WO2015004263A1 - Verfahren und vorrichtung zur spektrometrischen reflexionsmessung bei sphärischen flächen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur spektrometrischen reflexionsmessung bei sphärischen flächen Download PDF

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WO2015004263A1
WO2015004263A1 PCT/EP2014/064883 EP2014064883W WO2015004263A1 WO 2015004263 A1 WO2015004263 A1 WO 2015004263A1 EP 2014064883 W EP2014064883 W EP 2014064883W WO 2015004263 A1 WO2015004263 A1 WO 2015004263A1
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WO
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axis
spherical surface
rotation
optical component
sample holder
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PCT/EP2014/064883
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Frank EISENKRÄMER
Hans-Martin Heuck
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Leica Microsystems Cms Gmbh
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    • G01N21/9515—Objects of complex shape, e.g. examined with use of a surface follower device

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for the spectrometric reflection measurement on a spherical surface of an optical component, such as a lens, wherein a measurement beam reflected at the spherical surface of the optical component is used for the reflection measurement.
  • reflection measurements reflection properties of the most coated surface of an optical component are to be measured.
  • spectrometers For measuring the reflection properties of surfaces, especially optically active surfaces, spectrometers of various types are used for various applications. In the optical industry, the measurement of the reflection or transmission of optically active surfaces is required to z. B. to determine the properties of glasses and coatings. The measurement results are dependent on the polarization state of the light, the angle of incidence of the measuring beam, the aperture of the measuring beam striking the surface, the nature of the surface (roughness, topography), the nature of the coating and other parameters.
  • the spectrometers are designed for measuring on flat or flat surfaces, as curved or spherical surfaces cause a change in size and possibly a change in the measuring beam and consequently illuminate the detector surface deviating from the reference beam (light beam of the light source without component), resulting in falsifications of the measured value.
  • small Curvature radii creates a strong scattering or collection of the light beam. This can lead to the fact that the light reflected or transmitted by the component is no longer completely detected by the detector. If the optical component to be measured represents a lens, the problems mentioned are more pronounced due to the small radii.
  • suitable means for projecting the light from a light source onto the surface to be measured and a suitable device for collecting the reflected light from the surface and for transporting this light to a detector are used for reflection measurement.
  • the light is usually transported by optical fiber cable to the surface or to the detector.
  • Ulbricht spheres are usually used to compensate for divergent radiation.
  • Such an integrating sphere makes it possible to collect strongly divergent radiation and to measure the power or the total luminous flux without the measurement being distorted by the existing directional characteristic.
  • the two devices mentioned are arranged to transport the light onto the surface and to transport the reflected light to the detector together in a measuring head.
  • This has a defined stop surface through which the distance from the measuring head to the surface is reproducible.
  • the optical fibers used in the measuring head have the disadvantage of producing a measuring beam with a fixed, non-variable aperture.
  • there is a large angle spectrum of the illumination which differs significantly from a desired arrangement with a small angle spectrum.
  • light emission (to the surface to be measured) and light entry (to the measuring detector) are spatially separated from each other. This prevents lighting and measuring with angles of incidence near 0 °.
  • Microscope spectrometers are also known in which the incident light is projected onto the surface to be measured via an incident light axis through the microscope objective and the reflected light is collected again in the opposite way and projected onto a pinhole, which is located in front of an optical fiber. which in turn is connected to a spectrometer.
  • Such microscope spectrometers can also be used to measure reflections on spherical surfaces.
  • the lens is positioned with its optical axis in alignment with the optical axis of the microscope objective. The reflection properties are measured in the apex of the lens.
  • a measurement on any surface points of the lens is not possible or only with great effort limited.
  • reflection gauges which are designed in the manner of a goniometer and allow flexible illumination of the surface to be measured at the angle of incidence. Despite the possibility of angle-resolved measurements such devices are designed for flat surfaces. In addition, there is also the above-mentioned problem of the spatial separation of transmitter and receiver.
  • two-beam spectrometers are known in which the light is split from a light source into a reference beam and a measuring beam.
  • a measuring beam path incident perpendicular to the spherical surface of the optical component is focused onto the spherical surface by means of focusing optics.
  • This means that the axis of the measuring beam path is perpendicular to the spherical surface.
  • the component for reflection measurement at any point of the spherical surface around two mutually perpendicular and through the center of curvature of the spherical Moving surface extending axes of rotation, so that during the movement of the component once set focus of the measuring beam path remains unchanged on the spherical surface of the component. Consequently, the axis of the measuring beam path is perpendicular to this at each selected point of the spherical surface during the reflection measurement.
  • a corresponding device has a sample holder for receiving the optical component, a lighting optical system having a light source for generating a measurement beam path, and focusing optics for focusing the measurement beam path incident perpendicular to the spherical surface onto the spherical surface of the optical component.
  • the sample holder is in this case arranged such that the optical component is moved about two mutually perpendicular and through the center of curvature of the spherical surface extending axes of rotation, so that during the movement of the component once set focus of the measuring beam path remains unchanged on the spherical surface of the component and the Axis of the measuring beam path is unchanged perpendicular to the spherical surface.
  • Particularly suitable optical components are lenses which have at least in part a spherical lens surface.
  • a lens thus has on its one side a hemisphere or a spherical segment.
  • the present invention is particularly suitable for small lens radii, for example those ⁇ 30 mm.
  • the aforementioned known systems for reflection measurement have the following disadvantages: too large measuring spot (illuminated area on the lens); too large illumination angle (aperture of the light beam); Detector does not detect entire radiation reflected from the surface of the lens; The lens surface can not be reliably positioned perpendicular to the measuring beam. With the present invention, however, any point of the surface of such a lens is measured under normal incidence.
  • the invention is suitable for lenses of any radius, regardless of the sign (convex and concave).
  • the invention will be described with reference to lenses, which should not be understood as limiting. Rather, other optical components with (at least partially) spherical surface are included in the same way.
  • the two axes of rotation extending through the center of curvature of the spherical surface cause a movement of the focus relative to the spherical surface along latitudes and longitudes, so that each point of the surface can be controlled.
  • the focus remains unchanged on the spherical surface, so that a readjustment of the focus or refocusing is not required.
  • the second axis of rotation may be coupled to the first axis of rotation in that the second axis of rotation is stationary in the optical component.
  • the azimuthal axis then forms the optical axis of the lens, which axis is tilted together with the lens when moving about the radial axis.
  • the lens (or in general the optical component) is placed in a displaceable in the xyz-direction sample holder, wherein the sample holder is moved until the optical axis of the focusing optics through the vertex of the spherical surface of the optical component runs, ie with the optical axis of the Lens matches.
  • This axis passing through the component forms the second axis of rotation or azimuthal axis. This axis remains stationary in the component.
  • a mechanical axis of rotation hereinafter referred to as the axis of rotation F, is provided, about which the sample holder can be rotated, and perpendicular to a z-axis which is parallel to the optical axis of the focusing optics, directed and is displaceable in the z direction.
  • This mechanical axis of rotation F is initially adjusted so that it passes through the focus of the focusing optics when the optical component is not in the sample holder.
  • a sample reference is inserted into the sample holder as a sample.
  • a plan reference is for example a glass plate, a mirror or the like with sufficiently high reflectivity.
  • the mechanical axis of rotation F and / or the sample holder adjustable in the xyz direction are displaced relative to one another in the z direction until the mechanical axis of rotation F runs through the surface of the plan reference inserted into the sample holder.
  • the plan reference thus serves to position the focus of the focusing optics on its surface.
  • Means for adjusting the focus are known per se: For example, an autocollimation telescope can be used, which images a mask (such as a crosshair) on the plan reference. Alternatively, for example, an autofocusing method can also be used. By this adjustment, an optimal adaptation to fine changes of tolerance intervals, for example, after a change of the focusing optics or changes to the sample holder can be made.
  • the mechanical axis of rotation F factory pre-adjusted so that it passes through the focal plane of a fixed focusing optics. This is easier for the user, but does not allow adaptation to changes in the device.
  • the optical component is inserted into the sample holder. The spatial position of the optical component in the sample holder corresponds to that in the later reflection measurement.
  • the sample holder In order to find the first axis of rotation (radial axis), the sample holder is now displaced in the xyz direction while the mechanical axis of rotation F is held in such a way that the center of curvature of the spherical surface of the optical component is brought into the focus of the focusing optics. In this step, therefore, the sample holder is moved relative to the fixed axis of rotation F, so that the axis of rotation F after completion of this second adjustment step again through the focus of the focusing optics, now with inserted component runs.
  • the vertex of the spherical surface of the optical component can be placed in the optical axis of the focusing optics by appropriate xy displacement of the sample holder, ie the second axis of rotation (azimuthal axis) can be defined. In this respect, there is no need for a separate adjustment process.
  • a third adjustment step the mechanical axis of rotation F is now moved together with the sample holder and the component therein in the z-direction such that the focus of the focusing optics is at the apex of the spherical surface of the optical component, wherein at this position in the z-direction mechanical axis of rotation F is used as the first axis of rotation for the subsequent reflection measurement.
  • the first and second rotation axis are explained below in the context of the embodiments. For example, to be able to measure all points on the surface of a lens with an opening angle of 180 °, ie a hemisphere, the movement of the lens about the first axis of rotation must allow a tilting of up to 90 °.
  • the center of curvature of the spherical surface becomes the focus of the focusing optics placed.
  • an autocollimation telescope can be used, as will be explained in more detail below in the context of the embodiments.
  • an autofocusing method may be used.
  • the third adjustment step in which the focus of the focusing optics is brought into the apex of the spherical surface.
  • the intensity of the reflected measuring beam can be measured, which reaches its maximum at the apex.
  • the transition from the second to the third adjustment step can also take place in that with known radius of the spherical surface, the mechanical axis of rotation F is moved together with the sample holder by the amount of this radius in the z direction, so that the Focus of the focusing optics from the center of curvature of the spherical surface is moved to the apex of the spherical surface.
  • the present invention allows not only a reflection measurement at normal incidence of the measuring beam, but also at oblique incidence of light and / or adjustable angle spectrum. This can be realized by inserting an aperture stop in the measuring beam path.
  • an aperture diaphragm By means of an aperture diaphragm, the aperture can be reduced in particular by reducing the diameter of the measurement beam path, so that the angular spectrum of the measurement beam impinging on the spherical surface can be kept correspondingly low.
  • the opening in an aperture stop can be located centrally or decentrally from the optical axis of the measurement beam path, so that it is possible to work with angles of incidence near 0 ° or any other angles of incidence.
  • oblique illumination can also be achieved with an annular dark-field diaphragm.
  • Aperture apertures also include variable inner apertures or LCD apertures. The latter diaphragms are particularly suitable for the realization of any diaphragm openings and diaphragm shapes.
  • the angle of incidence chosen hereby remains according to the invention for arbitrary points to be measured on the spherical surface. Accordingly, when using a centered beam path of low aperture, an angle of incidence near 0 ° remains during the Movement of the optical component, so over the entire reflection measurement away, obtained.
  • the reflection properties depend not only on the type of light incidence but also on the polarization properties of the light.
  • the polarization state relative to the sample can be adjusted (p- or s-polarization) when the illumination light is polarized linearly with respect to the aperture diaphragm. Further explanations of this embodiment can be found in the corresponding embodiments.
