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WO2004109225A1 - Schaltbares punktlichtquellen-array und dessen verwendung in der interferometrie - Google Patents

Schaltbares punktlichtquellen-array und dessen verwendung in der interferometrie Download PDF

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Publication number
WO2004109225A1
WO2004109225A1 PCT/DE2004/001114 DE2004001114W WO2004109225A1 WO 2004109225 A1 WO2004109225 A1 WO 2004109225A1 DE 2004001114 W DE2004001114 W DE 2004001114W WO 2004109225 A1 WO2004109225 A1 WO 2004109225A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light source
point light
array
source array
beams
Prior art date
Application number
PCT/DE2004/001114
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Liesener
Christof Pruss
Original Assignee
Universität Stuttgart
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universität Stuttgart filed Critical Universität Stuttgart
Publication of WO2004109225A1 publication Critical patent/WO2004109225A1/de

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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01B9/02083—Interferometers characterised by particular signal processing and presentation
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    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
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    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
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    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133526—Lenses, e.g. microlenses or Fresnel lenses

Definitions

  • the present invention relates to a switchable point light source array which forms a plurality of point light sources which can be switched independently of one another from a coherent optical input beam, and to its use in an interferometer for the interferometric measurement of the wavefront of an object beam.
  • the interferometric measurement of highly aspherical surfaces is an unsatisfactory task in optical metrology.
  • an object beam from the interferometer is reflected on the surface to be measured and is overlaid with an undisturbed reference beam in order to reconstruct the object surface from the interference of the two beams.
  • Results of the individual measurements are taken into account, taking propagation effects into account, in order to reconstruct the entire test specimen surface.
  • either the test object or the interferometer optics, ie. H. the lens used to generate the spherical wavefront mechanically shifted.
  • the positioning accuracy of the mechanical displacement units used limits the measuring accuracy of this method.
  • the stitching / sewing of the individual areas is also mathematically very complex in this case because the shifting of the elements means that propagation effects between the individual measurements have to be taken into account.
  • interferometric curvature sensors which measure the local curvature of the test piece in sections, the shape of the test piece
  • Another well-known non-interferometric method for measuring aspherical surfaces uses so-called Shack-Hartman sensors for examining a wavefront reflected by the test object.
  • the measuring point density is predetermined by the number of microlenses used and is therefore low in comparison to areal interferometric measuring methods.
  • the object of the present invention is to provide a device for use in the interferometric measurement of surfaces, which enables flexible adaptation to different aspherical test specimen surfaces and the precise measurement of these surfaces.
  • Embodiments of the point light source array are the subject of the subclaims or can be found in the following description and the exemplary embodiments.
  • the switchable point light source array forms, from a coherent optical input beam, a multiplicity of point light sources which can be switched independently of one another and whose phase can additionally be shifted.
  • Array consists of a spatial light modulator with a large number of electrically addressable pixels, through which diffraction patterns occur in partial areas of the light modulator can be generated for diffraction of the input beam, a microlens array arranged behind the light modulator, by means of which the input beam is split into individual partial beams after passing through the light modulator, and a pinhole array arranged behind the microlens array.
  • the pinhole array is designed and arranged relative to the microlens array in such a way that only a first or higher order of diffraction of the partial beams, which arises from diffraction on a diffraction pattern inscribed in the light modulator, meets diaphragm openings of the pinhole array.
  • This configuration and arrangement of the pinhole array thus prevents the zeroth diffraction order of the partial beams or non-diffracted ones
  • Partial beams through the pinhole array - pass By writing a suitable diffraction pattern, preferably a strip grating, into a region of the light modulator that is congruent with one of the microlenses of the microlens array, the first (or a higher) order of diffraction of the partial beam formed with the microlens can thus pass through the pinhole array while the other partial beams are blocked by the pinhole array.
  • the aperture in the pinhole array assigned to this microlens represents an approximately punctiform light source. In this way, by suitable control of the light modulator, any additional partial beams and thus further point light sources can be switched on or off.
  • Pinhole array is preferably located exactly in the focal plane of the microlens array, so that correspondingly small apertures can be used in the pinhole array.
  • the parameters of the diffraction pattern generated are of course set such that the desired diffraction order, preferably the first order, passes through the corresponding aperture.
  • the phase in the partial beam passing through the pinhole can also be shifted in a defined manner.
  • a liquid crystal display is preferably used as the light modulator.
  • other elements such as a tilting mirror array can also be used, in which case the partial beams reflected by the tilting mirror array can be imaged onto the pinhole array via a beam splitter and the microlens array.
  • a liquid crystal display is preferably used as the light modulator.
  • other elements such as a tilting mirror array can also be used, in which case the partial beams reflected by the tilting mirror array can be imaged onto the pinhole array via a beam splitter and the microlens array.
