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CN101495833A - 确定光学表面的实际形状偏离理想形状的偏差的方法和装置 - Google Patents

确定光学表面的实际形状偏离理想形状的偏差的方法和装置 Download PDF

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CN101495833A
CN101495833A CNA200780027739XA CN200780027739A CN101495833A CN 101495833 A CN101495833 A CN 101495833A CN A200780027739X A CNA200780027739X A CN A200780027739XA CN 200780027739 A CN200780027739 A CN 200780027739A CN 101495833 A CN101495833 A CN 101495833A
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Abstract

一种确定光学表面(12；103)的实际形状偏离理想形状的偏差的方法，包括如下步骤：提供入射电磁测量波(20；113)，提供两个衍射结构(47，49；145，146，141，143)，在每种情况下，所述两个衍射结构被设计为重塑入射波的波前，通过辐射入射测量波(20；113)到至少一个待标定的衍射结构，标定两个衍射结构(47，49；145，146，141，143)中的至少其中之一，以及在测量波和至少一个待标定的衍射结构(47；49；145，146，141，143)相互作用后，确定测量波(20；113)的实际波前偏离理想波前的标定偏差，将两个衍射结构(47；49；145，146，141，143)设置于入射测量波(20；113)的光路中，从而测量波的各条光线辐射通过两个衍射结构(47；49；145，146，141，143)，以及通过两个衍射结构(47；49；145，146，141，143)将入射测量波(20；113)重塑为匹配的测量波(64；114)，其波前匹配光学表面(12；103)的理想形状，在匹配的测量波(64；114)的光路中设置光学表面(12；103)，从而匹配的测量波(64；114)和光学表面(12；103)相互作用，以及在匹配的测量波(64；114)和光学表面(12；103)相互作用之后，测量匹配的测量波(64；114)的波前。

Description

确定光学表面的实际形状偏离理想形状的偏差的方法和装置
背景技术
本发明涉及确定光学表面的实际形状偏离理想形状的偏差(deviation)的方法和装置。此外，本发明涉及光学元件的制造方法。例如，在WO 2006/077145 A2中描述了这种类型的装置。该装置包括用于产生测量波的干涉仪，其波前在此适合光学表面的理想形状。适合的测量波的波前在光学表面上反射之后被干涉分析，从而确定光学表面的实际形状偏离理想形状的偏差。
具有光学表面的光学元件例如是诸如透镜或反射镜的光学组件。这些类型的光学组件用于光学系统，例如天文学中所使用的望远镜或者光刻工艺中所使用的成像系统。基本上通过光学系统的光学组件的能够被制造以及随后被处理的精度确定这种类型的光学系统的成功程度，从而光学系统的表面形式分别对应于光学系统的设计者在设计光学系统时所确定的理想形式。在这种类型的制造框架中，需要将被处理的光学表面的形式与光学系统的理想形式进行比较，以及确定完成的表面和理想表面之间的任何差别和偏差。在被处理的表面和理想表面之间的差别超过例如预先确定的阈值的区域可以处理光学表面。
通常，干涉仪用于光学表面的非常高精度的测量。传统的用于测量光学表面的干涉仪配置通常包括相干光源和干涉仪光学系统，从而产生入射到待测表面的测量光束，使得测量光的波前在待测表面的位置分别具有与待测表面的理想形式相同的形状。在这种情况下，测量光束的光基本上垂直地入射到被测量表面的每个位置，然后自身从被测量表面反射回去。然后反射回的测量光和参考表面反射回的参考光重合。然后可以从由此产生的干涉确定被测量表面的形式偏离理想形式的偏差。
而通过使用传统的干涉仪光学系统，能够产生球面波前，用于以相对高的精度测量球面光学表面，为了产生非球面波前的测量光束从而使测量光在待测量的非球面光学表面的每个位置垂直入射到该待测量的非球面光学表面，需要先进的技术。为了产生这些类型的测量光束，使用了被称为零透镜(zero lenses)，K系统或补偿器的光学系统。在Wiley interscience出版社1992年所出版的Daniel Malacara所著的教科书《Optical Shop Testing》第二版的第12章中有对这种零透镜或补偿器的背景知识的描述。
这种用于产生非球面波前的补偿器可以包括一个或多个诸如透镜的折射光学元件，或一个或多个诸如衍射光栅或全息图(hologram)的衍射光学元件。可以在Daniel Malacara所著的上述教科书的第15.1、15.2和15.3章中找到涉及在干涉仪光学系统中使用衍射光栅的背景知识。
该衍射光栅可以是由通过诸如光线追迹的方法的合适的计算方法仿真的干涉仪的结构产生的计算机产生的全息图(CGH)，以及在此计算的衍射光栅的相位函数从而后者在干涉仪配置的光路中具有理想的函数。这可以从衍射光栅的被计算的相位函数中产生。
产生这些类型的计算机产生的全息图的方法包括例如光刻(lithographic)步骤辅助，使用激光束或电子束写光栅。
这里的一个问题是高线密度的衍射光栅的效应难以用简单的衍射理论预测，此外诸如底板高度(base height)、边缘陡度和边缘的圆度等光栅的制造相关参数影响光栅的效应，所述高线密度光栅指光栅周期不充分大于所使用的检测光的波长的情况。这样的影响不仅由光栅周期决定，在该技术领域也被称为严格效应(rigorous effect)。
从WO03/048715A1可知一种具有CGH的干涉仪配置，其产生两种类型的波前，一种类型的波前是用于测量非球面光学表面的非球面波前，而另一类型的波前则基本上是球面波前，通过该球面波前可以测量标定块(calibration block)。通过标定块的测量可以得到关于全息图对测量光的效应的结论，所述测量光之后可以在分析非球面光学表面测量时使用。
所谓的旋转平均法(rotation averaging method)已被证明有利于最精确的干涉测量。但是旋转平均法只适合测量旋转对称的表面。无旋转对称性的自由形式表面不能使用旋转平均法测量。对于明显离心的离轴非球面，在一些旋转位置只能得到有明显缺点的测量。离轴非球面被理解为具有相对于其对称轴明显离心的待测量的表面区域的基本上旋转对称的非球面。对于这类离轴非球面的一些旋转位置的测量来说，测试光学系统必须不仅被设计用于待测试的离轴的有用区域，实际上还用于能够减少局部分辨率(local resolution)的旋转对称非球面的母表面。
基本目的
本发明的目的是解决上述的问题，特别是提供高精度测量任意形状的光学表面特别是非球面光学表面的方法和仪器。需特别指出，本发明能够测量非旋转对称表面。这些类型的非旋转对称光学表面包括例如非旋转对称样本或旋转对称样本的离轴区域的光学表面。
发明的解决方案
根据本发明使用权利要求5的方法，权利要求35的方法，权利要求40的装置，以及权利要求1的光学元件实现该目的。从属权利要求中详述了发明的更多优势。
根据本发明，提供了一种确定光学表面的实际形状偏离理想形状的偏差的方法。本发明的方法包括以下步骤：提供入射电磁测量波；提供两个衍射结构，所述两个衍射结构被设计为重塑到达波的波前；通过辐射入射测量波到至少一种衍射结构上，标定衍射结构的至少其中之一，以及在测量波与至少一个待标定的衍射结构相互作用后，确定测量波的实际波前偏离理想波前的标定偏差；将两个衍射结构置于入射测量波的光路中，从而测量波的各条光线都可以辐射通过两个衍射结构，以及通过两个衍射结构重塑入射测量波，以形成适合的测量波，其波前适合光学表面的理想形状；将光学表面置于适合的测量波的光路中，从而适合的测量波与光学表面相互作用，以及在适合的测量波和光学表面相互作用之后测量适合的测量波的波前。
根据本发明，进一步的目的是得到一种确定光学表面的实际形状偏离理想形状的偏差的装置。根据本发明的该装置包括提供入射电磁测量波的部件，两个衍射结构，所述两个衍射结构被设计为用于分别重塑到达波的波前，在装置处于测量模式时，两种衍射结构都置于入射测量波的光路中，从而入射测量波的各条光线都能辐射通过两个衍射结构，以及通过两个衍射结构重塑入射测量波以形成适合的测量波，其波前适合光学表面的理想形状。根据本发明的装置进一步包括标定两个衍射结构的至少其中之一的部件，所述衍射结构被设计为在测量波与至少一个待标定的衍射结构相互作用后，确定测量波的实际波前偏离理想波前的标定偏差，以及用于在适合的测量波与光学表面发生相互作用后，确定适合的测量波的波前的波前测量设备。