  • the above-described adjustment process for finding the first and the second axis of rotation can be implemented advantageously with a device according to the invention, which is designed as follows:
  • the sample holder for receiving the optical component is for an automatic displacement in the xyz direction, ie in all three Spatial directions, trained.
  • the z-direction should expediently represent the direction of the optical axis of a lens to be measured.
  • the lens can be adjusted so that its optical axis coincides with the optical axis of the focusing optics.
  • the sample holder is fixedly connected to a movable in the z-direction first drive, said first drive is mounted on a second, also movable in the z-direction drive. The first drive can thus move the sample holder in the z-direction.
  • the second shoot on the other hand, moves the first shoot together with the sample holder.
  • the second drive in this case has a vertically adjustable axis of rotation (F), said axis of rotation is in an xy plane and in the z direction (ie vertical) is adjustable.
  • This rotation axis F is identical after adjustment with the first axis of rotation (radial axis).
  • the sample holder itself is expediently mounted rotatably in an axis. After adjustment, the axis in which the sample holder is rotatably mounted coincides with the second axis of rotation (azimuthal axis).
  • the sample holder is displaced by means of the first drive in such a way that the center of curvature of the spherical surface of the optical component is brought into the focus of the focusing optics.
  • an x-y adjustment can take place such that the vertex of the spherical surface lies in the optical axis of the focusing optics.
  • This axis running through the vertex of the lens can then be used for the subsequent reflection measurement as the second axis of rotation (azimuthal axis).
  • the second drive which moves the first drive together with the sample holder, is displaced in the z-direction in such a way that the focus of the focusing optics is brought into the vertex of the spherical surface.
  • this lies in the center of curvature of the spherical surface and can thus be used for the subsequent reflection measurement as the first axis of rotation (radial axis).
  • This adjustment process is explained in detail below in the corresponding embodiment.
  • a focusing optics a microscope objective or a focusing lens can be used.
  • a focusing lens a simple lens or achromatic lens (infinitely corrected) can be used.
  • the focusing optics of Finally in the object space is designed to be infinite.
  • the focusing optics can also be used according to a particularly preferred embodiment for receiving the reflected light from the spherical surface.
  • the focusing optics downstream of a tube lens whereby a microscopic beam path is defined, wherein a detector for reflection measurement can be arranged in the image plane of the microscopic beam path.
  • the device according to the invention is part of a microscope spectrometer.
  • a microscope objective is used as focusing optics. This microscope objective is followed in the usual way by a tube lens in a microscopic beam path.
  • a detector is arranged for reflection measurement in the image plane of the microscopic beam path. This detector is usually a spectrometer.
  • part of the microscopic beam path can be coupled out as an observation beam path into an eyepiece via a beam splitter.
  • Another beam splitter can be provided for coupling the measuring beam path in the microscopic beam path. Seen from the sample holder from this beam splitter is arranged downstream of the microscope objective, so that the measuring beam path passes through the microscope objective and is focused by this on the spherical surface of the optical component.
  • the resulting structure of such a microscope spectrometer thus substantially corresponds to the structure of a reflected-light microscope, wherein the Measuring beam path over the incident light axis of the microscope on the optical component to be measured falls.
  • the illumination optics has a device for changing the diaphragm shape of an aperture diaphragm.
  • This device for changing the diaphragm shape of an aperture diaphragm may be a device for exchanging and inserting aperture diaphragms, for example a diaphragm wheel or diaphragm shutter.
  • this device is an LCD (Liquid Crystal Display). With such LCDs, the shape and size of the aperture aperture can be set almost arbitrarily. In this way, the already described above settings of polarization, angle of incidence and angle spectrum for the reflection measurement can be controlled in a particularly advantageous manner.
  • the illumination optics has a device for changing the diaphragm shape of a field stop.
  • this device may be a shutter or aperture wheel.
  • an LCD can be used.
  • a mask such as a crosshair, can be introduced into the field stop.
  • the microscope can be configured to a Autokollimationsfernrohr. This embodiment is particularly suitable for the already explained adjustment process for finding the first and second axis of rotation. Further explanations can be found again in the corresponding embodiment.
  • the device according to the invention advantageously has the following further features, in particular in order to be able to largely or completely automate the above-described adjustment of the axes of rotation and the subsequent reflection measurement.
  • adjusting means for moving the sample holder about the first and second axes of rotation.
  • adjusting means are provided for the first and second z-drive and for an xy-displacement of the sample table.
  • Such adjusting means can be operated manually or by motor.
  • a motor control of the actuating means is particularly advantageous for automation.
  • measuring means are expediently provided with which rotations and translations can be detected.
  • a circular ring on the sample holder with external marking or coding may be present, which is read optically and / or electronically, so that the position of the optical component relative to a reference position can be determined from this information , In this way, points on the spherical surface of the optical component, for example, by specifying latitude and longitude can be accurately specified and found.
  • known measuring means for position detection can be used, such as linear coordinates with markings or codings, which in turn can be read optically and / or electronically.
  • Other methods of position detection for example by means of optical detection of markers on a component are known.
  • a control device for controlling said motor-driven actuating means is provided.
  • the control device is in operative connection with the measuring means in order to be able to determine when the desired position has been reached.
  • the control device is in operative connection with an autofocus device. In this way, for example, the vertex positions and confocal positions described above can be approached automatically during the adjustment.
  • Autokollimfernfernrohrs the intensity measurement with its maximum at the apex and the mechanical displacement of the radius of curvature. All variants can be automated via a control device, which is controlled by corresponding control programs.
  • the insertion of a plan reference and / or the insertion of the optical component can be automated in the sample holder, so that the adjustment process and the subsequent operation of the spectrometric reflection measurement can run completely automated.
  • predetermined measurement positions that is to say specific points on the spherical surface of the optical component, can then be approached and measured.
  • a corresponding control program controls, for example, the course of a predeterminable measurement cycle at selected positions on the spherical surface.
  • the measured values of the spectrometric reflection measurement can be automatically evaluated and compared, for example, with reference values for optimum reflection measured values.
  • the spherical surface or its coating can be mapped, so that the quality of the surface or the coating can be displayed cartographically.
  • the stated nominal values are also suitable for the derivation of an optical, acoustic and / or electrical signal in the event of a limit value violation of a measured value. Such a limit violation may indicate a too thin or ineffective coating.
  • Figure 1 shows schematically an embodiment of an apparatus for
  • Figures 2A-2C show three situations in an alignment process for aligning an optical component to be measured
  • Figure 3 shows schematically the position of an optical component in the
  • FIGS. 4A-4B show schematic detail views in the reflection measurement at different points of a spherical surface of an optical component
  • Figure 5A-5B shows one way of measuring under a particular
  • Figure 1 shows schematically an embodiment of a device for reflection measurement on a spherical surface of an optical component in the manner of a microscope spectrometer according to the present invention.
  • the device is in an initial situation, as will be explained in more detail below with reference to FIG 2.
  • the device 10 for reflection measurement has a displaceable in the xyz direction sample holder 3, which carries a plan reference 7 in the above starting situation as a sample.
  • the sample holder 3 is fixedly connected to a first linear drive 18, which moves the xy sample holder 3 in the z-direction.
  • the first drive 18 is in turn mounted on a second drive 19, which is likewise movable in the z-direction.
  • the z-direction in this case runs parallel to the optical axis of the focusing optics 11, while the xy plane is perpendicular thereto.
  • the sample holder 3 is rotatably mounted in an axis H.
  • the second drive 19 has a vertical (in the z-direction) adjustable rotation axis F, which lies here in the focal plane G of the lens 11.
  • the axis H represents the second axis of rotation or azimuthal axis 6, while the axis of rotation F then forms the first axis of rotation or radial axis 5 for the movement of the component 1.
  • the rest of the structure of the device 10 for reflection measurement substantially corresponds to a typical microscope structure 26 with incident light axis.
  • An illumination optical system 13 generates a measurement beam path 14.
  • the light of a light source 15 is bundled in a parallel measuring beam path 14 via corresponding lenses, which are shown only schematically here.
  • the illumination optical system furthermore has an aperture diaphragm 12 and a field diaphragm 16.
  • the field stop is equipped with a device 17 for swiveling in a mask, for example a crosshair.
  • a mask 25, in general also an LCD, can be swiveled into the aperture diaphragm 12 by means of a device 25 for changing the diaphragm aperture and shape.
  • the measuring beam path 14 is coupled via a beam splitter 22 in the microscopic beam path.
  • This microscopic beam path is defined by a microscope objective 11, which represents the focusing optics, and a tube lens 20.
  • the measuring beam path 14 is thus guided through the microscope objective 11 and focused as a measuring beam 4 on the sample, here the plan reference 7.
  • Reflected light is in turn collected via the microscope objective 11 and fed via the tube lens 20 to a detector 21, which usually represents a spectrometer.
  • part of the microscopic (observation) beam path can be guided via a further beam splitter 23 into an eyepiece 24 for visual observation.
  • FIG. 2A shows the starting situation according to FIG. 1.
  • FIG. 2B shows the situation with the sample or lens 1 inserted
  • FIG. 2C shows the last step of the adjustment process.
  • FIG. 2A shows the starting situation in which the plan reference 7, for example a mirror or a reflective glass plate, is inserted into the sample holder 3.
  • the surface of the plan reference 7 is adjusted to the height of the axis of rotation F of the second drive 19.
  • the plan reference 7 must lie in the plane of the rotation axis F and be adjusted once.
  • a crosshairs as a mask 17 in the field diaphragm 16 can be projected onto the plan reference 7 by the microscope objective 11, the crosshairs.
  • verex position is meant here a position in which the focus of the objective 11 lies on the surface of the plan reference 7.
  • the lens 1 shows the situation after insertion of the sample, that is to say of the optical component, here the lens 1.
  • the lens 1 with area radius R1 is inserted into the sample holder 3.
  • the position of the lens 1 in the sample holder 3 in this case corresponds to that in the subsequent reflection measurement.
  • the lens 1 With the first z-drive 18, the lens 1 is brought into the confocal position, ie the center of curvature of the spherical surface of the lens 1 coincides with the focus of the microscope objective 11.
  • the sample holder 3 is displaced upward by means of the first z-drive 18, wherein the confocal position, for example, can again be recognized by the user with a projected cross-hair. This integrates the function of an autocollimation telescope into the microscope.
  • the lens 1 can also be moved centrally relative to the optical axis of the objective 11 by adjusting the image of the crosshair in the center of the microscope field by lateral displacement of the sample holder 3 in the xy direction.
  • the vertex of the lens 1 is thus in the optical axis of the lens 11.
  • the axis of rotation H is fixed.
  • the second z-drive 19 moves the lens 1 into the peak position (focus of the objective 11 lies on the vertex of the lens 1). Again, this position can be adjusted using the autocollimation telescope.
  • the second z-drive 19 moves the first z-drive 18 together with the sample holder 3 in the z-direction downwards.
  • the amount of displacement corresponds to the radius of curvature of the lens 1.
  • the distance from the lens surface at the vertex of the lens 1 to the axis of rotation F is the measure of the radius of the spherical lens surface.
  • the structure can be pivoted about this adjustment about the rotation axis F, which now coincides with the first axis of rotation (radial axis) 5.