  • the microlens array used preferably has a central microlens, around which further rows of microlenses are arranged, for example, rotationally symmetrically or according to a square grid.
  • the liquid crystal display must be so finely pixelated that appropriate diffraction patterns for diffraction of the input beam can be generated in the individual subareas assigned to the microlenses.
  • the parameters microlens size, micro The focal length of the lens, the wavelengths of the light used and the strip density of the diffraction pattern used must be coordinated with one another in such a way that the diffraction orders in the focal plane of the microlenses are clearly separated from one another so that the selection of a special diffraction order is possible using the pinhole array.
  • this switchable point light source array in the reference beam path of an interferometer set-up for measuring aspherical surfaces, in conjunction with a lens connected downstream of the point light source array for collimating the partial beams, by switching between the individual point light sources or partial beams differently from the object beam or generate tilted reference beams or reference waves of the object wave. With these differently tilted reference waves, aspherical test objects of any geometry can be measured in sections. The surface areas evaluated from the interferograms of the individual measurements are then assembled in order to reconstruct the surface of the test specimen, as is also known from the stitching / sewing technique mentioned in the introduction to the description.
  • switchable point light source array in the beam path of the object beam of an interferometer in order to produce object beams tilted differently from the optical axis of the lens used for collimating the partial beams, in which at least two differently tilted object beams are generated and used simultaneously Interference. A wavefront can then also be reconstructed from the interferences of the differently tilted object beams.
  • Radii are used to measure the test specimen, on the one hand there is the advantage that no mechanical displacement of an optical element is carried out, so that the errors caused thereby are avoided.
  • the individual measurements can be calibrated against one another with interferometric accuracy, as is shown in the embodiment example is set out in more detail. Because of this calibration, it is not a problem to combine the areas of the test specimen obtained from different measurements with one another and then to treat them like a single measurement. Propagation effects do not have to be taken into account.
  • Another important advantage of using the switchable point light source array and the associated measuring method is that the method is not restricted to rotationally symmetrical test objects.
  • 1 shows an example of an interferometer setup for measuring test specimen surfaces using the present point light source array
  • 2 shows a detail from the point light source array to illustrate the mode of operation
  • Fig. 3 shows an example of a structure with the point light source array that the movable end mirror in
  • FIG. 1 shows an exemplary interferometer set-up for measuring a test specimen surface using the switchable point light source array 10.
  • the coherent laser beam 8 emitted and expanded by a laser first strikes a beam splitter 7 through which it enters an object beam 8b and a reference beam 8a is split. After passing through a further beam 7, the object beam 8b is focused by means of a converging lens 30 in order to generate a spherical wavefront which is roughly matched to the specimen surface 40.
  • the object beam is finally brought into interference with the reference beam 8a via the beam splitter 7.
  • the imaging optics 50 images the specimen surface 40 onto the camera 60, with which the interference pattern obtained is recorded.
  • the reference beam 8a is passed over the switchable point light source array 10 in order to generate reference waves which are tilted differently one after the other.
  • different point sources of the point light source array 10 are switched in succession.
  • Figure 1 shows a schematic representation in which such a point light source is switched on. The light emanating from the point light sources becomes the following one
  • Lens 20 which is at the focal distance from the pinhole array, collimates.
  • point light sources whose partial beams are in different Liche distance to the optical axis of the lens 20
  • reference waves of different tilt are generated and superimposed with the object wave. This makes it possible to evaluate different areas of the test specimen surface 40, which are then joined together (stitching).
  • the phases of the reference waves can also be shifted in a defined manner, as explained in more detail below. This means that the phase shift algorithms common in interferometry can also be carried out. This eliminates the need for an additional piezo or liquid crystal phase shifter, as is used in particular in the end mirror of the reference arm of known interferometers.
  • FIG. 2 shows the structure and mode of operation of the present switchable point light source array 10.
  • the point light source array 10 consists of a finely pixelated, electrically addressable liquid crystal display (LCD) 2, a microlens array 3 and a pinhole array 4.
  • the liquid crystal display 2 is collimated and coherently illuminated with an input beam 1 in such a way that the foci arising behind the microlenses of the microlens array 3 do not initially strike the apertures of the pinhole array 4.
  • the object wave 0 reflected by the test object is measured with the different reference waves.
  • the present point light source array 10 can of course also be used in other interferometric structures.
  • an existing Twyman-Green interferometer as is often used for the measurement of aspherical test objects, can be upgraded with the existing point light source array.
  • the otherwise usual reference mirror with piezo phase shifter is replaced by a
  • This arrangement is composed of a beam splitter 7 and a plurality of deflecting mirrors 6, which deflect an input beam striking the beam splitter 7 in a suitable manner, the present switchable point light source array 10 and the lens 20 between the mirrors 6 for collimating those emanating from the point light source array 10 Partial beams is arranged.
  • the differently tilted reference waves can be generated.
