Lochblenden 2 or¬ thogonal mit Löchern 21 codierte Bereiche 203 bilden, welche tan- gential angeordnet sind und nacheinander in den Strahlengang 3 ge¬ dreht werden. Hierbei ist eine symmetrische Verteilung der Abtast¬ punkte über die Wellenfront 31 erreichbar.

Mit einem Wellenfrontsensor wie beschrieben lassen sich innerhalb weniger Sekunden Meßzeit Wellenfronten 31 von bis zu rund 100 mm Durchmesser mit einer Lichtleistung von einzelnen Milliwatt auf einzelne Prozent der Wellenlänge genau vermessen.

Die unvermeidliche Störung der Welle durch das optische System 1 läßt sich korrigieren durch Eichung dieses Einflusses. Dazu ist ein "Verfahren und Anordnung zur Prüfung optischer Systeme oder Komponenten" gemäß der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung (A 2332) der selben Anmelderin geeignet.

Die Lochblende 2 kann auch im konvergenten Strahlengang, z. B. zwischen Linse 11 und Detektor 41 angeordnet werden.

ERSÄTZBLATT Auf mechanisch bewegte Teile kann ganz verzichtet werden, wenn die Lochblende 2 als elektrooptische Verschlußmatrix, z.B. in LCD- Technik, ausgeführt ist.

Abwandlungen der Erfindung sind unter anderem durch unterschied¬ lichste Kombinationen der Merkmale der einzenen Ansprüche möglich.

Claims

A n s p r ü c h e

1. Wellenfrontsensor mit

- einem fokussierenden optischen System (1),

- einer Lochblende (2) mit einer Mehrzahl gleichzeitig im Strah¬ lengang (3) befindlicher Löcher (21) in codierter Anordnung,

- einer Einrichtung (22) zur Fortschaltung der Lochblende (2), so daß nacheinander eine Vielzahl verschiedener codierter Anord¬ nungen von Löchern (21) im Strahlengang (3) liegen und insgesamt der ganze Querschnitt des Strahlengangs (3) mehrfach mit ver¬ schiedenen codierten Anordnungen von Löchern (21) abgetastet wird,

- einem nahe der Fokusebene (4) des optischen Systems (1) angeord¬ neten ortsauflösenden Lichtdetektor (41), der jeweils Lage und Intensität des Lichtflecks (33) bestimmt, der aus der Überlage¬ rung der von den Löchern (21) erzeugten Mehrzahl von Strahlen¬ bündeln (32) resultiert, und

ERS_ATZBLATT - einer Speicher- und Recheneinheit (5), welche die vom Lichtde¬ tektor (41) bestimmten Lage- und Intensitätswerte unter Verwen¬ dung des Codes der Anordnung der Löcher (21) rücktransformiert zu Phase und Amplitude der Wellenfront.

2. Wellenfrontsensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß der Code der Lochblende (2) ein Hadamard-Code ist.

3. Wellenfrontsensor nach Anspruch 2, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t, daß der Code der Lochblende (2) ein zy¬ klischer Hadamard-Code ist.

4. Wellenfrontsensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t, daß die Lochblende (2) auf einer Scheibe (20) angebracht ist und durch das Drehen der Scheibe (20) fortge¬ schaltet wird.

5. Wellenfrontsensor nach Anspruch 3 und 4, d a d u r c h g e- k e n n z e i c h n e t, daß die Löcher (21) radial codiert ange¬ ordnet sind und der Drehantrieb durch einen Schrittmotor (21) er¬ folgt (Fig. 3).

6. Wellenfrontsensor nach Anspruch 2 und 4, d a d u r c h g e- k e n n z e i c h n e t, daß die Löcher (21) in orthogonal codier¬ ten Bereichen (203) angeordnet sind, welche den Durchmesser des Strahlengangs (3) an der Lochblende (2) haben, eine Mehrzahl sol¬ cher Bereiche (203) tangential auf der Scheibe (20) angeordnet ist und die Bereiche (203) nacheinander in den Strahlengang (3) einge¬ schwenkt werden (Fig. 4).

7. Wellenfrontsensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e - k e-n n z e i c h n e t, daß der Lichtdetektor (11) möglichst ge¬ nau in der Fokusebene (4) angeordnet ist.

ER_SATZ_BLATT

8. Wel enfrontsensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t, daß der Lichtdetektor (41) ein Lateral- Detektor mit einer Ortsauflösung im Nano eterbereich ist.

9. Wellenfrontsensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t, daß die Lochblende (2) im parallelen Strahlengang angeordnet ist.

10. Wellenfrontsensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t, daß die Lochblende (2) im konvergenten Strahlengang angeordnet ist.

11. Wellenfrontsensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t, daß die Lochblende (2) vor dem fokus¬ sierenden optischen System (1) angebracht ist (Fig. 1).

12. Wellenfrontsensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t, daß das fokussierende optische System (1) eine telezentrische Optik (12) enthält, welche den Querschnitt der Wellenfront reduziert, und die Lochblende (2) innerhalb des fokussierenden optischen Systems (1) im parallelen Strahlengang mit reduziertem Querschnitt (34) angeordnet ist (Fig. 2).

13. Wellenfrontsensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t, daß die Lochblende (2) als elektroopti- sche Verschlußmatrix ausgeführt ist und die Fortschaltung durch elektronische Ansteuerung erreicht wird.

ER_SATZBLATT