  • FIG. 3 schematically shows the state in the reflection measurement at a selected point on the spherical surface 2 of a lens 1.
  • the lens 1 is located in the construction with sample holder 3 already described in detail with reference to FIGS. 1 and 2.
  • a movement in the x-y direction of the sample holder 3 and in the z direction by means of the drives 18 and 19 will no longer be necessary. Rather, the focus of the measuring beam 4 is on the surface of the lens 1.
  • the focusing is again by a focusing optics or a microscope objective 11.
  • the movement of the lens 1 is carried out by turning the same over the two following axes of rotation:
  • the first axis of rotation or radial axis 5, which is perpendicular to the plane in Figure 3 and passes through the center of curvature of the spherical surface 2, and the second axis of rotation or azimuthal axis 6, which passes through the vertex of the lens 1 and thus perpendicular to the xy plane of the sample holder 3 and fixed in the Lens 1 remains.
  • the reflection measurement is carried out as follows: A rotation about the radial axis 5 causes a tilting of the construction shown, here by 45 °, starting from the situation according to Figure 2C after adjustment. Generally, rotation about the radial axis 5 thus causes tilting or relative movement of the focus along a longitude of the spherical surface 2. Rotation about the azimuthal axis 6 causes relative movement of the focus of the measuring beam 4 along a latitude of the spherical surface 2 of the lens 1 In this way, each point of the spherical surface 2 of the lens 1 is at the focus of the measuring beam 4 approachable and thus the reflection measurement accessible.
  • FIG. 4 schematically shows a detailed view of a measuring beam path 14 incident on the spherical surface 2 of a lens (in general an optical component) 1 and its detection by means of a detector 21 for reflection measurement.
  • a measuring beam path 14 incident on the spherical surface 2 of a lens (in general an optical component) 1 and its detection by means of a detector 21 for reflection measurement.
  • the basic structure of this has already been explained in detail in connection with the preceding figures.
  • FIG. 4A corresponds to a situation as it exists at the end of the adjustment in FIG. 2C.
  • the measuring beam 4 used for the reflection measurement corresponds to the measuring beam path 14 focused on the spherical surface 2.
  • the spherical surface has the radius R 1.
  • the focusing is done by a focusing optics 11, here again a microscope objective of the aperture NA and the focal length f.
  • the numerical aperture NA d (ap) / 2 / f.
  • the location of the sample is illuminated with the appropriate angle spectrum. This ranges from 0 ° to ⁇ arcsin (NA).
  • FIG. 4B shows a situation in the case of a reflection measurement at another location of the spherical surface 2 of the lens 1.
  • tilting took place by corresponding rotation about the radial axis 5 (see FIG.
  • the point to be measured is now at the lens periphery.
  • the angle spectrum used to illuminate the sample is the same as in FIG. 4A.
  • the mechanical construction explained in connection with the preceding figures makes it possible to rotate the lens 1 exactly around the center of curvature 27 of the spherical surface 2 of the lens 1. In both cases of FIGS.
  • the detection of the reflected light is again effected by means of the microscope objective 11, which is focused via the beam splitter 22 and the tube lens 20 into a detector 21 (or a light guide leading to a detector).
  • the detector 21 is, for example, a spectrometer which determines the intensity of the light reflected by the spherical surface 2 as a function of the wavelength. By measuring a plurality of points on the spherical surface 2, it is possible to determine the quality of a coating of the lens 1 in a spatially resolved manner.
  • FIG. 5 shows a view similar to FIG. 4. In this respect, reference should be made to the corresponding explanations in connection with FIG. In contrast to the structure according to FIG. 4, in the structure according to FIG. 5 a different angular spectrum and / or a different angle of incidence of the measuring beam 4 striking the spherical surface 2 are selected.
  • the diaphragm diameter 12 (see FIG. 1) in FIG. 5A is reduced by means of the device 25 for changing the diaphragm shape as shown.
  • a very small diameter d (ap) as shown in FIG. 5A, angles of incidence close to 0 ° can be measured with a low angular spectrum. This is often an advantage for the practice of reflection measurement.
  • FIG. 5B Another type of aperture shape was used for Figure 5B.
  • the aperture diaphragm here is a ring diaphragm with the ring diameter r (ap).
  • the annular diaphragm produces an annular measuring beam path 14, the diameter of the peripheral beam shown in FIG. 5B being d (ap).
  • the incident on the spherical surface 2 measuring beam 4 thus strikes at an angle of incidence on the spherical surface 2 of the lens 1.
  • the mean angle of incidence here is arcsin (r (ap) / f).
  • the angular spectrum of the measuring beam 4 is arcsin (r (ap) / f) ⁇ arcsin (d (ap) / 2 / f).
  • 5A and 5B thus show the effect of different aperture stops on the angle of incidence and / or the angular spectrum of the reflection measurement used Measuring beam visible.
  • the reflection measurement can also depend on the polarization state of the measurement beam incident on the sample.
  • a segmented aperture diaphragm 12 cf., FIG. 1
  • the polarization state for which the reflection measurement is to take place can be selected.
  • FIG. 6A shows a suitable structure for reflection measurement in detail view, as has already been described in detail with reference to the preceding figures.
  • the x-y plane is perpendicular to the z-direction.
  • the illumination light used in the aperture is linearly polarized, in this case parallel to the x-direction.
  • the optical component 1 in the focus of the objective 11 in three-dimensional space different polarization states of the illumination light relative to the sample, in this case the optical component 1, arise.
  • the polarization states are dependent on how the light oscillates with respect to the plane of incidence. If one selects the x-z plane as the plane of incidence, the TM polarization shown in the upper part in FIG. 6B results.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur spektrometrischen Reflexionsmessung an einer sphärischen Fläche (2) eines optischen Bauteils (1), wobei zur Reflexionsmessung ein an der sphärischen Fläche (2) des optischen Bauteils reflektierter Messstrahl (4) verwendet wird, wobei ein senkrecht auf die sphärische Fläche (2) einfallender Messstrahlengang (14) mittels einer Fokussieroptik (11) auf die sphärische Fläche (2) fokussiert wird, wobei anschließend zur Reflexionsmessung an einem beliebigen Punkt der sphärischen Fläche (2) das optische Bauteil (1) um zwei zueinander senkrechte und durch den Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche (2) verlaufende Drehachsen (5, 6) bewegt wird, wobei während der Bewegung des Bauteils (1) der Fokus des Messstrahlengangs (14) unverändert auf der sphärischen Fläche (2) des Bauteils (1) verbleibt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur spektrometrischen Reflexionsmessung bei sphärischen Flächen
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur spektrometrischen Reflexionsmessung an einer sphärischen Fläche eines optischen Bauteils, wie einer Linse, wobei zur Reflexionsmessung ein an der sphärischen Fläche des optischen Bauteils reflektierter Messstrahl verwendet wird. Mit solchen Reflexionsmessungen sollen Reflexionseigenschaften der meist beschichteten Oberfläche eines optischen Bauteils gemessen werden.
Stand der Technik
Für die Messung der Reflexionseigenschaften von Oberflächen, speziell von optisch wirksamen Flächen, werden Spektrometer verschiedenster Bauart für verschiedene Anwendungen eingesetzt. In der optischen Industrie ist die Messung der Reflexion oder Transmission an optisch wirksamen Flächen erforderlich, um z. B. die Eigenschaften von Gläsern und Beschichtungen zu bestimmen. Dabei sind die Messergebnisse vom Polarisationszustand des Lichtes, vom Einfallswinkel des Messstrahls, von der Apertur des auf die Oberfläche treffenden Messstrahls, von der Beschaffenheit der Oberfläche (Rauigkeit, Topographie), der Beschaffenheit der Beschichtung sowie von weiteren Parametern abhängig.
In vielen Fällen sind die Spektrometer für die Messung an ebenen oder planen Oberflächen ausgelegt, da gekrümmte oder sphärische Flächen eine Größen- und gegebenenfalls eine Formänderung des Messstrahls bewirken und in Folge die Detektorfläche abweichend vom Referenzstrahl (Lichtstrahl der Lichtquelle ohne Bauteil) beleuchten, woraus Verfälschungen des Messwertes resultieren. Bei kleinen Krümmungsradien entsteht eine starke Streuung bzw. Sammlung des Lichtstrahls. Dies kann dazu führen, dass das von dem Bauteil reflektierte oder transmittierte Licht nicht mehr vollständig vom Detektor erfasst wird. Stellt das zu vermessende optische Bauteil eine Linse dar, liegen aufgrund der geringen Radien die genannten Probleme verstärkt vor.
Im Folgenden sollen bekannte Vorrichtungen zur Reflexionsmessung erläutert werden. Grundsätzlich werden zur Reflexionsmessung eine geeignete Einrichtung zur Projektion des Lichtes aus einer Lichtquelle auf die zu vermessende Oberfläche und eine geeignete Einrichtung für das Einsammeln des reflektierten Lichtes von der Oberfläche und für den Transport dieses Lichtes zu einem Detektor eingesetzt. Hierbei wird das Licht meist mittels Lichtfaserkabel zur Oberfläche bzw. zum Detektor transportiert. Zur Kompensation von divergenter Strahlung werden üblicherweise Ulbricht-Kugeln eingesetzt. Eine solche Ulbricht-Kugel ermöglicht es, stark divergente Strahlung zu sammeln und die Leistung oder den Gesamtlichtstrom zu messen, ohne dass durch die vorhandene Richtcharakteristik die Messung verfälscht würde.
Bei einer bekannten Ausführungsform werden die beiden genannten Einrichtungen zum Transport des Lichts auf die Oberfläche und zum Transport des reflektierten Lichts zum Detektor gemeinsam in einem Messkopf angeordnet. Dieser besitzt eine definierte Anschlagfläche, durch die der Abstand von Messkopf zur Oberfläche reproduzierbar ist. Die in dem Messkopf verwendeten Lichtleiter haben den Nachteil, einen Messstrahl mit einer festen, nicht variablen Apertur zu erzeugen. Dadurch liegt ein großes Winkelspektrum der Beleuchtung vor, das deutlich von einer gewünschten Anordnung mit kleinem Winkelspektrum abweicht. Außerdem sind Lichtaustritt (zur zu vermessenden Oberfläche) und Lichteintritt (zum Messdetektor) räumlich voneinander getrennt. Dies verhindert das Beleuchten und Messen mit Einfallswinkeln nahe 0°. Dieses Problem kann durch den Einsatz eines sogenannten "Y-Lichtleiters" umgangen werden, bei dem die Austritts- und Eintrittsfasern räumlich sehr eng beieinanderliegen. Bei dieser Lösung kann allerdings nicht die gesamte Lichtmenge, die von der Oberfläche reflektiert wird, gesammelt werden, wodurch wiederum die Messung verfälscht wird.
