DE10004580A1

DE10004580A1 - Verfahren zur Prüfung von Zylinderlinsen bezüglich Flächenabweichungen und Zentrierung der Einzelflächen untereinander

Info

Publication number: DE10004580A1
Application number: DE2000104580
Authority: DE
Inventors: Johannes Schwider
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-02-02
Filing date: 2000-02-02
Publication date: 2001-08-09

Abstract

Die Prüfung von Zylinderlinsen kann in streifender Inzidenz wegen der vorliegenden Geometrie erfolgen. Dazu werden diffraktive optische Elemente eingesetzt, deren Periode über das Element nahezu konstant gehalten werden kann. Damit das möglich wird, sind die beugenden Strukturen Parallelkurvenscharen zur Meridiankurve des Linsenkörpers. Durch die streifende Inzidenz kann die Linse von allen Seiten simultan geprüft werden, was einen großen Fortschritt darstellt, da damit neben den Flächenabweichungen von der Idealform zusätzliche globale Lageparameter der Begrenzungsflächen relativ zu den diffraktiven Bezugselementen und damit auch relativ zueinander gewonnen werden können. Durch die schräge Inzidenz auf die Teilmantelflächen wird einerseits die Empfindlichkeit herabgesetzt, wodurch auch feinstgeschliffene Flächenteile wie die Linsenkanten in die Messung eingeschlossen werden können. Andererseits ergibt sich längs der Zylinderachse des Linsenkörpers eine geringere Probendichte bei der Messung, die durch die anamorphotische Verzerrung verursacht wird. Daher kann mit sogenannten Prismen- oder Zylinderlinsenteleskopen eine Entzerrung vorgenommen werden. Ebenso geeignet erscheinen auch Gitteranamorphote aufgebaut aus geblazten Gittern.

Description

Zweck der Erfindung

Zylinderlinsen sind bezüglich ihrer Abweichungen von der Idealform zu prüfen, wobei eine allgemeine Zylinderlinse zwei Zylinderflächen hat und zusätzlich plane Anschlagsflächen. Für die optische Funktion sind sowohl die Flächenformen als auch die relativen Lagen der Flächen zueinander wesentlich, weshalb der Zweck der Erfindung ein Verfahren zur Form- und Lageprüfung der optisch wirksamen und mechanischen Flächen ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens basierend auf der Nutzung von diffraktiven Strahlformungselementen zur Strahlformung und Strahlteilung für ein Interferometer, welches mit streifender Inzidenz der Wellenfront auf den Prüfling arbeitet. Durch die erfindungsgemäße Lösung soll es möglich sein, Form- und Lageabweichungen von Zylinderlinsen auch bei einer Rest-Rauhigkeit von z. B. 0.5 µm rms zu messen.

Stand der Technik

Bekannt sind interferometrische Verfahren zur Prüfung von Zylinderlinsen bei denen durch spezielle optische Systeme im Prüflingsstrahlengang dafür gesorgt wird, daß das Licht überall senkrecht auf die Prüflingsoberfläche trifft. Nach der Reflexion durchläuft das Licht angenähert den gleichen Weg durch das optische System und die reflektierte Welle wird dann mit einer passenden Referenzwelle zu einem niederfrequenten Interferogramm überlagert. Naheliegend ist es als Ausgangswellenfront eine Planwelle zu verwenden, so daß die Referenzwelle ebenfalls eine Planwelle darstellt.

Da Zylinderoptik schwierig herzustellen ist, geht man meist den Weg über ein diffraktives optisches Element, welches man als Zonenplatte beschreiben kann. Da das diffraktive Element für eine zweimalige Wellenfront-Transformation benutzt wird, muß die Beugungseffizienz hoch sein. Das läßt sich mit Phasen-Masken erreichen, bei denen durch die Wahl der Stegbreite in einer Periode und die Wahl der Relieftiefe eine Optimierung möglich ist, so daß 40% Beugungseffizienz erreicht werden können. Eine große Schwierigkeit ergibt sich bei stark gekrümmten Zylinderflächen, da dann die diffraktiven Elemente sehr fein strukturiert werden müssen, wobei man schnell mit der Strukturgröße in die Größenordnung der Lichtwellenlänge kommt. Das bringt enorme Probleme bei der Herstellung der optischen diffraktiven Elemente mit sich. Besonders die gleichförmige Tiefenätzung bei Erhalt des Aspektverhältnisses macht wegen des großen Gangs der Periode des diffraktiven optischen Elementes große Schwierigkeiten.

