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DE102022201462A1 - Measuring device for determining the shape of an optical surface of a test piece - Google Patents

Measuring device for determining the shape of an optical surface of a test piece Download PDF

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Publication number
DE102022201462A1
DE102022201462A1 DE102022201462.6A DE102022201462A DE102022201462A1 DE 102022201462 A1 DE102022201462 A1 DE 102022201462A1 DE 102022201462 A DE102022201462 A DE 102022201462A DE 102022201462 A1 DE102022201462 A1 DE 102022201462A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
wave
measuring device
test
optical surface
illumination
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
DE102022201462.6A
Other languages
German (de)
Inventor
Wolfgang Zeller
Jochen Hetzler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss SMT GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss SMT GmbH
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 Carl Zeiss SMT GmbH filed Critical Carl Zeiss SMT GmbH
Publication of DE102022201462A1 publication Critical patent/DE102022201462A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02Testing optical properties
    • G01M11/0242Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations
    • G01M11/0271Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations by using interferometric methods
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers
    • G01B9/02001Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties
    • G01B9/0201Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties using temporal phase variation

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Abstract

Eine Messvorrichtung (10) zur Bestimmung einer Form einer optischen Oberfläche (12) eines Prüflings (14) umfasst: eine Beleuchtungseinrichtung (16) zum Erzeugen einer Eingangswelle (18), ein Interferometer (20) zum Aufspalten der Eingangswelle in eine auf die optische Oberfläche gerichtete Prüfwelle (46i) sowie einer Referenzwelle (44), wobei die Beleuchtungseinrichtung eine im Messbetrieb rotierende Streuscheibe (28), ein Modulationsmodul (30-1, 30-2, 30-3) sowie ein Steuerungsmodul (34) aufweist und wobei das Steuerungsmodul dazu konfiguriert ist, das Modulationsmodul derart anzusteuern, dass dieses eine zeitliche Modulation einer auf die Streuscheibe gerichteten Strahlungsverteilung (22) bewirkt.A measuring device (10) for determining a shape of an optical surface (12) of a specimen (14) comprises: an illumination device (16) for generating an input wave (18), an interferometer (20) for splitting the input wave into one on the optical surface directed test wave (46i) and a reference wave (44), the lighting device having a diffusing disk (28) rotating during measurement operation, a modulation module (30-1, 30-2, 30-3) and a control module (34) and the control module is configured to control the modulation module in such a way that it causes a temporal modulation of a radiation distribution (22) directed onto the lens.

Description

Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer Form einer optischen Oberfläche eines Prüflings.The invention relates to a measuring device for determining the shape of an optical surface of a test piece.

Eine derartige Messvorrichtung ist beispielsweise in WO 2006/077145 A2 beschrieben. Diese Messvorrichtung umfasst eine Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung einer Eingangswelle sowie ein Fizeauinterferometer, mit dem aus der Eingangswelle eine Messwelle mit einer an die Sollform der optischen Oberfläche angepassten Wellenfront erzeugt wird. Die Wellenfront der angepassten Messwelle wird nach Reflexion an der optischen Oberfläche zur Bestimmung der Abweichung der tatsächlichen Form der optischen Oberfläche von deren Sollform interferometrisch ausgewertet.Such a measuring device is, for example, in WO 2006/077145 A2 described. This measuring device comprises an illumination device for generating an input wave and a Fizeau interferometer, with which a measuring wave with a wave front adapted to the desired shape of the optical surface is generated from the input wave. After reflection on the optical surface, the wave front of the adapted measuring wave is evaluated interferometrically to determine the deviation of the actual shape of the optical surface from its target shape.

Das optische Element mit der optischen Oberfläche ist beispielsweise eine optische Komponente, wie etwa eine Linse oder ein Spiegel. Derartige optische Komponenten werden in optischen Systemen, wie etwa einem in der Astronomie verwendeten Teleskop oder in einem Abbildungssystem eingesetzt, wie es in lithographischen Verfahren zum Einsatz kommt. Der Erfolg eines solchen optischen Systems ist wesentlich bestimmt durch eine Genauigkeit, mit der dessen optische Komponenten hergestellt und dahingehend bearbeitet werden können, dass deren Oberflächen jeweils einer Soll-Gestalt entsprechen, welche durch einen Designer des optischen Systems bei dessen Auslegung festgelegt wurde. Im Rahmen einer solchen Herstellung ist es notwendig, die Gestalt der bearbeiteten optischen Flächen mit deren Soll-Gestalt zu vergleichen und Differenzen bzw. Abweichungen zwischen der gefertigten Oberfläche und der Soll-Oberfläche zu bestimmen. Die optische Oberfläche kann dann in solchen Bereichen bearbeitet werden, in denen Differenzen zwischen der bearbeiteten Fläche und der Soll-Fläche beispielsweise vorbestimmte Schwellenwerte überschreiten.The optical element with the optical surface is, for example, an optical component such as a lens or a mirror. Such optical components are used in optical systems such as a telescope used in astronomy or in an imaging system as used in lithographic processes. The success of such an optical system is essentially determined by the accuracy with which its optical components can be manufactured and processed in such a way that their surfaces each correspond to a target shape that was specified by a designer of the optical system when it was designed. Within the scope of such a production, it is necessary to compare the shape of the processed optical surfaces with their target shape and to determine differences or deviations between the manufactured surface and the target surface. The optical surface can then be machined in those areas in which differences between the machined area and the target area exceed predetermined threshold values, for example.

Bei der hochgenauen Vermessung von optischen Oberflächen mittels Interferometrie können Messungenauigkeiten auftreten, die auf mangelnde Qualität der von der Beleuchtungseinrichtung bereitgestellten Eingangswelle zurückzuführen sind.In the high-precision measurement of optical surfaces by means of interferometry, measurement inaccuracies can occur that are due to poor quality of the input wave provided by the illumination device.

Zugrunde liegende AufgabeUnderlying Task

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung bereitzustellen, womit die vorgenannten Probleme gelöst werden, und insbesondere auf mangelnde Qualität einer von der Beleuchtungseinrichtung bereitgestellten Messstrahlung zurückgehende Messungenauigkeiten reduziert werden können.It is an object of the invention to provide a measuring device with which the aforementioned problems can be solved and, in particular, measurement inaccuracies caused by poor quality of a measurement radiation provided by the illumination device can be reduced.

Erfindungsgemäße LösungSolution according to the invention

Die vorgenannte Aufgabe kann gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Aspekt beispielsweise gelöst werden mit einer Messvorrichtung zur Bestimmung einer Form einer optischen Oberfläche eines Prüflings mit einer Beleuchtungseinrichtung zum Erzeugen einer Eingangswelle, einem Interferometer zum Aufspalten der Eingangswelle in eine auf die optische Oberfläche gerichtete Prüfwelle sowie einer Referenzwelle. Die Beleuchtungseinrichtung weist eine im Messbetrieb rotierende Streuscheibe, ein Modulationsmodul sowie ein Steuerungsmodul auf, wobei das Steuerungsmodul dazu konfiguriert ist, das Modulationsmodul derart anzusteuern, dass dieses eine zeitliche Modulation einer auf die Streuscheibe gerichteten Strahlungsverteilung bewirkt.According to a first aspect of the invention, the above-mentioned object can be achieved, for example, with a measuring device for determining the shape of an optical surface of a test specimen with an illumination device for generating an input wave, an interferometer for splitting the input wave into a test wave directed at the optical surface, and a reference wave. The illumination device has a diffusing disk rotating during measurement operation, a modulation module and a control module, the control module being configured to control the modulation module in such a way that it causes a temporal modulation of a radiation distribution directed onto the diffusing disk.

Unter der zeitlichen Modulation der auf die Streuscheibe gerichteten Strahlungsverteilung ist zu verstehen, dass die örtliche Strahlungsverteilung auf der Streuscheibe im zeitlichen Verlauf verändert wird, d.h. es wird nicht nur ein Intensitätsverstärkungsparameter des Profils der Strahlungsverteilung, sondern das Profil als solches im zeitlichen Verlauf verändert. Weiterhin kann die zeitliche Modulation der Strahlungsverteilung auch eine Phasenmodulation umfassen. Die zeitliche Modulation der auf die Streuscheibe gerichteten Strahlungsverteilung führt dazu, dass mittels der Streuscheibe in der Eingangswelle erzeugte Specklemuster variiert werden, d.h. das Modulationsmodul kann auch als „Specklemustermodulationsmodul“ bezeichnet werden. Als Speckles, auch als Specklemuster oder Lichtgranulation bekannt, werden körnige Interferenzphänomene bezeichnet, die sich bei hinreichend kohärenter Beleuchtung optisch rauer Objektoberflächen mit Unebenheiten in der Größenordnung der Wellenlänge beobachten lassen. Die zeitliche Modulation erfolgt insbesondere während des Messbetriebs, und dabei insbesondere während eines Messabschnitts, in dem Messungen zeitlich zusammenhängend erfolgen, d.h. die Messungen nicht auf eine relevante Weise unterbrochen werden. Die zeitliche Modulation kann insbesondere während der Aufnahme eines Interferogramms mit der Erfassungseinrichtung und/oder zwischen den Aufnahmen, wenn eine Messung mehrere Interferogramme umfasst, erfolgen. Bei der sogenannten Phasenschiebeinterferometrie, bei der für die Bestimmung des Phasenunterschieds zwischen Prüfwelle und Referenzwelle eine Reihe von zueinander gehörenden Einzelinterferogrammen mit verschiedenen globalen Phasenlagen aufgenommen werden, ist die Aufnahme eines Interferogramms durch die Aufnahme einer Reihe von Einzelinterferogrammen mit unterschiedlicher Phasenlage zu ersetzen. Die von der Beleuchtungseinrichtung erzeugte Eingangswellle und Specklemustermodulation sollte dabei für alle zu einer Reihe gehörenden Einzelinterferogramme identisch sein, um Messfehler zu vermeiden.The temporal modulation of the radiation distribution directed onto the diffusing screen means that the local radiation distribution on the diffusing screen is changed over time, ie not only an intensity amplification parameter of the profile of the radiation distribution is changed over time, but the profile as such is changed over time. Furthermore, the temporal modulation of the radiation distribution can also include a phase modulation. The temporal modulation of the radiation distribution directed onto the diffusing screen results in the speckle pattern generated in the input shaft being varied by means of the diffusing screen, ie the modulation module can also be referred to as a "speckle pattern modulation module". Speckles, also known as speckle patterns or light granulation, are granular interference phenomena that can be observed with sufficiently coherent illumination of optically rough object surfaces with unevenness in the wavelength range. The temporal modulation takes place in particular during the measurement operation, and in particular during a measurement section in which measurements take place in a temporally contiguous manner, ie the measurements are not interrupted in a relevant way. The temporal modulation can take place in particular during the recording of an interferogram with the recording device and/or between the recordings if a measurement includes a number of interferograms. In what is known as phase shift interferometry, in which a series of associated individual interferograms with different global phase positions are recorded to determine the phase difference between the test wave and the reference wave, the recording of an interferogram is to be replaced by the recording of a series of individual interferograms with different phase positions. The of The input wave and speckle pattern modulation generated by the illumination device should be identical for all individual interferograms belonging to a row in order to avoid measurement errors.

Die rotierende Streuscheibe dient der Reduzierung von aufgrund einer hohen räumlichen Kohärenz der Eingangswelle in einem vom Interferometer erzeugten Interferogramm auftretender kohärenter Messartefakte, sogenannter „Schießscheiben“. Über Drehen der Streuscheibe können unterschiedliche kohärente Zustände vermittelt werden, was zu einer Reduktion der Schießscheiben führt. Der erfindungsgemäßen Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass an der Streuscheibe erzeugte Specklemuster aufgrund der im Interferometer erfolgenden Aufspaltung der Eingangswelle in die Prüfwelle und die Referenzwelle zu Messungenauigkeiten führen können, die auf eine Überlagerung des Specklemusters der Prüfwelle mit dem Specklemuster der Referenzwelle zurückzuführen sind. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn sich die Weglänge der Prüfwelle stark von der Weglänge der Referenzwelle im Interferometer unterscheidet.The rotating diffusing disk serves to reduce coherent measurement artefacts, so-called "shooting disks", that occur in an interferogram generated by the interferometer due to a high spatial coherence of the input wave. Different coherent states can be conveyed by rotating the diffusing disk, which leads to a reduction in the number of shooting disks. The solution according to the invention is based on the finding that speckle patterns generated on the lens due to the splitting of the input wave into the test wave and the reference wave in the interferometer can lead to measurement inaccuracies, which can be attributed to an overlay of the speckle pattern of the test wave with the speckle pattern of the reference wave. This effect is particularly pronounced when the path length of the test wave differs greatly from the path length of the reference wave in the interferometer.

Der Einfluss dieses Specklemuster-Überlagerungseffekts auf die Oberflächen-Messgenauigkeit lässt sich durch Vermittelung vieler vom Beleuchtungsmodul erzeugter Specklemusterkonfigurationen während einer Messung verringern. Die Vermittelung kann insbesondere durch die Belichtungszeit der Erfassungseinheit und/oder durch rechnerische Mittelung mehrerer Interferogramme erfolgen.The influence of this speckle pattern superposition effect on the surface measurement accuracy can be reduced by mediating many speckle pattern configurations generated by the illumination module during a measurement. The mediation can take place in particular through the exposure time of the detection unit and/or through arithmetical averaging of several interferograms.