Bekannt sind auch Mikroskop-Spektrometer, bei denen das einfallende Licht über eine Auflichtachse durch das Mikroskop-Objektiv auf die zu vermessende Oberfläche projiziert wird und das reflektierte Licht auf dem umgekehrten Weg wieder eingesammelt und auf ein Pinhole projiziert wird, das vor einer Lichtfaser sitzt, welche ihrerseits mit einem Spektrometer verbunden ist. Solche Mikroskop- Spektrometer können auch zur Messung von Reflexionen an sphärischen Oberflächen eingesetzt werden. Bei der Vermessung von Linsenoberflächen wird die Linse mit ihrer optischen Achse fluchtend zur optischen Achse des Mikroskop- Objektivs positioniert. Gemessen werden die Reflexionseigenschaften im Scheitel der Linse. Eine Messung an beliebigen Oberflächenpunkten der Linse ist jedoch nicht oder nur mit großem Aufwand eingeschränkt möglich.
Verfügbar sind auch Reflexionsmessgeräte, die nach Art eines Goniometers konzipiert sind und eine im Einfallswinkel flexible Beleuchtung der zu vermessenden Fläche ermöglichen. Trotz der Möglichkeit von winkelaufgelösten Messungen sind solche Geräte aber für Planflächen ausgelegt. Außerdem besteht auch hier das bereits oben genannte Problem der räumlichen Trennung von Sender und Empfänger. Schließlich sind auch Zweistrahl-Spektrometer bekannt, bei denen das Licht aus einer Lichtquelle in einen Referenzstrahl und einen Messstrahl aufgeteilt wird. Hier sind Kammern für die freie Anordnung zur beliebigen Beleuchtung von beliebigen Bauteilen möglich, bei denen der Detektor relativ frei im Raum zur Registrierung des von dem Bauteil reflektierten Lichtes bewegt werden kann. Zur Vermessung stark gekrümmter Oberflächen von optischen Bauteilen wie Linsen sind solche Zweistrahl-Spektralphotometer in der Praxis insbesondere dann wenig geeignet, wenn mit kleinen Einfallswinkeln beleuchtet werden soll. Dies wird aufgrund der üblichen Größe der dort verwendeten Ulbricht-Kugel verhindert. Außerdem ist durch die dort stattfindende Aufbereitung des Messstrahls ein astigmatischer Strahl vorhanden, der keine Homogenität besitzt (bezüglich Polarisationszuständen, Beleuchtungsstärke, Fokuspunkten) und dadurch eine Undefinierte Beleuchtungssituation erzeugt.
Ein weiteres Problem ergibt sich aus der Beschichtung gekrümmter Flächen: Derartige Beschichtungen sind in der Regel nicht über die gesamte gekrümmte Fläche hinweg gleichmäßig. Oftmals nimmt die Dicke der Beschichtung zur Peripherie einer sphärischen Linsenoberfläche hin ab. Hieraus ergibt sich für Randstrahlen ein unterschiedliches Verhalten im Vergleich zu Mittenstrahlen. Bei bisherigen Verfahren zur Reflexionsmessung werden üblicherweise nur die Beschichtungen am Scheitelpunkt einer Linse vermessen.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur spektrometrischen Messung von Reflexionseigenschaften einer sphärischen Fläche eines optischen Bauteils, wie einer Linse, anzugeben, welche insbesondere bei stark gekrümmten Oberflächen eine zuverlässige Messung an mehreren Punkten der Fläche auch bei kleinen Einfallswinkeln ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Erfindungsgemäß wird ein senkrecht auf die sphärische Fläche des optischen Bauteils einfallender Messstrahlengang mittels einer Fokussieroptik auf die sphärische Fläche fokussiert. Dies bedeutet, dass die Achse des Messstrahlengangs senkrecht auf die sphärische Fläche steht. Anschließend wird das Bauteil zur Reflexionsmessung an einem beliebigen Punkt der sphärischen Fläche um zwei zueinander senkrechte und durch den Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche verlaufende Drehachsen bewegt, so dass während der Bewegung des Bauteils der einmal eingestellte Fokus des Messstrahlengangs unverändert auf der sphärischen Fläche des Bauteils verbleibt. Die Achse des Messstrahlengangs steht folglich während der Reflexionsmessung an jedem ausgewählten Punkt der sphärischen Fläche senkrecht auf diese. Eine entsprechende Vorrichtung weist einen Probenhalter zur Aufnahme des optischen Bauteils, eine eine Lichtquelle aufweisende Beleuchtungsoptik zur Erzeugung eines Messstrahlengangs und eine Fokussieroptik zum Fokussieren des senkrecht auf die sphärische Fläche einfallenden Messstrahlengangs auf die sphärische Fläche des optischen Bauteils auf. Der Probenhalter ist hierbei derart eingerichtet, dass das optische Bauteil um zwei zueinander senkrechte und durch den Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche verlaufende Drehachsen bewegt wird, so dass während der Bewegung des Bauteils der einmal eingestellte Fokus des Messstrahlengangs unverändert auf der sphärischen Fläche des Bauteils verbleibt und die Achse des Messstrahlengangs unverändert senkrecht auf die sphärische Fläche steht.
Als optische Bauteile kommen insbesondere Linsen in Frage, die zumindest zum Teil eine sphärische Linsenoberfläche aufweisen. Beispielsweise weist eine solche Linse folglich auf ihrer einen Seite eine Halbkugel oder ein Kugelsegment auf. Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für kleine Linsenradien, beispielsweise solche <30 mm. Bei solchen Linsen weisen die eingangs genannten bekannten Systeme zur Reflexionsmessung folgende Nachteile auf: zu großer Messspot (beleuchtete Fläche auf der Linse); zu großer Beleuchtungswinkel (Apertur des Lichtstrahls); Detektor erfasst nicht gesamte von der Oberfläche der Linse reflektierte Strahlung; die Linsenoberfläche kann nicht zuverlässig lotrecht zum Messstrahl positioniert werden. Mit der vorliegenden Erfindung ist hingegen jeder Punkt der Oberfläche einer solchen Linse unter senkrechtem Einfall messbar. Die Erfindung eignet sich für Linsen mit beliebigem Radius, unabhängig vom Vorzeichen (konvex und konkav). Im Folgenden sei die Erfindung anhand von Linsen beschrieben, wobei dies nicht einschränkend verstanden werden soll. Vielmehr sind andere optische Bauteile mit (zumindest teilweise) sphärischer Oberfläche in gleicher Weise umfasst.
Die beiden durch den Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche verlaufenden Drehachsen bewirken eine Bewegung des Fokus relativ zur sphärischen Fläche entlang von Längen- bzw. Breitengraden, so dass jeder Punkt der Oberfläche ansteuerbar ist. Der Fokus verbleibt hierbei unverändert auf der sphärischen Fläche, so dass eine Neueinstellung des Fokus oder ein Nachfokussieren nicht erforderlich ist.
Zur besseren Verständlichkeit der Bewegung um die beiden genannten Drehachsen sei im Folgenden von einer Ausgangsposition ausgegangen, bei der die Linse derart justiert ist, dass ihre durch den Scheitelpunkt verlaufende optische Achse mit der optischen Achse der Fokussieroptik übereinstimmt. Durch Bewegung der Linse um eine erste Drehachse, im Folgenden auch als Radialachse bezeichnet, wandert der Fokus entlang eines Längengrads der sphärischen Linsenfläche. Bei einer Bewegung der Linse um eine zweite Drehachse, im Folgenden auch als Azimutalachse bezeichnet, bewegt sich der Fokus des Messstrahlengangs entlang eines Breitengrads der sphärischen Linsenoberfläche.
Es kann zweckmäßig sein, die zweite Drehachse an die erste Drehachse dadurch zu koppeln, dass die zweite Drehachse ortsfest im optischen Bauteil liegt. Die Azimutalachse bildet dann die optische Achse der Linse, wobei diese Achse zusammen mit der Linse verkippt wird, wenn eine Bewegung um die Radialachse erfolgt.
Im Folgenden sei die Justierung der Linse zur Reflexionsmessung beschrieben: Die Linse (oder allgemein das optische Bauteil) wird in einen in x-y-z-Richtung verschiebbaren Probenhalter eingelegt, wobei der Probenhalter solange verschoben wird, bis die optische Achse der Fokussieroptik durch den Scheitelpunkt der sphärischen Fläche des optischen Bauteils verläuft, also mit der optischen Achse der Linse übereinstimmt. Diese durch das Bauteil verlaufende Achse bildet die zweite Drehachse oder Azimutalachse. Diese Achse verbleibt ortsfest im Bauteil.
Zum Auffinden der Position der ersten Drehachse (Radialachse) ist eine mechanische Drehachse, im Folgenden als Drehachse F bezeichnet, vorgesehen, um die der Probenhalter gedreht werden kann, und die senkrecht zu einer z-Achse, die parallel zur optischen Achse der Fokussieroptik verläuft, gerichtet und in z-Richtung verschiebbar ist. Diese mechanische Drehachse F wird zunächst derart justiert, dass sie durch den Fokus der Fokussieroptik verläuft, wenn das optische Bauteil sich nicht im Probenhalter befindet. Hierzu wird beispielsweise zunächst als Probe eine Planreferenz in den Probenhalter eingelegt. Eine solche Planreferenz ist beispielsweise ein Glasplättchen, ein Spiegel oder Ähnliches mit ausreichend hoher Reflektivität. Die mechanische Drehachse F und/oder der in x-y-z-Richtung verstellbare Probenhalter werden in z-Richtung relativ zueinander verschoben, bis die mechanische Drehachse F durch die Oberfläche der in den Probenhalter eingelegten Planreferenz verläuft. Die Planreferenz dient folglich zur Positionierung des Fokus der Fokussieroptik auf ihre Oberfläche. Mittel zur Einstellung des Fokus sind an sich bekannt: So kann beispielsweise ein Autokollimationsfernrohr eingesetzt werden, das eine Maske (wie z.B. ein Fadenkreuz) auf die Planreferenz abbildet. Alternativ kann beispielsweise auch ein Autofokussierverfahren zum Einsatz kommen. Durch diese Justage kann ein optimale Anpassung an feine Änderungen von Toleranzabständen, beispielsweise nach einem Wechsel der Fokussieroptik oder Änderungen an dem Probenhalter, vorgenommen werden. Um die Justage der mechanischen Drehachse F auf die Oberfläche der Planreferenz zu vermeiden, ist ein vereinfachter Aufbau möglich. Dazu wird die mechanische Drehachse F werksseitig so vorjustiert, dass sie durch die Fokusebene einer feststehenden Fokussieroptik verläuft. Dies ist für den Benutzer einfacher, erlaubt aber keine Anpassung an Änderungen der Vorrichtung. Nach diesem Kalibrierungsschritt, mit dem der Fokus auf die Oberfläche der Planreferenz und die mechanische Drehachse F durch den Fokus gelegt wird, wird das optische Bauteil in den Probenhalter eingelegt. Die räumliche Position des optischen Bauteils im Probenhalter entspricht derjenigen bei der späteren Reflexionsmessung. Zum Auffinden der ersten Drehachse (Radialachse) wird nunmehr bei festgehaltener mechanischer Drehachse F der Probenhalter in x-y-z- Richtung derart verschoben, dass der Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche des optischen Bauteils in den Fokus der Fokussieroptik gebracht wird. Bei diesem Schritt wird folglich der Probenhalter relativ zur feststehenden Drehachse F verschoben, so dass die Drehachse F nach Abschluss dieses zweiten Justierschrittes wieder durch den Fokus der Fokussieroptik, nun mit eingelegtem Bauteil, verläuft. Bei diesem zweiten Justierschritt kann durch entsprechende x-y-Verschiebung des Probenhalters der Scheitelpunkt der sphärischen Fläche des optischen Bauteils in die optische Achse der Fokussieroptik gelegt werden, also die zweite Drehachse (Azimutalachse) festgelegt werden. Insofern erübrigt sich hierfür ein gesonderter Justiervorgang.
