DE102022210483A1 - Interferometric measuring device - Google Patents
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Abstract
Eine Messvorrichtung (100) zur interferometrischen Bestimmung einer Form einer optischen Oberfläche (112) eines Prüflings (110) umfasst ein Beleuchtungsmodul (120) zur Erzeugung einer effektiven Lichtquelle (130) in einer Lichtquellenebene (132) des Beleuchtungsmoduls, einen Kollimator (210) zur Kollimierung des von der effektiven Lichtquelle (130) emittierten Messlichts, ein dem Kollimator (210) nachgeschaltetes transparentes Referenzelement (220) mit einer der Oberfläche (112) des Prüflings (110) zugewandten Referenzfläche (222), wobei zwischen der Referenzfläche (222) und der Oberfläche (112) des Prüflings (110) eine Kavität (230) gebildet ist sowie einen Strahlteiler (240), der zwischen dem Beleuchtungsmodul (120) und dem Kollimator (210) derart angeordnet ist, dass von der effektiven Lichtquelle (130) emittiertes Messlicht zum Kollimator (210) hindurchtritt oder reflektiert wird und von der Referenzfläche (222) und der Oberfläche (112) des Prüflings (110) reflektiertes Messlicht überlagert in Richtung eines Detektors (250) reflektiert oder hindurchgelassen wird. Das Beleuchtungsmodul (120) weist ein Zusatzmodul (160) in Form eines Vorschaltinterferometers mit einer Vorschaltkavität (165) auf, die optisch zwischen einer ausgedehnten Lichtquelle (LQ) und der Lichtquellenebene (132) angeordnet und derart konfiguriert ist, dass aus dem Licht der ausgedehnten Lichtquelle (LQ) zwei kohärente Lichtquellenbilder (LQ1, LQ2) erzeugbar sind, die einen optischen Weglängenunterschied zueinander aufweisen, wobei das von der effektiven Lichtquelle (130) in der Lichtquellenebene (132) emittierte Messlicht eine Überlagerung von Licht der zwei kohärenten Lichtquellenbilder (LQ1, LQ2) enthält.A measuring device (100) for the interferometric determination of a shape of an optical surface (112) of a test object (110) comprises an illumination module (120) for generating an effective light source (130) in a light source plane (132) of the illumination module, a collimator (210) for Collimation of the measuring light emitted by the effective light source (130), a transparent reference element (220) connected downstream of the collimator (210) with a reference surface (222) facing the surface (112) of the test object (110), with the reference surface (222) and a cavity (230) is formed on the surface (112) of the specimen (110) and a beam splitter (240) which is arranged between the illumination module (120) and the collimator (210) in such a way that the effective light source (130) emits Measuring light passes through to the collimator (210) or is reflected and measuring light reflected from the reference surface (222) and the surface (112) of the test object (110) is superimposed and reflected or passed in the direction of a detector (250). The illumination module (120) has an additional module (160) in the form of a front-end interferometer with a front-end cavity (165), which is optically arranged between an extended light source (LQ) and the light source plane (132) and is configured in such a way that the light from the extended Light source (LQ) two coherent light source images (LQ1, LQ2) can be generated which have an optical path length difference to one another, the measuring light emitted by the effective light source (130) in the light source plane (132) being a superimposition of light from the two coherent light source images (LQ1, LQ2) contains.
Description
ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIKFIELD OF APPLICATION AND PRIOR ART
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur interferometrischen Bestimmung einer Form einer optischen Oberfläche eines Prüflings. Die Messvorrichtung umfasst ein Fizeau-Interferometer.The invention relates to a measuring device for the interferometric determination of a shape of an optical surface of a test object. The measuring device includes a Fizeau interferometer.
Ein allgemeines Anwendungsgebiet ist die hochgenaue interferometrische Vermessung von optischen Flächen und optisch transparenten Objekten. Ein spezielles Anwendungsgebiet ist die ultra-hochgenaue interferometrische Vermessung, wie sie z.B. bei der Herstellung von lithografischen Projektionsoptiken zum Einsatz kommt. Dabei geht es um Messunsicherheiten unter 1/100 der sichtbaren Wellenlänge.A general area of application is the high-precision interferometric measurement of optical surfaces and optically transparent objects. A special area of application is ultra-high-precision interferometric measurement, such as that used in the manufacture of lithographic projection optics. This involves measurement uncertainties below 1/100 of the visible wavelength.
In lithografischen Projektionsoptiken werden zunehmend Freiformflächen-Spiegel oder Freiform-Linsen eingesetzt. Bei der interferometrischen Prüfung von Freiformflächen (FFF) entfällt die Methode der Drehvermittelung, die bei rotationssymmetrischen Asphären angewendet werden kann, aufgrund der Unsymmetrie des Prüflings. Da die klassische Kalibrierung mit Drehvermittlung von rotationsunsymmetrischen Fehlern nicht möglich ist, verbleibt ein optisches Störsignal (Speckle-Effekte), das u.a. durch die Oberflächen-Feinstruktur der Interferometer-Bauteile erzeugt wird.Free-form surface mirrors or free-form lenses are increasingly being used in lithographic projection optics. In the interferometric testing of free-form surfaces (FFF), the method of rotation mediation, which can be used with rotationally symmetrical aspheres, is not applicable due to the asymmetry of the test object. Since the classic calibration with rotational transmission of rotationally asymmetrical errors is not possible, an optical interference signal (speckle effects) remains, which is generated, among other things, by the fine surface structure of the interferometer components.
Ein klassisches Mittel, die durch Interferometer-Bauteile verursachten kohärenten Störungen und Artefakte gering zu halten oder zu vermeiden, ist der Einsatz einer großen Lichtquelle. Sie sorgt dafür, dass Feinstrukturen auf den Bauteilen unscharf abgebildet werden, so dass ihre kohärenten störenden Auswirkungen gedämpft werden. Große Lichtquellen können z.B. in Zweistrahl-Interferometern vom Typ „Michelson“ oder „Twyman-Green“ genutzt werden. Wegen diverser Randbedingungen werden derartige Interferometer-Typen jedoch eher selten eingesetzt.A classic means of minimizing or avoiding the coherent interference and artifacts caused by interferometer components is to use a large light source. It ensures that fine structures on the components are imaged out of focus, so that their coherent disruptive effects are dampened. Large light sources can be used, for example, in "Michelson" or "Twyman-Green" type two-beam interferometers. Due to various boundary conditions, however, such interferometer types are rarely used.
Das Arbeitspferd in der Optikwerkstatt, speziell bei der Produktion von Elementen von lithografischen Projektionsoptiken, ist das Interferometer vom Typ „Fizeau“ (Fizeau-Interferometer). Eine Messvorrichtung mit Fizeau-Interferometer umfasst ein Beleuchtungsmodul, das eine effektive Lichtquelle erzeugt. Von dem Beleuchtungsmodul emittiertes Licht wird mit einem Kollimator kollimiert. Zwischen dem Beleuchtungsmodul und dem Kollimator befindet sich ein Strahlteiler. Der kollimierte Strahl durchtritt ein transparentes Referenzelement, dessen mit hoher optischer Qualität gefertigte Austrittsfläche als Referenzfläche dient, durch die ein Teil des Lichts reflektiert wird. Der transmittierte Anteil propagiert weiter zur Prüflingsoberfläche. Der Raum zwischen Referenzfläche und Prüflingsoberfläche wird als Kavität des Interferometers bezeichnet. Der von der Prüflingsoberfläche reflektierte Anteil enthält Informationen über die durch den Prüfling verursachte Aberration. Die Wellenfronten beider Anteile interferieren im Interferometer und werden über den Strahlteiler auf die Sensorfläche eines Detektors geleitet. Auf der Sensorfläche entsteht ein scharfes Bild der Probenfläche, das mit einem Streifenmuster (dem Interferenzmuster) durchzogen ist. Dabei zeigt ein durchgehender Streifen Bereiche gleicher Luftspaltdicke an. Angrenzende Streifen hingegen zeigen eine Änderung der Dicke an, die der halben Wellenlänge des Lichts entsprechen.The workhorse in the optics workshop, particularly in the production of elements of lithographic projection optics, is the "Fizeau" type interferometer (Fizeau interferometer). A Fizeau interferometer measuring device includes an illumination module that produces an effective light source. Light emitted from the illumination module is collimated with a collimator. A beam splitter is located between the illumination module and the collimator. The collimated beam passes through a transparent reference element whose exit surface, manufactured with high optical quality, serves as a reference surface through which part of the light is reflected. The transmitted portion propagates further to the test piece surface. The space between the reference surface and the test piece surface is called the cavity of the interferometer. The part reflected from the test piece surface contains information about the aberration caused by the test piece. The wave fronts of both components interfere in the interferometer and are directed via the beam splitter onto the sensor surface of a detector. A sharp image of the sample surface is created on the sensor surface, which is streaked with a striped pattern (the interference pattern). A continuous strip indicates areas of the same air gap thickness. Adjacent fringes, on the other hand, show a change in thickness that corresponds to half the wavelength of the light.