  • the phase of the respective reference beam can be set in a defined manner by shifting the diffraction pattern of the liquid crystal display, so that a piezo phase shifter can be dispensed with.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein schaltbares Punktlichtquellen-Array oder SLM sowie dessen Verwendung zur interferometrischen Vermessung von Prüflingsoberflächen insbesondere mit asphärischen Oberflächen. Das Punktlichtquellen-Array besteht aus einem Flüssigkristalldisplay oder LCD (2), einem hinter dem LCD (2) angeordneten Mikrolinsen-Array (3), durch das der Eingangsstrahl (1) nach Durchgang durch das LCD (2) in einzelne Teilstrahlen aufgespaltet wird, und einem Lochblenden-Array (4). Das Lochblenden-Array (4) bewirkt, dass nur eine durch Beugung an einem in das LCD (2) eingeschriebenen Beugungsmuster entstehende erste oder höhere Beugungsordnung (5) auf Blendenöffnungen des Lochblenden-Arrays (4) trifft. Anstatt des LCDs kann auch ein Kippspiegelarray oder DMD verwendet werden. Durch Einbau des Punktlichtquellen-Arrays in ein Interferometer lassen sich sehr genau bekannte Wellenfronten unterschiedlicher Ausbreitungsrichtung als Referenzwellen erzeugen, die sich unabhängig voneinander schalten und in ihrer Phase schieben lassen.

Description

Schaltbares Punktlichtquellen-Array und dessen Verwendung in der Interferometrie
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein schaltbares Punktlichtquellen-Array, das aus einem kohärenten optischen Eingangsstrahl eine Vielzahl von unabhängig voneinander schaltbaren Punktlichtquellen bildet, sowie dessen Verwendung in einem Interferometer zur interferometrischen Vermessung der Wellenfront eines Objektstrahls.
Die interferometrische Vermessung stark asphärischer Oberflächen ist eine in der optischen Messtechnik erst unbefriedigend gelöste Aufgabe. Bei dieser Vermessungstechnik wird ein Objektstrahl des Interferometers an der zu vermessenden Oberfläche reflektiert und mit einem ungestörten Referenzstrahl überlagert, um aus der Interferenz der beiden Strahlen die Objektoberfläche zu rekonstruieren. Während dies bei der Vermessung sphärischer Oberflächen durch Erzeugung einer Objektwelle mit einer an die zu vermessende Oberfläche angepassten sphärischen Wellenfront in der Regel ohne Probleme möglich ist, können bei der Vermessung asphärischer Oberflächen durch zu starke Abweichungen der Oberflächenform des Prüflings von der sphärischen Objektwellenfront abschnittsweise starke Verkippungen der reflektierten Objektwellen gegenüber der Referenzwelle auftreten, die zu hohen, mit den Messsensoren nicht mehr auflösbaren Streifendichten im auszuwertenden Interferogramm führen.
Stand der Technik Zur Vermeidung dieser Problematik ist es beispielsweise aus H. J. Tiziani et al . , „Testing of aspheric surfaces", Proc. SPIE, 4440, 2001, 109-119, bekannt, Computer-generierte, lithographisch gefertigte Hologramme im Objektstrahlengang einzusetzen, die die Wellenfront des Objektstrahls derart verformen, dass sie senkrecht auf die zu prüfende Oberfläche auftrifft. Bei dieser auch als Nulltest bezeichneten Technik zeigt das aufgenommene Interferogramm nur noch die Abweichung der zu prüfenden Oberfläche von einer Sollform. Computer-generierte Hologramme ermöglichen damit eine schnelle und hochgenaue Vermessung asphärischer Prüflinge. Allerdings muss hierbei für jede Prüflingsform ein separates Computer-generiertes Hologramm gefertigt werden. Dies erfordert einen erheblichen Zeit- und Kostenaufwand.
Aus Y.-M. Liu et al . , „Subaperture testing of aspheres with anular zone", Appl . Opt . , 2721, 1988, 4504-4513, oder aus M. Melozzi, et al . , „Testing aspheric surfaces using multipe anular interferogram", Opt. Eng., 32 5, 1993, 1073-1079, ist eine Technik zur Vermessung der Oberfläche von rotationssymmetrischen Prüflingen bekannt, bei der bspw. in einem Twyman- Green-Interferometer mehrere Einzelmessungen mit sphärischen Wellenfronten verschiedener Radien durchgeführt werden, mit denen der Prüfling beleuchtet wird. Dadurch wird erreicht, dass bei jeder dieser Einzelmessungen ein unterschiedlicher ringförmiger Bereich des Prüflings annähernd senkrecht von der Wellenfront getroffen wird, so dass dieser Bereich bei der jeweiligen Einzelmessung gut interferometrisch auswertbar ist. Nach dieser abschnittsweisen Vermessung aller Oberflächenbereiche des Prüflings müssen die
Ergebnisse der Einzelmessungen unter Berücksichtigung von Propagationseffekten zusammengefügt werden, um die gesamte Prüflingsoberfläche zu rekonstruieren. Zur Erzeugung der sphärischen Wellenfronten unterschied- licher Radien wird zwischen den Einzelmessungen entweder der Prüfling oder die Interfero eteroptik, d. h. die zur Erzeugung der sphärischen Wellenfront eingesetzte Linse, mechanisch verschoben. Die Positioniergenauigkeit der dabei eingesetzten mechanischen Verschiebeeinheiten beschränkt allerdings die Messgenauigkeit dieses Verfahrens. Das Aneinanderfügen (Stitching/Sewing) der einzelnen Bereiche ist außerdem in diesem Fall mathematisch sehr aufwendig, weil durch die Verschiebung der Elemente Propagations- effekte zwischen den einzelnen Messungen berücksichtigt werden müssen.