Das erfindungsgemäß angeordnete Modulationsmodul ermöglicht es, die Anzahl der zur Verrechnung, insbesondere zur Mittelung, stehenden Specklemusterkonfigurationen erheblich zu vergrößern und damit die Oberflächenmessgenauigkeit weiter zu erhöhen.The modulation module arranged according to the invention makes it possible to significantly increase the number of speckle pattern configurations available for calculation, in particular for averaging, and thus to further increase the surface measurement accuracy.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Modulationsmodul zur zeitlichen Modulation einer Phasenverteilung der auf die Streuscheibe gerichteten Strahlung konfiguriert. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Modulationsmodul zur zeitlichen Modulation einer Intensitätsverteilung der auf die Streuscheibe gerichteten Strahlung konfiguriert.According to one embodiment, the modulation module is configured for temporal modulation of a phase distribution of the radiation directed onto the lens. According to a further embodiment, the modulation module is configured for the temporal modulation of an intensity distribution of the radiation directed onto the lens.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Modulationsmodul mindestens eine weitere Streuscheibe. Gemäß einer Ausführungsvariante ist das Steuerungsmodul dazu konfiguriert, eine Rotation der Streuscheiben mit unterschiedlichen Drehzahlen zu bewirken. Insbesondere unterscheiden sich die Drehzahlen um mindestens den Faktor 2, insbesondere um mindestens den Faktor 10, mindestens den Faktor 50 oder mindestens den Faktor 100.According to a further embodiment, the modulation module comprises at least one further diffuser. According to one embodiment variant, the control module is configured to cause the spreading discs to rotate at different speeds. In particular, the speeds differ by a factor of at least 2, in particular by a factor of at least 10, at least a factor of 50 or at least a factor of 100.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die beiden Streuscheiben unterschiedliche Streuwinkelverteilungen auf. Insbesondere sind die Streuwinkelverteilungen derart unterschiedlich, dass eine Faltung der Streuwinkelverteilungen eine möglichst homogene Verteilung, insbesondere eine sogenannte Tophat-Verteilung, im Winkelraum ergibt. Damit wird der Prüfling möglichst homogen ausgeleuchtet.According to a further embodiment, the two scattering disks have different scattering angle distributions. In particular, the scattering angle distributions are so different that a convolution of the scattering angle distributions results in a distribution that is as homogeneous as possible, in particular a so-called tophat distribution, in the angle space. The test object is thus illuminated as homogeneously as possible.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Modulationsmodul einen räumlichen Lichtmodulator. Ein derartiger Lichtmodulator wird auch SLM (englisch für „Spatial Light Modulator“) bezeichnet. Dabei kann ein SLM grundsätzlich zur räumlichen Intensitäts- und/oder Phasenmodulation konfiguriert sein. Das SLM ist dazu konfiguriert, zwischen mindestens zwei Intensitäts- und/oder Phasenmustern umzuschalten. Gemäß einer Ausführungsvariante ist das SLM zumindest zur räumlichen Phasenmodulation der auf die Streuscheibe gerichteten Strahlung konfiguriert. Das heißt, unterschiedliche örtliche Phasenverteilungen der auf die Streuscheibe eingestrahlten Strahlung können eingestellt werden. Beispielsweise kann es sich bei dem räumlichen Lichtmodulator um ein auf der Flüssigkristallauf-Silikon-Technologie (LCOS - englisch für: Liquid Crystal on Silicon) beruhendes reflektives reines Phasen-SLM handeln, bei dem ein Flüssigkristall von einer direkten und genauen Spannung zur Modulation eines Lichtstrahls gesteuert wird.According to a further embodiment, the modulation module comprises a spatial light modulator. Such a light modulator is also called SLM (Spatial Light Modulator). In this case, an SLM can basically be configured for spatial intensity and/or phase modulation. The SLM is configured to switch between at least two intensity and/or phase patterns. According to one embodiment variant, the SLM is configured at least for spatial phase modulation of the radiation directed onto the lens. This means that different local phase distributions of the radiation radiated onto the lens can be set. For example, the spatial light modulator may be a reflective pure phase SLM based on Liquid Crystal on Silicon (LCOS) technology, in which a liquid crystal is used by a direct and precise voltage to modulate a light beam is controlled.

Gemäß einer Ausführungsform weist das Modulationsmodul einschließlich dem räumlichen Lichtmodulator eine Transmission von mehr als dem Doppelten der Pupillenfüllung der von der Beleuchtungseinrichtung erzeugten Eingangswelle für Pupillenfüllungen von kleiner als 30% auf. Die Pupillenfüllung von kleiner als 30% der maximalen Pupillenfüllung kann beispielsweise durch Konfiguration als ringförmige Beleuchtung der Streuscheibe erzeugt werden. Als Pupille wird im vorliegenden Text die geometrische Abbildungsblende der Kameraoptik der Erfassungseinrichtung bezeichnet, und deren Bild in der hierzu konjugierten, beleuchtungsseitigen Ebene des Interferometers, d.h. im Eingang des Interferometers, wird als Beleuchtungspupille bezeichnet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der gesamte, einer Messstrahlungsquelle nachgelagerte Abschnitt der Beleuchtungseinrichtung eine Transmission von mehr als dem Doppelten der Pupillenfüllung der von der Beleuchtungseinrichtung erzeugten Eingangswelle für Pupillenfüllengen von kleiner als 30% auf. Mit anderen Worten arbeitet die gesamte Beleuchtungseinrichtung einschließlich dem räumlichen Lichtmodulator mehr oder weniger „strahlungsverlustfrei“, d.h. die gesamte von der Messstrahlungsquelle bereitgestellte Strahlung wird auf die gewünschte Pupillenfüllung umverteilt und es muss keine Strahlung „weggeschnitten“ werden, um die Pupillenfüllung zu reduzieren.According to one embodiment, the modulation module including the spatial light modulator has a transmission of more than twice the pupil filling of the input wave generated by the illumination device for pupil fillings of less than 30%. The pupil filling of less than 30% of the maximum pupil filling can be produced, for example, by configuring the diffuser disk as ring-shaped illumination. In the present text, the geometric imaging aperture of the camera optics of the detection device is referred to as the pupil, and its image in the plane of the interferometer on the illumination side conjugated thereto, ie in the entrance of the interferometer, is referred to as the illumination pupil. According to a further embodiment, the entire section of the illumination device downstream of a measurement radiation source has a transmission of more than twice the pupil filling of the input wave generated by the illumination device for pupil fillings of less than 30%. In other words, the entire illumination device, including the spatial light modulator, works more or less "without radiation losses", ie the entire radiation provided by the measurement radiation source is redistributed to the desired pupil filling and no radiation needs to be “cut away” to reduce pupil filling.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Messvorrichtung derart konfiguriert, dass das Fernfeld des räumlichen Lichtmodulators auf die Streuscheibe projiziert wird. Dazu kann insbesondere ein optisches Modul in 2f-Konfiguration oder einer nur geringfügig von einer 2f-Konfiguration abweichendes optisches Modul zum Einsatz kommen.According to a further embodiment, the measuring device is configured in such a way that the far field of the spatial light modulator is projected onto the diffuser. In particular, an optical module in a 2f configuration or an optical module that deviates only slightly from a 2f configuration can be used for this purpose.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Messvorrichtung derart konfiguriert, dass der räumliche Lichtmodulator auf die Streuscheibe abgebildet wird. Dazu kann insbesondere ein optisches Modul in 4f-Konfiguration oder ein nur geringfügig von einer 4f-Konfiguration abweichendes optisches Modul zum Einsatz kommen.According to a further embodiment, the measuring device is configured in such a way that the spatial light modulator is imaged onto the diffuser. In particular, an optical module in a 4f configuration or an optical module that deviates only slightly from a 4f configuration can be used for this purpose.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Modulationsmodul mindestens zwei elektrooptische Phasenmodulatoren. Jeder der Phasenmodulatoren ist dazu konfiguriert, eine schnelle, räumlich homogene Phasenmodulation von eingestrahltem Licht zu bewirken. Unter einer schnellen Phasenmodulation wird insbesondere eine Modulation mit einer Modulationsfrequenz im Bereich von 100 kHz bis 100 MHz verstanden. Gemäß einer Ausführungsform übersteigt die jeweilige Modulationsfrequenz der elektrooptischen Phasenmodulatoren eine Rotationsfrequenz der Streuscheibe um mindestens eine Größenordnung.According to a further embodiment, the modulation module comprises at least two electro-optical phase modulators. Each of the phase modulators is configured to effect fast, spatially homogeneous phase modulation of incident light. Fast phase modulation is understood to mean, in particular, modulation with a modulation frequency in the range from 100 kHz to 100 MHz. According to one embodiment, the respective modulation frequency of the electro-optical phase modulators exceeds a rotational frequency of the diffuser by at least one order of magnitude.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die elektrooptischen Phasenmodulatoren derart angeordnet, dass die Streuscheibe von den Phasenmodulatoren mit jeweils unterschiedlichen Einstrahlwinkelbereichen bestrahlt wird. Das heißt, die auf die Streuscheibe von einem ersten der Phasenmodulatoren eingestrahlte Strahlung weist einen anderen Einstrahlwinkelbereich auf die Streuscheibe auf als die von dem zweiten der Phasenmodulatoren eingestrahlte Strahlung. Insbesondere übersteigt die Modulationsfrequenz des Weiteren elektrooptischen Phasenmodulators die Rotationsfrequenz der Streuscheibe ebenfalls um mindestens eine Größenordnung. Beispielsweise beträgt die Modulationsfrequenz mindestens 100 kHz oder mindestens 200 kHz. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Modulationsmodul mindestens einen akustooptischen Modulator.According to a further embodiment, the electro-optical phase modulators are arranged in such a way that the diffusing screen is irradiated by the phase modulators with different angles of incidence in each case. This means that the radiation radiated onto the diffuser from a first of the phase modulators has a different angle of incidence on the diffuser than the radiation radiated from the second of the phase modulators. In particular, the modulation frequency of the further electro-optical phase modulator also exceeds the rotational frequency of the diffuser by at least one order of magnitude. For example, the modulation frequency is at least 100 kHz or at least 200 kHz. According to a further embodiment, the modulation module comprises at least one acousto-optical modulator.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Interferometer ein Fizeau-Element zum Aufspalten der Eingangswelle in die Prüfwelle sowie die Referenzwelle auf, und die Eingangswelle weist eine Ausleuchtung am Ort der rotierenden Streuscheibe mit einer maximalen Ausdehnung 2R auf mit: R > 0,3 μ m f 2 L ,

Figure DE102022201462A1_0001
wobei f die Brennweite eines Kollimators des Interferometers sowie L der Abstand zwischen dem Fizeau-Element und dem Prüfling ist, und die Formmessgenauigkeit der Messvorrichtung ist im quadratischen Mittel besser als 1 nm, insbesondere besser als 0,1 nm. Unter einer Formmessgenauigkeit im quadratischen Mittel von besser als 1 nm ist zu verstehen, dass das Messergebnis der Formmessung auf dem zu vermessenden Bereich im quadratischen Mittel (auch RMS - englisch für „root mean square“ - bezeichnet) weniger als 1 nm von der tatsächlichen Form des Prüflings abweicht. Insbesondere ist die Streuscheibe am Fokuspunkt des Kollimators angeordnet. Wird beispielsweise von einer Streuscheibe ausgegangen, die ungefähr n=1000 verschiedene Specklemusterkonfigurationen erzeugen kann, so zeigt sich, dass eine Formmessgenauigkeit im quadratischen Mittel von ungefähr 1 nm für eine beispielhafte kreisförmige Strahlungsverteilung am Ort der Streuscheibe ohne deren erfindungsgemäße zeitliche Variation nur für R < 0,3 μ m f 2 L
Figure DE102022201462A1_0002
 
Figure DE102022201462A1_0003
erreicht werden kann. Durch die erfindungsgemäße Variation der in der Eingangswelle erzeugten Specklemuster kann dies auch für R > 0,3 μ m f 2 L
Figure DE102022201462A1_0004
 
Figure DE102022201462A1_0005
erzielt werden.According to a further embodiment, the interferometer has a Fizeau element for splitting the input wave into the test wave and the reference wave, and the input wave has an illumination at the location of the rotating diffuser with a maximum extension 2R with: R > 0.3 µ m f 2 L ,
Figure DE102022201462A1_0001
where f is the focal length of a collimator of the interferometer and L is the distance between the Fizeau element and the specimen, and the shape measurement accuracy of the measuring device is better than 1 nm in root mean square, in particular better than 0.1 nm. Under a mean square shape measurement accuracy better than 1 nm means that the result of the shape measurement in the area to be measured deviates by less than 1 nm from the actual shape of the test object in the root mean square (RMS). In particular, the diffuser is arranged at the focus point of the collimator. If, for example, a diffuser is assumed that can generate approximately n=1000 different speckle pattern configurations, it is found that a shape measurement accuracy in the root mean square of approximately 1 nm for an exemplary circular radiation distribution at the location of the diffuser without its temporal variation according to the invention only for R < 0.3 µ m f 2 L
Figure DE102022201462A1_0002
Figure DE102022201462A1_0003
can be reached. The inventive variation of the speckle pattern generated in the input shaft, this can also be used for R > 0.3 µ m f 2 L
Figure DE102022201462A1_0004
Figure DE102022201462A1_0005
be achieved.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Interferometer ein strahlaufspaltendes Element zum Aufspalten der Eingangswelle in die Prüfwelle und die Referenzwelle sowie eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines durch Überlagerung der Prüfwelle nach Wechselwirkung mit dem Prüfling mit der Referenzwelle nach Reflexion an einer Referenzfläche gebildeten Interferogramms. Die Eingangswelle weist am Ort der rotierenden Streuscheibe eine Ausleuchtung mit einer maximalen Ausdehnung von 2R auf mit R > 0,3 μ m f o k u 2 l C C D ,