Ein grundlegendes Gesetz der räumlichen Kohärenz bedingt, dass die Lichtquellengröße eine bestimmte Größe nicht überschreiten darf, wenn Interferenzbilder mit ausreichendem Kontrast entstehen sollen. Berücksichtigt man weiterhin, dass Fizeau-Interferometrie nur dann zufriedenstellend funktioniert, wenn die bei ausgedehnten monochromatischen Lichtquellen entstehenden Haidinger-Ringe kleiner als die halbe Streifenbreite bleiben, ergibt sich eine Beschränkung für die maximale Größe der effektiven Lichtquelle.A fundamental law of spatial coherence dictates that the size of the light source must not exceed a certain size if interference images are to be produced with sufficient contrast. If one also takes into account that Fizeau interferometry only works satisfactorily if the Haidinger rings that occur in the case of extended monochromatic light sources remain smaller than half the stripe width, there is a limit to the maximum size of the effective light source.
Es wurde bereits vorgeschlagen, kohärente Störungen durch Verwendung einer kreisförmigen Lichtquelle (
AUFGABE UND LÖSUNGTASK AND SOLUTION
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine gattungsgemäße interferometrische Messvorrichtung bereitzustellen, die eine verbesserte Unterdrückung von hoch- und mittelfrequenten Messfehlern bietet, die durch Störreflexe von Interferometer-Bauteilen entstehen (z.B. durch Rauheit und Oberflächendefekte, Verschmutzungen, Blasen und Schlieren etc.).Against this background, an object of the invention is to provide an interferometric measuring device of the generic type that offers improved suppression of high- and medium-frequency measuring errors that arise from interference reflections from interferometer components (e.g. from roughness and surface defects, dirt, bubbles and streaks, etc. ).
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung eine Messvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.To solve this problem, the invention provides a measuring device with the features of claim 1. Preferred developments are specified in the dependent claims. The wording of all claims is incorporated into the description by reference.
Gemäß einer Formulierung der Erfindung wird eine Messvorrichtung zur interferometrischen Bestimmung einer Form einer optischen Oberfläche eines Prüflings bereitgestellt. Die Messvorrichtung umfasst ein Beleuchtungsmodul zur Erzeugung einer effektiven Lichtquelle in einer Lichtquellenebene des Beleuchtungsmoduls.According to one formulation of the invention, a measuring device for interferometrically determining a shape of an optical surface of a test object is provided. The measuring device includes an illumination module for generating an effective light source in a light source plane of the illumination module.
Die Messvorrichtung umfasst weiterhin einen Kollimator zur Kollimierung des von der effektiven Lichtquelle emittierten Messlichts. Der Kollimator kann durch eine Einzellinse oder ein computergeneriertes Hologramm (CGH) gebildet sein oder mehrere Linsen und CGHs umfassen, er wird hier auch als Kollimationsoptik bezeichnet. Zur Prüfung von sphärischen, asphärischen oder Freiformflächen kann dem Kollimator eine Prüf- oder Kompensationsoptik (kurz: Prüfoptik) nachgeschaltet sein, die ebenfalls aus einzelnen oder mehreren Linsen oder CGHs gebildet sein kann. Es ist ein dem Kollimator (und ggf. der Prüfoptik) nachgeschaltetes transparentes Referenzelement vorgesehen, das eine der Oberfläche des Prüflings zugewandten Referenzfläche aufweist, wobei zwischen der Referenzfläche und der Oberfläche des Prüflings eine Kavität mit Kavitätslänge d gebildet ist. Weiterhin ist ein Strahlteiler vorgesehen, der zwischen dem Beleuchtungsmodul und dem Kollimator derart angeordnet ist, dass vom Beleuchtungsmodul emittiertes Messlicht zum Kollimator hindurchtritt oder reflektiert wird und von der Referenzfläche und der Oberfläche des Prüflings reflektiertes Licht überlagert in Richtung eines Detektors reflektiert oder hindurchgelassen wird.The measuring device also includes a collimator for collimating the measuring light emitted by the effective light source. The collimator can be formed by a single lens or a computer generated hologram (CGH) or can comprise multiple lenses and CGHs, it is also referred to herein as collimating optics. To test spherical, aspheric or free-form surfaces, the collimator can be followed by test or compensation optics (in short: test optics), which can also be formed from individual or multiple lenses or CGHs. A transparent reference element is provided which is connected downstream of the collimator (and possibly the test optics) and has a reference surface facing the surface of the test object, with a cavity having a cavity length d being formed between the reference surface and the surface of the test object. Furthermore, a beam splitter is provided, which is arranged between the illumination module and the collimator in such a way that the measurement light emitted by the illumination module passes through to the collimator or is reflected, and the light reflected from the reference surface and the surface of the test object is superimposed and reflected or passed in the direction of a detector.
Die „effektive Lichtquelle“ ist diejenige Lichtquelle, deren emittiertes Licht von dem Kollimator gesammelt und als Messlicht für die Messung genutzt wird. Das Licht der effektiven Lichtquelle wird in der Regel durch geeignete Aufbereitung aus dem Licht einer primären Lichtquelle erzeugt und hat für die Messung besonders geeignete Eigenschaften. Bei konventionellen Systemen kann z.B. ein Laser als primäre Lichtquelle genutzt werden. Eine nachgeschaltete Strahlaufweitungsoptik kann einen aufgeweiteten Laserstrahl erzeugen, der auf eine stationäre oder rotierende Streuscheibe trifft und dort eine sekundäre Lichtquelle in Form eines gleichmäßig ausgeleuchteten Beleuchtungsflecks bzw. Beleuchtungsspot mit der gewünschten Größe bildet. Dieser Beleuchtungsspot, d.h. die sekundäre Lichtquelle, fungiert als effektive Lichtquelle des Beleuchtungsmoduls und emittiert Messlicht in Richtung des Kollimators.The "effective light source" is the light source whose emitted light is collected by the collimator and used as the measuring light for the measurement. The light of the effective light source is usually generated by suitable processing from the light of a primary light source and has properties that are particularly suitable for the measurement. In conventional systems, for example, a laser can be used as the primary light source. A downstream beam expansion optic can generate an expanded laser beam, which hits a stationary or rotating diffuser and forms a secondary light source there in the form of a uniformly illuminated illumination spot or illumination spot of the desired size. This illumination spot, i.e. the secondary light source, acts as the effective light source of the illumination module and emits measurement light towards the collimator.
Es ist auch möglich, eine aktiv strahlende primäre Lichtquelle als effektive Lichtquelle zu verwenden. Beispielsweise kann eine Superlumineszenzdiode (SLD) als effektive Lichtquelle verwendet werden. Solche Lichtquellen haben eine kurze Kohärenzlänge, dafür aber eine größere leuchtende Fläche.It is also possible to use an actively radiating primary light source as an effective light source. For example, a super luminescent diode (SLD) can be used as an effective light source. Such light sources have a short coherence length but a larger luminous area.
Gemäß der beanspruchten Erfindung weist das Beleuchtungsmodul ein Zusatzmodul in Form eines Vorschaltinterferometers auf, das optisch zwischen einer ausgedehnten Lichtquelle und der Lichtquellenebene angeordnet und derart konfiguriert ist, dass aus dem Licht der Lichtquelle zwei kohärente Lichtquellenbilder erzeugbar sind bzw. erzeugt werden, die einen optischen Weglängenunterschied zueinander aufweisen, wobei das von der effektiven Lichtquelle in der Lichtquellenebene emittierte Messlicht eine Überlagerung von Licht der zwei kohärenten Lichtquellenbilder enthält. Bei der Lichtquelle, die zur Erzeugung der Lichtquellenbilder abgebildet wird, kann es sich um eine primäre Lichtquelle oder um eine mit Licht einer primären Lichtquelle ausgeleuchtete ausgedehnte sekundäre Lichtquelle handeln.According to the claimed invention, the illumination module has an additional module in the form of a switching interferometer, which is optically arranged between an extended light source and the light source plane and is configured in such a way that two coherent light source images can be generated or are generated from the light of the light source, which have an optical path length difference to each other, wherein the measuring light emitted by the effective light source in the light source plane contains a superimposition of light from the two coherent light source images. The light source that is imaged to generate the light source images can be a primary light source or an extended secondary light source illuminated with light from a primary light source.
Das Vorschaltinterferometer umfasst eine eigene Kavität, die hier als Vorschaltkavität bezeichnet wird. Das Vorschaltinterferometer erzeugt zwei kohärente Lichtquellenbilder, die einen definierten optischen Weglängenunterschied (optical path difference, OPD) zueinander aufweisen. Das von der effektiven Lichtquelle emittierte Messlicht enthält dann eine Überlagerung von Licht der beiden Lichtquellenbilder. Die Lichtquellenbilder können in der Lichtquellenebene liegen, ggf. aber auch außerhalb der Lichtquellenebene optisch vor dieser in der Weise, dass Lichtanteile der Lichtquellenbilder entlang von optischen Pfaden zur Lichtquellenebene geführt werden und dort gemeinsam die effektive Lichtquelle bilden.The front-end interferometer has its own cavity, referred to here as the front-end cavity. The upstream interferometer generates two coherent light source images that have a defined optical path difference (OPD) relative to one another. The measuring light emitted by the effective light source then contains a superimposition of light from the two light source images. The light source images can lie in the light source plane, but possibly also outside the light source plane optically in front of it in such a way that light components of the light source images are guided along optical paths to the light source plane and there together form the effective light source.