根据本发明，通过这些类型的衍射结构能够以高精度任意操纵理想波前。此类型的衍射结构可以具有全息图，特别是计算机产生的全息图(CGH)。通过例如光束追迹的方法用计算机计算出合适的光栅并将计算好的光栅写到基板表面从而制造CGH。可以使用例如光刻方法制造光栅。使用衍射结构能够非常精确地调整适合的测量波的理想波前。
在适合的测量波与光学表面发生相互作用后，就可以测量适合的测量波的波前，例如，使用干涉仪。适合于此的干涉仪包括，例如斐索(Fizeau)型，威曼格林(Twyman Green)型，麦克尔逊(Michelson)型和马赫曾德(Mach-Zehnder)型干涉仪等。在Wiley Interscience出版社1992年所出版的Daniel Malacara所著的教科书《Optical ShopTesting》第二版的2章中描述了这些类型干涉仪的示例。光学表面的实际形状偏离理想形状的偏差可以通过所测量的波前而确定。有利地，根据本发明的方法包括从所测量的波前确定光学表面的实际形状偏离理想形状的偏差这一步骤。
正如上文所述，通过将入射测量波辐射到至少一个待标定的衍射结构上以及在测量波和待标定的至少一个衍射结构相互作用后确定测量波的实际波前偏离理想波前的偏差，这里称为标定偏差，从而标定两个衍射结构的至少其中之一。从而根据本发明，在测量波和待标定的衍射结构相互作用后，例如在测量波在衍射结构上反射或测量波通过衍射结构之后，考虑到其实际波前偏离理想波前的偏差，分析入射测量波。从而，由此确定的标定偏差就是和待标定的衍射结构相互作用后的测量波偏离理想波的偏差的度量。当经过两个衍射结构之后，入射测量波被重塑以形成适合的测量波，其波前适合光学表面的理想形状。适合的测量波的各条光线分别垂直入射到光学表面的理想形状(自准直位置)。
通过根据本发明标定两个衍射结构的至少其中之一，能够以高精度实现光学表面的实际形状偏离理想形状的偏差的确定。当确定光学表面的实际形状偏离理想形状的偏差时，在测量波和至少一个待标定的衍射结构相互作用之后，通过标定非常精确的了解的测量波的实际波前偏离理想波前的偏差可以在计算中加以考虑。
根据本发明，入射测量波的各条光线辐射通过全部两个衍射结构。根据本发明，为了这个目的，例如两个衍射结构可以在入射测量波的光路中相继置于各自的基板上。另一选择为，两个衍射结构可以诸如互相叠置在公共基板上，从而两个衍射结构中的一个形成基光栅(base grating)，另一个衍射结构形成上光栅(over-grating)。在这种情况下，入射测量波的各条光线也辐射穿过基光栅和上光栅的形式的两个衍射结构。
在根据本发明的一个实施例中，提供两个衍射结构，所述两个衍射结构或者叠置在一个表面上，或者分别置于不同的表面上。衍射结构的第一个与第二衍射结构相比较具有高的线密度。第一衍射结构的误差对于结果波前具有比较大的影响。第一衍射结构也具有较强的严格效应。第二衍射结构具有低的衍射效应。第二衍射结构的误差对于结果波前具有比较小的影响。第二衍射结构只在比较小的程度上具有严格效应。从而，通过理论计算和第一衍射结构的量化(测量)可以很好的预测误差的影响。
两个衍射结构的光束形成效应(beam-form effect)的组合从干涉仪的入射光产生用于波形测试或者非球面、离轴非球面或自由形式表面的形式测试的测试波(test wave)，以及用于测量已知的标定波。
通过理论计算和量化计算标定，测试波的误差可以被很好的确定，以及在形状测试的时候加以考虑。基于单独的衍射结构的衍射的光束形成效应的组合可以在数学上如下描述：
Figure A20078002773900171
ФP/K表示测试波和标定波的波前，
Figure A20078002773900181
表示具有高的或低的线密度的衍射结构在第一级产生的波前，
m1≠0表示具有高线密度的衍射结构上的测试波和标定波共同的衍射级数。
m2P≠m2K表示具有低线密度的衍射结构上的测试波和标定波的不同的衍射级数。
在根据本发明的一个实施例中，衍射结构顺序的排列。为了这个目的，衍射结构可以置于各自的基板上。从而对于标定或者形状测试，有可能从光路中完全去除基板(+光栅)。可选择的，顺序放置的衍射结构可以置于公共基板的前侧和后侧。在根据本发明的可选择的实施例中，衍射结构叠置，粗光栅
Figure A20078002773900182
作为细光栅
Figure A20078002773900183
的上光栅。细光栅和粗光栅两者都可以被设计为振幅或相位光栅。设计为相位光栅则光栅效率增加，因为首先它们不阻挡光(例如通过吸收)，其次抑制零级衍射级以及向其他衍射级按比例传导光。
在已经提到的根据本发明的实施例中，在入射测量波的光路中衍射结构相继放置。第一衍射结构被标定，另一衍射结构仅导致相对小的波前形变。这样，考虑到其波前形变特性，这可以相对高精确度地产生。从而，可以提供适合的测量波，可以非常精确的了解其偏离光学表面的理想形状的偏差。这应用于任何光学表面的理想形状。这样，光学表面可以例如被设计为自由形式表面。这样，通过适合的测量波的波前的精确的了解，光学表面可以以高精度被测量。
通过根据本发明标定第一衍射结构，大部分的测试组合误差可以被标定。实质上，仅余下第二衍射结构的误差贡献。通过根据本发明的标定的方式，大部分的测试组合误差可以被标定。剩余的误差贡献来源于衍射结构的基板的制造的不精确，其来源于形状和均匀性、基板在样本测量时的形变、以及衍射结构的写入误差和当使用CGH作为衍射结构时的严格误差。CGH的严格误差被理解为以简化形式得到的衍射结构的线梯度，和通过麦克斯韦方程组严格计算的模式计算相比较的结果。
因为其他的衍射结构仅需要执行较小的波前形变，小的条纹(band)密度对衍射结构是足够的。这样，上述的剩余的误差贡献仅带来小的误差。由于CGH写入误差带来的波前误差从而与条纹密度成比例。由于基板反射导致的误差也和形变效应成比例，因此和CGH的条纹密度成比例。严格效应的贡献与CGH的条纹密度相比在数量上具有过度的比例(overproportionately)。小的条纹密度的严格计算的精度基本上也较高。
根据本发明可以得到的近似直线的条纹梯度，具有小的线密度以及第二衍射结构无奇异特性，为第二衍射结构的统一制造过程提供支持。衍射结构产生的波的从衍射结构的写入过程产生的波前误差被最小化。这使结构可以统一蚀刻。从而得到的剖面形状(shape)的小的不确定度带来衍射结构的质量的更高的精确度。
在本发明已经提到的实施例中，衍射结构分别置于其各自的基板上，即第一衍射结构形成具有第一基板的第一衍射元件的一部分，以及第二衍射结构形成具有第二基板的第二衍射元件的一部分。在一个根据本发明的可选择的实施例中，两个衍射结构叠置在公共基板的表面上。有利的，第一衍射结构形成基光栅，第二衍射结构形成上光栅。
在另一个有利的实施例中，两个衍射结构的第一个，在重塑有利的是平面波的入射测量波以形成适合的测量波时，产生波前重塑的主要部分。由此，第一衍射结构具有具有高的衍射效应。在该实施例中，产生波前重塑的主要部分的第一衍射结构被标定。在一个特别的有利的实施例中，该衍射结构带来波前重塑的非常主要的部分，即波前重塑如此主要的部分，以至于当测量光学表面时，其他衍射结构中的一般的制造误差仅产生可以忽略的不精确部分。有利地，第一衍射结构具有高于第二衍射结构的线密度的线密度。
此外，如果两个衍射结构的其中之一，有利的是其中另一个衍射结构或者第二衍射结构，的线密度最大是30线/mm是有利的。当通过本发明的方法测量光学表面时，考虑到通过其产生的测量准确度制造衍射结构时，通过这种小的线密度，写入误差基本不会带来任何误差。例如如果最适应球面的光学表面的理想形状的最大偏差是1°，以及入射测量波通过标定的衍射结构被转换成波前适合最适应球面的波，那么有可能进行这种类型的限制。
此外，如果根据本发明的方法进一步包括考虑到标定偏差，从适合的测量波的被测量的波前确定光学表面的实际形状偏离理想形状的偏差，那么这种情况是有利的。对标定偏差的考虑能够计算修正光学表面的被测量形状的后续的计算。
在另一个有利的实施例中，重塑入射测量波，从而形成适合的测量波包括如下步骤：通过两个衍射结构中的第一个重塑入射测量波，以形成近似的测量波，其波前近似光学表面的理想形状，以及重塑近似的测量波的至少一部分，以通过置于近似的测量波的光路中的第二衍射结构形成适合的测量波。这样，入射测量波的波前到光学表面的理想形状的适应被一步一步的执行，首先通过重塑入射测量波形成近似的测量波以及据此形成适合的测量波。
为了最小化反射，入射测量波有利的以倾斜的角度入射到第一衍射结构上。这可以通过例如预设棱镜或通过以一定角度放置第一衍射结构而得到。
有利的，标定入射测量波在测量模式下入射的第一衍射结构。由此，可以非常精确的了解近似的测量波的形状。只有第二衍射结构引起的波前误差错误的描述了(falsify)光学表面的测量结果。
在另一个有利的实施例中，适合的测量波的传播方向相对于近似的测量波的传播方向倾斜。两个传播方向之间的倾斜角度有利的是大于3°，以及优选的是大约8°。通过倾斜的方式，破坏性的反射被减少，从而可以在第二衍射结构上形成近似直的条纹密度梯度，作为结果的线密度进一步保持较小。
此外，如果近似的测量波具有球面波前是有利的。这种类型的球面波前可以以高精度标定，例如通过标定球面的方式。