Weiterhin sind interferometrische Krümmungs- sensoren bekannt, die abschnittsweise die lokale Krümmung des Prüflings messen, wobei die Form des
Prüflings durch zweifache Integration rekonstruiert wird. Die hierbei erforderliche punktweise Vermessung ist jedoch ebenso wie die bekannte taktile Vermessung des Prüflings mit einer Koordinatenmessmaschine sehr zeitaufwendig.
Eine weiterhin bekannte nicht-interferometrische Methode zur Vermessung asphärischer Oberflächen setzt sog. Shack-Hartman-Sensoren zur Untersuchung einer vom Prüfling reflektierten Wellenfront ein. Bei diesen Sensoren ist die Messpunktdichte jedoch durch die Anzahl der eingesetzten Mikrolinsen vorgegeben und somit im Vergleich zu flächenhaften interferometrischen Messmethoden gering.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung für den Einsatz bei der interferometrischen Vermessung von Oberflächen anzugeben, die eine flexible Anpassung an unterschiedliche asphärische Prüflingsoberflächen sowie die genaue Vermessung dieser Oberflächen ermöglicht .
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem schaltbaren Punktlichtquellen-Array gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Patentansprüche 8 bis 11 geben bevorzugte Verwendungen dieses Punktlichtquellen-Arrays an. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Punktlichtquellen-Arrays sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungs- beispielen entnehmen.
Das erfindungsgemäße schaltbare Punktlichtquellen- Array bildet aus einem kohärenten optischen Eingangs- strahl eine Vielzahl von unabhängig voneinander schaltbaren Punktlichtquellen, die zusätzlich in ihrer Phase verschoben werden können. Das Punktlichtquellen-
Array besteht aus einem räumlichen Lichtmodulator mit einer Vielzahl elektrisch adressierbarer Pixel, durch die in Teilbereichen des Lichtmodulators Beugungsmuster zur Beugung des Eingangsstrahls erzeugbar sind, einem hinter dem Lichtmodulator angeordneten Mikrolinsen- Array, durch das der Eingangsstrahl nach Durchgang durch den Lichtmodulator in einzelne Teilstrahlen aufgespaltet wird, und einem hinter dem Mikrolinsen- Array angeordneten Lochblenden-Array. Das Lochblenden- Array ist derart ausgebildet und relativ zum Mikrolinsen-Array angeordnet, dass nur eine erste oder höhere Beugungsordnung der Teilstrahlen, die durch Beugung an einem in den Lichtmodulator eingeschriebenen Beugungsmuster entsteht, auf Blendenöffnungen des Lochblenden-Arrays trifft.
Durch diese Ausbildung und Anordnung des Lochblenden-Arrays wird somit verhindert, dass die nullte Beugungsordnung der Teilstrahlen oder ungebeugte
Teilstrahlen durch das Lochblenden-Array hindurch - treten. Durch Einschreiben eines geeigneten Beugungs- musters, vorzugsweise eines Streifengitters, in einen mit einer der Mikrolinsen des Mikrolinsen-Arrays deckungsgleichen Bereich des Lichtmodulators kann somit die erste (oder eine höhere) Beugungsordnung des mit der Mikrolinse gebildeten Teilstrahls durch das Lochblenden-Array hindurchtreten, während die anderen Teilstrahlen durch das Lochblenden-Array blockiert werden. Die dieser Mikrolinse zugeordnete Blendenöffnung im Lochblenden-Array wird stellt in diesem Fall eine annähernd punktförmige Lichtquelle dar. Auf diese Weise lassen sich durch geeignete Ansteuerung des Lichtmodulators beliebig weitere Teilstrahlen und somit weitere Punktlichtquellen zu- oder abschalten. Das
Lochblenden-Array befindet sich dabei vorzugsweise exakt in der Brennebene des Mikrolinsen-Arrays, so dass entsprechend kleine Blendenöffnungen im Lochblenden- Array eingesetzt werden können.