Figure DE102022201462A1_0006
wobei foku die Brennweite einer Kameraoptik der Erfassungseinrichtung und ICCD der Abstand zwischen den Bildlagen des Prüflings und einer Referenzfläche ist, und die Formmessgenauigkeit der Messvorrichtung ist im quadratischen Mittel besser als 1 nm, insbesondere besser als 0,1 nm. Das strahlaufspaltende Element kann beispielsweise ein Fizeauelement oder ein diffraktives optisches Element sein. Die Referenzfläche ist im Fall eines Fizeauelements die Fizeaufläche, im Fall eines diffraktiven optischen Elements kann die Referenzwelle von einem Referenzspiegel reflektiert werden, sodass die Referenzfläche von dem Referenzspiegel gebildet wird.According to a further embodiment, the interferometer comprises a beam-splitting element for splitting the input wave into the test wave and the reference wave, and a detection device for detecting an interferogram formed by superimposition of the test wave after interaction with the test object with the reference wave after reflection on a reference surface. The input shaft has an illumination with a maximum expansion of 2R at the location of the rotating lens R > 0.3 µ m f O k and 2 l C C D ,
Figure DE102022201462A1_0006
where f oku is the focal length of a camera optics of the detection device and I CCD is the distance between the image positions of the test object and a reference surface, and the form measurement accuracy of the measuring device is better than 1 nm, in particular better than 0.1 nm, in the root mean square. The beam-splitting element can for example, be a Fizeau element or a diffractive optical element. In the case of a Fizeau element, the reference surface is the Fizeau surface; in the case of a diffractive optical element, the reference wave can be reflected by a reference mirror, so that the reference surface is formed by the reference mirror.

Weiterhin wird nach einem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Form einer optischen Oberfläche eines Prüflings bereitgestellt. Diese Messvorrichtung umfasst: eine Beleuchtungseinrichtung mit einer im Messbetrieb rotierenden Streuscheibe zum Erzeugen einer Eingangswelle, ein diffraktives optisches Element, welches dazu konfiguriert ist, durch Beugung aus der Eingangswelle einerseits eine auf die optische Oberfläche gerichtete Prüfwelle mit einer zumindest teilweise an eine Sollform der optischen Oberfläche angepassten Wellenfront und andererseits eine auf einen Referenzspiegel gerichtete Referenzwelle zu erzeugen, sowie eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Interferogramms, welches durch eine Überlagerung der Prüfwelle nach Wechselwirkung mit dem Prüfling und der von dem Referenzspiegel rückreflektierten Referenzwelle erzeugt wird. Die Weglänge der Prüfwelle zwischen dem diffraktiven optischen Element und dem Prüfling unterscheidet sich von der Weglänge der Referenzwelle zwischen dem diffraktiven optischen Element und dem Referenzspiegel um weniger als 10 cm, insbesondere um weniger als 1 cm.Furthermore, according to a second aspect of the invention, a measuring device for determining the shape of an optical surface of a test piece is provided. This measuring device comprises: an illumination device with a diffuser rotating during measuring operation to generate an input wave, a diffractive optical element which is configured to, by diffraction from the input wave, on the one hand direct a test wave onto the optical surface with an at least partially adapted to a target shape of the optical surface adapted wavefront and on the other hand to generate a reference wave directed towards a reference mirror, as well as a detection device for detecting an interferogram which is generated by superimposing the test wave after interaction with the test object and the reference wave reflected back from the reference mirror. The path length of the test wave between the diffractive optical element and the test object differs from the path length of the reference wave between the diffractive optical element and the reference mirror by less than 10 cm, in particular by less than 1 cm.

Durch die vorstehend definierte Begrenzung der Weglängendifferenz zwischen Prüfwelle und Referenzwelle fällt der durch die an der Streuscheibe erzeugten Specklemuster bedingte Messfehler gering aus. Die sich auf einem Detektor der Erfassungseinrichtung überlagernden Specklemuster der Prüfwelle sowie der Referenzwelle unterscheiden sich aufgrund der geringen Weglängendifferenz wenig, weshalb der durch die Überlagerung bedingte Messfehler gering ist.Due to the limitation of the path length difference between the test wave and the reference wave as defined above, the measurement error caused by the speckle pattern generated on the diffusing screen turns out to be small. The speckle patterns of the test wave and the reference wave, which are superimposed on a detector of the detection device, differ little due to the small path length difference, which is why the measurement error caused by the superimposition is small.

Weiterhin wird gemäß einem dritten erfindungsgemäßen Aspekt eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Form einer optischen Oberfläche eines Prüflings bereitgestellt. Diese Messvorrichtung umfasst: eine Beleuchtungseinrichtung mit einer im Messbetrieb rotierenden Streuscheibe zum Erzeugen einer Eingangswelle, ein diffraktives optisches Element, welches dazu konfiguriert ist, durch Beugung aus der Eingangswelle einerseits eine auf die optische Oberfläche gerichtete Prüfwelle mit einer zumindest teilweise an eine Sollform der optischen Oberfläche angepassten Wellenfront und andererseits eine auf einen Referenzspiegel gerichtete Referenzwelle zu erzeugen, sowie eine Erfassungseinrichtung mit einer durch eine Tiefenschärfe gekennzeichneten Kameraoptik zum Erfassen eines Interferogramms, welches durch eine Überlagerung der Prüfwelle nach Wechselwirkung mit dem Prüfling und der von dem Referenzspiegel rückreflektierten Referenzwelle in einer Erfassungsebene erzeugt wird. Eine Bildlage des Prüflings ist von einer Bildlage des Referenzspiegels innerhalb der Erfassungseinrichtung um weniger als die Tiefenschärfe der Kameraoptik, insbesondere um weniger als ein Zehntel der Tiefenschärfe der Kameraoptik, beabstandet.Furthermore, according to a third aspect of the invention, a measuring device for determining the shape of an optical surface of a test piece is provided. This measuring device comprises: an illumination device with a diffuser rotating during measuring operation to generate an input wave, a diffractive optical element which is configured to, by diffraction from the input wave, on the one hand direct a test wave onto the optical surface with an at least partially adapted to a target shape of the optical surface adapted wavefront and, on the other hand, a reference wave directed at a reference mirror, as well as a detection device with camera optics characterized by a depth of focus for detecting an interferogram, which is generated in a detection plane by superimposing the test wave after interaction with the test object and the reference wave reflected back from the reference mirror becomes. An image position of the test specimen is spaced from an image position of the reference mirror within the detection device by less than the depth of field of the camera optics, in particular by less than a tenth of the depth of field of the camera optics.

Durch die vorstehend definierte Begrenzung der Weglängendifferenz zwischen Prüfwelle und Referenzwelle fällt der durch die an der Streuscheibe erzeugten Specklemuster bedingte Messfehler gering aus. Die sich auf einem Detektor der Erfassungseinrichtung überlagernden Specklemuster der Prüfwelle sowie der Referenzwelle unterscheiden sich aufgrund der geringen Weglängendifferenz wenig, weshalb der durch die Überlagerung bedingte Messfehler gering ist.Due to the limitation of the path length difference between the test wave and the reference wave as defined above, the measurement error caused by the speckle pattern generated on the diffusing screen turns out to be small. The speckle patterns of the test wave and the reference wave, which are superimposed on a detector of the detection device, differ little due to the small path length difference, which is why the measurement error caused by the superimposition is small.

Die für die Specklepropagation maßgebliche Tiefenschärfe (DOF) ist definiert durch den Quotienten aus der Wellenlänge λ der Eingangswelle und dem Produkt aus dem Quadrat eines Pupillenausleuchtungsparameters β der Eingangswelle und dem Quadrat der numerischen Apertur (NA) der Kameraoptik: D O F = λ β 2 N A 2 .

Figure DE102022201462A1_0007
 
Figure DE102022201462A1_0008
Das Quadrat des Pupillenausleuchtungsparameters β sollte im Allgemeinen nicht mit der vorstehend erwähnten Pupillenfüllung verwechselt werden. Der Pupillenausleuchtungsparameter β ist bei einer kreisförmigen (homogenen) Pupillenausleuchtung das sogenannte Setting σ, welches die kreisförmige Ausleuchtung in radialer Richtung kennzeichnet.The depth of focus (DOF) relevant for speckle propagation is defined by the quotient of the wavelength λ of the input wave and the product of the square of a pupil illumination parameter β of the input wave and the square of the numerical aperture (NA) of the camera optics: D O f = λ β 2 N A 2 .
Figure DE102022201462A1_0007
Figure DE102022201462A1_0008
In general, the square of the pupil illumination parameter β should not be confused with the pupil filling mentioned above. In the case of a circular (homogeneous) pupil illumination, the pupil illumination parameter β is the so-called setting σ, which characterizes the circular illumination in the radial direction.

Bei einer ringförmigen (homogenen) Pupillenausleuchtung wird der Pupillenausleuchtungsparameter wie folgt definiert: β2= σmax 2 - σmin 2, wobei σmax die äußere Begrenzung und σmin die innere Begrenzung in radialer Richtung der ringförmigen Ausleuchtung kennzeichnet. Damit ist die Tiefenschärfe bei einer ringförmigen Pupillenausleuchtung wie folgt definiert: D O F = λ ( σ m a x 2 σ m i n 2 ) N A 2 .

Figure DE102022201462A1_0009
In the case of an annular (homogeneous) pupil illumination, the pupil illumination parameter is defined as follows: β 2max 2 −σ min 2 , where σ max denotes the outer boundary and σ min denotes the inner boundary in the radial direction of the annular illumination. The depth of focus with a ring-shaped pupil illumination is thus defined as follows: D O f = λ ( σ m a x 2 σ m i n 2 ) N A 2 .
Figure DE102022201462A1_0009

Gemäß einer Ausführungsform der Messvorrichtung ist diese dazu konfiguriert, durch die zeitliche Modulation der auf die Streuscheibe gerichteten Strahlungsverteilung mittels der Streuscheibe in der Eingangswelle erzeugte Specklemuster gezielt derart zu modifizieren, dass durch Vermittelung der Specklemuster während der Rotation der Streuscheibe ein durch die Specklemuster bedingter Formmessfehler der Messvorrichtung im quadratischen Mittel auf weniger als 1 nm, insbesondere auf weniger als 0,1 nm, reduziert wird. Unter dem Formmessfehler im quadratischen Mittel von weniger als 1 nm ist zu verstehen, dass der Fehler im Messergebnis der Formmessung in Bezug auf die tatsächliche Form des Prüflings im quadratischen Mittel (auch RMS - englisch für „root mean square“ - bezeichnet) weniger als 1 nm beträgt.According to one embodiment of the measuring device, it is configured to specifically modify speckle patterns generated in the input shaft by the temporal modulation of the radiation distribution directed onto the diffusing disk by means of the diffusing disk in such a way that the transmission of the speckle pattern during the rotation of the diffusing disk eliminates a form measurement error caused by the speckle pattern Measuring device is reduced in the root mean square to less than 1 nm, in particular to less than 0.1 nm. The root mean square shape measurement error of less than 1 nm means that the error in the measurement result of the shape measurement in relation to the actual shape of the test piece in the root mean square (also referred to as RMS) is less than 1 is nm.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Messvorrichtung dazu konfiguriert, zur Formbestimmung der optischen Oberfläche mindestens zwei Interferogramme aufzuzeichnen und zwischen den Interferogrammen mittels des Modulationsmoduls zwischen entsprechend vielen verschiedenen Strahlungsverteilungen umzuschalten.According to one embodiment, the measuring device is configured to record at least two interferograms for determining the shape of the optical surface and to switch between the interferograms by means of the modulation module between a corresponding number of different radiation distributions.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Messvorrichtung dazu konfiguriert, einen Specklekontrast in der Intensitätsverteilung auf der optischen Oberfläche des Prüflings von kleiner als 1%, insbesondere kleiner als 0,1%, zu erzeugen. Unter dem Specklekontrast ist der Quotient aus der Standardabweichung (=Wurzel der Varianz) der Intensitätsverteilung der Eingangswelle auf der optischen Oberfläche und dem Mittelwert der Intensitätsverteilung auf der optischen Oberfläche zu verstehen.According to a further embodiment, the measuring device is configured to generate a speckle contrast in the intensity distribution on the optical surface of the test object of less than 1%, in particular less than 0.1%. The speckle contrast is the quotient of the standard deviation (= root of the variance) of the intensity distribution of the input wave on the optical surface and the mean value of the intensity distribution on the optical surface.