此外，如果近似的测量波的波前基本上具有光学表面的最适应球面的形状是有利的，所以近似的测量波的波前近似于或者具有最适应球面的形状。这样，第二衍射结构带来的形变被限制为仅是从光学表面的最适应球面到光学表面的理想形状的偏离。这些偏离一般相对较小，通过这种方式第二衍射结构的制造公差所带来的误差也可以保持较小。
此外，如果近似的测量波具有非球面波前是有利的。非球面波前被理解为偏离球面形式的波前，但波前不是平面的。
此外，如果近似的测量波的非球面波前如下配置是有利的，其中当近似的测量波穿过具有第二衍射结构的基板的厚度的平面平行板，近似的测量波的至少一部分的非球面波前被重塑以形成标定波，该标定波的波前的横截面具有圆锥截面形状，特别是非球面的形式。波前的横截面被理解为垂直于波的传播方向的穿过波的截面。因此，具有圆锥截面形状的横截面的波前可以例如是球面或沿椭球面、抛物面或双曲面等的表面延伸。具有这种类型的形状的波前能够通过同样具有该形状的标定物体以高精度被标定。这可以例如通过在该标定物体上反射波，以及通过干涉测量该反射波而实现。这样，近似的测量波可以在穿过第二衍射结构之后通过形状可以被很精确的确定的标定物体的方式被标定。从该信息，人们可以在测量波穿过第一衍射结构之后，直接得到关于测量波的实际形状的结论。在该实施例中，第二衍射结构的基板的制造公差产生的误差贡献可以被标定。这些类型的制造公差包括基板的形状和均匀性。由此，只有测量过程中基板的形变或偏转、CGH写入误差以及CGH的严格误差仍然具有误差贡献。这些贡献有利的被测量或转化为相应的标定数据。由于衍射元件的低的折射能力和小的条纹密度，这些数据仅具有很小程度的不确定度。
有利的，近似的测量波通过第二衍射结构被重塑以形成适合的测量波以及标定波两者。有利的，适合的测量波的传播方向相对于标定波的传播方向倾斜。倾斜角度有利的大于3°，优选的是约7°。在一个有利的实施例中，标定波是经过第二衍射结构的近似的测量波的零级衍射级。经过第二衍射结构的更高衍射级的光作为适合的测量波。在可选的实施例中，第二衍射结构数次编码，从而具有数个，特别是两个，彼此独立的光栅结构。然而，标定波通过光栅结构产生，适合的测量波通过第二光栅结构产生。通过产生标定波以及适合的测量波的两者，在标定步骤之后，光学表面可以被测量，之前无需改变第一和第二衍射元件的配置。由此，机械公差的效应可以被最小化，从而可以提高测量结果的精度。
在另一个有利的实施例中，近似的测量波的非球面波前具有圆锥截面形状的横截面。在这种情况下，有可能通过具有例如椭球面、抛物面或者双曲面形状的标定物体直接标定近似的测量波。
此外，如果近似的测量波的非球面波前是旋转对称的是有利的。在这种情况下，近似的测量波能够通过已知的方法被高精度的标定。可以通过例如已知的旋转平均方法确定非旋转对称误差，以及通过传统的误差计算方法确定旋转对称误差。
此外，当标定两个衍射结构的其中之一时，在测量波和待标定的衍射结构相互作用之后再完全确定(absolutely determination)测量波的实际波前是有利的。通过波前的完全确定，可以考虑到其波前形变特性而完全的标定待标定的衍射结构。这使其可能以提高的精度确定光学表面的实际形状。
如上文所解释的，当标定待标定的衍射结构时，测量波和待标定的衍射结构相互作用后，测量波被具有圆锥截面形状的横截面的标定物体特别是标定球面反射以及被干涉测量。这样，除了球面形状，标定物还可以具有椭球面，抛物面或双曲面的形状。如果测量波的波形在测量波和待标定的衍射结构相互作用之后具有相应的形状，有可能实现高精度的波的标定。
标定物体的形状被完全确定是特别有利的。如果标定物体的形状是完全已知的，测量波的实际波前可以在测量波和待标定的衍射结构相互作用之后被完全确定。为了标定物体的形状的完全的确定，例如，可以使用现有技术中已知的剪切技术(shear technique)和三位置检测。剪切技术在例如Günther Seitz所著的出版物“Highly ResolvedInterferometric Absolute Measurement of Rotationally SymmetricalSurface Errors”，DGaO会议记录2006中进行了说明。该文件的内容通过具体引用的方式并入本申请的公开内容。三位置检测在例如Katherine Greath和James C.Wyant所著的“Absolute Measurement ofSpherical Surfaces”，SPIE VOL.1332 Optical Testing and Metroloty III.Recent Advances in Industrial Optical Inspection(1990)第2到7页进行了说明。该文件也通过明确引用的方式并入本公开。
在另一个有利的实施例中，当标定待标定的衍射结构时，在测量波和待标定的衍射结构相互作用后，测量波的非旋转对称误差被完全的确定。如上文已经说明的，当待标定的波是旋转对称的情况下，该方法提供了完全确定测量波的实际波前的可能性。这类非旋转对称误差的完全确定可以例如通过本领域技术人员已知的旋转平均法实现。旋转对称误差可以使用传统的误差计算(见例如DE 102005013908A1)而确定。
根据本发明的另一个实施例，根据本发明的装置的干涉仪配置包括用于测量辐射的辐射源，用于产生测量辐射光束的待测量的物体可以置于其中的干涉仪光学系统，以及用于在测量辐射和待测量的物体进行相互作用之后接收测量辐射的探测器，干涉仪光学系统包括以衍射光栅形式存在的衍射元件。
根据一个特定的实施例，通过至少第一类型和第二类型的两个衍射元素形成衍射光栅，在衍射光栅的至少一个区域中，衍射元素的光栅结构被调制，从而衍射元素形成上光栅。
通过提供上光栅，衍射光栅具有特征不同的辐射衍射效应。一方面，辐射被周期性结构所衍射，通过处于交替相邻的位置的至少第一和第二类型的衍射元素形成所述周期性结构。此外，另一方面，辐射被通过上光栅形成的周期性结构衍射。
上光栅包括至少第一类型和第二类型的延长的条纹，其处于交替相邻的位置以及具有彼此不同的光学特性，关于条纹中的衍射元素的配置图样，第一类型的条纹和第二类型的条纹不同。
根据一个实施例，关于条纹中的衍射元素的配置图样，第一类型的条纹在这里不同于第二类型的条纹，因为在第一类型的条纹中，第一和第二类型的衍射元素处于交替相邻的位置，而第二类型的条纹没有第一类型和第二类型的衍射元素。
根据可选实施例，为此目的，在第一类型的条纹以及在第二类型的条纹两者中，第一类型和第二类型的衍射元素分别处于交替相邻的位置。第一类型和第二类型的条纹在这里的彼此不同之处在于，第一类型和第二类型的条纹中的衍射元素的配置图样具有基本相同的空间频率，但位于相较于彼此的相位移动的位置上。特别是配置图样可以位于这里，相对彼此相位移动到如下程度，在第一类型的条纹中的衍射元素的配置图样基本上与第二类型的条纹中的衍射元素的配置图样的相位相反。
第一类型和第二类型的衍射元素可以如下设计，它们形成振幅光栅，所述振幅光栅可以被制造为例如第一类型的衍射元素相对于第二类型的衍射元素具有更强的测量辐射吸收。对于第一和第二类型的衍射元素也有可能形成相位光栅，该相位光栅可以被形成为第一类型的衍射元素和第二类型的衍射元素对测量辐射的相位的影响不同。特别是，在这里也有可能将作为相位光栅的衍射光栅的效应和作为振幅光栅的衍射光栅的效应进行组合，从而第一类型和第二类型的衍射元素对测量辐射的强度吸收效应和相移效应两者都不同。
第一和第二类型的衍射元素的相邻配置形成的光栅对测量辐射进行衍射，例如衍射为正的第一衍射级，负的第一衍射级，正的第二衍射级，负的第二衍射级等。此外，测量辐射在上光栅上被衍射，这里也衍射为例如例如正的第一衍射级，负的第一衍射级，正的第二衍射级，负的第二衍射级等。由于可分配给至少第一和第二类型的衍射元素的相邻配置的光栅周期基本上小于可分配给至少第一和第二类型的条纹的相邻配置的光栅周期，测量辐射在衍射元素形成的给定级数的光栅上的衍射所经历的衍射角基本上大于测量辐射在上光栅上的相应衍射级数上所经历的衍射角。例如，位置彼此相邻的衍射元件形成的光栅的正的第一衍射级的衍射角基本上大于上光栅的正的第一衍射级的衍射角。
由于测量辐射在衍射元素形成的光栅和上光栅上都被衍射，在光栅上的衍射的和在上光栅上的衍射的衍射角加起来形成总的衍射角。在这里可以产生一些总的衍射角的组合。由此可以假定，例如，衍射元素相邻配置所形成的光栅主要产生正的第一衍射级，以及负的第一衍射级，上光栅也主要产生正的以及负的第一衍射级。从而对于测量辐射产生4个不同的总衍射角，即测量辐射的第一总衍射角，其以正的第一衍射级在光栅上衍射以及以正的第一衍射级在上光栅上衍射，测量辐射的第二总衍射角，其以正的第一衍射级在光栅上衍射以及以负的第一衍射级在上光栅上衍射，测量辐射的第三总衍射角，其以负的第一衍射级在光栅上衍射以及以正的第一衍射级在上光栅上衍射，测量辐射的第四总衍射角，其以负的第一衍射级在光栅上衍射以及以负的第一衍射级在上光栅上衍射。
根据本发明的一个实施例，干涉仪配置被设置为测量辐射产生探测器可以探测的干涉图样，该测量辐射被上光栅以不同于零级衍射级的预定衍射级衍射。这样，干涉仪配置被设置为上光栅上的衍射用于干涉测量。这可以通过例如置于干涉仪配置的光路中的孔径得到，所述孔径从光路中去除在上光栅上以零级衍射级或者不同于预定衍射级衍射的测量辐射。