Die Parameter des erzeugten Beugungsmusters, im Falle des Streifengitters der Streifenabstand, werden dabei selbstverständlich so eingestellt, dass die gewünschte Beugungsordnung, vorzugsweise die erste Ordnung, durch die entsprechende Blendenöffnung hindurchtritt . Durch Verschieben des Beugungsmusters lässt sich auf diese Weise auch die Phase in dem durch die Lochblende hindurch tretenden Teilstrahl definiert verschieben.
Als Lichtmodulator wird vorzugsweise ein Flussigkristalldisplay (LCD) eingesetzt. Es lassen sich jedoch auch andere Elemente wie beispielsweise ein Kipp- spiegelarray einsetzen, wobei in letzterem Fall die vom Kippspiegelarray reflektierten Teilstrahlen über einen Strahlteiler und das Mikrolinsenarray auf das Loch- blendenarray abgebildet werden können. Im Folgenden wird auf den Einsatz eines Flüssigkristalldisplays
Bezug genommen, wobei die Ausführungen selbstverständlich auch für andere Lichtmodulatoren gelten.
Das eingesetzte Mikrolinsen-Array weist vorzugs- weise eine zentrale Mikrolinse auf, um die beispielsweise rotationssymmetrisch oder gemäß einem quadratischen Raster weitere Reihen von Mikrolinsen angeordnet sind.
Selbstverständlich muss das Flussigkristalldisplay derart fein pixeliert sein, dass in den einzelnen, den Mikrolinsen zugeordneten Teilbereichen entsprechende Beugungsmuster zur Beugung des Eingangsstrahls erzeugt werden können. Die Parameter Mikrolinsengröße, Mikro- linsenbrennweite, Wellenlängen des verwendeten Lichtes und Streifendichte des verwendeten Beugungsmusters müssen so aufeinander abgestimmt sein, dass die Beugungsordnungen in der Brennebende der Mikrolinsen deutlich voneinander getrennt sind, damit die Selektion einer speziellen Beugungsordnung durch das Lochblenden- array möglich ist. So lassen sich beispielsweise beim Einsatz von Mikrolinsen mit einem Durchmesser von 2,5 mm und einer Brennweite von 9 mm und einem HeNe-Laser der Wellenlänge 633 nm mit einem Flussigkristalldisplay mit einem Pixelabstand von 36 μm gute Ergebnisse erzielen.
Durch den Einsatz dieses schaltbaren Punktlicht- quellen-Arrays im Referenzstrahlengang eines Inter- ferometeraufbaus zur Vermessung asphärischer Oberflächen lassen sich in Verbindung mit einer dem Punktlichtquellen-Array nachgeschalteten Linse zur Kollimierung der Teilstrahlen durch Umschalten zwischen den einzelnen Punktlichtquellen bzw. Teilstrahlen unterschiedlich gegenüber dem Objektstrahl bzw. der Objektwelle verkippte Referenzstrahlen bzw. Referenzwellen erzeugen. Mit diesen unterschiedlich verkippten Referenzwellen können asphärische Prüflinge beliebiger Geometrie abschnittsweise vermessen werden. Die aus den Interferogrammen der Einzelmessungen ausgewerteten Oberflächenbereiche werden anschließend zusammengesetzt, um die Oberfläche des Prüflings zu rekonstruieren, wie dies auch von der in der Beschreibungs- einleitung angeführten Stitching-/Sewing-Technik bekannt ist.
Dies gilt in gleicher Weise für die Verwendung des schaltbaren Punktlichtquellen-Arrays im Strahlengang des Objektstrahls, um nacheinander unterschiedlich gegenüber dem Referenzstrahl verkippte Objektstrahlen zu erzeugen.
Weiterhin ist ein Einsatz des schaltbaren Punkt- lichtquellen-Arrays im Strahlengang des Objektstrahls eines Interferometers möglich, um unterschiedlich gegenüber der optischen Achse der zur Kollimierung der Teilstrahlen eingesetzten Linse verkippte Objektstrahlen zu erzeugen, bei dem zumindest zwei unter- schiedlich verkippte Objektstrahlen gleichzeitig erzeugt und zur Interferenz gebracht werden. Aus der den Interferenzen der unterschiedlich verkippten Objektstrahlen läßt sich dann ebenfalls eine Wellenfront rekonstruieren.