Der optische Weglängenunterschied im Vorschaltinterferometer sollte möglichst dem der Haidinger-Ringe des Interferometers entsprechen und sollte um weniger als einen halben Ring abweichen. Anders ausgedrückt sollten am Ausgang des Vorschaltinterferometers Haidingersche Ringe erzeugt werden, die denen des Fizeau-Interferometers ohne Vorschaltinterferometer im Wesentlichen entsprechen. Gemäß einer anderen Formulierung sollte das Vorschaltinterferometer derart ausgelegt und justiert sein, dass ein Weglängenunterschied zwischen aus unterschiedlichen Lichtquellenpunkten stammenden Strahlen im Wesentlichen unabhängig von der Lage des Lichtquellenpunkts ist.The optical path length difference in the upstream interferometer should correspond to that of the Haidinger rings of the interferometer and should deviate by less than half a ring. In other words, Haidinger rings should be generated at the output of the front-end interferometer, which essentially correspond to those of the Fizeau interferometer without front-end interferometer. According to another formulation, the upstream interferometer should be designed and adjusted in such a way that a path length difference between beams originating from different light source points is essentially independent of the position of the light source point.
In einer Lichtquellen-Zwischenebene des Interferometers überlagern sich dann vier kohärente Lichtquellenbilder, von denen zwei „in Phase“ sind in der Weise, dass sie eine über die Fläche konstante Phasendifferenz zeigen. Diese sorgen für ein kontrastreiches Interferenzbild auf der Sensorfläche des Detektors.Four coherent light source images are then superimposed in an intermediate light source plane of the interferometer, two of which are “in phase” in such a way that they show a constant phase difference over the surface. These ensure a high-contrast interference image on the sensor surface of the detector.
Damit ist es möglich, die in der Einleitung erwähnte Einschränkung bezüglich der maximalen Größe der (effektiven) Lichtquelle in einem Fizeau-Interferometer ohne wesentliche Einschränkung der Messkapazität zu überwinden. Die ausgedehnte effektive Lichtquelle kann dann den für herkömmliche Fizeau-Interferometer maximal zulässigen Lichtquellendurchmesser ∅max überschreiten, so dass für bevorzugte Ausführungsformen die folgende Bedingung für den Lichtquellendurchmesser ∅ gilt:
Der optische Weglängenunterschied bzw. die dadurch verursachte Phasenverzögerung kann durch Vorgabe der Vorschaltkavitätslänge dVSK eingestellt werden. Der optische Weglängenunterschied entspricht dem Doppelten der Vorschaltkavitätslänge.The optical path length difference or the phase delay caused thereby can be set by specifying the upstream cavity length d VSK . The difference in optical path length corresponds to twice the length of the upstream cavity.
Die Phasenverzögerung bzw. der optische Weglängenunterschied kann durch den optischen Aufbau des Zusatzmoduls bzw. des Vorschaltinterferometers, insbesondere durch den optischen Aufbau der Vorschaltkavität, fest vorgegeben sein. Gemäß einer Weiterbildung ist jedoch der optische Weglängenunterschied mittels einer Einstelleinrichtung über einen gewissen Einstellbereich gezielt einstellbar, wobei vorzugsweise eine stufenlose Einstellung vorgesehen ist. Damit ist eine exakte Anpassung der Wirkung des Zusatzmoduls auf die Messbedingungen möglich. Die Einstelleinrichtung kann z.B. einen Einstellmechanismus zum (stufenlosen) Verschieben eines Spiegels oder einer Linse aufweisen.The phase delay or the optical path length difference can be permanently specified by the optical structure of the additional module or the upstream interferometer, in particular by the optical structure of the upstream cavity. According to a further development, however, the difference in optical path length can be set in a targeted manner by means of a setting device over a certain setting range, with stepless setting preferably being provided. This enables an exact adjustment of the effect of the additional module on the measurement conditions. The adjustment device can, for example, have an adjustment mechanism for (continuously) displacing a mirror or a lens.
Gemäß einer Weiterbildung weist das Zusatzmodul bzw. das Vorschaltinterferometer eine Interferometer-Anordnung auf, die dazu konfiguriert ist, Messlicht in einer Eintrittsebene zu empfangen und daraus phasenmodifiziertes Messlicht in einer Austrittsebene zu erzeugen. Das Zusatzmodul umfasst einen ersten Strahlteiler in Form eines teildurchlässigen Spiegels zum Empfangen von Messlicht von der Eintrittsebene und zur Aufspaltung des Strahlengangs in einen ersten und einen zweiten optischen Pfad, wobei von dem ersten Strahlteiler reflektiertes Messlicht entlang des ersten optischen Pfads und von dem ersten Strahlteiler transmittiertes Messlicht entlang des zweiten optischen Pfads in Richtung der Austrittsebene propagiert. Die Anordnung umfasst weiterhin einen zweiten Strahlteiler in Form eines teildurchlässigen Spiegels zum Zusammenführen des ersten und des zweiten optischen Pfads derart, dass der erste und der zweite optische Pfad zwischen dem zweiten Strahlteiler und der Austrittsebene gemeinsam verlaufen. Weiterhin ist ein erster Spiegel vorgesehen, der im ersten optischen Pfad derart angeordnet ist, dass Messlicht zum zweiten Strahlteiler reflektiert wird, sowie ein zweiter Spiegel, der im zweiten optischen Pfad derart angeordnet ist, dass Messlicht zum zweiten Strahlteiler reflektiert wird. Mit dieser Anordnung ist es auf unterschiedliche Weise möglich, einen gewünschten Weglängenunterschied zwischen dem ersten optischen Pfad und dem zweiten optischen Pfad mit hoher Präzision vorzugeben.According to one development, the additional module or the upstream interferometer has an interferometer arrangement that is configured to receive measurement light in an entry plane and to generate phase-modified measurement light from it in an exit plane. The additional module comprises a first beam splitter in the form of a partially transparent mirror for receiving measurement light from the entrance plane and for splitting the beam path into a first and a second optical path, with measurement light reflected by the first beam splitter along the first optical path and transmitted by the first beam splitter Measuring light propagated along the second optical path in the direction of the exit plane. The arrangement further comprises a second beam splitter in the form of a partially transparent mirror for combining the first and the second optical path in such a way that the first and the second optical path run together between the second beam splitter and the exit plane. Furthermore, a first mirror is provided, which is arranged in the first optical path such that measurement light is reflected to the second beam splitter, and a second mirror is arranged in the second optical path such that measurement light is reflected to the second beam splitter. With this arrangement, it is possible in different ways to preset a desired path length difference between the first optical path and the second optical path with high precision.
Die Interferometer-Anordnung ist dazu ausgelegt, entlang beider optischen Pfade eine optische Abbildung zu bewirken, so dass aus einer Lichtquelle an einer Lichtquellenposition in der Eingangsebene ein Lichtquellenbild erzeugt wird.The interferometer arrangement is designed to effect optical imaging along both optical paths, so that a light source image is generated from a light source at a light source position in the input plane.
Bei manchen Ausführungsformen ist ein erstes Objektiv vorgesehen, das zwischen der Eintrittsebene und dem ersten Strahlteiler angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ ist ein zweites Objektiv vorgesehen, das zwischen dem zweiten Strahlteiler und der Austrittsebene angeordnet ist. Die Objektive tragen zur Erzeugung der Lichtquellenbilder bei. Die Nutzung derartiger Objektive ist jedoch nicht zwingend. Beispielsweise kann zum Zweck der Abbildung der erste Spiegel und/oder der zweite Spiegel als Hohlspiegel ausgebildet sein, also als Spiegel mit Brechkraft.In some embodiments, a first objective is provided, which is arranged between the entrance plane and the first beam splitter. Additionally or alternatively, a second lens is provided, which is arranged between the second beam splitter and the exit plane. The lenses contribute to the creation of the light source images. However, the use of such lenses is not mandatory. For example, for the purpose of imaging, the first mirror and/or the second mirror can be designed as a concave mirror, ie as a mirror with refractive power.
Es sind unterschiedliche Typen von Interferometer-Anordnungen möglich. Bei manchen Ausführungsformen werden der erste Strahlteiler und der zweite Strahlteiler durch denselben Strahlteiler gebildet. Es gibt also nur ein optisches Element, das als Strahlteiler mit einer Doppelfunktion wirkt, nämlich einerseits zur Aufspaltung des von der Lichtquelle kommenden Teils des Strahlengangs in die zwei optischen Pfade und andererseits zum Zusammenführen der optischen Pfade nach Reflexion an den jeweiligen Spiegeln in den Pfaden. Die Interferometer-Anordnung kann also nach Art eines Michelson-Interferometers aufgebaut sein. Als Alternative ist es auch möglich, dass der erste Strahlteiler und der zweite Strahlteiler zwei gesondert voneinander angeordnete Strahlteiler sind. Damit kann eine Interferometer-Anordnung nach Art eines Mach-Zehnder-Interferometers aufgebaut werden.Different types of interferometer arrangements are possible. In some embodiments, the first beam splitter and the second beam splitter are formed by the same beam splitter. There is therefore only one optical element which acts as a beam splitter with a dual function, namely on the one hand to split the part of the beam path coming from the light source into the two optical paths and on the other on the other hand, for merging the optical paths after reflection at the respective mirrors in the paths. The interferometer arrangement can thus be constructed in the manner of a Michelson interferometer. As an alternative, it is also possible for the first beam splitter and the second beam splitter to be two beam splitters arranged separately from one another. An interferometer arrangement can thus be constructed in the manner of a Mach-Zehnder interferometer.