根据本发明的一个实施例，衍射光栅被设置为测量辐射具有基本上球面的波前，该测量辐射被上光栅衍射，衍射级为非零级衍射级。由于测量辐射也被衍射元素的相邻配置形成的光栅衍射，通过光栅和上光栅上的测量辐射的组合的衍射而产生球面波前。以这种方式，通过球面参考体的辅助，有可能在测试测量中测量和理解衍射光栅的效应。特别是，以这种方式可以记录衍射光栅的效应，该衍射光栅例如不能通过标量衍射理论足够精确的描述。实际上可以假定，上光栅的效应根据其大的光栅周期可以通过标量衍射理论相对好的描述。如果因为光栅和上光栅的组合效应应当基本上具有球面波前的测量辐射实际上具有偏离球面波前形状的波前形状，这些偏离基本上是归因于衍射元素的相邻配置形成的光栅所产生的效应。由此可以记录光栅的效应，其从例如标量衍射理论推导出，以及当分析测量实际测量物体时进行考虑。为了这种类型的测量，被上光栅衍射而衍射级不是零级衍射级或一级衍射级的测量辐射被使用并且具有非球面波前。从而干涉仪配置适合于测量非球面表面，通过对球面测试物体测量的方式，可以标定衍射光栅偏离标量衍射理论的效应。
此外，根据本发明的一个实施例，提出一种制造具有非球面表面的光学元件的方法，其包括：将光学元件置于上述的干涉仪配置的测量辐射光束中，从而测量辐射在上光栅衍射级衍射而基本垂直的入射非球面表面，以探测器记录至少一个强度分布，以及根据至少一个记录的强度分布处理非球面表面。
本发明的另一个目的是提供具有优化特性的光学物体。该物体根据本发明得到，是具有光学表面的光学元件，光学表面具有非球面的理想形状，以及光学表面的实际形状最大偏离理想形状0.2nm。
根据本发明的上述方法以及根据本发明的装置可以制造上述类型的光学元件。通过本发明确立的光学表面偏离理想形状的偏差，可以进一步处理光学表面从而观测到特定的公差。当前可以得到的元件的光学表面的实际的形状显示出偏离理想形状的较大的偏差。
在根据本发明的一个实施例中，光学表面的实际形状偏离理想形状最大为0.1nm。在根据本发明的另一个实施例中，光学表面的理想形状是自由形式表面，即其不具有旋转对称性，以及相对最适应球面具有至少5μm的最大偏差，有利的具有至少20μm的最大偏差。在根据本发明的一个实施例中，被设计为自由形式表面的理想形状具有偏离其最适应的球面至少5μm最大10mm，特别是最大1mm的偏差。
在根据本发明的一个可选择的实施例中，光学表面的理想形状基本上是旋转对称的，以及具有偏离最适应球面至少0.5mm，有利的至少2.5mm的偏差。
根据本发明，进一步提供了一种衍射光栅，其包括：载体和包括多个延长的衍射元素的装备在载体上的衍射结构，所述延长的衍射元素在平面上的衍射结构的至少一个区域延伸，其从沿衍射元素的延伸方向横向定向的方向观察，在至少一个区域，至少第一类型的衍射元素和第二类型的衍射元素处于交替相邻的位置，第一类型的衍射元素和第二类型的衍射元素具有彼此不同的光学特性，在至少一个区域中，至少第一类型的延长的条纹以及第二类型的延长的条纹在该平面中延伸，从沿条纹的延伸方向横向定向的方向观察，在至少一个区域，第一类型的条纹和第二类型的条纹处于交替相邻的位置，关于条纹中的衍射元素的配置图样，第一类型的条纹和第二类型的条纹不同。
此外，根据本发明，提供了一种干涉仪配置，其包括：用于以平均波长测量辐射的辐射源，用于产生测量辐射光束的待测量的物体可以置于其中的干涉仪光学系统，以及用于在测量辐射和待测物体进行相互作用之后接收测量辐射的探测器，干涉仪光学系统包括上述的衍射光栅。
此外，根据本发明提供了一种干涉仪配置，其包括用于以平均波长测量辐射的辐射源，用于产生测量辐射光束的待测量的物体可以置于其中的干涉仪光学系统，以及用于在测量辐射和待测量的物体进行相互作用之后的接受测量辐射的探测器，干涉仪光学系统包括衍射光栅，该衍射光栅由至少第一类型和第二类型的衍射元素形成，在衍射光栅的至少一个区域中，衍射元素的光栅结构被调制，从而衍射元素形成上光栅。
此外，根据本发明，提供了一种制造具有光学表面的光学元件的方法。该方法包括：使用上述干涉仪配置，将光学元件置于测量辐射光束中，从而被上光栅以与零级衍射级不同的第一衍射级衍射的测量辐射基本垂直的入射光学表面，以探测器记录至少第一强度分布，以及根据至少一个记录的第一密度分布处理光学表面。
上述列出的根据本发明的方法的实施例指明的特征可以相应地应用于根据本发明的装置。根据本发明的装置的结果的有利的实施例均具体包括在本发明的公开中。此外，上述列出的根据本发明的方法的有利的实施例的优点由此还涉及相应的根据本发明的的装置的有利的实施例。
附图说明
接下来，本发明的示范性实施例通过示意性附图的方式更详细地进行了说明。如下所述：
图1显示具有两个衍射元件的干涉测量装置的根据本发明的一个实施例；
图2在标定模式下的根据图1所示的测量装置的区域，包括第一衍射元件；
图3在测量模式下的根据图2所示的测量装置的区域，具有第一衍射元件以及第二衍射元件；
图4a根据图3所示的第一衍射元件上的示例性条纹图样；
图4b根据图3所示的第二衍射元件上的示例性条纹图样；
图5干涉测量装置根据本发明展示的另一个实施例中的区域，以图解测量装置的标定模式和测量模式两者的方式展示；
图6根据图5的第一衍射元件的条纹图样；
图7根据图5的第二衍射元件的条纹图样；
图8通过根据图5的实施例说明两个衍射元件的调整；
图9根据图8的第一衍射元件的调整图样的实施例的图解；
图10根据图8的第二衍射元件的调整图样的实施例的图解；
图11根据本发明的另一个实施例的干涉测量装置形式的干涉仪配置的示意性图解；
图12在图11的干涉仪配置中使用的衍射光栅形式的衍射元件的示意性的俯视图；
图13如图12中所示的衍射光栅的部分截面的示意性图解；
图14a与14b如图12和13所示的衍射光栅对图11的干涉仪配置的测量辐射的波前的效应；
图15显示图11、12中所示的衍射光栅的相位函数的图形；
图16图12和13所示的衍射光栅的可选实施例的截面的示意性图解；
图17图12和13所示的衍射光栅的另一个可选实施例的立体示意图；
图18根据本发明的另一个实施例的干涉仪配置的示意性图解，具有球面表面的参考体置于干涉仪光路中；以及
图19如图18所示的干涉仪配置，具有非球面表面的待测量物置于光路中。
具体实施方式
图1图解了根据本发明的实施例中的干涉测量装置10。测量装置10适合于确定样本14的光学表面12的实际形状偏离理想形状的偏差。样本14可以例如是光学透镜或反射镜的形式。样本14通过图中未示出的支架进行安装。
干涉测量装置10包括干涉仪16，该干涉仪16依次包括光源18，分束器34，以及干涉测量照相机44。光源18产生照明辐射19以及为此目的包括诸如氦氖激光器的激光器21，以产生激光束22。照明辐射19具有足够的相干光从而能够进行干涉测量。在使用氦氖激光器的情况下，照明辐射19的波长是大约634nm。然而，照明辐射19的波长也可以是可见的或不可见的电磁辐射波长范围内的其他波长。
激光束22通过聚焦透镜24聚焦在孔径26上，从而相干光的发散光束从孔径开口穿过。发散光束28的波前基本上是球面的。发散光束28被透镜组30准直，以该方法得到的照明辐射19具有基本上是平面的波前。
照明辐射19沿干涉仪16的光轴32传播以及穿过分束器34。
随后照明辐射19入射具有斐索表面38的斐索(Fizeau)元件36。照明辐射19的部分光被斐索表面38反射为参考波40。照明辐射19穿过斐索元件36的光进一步作为具有平面波前42的入射测量波20沿光轴32传播，以及入射在第一衍射元件46上。
在图1中的标记为II的区域，除了第一衍射元件46，还示出了第二衍射元件48，样本14以及标定球面50。然而，在干涉测量装置10的操作过程中，这些元件不是同时被配置，如图1所示。实际上，元件或者位于图2所示的标定配置，或者位于图3所示的测量配置。在图1中同时图解元件46、48、14和50只是为了图解测量装置10的基本操作模式。
在图2所示的测量装置10的标定模式中，入射测量波20通过第一衍射元件46重塑以形成近似的测量波56。第一衍射元件46包括置于第一基板45上的第一衍射结构47，以重塑入射测量波20。第一衍射结构47被设计为计算机产生的全息图(CGH)。在该标定模式下，第二衍射元件48和样本14不在近似的测量波56的光路中。近似的测量波56的传播方向54相对于入射测量波20的传播方向52偏离。从而防止第一衍射元件42引起的直接反射进入干涉照相机44。近似的测量波56具有球面波前，其对应于光学表面的最适应球面以及入射到标定球面50。标定球面50的形状在前面通过前述的剪切(shear)技术或三位置(three position)技术被完全确定。
在被标定球面50反射之后，近似的测量波56再一次穿过第一衍射元件46，以及通过干涉照相机44的物镜系统57引导而照射到干涉照相机44的照相机芯片60的记录表面58上。在记录表面58上，通过参考波40的叠加产生干涉图样，通过分析设备62从该干涉图样确定近似的测量波56偏离其球面波形式的理想波前的偏差。这样，近似的测量波56的实际波前通过标定球面50被完全确定，以及第一衍射元件46被完全的标定。