In einem dritten Justierschritt wird die mechanische Drehachse F nunmehr zusammen mit dem Probenhalter und dem darin befindlichen Bauteil in z-Richtung derart verschoben, dass der Fokus der Fokussieroptik im Scheitelpunkt der sphärischen Fläche des optischen Bauteils liegt, wobei bei dieser Position in z- Richtung die mechanische Drehachse F als erste Drehachse für die anschließende Reflexionsmessung verwendet wird. Konkrete Möglichkeiten zum Auffinden der ersten und zweiten Drehachse sind weiter unten im Rahmen der Ausführungsbeispiele erläutert. Um beispielsweise bei einer Linse mit Öffnungswinkel von 180°, also einer Halbkugel, alle Punkte auf der Oberfläche messen zu können, muss die Bewegung der Linse um die erste Drehachse eine Verkippung von bis zu 90° erlauben. Bei dem oben beschriebenen zweiten Justierschritt wird der Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche in den Fokus der Fokussieroptik gelegt. Hierzu kann wiederum ein Autokollimationsfernrohr eingesetzt werden, wie es weiter unten im Rahmen der Ausführungsbeispiele näher erläutert werden wird. Alternativ kann ein Autofokussierverfahren zum Einsatz kommen. Gleiches gilt für den dritten Justierschritt, bei dem der Fokus der Fokussieroptik in den Scheitelpunkt der sphärischen Fläche gebracht wird. Bei diesem Schritt kann als weiteres alternatives Verfahren die Intensität des reflektierten Messstrahls gemessen werden, die im Scheitelpunkt ihr Maximum erreicht. Schließlich kann gemäß eines weiteren alternativen Verfahrens der Übergang von den zweiten zu dem dritten Justierschritt auch dadurch erfolgen, dass bei bekanntem Radius der sphärischen Fläche die mechanische Drehachse F zusammen mit dem Probenhalter um den Betrag dieses Radius in z-Richtung verschoben wird, so dass der Fokus der Fokussieroptik aus dem Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche auf den Scheitelpunkt der sphärischen Fläche verschoben wird. Die vorliegende Erfindung erlaubt nicht nur eine Reflexionsmessung bei lotrechtem Einfall des Messstrahls, sondern auch bei schrägem Lichteinfall und/oder bei einstellbarem Winkelspektrum. Dies lässt sich durch Einsetzen einer Aperturblende in den Messstrahlengang realisieren. Mittels einer Aperturblende kann die Apertur durch Verringerung des Durchmessers des Messstrahlengangs insbesondere verringert werden, so dass das Winkelspektrum des auf die sphärische Fläche auftreffenden Messstrahls entsprechend gering gehalten werden kann. Die Öffnung in einer Aperturblende kann zentral oder dezentral von der optischen Achse des Messstrahlengangs liegen, so dass mit Einfallswinkeln nahe 0° bzw. beliebigen anderen Einfallswinkeln gearbeitet werden kann. Beispielsweise kann auch mit einer ringförmigen Dunkelfeldblende eine Schräglichtbeleuchtung realisiert werden. Als Aperturblenden kommen auch variable innere Blenden oder LCD-Blenden in Frage. Letztere Blenden eignen sich insbesondere zur Realisierung beliebiger Blendenöffnungen und Blendenformen. Der hierdurch gewählte Einfallswinkel bleibt erfindungsgemäß für beliebige zu vermessende Punkte auf der sphärischen Fläche erhalten. Entsprechend bleibt bei Verwendung eines zentrierten Messstrahlengangs geringer Apertur ein Einfallswinkel nahe 0° während der Bewegung des optischen Bauteils, also über die gesamte Reflexionsmessung hinweg, erhalten.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn polarisiertes Licht für den Messstrahlengang verwendet wird. Die Reflexionseigenschaften hängen, wie bereits erwähnt, nicht nur von der Art des Lichteinfalls, sondern auch von den Polarisationseigenschaften des Lichtes ab. Beispielsweise kann bei Verwendung von linear zur Aperturblende polarisiertem Beleuchtungslicht durch Wahl der azimutalen Position der Aperturblende der Polarisationszustand relativ zur Probe eingestellt werden (p- oder s-Polarisierung). Nähere Erläuterungen zu dieser Ausführungsform finden sich in den entsprechenden Ausführungsbeispielen.
Der oben beschriebene Justiervorgang zum Auffinden der ersten und der zweiten Drehachse lässt sich mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die wie folgt ausgestaltet ist, vorteilhaft umsetzen: Der Probenhalter zur Aufnahme des optischen Bauteils ist dabei für eine automatische Verschiebung in x-y-z-Richtung, also in allen drei Raumrichtungen, ausgebildet. Die z-Richtung soll dabei zweckmäßigerweise die Richtung der optischen Achse einer zu vermessenden Linse darstellen. Durch Verschiebung in x-y-z-Richtung kann die Linse derart justiert werden, dass ihre optische Achse mit der optischen Achse der Fokussieroptik übereinstimmt. Weiterhin ist vorteilhafterweise der Probenhalter mit einen in z-Richtung beweglichen ersten Trieb ortsfest verbunden, wobei dieser erste Trieb auf einem zweiten, ebenfalls in z-Richtung beweglichen Trieb befestigt ist. Der erste Trieb kann somit den Probenhalter in z-Richtung verfahren. Der zweite Trieb verfährt hingegen den ersten Trieb zusammen mit dem Probenhalter.
Eine solche Konstruktion erlaubt das bereits geschilderte Auffinden der ersten Drehachse in optimaler Weise. Der zweite Trieb besitzt hierbei eine vertikal verstellbare Drehachse (F), wobei diese Drehachse in einer x-y-Ebene liegt und in z- Richtung (also vertikal) verstellbar ist. Diese Drehachse F ist nach Justierung mit der ersten Drehachse (Radialachse) identisch. Der Probenhalter selbst ist zweckmäßigerweise in einer Achse drehbar gelagert. Nach Justierung stimmt die Achse, in der der Probenhalter drehbar gelagert ist, mit der zweiten Drehachse (Azimutalachse) überein. Im Folgenden sei der bereits oben beschriebene Justiervorgang unter Verwendung der genannten Probenhalterkonstruktion näher erläutert: In einem ersten Kalibrierungsschritt wird die genannte Drehachse F des zweiten Triebs in z- Richtung verstellt, bis diese Drehachse F durch den Fokus der Fokussieroptik verläuft, wenn das optische Bauteil sich nicht im Probenhalter befindet. Wie oben bereits erläutert, kann hierzu eine in den Probenhalter eingelegte Planreferenz verwendet werden, mit deren Hilfe die richtige Fokusposition bestimmt werden kann.
Ausgehend von dieser Position wird bei festgehaltener Drehachse F, also bei unveränderter z-Position des zweiten Triebs, der Probenhalter mittels des ersten Triebs derart verschoben, dass der Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche des optischen Bauteils in den Fokus der Fokussieroptik gebracht wird. Hierbei kann unmittelbar nach Einlegen des optischen Bauteils in den Probenhalter eine x-y- Justierung derart erfolgen, dass der Scheitelpunkt der sphärischen Fläche in der optischen Achse der Fokussieroptik liegt. Diese durch den Scheitelpunkt der Linse verlaufende Achse kann dann für die anschließende Reflexionsmessung als zweite Drehachse (Azimutalachse) verwendet werden.
In einem dritten und letzten Justierschritt wird der zweite Trieb, der den ersten Trieb zusammen mit dem Probenhalter verfährt, in z-Richtung derart verschoben, dass der Fokus der Fokussieroptik in den Scheitelpunkt der sphärischen Fläche gebracht wird. Bei dieser z-Position der Drehachse F liegt diese im Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche und kann somit für die anschließende Reflexionsmessung als erste Drehachse (Radialachse) verwendet werden. Dieser Justiervorgang ist im Einzelnen weiter unten in dem entsprechenden Ausführungsbeispiel erläutert. Als Fokussieroptik kann ein Mikroskop-Objektiv oder eine Fokussierlinse verwendet werden. Als Fokussierlinse kann ein einfaches Objektiv oder eine achromatische Linse (unendlich korrigiert) verwendet werden. Bei einem Aufbau, wie er beispielsweise in den Ausführungsbeispielen beschrieben ist, ist die Fokussieroptik von Endlich im Objektraum nach Unendlich ausgelegt.
Die Fokussieroptik kann gemäß besonders bevorzugter Ausgestaltung auch zur Aufnahme des von der sphärischen Fläche reflektierten Lichts verwendet werden. Hierzu ist insbesondere der Fokussieroptik eine Tubuslinse nachgeschaltet, wodurch ein mikroskopischer Strahlengang definiert wird, wobei ein Detektor zur Reflexionsmessung in der Bildebene des mikroskopischen Strahlengangs angeordnet sein kann. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung Teil eines Mikroskop-Spektrometers ist. Hierzu wird als Fokussieroptik ein Mikroskop- Objektiv verwendet. Diesem Mikroskop-Objektiv ist in üblicher Weise eine Tubuslinse in einem mikroskopischen Strahlengang nachgeordnet. Ein Detektor ist zur Reflexionsmessung in der Bildebene des mikroskopischen Strahlengangs angeordnet. Bei diesem Detektor handelt es sich üblicherweise um ein Spektrometer. Weiterhin kann über einen Strahlteiler ein Teil des mikroskopischen Strahlengangs als Beobachtungsstrahlengang in ein Okular ausgekoppelt werden. Ein weiterer Strahlenteiler kann zur Einkopplung des Messstrahlengangs in den mikroskopischen Strahlengang vorgesehen sein. Vom Probenhalter aus gesehen ist dieser Strahlenteiler dem Mikroskop-Objektiv nachgeordnet, so dass der Messstrahlengang durch das Mikroskop-Objektiv läuft und von diesem auf die sphärische Fläche des optischen Bauteils fokussiert wird.
Der resultierende Aufbau eines solchen Mikroskop-Spektrometers entspricht somit im Wesentlichen dem Aufbau eines Auflicht-Mikroskops, wobei der Messstrahlengang über die Auflichtachse des Mikroskops auf das zu vermessende optische Bauteil fällt.