Die Verwendung eines Vorschaltinterferometers wird in der Regel zu unerwünschten Reflexen führen, die zu Kontrastverlusten im Interferenzbild führen und die Messgenauigkeit beeinträchtigen können. Will man den Kontrast möglichst hoch gestalten, so sollten die unerwünschten Reflexe ausgeblendet oder auf andere Weise beseitigt werden. Bei manchen Ausführungsformen ist zu diesem Zweck vorgesehen, dass mindestens ein optisches Element des ersten optischen Pfads und/oder mindestens ein optisches Element des zweiten optischen Pfads derart kontrolliert dejustiert oder dejustierbar ist, dass Lichtquellenbilder aus dem ersten und dem zweiten optischen Pfad in einer geeigneten Ebene lateral gegeneinander versetzt liegen. Die beiden Lichtquellenbilder können gegebenenfalls ohne Überlappung seitlich gegeneinander versetzt werden. Nicht benötigte Anteile aus nicht benötigten optischen Pfaden können dann durch eine Blende abgeblockt werden. Die Dejustierung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass einer der Spiegel aus einer Referenzlage verkippt wird. Alternativ oder zusätzlich können ein oder mehr optische Elemente ohne Verkippung dezentriert werden und/oder es können unerwünschte Reflexe auf andere Weise ausgeblendet werden. Dies kann dazu beitragen, einen eventuellen Verlust an Interferenzkontrast durch Einführung eines Vorschaltinterferometers auszugleichen.The use of a front-end interferometer will usually lead to unwanted reflections, which can lead to loss of contrast in the interference pattern and impair the measurement accuracy. If you want to make the contrast as high as possible, the unwanted reflections should be hidden or eliminated in some other way. In some embodiments, it is provided for this purpose that at least one optical element of the first optical path and/or at least one optical element of the second optical path is misaligned or can be misaligned in a controlled manner such that light source images from the first and second optical paths are in a suitable plane laterally offset from each other. If necessary, the two light source images can be offset laterally with respect to one another without overlapping. Unneeded parts from unneeded optical paths can then be blocked by an aperture. The misalignment can be achieved, for example, by tilting one of the mirrors from a reference position. Alternatively or additionally, one or more optical elements can be decentered without tilting and/or undesired reflections can be suppressed in a different way. This can help compensate for any loss of interference contrast by introducing a front-end interferometer.
Insbesondere wenn eine Abstimmung der Kavitätslänge der Vorschaltkavität alleine nicht ausreicht, um die Gangunterschiede zwischen den zum kontrastreichen Interferenzbild beitragenden optischen Wegen auszugleichen, kann vorgesehen sein, im Zusatzmodul wenigstens ein zusätzliches Korrekturelement einzuführen, bei dem es sich beispielsweise um eine Linse mit Brechkraft, um ein Kompensationssystem mit mehreren Linsen, um ein computergeneriertes Hologramm (CGH) oder um ein Linsenelement mit einer Spiegelfläche (Mangin-Spiegel) handeln kann.In particular, if tuning the cavity length of the upstream cavity alone is not sufficient to compensate for the path differences between the optical paths contributing to the high-contrast interference image, provision can be made to introduce at least one additional correction element in the additional module, which may be, for example, a lens with a refractive power, a Compensation system with multiple lenses, a computer generated hologram (CGH) or a lens element with a mirror surface (Mangin mirror).
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der erste Spiegel und/oder der zweite Spiegel eine gekrümmte Spiegelfläche und/oder eine asphärische Spiegelfläche aufweist. Einer der Spiegel oder beide Spiegel können zum Beispiel als Hohlspiegel so ausgelegt sein, so dass Objektive in den optischen Pfaden entfallen können.Alternatively or additionally, it can be provided that the first mirror and/or the second mirror has a curved mirror surface and/or an aspherical mirror surface. One of the mirrors or both mirrors can be designed as a concave mirror, for example, so that lenses in the optical paths can be omitted.
Es ist möglich, einen der Spiegel oder beide Spiegel als aktiv deformierbaren Spiegel auszulegen, so dass die Deformation (Abweichung der Spiegelflächenform von einer z.B. ebenen Referenzform) gezielt eingestellt und bei Bedarf verändert werden kann. Dadurch sind genaue Anpassungen an die Messbedingungen möglich.It is possible to design one of the mirrors or both mirrors as actively deformable mirrors, so that the deformation (deviation of the mirror surface shape from a flat reference shape, for example) can be specifically adjusted and changed if necessary. This enables precise adjustments to the measurement conditions.
Das Messsystem kann mit einer quasi-monochromatischen primären Lichtquelle arbeiten. Es ist auch möglich, dass die primäre Lichtquelle eine breitbandige Lichtquelle ist. Dann sollte darauf geachtet werden, dass der Weglängenunterschied der in der Sensorfläche bzw. Kameraebene des Detektors interferierenden Reflexe innerhalb der zeitlichen Kohärenzlänge des primären Messlichts liegt.The measurement system can work with a quasi-monochromatic primary light source. It is also possible that the primary light source is a broadband light source. It should then be ensured that the path length difference of the reflexes interfering in the sensor surface or camera plane of the detector is within the temporal coherence length of the primary measuring light.
Zur Bestimmung der Formabweichung von Prüflingen wird häufig eine Serie von Interferogrammen benötigt, deren Streifenmuster in bestimmter Abfolge verändert wurden. Hierzu werden sogenannte Phasenschiebeverfahren eingesetzt, um die Phasendifferenz in geeigneter Weise zeitlich zu verändern. Bei manchen Ausführungsformen ist die Messvorrichtung zur Einstellung von Phasenverschiebungen ausgebildet. Zur gezielten Phasenveränderung (zum Beispiel Konstant-Anteil und gegebenenfalls zusätzliche Kippungen) können unterschiedliche Einrichtungen vorgesehen sein, dazu gehören: eine Einrichtung zur Erzeugung einer Positionsänderung von Prüfling und/oder Referenz; eine Einrichtung zur Erzeugung einer Positionsänderung des ersten Spiegels und/oder der Vorschaltkavität; eine Einrichtung zur Veränderung der Brechzahlen der optischen Medien in Referenz- und/oder Prüfarm; eine Einrichtung zur Veränderung der Brechzahlen der optischen Medien in den beiden Armen der Vorschaltkavität; eine Einrichtung zur Veränderung der Wellenlänge.In order to determine the form deviation of test objects, a series of interferograms is often required, the fringe patterns of which have been changed in a specific sequence. So-called phase shifting methods are used for this purpose in order to change the phase difference in a suitable manner over time. In some embodiments, the measuring device is designed to set phase shifts. Various devices can be provided for the purposeful phase change (for example constant component and possibly additional tilting), including: a device for generating a change in the position of the test object and/or reference; a device for generating a change in position of the first mirror and/or the ballast cavity; a device for changing the refractive indices of the optical media in the reference and/or test arm; means for changing the indices of refraction of the optical media in the two arms of the ballast cavity; a device for changing the wavelength.
Eine Verfahrensvariante umfasst die Aufnahme einer Serie von Interferogrammen zur Bestimmung von Wellenfronten unter gleichzeitiger Verschiebung der Phasenlage des Prüflings, der Referenz und der beiden Spiegel der Vorschaltkavität mit den respektiven Streifenfrequenzen ωP, ωR, ω1, ω2. Vorzugsweise wird eine Aufnahme einer solchen Serie von Interferogrammen durchgeführt, wobei ωR und ω1 oder ωP und ω2 als Hochfrequenzsignale ausgebildet sind, die vom Empfänger nicht zeitlich aufgelöst werden können. Die Messvorrichtung ist dann entsprechend konfiguriert, um diese Vorgehensweise zu realisieren.A variant of the method includes recording a series of interferograms to determine wavefronts while simultaneously shifting the phase position of the test object, the reference and the two mirrors of the upstream cavity with the respective fringe frequencies ω P , ω R , ω 1 , ω 2 . Such a series of interferograms is preferably recorded, where ω R and ω 1 or ω P and ω 2 are embodied as high-frequency signals that cannot be time-resolved by the receiver. The measuring device is then configured accordingly in order to implement this procedure.