在图3所示的测量模式中，标定球面50移出到近似的测量波56的光路以外，以及作为替代，第二衍射元件48和样品14移动到光路中。第二衍射元件48包括置于第二基板51上的第二衍射结构49。样品14的光学表面12具有非球面形式，其具有例如相对于最适应球面的1°的最大梯度偏差。为了精确的测量光学表面12的实际形状，波前已经具有了光学表面12的最适应球面的形状的近似的测量波56的波前仅需要轻微的改变。这通过第二衍射元件48置于近似的测量波56的光路中的方式实现，其衍射结构49也被设计为计算机产生的全息图(CGH)的形式。近似的测量波56穿过第二衍射元件48，从而被转换成适合的测量波64，其波前对应于光学表面12的理想形状。
在上面描述的示例中，光学表面12的理想形状相对于最适应球面的最大偏差是1°，第二衍射元件48的CGH仅具有28线/mm的条纹密度。具有这样小的线密度的CGH可以有条件得到很高的精度。由于如上文所述，近似的测量波56的波前已经被完全的标定，适合的测量波64的波前的实际形式也以很高的精度了解。近似的测量波56在穿过第二衍射元件48时被偏转。近似的测量波56的传播方向54与适合的测量波64的传播方向66成大约7°的角度。在这种方式中，需要防止第二波前元件48的表面的反射影响测量结果。
在自准直中，适合的测量波64入射到光学表面12以及被光学表面12反射。于是，反射波回经第二衍射元件48以及第一衍射元件46进入干涉仪16中，作为返回的测量波67。返回的测量波67和参考波40在记录表面58上干涉，从而产生干涉图。考虑到前面确定的近似的测量波56的实际波前偏离理想波前的标定偏差，通过分析设备62分析干涉图。作为分析的结果，建立光学表面12的实际形状偏离理想形状的偏差。
图4a显示了根据图1到3的第一衍射元件46的CGH上的条纹图样68的示例。图4b显示了根据图1到3的第二衍射元件48的CGH上的条纹图样70的示例。可以在可选择的实施例中通过第一衍射元件46提供根据图1到3所示的测量装置10，其中第一衍射元件46重塑入射测量波20以形成具有非球面波前的近似的测量波56，非球面波前的横截面具有圆锥截面的形状。在这种情况下，使用标定物体代替标定球面50，所述标定物体具有对应于近似的测量波56的波前的表面，以及具有近似椭球、抛物面或双曲面的形式。使用这种类型的测量装置，可以特别好的测量其形式与椭球、抛物面或双曲面的表面仅有微小差别的光学表面。
图5显示了根据本发明的另一个实施例中的测量装置10的根据图1所示的区域II。该实施例和根据图1的实施例不同之处在于第一衍射元件46产生的近似的测量波56具有非球面波前而不是球面波前。该波前以如下方式形成，在穿过第二衍射元件48之后，零级衍射级，该波前具有球面波前。下面，该波被称为标定波72。可选的，标定波72也可以具有圆锥截面的形状。可以通过标定球面50测量标定波72，为此目的，样品14被移到标定波72的光路之外。在标定波72具有相当于椭球面、抛物面或双曲面的形式的波前的情况下，标定球面的形式适合后者。根据图2的标定，对第一衍射元件46进行标定，在标定中考虑以零级衍射级穿过第二衍射元件48时重塑近似的测量波56以形成标定波72的差别。
近似的测量波56在穿过第二衍射元件48的CGH后的第m级衍射级作为适合的测量波64。适合的测量波64以与图3的测量相同的方式被光学表面12反射。
图6显示了根据图5的第一衍射元件46的CGH的条纹图样68的示例。图7显示了根据图5的第二衍射元件48的条纹图样70的示例。在一个可选的实施例中，根据图5的第二衍射元件48也可以是二次编码CGH的形式，即具有两个彼此独立的CGH结构。这里，第一CGH结构将近似的测量波56转换成标定波72，以及第二CGH结构将其转换为适合的测量波64.
图8图解了根据图3的衍射元件46和48的调整的示例。第一衍射元件46涉及入射测量波20的调整可以通过例如图中未示出的利特罗光栅(Littrow光栅)实现。第二衍射元件48相对于第一衍射元件46的定位可以通过另一个置于第二衍射元件48的外围区域的利特罗光栅74的方式实现，和/或通过置于第一衍射元件46的外围区域的猫眼结构76的方式实现。图9图解了在第一衍射元件46的CGH的条纹图样68中的猫眼结构76。图10图解了在第二衍射元件48的CGH的条纹图样70中的、环状的置于第二衍射元件48的外围区域的利特罗光栅74。猫眼结构76用于控制两个衍射元件46和48之间的倾斜角度和距离，利特罗光栅74用于控制两个衍射元件46和48之间的偏心。
图11图示了干涉仪配置101。其用以测量反射镜105的非球面反射镜表面103的表面区域107。反射镜105通过图11未示出的支架置于干涉仪配置101的光路中的预定测试位置。
干涉仪配置101包括产生测量辐射的光源。光源111可以包括产生激光束106的氦氖激光104。光束106通过聚焦透镜108聚焦在空间滤波器120的孔上，从而相干光的发散光束118自该孔出现。发散光束118的波前基本上是球面波前。光源发射的发散光束118被一个或多个透镜121准直，从而形成测量光的平行光束113，其中测量光的波前基本上是平面波前。光束113被传输到干涉仪光学系统115，并穿过该系统，干涉仪光学系统115重塑该光束113以形成测量光束114，从而这些波前是如下形式的，在非球面反射镜表面103的位置的光束114的波前的形式基本上对应于反射镜表面103的理想形式。由此，在区域107的每个位置，测量辐射114基本上垂直的入射到表面103上。如果反射镜表面103的形式偏离理想形式，测量辐射的入射角偏离入射的垂直角，这能够以很高的敏感度被干涉仪配置101所探测到。这样有可能进一步根据测量结果处理反射镜表面103，从而将表面103的形式近似为后者的理想形式或者理想形状。
由于基本上垂直入射反射镜表面103，在反射镜表面103上反射的测量光沿光路回到干涉仪光学系统115，其基本上符合前面光线从干涉仪配置115到表面103的光路。
在穿过干涉仪配置115以后，在反射镜表面103上反射的光部分的在分束器131上反射，该分束器131置于测量光的发散光束118中。在反射镜表面103上反射的测量光的光束129在分束器131上反射穿过具有开口的空间滤波器138，以及穿过空间滤波器138的部分光束129被物镜135引导入射到照相机134的照相机芯片139的感光表面137上，从而反射镜表面103的部分107成像在照相机134上。
干涉仪光学系统115包括具有平面表面119的略微楔形的基板117，其定向相对于测量光的平行光束113基本垂直或者有轻微角度，所述测量光穿过基板113。从而通过反射部分光束113作为用于干涉过程的参考光，表面119形成干涉仪系统101的斐索表面。被斐索表面119反射回的参考光也部分的被分束器131反射与在反射镜表面103上反射测量光叠加在探测器134的感光表面137上。从该叠加产生的干涉图样，在适当的分析后，为了计划合适的反射镜表面103的重新处理，可以建立起偏差，所述偏差是在反射镜表面103偏离后者的理想形式的偏差的形式。
如上文所述，干涉仪光学系统115被如此配置，其将入射光束113转换为光束114，所述入射光束113的测量光具有基本上平行的波前，所述光束114的光具有非球面波前，该波前的形式基本符合在光学表面103位置的光学表面的理想形式。为这个目的，干涉仪光学系统115包括具有两个平行平面表面124和125的基板123，表面125支持衍射光栅。衍射光栅是计算机产生的全息图(CGH)，该计算机产生的全息图(CGH)被设计为衍射具有平面波前的光束113，从而被衍射光栅135以预定衍射级衍射的测量光的波前是非球面波前，在反射镜表面103的位置，其形式符合测量光的波前的理想形式。
衍射光栅可以具有例如大于10mm的直径，特别是大于50mm，以及特别是大于100mm的直径。待测量物体，在本例中为反射镜表面103，的直径可以大于100mm，特别是大于150mm。特别是，这里作出的规定是待测量物体具有大于衍射光栅直径的直径。例如，物体直径可以比衍射光栅的直径大1.5倍或者2.0倍。
探测器134的空间滤波器138用于防止非预期的测量光入射探测器芯片139的感光表面137。非预期的测量光可以包括不同于斐索表面119的干涉仪光学系统115的表面反射的测量光，例如在基板117的与斐索表面119相对的表面上反射的测量光。此外，空间滤波器138应当吸收非预期的测量光，该测量光被衍射光栅125所衍射，衍射级不同于产生具有理想的非球面波前的测量光束114的衍射级。
在图12中以俯视图以及在图13中以截面图图示了衍射光栅125的配置。
衍射光栅125包括多个在衍射光栅125的表面上分布的衍射元素145、146。单独的衍射元素145、146分别具有延长的形式，从沿衍射元素的延伸方向横向定向的方向观察，衍射元素145、146处于交替相邻的位置。衍射元素145和146在测量光穿过衍射光栅125的光学特性上不同。从图13的横截面可以看出，衍射元素145是基板123上提供的材料条的形式的，而衍射元素146是形成在相邻的条145之间的缝隙的形式。条145的高度在此确定尺寸从而穿过基板123和条145之一的测量辐射相对于穿过基板123和缝隙146之一的测量辐射经历测量辐射的波长入的一半的相位偏移。这样，处于交替相邻的位置的衍射元素145、146以相位光栅的形式形成用于测量辐射的第一衍射结构。