Weiterhin wird gemäß einem vierten erfindungsgemäßen Aspekt eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer Form einer optischen Oberfläche eines Prüflings bereit gestellt, welche eine Beleuchtungseinrichtung umfasst, die eine Beleuchtungspupille mit einer Ausdehnung von mindestens 10 µm, insbesondere von mindestens 100 µm ausleuchtet und dazu konfiguriert ist, eine Eingangswelle zu erzeugen. Insbesondere kann die Beleuchtungseinrichtung mindestens eine Streuscheibe aufweisen. Weiterhin umfasst die Messvorrichtung ein Interferometer zum Aufspalten der Eingangswelle in eine auf die optische Oberfläche gerichtete Prüfwelle sowie eine Referenzwelle. Die Messvorrichtung ist weiterhin dazu konfiguriert, einen Specklekontrast in einer von der Prüfwelle auf der optischen Oberfläche des Prüflings erzeugten Intensitätsverteilung von kleiner als 1%, insbesondere kleiner als 0,1%, zu erzeugen.Furthermore, according to a fourth aspect of the invention, a measuring device for determining a shape of an optical surface of a test piece is provided, which comprises an illumination device that illuminates an illumination pupil with an extension of at least 10 μm, in particular of at least 100 μm, and is configured to generate an input shaft to create. In particular, the lighting device can have at least one diffuser. Furthermore, the measuring device includes an interferometer for splitting the input wave into a test wave directed onto the optical surface and a reference wave. The measuring device is also configured to generate a speckle contrast of less than 1%, in particular less than 0.1%, in an intensity distribution generated by the test wave on the optical surface of the test object.

Der erfindungsgemäßen Lösung nach diesem Aspekt liegt ebenfalls die Erkenntnis zugrunde, dass an der Streuscheibe erzeugte Specklemuster aufgrund der im Interferometer erfolgenden Aufspaltung der Eingangswelle in die Prüfwelle und die Referenzwelle zu Messungenauigkeiten führen können, die auf eine Überlagerung des Specklemusters der Prüfwelle mit dem Specklemuster der Referenzwelle zurückzuführen sind. Der Einfluss dieses Specklemuster-Überlagerungseffekts auf die Oberflächen-Messgenauigkeit wird gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung durch eine Verringerung des Specklekontrasts in der Intensitätsverteilung auf dem Prüfling auf weniger als 1% erheblich verringert.The solution according to the invention according to this aspect is also based on the finding that speckle patterns generated on the diffusing screen can lead to measurement inaccuracies due to the splitting of the input wave into the test wave and the reference wave in the interferometer, which is due to an overlay of the speckle pattern of the test wave with the speckle pattern of the reference wave are due. According to the fourth aspect of the invention, the influence of this speckle pattern superposition effect on the surface measurement accuracy is significantly reduced by reducing the speckle contrast in the intensity distribution on the specimen to less than 1%.

Die bezüglich der vorstehend aufgeführten Ausführungsformen, Ausführungsbeispiele bzw. Ausführungsvarianten, etc. der Messvorrichtung gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Aspekt angegebenen Merkmale können entsprechend auf die Messvorrichtung gemäß dem zweiten, dritten und/oder vierten erfindungsgemäßen Aspekt übertragen werden, und umgekehrt. Diese und andere Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden in der Figurenbeschreibung und den Ansprüchen erläutert. Die einzelnen Merkmale können entweder separat oder in Kombination als Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht werden. Weiterhin können sie vorteilhafte Ausführungsformen beschreiben, die selbstständig schutzfähig sind und deren Schutz ggf. erst während oder nach Anhängigkeit der Anmeldung beansprucht wird.The features specified with regard to the above-mentioned embodiments, exemplary embodiments or embodiment variants, etc. of the measuring device according to the first aspect of the invention can be transferred accordingly to the measuring device according to the second, third and/or fourth aspect of the invention, and vice versa. These and other features of the embodiments according to the invention are explained in the description of the figures and the claims. The individual features can be realized either separately or in combination as embodiments of the invention. Furthermore, they can describe advantageous embodiments which are independently protectable and whose protection may only be claimed during or after the application is pending.

Figurenlistecharacter list

Die vorstehenden, sowie weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigt:

  • 1 eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Messvorrichtung zur Vermessung einer Form einer optischen Oberfläche eines Prüflings mit einer Beleuchtungseinrichtung in einer ersten Ausführungsform, welche mit zwei rotierenden Streuscheiben versehen ist,
  • 2 eine Veranschaulichung der Streuwinkelverteilungen der beiden rotierenden Streuscheiben,
  • 3 eine weitere Ausführungsform einer Beleuchtungseinrichtung zur Verwendung in der Messvorrichtung gemäß 1,
  • 4 eine weitere Ausführungsform einer Beleuchtungseinrichtung zur Verwendung in der Messvorrichtung gemäß 1, sowie
  • 5 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer Messvorrichtung zur Vermessung einer Form einer optischen Oberfläche eines Prüflings mit einem diffraktiven optischen Element zur Aufspaltung einer Eingangswelle in eine Prüfwelle sowie eine Referenzwelle.
The above and other advantageous features of the invention are illustrated in the following detailed description of exemplary embodiments according to the invention with reference to the attached schematic drawings. It shows:
  • 1 an embodiment according to the invention of a measuring device for measuring a shape of an optical surface of a test object with an illumination device in a first embodiment, which is provided with two rotating diffusers,
  • 2 an illustration of the scattering angle distributions of the two rotating scattering discs,
  • 3 a further embodiment of an illumination device for use in the measuring device according to FIG 1 ,
  • 4 a further embodiment of an illumination device for use in the measuring device according to FIG 1 , such as
  • 5 a further embodiment according to the invention of a measuring device for measuring a shape of an optical surface of a test specimen with a diffractive optical element for splitting an input wave into a test wave and a reference wave.

Detaillierte Beschreibung erfindungsgemäßer AusführungsbeispieleDetailed description of exemplary embodiments according to the invention

In den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bzw. Ausführungsformen oder Ausführungsvarianten sind funktionell oder strukturell einander ähnliche Elemente soweit wie möglich mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Daher sollte zum Verständnis der Merkmale der einzelnen Elemente eines bestimmten Ausführungsbeispiels auf die Beschreibung anderer Ausführungsbeispiele oder die allgemeine Beschreibung der Erfindung Bezug genommen werden.In the exemplary embodiments or embodiments or design variants described below, elements that are functionally or structurally similar to one another are provided with the same or similar reference symbols as far as possible. Therefore, for an understanding of the features of each element of a particular embodiment, reference should be made to the description of other embodiments or the general description of the invention.

Zur Erleichterung der Beschreibung ist in der Zeichnung ein kartesisches xyz-Koordinatensystem angegeben, aus dem sich die jeweilige Lagebeziehung der in den Figuren dargestellten Komponenten ergibt. In 1 verläuft die x-Richtung senkrecht zur Zeichenebene in diese hinein, die z-Richtung nach rechts und die y-Richtung nach oben.To facilitate the description, a Cartesian xyz coordinate system is given in the drawing, from which the respective positional relationship tion of the components shown in the figures. In 1 the x-direction runs perpendicular to the plane of the drawing into it, the z-direction to the right and the y-direction upwards.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Messvorrichtung 10 zur Vermessung einer Form einer optischen Oberfläche 12 eines Prüflings 14 veranschaulicht. Im dargestellten Fall handelt es sich bei der optischen Oberfläche 12 um die Oberfläche eines Spiegels. Alternativ kann etwa auch die Oberfläche einer Linse untersucht werden. Die Messvorrichtung 10 umfasst eine Beleuchtungseinrichtung 16 zum Erzeugen einer Eingangswelle 18 sowie ein hochkohärentes Interferometer 20 in Form eines Fizeau-Interferometers. Die Beleuchtungseinrichtung 16 umfasst eine im Messbetrieb rotierende Streuscheibe 28, von der die Eingangswelle 18 im Messbetrieb ausgeht. Die rotierende Streuscheibe 28 dient der Reduzierung von aufgrund der hohen räumlichen Kohärenz der Eingangswelle 18 im vom Interferometer 20 erzeugten Interferogramm auftretender kohärenter Messartefakte, sogenannter „Schießscheiben“. Durch Drehen der Streuscheibe 28 können unterschiedliche kohärente Zustände vermittelt werden, was zu einer Reduktion der Schießscheiben führt.In 1 an embodiment according to the invention of a measuring device 10 for measuring a shape of an optical surface 12 of a test specimen 14 is illustrated. In the case shown, the optical surface 12 is the surface of a mirror. Alternatively, the surface of a lens can also be examined. The measuring device 10 includes an illumination device 16 for generating an input wave 18 and a highly coherent interferometer 20 in the form of a Fizeau interferometer. The illumination device 16 comprises a diffuser 28 which rotates during measurement operation and from which the input shaft 18 extends during measurement operation. The rotating diffusing disk 28 serves to reduce coherent measurement artifacts, so-called “shooting disks”, that occur due to the high spatial coherence of the input shaft 18 in the interferogram generated by the interferometer 20 . Different coherent states can be conveyed by rotating the diffusing disk 28, which leads to a reduction in the number of shooting disks.

Die Beleuchtungseinrichtung 16 umfasst weiterhin eine zeichnerisch nicht gezeigte Messstrahlungsquelle zum Erzeugen einer Messstrahlung 22, z.B. im sichtbaren Wellenlängenbereich, welche mittels eines Wellenleiters 24 bereitgestellt wird. Die Messstrahlungsquelle kann beispielsweise einen Laser, wie etwa einen Helium-Neon-Laser zur Erzeugung von Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 633 nm, umfassen. Die vom Wellenleiter 24 bereitgestellte Messstrahlung 22 wird zunächst mittels einer ersten Linse 26 auf einen Strahl mit einem kreisförmigen Querschnitt mit dem Radius R aufgeweitet. Dieser Strahl trifft auf ein Modulationsmodul 30-1 in Gestalt einer weiteren im Messbetrieb rotierenden Streuscheibe. Die diese Streuscheibe durchdringende Messstrahlung 22 wird daraufhin mittels einer Optik 32 auf die rotierende Streuscheibe 28 eingestrahlt.The illumination device 16 also includes a measurement radiation source, not shown in the drawing, for generating a measurement radiation 22, e.g. in the visible wavelength range, which is provided by means of a waveguide 24. The measuring radiation source can, for example, comprise a laser, such as a helium-neon laser for generating radiation with a wavelength of approximately 633 nm. The measurement radiation 22 provided by the waveguide 24 is first expanded to a beam with a circular cross section with the radius R by means of a first lens 26 . This beam impinges on a modulation module 30-1 in the form of a further diffusing disk rotating during measurement operation. The measuring radiation 22 penetrating this diffusing disk is then radiated onto the rotating diffusing disk 28 by means of optics 32 .

Die Optik 32 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Linsen in 4f-Konfiguration, wobei die Streufläche des Modulationsmoduls 30-1 und die Streufläche der Streuscheibe 28 in zueinander konjugierten Ebenen liegen. Die Optik 32 kann auch anders konfiguriert sein, beispielsweise als 2f-Konfiguration zur Projektion des Fernfeldes der Streufläche des Modulationsmoduls 30-1 auf die Streufläche der Streuscheibe 28. Das Modulationsmodul 30-1 ermöglicht eine zeitliche Modulation bzw. Veränderung der auf die Streuscheibe 28 gerichteten Strahlungsverteilung. Dabei kann es sich um eine zeitliche Modulation der Intensitäts- und/oder Phasenverteilung dieser Strahlung handeln.In the exemplary embodiment shown, the optics 32 comprise two lenses in a 4f configuration, the scattering surface of the modulation module 30-1 and the scattering surface of the diffusing disk 28 lying in planes conjugate to one another. The optics 32 can also be configured differently, for example as a 2f configuration for projecting the far field of the scattering surface of the modulation module 30-1 onto the scattering surface of the diffusing screen 28. The modulation module 30-1 enables a temporal modulation or change in the light directed onto the diffusing screen 28 radiation distribution. This can involve a temporal modulation of the intensity and/or phase distribution of this radiation.

Die Messstrahlung 22 trifft analog zur Streuscheibe des Modulationsmoduls 30-1 als Strahl mit einem kreisförmigen Querschnitt mit dem Radius R auf die Streuscheibe 28 auf und stellt damit am Ort der Streuscheibe 28 eine ausgedehnte Strahlungsquelle dar. Der aufgrund der ausgedehnten Strahlungsquelle auftretende Effekt einer Reduktion des Interferenzkontrasts kann durch eine veränderte Konfiguration des Beleuchtungsmusters am Ort der Streuscheibe 28 verringert werden. Hierzu kommt statt einem scheibenförmigen Beleuchtungsmuster die Verwendung eines ringförmigen Beleuchtungsmusters mit einem Außenradius R in Frage. Die jeweilige Rotationsbewegung der Streuscheibe des Modulationsmoduls 30-1 sowie der Streuscheibe 28 wird mittels eines Steuerungsmoduls 34 gesteuert, wie nachstehend näher erläutert.The measuring radiation 22 hits the diffusing disk 28 analogously to the diffusing disk of the modulation module 30-1 as a beam with a circular cross-section with the radius R and thus represents an extended radiation source at the location of the diffusing disk 28. The effect of a reduction of the Interference contrast can be reduced by changing the configuration of the illumination pattern at the location of the diffuser 28. For this purpose, the use of a ring-shaped illumination pattern with an outer radius R can be considered instead of a disc-shaped illumination pattern. The respective rotational movement of the diffusing disk of the modulation module 30-1 and the diffusing disk 28 is controlled by means of a control module 34, as explained in more detail below.

