DE10004580A1

DE10004580A1 - Computerized testing method for cylinder lens involves reflecting wavefront from test item to second diffractive optical component and superimposition with reference wave through diffraction to interferogram

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

A laser beam radiates to a first diffractive optical component, such that the beam is divided into a non-diffracted wave and several diffracted waves of which a preformed wavefront tangentially touches the test item lateral area. The test item reflects the wavefront to a second diffractive optical component where it is superimposed with a reference wave by diffraction to an interferogram indicating surface deviations from an ideal form.

Description

Purpose of the invention

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.Cylinder lenses are to be checked for their deviations from the ideal shape, one general cylindrical lens has two cylindrical surfaces and also flat stop surfaces. For the optical function is both the surface shapes and the relative positions of the surfaces essential to each other, which is why the purpose of the invention a method for molding and Check the position of the optically effective and mechanical surfaces.

Aim of the invention

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.The aim of the invention is to provide a method based on the use of diffractive beam shaping elements for beam shaping and beam splitting for one Interferometer, which works with grazing incidence of the wavefront on the test object. The solution according to the invention should make it possible to deviate from shape and position Cylinder lenses even with a residual roughness of e.g. B. 0.5 µm rms to measure.

State of the art

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.Interferometric methods for testing cylindrical lenses are known special optical systems in the test specimen beam path ensure that the light is everywhere hits the surface of the test object vertically. After the reflection, the light goes through approximates the same path through the optical system and the reflected wave is then overlaid with a suitable reference wave to form a low-frequency interferogram. It is obvious to use a plane wave as the output wavefront so that the Reference wave also represents a plane wave.

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.Since cylinder optics are difficult to manufacture, one usually goes through a diffractive one optical element, which can be described as a zone plate. Because that's diffractive Element is used for a two-way wavefront transformation, the Diffraction efficiency be high. This can be achieved with phase masks, through which Choice of the web width in a period and the choice of the relief depth an optimization possible is so that 40% diffraction efficiency can be achieved. A great difficulty arises with strongly curved cylinder surfaces, because then the diffractive elements are very fine need to be structured, being quick with the structure size in the order of magnitude the light wavelength comes. This brings enormous problems in the manufacture of the optical diffractive elements with it. In particular, the uniform deep etching upon receipt of the Aspect ratio makes the period of the diffractive optical because of the large gait Elementes great difficulty.

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.In addition, with vertical incidence, the outer surfaces of the lens body are not so without further simultaneously measurable, that of course also means that their relative position is not with z. B. lithographic precision can be determined, which in itself in a diffractive optical element can be fixed and then successfully used for measurement.

Criticism of the prior art and solution according to the invention

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.Of course, the cylinder symmetry also suggests alternative possibilities for perpendicular incidence of light on the test specimen. This is to be explained in more detail with reference to FIG. 1, in which the vertical incidence interferometry is to be compared with the possibilities of checking in grazing incidence aimed at here.

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.As can be seen from FIG. 1, a large spatial bandwidth product must be realized in the diffractive optical element (DOE) with a vertical incidence of the test specimen wave. In addition, special measures are required (which have been omitted here for the sake of simplicity) in order to suppress unwanted reflections from the DOE surfaces. In the case of the reflected light arrangement, these reflections would be of the same order of magnitude as the test wave.

Durch das Aufteilen der Funktion des DOE in ein Teiler- und ein Vereiniger-DOE gepaart mit streifendem Lichteinfall auf das Linsenelement ergibt sich
The division of the function of the DOE into a divider and a combiner DOE paired with grazing incidence of light on the lens element results

- An almost constant DOE period,
- A transmitted light arrangement with a significantly better signal / noise ratio,
- The grazing incidence enables a very stable common path structure of the Interferometer, the zero due to the diffractive beam splitter Diffraction order can be used as a reference wave,
- The sensitivity of the interferometer is due to the period of the DOE pair predefined and freely selectable within wide limits.