Es ist zweckmäßig, wenn die Beleuchtungsoptik eine Einrichtung zum Ändern der Blendenform einer Aperturblende aufweist. Hierdurch kann die bereits oben erläuterte Aperturänderung realisiert werden. Bei dieser Einrichtung zum Ändern der Blendenform einer Aperturblende kann es sich um eine Einrichtung zum Auswechseln und zum Einsetzen von Aperturblenden handeln, beispielsweise ein Blendenrad oder Blendenschieber. Alternativ handelt es sich bei dieser Einrichtung um ein LCD (Liquid Crystal Display). Mit solchen LCDs kann Form und Größe der Aperturblendenöffnung nahezu beliebig eingestellt werden. Auf diese Weise kann in besonders vorteilhafter Weise die bereits oben geschilderten Einstellungen von Polarisation, Einfallswinkel und Winkelspektrum für die Reflexionsmessung kontrolliert werden.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Beleuchtungsoptik eine Einrichtung zum Ändern der Blendenform einer Feldblende aufweist. Wiederum kann es sich bei dieser Einrichtung um ein Blendenschieber oder Blendenrad handeln. Ebenfalls kann wiederum eine LCD zum Einsatz kommen. Es ist vorteilhaft, wenn mittels dieser Einrichtung eine Maske, beispielsweise ein Fadenkreuz, in die Feldblende eingebracht werden kann. Mit dieser Ausgestaltung kann das Mikroskop zu einem Autokollimationsfernrohr ausgestaltet werden. Diese Ausgestaltung eignet sich in besonders günstiger Weise für den bereits erläuterten Justiervorgang zum Auffinden der ersten und zweiten Drehachse. Nähere Erläuterungen hierzu finden sich wiederum im entsprechenden Ausführungsbeispiel.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist vorteilhaft folgende weitere Merkmale auf, insbesondere um die oben beschriebene Justierung der Drehachsen sowie die anschließende Reflexionsmessung weitgehend oder vollständig automatisieren zu können. Es sind vorteilhafterweise Stellmittel vorhanden, um den Probenhalter um die erste und zweite Drehachse zu bewegen. Weiterhin sind für den ersten und zweiten z- Trieb und für eine x-y-Verschiebung des Probentisches Stellmittel vorhanden. Solche Stellmittel können manuell oder motorisch betrieben werden. Eine motorische Ansteuerung der Stellmittel ist für eine Automatisierung besonders vorteilhaft.
Um bei der Justierung und/oder der Reflexionsmessung die Positionen der genannten Stellmittel erfassen zu können, sind zweckmäßigerweise Messmittel vorhanden, mit denen Rotationen und Translationen erfassbar sind. Zur Messung der Rotationslage des optischen Bauteils kann beispielsweise ein kreisförmiger Ring am Probenhalter mit außen liegender Markierung bzw. Codierung vorhanden sein, die optisch und/oder elektronisch ausgelesen wird, so dass aus dieser Information die Position des optischen Bauteils relativ zu einer Bezugsposition bestimmt werden kann. Auf diese Weise können Punkte auf der sphärischen Fläche des optischen Bauteils beispielsweise durch Angabe von Längen- und Breitengraden exakt angegeben und aufgefunden werden. Für eine translatorische Bewegung in x- y-z-Richtung des Probenhalters können bekannte Messmittel zur Positionsdetektion eingesetzt werden, wie Linearkoordinaten mit Markierungen bzw. Codierungen, die wiederum optisch und/oder elektronisch ausgelesen werden können. Auch andere Methoden der Positionserkennung, beispielsweise mittels optischer Erfassung von Markern auf einem Bauteil, sind bekannt.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung der genannten motorischen Stellmittel vorhanden ist. Die Steuervorrichtung steht in Wirkverbindung mit den Messmitteln, um feststellen zu können, wann die gewünschte Position erreicht ist. Weiterhin ist zweckmäßig, wenn die Steuervorrichtung mit einer Autofokuseinrichtung in Wirkverbindung steht. Auf diese Weise können beispielsweise die oben beschriebenen Scheitelpositionen und Konfokalpositionen bei der Justierung automatisch angefahren werden. Analoges gilt für die oben beschriebenen alternativen Messverfahren des Autokollimationsfernrohrs, der Intensitätsmessung mit ihrem Maximum im Scheitelpunkt sowie der mechanischen Verschiebung um den Krümmungsradius. Sämtliche Varianten können über eine Steuervorrichtung, die von entsprechenden Steuerprogrammen angesteuert wird, automatisiert werden. Schließlich kann auch das Einlegen einer Planreferenz und/oder das Einlegen des optischen Bauteils in den Probenhalter automatisiert werden, so dass der Justiervorgang und der anschließende Vorgang der spektrometrischen Reflexionsmessung vollständig automatisiert ablaufen können. Bei der spektrometrischen Reflexionsmessung können dann vorgegebene Messpositionen, also bestimmte Punkte auf der sphärischen Fläche des optischen Bauteils, angefahren und vermessen werden. Ein entsprechendes Steuerprogramm steuert beispielsweise den Ablauf eines vorgebbaren Messzyklus an ausgewählten Positionen auf der sphärischen Oberfläche.
Schließlich können die Messwerte der spektrometrischen Reflexionsmessung automatisch ausgewertet und beispielsweise gegen Sollwerte für optimale Reflexionsmesswerte verglichen werden. Auf diese Weise kann beispielsweise die sphärische Fläche oder ihre Beschichtung kartographiert werden, so dass die Qualität der Oberfläche bzw. der Beschichtung kartographisch dargestellt werden kann. Die genannten Sollwerte eignen sich auch für die Ableitung eines optischen, akustischen und/oder elektrischen Signals für den Fall einer Grenzwertüberschreitung eines Messwerts. Eine solche Grenzwertüberschreitung kann auf eine zu dünne oder nicht wirksame Beschichtung hinweisen.
Im Folgenden seien die Vorteile, die sich aus der vorliegenden Erfindung ergeben, nochmals zusammengefasst:
In optischen Systemen treffen einfallende Lichtstrahlen auf jede Linsenoberfläche und dort an jeder Stelle unterschiedlich auf. Die Unterschiede liegen im Polarisationszustand, im Winkelspektrum und im Einfallswinkel des jeweiligen Lichtstrahls begründet. Insbesondere Interferenzschichten ändern ihre Reflexionseigenschaften mit zunehmendem Einfallswinkel deutlich. Eine Verschlechterung vieler optischer Eigenschaften des optischen Systems, wie Kontrast oder Transmission in Abhängigkeit der Feldposition, sind die Folge. Ortsaufgelöste, spektrometrische Messungen an Linsenoberflächen mit einer definierten Beleuchtung (bezüglich Polarisationszustand, Winkelspektrum und Einfallswinkel) insbesondere in Übereinstimmung mit den realen im optischen System vorliegenden Bedingungen sind erstmals durch die vorliegende Erfindung möglich.
Durch die vorliegende Erfindung wird es möglich, sphärische, optisch abbildende (polierte) Oberflächen an beliebigen aber definierten Stellen bei lotrechtem oder schrägem Lichteinfall, definierten Polarisationseigenschaften und einem einstellbaren Winkelspektrum spektrometrisch zu vermessen. Damit können erstmals verlässliche Daten über die Reflexionseigenschaften von insbesondere beschichteten Oberflächen ermittelt werden. Diese Daten werden im Rahmen immer hochwertigerer Optik- Systeme zur Optimierung von Beschichtungen oder zur Evaluierung bekannter und neuer Beschichtungsverfahren benötigt. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben. Figurenbeschreibung
Figur 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur
Reflexionsmessung gemäß vorliegender Erfindung;
Figuren 2A-2C zeigen drei Situationen bei einem Justiervorgang zum Ausrichten eines zu vermessenden optischen Bauteils;
Figur 3 zeigt schematisch die Position eines optischen Bauteils bei der
Reflexionsmessung an einem ausgewählten Punkt;
Figuren 4A-4B zeigt schematische Detailansichten bei der Reflexionsmessung an unterschiedlichen Punkten einer sphärischen Fläche eines optischen Bauteils;
Figur 5A-5B zeigt eine Möglichkeit zur Messung unter einem bestimmten
Einfallswinkel und/oder mit einem einstellbaren Winkelspektrum; und Figur 6A-6C zeigt verschiedene Möglichkeiten zur Reflexionsmessung mit unterschiedlichen Polarisationszuständen.
Im Folgenden sollen die Figuren übergreifend erläutert werden.
Figur 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Reflexionsmessung an einer sphärischen Fläche eines optischen Bauteils nach Art eines Mikroskop-Spektrometers gemäß vorliegender Erfindung. Die Vorrichtung befindet sich in einer Ausgangssituation, wie sie weiter unten anhand von Figur 2 näher erläutert werden soll. Die Vorrichtung 10 zur Reflexionsmessung weist einen in x-y-z-Richtung verschiebbaren Probenhalter 3 auf, der in der genannten Ausgangssituation als Probe eine Planreferenz 7 trägt. Der Probenhalter 3 ist mit einem ersten linearen Trieb 18 ortsfest verbunden, der den x-y-Probenhalter 3 in z-Richtung bewegt. Der erste Trieb 18 ist seinerseits auf einem zweiten ebenfalls in z-Richtung beweglichen Trieb 19 befestigt. Die z-Richtung verläuft hierbei parallel zur optischen Achse der Fokussieroptik 11, während die x-y- Ebene senkrecht dazu steht.
Der Probenhalter 3 ist in einer Achse H drehbar gelagert. Der zweite Trieb 19 besitzt eine vertikal (in z-Richtung) verstellbare Drehachse F, die hier in der Fokusebene G des Objektivs 11 liegt. Nach Beendigung des Justiervorgangs, wie er anhand von Figur 2 erläutert werden wird, stellt die Achse H die zweite Drehachse oder Azimutalachse 6 dar, während die Drehachse F dann die erste Drehachse oder Radialachse 5 für die Bewegung des Bauteils 1 bildet.
Der übrige Aufbau der Vorrichtung 10 zur Reflexionsmessung entspricht im Wesentlichen einem typischen Mikroskopaufbau 26 mit Auflichtachse. Über eine Beleuchtungsoptik 13 wird ein Messstrahlengang 14 erzeugt. Hierzu wird das Licht einer Lichtquelle 15 über entsprechende, hier nur schematisch dargestellte Linsen in einen parallelen Messstrahlengang 14 gebündelt. Die Beleuchtungsoptik weist weiterhin eine Aperturblende 12 sowie eine Feldblende 16 auf. Die Feldblende ist mit einer Einrichtung 17 zum Einschwenken einer Maske, beispielsweise einem Fadenkreuz, ausgestattet. In die Aperturblende 12 kann mittels einer Einrichtung 25 eine Maske, allgemein auch eine LCD, zur Änderung der Blendenöffnung und -form eingeschwenkt werden. Der Messstrahlengang 14 wird über einen Strahlenteiler 22 in den mikroskopischen Strahlengang eingekoppelt. Dieser mikroskopische Strahlengang wird von einem Mikroskop-Objektiv 11, das die Fokussieroptik darstellt, und einer Tubuslinse 20 definiert. Der Messstrahlengang 14 wird folglich über das Mikroskop-Objektiv 11 geleitet und als Messstrahl 4 auf die Probe, hier die Planreferenz 7 fokussiert. Reflektiertes Licht wird wiederum über das Mikroskop-Objektiv 11 gesammelt und über die Tubuslinse 20 einem Detektor 21 zugeführt, der üblicherweise ein Spektrometer darstellt. Weiterhin kann ein Teil des mikroskopischen (Beobachtungs-) Strahlengangs über einen weiteren Strahlenteiler 23 in ein Okular 24 für die visuelle Beobachtung geleitet werden.