Außerdem sind bei senkrechter Inzidenz die Außenflächen des Linsenkörpers nicht so ohne weiteres simultan meßbar, das heißt natürlich auch, daß ihre relative Lage nicht mit z. B. lithographischer Präzision bestimmbar ist, die an sich in einem diffraktiven optischen Element fixiert werden kann und danach mit Erfolg zur Messung eingesetzt werden könnte.

Kritik am Stand der Technik und erfindungsgemäße Lösung

Die Zylindersymmetrie legt aber natürlich auch alternative Möglichkeiten zum senkrechten Lichteinfall auf den Prüfling nahe. Das soll anhand der Fig. 1 näher erläutert werden, in welcher die senkrechte Inzidenz-Interferometrie mit den hier angestrebten Möglichkeiten der Prüfung in streifender Inzidenz verglichen werden soll.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, muß bei senkrechter Inzidenz der Prüflingswelle ein großes Ortsbandbreite-Produkt in dem diffraktiven optischen Element (DOE) realisiert werden. Außerdem sind noch Sondermaßnahmen erforderlich (die hier einfachheitshalber fortgelassen wurden), um unerwünschte Reflexe von den DOE-Flächen zu unterdrücken. Diese Reflexe würden bei der Auflichtanordnung in ihrer Intensität von gleicher Größenordnung sein wie die Testwelle.

Durch das Aufteilen der Funktion des DOE in ein Teiler- und ein Vereiniger-DOE gepaart mit streifendem Lichteinfall auf das Linsenelement ergibt sich

- Eine nahezu konstante DOE-Periode,
- Eine Durchlichtanordnung mit bedeutend besserem Siganl/Rauschen-Verhältnis,
- Die streifende Inzidenz ermöglicht einen sehr stabilen common-path-Aufbau des Interferometers, wobei wegen der diffraktiven Strahlenteiler die nullte Beugungsordnung jeweils als Referenzwelle herangezogen werden kann,
- Die Empfindlichkeit des Interferometers ist durch die Periode des DOE-Paares vorgegeben und in weiten Grenzen frei wählbar.

Anhand der Fig. 1 kann auch die Funktion des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Prüfung von Zylinderflächen ableiten. Das erste DOE teilt die einfallende Planwelle in vornehmlich drei Wellen auf: in eine ungebeugte Planwelle, eine divergente und eine konvergente Kegelwelle. Letztere trifft überall unter gleichem Winkel streifend auf einen zylindrischen Prüfling wird dort reflektiert und bei Auftreffen auf das zweite DOE in eine nahezu plane on- axis Welle zurückverwandelt. Dadurch ergibt sich ein Interferenzbild zwischen der Objekt- und der ungebeugten Referenzwelle, welches die Abweichungen des Prüflings von der Idealform anzeigt.

Dieses Prinzip ist auf allgemeine stabförmige Körper ausdehnbar.

In Fig. 2 ist der Fall einer bikonvexen Zylinderlinse zusammen mit planen seitlichen Begrenzungsflächen dargestellt. Zu dieser speziellen Gestalt korrespondiert die Struktur der beiden DOE, die zur Prüfung herangezogen werden. Im einfachsten Fall besteht die Struktur für Kreiszylinderflächenabschnitte aus Abschnitten von diffraktiven Axicons und die von Planflächen korrespondieren mit einfachen Gittern, wobei die Orientierung des Körpers in der Struktur des DOE geeignet abgebildet ist. Zur Auswertung der Interferogramme läßt sich die Methodik der phase shifting Interferometrie heranziehen, indem man sich die benötigten Interferenzbilder mit unterschiedlicher Referenzphase durch eine axiale Verschiebung von einem DOE beschafft. Eine axiale Verschiebung führt zu einer Änderung der relativen Phasenlage zwischen Referenz- und Prüflingswelle wegen der unterschiedlichen Richtungen der Wellenfrontnormalen. Die phase shifting Interferometrie stellt auch durch ihre hohe Genauigkeit den Rahmen für eine erfolgreiche Optikprüfung unter streifender Inzidenz, indem sie den Großteil des Empfindlichkeitsverlustes wieder ausgleicht.