Mit dem erfindungsgemäßen schaltbaren Punktlichtquellen-Array lassen sich somit sehr genau bekannte Wellenfronten unterschiedlicher Ausbreitungsrichtung erzeugen, die sich unabhängig voneinander schalten und in ihrer Phase verschieben lassen. Durch den Einbau in ein Interferometer wird die interferometrische Vermessung von Wellenfronten mit hoher Dynamik, wie sie z. B. bei der Reflexion an stark asphärischen Flächen entstehen, möglich. Gegenüber der bekannten Vermes- sungstechnik, bei der Wellenfronten unterschiedlicher
Radien zur Vermessung des Prüflings eingesetzt werden, besteht einerseits der Vorteil, dass keine mechanische Verschiebung eines optischen Elementes durchgeführt wird, so dass die hierdurch verursachten Fehler vermieden werden. Andererseits besteht der Vorteil, dass bei der vorliegenden Technik die Einzelmessungen mit interferometrischer Genauigkeit gegeneinander kalibriert werden können, wie dies im Ausführungs- beispiel näher dargelegt ist. Aufgrund dieser Kalibrierung ist es unproblematisch, die aus verschiedenen Messungen erhaltenen Bereiche des Prüflings miteinander zu kombinieren und anschließend wie eine Einzelmessung zu behandeln. Propagationseffekte müssen dabei nicht berücksichtigt werden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil beim Einsatz des vorliegenden schaltbaren Punktlichtquellen-Arrays und des zugehörigen Messverfahrens besteht darin, dass das Verfahren nicht auf rotationssymmetrische Prüflinge beschränkt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorliegende schaltbare Punktlichtquellen-Array sowie seine bevorzugte Verwendung zur interfero- metrischen Vermessung von Prüflingsoberflächen werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel für einen Interfero- meteraufbau zur Vermessung von Prüflingsoberflächen unter Einsatz des vorliegenden Punktlichtquellen- Arrays ; Fig. 2 ein Ausschnitt aus dem Punktlichtquellen-Array zur Verdeutlichung der Funktionsweise; und
Fig. 3 ein Beispiel für einen Aufbau mit dem Punktlichtquellen-Array, der den verschiebbaren Endspiegel im
Referenzstrahlengang eines Twyman- Green-Interferometers ersetzt. Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt einen beispielhaften Interferometer- aufbau zur Vermessung einer Prüflingsoberfläche unter Einsatz des vorliegenden schaltbaren Punktlichtquellen- Arrays 10. Der kohärente, von einem Laser ausgesendete und aufgeweitete Laserstrahl 8 trifft bei diesem Interferometeraufbau zunächst auf einen Strahlteiler 7, durch den er in einen Objektstrahl 8b und einem Referenzstrahl 8a aufgespalten wird. Der Objektstrahl 8b wird nach Durchgang durch einen weiteren Strahl- teuer 7 mittels einer Sammellinse 30 fokussiert, um eine an die Prüflingsoberfläche 40 grob angepasste sphärische Wellenfront zu erzeugen. Die von der Prüflingsoberfläche 40 reflektierte Wellenfront des
Objektstrahls wird schließlich über den Strahlteiler 7 mit dem Referenstrahl 8a zur Interferenz gebracht . Die Abbildungsoptik 50 bildet die Prüflingsoberfläche 40 auf die Kamera 60 ab, mit der das erhaltene Inter- ferenzmuster aufgenommen wird.
Im vorliegenden Fall wird der Referenzstrahl 8a über das schaltbare Punktlichtquellen-Array 10 geleitet, um nacheinander unterschiedlich verkippte Referenzwellen zu erzeugen. Hierzu werden nacheinander unterschiedliche Punktquellen des Punktlichtquellen- Arrays 10 geschaltet. Figur 1 zeigt hierbei eine schematische Darstellung, bei der eine derartige Punktlichtquelle zugeschaltet ist. Das von den Punktlicht- quellen ausgehende Licht wird von der darauffolgenden
Linse 20, die sich im Brennweitenabstand vom Lochblenden-Array befindet, kollimiert. Durch Schaltung von Punktlichtquellen, deren Teilstrahlen in unterschied- liche Abstand zur optischen Achse der Linse 20 verlaufen, werden Referenzwellen unterschiedlicher Verkippung erzeugt und mit der Objektwelle überlagert. Dadurch werden verschiedene Bereiche der Prüflings- Oberfläche 40 auswertbar, die anschließend aneinandergefügt werden (Stitching) . Durch geeignete Ansteuerung des Punktlichtquellen-Arrays 10 lassen sich, wie weiter unten näher erläutert, auch die Phasen der Referenzwellen definiert verschieben. Somit lassen sich auch die in der Interferometrie üblichen Phasenschiebe- algorithmen durchführen. Es entfällt damit die Notwendigkeit eines zusätzlichen Piezo- oder Flüssigkristall- Phasenschiebers, wie er insbesondere im Endspiegel des Referenzarms bekannter Interferometer eingesetzt wird.