Die Messstrahlung 22 breitet sich entlang einer optischen Achse des Interferometers 20 aus und tritt zunächst durch einen Strahlteiler 36. Daraufhin trifft die Messstrahlung 22 auf einen Kollimator 38, um die Messstrahlung 22 in eine ebene Welle umzuwandeln, welche daraufhin auf ein Referenzelement 40 in Gestalt eines Fizeau-Elements mit einer Fizeau-Fläche 42 auftrifft. Ein Teil der Messstrahlung 22 wird an der Fizeau-Fläche 42 als Referenzwelle 44 reflektiert. Die Fizeau-Fläche 42 dient damit als Referenzfläche. Der die Fizeau-Fläche 42 durchlaufende Anteil der Messstrahlung 22 weist im vorliegenden Beispiel eine ebene Wellenfront auf und wird nachstehend als eingehende Prüfwelle 46i bezeichnet. The measurement radiation 22 propagates along an optical axis of the interferometer 20 and first passes through a beam splitter 36. The measurement radiation 22 then impinges on a collimator 38 in order to convert the measurement radiation 22 into a plane wave, which then hits a reference element 40 in the form of a Fizeau element with a Fizeau surface 42 impinges. A part of the measurement radiation 22 is reflected at the Fizeau surface 42 as a reference wave 44 . The Fizeau surface 42 thus serves as a reference surface. In the present example, the portion of the measurement radiation 22 passing through the Fizeau surface 42 has a plane wavefront and is referred to below as the incoming test wave 46i.

Die eingehende Prüfwelle 46i wird daraufhin an der zu vermessenden Oberfläche 12 reflektiert. Die reflektierte Prüfwelle 46r läuft im Strahlengang der eingehenden Prüfwelle 46i in umgekehrter Richtung zurück, durchläuft dabei das Referenzelement 40 und wird daraufhin von dem Strahlteiler 36 zusammen mit der Referenzwelle 44 auf eine Erfassungseinrichtung 48 gelenkt. Die Erfassungseinrichtung 48 umfasst eine Blende 50, eine Kameraoptik 52 in Gestalt eines Okulars sowie einen zweidimensionalen Detektor 54 zum Erfassen des vorstehend genannten Interferogramms, welches durch die Überlagerung der reflektierten Prüfwelle 46r mit der Referenzwelle 44 entsteht.The incoming test wave 46i is then reflected on the surface 12 to be measured. The reflected test wave 46r travels back in the opposite direction in the beam path of the incoming test wave 46i, passes through the reference element 40 and is then directed by the beam splitter 36 together with the reference wave 44 to a detection device 48 . The detection device 48 includes an aperture 50, camera optics 52 in the form of an eyepiece and a two-dimensional detector 54 for detecting the above-mentioned interferogram, which is produced by the superimposition of the reflected test wave 46r with the reference wave 44.

Die Kameraoptik 52 weist eine Brennweite foku auf, welche dem Abstand der Blende 50 von der Kameraoptik 52 entspricht. Im in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel befindet sich eine Bildlage 70 des Prüflings 14 auf der Detektionsfläche des Detektors 70, d.h. die optische Oberfläche 12 wird auf genau die Detektionsfläche des Detektors 70 abgebildet. Eine Bildlage 72 der Referenzfläche, d.h. der Fizeaufläche 42, befindet sich hingegen zwischen der Kameraoptik 52 und dem Detektor 70.The camera optics 52 have a focal length f oku which corresponds to the distance between the diaphragm 50 and the camera optics 52 . in 1 In the exemplary embodiment illustrated, an image position 70 of the specimen 14 is located on the detection surface of the detector 70, ie the optical surface 12 is imaged exactly on the detection surface of the detector 70. An image layer 72 of the reference surface, ie the Fizeau surface 42, however, is located between the camera optics 52 and the detector 70.

Die Streuscheibe 28 erzeugt ein sogenanntes Specklemuster in der Eingangswelle 18. Als Specklemuster, auch nur Speckles oder Lichtgranulation bezeichnet, werden körnige Interferenzphänomene bezeichnet, die sich bei hinreichend kohärenter Beleuchtung optisch rauer Objektoberflächen, wie die Oberfläche der Streuscheibe 28, mit Unebenheiten in der Größenordnung der Wellenlänge beobachten lassen. Da die Eingangswelle 18 im Interferometer 20 in die Prüfwelle 46i und die Referenzwelle 44 aufgespalten wird, überlagern sich im Interferogramm zwei Specklemuster, nämlich das Specklemuster der Prüfwelle 46r mit dem Specklemuster der Referenzwelle 44. Die sich überlagernden Specklemuster sind wegen der Weglänge L zwischen Prüfling 14 und Referenzelement 40 unterschiedlich weit propagiert, weshalb die Specklemusterüberlagerung zu einem rauschähnlichen hochfrequenten Messfehler führt.The diffuser 28 generates a so-called speckle pattern in the input shaft 18. As a speckle pattern, also simply referred to as speckles or light granulation, granular interference phenomena are referred to which, with sufficiently coherent illumination of optically rough object surfaces, such as the surface of the diffuser 28, with bumps in the magnitude of wavelength can be observed. Since the input wave 18 is split into the test wave 46i and the reference wave 44 in the interferometer 20, two speckle patterns are superimposed in the interferogram, namely the speckle pattern of the test wave 46r with the speckle pattern of the reference wave 44. Because of the path length L, the superimposed speckle patterns are between test specimen 14 and reference element 40 are propagated to different extents, which is why the speckle pattern superimposition leads to a noise-like, high-frequency measurement error.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Beleuchtungseinrichtung 16 dazu konfiguriert, die Eingangswelle 18 derart zu erzeugen, dass in der Intensitätsverteilung auf der optischen Oberfläche 12 des Prüflings 14 ein Specklekontrast von weniger als 1% erzeugt wird. Wie vorstehend bereits erwähnt, ist unter dem Specklekontrast der Quotient aus der Standardabweichung (=Wurzel der Varianz) der Intensitätsverteilung der Eingangswelle 18 auf der optischen Oberfläche 12 und dem Mittelwert der Intensitätsverteilung auf der optischen Oberfläche 12 zu verstehen.According to one exemplary embodiment, the illumination device 16 is configured to generate the input wave 18 in such a way that a speckle contrast of less than 1% is generated in the intensity distribution on the optical surface 12 of the specimen 14 . As already mentioned above, the speckle contrast is the quotient of the standard deviation (=root of the variance) of the intensity distribution of the input wave 18 on the optical surface 12 and the mean value of the intensity distribution on the optical surface 12 .

Dieser durch die Specklepropagation erzeugte Messfehler (passeRMS) kann durch Erfassung einer Vielzahl n an unterschiedlichen Specklemusterkonfigurationen in der Eingangswelle 18 verringert werden. Die Vermittlung der Vielzahl n an Specklemustern kann etwa durch Einstellung der Belichtungszeit des Detektors 54 auf die Zeitspanne einer Umdrehung der Streuscheibe 28 erfolgen. Für den dabei resultierenden Messfehler passeRMS gilt, dass dieser proportional zu |ΔOPD| · n-1/2 ist (passeRMS ~ |ΔOPD| · n-1/2). Bei einer Konfiguration der Beleuchtungseinrichtung 16 ohne vorgeschaltetem Modulationsmodul 30-1, d.h. lediglich einer rotierenden Streuscheibe 28, ist die Anzahl n durch die Menge an unterschiedlichen Specklemusterkonfigurationen, welche an unterschiedlichen Rotationspositionen innerhalb einer Umdrehung der Streuscheibe 28 auftreten, limitiert. Die effektive Pfadlängendifferenz ΔOPD hängt von der Weglänge L zwischen Prüfling 14 und Referenzelement 40 und der Winkelverteilung der Messstrahlung 22 ab, mit der diese Weglänge L durchlaufen wird. Die Winkelverteilung wiederum ergibt sich aus der Brennweite f des Kollimators 38 und der räumlichen Intensitätsverteilung auf der Streuscheibe 28. In ähnlicher Weise kann die effektive Pfadlängendifferenz auch in Abhängigkeit von der Brennweite foku der Kameraoptik 52, dem Bildlagenabstand ICCD zwischen Prüfling 14 und Referenzelement 40, sowie der räumlichen Intensitätsverteilung in der Pupille 51 formuliert werden.This measurement error (passeRMS) generated by the speckle propagation can be reduced by detecting a large number n of different speckle pattern configurations in the input shaft 18 . The multiplicity n of speckle patterns can be conveyed, for example, by setting the exposure time of the detector 54 to the time span of one revolution of the diffusing disk 28 . The resulting measurement error passeRMS is proportional to |ΔOPD| · n -1/2 is (passeRMS ~ |ΔOPD| · n -1/2 ). In a configuration of the lighting device 16 without an upstream modulation module 30 - 1 , ie only one rotating diffusing disk 28 , the number n is limited by the number of different speckle pattern configurations which occur at different rotational positions within one revolution of the diffusing disk 28 . The effective path length difference ΔOPD depends on the path length L between the test object 14 and the reference element 40 and the angular distribution of the measurement radiation 22 with which this path length L is traversed. The angular distribution in turn results from the focal length f of the collimator 38 and the spatial intensity distribution on the diffuser 28. In a similar way, the effective path length difference can also depend on the focal length f oku of the camera optics 52, the image layer distance I CCD between the test object 14 and the reference element 40 , and the spatial intensity distribution in the pupil 51 can be formulated.

Als Pupille 51 wird die Blende 50 der Erfassungseinrichtung 48, genauer die Durchgangsöffnung der Blende 50 für die Messstrahlung 22, bezeichnet. Das Bild der Pupille 51 in der beleuchtungsseitigen Pupillenebene 33, d.h. der zur Pupille 51 konjugierten Ebene im Eingang des Interferometers 20, wird als Beleuchtungspupille 51b bezeichnet. Gemäß einer Ausführungsform ist die Beleuchtungspupille 51b kreisförmig mit einer Ausdehnung, d.h. einem Durchmesser, von mindestens 10 µm konfiguriert. Im Fall einer nicht-kreisförmigen Gestalt der Beleuchtungspupille 51b bezeichnet die Ausdehnung die maximale Ausdehnung der Beleuchtungspupille 51b. Mit anderen Worten leuchtet die Beleuchtungseinrichtung 16 die Beleuchtungspupille 51b mit einer Ausdehnung von mindestens 10 µm aus. Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die Ausdehnung der Beleuchtungspupille 51b mindestens 100 µm.The diaphragm 50 of the detection device 48, more precisely the passage opening of the diaphragm 50 for the measuring radiation 22, is referred to as the pupil 51. The image of the pupil 51 in the illumination-side pupil plane 33, i.e. the conjugate plane of the pupil 51 in the entrance of the interferometer 20, is referred to as the illumination pupil 51b. According to one embodiment, the illumination pupil 51b is configured in a circular shape with an extension, i.e. a diameter, of at least 10 µm. In the case of a non-circular shape of the illumination pupil 51b, the extent denotes the maximum extent of the illumination pupil 51b. In other words, the illumination device 16 illuminates the illumination pupil 51b with an extent of at least 10 μm. According to a further embodiment, the expansion of the illumination pupil 51b is at least 100 μm.

Durch die Vorausschaltung des Modulationsmoduls 30-1 gemäß der vorliegenden erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die Anzahl n erheblich erhöht werden. Dazu wird vorzugsweise die Drehzahl der Streuscheibe des Modulationsmoduls 30-1 auf einen von der Drehzahl der Streuscheibe 28, insbesondere um mindestens den Faktor 2 oder mehr, abweichenden Wert eingestellt. Insbesondere übertrifft dabei die Drehzahl der Streuscheibe des Modulationsmoduls 30-1 die Drehzahl der Streuscheibe 28. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann aber auch die Drehzahl der Streuscheibe 28 die Drehzahl der Streuscheibe des Modulationsmoduls 30-1 übertreffen.By connecting the modulation module 30-1 in advance according to the present inventive embodiment, the number n can be significantly increased. For this purpose, the rotational speed of the diffusing disk of the modulation module 30-1 is preferably set to a value that deviates from the rotational speed of the diffusing disk 28, in particular by a factor of at least 2 or more. In particular, the rotational speed of the diffusing disk of the modulation module 30-1 exceeds the rotational speed of the diffusing disk 28. According to an alternative embodiment, however, the rotational speed of the diffusing disk 28 can also exceed the rotational speed of the diffusing disk of the modulation module 30-1.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform mit einer beispielhaften Belichtungszeit des Detektors von 200 ms wird die Streuscheibe des Modulationsmoduls 30-1 mit einer Drehgeschwindigkeit von 200 ms/Umdrehung durch entsprechende Ansteuerung mittels des Steuerungsmoduls 34 betrieben (damit f1= 300 U/min), außerdem gelte beispielsweise n1= 100. Weiterhin wird die Streuscheibe 28 mit einer Drehgeschwindigkeit von 2 ms/Umdrehung (damit f2 = 30 000 U/min) betrieben, mit n2 = 1000. Damit vergrößert sich die Anzahl der während der Belichtungszeit vermittelten Specklemusterkonfigurationen auf nges = n1 · n2 = 1000 · 100 = 100000. Der Messfehler passeRMS wird damit um den Faktor 10 reduziert. According to an exemplary embodiment with an exemplary exposure time of the detector of 200 ms, the diffusing disk of the modulation module 30-1 is operated at a rotational speed of 200 ms/revolution by appropriate control using the control module 34 (therefore f1=300 rpm), also applies, for example n1= 100. Furthermore, the diffuser 28 is operated at a rotational speed of 2 ms/revolution (thus f2 = 30,000 rpm), with n2 = 1000. This increases the number of speckle pattern configurations conveyed during the exposure time to n tot = n1 · n2 = 1000 · 100 = 100000. The measurement error passeRMS is thus reduced by a factor of 10.