此外，衍射光栅125被分成位置彼此相邻的条纹141和143，它们在测量辐射上的光学效应也不同，特别是在衍射元素145、146的配置周期方面。在图13所示的实施例中，条纹141以及143的不同之处在于，在条纹141中，衍射元素145和146位置彼此相邻，而条纹143没有衍射元素145、146。很清楚，条纹141和143对于测量辐射的光学效应有区别，这也是彼此相邻的条纹141、143的周期性交替配置也对测量辐射具有光学光栅效应的原因。在下面，该光栅称为第二衍射结构。由于，通过衍射元素145、146的不同的配置图样形成条纹141和143，条纹141、143的配置也可以称为通过衍射元素145、146形成的光栅的上光栅。
穿过衍射光栅125的测量辐射从而在衍射元素145、146的相邻配置形成的光栅上进行衍射，以及进一步在条纹141、143的相邻配置形成的上光栅上形成进行衍射。在下面，参考图14a和14b对此进行解释。在图14a中，附图标记151表示光束113的一组平面波前，以及附图标记153表示光束113的光的传播方向。入射到条纹141中的衍射元素145、146形成的光栅上的光在该光栅上由衍射元素145、146以给定的衍射级衍射，如图14a中的箭头155所示。在图14a中，附图标记157表示光的一组波前，所述光仅被元素145、146形成的光栅衍射，而不受到条纹141、143形成的上光栅影响。图14b联系图14a进行补充说明，其中考虑到条纹141、143形成的上光栅的衍射。该衍射导致穿过衍射光栅125的光的进一步的偏差，如图14b中通过箭头159所指出的，以及导致波前的附加形变，在图14b中附图标记157如在附图14a中表示一组波前，所述一组波前仅出现在通过衍射元素145、146形成的光栅上衍射的光上，而图14b中的附图标记161表示了一组波前，而所述一组波前由通过衍射元素145、146形成的光栅和条纹141、143形成的上光栅一起衍射的光所产生。
通过元素145、146形成的光栅和通过条纹141、143形成的上光栅在测量辐射上的效应，特别是波前形成效应，即相位变化，是线形叠加的。从而可以通过下列等式表示衍射光栅125的相位函数：
Figure A20078002773900351
其中：
表示衍射光栅125的相位函数
表示衍射元素145、146形成的光栅的相位函数
表示条纹141、143形成的上光栅的相位函数
m1和m2m1和m2的整数分别可以是包括零的正的或负的整数，其表示光栅或上光栅的衍射的衍射级。
图15显示了通过上述公式表示的函数
Figure A20078002773900355
以及
Figure A20078002773900356
的图形。在图15中，由于衍射光栅125的对称，这些函数关于符合干涉仪光学系统115的光轴的轴是对称的，以及关于非球面表面103的对称轴109也是对称的。由于衍射元素145、146形成的光栅的更小的周期，函数
Figure A20078002773900357
(例如对于值m1＝1)的梯度比函数
Figure A20078002773900358
(例如对于值m2＝1)的梯度更陡峭。
根据本发明的一个实施例，衍射光栅125的光栅和上光栅的相位函数
Figure A20078002773900359
和
Figure A200780027739003510
彼此配合，从而对于预定的m1和m2的值的组合(例如m1＝m2＝1)，函数是非球面的形式，从而根据该相位函数被衍射的辐射的波前是这样的形式：在待测物体的位置，即图11中的非球面反射镜表面103，该波前符合待测物体的理想表面的形式。从而，这些波前可以用于测量具有非球面表面的物体。
此外，函数
Figure A200780027739003512
和
Figure A200780027739003513
被配置为，对于进一步的预定的m1和m2的值(例如m1＝1以及m2＝-1)的组合，函数
Figure A200780027739003514
导致球面波前。如果具有球面参考表面的参考物体置于图11所示的干涉仪配置101的光路中，从而根据函数
Figure A200780027739003515
在参考表面的位置产生的波前基本上符合参考表面的形式，那么可以从探测到的干涉图样推导出函数
Figure A200780027739003516
的实际梯度。该梯度依次由函数
Figure A200780027739003517
和
Figure A200780027739003518
组成。这里，通过条纹141、143形成的上光栅确定
Figure A200780027739003519
。可以相对准确的根据上光栅相对大的周期、通过例如标量衍射理论的计算而预测函数
Figure A200780027739003520
的梯度。这样，可以从实验确定的计算分量
Figure A20078002773900362
。在确定的情况下，这种方式得到的结果比根据衍射元素145、146形成的光栅的模型的衍射计算而得到函数
Figure A20078002773900363
的没有测量支持的纯理论推导的方式的准确度可以高很多。实际上，与上光栅和使用的测量光的波长入相比，这具有小的光栅周期，对基本上不大于衍射光的光栅周期而言，确定光栅上的衍射的传统计算方法是有缺陷的。这样，通过从理论上确定
Figure A20078002773900364
以及实验上确定可以比较精确的推导出函数
Figure A20078002773900366
的梯度。通过
Figure A20078002773900367
可以确定用于测量非球面表面103的波前的形式。
如上述示例，如果当以测量辐射光束的形式标定上述衍射结构时产生的测量波的理想波前具有球面形式的相位函数
Figure A20078002773900368
，以及用于测量光学表面的适合的测量波具有非球面形式的相位函数相位函数
Figure A200780027739003610
和
Figure A200780027739003611
如下表示：
Figure A200780027739003612
Figure A200780027739003613
根据上述的方法，由此有可能相对高精度地产生近似理想形式的非球面波前以及非球面波前的实际形式。衍射光栅的波前形成效应的精度可以例如小于1nm以及特别是小于0.5nm。在非球面表面的干涉测量中，可以建立起波前的实际形式偏离非球面表面的实际形式的偏差，借此可以按顺序建立起非球面表面的实际形式偏离非球面表面的理想形式的偏差。根据这些偏差，可以进一步对光学表面进行成型处理。
图16的底部显示了衍射光栅的另一个实施例的横截面。在图16的底部显示的衍射光栅124a具有与上文中描述的以及图13中的截面图示的衍射光栅相似的结构。衍射光栅124a也由关于对测量辐射的光学效应不同特别是关于衍射元素145a和146a的配置周期不同的条纹141a和143a组成。与图13中所示的衍射光栅不同，衍射光栅125a在条纹141a和143a上都具有位置互相相邻的衍射元素145a和146a。然而，这关于它们的配置图样的相位是不同的。为了说明该情况，在图16的上面部分，显示了径向r的衍射光栅124a的相位函数。在图16上部的水平线171表示了常相位
Figure A200780027739003614
值是2π的整数倍数。在图16上部的垂直线173表示了条纹141a和143a之间的边界。相位函数通过曲线段1771，1772，1773，1774表示，以及确定了衍射元素145a和146a的配置。在图16所示的示例中，衍射元素145a、146a被配置排列，从而光栅条145a的径向外侧边缘被放置在相位函数1771…1774交叉2π的整数倍数的位置r。在图16中，通过线175说明了具有2π的整数倍数的相位函数的交点和条145a的径向外侧边缘之间的相互关系。
很清楚在条纹141a、143a中，衍射元素145a、146a周期性排列，这就是曲线段1771…1774分别是连续的直线的原因。在条纹141a之间的边界173，发生相位跃变，然而，当连续维持从一个条纹到另一个条纹的衍射元素周期性配置时，在这里不可能使相位函数连续。因为在所选实施例中两个条145a分别在相邻条纹141a、143a之间的边界173处彼此相邻，或者以这种方式形成条宽加倍的公共条，所以在条纹141a和143a之间的相位跃变的值大约是1.5π。在其他实施例中，相位跃变有可能有其他值，特别是有可能配置衍射光栅使得相邻条纹之间的相位跃变具有大约1.0π的值。
这样，在条纹141a和143a中，衍射元素145a、146a的配置图样的彼此不同之处在于条纹141a和143a以相对于彼此相位移动的方式放置。这样条纹141a、143a的上光栅对于穿过衍射光栅125a的测量辐射具有相位光栅的效应。
图17显示了衍射光栅的另一个实施例。图17中显示的衍射光栅125c与通过图12和13解释的衍射光栅的不同之处在于，处于交替相邻的位置延长的衍射元素145b、146b关于主轴119b不具有任何对称性。这种光栅也称为载频全息图(carrier frequency hologram)。衍射光栅125c也包括在图示的实施例中却关于主轴109b对称排列的条纹141b和143b。条纹141b和143b关于衍射元素145b、146b的配置图样彼此不相同之处在于，衍射元素145b、146b仅设置在条纹141b中而条纹143b中没有衍射元素145b、146b。