Durch die Messung der Zylinderlinsen in streifender Inzidenz ergibt sich längs der Zylinderachse eine anamorphotische Verzerrung, die zu einem Informationsverlust führt. Darüber hinaus ist die starke anamorphotische Verzerrung besonders störend bei kurzen Zylinderlinsen (zu geringe Zahl von Schnitten längs der Linsenachse). Hier kann eine anamorphotische Entzerrung Abhilfe schaffen. Dabei kann entweder die unverzerrte Richtung ebenfalls komprimiert werden oder die verzerrte entzerrt werden. Für diesen Zweck sind z. B. prismatische Anamorphe mit teleskopischem Strahlengang geeignet. Allerdings verursachen diese einen lateralen Strahlversatz, der durch eine symmetrisierte Serienschaltung zweier Prismenteleskope (s. Fig. 3) kompensiert werden kann. Mit Zylinderlinsenteleskopen könnte man den seitlichen Versatz vermeiden, muß dann aber eventuell die Aberrationen der Zylinderoptik in die Betrachtung der Gesamtgenauigkeit einbeziehen. Das erfordert Simulationsrechnungen, die mit unserer Raytrace software Version 6.3 ausgeführt werden sollen.

Literatur

1.) Schwider; "Verfahren zur interferometrischen Prüfung von technischen Oberflächen" DE Patent Nr. 196 43 074, Anmeldetag: 18 10 1996
2.) G. Schulz, J. Schwider,. "Interferometric testing of smooth surfaces", Prog. in Optics XIII, E. Wolf, Ed., Elsivier Publisher New York, (1976)
3.) J. Schwider, "Verfahren und Anordnung zur Prüfung beliebiger Mantelflächen rotationssymmetrischer Festkörper mittels synthetischer Hologramme", DDR WP 106 769, Anmeldetag 4.1.1972
4.) J. Schwider, "Verfahren zur Prüfling technischer Oberflächen mit Hilfe von computer- erzeugten Hologrammen", G. Pat. pending Aktz. DE 195 11 926.3, Anmeldetag 31.3.1995

Claims

1. Verfahren zur interferometrischen Prüfung von Zylinderlinsen mit Hilfe von computererzeugten diffraktiven Elementen in streifender Inzidenz dadurch gekennzeichnet, daß das kollimierte Licht eines Lasers senkrecht auf ein erstes diffraktives optisches Element trifft und dort in eine ungebeugte Planwelle und mehrere gebeugte Wellen aufgeteilt wird, von denen eine passend vordeformierte Wellenfront für alle Azimuthe tangential streifend auf die Prüflingsmantelfläche fällt, dort reflektiert wird und danach auf ein zweites diffraktives optisches Element trifft und durch Beugung mit der Referenzwelle zu einem Interferogramm überlagert wird, welches die Abweichungen der Oberfläche von der Idealform anzeigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die automatisierte Auswertung mit den Mitteln der phase shifting Interferometrie erfolgt, wozu mehrere phasenverschobene Abweichungsbilder in Form von Interferogrammen durch axiale Verschiebung eines der diffraktiven Elemente erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die diffraktiven Elemente in Form von Ronchi-Phasen-Elementen derart ausgelegt werden, daß die drei ersten Beugungsordnungen gleich intensiv ausfallen.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß auch die planen Anschlagflächen in die interferometrische Auswertung einbezogen werden, wodurch sich die mittleren relativen Lagen aller Teilflächen einer Zylinderlinse angeben lassen.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß die beugenden Strukturen der diffraktiven optischen Elemente Parallelkurven zum Flächenmeridian der Zylinderlinsen sind, wodurch sich beliebige mathematisch konvexe Linsenprofile in einem Nulltest berücksichtigen lassen.

6. Verfahren nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise die mittlere Ortsfrequenz von Teilgebieten der diffraktiven Elemente angepaßt an die Flächenrauhigkeit der Teilmantelfläche unterschiedlich gewählt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß die durch die streifende Inzidenz hervorgerufene anamorphotische Verzerrung durch Prismenteleskope oder Zylinderlinsenteleskope kompensiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß die anamorphotische Verzerrung durch eine Kombination zweier geblazter Gitter in Reihenschaltung reduziert beziehungsweise aufgehoben wird.