Gemäß einer Ausführungsform verfügt die Ausleuchtung am Ort der Streuscheibe 28 über eine maximale Ausdehnung 2R mit R > 0,3 μ m f 2 L ,

Figure DE102022201462A1_0010
wobei f die Brennweite des Kollimators 38 des Interferometers 20 ist. Die Streuscheibe 28 ist am Fokuspunkt des Kollimators 38 angeordnet und damit entspricht f dem Abstand zwischen der Streuscheibe 28 und dem Kollimator 38 des Interferometers 20. L ist der Abstand zwischen dem Fizeau-Element 40 und dem Prüfling 10. In Kombination mit einem entsprechend ausgestalteten erfindungsgemäßen Modulationsmodul kann diese Konfiguration eine Formmessgenauigkeit der Messvorrichtung 10 im quadratischen Mittel von besser als 1 nm, insbesondere von besser als 0,1 nm, ermöglichen.According to one embodiment, the illumination at the location of the diffuser 28 has a maximum extension of 2R R > 0.3 µ m f 2 L ,
Figure DE102022201462A1_0010
where f is the focal length of the collimator 38 of the interferometer 20. The diffuser 28 is arranged at the focal point of the collimator 38 and f corresponds to the distance between the diffuser 28 and the collimator 38 of the interferometer 20. L is the distance between the Fizeau element 40 and the test piece 10. In combination with a correspondingly designed inventive Modulation module, this configuration can enable a form measurement accuracy of the measuring device 10 in the root mean square of better than 1 nm, in particular better than 0.1 nm.

In 2 sind die Streuwinkelverteilungen der beiden Streuscheiben in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform veranschaulicht. Dabei ist die die Intensität darstellende y-Achse der dargestellten Verteilungen zur besseren Darstellbarkeit für jede der Verteilungen unterschiedlich skaliert. Beide Streuwinkelverteilungen g1 und g2 weisen näherungsweise eine Tophat-Verteilung im Winkelraum, d.h. eine möglichst homogene Winkelverteilung bis zu einem Grenzwinkel, auf, wobei der Grenzwinkel der Streuwinkelverteilung g1 erheblich geringer ist als der Grenzwinkel der Streuwinkelverteilung g2. Die damit in der Eingangswelle 18 erzeugte Streuwinkelverteilung, welche der Faltung von g1 und g2 entspricht, weist damit ebenfalls eine Tophat-Verteilung auf. Damit wird sichergestellt, dass eine konstante Helligkeit auf dem Prüfling 14 entsteht. Allgemein ausgedrückt entsteht dann angenähert eine Tophat-Verteilung, wenn sich die Grenzwinkel der Streuwinkelverteilungen g1 und g2 möglichst stark voneinander unterscheiden.In 2 the scattering angle distributions of the two diffusers are illustrated in an embodiment according to the invention. The y-axis representing the intensity of the distributions shown is scaled differently for each of the distributions for better representation. Both scattering angle distributions g 1 and g 2 approximately have a tophat distribution in the angle space, ie an angular distribution that is as homogeneous as possible up to a critical angle, with the critical angle of the scattering angle distribution g 1 being considerably smaller than the critical angle of the scattering angle distribution g 2 . The scattering angle distribution thus generated in the input wave 18, which corresponds to the convolution of g 1 and g 2 , thus also has a top hat distribution. This ensures that the test object 14 has a constant brightness. Expressed in general terms, a tophat distribution then occurs when the critical angles of the scattering angle distributions g 1 and g 2 differ from one another as much as possible.

In 3 ist eine weitere Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung 16 veranschaulicht. Die dazugehörige Ausführungsform der Messvorrichtung 10 ergibt sich durch Ersetzung der Beleuchtungseinrichtung 16 gemäß 1 durch die Beleuchtungseinrichtung 16 gemäß 3. Die Beleuchtungseinrichtung 16 gemäß 3 unterscheidet sich von der Beleuchtungseinrichtung 16 gemäß 1 durch die Konfiguration des Modulationsmoduls sowie der Optik 32. Das Modulationsmodul 30-2 gemäß 3 umfasst einen in Reflexion betriebenen räumlichen Lichtmodulator, welcher auch SLM (englisch für „Spatial Light Modulator“) bezeichnet wird. Der SLM ist dazu konfiguriert, eine zeitliche Modulation der auf die Streuscheibe 28 auftreffenden Strahlungsverteilung zu bewirken. Dazu prägt das SLM in Reflexion ein Intensitäts- und/oder Phasenmuster auf die eingestrahlte Messstrahlung 22 auf. Im zeitlichen Verlauf wird das SLM zwischen einer Vielzahl an Intensitäts- und/oder Phasenmustern umgeschaltet. Dies erfolgt unter gleichzeitiger Steuerung des Modulationsmoduls 30-2 sowie der rotierenden Streuscheibe 28 durch das Steuerungsmodul 34.In 3 a further embodiment of the lighting device 16 is illustrated. The associated embodiment of the measuring device 10 results from replacing the lighting device 16 according to FIG 1 by the lighting device 16 according to 3 . The lighting device 16 according to 3 differs from the lighting device 16 according to 1 by the configuration of the modulation module and the optics 32. The modulation module 30-2 according to 3 comprises a spatial light modulator operated in reflection, which is also referred to as SLM (Spatial Light Modulator). The SLM is configured to bring about a temporal modulation of the radiation distribution impinging on the diffuser 28 . For this purpose, the SLM imprints an intensity and/or phase pattern on the irradiated measurement radiation 22 in reflection. Over time, the SLM is switched between a variety of intensity and/or phase patterns. This takes place with simultaneous control of the modulation module 30-2 and the rotating lens 28 by the control module 34.

Das Ergebnis dieser auf die Rotation der Streuscheibe 28 abgestimmte Modulation der auf die Streuscheibe 28 auftreffenden Strahlungsverteilung ist analog zur Ausführungsform gemäß 1 eine Vergrößerung der Anzahl n der während der Belichtungszeit vermittelten Specklemusterkonfigurationen und damit eine Verringerung des Messfehlers passeRMS.The result of this modulation of the radiation distribution impinging on the diffusing disk 28, which is matched to the rotation of the diffusing disk 28, is analogous to the embodiment according to FIG 1 an increase in the number n of speckle pattern configurations mediated during the exposure time and thus a reduction in the measurement error passeRMS.

Gemäß einer Ausführungsvariante weist der räumliche Lichtmodulator des Modulationsmoduls 30-2 eine Transmission von mehr als dem Doppelten der Pupillenfüllung der von der Beleuchtungseinrichtung 16 erzeugten Eingangswelle 18 in Bezug auf die Pupille 51 der Kameraoptik 52 auf. Unter der Pupillenfüllung ist der Flächenfüllungsgrad einer Strahlungsverteilung in der Pupille 51 der Kameraoptik 52 zu verstehen. Die Strahlungsverteilung in der Pupille 51 der Kameraoptik 52 entspricht der winkelaufgelösten Intensitätsverteilung auf der Erfassungsfläche des Detektors 54. Die Pupillenfüllung ist vorzugsweise kleiner als 30% der maximalen Pupillenfüllung, beispielsweise aufgrund der vorstehend erwähnten ringförmigen Beleuchtung der Streuscheibe 28.According to one embodiment variant, the spatial light modulator of the modulation module 30 - 2 has a transmission of more than twice the pupil filling of the input wave 18 generated by the illumination device 16 in relation to the pupil 51 of the camera optics 52 . The pupil filling is to be understood as meaning the degree of surface filling of a radiation distribution in the pupil 51 of the camera optics 52 . The radiation distribution in the pupil 51 of the camera optics 52 corresponds to the angle-resolved intensity distribution on the detection surface of the detector 54. The pupil filling is preferably less than 30% of the maximum pupil filling, for example due to the above-mentioned annular illumination of the diffuser 28.

Die Optik 32 der Beleuchtungseinrichtung 16 gemäß 3 ist derart konfiguriert, dass das Fernfeld des räumlichen Lichtmodulators auf die Streuscheibe 28 projiziert wird. Dies erfolgt beispielweise durch Ausbildung der Optik 32 als 2f-Konfiguration.The optics 32 of the illumination device 16 according to FIG 3 is configured such that the far field of the spatial light modulator is projected onto the lens 28 . This is done, for example, by designing the optics 32 as a 2f configuration.

In 4 ist eine weitere Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung 16 veranschaulicht. Die dazugehörige Ausführungsform der Messvorrichtung 10 ergibt sich durch Ersetzung der Beleuchtungseinrichtung 16 gemäß 1 durch die Beleuchtungseinrichtung 16 gemäß 4. Die Beleuchtungseinrichtung gemäß 4 unterscheidet sich von der Beleuchtungseinrichtung gemäß 3 lediglich durch die Konfiguration des Modulationsmoduls. Das Modulationsmodul 30-3 gemäß 4 umfasst mindestens einen Strahlteiler 60, einen Umlenkspiegel 62, mindestens zwei elektrooptische Phasenmodulatoren 56, auch EOM bezeichnet, sowie einen gebogenen Spiegel 58. Weitere Strahlteiler im Strahlengang sind möglich.In 4 a further embodiment of the lighting device 16 is illustrated. The associated embodiment of the measuring device 10 results from replacing the lighting device 16 according to FIG 1 by the lighting device 16 according to 4 . The lighting device according to 4 differs according to the lighting device 3 only by the configuration of the modulation module. The modulation module 30-3 according to 4 comprises at least one beam splitter 60, a deflection mirror 62, at least two electro-optical phase modulators 56, also referred to as EOM, and a curved mirror 58. Further beam splitters in the beam path are possible.

Die elektrooptischen Phasenmodulatoren 56 sind jeweils dazu konfiguriert eine schnelle, räumlich homogene Phasenmodulation von eingestrahltem Licht zu bewirken. Das heißt, die Phase wird über den Strahlquerschnitt der auf den betreffenden Phasenmodulator 56 eingestrahlten Messstrahlung 22 einheitlich im zeitlichen Verlauf moduliert. Die Modulationsfrequenz der elektrooptischen Phasenmodulatoren 54 beträgt mindestens 100 kHz, insbesondere mindestens 200 kHz.The electro-optical phase modulators 56 are each configured to bring about a rapid, spatially homogeneous phase modulation of incident light. That is, the phase is over the beam cross-section on the relevant Pha senmodulator 56 irradiated measurement radiation 22 uniformly modulated over time. The modulation frequency of the electro-optical phase modulators 54 is at least 100 kHz, in particular at least 200 kHz.

Die vom Wellenleiter 24 bereitgestellte Messstrahlung 22 wird mittels des Strahlteilers 60 sowie des Umlenkspiegels 62 in zwei Strahlen aufgespalten, die jeweils auf einen der elektrooptischen Phasenmodulatoren 56 gerichtet sind und jeweils einen Teil, beispielsweise die Hälfte, der bereitgestellten Messstrahlung 22 enthalten. Der jeweilige Strahl durchläuft den betreffenden Phasenmodulator 56 unter Aufprägung einer vom Steuerungsmodul 34 für den jeweiligen Phasenmodulator 52 vorgegebenen individuellen Phasenmodulation. Das heißt, die für die beiden Phasenmodulatoren vorgegebenen Phasenmodulationen unterscheiden sich in der Regel voneinander. Die unterschiedlich phasenmodulierten Strahlen werden daraufhin durch Reflexion am gebogenen Spiegel 58 auf der Streuscheibe 28 zusammengeführt, insbesondere werden die Strahlen auf der Streuscheibe 28 überlagert.The measurement radiation 22 provided by the waveguide 24 is split by the beam splitter 60 and the deflection mirror 62 into two beams, which are each directed at one of the electro-optical phase modulators 56 and each contain a portion, for example half, of the measurement radiation 22 provided. The respective beam passes through the relevant phase modulator 56 with the application of an individual phase modulation specified by the control module 34 for the respective phase modulator 52 . This means that the phase modulations specified for the two phase modulators generally differ from one another. The differently phase-modulated beams are then brought together by reflection on the curved mirror 58 on the diffusing screen 28; in particular, the beams on the diffusing screen 28 are superimposed.