Anhand der Figur 2 sei im Folgenden der Justiervorgang zum Auffinden der ersten und zweiten Drehachse und zum Ausrichten der sphärischen Fläche des optischen Bauteils in den Fokus der Fokussieroptik näher erläutert. Die Figur 2A zeigt hierbei die Ausgangssituation entsprechend Figur 1. Figur 2B zeigt die Situation bei eingelegter Probe bzw. Linse 1 und Figur 2C zeigt den letzten Schritt des Justiervorgangs. Nach dem Justiervorgang kann mit der eigentlichen Reflexionsmessung begonnen werden. Figur 2A zeigt die Ausgangssituation, bei der die Planreferenz 7, beispielsweise ein Spiegel oder ein reflektierendes Glasplättchen, in den Probenhalter 3 eingelegt ist. Die Oberfläche der Planreferenz 7 wird auf die Höhe der Drehachse F des zweiten Triebs 19 einjustiert. Die Planreferenz 7 muss in der Ebene der Drehachse F liegen und einmalig einjustiert werden. Durch Einschwenken beispielsweise eines Fadenkreuzes als Maske 17 in die Feldblende 16 kann durch das Mikroskop- Objektiv 11 das Fadenkreuz auf die Planreferenz 7 projiziert werden. Auf diese Weise kann ein Anwender am Mikroskop (Okular oder CCD) erkennen, wenn die Scheitelposition erreicht ist. Mit "Scheitelposition" ist hier eine Position gemeint, in der der Fokus des Objektivs 11 auf der Oberfläche der Planreferenz 7 liegt. Mit diesem Kalibrierungsschritt (erster Schritt des Justiervorgangs) wird die Fokusebene mit der Drehachse F derart in Übereinstimmung gebracht, dass der Fokus auf der Drehachse F liegt. Alternativ zu diesem optisch durchgeführten Kalibrierungsschritt könnten auch einmalig Markierungen an den linearen Trieben gemacht werden, die den Kalibrierungszustand definieren. Ein solches Vorgehen wäre aber weniger genau als eine optische Kalibrierung. Figur 2B zeigt die Situation nach Einlegen der Probe, also des optischen Bauteils, hier der Linse 1. Die Linse 1 mit Flächenradius Rl wird in den Probenhalter 3 eingelegt. Die Position der Linse 1 im Probenhalter 3 entspricht hierbei derjenigen bei der späteren Reflexionsmessung. Mit dem ersten z-Trieb 18 wird die Linse 1 in die Konfokalposition gebracht, d. h. der Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche der Linse 1 fällt mit dem Fokus des Mikroskop-Objektivs 11 zusammen. Im vorliegenden Fall wird mittels des ersten z-Triebs 18 der Probenhalter 3 nach oben verschoben, wobei die Konfokalposition beispielsweise vom Anwender wiederum mit einem projizierten Fadenkreuz erkannt werden kann. Hierdurch wird die Funktion eines Autokollimationsfernrohrs in das Mikroskop integriert. Mithilfe dieses Autokollimationsfernrohrs kann die Linse 1 auch mittig zur optischen Achse des Objektivs 11 verfahren werden, indem das Bild des Fadenkreuzes mittig zum Mikroskopfeld durch laterale Verschiebung des Probenhalters 3 in x-y-Richtung eingestellt wird. Der Scheitelpunkt der Linse 1 liegt somit in der optischen Achse des Objektivs 11. Somit ist auch die Drehachse H festgelegt.
Im dritten und letzten in Figur 2C dargestellten Schritt wird mit dem zweiten z-Trieb 19 die Linse 1 in die Scheitelposition (Fokus des Objektivs 11 liegt auf dem Scheitelpunkt der Linse 1) gefahren. Auch diese Position kann wiederum mithilfe des Autokollimationsfernrohrs eingestellt werden. Im dargestellten Fall bewegt der zweite z-Trieb 19 den ersten z-Trieb 18 samt Probenhalter 3 in z-Richtung nach unten. Der Verschiebebetrag entspricht dem Krümmungsradius der Linse 1. Somit beträgt der Abstand von der Linsenoberfläche im Scheitelpunkt der Linse 1 zur Drehachse F das Maß des Radius der sphärischen Linsenoberfläche. Der Aufbau kann nach dieser Justage um die Drehachse F geschwenkt werden, die nunmehr mit der ersten Drehachse (Radialachse) 5 übereinstimmt. Dabei bleibt die senkrechte Beleuchtung der Linsenoberfläche erhalten. Gleiches gilt für die Drehachse H, die nun mit der zweiten Drehachse (Azimutalachse) 6 übereinstimmt. Ergänzend sei angemerkt, dass die beschriebenen Autokollimationsvorgänge auch mittels eines Autofokussystems automatisiert werden können. Auch die im allgemeinen Beschreibungsteil erläuterten alternativen Verfahren, Messung der reflektierten Intensität, die am Scheitelpunkt maximal wird, oder Verschieben um den Betrag des bekannten Linsenradius, können ergänzend oder alternativ zum Einsatz kommen. Weiterhin können alle Rotationsachsen sowie alle Lateralachsen motorisch und insbesondere in Verbindung mit einem Autofokussystem automatisiert werden.
Figur 3 zeigt schematisch den Zustand bei der Reflexionsmessung an einem ausgewählten Punkt auf der sphärischen Fläche 2 einer Linse 1. Die Linse 1 befindet sich in der anhand der Figuren 1 und 2 bereits ausführlich beschriebenen Konstruktion mit Probenhalter 3. Die Doppelpfeile in Figur 3 zeigen die möglichen Freiheitsgrade für eine Bewegung der Linse 1 an. Nach erfolgreicher Justierung (vgl. Figur 2) wird eine Bewegung in x-y-Richtung des Probenhalters 3 sowie in z- Richtung mittels der Triebe 18 und 19 nicht mehr notwendig sein. Vielmehr befindet sich der Fokus des Messstrahls 4 auf der Oberfläche der Linse 1. Die Fokussierung erfolgt wiederum durch eine Fokussieroptik bzw. einem Mikroskop- Objektiv 11. Die Bewegung der Linse 1 erfolgt durch Drehen derselbigen über die zwei folgenden Drehachsen: Die erste Drehachse oder Radialachse 5, die in Figur 3 senkrecht zur Zeichenebene steht und durch den Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche 2 verläuft, sowie die zweite Drehachse oder Azimutalachse 6, die durch den Scheitelpunkt der Linse 1 und somit senkrecht zur x-y-Ebene des Probenhalters 3 verläuft und ortsfest in der Linse 1 verbleibt.
Die Reflexionsmessung erfolgt wie folgt: Eine Drehung um die Radialachse 5 bewirkt eine Verkippung der dargestellten Konstruktion, hier um 45°, ausgehend von der Situation gemäß Figur 2C nach erfolgter Justage. Allgemein bewirkt eine Drehung um die Radialachse 5 folglich eine Verkippung oder eine relative Bewegung des Fokus entlang eines Längengrads der sphärischen Fläche 2. Eine Drehung um die Azimutalachse 6 bewirkt eine relative Bewegung des Fokus des Messstrahls 4 entlang eines Breitengrads der sphärischen Fläche 2 der Linse 1. Auf diese Weise ist jeder Punkt der sphärischen Fläche 2 der Linse 1 mit dem Fokus des Messstrahls 4 anfahrbar und somit der Reflexionsmessung zugänglich. Gleichzeitig ist ein lotrechter Einfall des Messstrahls 4 für jeden zu vermessenden Punkt auf der sphärischen Fläche 2 garantiert. Gut sichtbar ist auch die Kopplung der Azimutalachse 6 an die Radialachse 5. Bei Drehung der Linse 1 um die Radialachse 5 ändert die in der Linse 1 festliegende Azimutalachse 6 ihre räumliche Lage.
Figur 4 zeigt schematisch eine Detailansicht eines senkrecht auf die sphärische Fläche 2 einer Linse (allgemein ein optisches Bauteil) 1 einfallenden Messstrahlengangs 14 und seine Detektion mittels eines Detektors 21 zur Reflexionsmessung. Der grundsätzliche Aufbau hierzu wurde bereits im Zusammenhang mit den vorangehenden Figuren ausführlich erläutert.
Figur 4A entspricht beispielsweise einer Situation, wie sie am Ende der Justage in Figur 2C vorliegt. Der zur Reflexionsmessung verwendete Messstrahl 4 entspricht dem auf die sphärische Fläche 2 fokussierten Messstrahlengang 14. Die sphärische Fläche besitzt den Radius Rl. Die Fokussierung erfolgt durch eine Fokussieroptik 11, hier wiederum ein Mikroskop-Objektiv der Apertur NA und der Brennweite f. Bei Verwendung einer Aperturblende 12 (vgl. Figur 1) mit Durchmesser d(ap) beträgt die numerische Apertur NA=d(ap)/2/f. Wie aus Figur 4A ersichtlich, wird der Ort der Probe mit dem entsprechenden Winkelspektrum beleuchtet. Dieses reicht von 0° bis ±arcsin (NA).
Figur 4B zeigt eine Situation bei einer Reflexionsmessung an einem anderen Ort der sphärischen Fläche 2 der Linse 1. Hier erfolgte gegenüber der Situation aus Figur 4A eine Verkippung durch entsprechende Drehung um die Radialachse 5 (vgl. Figur 3). Der zu vermessende Punkt liegt nunmehr an der Linsenperipherie. Das Winkelspektrum, mit dem die Probe beleuchtet wird, ist gleich demjenigen gemäß Figur 4A. Die im Zusammenhang mit den vorangehenden Figuren erläuterte mechanische Konstruktion erlaubt es, die Linse 1 genau um den Krümmungsmittelpunkt 27 der sphärischen Fläche 2 der Linse 1 zu drehen. In beiden Fällen der Figuren 4A und 4B erfolgt die Detektion des reflektierten Lichtes wiederum mittels des Mikroskop-Objektivs 11, das über den Strahlteiler 22 und der Tubuslinse 20 in einen Detektor 21 (oder einen Lichtleiter, der zu einem Detektor führt) fokussiert wird. Bei dem Detektor 21 handelt es sich beispielsweise um ein Spektrometer, das wellenlängenabhängig die Intensität des von der sphärischen Fläche 2 reflektierten Lichtes bestimmt. Durch Vermessung mehrerer Punkte auf der sphärischen Fläche 2 ist es möglich, die Güte einer Beschichtung der Linse 1 ortsaufgelöst zu bestimmen. Figur 5 zeigt eine ähnliche Ansicht wie Figur 4. Insofern sei auf die entsprechenden Erläuterungen in Zusammenhang mit Figur 4 verwiesen. Im Unterschied zu dem Aufbau gemäß Figur 4 werden bei dem Aufbau gemäß Figur 5 ein anderes Winkelspektrum und/oder ein anderer Einfallswinkel des auf die sphärische Fläche 2 treffenden Messstrahls 4 gewählt.
Hierzu wird mittels der Einrichtung 25 zur Änderung der Blendenform der Aperturblende 12 (vgl. Figur 1) in Figur 5A der Blendendurchmesser wie dargestellt verringert. Bei einem sehr kleinen Durchmesser d(ap) kann, wie in Figur 5A dargestellt, mit Einfallswinkel nahe 0° bei geringem Winkelspektrum gemessen werden. Dies ist für die Praxis der Reflexionsmessung häufig von Vorteil.