Figur 2 zeigt den Aufbau und die Funktionsweise des' vorliegenden schaltbaren Punktlichtquellen-Arrays 10. Das Punktlichtquellen-Array 10 besteht aus einem fein pixelierten, elektrisch adressierbaren Flüssig- kristalldisplay (LCD) 2, einem Mikrolinsen-Array 3 und einem Lochblenden-Array 4. Das Flussigkristalldisplay 2 wird kollimiert und kohärent mit einem Eingangsstrahl 1 so beleuchtet, dass die hinter den Mikrolinsen des Mikrolinsen-Arrays 3 entstehenden Foki vorerst nicht die Blendenöffnungen des Lochblenden-Arrays 4 treffen.
Nur dann, wenn vor einer der Mikrolinsen ein Streifengitter mit einem definierten Gitterabstand in das Flussigkristalldisplay eingeschrieben wird, gelangt die erste Beugungsordnung 5 des durch das eingeschriebene Gitter gebeugten Teilstrahls durch die zugehörige
Blendenöffnung. Dies ist in der Figur schematisch dargestellt, die lediglich einen Ausschnitt aus dem Punktlichtquellen-Array 10 darstellt. Die verbleibenden Anteile des Eingangsstrahls 1, insbesondere die in der Figur dargestellte nullte BeugungsOrdnung sowie die restlichen auf das Flussigkristalldisplay 2 auftreffenden Strahlanteile werden durch das Lochblenden-Array 4 abgeblockt. Zusätzlich ergibt sich die Möglichkeit, durch Verschieben des eingeschriebenen Gitters die Phase des Lichtes in der ersten Beugungsordnung definiert zu verschieben. Somit stellt das vorgestellte Punktlichtquellen-Array ein schaltbares Punktlichtquellen-Array mit Phasenschiebung dar.
Ein Vorteil beim Einsatz dieses Punktlichtquellen- Arrays 10 bei der interferometrischen Vermessung von Prüflingsoberflächen besteht darin, dass die Einzel- messungen mit interferometrischer Genauigkeit gegeneinander kalibriert werden können. Dazu wird der Objektarm des Interferometers blockiert. Mit dem Punktlichtquellen-Array 10 werden zwei verschiedene Referenzwellen gleichzeitig erzeugt, z. B. die auf der optischen Achse der Linse 20 verlaufende unverkippte Referenzwelle R0 und eine der N verkippten Referenz- wellen Rn. Sie werden zur Interferenz gebracht. Eine der Referenzwellen wird schrittweise phasenverschoben und mit einem üblichen Phasenschiebe-Algorithmus eine Phasenfunktion berechnet. Dies ergibt die Differenzfunktion Dn = Rn - Ro zwischen den beiden Referenzwellen in der Ebene des Kamerachips. Anschließend wird die vom Prüfling reflektierte Objektwelle 0 mit den verschie- denen Referenzwellen vermessen. Die gemessene Phase ist dann P0 = 0 - R0 für die unverkippte Referenzwelle und Pn = 0 - Rn für die verkippten Referenzwellen. Es folgt Pn = 0 - (Ro + DJ = P0 - Dn, d. h. P0 = Pn + Dn. Die verschiedenen Messungen lassen sich also ineinander überführen. Daher ist es unproblematisch, Bereiche aus verschiedenen Messungen miteinander zu kombinieren und anschließend wie eine Einzelmessung (z. B. P0) zu behandeln. Propagationseffekte müssen hierbei nicht berücksichtigt werden.
Das vorliegende Punktlichtquellen-Array 10 lässt sich selbstverständlich auch in anderen interfero- metrischen Aufbauten einsetzen. So kann bspw. ein bestehendes Twyman-Green-Interferometer, wie es häufig für die Vermessung von asphärischen Prüflingen eingesetzt wird, mit dem vorliegenden Punktlichtquellen- Array aufgerüstet werden. Hierzu wird der sonst übliche Referenzspiegel mit Piezophasenschieber durch eine
Anordnung ersetzt, wie sie in der Figur 3 dargestellt ist. Diese Anordnung setzt sich aus einem Strahlteiler 7 und mehreren Umlenkspiegeln 6 zusammen, die einen auf den Strahlteiler 7 treffenden Eingangsstrahl geeignet umlenken, wobei zwischen den Spiegeln 6 das vorliegende schaltbare Punktlichtquellen-Array 10 sowie die Linse 20 zur Kollimierung der vom Punktlichtquellen-Array 10 ausgehenden Teilstrahlen angeordnet ist. Durch entsprechende Zuschaltung der unterschiedlichen Punktlichtquellen können hierbei die unterschiedlich verkippten Referenzwellen erzeugt werden. Über eine Verschiebung des Beugungsmusters des Flüssigkristall- displays lässt sich die Phase des jeweiligen Referenzstrahles definiert einstellen, so dass auf einen Piezophasenschieber verzichtet werden kann. Bezugszeichenliste
Figure imgf000016_0001

Claims

Patentansprüche
1. Schaltbares Punktlichtquellen-Array, das aus einem kohärenten optischen Eingangsstrahl (1) eine Vielzahl von unabhängig voneinander schaltbaren Punktlichtquellen bildet, bestehend aus
- einem räumlichen Lichtmodulator (2) mit einer Vielzahl elektrisch adressierbarer Pixel, durch die in Teilbereichen des Lichtmodulators (2) Beugungsmuster zur Beugung des Eingangsstrahls (1) erzeugbar sind,
- einem in einer Eingangsstrahl-Richtung hinter dem Lichtmodulator (2) angeordneten Mikrolinsen- Array (3) , durch das der Eingangsstrahl (1) nach Durchgang durch den Lichtmodulator (2) in einzelne Teilstrahlen aufgespaltet wird und
- einem Lochblenden-Array (4) , das derart ausgebildet und hinter dem Mikrolinsen-Array (3) angeordnet ist, dass nur eine durch Beugung an einem in den Lichtmodulator (2) eingeschriebenen Beugungsmuster entstehende erste oder höhere
Beugungsordnung (5) der Teilstrahlen auf Blendenöffnungen des Lochblenden-Arrays (4) trifft.