Figurenlistecharacter list
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind.:
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1 zeigt schematisch eine konventionelle Messvorrichtung mit einem Fizeau-Interferometer; -
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung, bei der in das Beleuchtungsmodul ein Zusatzmodul in Form eines Vorschaltinterferometers mit Vorschaltkavität derart integriert ist, dass das von der effektiven Lichtquelle emittierte Messlicht eine Überlagerung von phasenversetztem Licht zweier kohärenter Lichtquellenbilder enthält; -
3A bis3F zeigen Beispiele für Zusatzmodule mit einem Michelson-Interferometer mit Feldwinkelkorrektur; -
4A und4B zeigen Beispiele für Zusatzmodule mit einem Michelson-Interferometer mit Bildebenenkorrektur; -
4C zeigt ein Beispiel für ein Zusatzmodul, bei dem die Teilbilder der effektiven Lichtquelle auf den Spiegeln des Zusatzmoduls liegen; -
5A und5B zeigen Beispiele für Zusatzmodule mit einem Mach-Zehnder-Interferometer mit Feldwinkelkorrektur; -
6 zeigt ein Beispiel für ein Zusatzmodul mit einem Mach-Zehnder-Interferometer mit Bildebenenkorrektur; -
7 zeigt ein Beispiel mit Feldwinkelkorrektur und Ausblendung unerwünschter Strahlanteile zur Unterdrückung von Störreflexen; -
8 zeigt ein Beispiel für ein Zusatzmodul mit Mach-Zehnder-Interferometer mit Bildebenenkorrektur zur Erzeugung eines lateralen Versatzes der Lichtquellenbilder; -
9A und9B zeigen Beispiele zum Abgleich von optischen Wegen mittels refraktiver optischer Elemente.
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1 shows schematically a conventional measuring device with a Fizeau interferometer; -
2 shows an exemplary embodiment of a measuring device in which an additional module in the form of an upstream interferometer with upstream cavity is integrated into the illumination module in such a way that the measuring light emitted by the effective light source contains a superimposition of phase-shifted light from two coherent light source images; -
3A until3F show examples of additional modules with a Michelson interferometer with field angle correction; -
4A and4B show examples of add-on modules with a Michelson interferometer with image plane correction; -
4C shows an example of an additional module, in which the partial images of the effective light source lie on the mirrors of the additional module; -
5A and5B show examples of additional modules with a Mach-Zehnder interferometer with field angle correction; -
6 shows an example of an add-on module with a Mach-Zehnder interferometer with image plane correction; -
7 shows an example with field angle correction and suppression of undesired beam components to suppress interference reflections; -
8th shows an example of an additional module with a Mach-Zehnder interferometer with image plane correction for generating a lateral offset of the light source images; -
9A and9B show examples of the adjustment of optical paths using refractive optical elements.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDETAILED DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS
Nachfolgend werden theoretische Grundlagen der Erfindung erläutert und Möglichkeiten der praktischen Umsetzung anhand von Ausführungsbeispielen illustriert.Theoretical principles of the invention are explained below and possibilities for practical implementation are illustrated using exemplary embodiments.
Die
Die Messvorrichtung 100 weist ein Beleuchtungsmodul 120 mit einer primären Lichtquelle 125 auf, die im Betrieb Messlicht einer Messwellenlänge im sichtbaren Wellenlängenbereich, z.B. bei ca 532 nm Wellenlänge, erzeugt. Optische Elemente des Beleuchtungsmoduls dienen zum Empfangen des Messlichts und zur Erzeugung einer ausgedehnten effektiven Lichtquelle 130 in einer Lichtquellenebene 132 des Beleuchtungsmoduls.The measuring
Im Beispiel der
Der Kollimator ist eine Kollimationsoptik 210 mit einer oder mehreren Sammellinsen, die zur Kollimierung des von der effektiven Lichtquelle 130 des Beleuchtungsmoduls emittierten Messlichts dient. Mit Abstand hinter dem Kollimator 210 befindet sich im parallelisierten Strahlengang ein transparentes Referenzelement 220. Das Referenzelement 220 hat eine dem Kollimator zugewandte vordere optische Fläche und eine der Oberfläche 112 des Prüflings 110 zugewandten hintere optische Fläche 222, die als Referenzfläche 222 für die Messung dient. Zwischen der Referenzfläche 222 und der Oberfläche 112 des Prüflings 110 ist eine Kavität 230 gebildet, der Abstand zwischen der Prüflingsoberfläche 112 und der Referenzfläche 222 ist die Kavitätslänge d.The collimator is collimation
Zwischen dem Beleuchtungsmodul 120 und dem Kollimator 210 ist ein Strahlteiler 240 in Form einer planparallelen teildurchlässigen Planplatte schräg im Strahlengang angeordnet. Vom Beleuchtungsmodul 120 bzw. von der effektiven Lichtquelle 130 eintreffendes Messlicht kann zum Kollimator hindurchtreten. Von der Referenzfläche 222 reflektiertes Messlicht und von der Oberfläche 112 des Prüflings 110 reflektiertes Messlicht werden überlagert, treffen von der dem Kollimator zugewandten Seite auf den Strahlteiler 240 und werden überlagert in Richtung eines Detektors 250 reflektiert. Der Detektor 250 weist eine CCD-Kamera 251 mit einer ebenen Sensorfläche 252 und mit einer vorgeschalteten Kameraoptik 255 auf. Die Anordnung ist so getroffen, dass mit Abstand vor der Kamera in einer Zwischenbildebene 254 Lichtquellenbilder entstehen, die mittels der Kameraoptik auf die Sensorfläche 252 abgebildet werden. Dort entsteht ein Interferogramm IF mit Interferenzstreifen. In der Zwischenbildebene 254 ist eine Blende 258 angeordnet.Between the
Der Erfinder hat bestimmte prinzipbedingte Einschränkungen derartiger Messsysteme des Standes der Technik erkannt. Diese sollen zunächst anhand von
Entsprechend den Regeln der räumlichen Kohärenz darf die Lichtquellengröße 2θ eine bestimmte Größe nicht überschreiten, wenn Interferenzbilder mit ausreichendem Kontrast erzeugt werden sollen. Parameter θ sei der Öffnungswinkel, unter dem die halbe effektive Lichtquelle vom Kollimator 210 aus erscheint. Es gilt dann:
Würde man eine punktförmige Lichtquelle senkrecht zur optischen Achse 202 des Interferometers in der Lichtquellenebene 132 verschieben, so registrierte man in der Kameraebene eine quadratische Absenkung der optischen Weglängendifferenz (OPD) um den Achspunkt. Bei Verwendung einer ausgedehnten monochromatischen Lichtquelle ließen sich in der Lichtquellen-Zwischenbildebene vor dem Okular des Detektors die klassischen Haidinger-Ringe HR beobachten. Es wurde erkannt, dass die Fizeau-Interferometrie nur dann zufriedenstellend funktioniert, wenn die Haidinger-Ringe <1/2 Streifen betragen. In anderen Worten: der Kontrast der Interferenzstreifen auf der Kamera sinkt mit der Anzahl der von der Blende durchgelassenen Haidinger-Ringe und sinkt auf Null, wenn genau ein Haidinger-Ring passiert. ½ Haidinger-Ring reicht aus für einen brauchbaren Interferenzkontrast.If a punctiform light source were to be displaced perpendicularly to the
Berücksichtigt man, dass Fizeau-Interferometrie nur dann zufriedenstellend funktioniert, wenn die bei ausgedehnten monochromatischen Lichtquellen entstehenden Haidinger-Ringe kleiner als die halbe Streifenbreite bleiben, ist der maximal mögliche Lichtquellendurchmesser ∅max dann gegeben durch:
Das beschränkt in der Praxis die Möglichkeit der Unterdrückung von hoch- und mittelfrequenten Messfehlern, die durch Störreflexe von Interferometer-Bauteilen entstehen (z.B. durch Rauheit und Oberflächendefekte, Verschmutzungen, Blasen und Schlieren etc.).In practice, this limits the possibility of suppressing high- and medium-frequency measurement errors caused by interference reflections from interferometer components (e.g. due to roughness and surface defects, dirt, bubbles and streaks, etc.).
Diese Beschränkungen können durch Nutzung der Lehre der Erfindung überwunden werden.
Wesentliche Unterschiede gibt es beim Beleuchtungsmodul 120. Hier weist das Beleuchtungsmodul 120 ein Zusatzmodul 160 in Form eines Vorschaltinterferometers 160 auf. Das Zusatzmodul 160 bzw. das Vorschaltinterferometer weist eine Vorschaltkavität 165 auf, die optisch zwischen einer Lichtquelle LQ und der Lichtquellenebene 132 angeordnet ist. Bei der Lichtquelle LQ kann es sich um eine primäre Lichtquelle oder um eine mit Licht einer primären Lichtquelle ausgeleuchtete, ausgedehnte sekundäre Lichtquelle handeln (vgl.