图18显示了以非常简化的示意图显示了干涉仪配置101b，其具有与图11所示的干涉仪配置相似的结构。干涉仪配置101b也包括辐射源111b以及未详细显示在图18中的探测器134b。
用于产生测量光束114b的干涉仪光学系统包括斐索表面119b以及应用于基板123b的相对于表面124b的衍射光栅125b。衍射光栅125b具有如图17所图示的结构。这里衍射元素145b、146b以高的线密度处于交替相邻的位置，从而形成载频全息图。这导致了从衍射光栅观测，光束113b入射到衍射光栅125b，被整个光束偏转的横截面。入射光束113b的主轴109b相对于穿过衍射光栅125b的光束114b的主轴109’b成角度延伸，在图18中可以看出这种情况。此外，衍射光栅125b具有彼此相邻排列的条纹141b、143b的上光栅，所述条纹141b、143b的光学特性也不同，从而入射光束113b的光被衍射结构145b、146b形成的光栅和条纹141b、143b形成的上光栅衍射。光栅和上光栅通过图15的方法如上文所述配置，从而以预定衍射级被光栅衍射以及以预定衍射级被上光栅衍射的测量光具有球面波前，从而该测量光垂直入射在置于干涉仪配置101b的光路中的球面参考表面151上。球面参考表面151在之前已被高精度的制造并使用独立的传统方法标定。如参考图15所解释的，衍射结构145b、146b形成的光栅的效应可以以较高的精度从球面参考表面151的测量计算得到。
图19显示了图18中所示的干涉仪配置101b，与图18不同，待测量的非球面光学表面103b在这里位于干涉仪配置101b的光路中。在这种情况下，测量光基本垂直的入射到待测量的非球面表面103b，所述测量光以与图18中的配置相同的衍射级被衍射结构145b、146b形成的光栅所衍射，但是以不同于图18中的配置的衍射级被条纹141b、143b形成的上光栅所衍射。从图19的测量结构中的探测器134b记录的干涉图，可以建立光学表面133b的实际形式，从而将光学表面与光学表面的理想形式相比较，以及进行光学表面103b的再处理由此使光学表面的形式近似于理想形式。
在通过图7解释的实施例中，独立的衍射元素145b、146b形成的光栅是载频光栅，而条纹141b和143b形成的上光栅不具有载频。然而，也有可能在该实施例的变体中，条纹形成的上光栅也具有载频。此外，也有可能，仅条纹形成的上光栅具有载频，而独立的衍射元素形成的光栅不具有载频。
在通过图18和图19解释的实施例中，标定物体具有球面表面的形式，而待制造的光学元件具有非球面表面的形式。然而，也有可能待制造的光学表面是自由形式表面，即例如关于旋转轴或关于一点不具有对称性。此外，也有可能，标定物体具有旋转对称的非球面表面或者自由形式表面，而待制造的光学表面是自由形式表面。
在上述的实施例中，独立的衍射元素145、146形成的光栅具有两种不同类型的衍射元素，所述衍射元素在光学特性上不同。然而，也有可能是，这种光栅由三个或者更多的不同的衍射元素组成，所述衍射元素处于交替相邻的位置，以及其光学特性不同，通过这种方式可以提供例如闪耀光栅的效应。
此外，上面解释的实施例中形成的上光栅通过两个不同类型的分别彼此相邻放置的条纹形成。然而，也有可能，提供三种或者更多不同类型条纹，所述条纹彼此的光学特性不同，从而上光栅也提供例如闪耀光栅的功能。
上文解释的干涉仪配置也特别可以实现为衍射光栅是可交换的，这样，不同的衍射光栅可以被引入到干涉仪配置的光路中，从而测量不同的光学表面。
上文描述的本发明的实施例有可能制造具有光学表面的光学元件，该光学表面具有非球面的理想形状，以及光学表面的实际形状偏离理想形状最大为0.2mm。

Claims (70)

1、一种具有光学表面的光学元件，该光学表面具有非球面的理想形状，以及光学表面的实际形状偏离理想形状最大0.2nm。
2、如权利要求1所述的光学元件，
光学表面的实际形状偏离理想形状最大0.1nm纳米。
3、如权利要求1或2所述的光学元件，
光学表面的理想形状是自由形式表面，以及该光学表面的理想形状偏离其最适应球面的最大偏差至少是5μm。
4、如权利要求1或2所述的光学元件，
光学表面的理想形状基本上旋转对称，该光学表面的理想形状与其最适应球面的最大偏差至少是0.5mm。
5、一种确定光学表面的实际形状偏离理想形状的偏差的方法，包括如下步骤：
提供入射电磁测量波，
提供两个衍射结构，所述两个衍射结构被设计为重塑到达波的波前，
通过辐射入射测量波到待标定的至少一个衍射结构，标定两个衍射结构中的至少其中之一，以及在测量波和至少一个待标定的衍射结构相互作用后，确定测量波的实际波前偏离理想波前的标定偏差，
将两个衍射结构置于入射测量波的光路中，从而测量波的各条光线辐射通过两个衍射结构，以及通过两个衍射结构重塑入射测量波以形成适合的测量波，其波前适合光学表面的理想形状，
将光学表面置于适合的测量波的光路中，从而适合的测量波和光学表面相互作用，以及
在适合的测量波和光学表面相互作用之后，测量适合的测量波的波前。
6、如权利要求5所述的方法，
两个衍射结构分别被设计为重塑到达波的波前，以及在入射测量波的光路中相继放置。
7、如权利要求5或6所述的方法，
衍射结构分别置于各自的基板中。
8、如权利要求5到7的任一项所述的方法，
两个衍射结构叠置在公共基板上。
9、如权利要求5到8的任一项所述的方法，
衍射结构被配置为，当标定至少一个衍射结构时产生的测量波的理想波前具有球面形状，以及适合的测量波的波前具有旋转对称非球面的形状，特别是圆锥截面的形状，离轴非球面的形状和/或自由形式表面的形状。
10、如权利要求5到8的任一项所述的方法，
衍射结构被配置为，当标定至少一个衍射结构时产生的测量波的理想波前具有圆锥截面形状，以及适合的测量波的波前具有旋转对称非球面的形状，不同于圆锥截面或自由形式表面的形状。
11、如权利要求5到10的任一项所述的方法，
衍射结构被配置为，当标定至少一个衍射结构时产生的测量波的理想波前具有旋转对称非球面形状，以及适合的测量波的波前具有自由形式表面的形状。
12、如权利要求5到11的任一项所述的方法，
衍射结构被配置为，当标定至少一个衍射结构时产生的测量波的理想波前具有具有第一半径的球面形状，以及适合的测量波的波前具有具有第二半径的球面的形状。
13、如权利要求5到12的任一项所述的方法，
当重塑入射测量波以形成适合的测量波时，两个衍射结构中的第一个产生波前重塑的主要部分，以及该衍射结构被标定。
14、如权利要求5到13的任一项所述的方法，
衍射结构之一的线密度是最大每毫米30线。
15、如权利要求5到14的任一项所述的方法，
进一步包括从适合的测量波的所测量的波前，考虑到标定偏差，确定光学表面的实际形状偏离理想形状的偏差的步骤。
16、如权利要求5到15的任一项所述的方法，
重塑入射测量波以形成适合的测量波，包括如下步骤：
通过两个衍射结构的第一个重塑入射测量波，以形成近似的测量波，其波前近似于光学表面的理想形状，以及
通过置于近似的测量波的光路中的第二衍射结构，重塑近似的测量波的至少一部分以形成适合的测量波。
17、如权利要求16所述的方法，
第一衍射结构被标定。
18、如权利要求16或17所述的方法，
适合的测量波的传播方向相对于近似的测量波的传播方向倾斜。
19、如权利要求16到18的任一项所述的方法，
近似的测量波具有球面波前。
20、如权利要求16到19的任一项所述的方法，
近似的测量波的波前基本上具有光学表面的最适应球面的形状。
21、如权利要求16到18的任一项所述的方法，
近似的测量波具有非球面波前。
22、如权利要求21所述的方法，
第二衍射结构置于基板上，以及近似的测量波的波前被配置为，当近似的测量波穿过具有第二衍射结构的基板的厚度的平面平行板，近似的测量波的至少一部分被重塑来形成标定波，该标定波的波前具有圆锥截面形状的横截面，特别是球面形式的横截面。
23、如权利要求22所述的方法，
近似的测量波通过第二衍射结构被重塑，以形成适合的测量波和标定波。
24、如权利要求21到23的任一项所述的方法，
近似的测量波的非球面波前具有圆锥截面形状的横截面。
25、如权利要求21到24的任一项所述的方法，
近似的测量波的非球面波前是旋转对称的。
26、如权利要求5到25的任一项所述的方法，
当标定两个衍射结构之一时，在测量波和待标定的衍射结构相互作用后，测量波的实际波前被完全确定。
27、如权利要求5到26的任一项所述的方法，
当标定待标定的衍射结构时，在测量波和待标定的衍射结构相互作用后，测量波在具有圆锥截面形状的标定物体上，特别是标定球面上，被反射和干涉测量。
28、如权利要求27所述的方法，
标定物体的形状被完全确定。
29、如权利要求5到28的任一项所述的方法，
当标定待标定的衍射结构时，在测量波和待标定的波形元件相互作用后，完全确定测量波的非旋转对称误差。
30、如权利要求5或8到29的任一项所述的方法，
所述两个衍射结构形成衍射元件的一部分，以及衍射元件包括：
载体和载体上的衍射结构，所述衍射结构包括在衍射结构的至少一个区域的平面内延伸的多个延长的衍射元素，