Eine andere Art der Blendenform wurde für Figur 5B verwendet. Als Aperturblende dient hier eine Ringblende mit dem Ringdurchmesser r(ap). Die Ringblende erzeugt einen ringförmigen Messstrahlengang 14, wobei der Durchmesser des in Figur 5B dargestellten Randstrahls d(ap) beträgt. Der auf die sphärische Fläche 2 auftreffende Messstrahl 4 trifft somit unter einem Einfallswinkel auf die sphärische Fläche 2 der Linse 1. Der mittlere Einfallswinkel beträgt hierbei arcsin(r(ap)/f). Das Winkelspektrum des Messstrahls 4 beträgt arcsin(r(ap)/f)±arcsin(d(ap)/2/f). Aus den Figuren 5A und 5B ist somit die Wirkung verschiedener Aperturblenden auf Einfallswinkel und/oder Winkelspektrum des zur Reflexionsmessung verwendeten Messstrahls ersichtlich. Tatsächlich ist es zur Nachbildung realer optischer Begebenheiten häufig zweckmäßig, Reflexionsmessungen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln und/oder unterschiedlichen Winkelspektren vorzunehmen. Schließlich kann die Reflexionsmessung auch von dem Polarisationszustand des auf die Probe auffallenden Messstrahls abhängen. Entsprechende Erläuterungen seien im Folgenden anhand von Figur 6 gegeben. Durch eine segmentierte Aperturblende 12 (vgl. Figur 1), wie sie sich beispielsweise mittels einer LCD in einfacher Weise realisieren lässt, kann der Polarisationszustand gewählt werden, für den die Reflexionsmessung erfolgen soll.
Figur 6A zeigt hierfür einen geeigneten Aufbau zur Reflexionsmessung in Detailansicht, wie er anhand der vorangehenden Figuren bereits ausführlich beschrieben worden ist. Die x-y-Ebene liegt senkrecht zur z-Richtung. Wie aus dem oberen Teil der Figur 6A ersichtlich, ist das verwendete Beleuchtungslicht in der Apertur linear polarisiert, in diesem Fall parallel zur x-Richtung.
Wie anhand von Figur 6B dargestellt, ergeben sich im Fokus des Objektivs 11 im dreidimensionalen Raum unterschiedliche Polarisationszustände des Beleuchtungslichts relativ zur Probe, hier das optische Bauteil 1. Die Polarisationszustände sind abhängig davon, wie das Licht in Bezug zur Einfallsebene schwingt. Wählt man als Einfallsebene die x-z-Ebene, ergibt sich die in Figur 6B im oberen Teil dargestellte TM-Polarisierung. Die Vektoren des elektrischen Feldes schwingen parallel zur x-z-Ebene.
Der andere Extremfall ist durch die Wahl der y-z-Ebene als Einfallsebene in Figur 6B, unterer Teil, dargestellt. Es ergibt sich eine TE-Polarisierung, bei der die Vektoren senkrecht zur Zeichenebene schwingen. Somit kann durch geeignete Wahl der Beleuchtungsposition nicht nur, wie oben beschrieben, der Einfallswinkel sowie das Winkelspektrum eingestellt werden, sondern auch der Polarisationszustand relativ zur Probe. Dies sei anhand Figur 6C verdeutlicht: Der Ort der Beleuchtungsposition sei in radialer Richtung durch r(ap) gegeben, wodurch der (mittlere) Einfallswinkel festgelegt wird. Durch Wahl des Durchmessers d(ap) ergibt sich das Winkelspektrum. Schließlich wird durch Wahl der Azimutalposition der Polarisationszustand relativ zur Probeeingestellt.
In Figur 6C, oberste Position, fällt das Beleuchtungslicht in die Peripherie der x-y- Ebene entlang der x-Achse. Die Beleuchtung erfolgt somit mit p-polarisiertem Licht (TM). In der mittleren Position der Figur 6C ist dargestellt, wie wiederum in der Peripherie der x-y-Ebene, diesmal aber entlang der y-Achse die Probe bestrahlt wird. Es ergibt sich eine s-Polarisierung (TE). In diesem Beispiel wurden zur Erhöhung der Lichtmenge zwei Blendenöffnungen gewählt, prinzipiell ist auch eine Blendenöffnung ausreichend. Schließlich kann durch Einsatz einer Ringblende, wie in der untersten Position der Figur 6C dargestellt, eine zufällige Polarisationsverteilung eingestellt werden.
Bezugszeichenliste
1 optisches Bauteil, Linse
2 sphärische Fläche
3 Probenhalter
4 Messstrahl
5 erste Drehachse (Radialachse; Referenz für Fokusebene)
6 zweite Drehachse (Azimutalachse)
7 Planreferenz
10 Vorrichtung zur Reflexionsmessung
11 Fokussieroptik, Mikroskop-Objektiv
12 Aperturblende
13 Beleuchtungsoptik
14 Messstrahlengang
15 Lichtquelle
16 Feldblende
17 Maskeneinschwenkeinrichtung
18 erster Trieb
19 zweiter Trieb
20 Tubuslinse
21 Detektor, Spektrometer
22 Strahlenteiler
23 Strahlenteiler
24 Okular
25 Maskeneinschwenkeinrichtung
26 Mikroskopaufbau
27 Krümmungsmittelpunkt
F mechanische Drehachse
G Fokusebene
H Drehachse des Probenhalters

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur spektrometrischen Reflexionsmessung an einer sphärischen Fläche (2) eines optischen Bauteils (1), wobei zur Reflexionsmessung ein an der sphärischen Fläche (2) des optischen Bauteils reflektierter Messstrahl (4) verwendet wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein senkrecht auf die sphärische Fläche (2) einfallender Messstrahlengang (14) mittels einer Fokussieroptik (11) auf die sphärische Fläche (2) fokussiert wird, wobei anschließend zur Reflexionsmessung an einem beliebigen Punkt auf der sphärischen Fläche (2) das optische Bauteil (1) um zwei zueinander senkrechte und durch den Krümmungsmittelpunkt (27) der sphärischen Fläche (2) verlaufende Drehachsen (5, 6) bewegt wird, wobei während der Bewegung des Bauteils (1) der Fokus des Messstrahlengangs (14) unverändert auf der sphärischen Fläche (2) des Bauteils (1) verbleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einsetzen einer Aperturblende (12) in den Messstrahlengang (14) der Einfallswinkel und/oder das Winkelspektrum des auf die sphärische Fläche (2) treffenden Messstrahls (4) vorgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass polarisiertes Licht für den Messstrahlengang (14) verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche unter Verwendung eines in x-y-z-Richtung verschiebbaren Probenhalters (3) für das optische Bauteil (1), wobei eine z-Achse parallel zur optischen Achse der Fokussieroptik (11) verläuft, wobei zum Auffinden der ersten Drehachse (5) eine mechanische Drehachse (F) des Probenhalters (3) vorgegeben wird, die in die Position der ersten Drehachse (5) justiert wird, indem
zunächst diese mechanische Drehachse (F), um die der Probenhalter (3) gedreht werden kann und die senkrecht zur z-Achse verläuft und in z-Richtung verschiebbar ist, derart justiert wird, dass diese mechanische Drehachse (F) durch den Fokus der Fokussieroptik (11) verläuft, wenn das optische Bauteil (1) sich nicht im Probenhalter (3) befindet, wobei
anschließend das optische Bauteil (1) in den Probenhalter (3) eingelegt wird und bei festgehaltener mechanischer Drehachse (F) der Probenhalter (3) in x-y-z- Richtung derart verschoben wird, dass der Krümmungsmittelpunkt (27) der sphärischen Fläche (2) des optischen Bauteils (1) in den Fokus der Fokussieroptik (11) gebracht wird, und wobei
daraufhin die mechanische Drehachse (F) zusammen mit dem Probenhalter (3) in z-Richtung derart verschoben wird, dass der Fokus der Fokussieroptik (11) im Scheitelpunkt der sphärischen Fläche (2) liegt, wobei für die anschließende Reflexionsmessung die mechanische Drehachse (F) bei dieser erreichten z-Position als erste Drehachse (5) verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Auffinden der zweiten Drehachse (6) das optische Bauteil (1) in einen bzw. den in x-y-z-Richtung verschiebbaren Probenhalter (3) eingelegt wird, wobei der Probenhalter (3) solange verschoben wird, bis die optische Achse der Fokussieroptik (11) durch den Scheitelpunkt der sphärischen Fläche (2) des optischen Bauteils (1) verläuft, wobei für die anschließende Reflexionsmessung diese Achse als zweite Drehachse (6) verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Auffinden der zweiten Drehachse (6) diese ortsfest im optischen Bauteil verbleibt.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fokussieroptik (11) ein Mikroskop-Objektiv oder eine Fokussierlinse verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (11) auch zur Aufnahme des von der sphärischen Fläche (2) reflektierten Lichts verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als optisches Bauteil (1) eine Linse mit einer zumindest zum
Teil sphärischen Linsenoberfläche verwendet wird.
10. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahren zur spektrometrischen Reflexionsmessung an einer sphärischen Fläche (2) eines optischen Bauteils (1), wobei zur Reflexionsmessung ein an der sphärischen Fläche (2) des optischen
Bauteils reflektierter Messstrahl (4) verwendet wird, mit:
einem Probenhalter (3) zur Aufnahme des optischen Bauteils (1),
einer eine Lichtquelle (15) aufweisenden Beleuchtungsoptik (13) zur
Erzeugung eines Messstrahlengangs (14), und
einer Fokussieroptik (11) zum Fokussieren des senkrecht auf die sphärische
Fläche (2) einfallenden Messstrahlengangs (14) auf die sphärische Fläche (2) des optischen Bauteils (1),
wobei der Probenhalter (3) derart verschiebbar und drehbar eingerichtet ist, dass die Position des optischen Bauteils (1) relativ zum feststehenden Messstrahlengang (14) durch Bewegen um zwei zueinander senkrechte und durch den Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche (2) verlaufende Drehachsen (5,
6) veränderbar ist, wobei während der Bewegung des Bauteils (1) der Fokus des
Messstrahlengangs (14) unverändert auf der sphärischen Fläche (2) des Bauteils (1) verbleibt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Probenhalter (3) Mittel für eine automatische Verschiebung in x-y-z-Richtung aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenhalter (3) mit einem in z-Richtung beweglichen ersten Trieb (18) ortsfest verbunden ist, wobei der erste Trieb (18) auf einem zweiten in z-Richtung beweglichen Trieb (19) befestigt ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Trieb (19) eine vertikal verstellbare mechanische Drehachse (F) besitzt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenhalter (3) in einer Achse (H) drehbar gelagert ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (11) ein Mikroskop-Objektiv oder eine Fokussierlinse darstellt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokussieroptik (11) eine Tubuslinse (20) nachgeschaltet ist, die einen mikroskopischen Strahlengang definieren, und dass ein Detektor (21) zur Reflexionsmessung in der Bildebene des mikroskopischen Strahlengangs angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlenteiler (22) zur Einkopplung des Messstrahlengangs (14) in den mikroskopischen Strahlengang der Fokussieroptik (11) nachgeschaltet ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsoptik (13) eine Einrichtung (25) zum Ändern der Blendenform einer Aperturblende (12) aufweist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsoptik (13) eine Einrichtung (17) zum Ändern der Blendenform einer Feldblende (16) aufweist.
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