Die optischen Komponenten des Zusatzmoduls sind derart konfiguriert, dass im Betrieb aus dem Licht der Lichtquelle LQ zwei kohärente Lichtquellenbilder LQ2, LQ2 erzeugt werden, die einen optischen Weglängenunterschied (optical path difference, OPD) zueinander aufweisen. Das von der effektiven Lichtquelle 130 in der Lichtquellenebene 132 emittierte Messlicht enthält eine Überlagerung von Licht der zwei kohärenten Lichtquellenbilder LQ1, LQ2.The optical components of the additional module are configured in such a way that during operation two coherent light source images LQ2, LQ2 are generated from the light of the light source LQ, which have an optical path length difference (OPD) to one another. The measuring light emitted by the effective
In anderen Worten: von dem Kollimator aus gesehen sind zwei zueinander phasenverschobene Lichtquellenbilder LQ1, LQ2 „sichtbar“. Diese können einander räumlich vollständig überlagern (wie in diesem Beispiel) oder gegeneinander versetzt erscheinen (später erläuterte Beispiele). Die Lichtquellenbilder LQ1, LQ2 entstehen im Beispielsfall in der Lichtquellenebene 132, bei anderen Ausführungsformen zusätzlich an anderer Stelle.In other words: seen from the collimator, two light source images LQ1, LQ2 that are phase-shifted with respect to one another are “visible”. These can completely superimpose one another spatially (as in this example) or appear offset from one another (examples explained later). In the example, the light source images LQ1, LQ2 are created in the
Im Beispielsfall weist das Zusatzmodul bzw. das Vorschaltinterferometer 160 eine Interferometer-Anordnung nach Art eines Michelson-Interferometers auf. Diese ist dazu konfiguriert, Messlicht der Lichtquelle LQ an einer Lichtquellenposition (der Position der Lichtquelle LQ) in einer Eintrittsebene 162 zu empfangen und daraus phasenmodifiziertes Messlicht der effektiven Lichtquelle 130 an der Lichtquellenposition der effektiven Lichtquelle 130 in einer Austrittsebene 164 zu erzeugen, die im Beispielfall der Lichtquellenebene 132 entspricht.In the example, the additional module or the
Das Zusatzmodul bzw. die Interferometer-Anordnung umfasst einen Strahlteiler ST in Form eines teildurchlässigen Spiegels zum Empfangen von Messlicht der Lichtquelle LQ und zur Aufspaltung des Strahlengangs in einen ersten und einen zweiten optischen Pfad. Das von dem Strahlteiler ST reflektierte Messlicht propagiert entlang des ersten optischen Pfades (Durchlichtpfad) und das von dem Strahlteiler transmittierte Messlicht propagiert entlang des zweiten optischen Pfades in Richtung der Lichtquellenposition der Austrittsebene. Eintrittsebene und Austrittsebene stehen senkrecht zueinander. Ein erster Spiegel SP1 in Form eines Planspiegels ist im ersten optischen Pfad derart angeordnet, dass er Messlicht zurück zum Strahlteiler ST reflektiert. Ein zweiter Spiegel SP2 in Form eines Planspiegels ist im zweiten optischen Pfad angeordnet und reflektiert Messlicht zurück zum Strahlteiler. Zwischen der Lichtquellenposition in der Eintrittsebene und dem Strahlteiler ST ist ein erstes Objektiv OB1 angeordnet. Ein zweites Objektiv OB2 ist zwischen dem Strahlteiler ST und der Lichtquellenposition in der Austrittsebene angeordnet. Der Strahlteiler ST dient in diesem Aufbau auch zum Zusammenführen des ersten und des zweiten optischen Pfades derart, dass die von den beiden Spiegeln SP1, SP2 reflektierten Anteile des ersten und des zweiten optische Pfades zwischen dem Strahlteiler ST und der Lichtquellenposition (effektive Lichtquelle 130) in der Lichtquellenebene 132 gemeinsam verlaufen.The additional module or the interferometer arrangement includes a beam splitter ST in the form of a partially transparent mirror for receiving measuring light from the light source LQ and for splitting the beam path into a first and a second optical path. The measurement light reflected by the beam splitter ST propagates along the first optical path (transmitted light path) and the measurement light transmitted by the beam splitter propagates along the second optical path in the direction of the light source position of the exit plane. Entry level and exit level are perpendicular to each other. A first mirror SP1 in the form of a plane mirror is arranged in the first optical path in such a way that it reflects measurement light back to the beam splitter ST. A second mirror SP2 in the form of a plane mirror is arranged in the second optical path and reflects measurement light back to the beam splitter. A first objective OB1 is arranged between the light source position in the entrance plane and the beam splitter ST. A second objective OB2 is arranged between the beam splitter ST and the light source position in the exit plane. In this configuration, the beam splitter ST is also used to combine the first and second optical path in such a way that the portions of the first and second optical path reflected by the two mirrors SP1, SP2 are between the beam splitter ST and the light source position (effective light source 130) in the
Der erste optische Pfad und der zweite optische Pfad weisen einen vorgegebenen optischen Weglängenunterschied zueinander auf. Dieser entspricht dem Doppelten der Länge dVSK der Vorschaltkavität. Diese ist durch axiales Verschieben des zweiten Planspiegels SP2 stufenlos einstellbar.The first optical path and the second optical path have a predetermined optical path length difference from one another. This corresponds to twice the length d VSK of the upstream cavity. This can be continuously adjusted by axial displacement of the second plane mirror SP2.
Das Zusatzmodul 160 bzw. die Vorschaltkavität 165 erzeugt zwei kohärente Lichtquellenbilder LQ1, LQ2, die in diesem Beispiel vollständig überlappend in der Lichtquellenebene 132 liegen und die effektive Lichtquelle 130 bilden.The
Die optischen Weglängenunterschiede der Lichtquellenbilder sollten dem der Haidinger-Ringe des Interferometers entsprechen. In der Lichtquellen-Zwischenbildebene 254 überlagern sich dann vier kohärente Lichtquellenbilder, von denen zwei „in Phase“ sind, also eine über die Fläche konstante Phasendifferenz zeigen. Sie sorgen für ein kontrastreiches Interferenzbild auf der Kamera.The optical path length differences of the light source images should correspond to that of the Haidinger rings of the interferometer. Four coherent light source images are then superimposed in the light source
Zum besseren Verständnis seien nachfolgend die Lichtwege betrachtet. Die ausgedehnte Lichtquelle LQ wird durch das erste Objektiv OB1 nach unendlich abgebildet. Der Strahlteiler ST lenkt das von ersten Objektiv OB1 kommende Licht jeweils in Richtung der Planspiegel SP1 bzw. SP2. Nach Reflexion werden die Strahlen zum zweiten Objektiv OB2 und von diesem in die Lichtquellenebene 132 abgebildet, in der die effektive Lichtquelle 130 liegt. Hier entstehen zwei Lichtquellenbilder, wobei sich das von Planspiegel SP2 kommende um eine einstellbare Phasenverzögerung 2*dVSK von dem von Planspiegel SP1 kommenden unterscheidet. Parameter dVSK ist die Vorschaltkavitäts-Länge. Es ergeben sich vier unterschiedliche Lichtwege (OP = optical path):
- 1. OP1: „Lichtquelle LQ- Objektiv OB1 - Planspiegel SP1 - Objektiv OB2 - Kollimator 210 - Prüfling 110- Kollimator 210 - Lichtquellenzwischenbild LQZ1“
- 2. OP2: „Lichtquelle LQ - Objektiv OB1 - Planspiegel SP1 - Objektiv OB2 - Kollimator 210 - Referenzfläche 222 - Kollimator 210 - Lichtquellenzwischenbild LQZ2“
- 3. OP3: „Lichtquelle LQ - Objektiv OB1 - Planspiegel SP2 - Objektiv OB2 - Kollimator 210 - Prüfling 110 - Kollimator 210 - Lichtquellenzwischenbild LQZ3“
- 4. OP4: „Lichtquelle LQ - Objektiv OB1 - Planspiegel SP2 - Objektiv OB2 - Kollimator 210 - Referenzfläche 222 - Kollimator 210- Lichtquellenzwischenbild LQZ4“
- 1. OP1: "Light source LQ - lens OB1 - plane mirror SP1 - lens OB2 - collimator 210 - test object 110 - collimator 210 - light source intermediate image LQZ1"
- 2. OP2: "Light source LQ - objective OB1 - plane mirror SP1 - objective OB2 - collimator 210 - reference surface 222 - collimator 210 - light source intermediate image LQZ2"
- 3. OP3: "Light source LQ - objective OB1 - plane mirror SP2 - objective OB2 - collimator 210 - test object 110 - collimator 210 - light source intermediate image LQZ3"
- 4. OP4: "Light source LQ - objective OB1 - plane mirror SP2 - objective OB2 - collimator 210 - reference surface 222 - collimator 210 - light source intermediate image LQZ4"
Zu einem kontrastreichen Interferenzbild führt nur die Interferenz von OP1 mit OP4. Alle übrigen Überlagerungen bilden mehr als ½ Haidinger-Ringe und überlagern das Kamerabild mit gleichmäßigem Helligkeitsuntergrund. Ein kontrastreiches Interferenzbild entsteht dann, wenn in erster Näherung folgende Bedingung erfüllt ist:
Γ ist die „Fernrohrvergrößerung“ des Systems „Kollimator - Objektiv OB2“ und ergibt sich aus dem Brennweitenverhältnis:
Es kann vorkommen, dass die Abstimmung der Kavitätslänge allein nicht ausreicht, um die Gangunterschiede zwischen OP1 und OP4 optimal anzugleichen. Dann kann z.B. ein zusätzliches Korrekturelement in die Vorschaltkavität eingefügt und/oder der Spiegel SP2 gekrümmt oder asphärisiert werden. Die möglichen Gestaltungsarten sind weiter unten aufgezeigt.It can happen that the tuning of the cavity length alone is not sufficient to optimally adjust the path differences between OP1 and OP4. Then, for example, an additional correction element can be inserted into the upstream cavity and/or the mirror SP2 can be curved or made aspheric. The possible types of design are shown below.