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.The function of the method according to the invention for testing cylinder surfaces can also be derived from FIG. 1. The first DOE divides the incident plane wave into three waves: an undeflected plane wave, a divergent and a convergent cone wave. The latter strikes a cylindrical test specimen everywhere at the same angle, where it is reflected and converted back into an almost plane on-axis wave when it hits the second DOE. This results in an interference image between the object and the undiffracted reference wave, which shows the deviations of the test object from the ideal shape.

Dieses Prinzip ist auf allgemeine stabförmige Körper ausdehnbar.This principle can be extended to general rod-shaped bodies.

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.In FIG. 2, the case of a bi-convex cylindrical lens is shown together with planar lateral boundary surfaces. The structure of the two DOEs that are used for the test corresponds to this special shape. In the simplest case, the structure for circular cylindrical surface sections consists of sections of diffractive axicons and those of plane surfaces correspond to simple grids, the orientation of the body being suitably depicted in the structure of the DOE. The method of phase shifting interferometry can be used to evaluate the interferograms by obtaining the required interference images with a different reference phase by means of an axial shift from a DOE. An axial shift leads to a change in the relative phase position between the reference and test specimen waves due to the different directions of the wavefront normals. Due to its high accuracy, phase shifting interferometry also provides the framework for a successful optical inspection under grazing incidence by compensating for the majority of the loss of sensitivity.

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.Measuring the cylinder lenses in grazing incidence results in an anamorphic distortion along the cylinder axis, which leads to a loss of information. In addition, the strong anamorphic distortion is particularly troublesome with short cylindrical lenses (too few cuts along the lens axis). Anamorphic equalization can help here. Either the undistorted direction can also be compressed or the distorted direction can be equalized. For this purpose, e.g. B. prismatic anamorphs with telescopic beam path suitable. However, these cause a lateral beam offset, which can be compensated for by a symmetrical series connection of two prism telescopes (see FIG. 3). With cylindrical lens telescopes one could avoid the lateral misalignment, but then the aberrations of the cylinder optics may have to be considered when considering the overall accuracy. This requires simulation calculations that should be carried out with our Raytrace software version 6.3.

literature

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 31.3.19951.) Schwider; "Method for the interferometric testing of technical surfaces" DE Patent No. 196 43 074, filing date: 18 10 1996
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4.) J. Schwider, "Process for the test specimen of technical surfaces using computer-generated holograms", G. Pat. Pending Aktz. DE 195 11 926.3, filing date March 31, 1995

Claims

1. A method for the interferometric testing of cylindrical lenses with the aid of computer-generated diffractive elements in grazing incidence, characterized in that the collimated light of a laser strikes a first diffractive optical element perpendicularly and is divided there into an undiffracted plane wave and several diffracted waves, one of which suitably pre-deformed wavefront for all azimuths falls tangentially on the surface of the test specimen, is reflected there and then hits a second diffractive optical element and is superimposed by diffraction with the reference wave to an interferogram that shows the deviations of the surface from the ideal shape.

2. The method according to claim 1, characterized in that the automated Evaluation using the means of phase shifting interferometry is carried out, for which several phase-shifted deviation images in the form of interferograms by axial Displacement of one of the diffractive elements are generated.

3. The method according to claim 1, characterized in that the diffractive elements in Ronchi phase elements are designed so that the first three Diffraction orders are equally intense.

4. The method according to claim 1-3, characterized in that the plan Stop surfaces are included in the interferometric evaluation, which means that have the mean relative positions of all partial areas of a cylindrical lens specified.

5. The method according to claim 1-4 characterized in that the diffractive structures of the diffractive optical elements parallel curves to the surface meridian of the Are cylindrical lenses, which results in any mathematically convex lens profiles have a zero test taken into account.

6. The method according to claim 1-4, characterized in that optionally the middle Spatial frequency of sub-areas of the diffractive elements adapted to the Surface roughness of the partial lateral surface is selected differently.

7. The method according to claim 1-4 characterized in that the grazing by Incidence anamorphic distortion caused by prism telescopes or Cylinder lens telescopes is compensated.

8. The method according to claim 1-4 characterized in that the anamorphic Distortion reduced by combining two blazed grids in series or is canceled.