In der in 4 veranschaulichten Anordnung werden die elektrooptischen Phasenmodulatoren 56 parallel betrieben, sodass das zweidimensionale Phasenmuster der auf die rotierende Streuscheibe 28 auftreffenden Strahlung mit einer hohen zeitlichen Frequenz variiert werden kann. Insbesondere übersteigt die Modulationsfrequenz des Modulationsmoduls 30-3 die Rotationsfrequenz der Streuscheibe 28 um mindestens eine Größenordnung.in the in 4 Illustrated arrangement, the electro-optical phase modulators 56 are operated in parallel, so that the two-dimensional phase pattern of the incident on the rotating lens 28 radiation can be varied with a high temporal frequency. In particular, the modulation frequency of the modulation module 30-3 exceeds the rotational frequency of the diffuser 28 by at least one order of magnitude.

Das Ergebnis einer vom Steuerungsmodul 34 auf die Rotation der Streuscheibe 28 abgestimmte Modulation der auf die Streuscheibe 28 auftreffenden Strahlungsverteilung ist analog zur Ausführungsform gemäß 1 eine Vergrößerung der Anzahl n der während der Belichtungszeit vermittelten Specklemusterkonfigurationen und damit eine Verringerung des Messfehlers passeRMS.The result of a modulation of the radiation distribution impinging on the diffusing disk 28, which is coordinated by the control module 34 to the rotation of the diffusing disk 28, is analogous to the embodiment according to FIG 1 an increase in the number n of speckle pattern configurations mediated during the exposure time and thus a reduction in the measurement error passeRMS.

In 5 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer hier mit dem Bezugszeichen 110 bezeichneten Messvorrichtung zur Vermessung einer Form einer optischen Oberfläche 12 eines Prüflings 14 veranschaulicht. Die Messvorrichtung 110 gemäß 5 unterscheidet sich von der Messvorrichtung 10 gemäß 1 zunächst in der Konfiguration der Beleuchtungseinrichtung 16 dahingehend, dass das Modulationsmodul 30-1 und sowie die Optik 32 fehlen. Die vom Wellenleiter 24 bereitgestellte Messstrahlung 22 wird nach Aufweitung des Strahls auf den Durchmesser 2R mittels der Linse 26 direkt auf die rotierende Streuscheibe 28 eingestrahlt. Weiterhin unterscheidet sich das Interferometer 20 der Messvorrichtung 110 gemäß 5 von dem gemäß 1 dahingehend, dass zur Aufspaltung der Messstrahlung 22 in die eingehende Prüfwelle 46i und die Referenzwelle 44 ein diffraktives optisches Element 64 vorgesehen ist.In 5 A further embodiment according to the invention of a measuring device, denoted here by reference number 110, for measuring a shape of an optical surface 12 of a test specimen 14 is illustrated. The measuring device 110 according to FIG 5 differs from the measuring device 10 according to FIG 1 initially in the configuration of the lighting device 16 in that the modulation module 30-1 and the optics 32 are missing. The measurement radiation 22 provided by the waveguide 24 is radiated directly onto the rotating diffuser disk 28 by means of the lens 26 after the beam has been widened to the diameter 2R. Furthermore, the interferometer 20 differs according to the measuring device 110 5 from that according to 1 to the extent that a diffractive optical element 64 is provided for splitting the measurement radiation 22 into the incoming test wave 46i and the reference wave 44 .

Die Prüfwelle 46i und die Referenzwelle 44 verlaufen dann in unterschiedlichen Strahlengängen des Interferometers 110, wobei die Prüfwelle 46i an der Oberfläche 12 des Prüflings 14 und die Referenzwelle 44 an einer Reflexionsfläche 68 eines Referenzspiegels 66 zum diffraktiven optischen Element 64 zurückreflektiert werden. Die Längen L2 und L1 der Strahlengänge, d.h. die Weglänge L2 der Prüfwelle 46i zwischen dem diffraktiven optischen Element 64 und dem Prüfling 14 sowie die Weglänge L1 der Referenzwelle 44 zwischen dem diffraktiven optischen Element 64 und dem Referenzspiegel 66 unterscheiden sich z.B. um weniger als 10 cm (d.h. |L1-L2| < 10 cm), insbesondere um weniger als 1 cm voneinander.The test wave 46i and the reference wave 44 then run in different beam paths of the interferometer 110, with the test wave 46i being reflected back on the surface 12 of the test object 14 and the reference wave 44 on a reflection surface 68 of a reference mirror 66 to the diffractive optical element 64. The lengths L2 and L1 of the beam paths, i.e. the path length L2 of the test wave 46i between the diffractive optical element 64 and the test object 14 and the path length L1 of the reference wave 44 between the diffractive optical element 64 and the reference mirror 66, differ by less than 10 cm, for example (i.e. |L1-L2| < 10 cm), in particular by less than 1 cm from each other.

Das diffraktive optische Element 64 ist weiterhin dazu konfiguriert, die Wellenfront der Prüfwelle 46 zumindest teilweise an eine Sollform der optischen Oberfläche 12 anzupassen. Die zurückreflektierten Wellen 46r und 44 treffen wieder auf das diffraktive optische Element 64 auf und werden von diesem miteinander überlagernd in umgekehrter Richtung in den Strahlengang der eingehenden Messstrahlung 22 zurückgelenkt. Die Erfassung der Interferogramme mittels des Detektors 54 der Erfassungseinrichtung erfolgt analog zur vorstehend unter Bezugnahme auf 1 erfolgten Beschreibung. Im in 5 veranschaulichten Ausführungsbeispiel befindet sich analog zu 1 eine Bildlage 70 des Prüflings 14 auf der Detektionsfläche des Detektors 70. Eine Bildlage 72 der Referenzfläche 68 des Referenzspiegels 66 befindet sich hingegen zwischen der Kameraoptik 52 und dem Detektor 70.The diffractive optical element 64 is also configured to at least partially adapt the wave front of the test wave 46 to a target shape of the optical surface 12 . The waves 46r and 44 that are reflected back impinge on the diffractive optical element 64 again and are deflected back into the beam path of the incoming measurement radiation 22 in the opposite direction, overlapping one another. The detection of the interferograms by means of the detector 54 of the detection device takes place analogously to the above with reference to FIG 1 description made. in 5 illustrated embodiment is analogous to 1 an image position 70 of the test object 14 on the detection surface of the detector 70. An image position 72 of the reference surface 68 of the reference mirror 66, however, is located between the camera optics 52 and the detector 70.

Durch die vorstehend definierte Begrenzung der Längendifferenz |L1-L2| der Strahlungsarme wird die unter Bezugnahme auf 1 erwähnte effektive Pfadlängendifferenz ΔOPD im Interferometer so klein gehalten, dass der durch die an der Streuscheibe 28 erzeugten Specklemuster erzeugte Messfehler gering ausfällt. Die sich auf dem Detektor 54 überlagernden Specklemuster der Prüfwelle 46r sowie der Referenzwelle 44 unterscheiden sich aufgrund der geringen Weglängendifferenz nur wenig, weshalb der durch die Überlagerung bedingte Messfehler gering ist.By limiting the length difference |L1-L2| as defined above of radiation arms is referred to 1 mentioned effective path length difference ΔOPD in the interferometer is kept so small that the measurement error generated by the speckle pattern generated on the diffusing disk 28 turns out to be small. The speckle patterns of the test wave 46r and of the reference wave 44 superimposed on the detector 54 differ only slightly due to the small path length difference, which is why the measurement error caused by the superimposition is small.

Gemäß einer Ausführungsform der Messvorrichtung 110 gemäß 5 ist eine Bildlage 70 des Prüflings 14 von einer Bildlage 72 des Referenzspiegels 66 innerhalb der Erfassungseinrichtung 48 um weniger als die Tiefenschärfe DOF der Kameraoptik 52 beabstandet. Die Tiefenschärfe DOF ist definiert durch den Quotienten aus der Wellenlänge λ der Eingangswelle 18 und dem Produkt aus einem Pupillenausleuchtungsparameter β der Eingangswelle 18 und dem Quadrat der numerischen Apertur (NA) der Kameraoptik 52: D O F = λ β 2 N A 2 .

Figure DE102022201462A1_0011
Der Pupillenausleuchtungsparameter β wurde prinzipiell bereits vorstehend erläutert und ist bei einer kreisförmigen Pupillenausleuchtung das sogenannte Setting σ, das die kreisförmige Ausleuchtung in radialer Richtung kennzeichnet.According to an embodiment of the measuring device 110 according to FIG 5 an image position 70 of the specimen 14 is spaced from an image position 72 of the reference mirror 66 within the detection device 48 by less than the depth of field DOF of the camera optics 52 . The depth of field DOF is defined by the quotient of the wavelength λ of the input wave 18 and the product of one pupil nillumination parameter β of the input shaft 18 and the square of the numerical aperture (NA) of the camera optics 52: D O f = λ β 2 N A 2 .
Figure DE102022201462A1_0011
The pupil illumination parameter β has already been explained in principle above and is the so-called setting σ in the case of a circular pupil illumination, which characterizes the circular illumination in the radial direction.

Bei einer ringförmig ausgeleuchteten Pupille 51 wird das Quadrat des Pupillenausleuchtungsparameters wie folgt definiert: β2= σmax 2 - σmin 2, wobei σmax die äußere Begrenzung und σmin die innere Begrenzung in radialer Richtung der ringförmigen Ausleuchtung kennzeichnet. Damit ist die Tiefenschärfe bei einer ringförmigen Pupillenausleuchtung wie folgt definiert: D O F = λ ( σ m a x 2 σ m i n 2 ) N A 2 .

Figure DE102022201462A1_0012
In the case of a pupil 51 illuminated in an annular manner, the square of the pupil illumination parameter is defined as follows: β 2max 2 −σ min 2 , where σ max denotes the outer boundary and σ min denotes the inner boundary in the radial direction of the annular illumination. The depth of focus with a ring-shaped pupil illumination is thus defined as follows: D O f = λ ( σ m a x 2 σ m i n 2 ) N A 2 .
Figure DE102022201462A1_0012

Die vorstehende Beschreibung beispielhafter Ausführungsbeispiele, Ausführungsformen bzw. Ausführungsvarianten ist exemplarisch zu verstehen. Die damit erfolgte Offenbarung ermöglicht es dem Fachmann einerseits, die vorliegende Erfindung und die damit verbundenen Vorteile zu verstehen, und umfasst andererseits im Verständnis des Fachmanns auch offensichtliche Abänderungen und Modifikationen der beschriebenen Strukturen und Verfahren. Daher sollen alle derartigen Abänderungen und Modifikationen, insoweit sie in den Rahmen der Erfindung gemäß der Definition in den beigefügten Ansprüchen fallen, sowie Äquivalente vom Schutz der Ansprüche abgedeckt sein.The above description of exemplary embodiments, embodiments or embodiment variants is to be understood as an example. The disclosure thus made will enable those skilled in the art to understand the present invention and the advantages attendant thereto, while also encompassing variations and modifications to the described structures and methods that would become apparent to those skilled in the art. Therefore, all such alterations and modifications insofar as they come within the scope of the invention as defined in the appended claims, and equivalents, are intended to be covered by the protection of the claims.

BezugszeichenlisteReference List

1010
Messvorrichtungmeasuring device
1212
optische Oberflächeoptical surface
1414
Prüflingexaminee
1616
Beleuchtungseinrichtunglighting device
1818
Eingangswelleinput shaft
2020
Interferometerinterferometer
2222
Messstrahlungmeasuring radiation
2424
Wellenleiterwaveguide
2626
Linselens
2828
rotierende Streuscheiberotating diffuser
30-130-1
Modulationsmodulmodulation module
30-230-2
Modulationsmodulmodulation module
30-330-3
Modulationsmodulmodulation module
3232
Optikoptics
3333
beleuchtungsseitige Pupillenebeneillumination-side pupil plane
3434
Steuerungsmodulcontrol module
3636
Strahlteilerbeam splitter
3838
Kollimatorcollimator
4040
Referenzelementreference element
4242
FizeauflächeFizeau surface
4444
Referenzwellereference wave
46i46i
eingehende Prüfwelleincoming test wave
46r46r
reflektierte Prüfwellereflected test wave
4848
Erfassungseinrichtungdetection device
5050
Blendecover
5151
Pupillepupil
51b51b
Beleuchtungspupilleillumination pupil
5252
Kameraoptikcamera optics
5454
Detektordetector
5656
elektrooptischer Phasenmodulatorelectro-optical phase modulator
5858
gebogener Spiegelcurved mirror
6060
Strahlteilerbeam splitter
6262
Umlenkspiegeldeflection mirror
6464
diffraktives optisches Elementdiffractive optical element
6666
Referenzspiegelreference mirror
6868
Reflexionsflächereflection surface
7070
Bildlage der optischen Oberfläche des PrüflingsImage position of the optical surface of the specimen
7272
Bildlage der Reflexionsfläche der ReferenzflächeImage position of the reflection surface of the reference surface
110110
Messvorrichtungmeasuring device

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • WO 2006/077145 A2 [0002]WO 2006/077145 A2 [0002]

Claims (17)