Als Optimierungskriterium können folgende Zusammenhänge dienen. Bewegt man einen Lichtquellenpunkt innerhalb der Lichtquellenebene, so sollte sich für alle Positionen das Interferogramm in der Kameraebene um höchstens ±¼ Streifen (±λ/4) verändern. Anders ausgedrückt kann auch gefordert werden, dass das Haidinger-Interferogramm in der Lichtquellen-Zwischenbildebene 254 maximal innerhalb eines halben Streifens variieren sollte.The following relationships can serve as an optimization criterion. If a light source point is moved within the light source plane, the interferogram in the camera plane should change by a maximum of ±¼ fringes (±λ/4) for all positions. In other words, it can also be required that the Haidinger interferogram in the light source
Ein vertieftes Verständnis ist bei Betrachtung des nun folgenden theoretischen Teils möglich. Das von einem kohärent strahlenden monochromatischen Lichtquellenpunkt erzeugte elektromagnetische Feld in der Kameraebene kann beschrieben werden durch:
Mitx,y = Pixelkoordinaten der Kamera; Aj(x,y) = Amplitudenverteilung der Welle Nr. j; ϕj(x,y) = Phasenverteilung der Welle Nr. j, j = 1, ... , N.Wherex,y = pixel coordinates of the camera; A j (x,y) = amplitude distribution of wave #j; ϕ j (x,y) = phase distribution of wave no. j, j = 1, ... , N.
Der optische Weg eines „Strahls“ mit der Auftreffkoordinate (x, y) von Lichtquelle bis Kamera ist bezeichnet durch 0Pj(x,y). Gemeint ist die Summe aller Wegstrecken s multipliziert mit der Brechzahl n des jeweils durchlaufenden Mediums k. Dann wird die Phase auf der Kamera berechnet durch:
Die Intensitätsverteilung auf der Kamera ergibt sich bei Überlagerung von N Wellen zu
Im betrachteten Fall ist N = 4. Damit kann die Helligkeitsverteilung beschrieben werden durch (x,y weggelassen):
Aus (8) ergibt sich ein Gleichanteil aus der Summe der 4 Amplitudenquadrate sowie ein Modulationsanteil mit kosinusförmigen Streifenmustern. Dabei bezeichnen:
- AP1, AP2, AR1 AR2 die Amplituden der Wellen, die den Weg über Prüfling (P) oder Referenz (R) und Planspiegel (1) oder (2) genommen haben,
- ΔϕP1R1 = ϕP1 - ϕR1 die optische Wegdifferenz zwischen der Welle P1 und R1,
- ΔϕP1P2 = ϕP1 - ϕP2 die optische Wegdifferenz zwischen der Welle P1 und P2,
- ΔϕP1P2 = ϕP1 - ϕR2 die optische Wegdifferenz zwischen der Welle P1 und R2,
- ΔϕR1P2 = ϕR1 - ϕP2 die optische Wegdifferenz zwischen der Welle R1 und P2,
- ΔϕR1R2 = ϕR1 - ϕR2 die optische Wegdifferenz zwischen der Welle R1 und R2,
- ΔϕP2R2 = ϕP2 - ϕR2 die optische Wegdifferenz zwischen der Welle P2 und R2.
- A P1 , A P2 , A R1 A R2 the amplitudes of the waves that have taken the path via test object (P) or reference (R) and plane mirror (1) or (2),
- Δϕ P1R1 = ϕ P1 - ϕ R1 the optical path difference between the wave P1 and R1,
- Δϕ P1P2 = ϕ P1 - ϕ P2 the optical path difference between the wave P1 and P2,
- Δϕ P1P2 = ϕ P1 - ϕR2 the optical path difference between the wave P1 and R2,
- Δϕ R1P2 = ϕ R1 - ϕ P2 the optical path difference between the wave R1 and P2,
- Δϕ R1R2 = ϕ R1 - ϕ R2 the optical path difference between the waves R1 and R2,
- Δϕ P2R2 = ϕ P2 - ϕ R2 is the optical path difference between shaft P2 and R2.
Die Intensitätsverteilung in (8) gilt für einen Lichtquellenpunkt mit den Koordinaten
Die Wirkung der richtig designten und justierten Vorschaltkavität besteht darin, den Weglängenunterschied ΔϕP1R2 unabhängig von der Lage des Lichtquellenpunktes zu machen. Daraus ergibt sich als Forderung für das Design einer Vorschaltkavität für ausgedehnte Lichtquellen:
Für alle fünf weiteren Modulationsanteile ist es von Vorteil, wenn sie bei Änderung von
Soll breitbandiges Licht verwendet werden, sollte der zu nutzende Weglängenunterschied innerhalb der zeitlichen Kohärenzlänge liegen. Folgende Ungleichung (11) beschreibt eine Anforderung für Design der Vorschaltkavität für ausgedehnte Lichtquelle und breitbandiges Licht:
Zur Bestimmung der Formabweichung des Prüflings wird vorzugsweise eine Serie von Interferogrammen benötigt, deren Streifenmuster in bestimmter Abfolge verändert wurden. Dazu muss durch sogenanntes Phasenschieben mindestens die Phasendifferenz ΔϕP1R2 in geeigneter Weise zeitlich verändert werden.In order to determine the shape deviation of the test object, a series of interferograms is preferably required, the fringe patterns of which have been changed in a specific sequence. For this purpose, at least the phase difference Δφ P1R2 must be changed over time in a suitable manner by so-called phase shifting.
Zur gezielten Phasenveränderung (Konstantanteil, ggf. zusätzliche Kippungen) kommen verschiedene Techniken in Frage, z.B.: a) eine Positionsänderung von Prüfling und/oder Referenz; b) eine Positionsänderung von Planspiegel SP1 und/oder SP2 der Vorschaltkavität; c) eine Veränderung der Brechzahlen der optischen Medien in Referenzarm und/oder Prüfarm; d) eine Veränderung der Brechzahlen der optischen Medien in den beiden Armen der Vorschaltkavität; e) eine Veränderung der Wellenlänge.Various techniques can be used for targeted phase changes (constant component, additional tilting if necessary), eg: a) changing the position of the test object and/or reference; b) a change in the position of the plane mirror SP1 and/or SP2 of the upstream cavity; c) a change in the refractive indices of optical media in reference arm and/or test arm; d) a change in the refractive indices of the optical media in the two arms of the ballast cavity; e) a change in wavelength.
Die zeitliche Phasenänderung für jede der vier Wellen sei in (12) beschrieben. Dabei ist offen, welche der Methoden a) bis e) zur Anwendung kommt. Bei zeitlich kontinuierlicher Phasenänderung ergibt sich für jede der vier Wellen eine Phasenschiebefrequenz ωj mit j = 1,2,3,4, die im Zeitelement dt zur Phasenänderung führt:
Bei Berücksichtigung die Änderungen der optischen Wege (OPD) in den sechs Interferenztermen in (8) ergeben sich sechs Frequenzen im Interferenzsignal:
Der Term P1 mit R2 trägt die Information über die Prüflingsdeformation, die detektiert werden soll. Prinzipiell kann jede der fünf genannten Phasenschiebemöglichkeiten genutzt werden (beide Arme der Vorschaltkavität, Prüfling, Referenz, Wellenlänge).The term P1 with R2 carries the information about the specimen deformation that is to be detected. In principle, each of the five phase shift options mentioned can be used (both arms of the upstream cavity, test object, reference, wavelength).
Bei einem Beispiel seien Prüfling und Planspiegel SP2 fest, die Referenz und der Planspiegel SP1 schieben unterschiedlich. Zweckmäßig ist es, die Referenz und den Planspiegel SP1 der Vorschaltkavität mit unterschiedlichen Frequenzen ωR ≠ ω1 zu schieben und Prüfling und Planspiegel 2 fest zu lassen ωP = ω2 = 0.In an example, the test piece and the plane mirror SP2 are fixed, the reference and the plane mirror SP1 move differently. It is expedient to shift the reference and the plane mirror SP1 of the front cavity with different frequencies ω R ≠ ω 1 and leave the test object and plane mirror 2 fixed ω P = ω 2 = 0.
Als Konsequenz ergeben sich vier verschiedene Frequenzen im Interferenzbild, nämlich ω1, ωR, ω1 + ωR und ω1 - ωR , von denen letztere die gesuchte Information trägt und sich von allen anderen Frequenzen unterscheidet. Bei entsprechender Wahl von ω1 und ωR kann dadurch ein Übersprechen von eventuell noch vorhandenen unerwünschten Interferenztermen vermieden werden.As a consequence, there are four different frequencies in the interference pattern, namely ω 1 , ω R , ω 1 +ω R and ω 1 -ω R , the latter of which carries the information sought and differs from all other frequencies. If ω 1 and ω R are selected appropriately, crosstalk from any undesired interference terms that may still be present can be avoided.