从沿衍射元素的延伸方向横向定向的方向观察，在至少一个区域，至少第一类型的衍射元素和第二类型的衍射元素处于交替相邻的位置，以及形成第一衍射结构，第一类型的衍射元素和第二类型的衍射元素具有彼此不同的光学特性，
在至少一个区域，至少第一类型的延长的条纹以及第二类型的延长的条纹，在平面上延伸，以及形成第二衍射结构，
从沿条纹的延伸方向横向定向的方向观察，在至少一个区域，第一类型的条纹以及第二类型的条纹处于交替相邻的位置，以及
关于条纹中的衍射元素的配置图样，第一类型的条纹与第二类型的条纹不同。
31、如权利要求30所述的方法，在第一类型的条纹中，第一类型和第二类型的衍射元素处于交替相邻的位置，以及第二类型的条纹没有第一类型和第二类型的衍射元素。
32、如权利要求30或31所述的方法，通过第一类型的第一条纹和与第一条纹直接相邻的第二类型的条纹，第一和第二衍射元素的配置图样以实质上相等的局部频率但实质上相反的相位配置。
33、如权利要求30到32的任一项所述的方法，处于交替相邻的位置的第一类型的和第二类型的衍射元素形成相位光栅。
34、如权利要求30到32的任一项所述的方法，处于交替相邻的位置的第一类型的和第二类型的衍射元素形成振幅光栅。
35、一种制造具有光学表面的光学元件的方法，包括：
使用如权利要求40到67的任一项所述的装置，
将光学元件置于测量波中，从而在上光栅以第一衍射级衍射的测量辐射实质上垂直的入射所述光学表面，
以波前测量设备的探测器记录至少第一强度分布，以及
依据至少一个被记录的第一强度分布处理光学表面。
36、如权利要求35所述的方法，进一步包括：
将标定物体置于测量波中，从而在上光栅以与第一衍射级不同的第二衍射级衍射的测量辐射实质上垂直的入射标定物体的表面，以及
以探测器记录至少第二强度分布。
37、如权利要求36所述的方法，
还依据至少一个被记录的第二强度分布对光学表面进行处理。
38、如权利要求36或37所述的方法，
标定物体的表面是球面表面，以及光学元件的光学表面是非球面表面，和/或
标定物体的表面是球面表面以及光学元件的光学表面是自由形式表面，和/或
标定物体的表面是旋转对称非球面表面，以及光学元件的光学表面是非球面表面，和/或
标定物体的表面是旋转对称非球面表面，以及光学元件的光学表面是自由形式表面，和/或
标定物体的表面是自由形式表面，以及光学元件的光学表面是自由形式表面。
39、如权利要求35到38的任一项所述的方法，第二衍射级是与第一衍射级相反的衍射级。
40、一种用于确定光学表面的实际形状偏离理想形状的偏差的装置，特别用于执行如权利要求5到39的任一项所述的方法，具有：
用于提供入射电磁测量波的部件，
两个衍射结构，所述两个衍射结构被设计为重塑到达波的波前，在测量模式，所述两个衍射结构置于入射测量波的光路中，从而测量波的各条光线辐射通过两个衍射结构，以及通过两个衍射结构重塑入射测量波以形成适合的测量波，其波前适合光学表面的理想形状，
用于标定两个衍射结构中的至少其中之一的部件，被设计为在测量波和至少一个待标定的衍射结构相互作用后，确定测量波的实际波前偏离理想波前的标定偏差，以及
波前测量设备，用于在适合的测量波和光学表面相互作用之后，测量适合的测量波的波前。
41、如权利要求40所述的装置，
两个衍射结构分别被设计为重塑到达波的波前，以及所述两个衍射结构相继置于入射测量波的光路中。
42、如权利要求40或41所述的装置，
衍射结构分别置于各自的基板上。
43、如权利要求40到42的任一项所述的装置，
衍射结构之一的线密度是最大每毫米30线。
44、如权利要求40到43的任一项所述的装置，
两个衍射结构被设计为当重塑入射测量波以形成适合的测量波时，两个衍射元件的第一个产生波前重塑的主要部分，以及该装置被设计为标定该衍射结构。
45、如权利要求40到44的任一项所述的装置，
该装置进一步包括：分析设备，被设计为从适合的测量波的所测量的波前，考虑到标定偏差，确定光学表面的实际形状偏离理想形状的偏差。
46、如权利要求40到45的任一项所述的装置，
两个衍射结构包括：
第一衍射结构，其置于入射测量波的光路中，以及设置为重塑入射测量波以形成近似的测量波，其波前近似于光学表面的理想形状，
第二衍射结构，其置于近似的测量波的光路中，被设置为重塑近似的测量波的至少一部分以形成适合的测量波。
47、如权利要求46所述的装置，
该装置被设计为标定第一衍射结构。
48、如权利要求46或47所述的装置，
适合的测量波的传播方向相对于近似的测量波的传播方向倾斜。
49、如权利要求46到48的任一项所述的装置，
近似的测量波具有球面波前。
50、如权利要求46到49的任一项所述的装置，
近似的测量波的波前实质上具有光学表面的最适应球面的形状。
51、如权利要求46到50的任一项所述的装置，
近似的测量波具有非球面波前。
52、如权利要求51所述的装置，
该装置具有基板，第二衍射结构置于该基板上，以及近似的测量波的非球面波前被配置为，当近似的测量波穿过具有第二衍射结构的基板的厚度的平面平行板，近似的测量波的至少一部分被重塑来形成标定波，该标定波的波前具有圆锥截面形状的横截面，特别是球面形式的横截面。
53、如权利要求52所述的装置，
近似的测量波通过第二衍射结构被重塑，以形成适合的测量波和标定波。
54、如权利要求51到53的任一项所述的装置，
近似的测量波的非球面波前具有圆锥截面形状的横截面。
55、如权利要求51到54的任一项所述的装置，
近似的测量波的非球面波前是旋转对称的。
56、如权利要求51到55的任一项所述的装置，
在测量波和待标定的衍射结构相互作用后，设置标定部件以完全确定测量波的实际波前。
57、如权利要求51到56的任一项所述的装置，
标定部件具有标定物体，该标定物体具有圆锥截面形状的横截面，特别是标定球面，在测量波和待标定的衍射结构相互作用后，用于反射测量波。
58、如权利要求57所述的装置，
标定部件被设置为完全确定标定物体的形状。
59、如权利要求51到58的任一项所述的装置，
标定部件被设置为，在测量波和待标定的衍射结构相互作用后，完全确定入射测量波的非旋转对称误差。
60、如权利要求40、43、45、57、58和59的任一项所述的装置，
两个衍射结构叠置在公共基板上。
61、如权利要求60所述的装置，
还具有衍射元件，该衍射元件具有两个衍射结构，衍射元件具有至少第一类型和第二类型的衍射元素，以及在衍射元件的至少一个区域，衍射元素的光栅结构被调制，从而衍射元素形成上光栅。
62、如权利要求61所述的装置，
该装置被配置为，在上光栅上以不是零级衍射级的预定衍射级衍射的测量辐射产生探测器可以探测的干涉图样。
63、如权利要求60到62的任一项所述的装置，
进一步包括置于光路中的孔径，该孔径从光路中去除在上光栅上以零级衍射级或者不同于预定衍射级的衍射级衍射的测量波的测量辐射。
64、如权利要求60到63的任一项所述的装置，
该装置被配置为，在上光栅上以不同于零级衍射级的第一衍射级衍射的测量波的测量辐射实质上具有球面波前。
65、如权利要求64所述的装置，进一步包括具有表面的标定物体，所述表面能够置于测量波中，从而以第一衍射级衍射的测量波的测量辐射实质上垂直的入射到标定物体的表面上。
66、如权利要求65所述的装置，标定物体具有球面表面。
67、一种衍射光栅，包括：
载体和载体上的衍射结构，所述衍射结构包括在衍射结构的至少一个区域的平面内延伸的多个延长的衍射元素，
从沿衍射元素的延伸方向横向定向的方向观察，在至少一个区域，至少第一类型的衍射元素和第二类型的衍射元素处于交替相邻的位置，
第一类型的衍射元素和第二类型的衍射元素具有彼此不同的光学特性，
在至少一个区域，至少第一类型的延长的条纹以及第二类型的延长的条纹在平面上延伸，
从沿条纹的延伸方向横向定向的方向观察，第一类型的条纹以及第二类型的条纹在至少一个区域处于交替相邻的位置，
关于条纹中的衍射元素的配置图样，第一类型的条纹以及第二类型的条纹不同。
68、一种干涉仪配置，包括：
具有平均波长的用于测量辐射的辐射源，
用于产生测量辐射光束的干涉仪光学系统，其中可以放置待测量的物体，
用于在测量辐射和待测量的物体相互作用之后接收测量辐射的探测器，
干涉仪光学系统包括如权利要求67所述的衍射光栅。
69、一种干涉仪配置，特别是如权利要求68所述的干涉仪配置，包括：
具有平均波长的用于测量辐射的辐射源，
用于产生测量辐射光束的干涉仪光学系统，其中可以放置待测量的物体，
用于在测量辐射和待测量的物体相互作用之后接收测量辐射的探测器，
干涉仪光学系统包括衍射光栅，所述衍射光栅通过至少第一类型和第二类型的衍射元素形成，在衍射光栅的至少一个区域，衍射元素的光栅结构被调制，从而衍射元素形成上光栅。
70、一种制造具有光学表面的光学元件的方法，包括：
使用如权利要求68或69所述的干涉仪配置，
将光学元件置于测量辐射光束中，从而在上光栅上以不同于零级衍射级的第一衍射级衍射的测量辐射实质上垂直的入射光学表面，
以探测器记录至少第一强度分布，以及
依据至少一个被记录的第一强度分布处理光学表面。
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