Messvorrichtung (10) zur Bestimmung einer Form einer optischen Oberfläche (12) eines Prüflings (14) mit: - einer Beleuchtungseinrichtung (16) zum Erzeugen einer Eingangswelle (18), - einem Interferometer (20) zum Aufspalten der Eingangswelle in eine auf die optische Oberfläche gerichtete Prüfwelle (46i) sowie einer Referenzwelle (44), wobei die Beleuchtungseinrichtung eine im Messbetrieb rotierende Streuscheibe (28), ein Modulationsmodul (30-1, 30-2, 30-3) sowie ein Steuerungsmodul (34) aufweist und wobei das Steuerungsmodul dazu konfiguriert ist, das Modulationsmodul derart anzusteuern, dass dieses eine zeitliche Modulation einer auf die Streuscheibe gerichteten Strahlungsverteilung (22) bewirkt.Measuring device (10) for determining a shape of an optical surface (12) of a test piece (14) with: - an illumination device (16) for generating an input wave (18), - an interferometer (20) for splitting the input wave into a test wave (46i) directed onto the optical surface and a reference wave (44), the illumination device comprising a diffuser disk (28) rotating during measurement operation, a modulation module (30-1, 30-2 , 30-3) and a control module (34), and wherein the control module is configured to control the modulation module in such a way that it causes a temporal modulation of a radiation distribution (22) directed onto the lens. Messvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Modulationsmodul zur zeitlichen Modulation einer Phasenverteilung der auf die Streuscheibe gerichteten Strahlung konfiguriert ist.measuring device claim 1 , in which the modulation module is configured for temporal modulation of a phase distribution of the radiation directed onto the lens. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Modulationsmodul zur zeitlichen Modulation einer Intensitätsverteilung der auf die Streuscheibe gerichteten Strahlung konfiguriert ist.measuring device claim 1 or 2 , in which the modulation module is configured for temporal modulation of an intensity distribution of the radiation directed onto the diffuser. Messvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der das Modulationsmodul mindestens eine weitere Streuscheibe (30-1) umfasst.Measuring device according to one of the preceding claims, in which the modulation module comprises at least one further diffusing screen (30-1). Messvorrichtung nach Anspruch 4, bei der das Steuerungsmodul dazu konfiguriert ist, eine Rotation der Streuscheiben mit unterschiedlichen Drehzahlen zu bewirken.measuring device claim 4 wherein the control module is configured to cause the lenses to rotate at different speeds. Messvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der die beiden Streuscheiben unterschiedliche Streuwinkelverteilungen aufweisen.measuring device claim 4 or 5 , in which the two diffusers have different scattering angle distributions. Messvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der das Modulationsmodul einen räumlichen Lichtmodulator (30-2) umfasst.Measuring device according to one of the preceding claims, in which the modulation module comprises a spatial light modulator (30-2). Messvorrichtung nach Anspruch 7, welche derart konfiguriert ist, dass das Fernfeld des räumlichen Lichtmodulators auf die Streuscheibe projiziert wird.measuring device claim 7 , which is configured such that the far field of the spatial light modulator is projected onto the lens. Messvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der das Modulationsmodul (30-3) mindestens zwei elektrooptische Phasenmodulatoren (56) umfasst.Measuring device according to one of the preceding claims, in which the modulation module (30-3) comprises at least two electro-optical phase modulators (56). Messvorrichtung nach Anspruch 9, bei der die elektrooptischen Phasenmodulatoren derart angeordnet sind, dass die Streuscheibe von den Phasenmodulatoren mit jeweils unterschiedlichen Einstrahlwinkelbereichen bestrahlt wird.measuring device claim 9 , in which the electro-optical phase modulators are arranged in such a way that the diffusing screen is irradiated by the phase modulators with different irradiation angle ranges. Messvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das Interferometer ein Fizeau-Element (40) zum Aufspalten der Eingangswelle in die Prüfwelle sowie die Referenzwelle aufweist und die Eingangswelle eine Ausleuchtung am Ort der rotierenden Streuscheibe mit einer maximalen Ausdehnung von 2R aufweist mit: R > 0,3 μ m f 2 L ,
Figure DE102022201462A1_0013
wobei f die Brennweite eines Kollimators (38) des Interferometers sowie L der Abstand zwischen dem Fizeau-Element und dem Prüfling ist, und die Formmessgenauigkeit der Messvorrichtung im quadratischen Mittel besser als 1 nm ist.
Measuring device according to one of the preceding claims, in which the interferometer has a Fizeau element (40) for splitting the input wave into the test wave and the reference wave and the input wave has an illumination at the location of the rotating diffusing disk with a maximum extension of 2R with: R > 0.3 µ m f 2 L ,
Figure DE102022201462A1_0013
where f is the focal length of a collimator (38) of the interferometer and L is the distance between the Fizeau element and the specimen, and the shape measurement accuracy of the measuring device is better than 1 nm in the root mean square.
Messvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das Interferometer (20) ein strahlaufspaltendes Element (40, 64) zum Aufspalten der Eingangswelle in die Prüfwelle und die Referenzwelle sowie eine Erfassungseinrichtung (48) zum Erfassen eines durch Überlagerung der Prüfwelle nach Wechselwirkung mit dem Prüfling mit der Referenzwelle nach Reflexion an einer Referenzfläche (42, 68) gebildeten Interferogramms aufweist, bei dem die Eingangswelle am Ort der rotierenden Streuscheibe eine Ausleuchtung mit einer maximalen Ausdehnung von 2R aufweist mit R > 0,3 μ m f o k u 2 l C C D ,
Figure DE102022201462A1_0014
wobei foku die Brennweite einer Kameraoptik (52) der Erfassungseinrichtung und ICCD der Abstand zwischen den Bildlagen (70, 72) des Prüflings und einer Referenzfläche ist, und bei dem die Formmessgenauigkeit der Messvorrichtung im quadratischen Mittel besser als 1 nm ist.
Measuring device according to one of the preceding claims, in which the interferometer (20) has a beam-splitting element (40, 64) for splitting the input wave into the test wave and the reference wave and a detection device (48) for detecting a superposition of the test wave after interaction with the test object has an interferogram formed with the reference wave after reflection on a reference surface (42, 68), in which the input wave at the location of the rotating diffuser has an illumination with a maximum expansion of 2R with R > 0.3 µ m f O k and 2 l C C D ,
Figure DE102022201462A1_0014
where f oku is the focal length of a camera optics (52) of the detection device and I CCD is the distance between the image positions (70, 72) of the test object and a reference surface, and where the form measurement accuracy of the measuring device is better than 1 nm in the root mean square.
Messvorrichtung (110) zur Bestimmung der Form einer optischen Oberfläche (12) eines Prüflings (14) mit: - einer Beleuchtungseinrichtung (16) mit einer im Messbetrieb rotierenden Streuscheibe (28) zum Erzeugen einer Eingangswelle (18), - einem diffraktiven optischen Element (64), welches dazu konfiguriert ist, durch Beugung aus der Eingangswelle einerseits eine auf die optische Oberfläche gerichtete Prüfwelle (46i) mit einer zumindest teilweise an eine Sollform der optischen Oberfläche angepassten Wellenfront und andererseits eine auf einen Referenzspiegel (66) gerichtete Referenzwelle (44) zu erzeugen, sowie - einer Erfassungseinrichtung (48) zum Erfassen eines Interferogramms, welches durch eine Überlagerung der Prüfwelle nach Wechselwirkung mit dem Prüfling und der von dem Referenzspiegel rückreflektierten Referenzwelle in einer Erfassungsebene erzeugt wird, wobei sich die Weglänge der Prüfwelle zwischen dem diffraktiven optischen Element und dem Prüfling von der Weglänge der Referenzwelle zwischen dem diffraktiven optischen Element und dem Referenzspiegel um weniger als 10 cm unterscheidet.Measuring device (110) for determining the shape of an optical surface (12) of a test specimen (14), with: - an illumination device (16) with a diffuser (28) rotating during measurement operation for generating an input wave (18), - a diffractive optical element ( 64), which is configured to produce, by diffraction from the input wave, on the one hand a test wave (46i) directed at the optical surface with a wave front that is at least partially adapted to a target shape of the optical surface and on the other hand a reference wave (44) directed at a reference mirror (66) and - a detection device (48) for detecting an interferogram which is generated in a detection plane by superimposition of the test wave after interaction with the test object and the reference wave reflected back by the reference mirror, the path length of the test wave increasing between the diffractive optical element and the test object differs from the path length of the reference wave between the diffractive optical element and the reference mirror by less than 10 cm. Messvorrichtung (110) zur Bestimmung der Form einer optischen Oberfläche (12) eines Prüflings (14) mit: - einer Beleuchtungseinrichtung (16) mit einer im Messbetrieb rotierenden Streuscheibe (28) zum Erzeugen einer Eingangswelle (18), - einem diffraktiven optischen Element (64), welches dazu konfiguriert ist, durch Beugung aus der Eingangswelle einerseits eine auf die optische Oberfläche gerichtete Prüfwelle (46i) mit einer zumindest teilweise an eine Sollform der optischen Oberfläche angepassten Wellenfront und andererseits eine auf einen Referenzspiegel (66) gerichtete Referenzwelle (44) zu erzeugen, sowie - einer Erfassungseinrichtung (48) mit einer durch eine Tiefenschärfe gekennzeichneten Kameraoptik (52) zum Erfassen eines Interferogramms, welches durch eine Überlagerung der Prüfwelle nach Wechselwirkung mit dem Prüfling und der von dem Referenzspiegel rückreflektierten Referenzwelle erzeugt wird, wobei eine Bildlage des Prüflings von einer Bildlage des Referenzspiegels innerhalb der Erfassungseinrichtung um weniger als die Tiefenschärfe der Kameraoptik beabstandet ist.Measuring device (110) for determining the shape of an optical surface (12) of a test piece (14) with: - an illumination device (16) with a diffusing disk (28) rotating during measurement operation for generating an input wave (18), - a diffractive optical element (64), which is configured to generate, by diffraction from the input wave, on the one hand a test wave (46i) directed onto the optical surface with a wavefront that is at least partially adapted to a desired shape of the optical surface and on the other hand a reference mirror (66 ) directed reference wave (44) to generate, as well as - a detection device (48) with camera optics (52) characterized by a depth of field for detecting an interferogram, which is generated by superimposing the test wave after interaction with the test object and the reference wave reflected back by the reference mirror, with an image position of the test object being different from an image position of the reference mirror is spaced within the detection device by less than the depth of field of the camera optics. Messvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, welche dazu konfiguriert ist, durch die zeitliche Modulation der auf die Streuscheibe gerichteten Strahlungsverteilung mittels der Streuscheibe in der Eingangswelle erzeugte Specklemuster gezielt derart zu modifizieren, dass durch Vermittelung der Specklemuster während der Rotation der Streuscheibe ein durch die Specklemuster bedingter Formmessfehler der Messvorrichtung im quadratischen Mittel auf weniger als 1 nm reduziert wird.Measuring device according to one of the preceding claims, which is configured to specifically modify speckle patterns generated by the temporal modulation of the radiation distribution directed onto the diffusing disk by means of the diffusing disk in the input shaft in such a way that by mediating the speckle pattern during the rotation of the diffusing disk, a Form measurement error of the measuring device is reduced to less than 1 nm in the root mean square. Messvorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, welches dazu konfiguriert ist, einen Specklekontrast in der Intensitätsverteilung auf der optischen Oberfläche (12) des Prüflings (14) von kleiner als 1% zu erzeugen.Measuring device according to one of the preceding claims, which is configured to produce a speckle contrast in the intensity distribution on the optical surface (12) of the specimen (14) of less than 1%. Messvorrichtung (10) zur Bestimmung einer Form einer optischen Oberfläche (12) eines Prüflings (14) mit: - einer Beleuchtungseinrichtung (16), welche eine Beleuchtungspupille (51b) mit einer Ausdehnung von mindestens 10 µm ausleuchtet und dazu konfiguriert ist, eine Eingangswelle (18) zu erzeugen, - einem Interferometer (20) zum Aufspalten der Eingangswelle (18) in eine auf die optische Oberfläche (12) gerichtete Prüfwelle (46i) sowie eine Referenzwelle (44), wobei die Messvorrichtung (10) dazu konfiguriert ist, einen Specklekontrast in einer von der Prüfwelle (46i) auf der optischen Oberfläche (12) des Prüflings (14) erzeugten Intensitätsverteilung von kleiner als 1% zu erzeugen.Measuring device (10) for determining a shape of an optical surface (12) of a test piece (14) with: - an illumination device (16) which illuminates an illumination pupil (51b) with an extension of at least 10 µm and is configured to generate an input wave (18), - an interferometer (20) for splitting the input wave (18) into a test wave (46i) directed at the optical surface (12) and a reference wave (44), wherein the measuring device (10) is configured to measure a speckle contrast in one of the To generate test wave (46i) on the optical surface (12) of the specimen (14) generated intensity distribution of less than 1%.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102023200924A1 (en) 2023-02-06 2024-02-22 Carl Zeiss Smt Gmbh Measuring device for the interferometric determination of a surface shape

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006077145A2 (en) 2005-01-20 2006-07-27 Carl Zeiss Smt Ag Hologram and method of manufacturing an optical element using a hologram

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