Vorteilhaft wäre auch, ωR und ω1 als Hochfrequenzsignale auszubilden, die von der Kamera nicht detektiert werden können. Das niederfrequente Signal ω1 - mR ist dann das einzige Interferenzsignal, das die Kamera detektieren kann.It would also be advantageous to form ω R and ω 1 as high-frequency signals that cannot be detected by the camera. The low-frequency signal ω 1 -m R is then the only interference signal that the camera can detect.
Es gibt zahlreiche mögliche Bauformen bzw. Ausführungsformen zur praktischen Umsetzung der Erfindung. Die Vorschaltkavität sollte für einen Abgleich der optischen Wege sorgen, sodass die Forderung (10) für jedes Pixel (x,y) bei Variation des Lichtquellenpunkts
- 1. Der durch die Kavitätslänge bedingte Weglängenunterschied sollte ausgeglichen werden,
- 2. Der durch die Bauformen der optischen Elemente im Interferometer und der Vorschaltkavität bedingte Weglängenunterschied sollte ausgeglichen werden.
- 1. The path length difference caused by the cavity length should be compensated,
- 2. The path length difference caused by the design of the optical elements in the interferometer and the upstream cavity should be compensated.
Zur Kompensation kommen vor allem zwei verschiedene Bauformtypen der Vorschaltkavität in Frage:
- A) Michelson-Interferometer (reflektive Korrektur),
- B) Mach-Zehnder-Interferometer (Durchlichtkorrektur).
- A) Michelson interferometer (reflective correction),
- B) Mach-Zehnder interferometer (transmitted light correction).
Darüber hinaus sind zwei verschiedene Kompensationsprinzipien anwendbar:
- 1) Kompensation durch Feldwinkelkorrektur,
- 2) Kompensation durch Bildebenenkorrektur.
- 1) Compensation by field angle correction,
- 2) Compensation by image plane correction.
Alle Bauformen sollten Haidingersche Ringe am Ausgang der Vorschaltkavität erzeugen, die denen des Fizeau-Interferometers ohne Vorschaltkavität entsprechen.All designs should produce Haidinger rings at the output of the ballast cavity, which correspond to those of the Fizeau interferometer without a ballast cavity.
Es folgen Beispiele für Michelson-Interferometer mit Feldwinkelkorrektur.Examples of Michelson interferometers with field angle correction follow.
Im Beispiel von
Die
Reicht dies nicht aus, kann der zweite Planspiegel SP2 durch eine Kombination aus einer Kompensationslinse und einem gekrümmten Spiegel ersetzt werden (
Unter Umständen kann die Kompensationslinse auch als sogenannte Mangin-Linse gestaltet sein, bei der die hintere Fläche als Spiegel ausgebildet ist (
Die Varianten in den
Bei den Varianten in
In
In In
In
Es folgen Beispiele für Michelson-Interferometer mit Bildebenenkorrektur.The following are examples of Michelson interferometers with image plane correction.
Die Vorschaltkavität ist wieder als Michelson-Interferometer aufgebaut (
In
Bei der in
In
Es folgen Beispiele für Mach-Zehnder-Interferometer mit FeldwinkelkorrekturThe following are examples of Mach-Zehnder interferometers with field angle correction
In den Beispielen der
Zur Kompensation der Haidingerschen Ringe sind die optischen Wege in den beiden Teilarmen verschieden.To compensate for Haidinger's rings, the optical paths in the two sub-arms are different.
In
Es folgt ein Beispiel eines Mach-Zehnder-Interferometers mit Bildebenenkorrektur.An example of a Mach-Zehnder interferometer with image plane correction follows.
Die Vorschaltkavität der Variante in
- a) und den Planspiegel SP1 auf das Kompensationselement abgebildet und nach Reflexion am Teilerspiegel ST2 mit dem Strahlengang b) zusammengeführt,
- b) über einen Planspiegel SP2 und nach Durchgang durch den Teilspiegel ST2 mit dem Strahlengang a) zusammengeführt.
- a) and the plane mirror SP1 imaged on the compensation element and, after reflection at the splitter mirror ST2, combined with the beam path b),
- b) merged with the beam path a) via a plane mirror SP2 and after passing through the partial mirror ST2.
Das Objektiv OB2 erzeugt zwei Lichtquellenbilder, die in der Lichtquellen-Bildebene 132 des Interferometers zusammenfallen. Ihre kohärente Überlagerung zeigt die erforderlichen Haidingerschen Ringe. Als Kompensationselement KE kommen in Frage: a) Planplatte; b) Einzellinse sphärisch oder asphärisch; c) Objektiv; d) Computergeneriertes Hologramm (CGH).The objective OB2 produces two light source images that coincide in the light
Nachfolgend wird das Ausblenden unerwünschter Reflexe erläutert
Belässt man die unerwünschten Reflexe, die wenig oder nichts zur Modulation der Streifen beitragen, so ist der Kontrast im Interferenzbild auf bestenfalls 50% herabgesetzt. Bei verbleibender Interferenzfähigkeit ist die Messgenauigkeit beeinträchtigt. Will man den Kontrast maximal gestalten, so sollten die unerwünschten Reflexe ausgeblendet werden.The suppression of unwanted reflections is explained below
If one leaves the undesired reflections, which contribute little or nothing to the modulation of the fringes, then the contrast in the interference pattern is reduced to 50% at best. If the interference ability remains, the measurement accuracy is impaired. If you want to maximize the contrast, the unwanted reflections should be suppressed.
Wie oben angegeben werden nur die Lichtwege OP1 und OP4 benötigt. OP2 und OP3 überlagern sich als gleichmäßiger Helligkeitsuntergrund mit eventuell kleinen Interferenzanteilen. Im Folgenden ist angegeben, wie sich OP2 und OP3 wegblenden lassen.As indicated above, only light paths OP1 and OP4 are required. OP2 and OP3 are superimposed as an even brightness background with possibly small interference components. The following shows how to hide OP2 and OP3.
Für das Ausblenden unerwünschter Reflexe kommen alle Varianten der Feldwinkelkorrektur in Frage. Bei der Blendenkorrektur eignen sich nur die Mach-Zehnder-Interferometer für den lateralen Versatz der Lichtquellenbilder.All variants of the field angle correction can be used to hide unwanted reflections. When correcting the aperture, only the Mach-Zehnder interferometers are suitable for the lateral offset of the light source images.
Anhand von
Anhand von
Der Einsatz einer monochromatischen ausgedehnten Lichtquelle in einem Fizeau-Interferometer erforderte die Beachtung der Design-Forderung nach Gl. 10.The use of a monochromatic extended light source in a Fizeau interferometer required the design requirement according to Eq. 10
Will man darüber hinaus eine polychromatische ausgedehnte Lichtquelle verwenden, so ist die Design-Forderung nach Gl. 11 einzuhalten. Die optischen Phasendifferenzen sind dann für alle genutzten Wellenlängen nach Gl. 6 zu Null zu setzen:
Für jeden Lichtquellenpunkt muss gelten OP1 = OP4.For each light source point, OP1 = OP4 must apply.
Wegen der Dispersion der Glasmaterialien sollten in der Vorschaltkavität auch die Glaswege abgeglichen werden. Werden im Fizeau-Interferometer Glaselemente im Durchlicht geprüft, so sind die Glaswege in der Vorschaltkavität nachzubilden. Die
Anhand der Beispiele wird deutlich, dass und auf welche Weise die Erfindung die durch die Kavitätslänge bedingte Beschränkung der Lichtquellengröße in einem Fizeau-Interferometer aufhebt. Dadurch werden hoch- und mittelfrequente kohärente Fehlerbeiträge von einzelnen Flächen des Interferometers stark gedämpft. Langwellige Fehler werden je nach Größe der Lichtquelle gedämpft. Bekannte Verfahren umgehen die Größenbeschränkung der Lichtquelle, indem eine punkt- oder linienförmige Lichtquelle bewegt wird und die sequentiell ermittelten Ergebnisse vermittelt werden. Die vorgestellte Erfindung ist dadurch schneller und erzielt denselben Effekt mit nur einer Messung. Der Verlust an Interferenzkontrast durch Einführung einer Vorschaltkavität kann durch gezieltes Verkippen oder Dezentrieren von Elementen und Ausblenden unerwünschter Reflexe ausgeglichen werden.The examples make it clear that and how the invention eliminates the cavity length limitation of the light source size in a Fizeau interferometer. As a result, high- and medium-frequency coherent error contributions from individual areas of the interferometer are strongly damped. Long-wavelength errors are attenuated depending on the size of the light source. Known methods circumvent the size limitation of the light source by moving a point or line light source and conveying the sequentially determined results. The invention presented is therefore faster and achieves the same effect with only one measurement. The loss of interference contrast caused by the introduction of an additional cavity can be compensated for by deliberately tilting or decentering elements and hiding unwanted reflections.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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- US 2019154427 A1 [0007]US2019154427A1 [0007]
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