2. Schaltbares Punktlichtquellen-Array nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtmodulator (2) ein Flussigkristalldisplay ist.
3. Schaltbares Punktlichtquellen-Array nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochblenden-Array (4) in der Brennebene des Mikrolinsen-Arrays (3) angeordnet ist.
4. Schaltbares Punktlichtquellen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Eingangsstrahl-Richtung hinter dem Lochblenden-Array (4) eine Linse (20) zur Kollimierung der Teilstrahlen angeordnet ist.
5. Schaltbares Punktlichtquellen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansteuerelektronik mit dem Licht- modulator (2) verbunden ist, die in ein oder mehrere vorgebbare Bereiche des Lichtmodulators (2) , die jeweils deckungsgleich mit einer der Mikrolinsen des Mikrolinsen-Arrays (3) sind, für einen vorgebbaren Zeitraum ein Beugungsmuster mit vorgebbaren Parametern einschreibt.
6. Schaltbares Punktlichtquellen-Array nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik so ausgebildet ist, dass sie das eingeschriebene Beugungsmuster innerhalb des Bereiches des Lichtmodulators (2) definiert verschieben kann.
7. Schaltbares Punktlichtquellen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrolinsen-Array (3) eine zentrale Mikrolinse aufweist, um die rotationssymmetrisch oder gemäß einem quadratischen Raster weitere Reihen von Mikrolinsen angeordnet sind.
8. Verwendung des schaltbaren Punktlichtquellen- Arrays (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Interferometer zur interferometrischen Vermessung einer Wellenfront eines Objektstrahls (8b) , bei der das schaltbare Punktlichtquellen- Array (10) zusammen mit einer Linse (20) zur Kollimierung der Teilstrahlen im Strahlengang eines Referenzstrahls (8a) des Interferometers eingesetzt wird, um nacheinander unterschiedlich gegenüber dem Objektstrahl (8b) verkippte Referenzstrahlen (8a) zu erzeugen und aus der Interferenz des Objektstrahls (8b) mit den unterschiedlich verkippten Referenzstrahlen (8a) die Wellenfront zu rekonstruieren.
9. Verwendung des schaltbaren Punktlichtquellen- Arrays (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Interferometer zur interferometrischen Vermessung einer Wellenfront eines Objektstrahls (8b) , bei der das schaltbare Punktlichtquellen- Array (10) zusammen mit einer Linse (20) zur Kollimierung der Teilstrahlen im Strahlengang des Objektstrahls (8b) des Interferometers eingesetzt wird, um nacheinander unterschiedlich gegenüber einem Referenzstrahl (8a) verkippte Objektstrahlen (8b) zu erzeugen und aus der Interferenz des Referenzstrahls (8a) mit den unterschiedlich verkippten Objektstrahlen (8b) die Wellenfront zu rekonstruieren.
10. Verwendung des schaltbaren Punktlichtquellen- Arrays (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Interferometer zur interferometrischen Vermessung einer Wellenfront eines Objektstrahls (8b) , bei der das schaltbare Punktlichtquellen- Array (10) zusammen mit einer Linse (20) zur Kollimierung der Teilstrahlen im Strahlengang des Objektstrahls (8b) des Interferometers eingesetzt wird, um unterschiedlich gegenüber einer optischen Achse der Linse (20) verkippte Objektstrahlen (8b) zu erzeugen, wobei zumindest zwei Objektstrahlen (8b) gleichzeitig erzeugt und zur Interferenz gebracht werden, um aus der Interferenz der Objektstrahlen (8b) die Wellenfront zu rekonstruieren.
11. Verwendung nach Anspruch 8, 9 oder 10 zur Vermessung von Oberflächen, insbesondere asphärischen Oberflächen, bei der die Wellenfront des Objektstrahls (8b) nach Reflexion an der zu vermessenden Oberfläche (40) vermessen wird.
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