DE102013213599B4

DE102013213599B4 - Verfahren und Vorrichtung zur spektrometrischen Reflexionsmessung bei sphärischen Flächen

Info

Publication number: DE102013213599B4
Application number: DE102013213599.8A
Authority: DE
Inventors: Frank Eisenkrämer; Hans-Martin Heuck
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2033-07-12
Also published as: DE102013213599A1; WO2015004263A1

Abstract

Verfahren zur spektrometrischen Reflexionsmessung an einer sphärischen Fläche (2) eines optischen Bauteils (1), wobei zur Reflexionsmessung ein an der sphärischen Fläche (2) des optischen Bauteils reflektierter Messstrahl (4) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein senkrecht auf die sphärische Fläche (2) einfallender Messstrahlengang (14) mittels einer Fokussieroptik (11) auf die sphärische Fläche (2) fokussiert wird, wobei anschließend zur Reflexionsmessung an einem beliebigen Punkt auf der sphärischen Fläche (2) das optische Bauteil (1) um zwei zueinander senkrechte und durch den Krümmungsmittelpunkt (27) der sphärischen Fläche (2) verlaufende Drehachsen (5, 6) bewegt wird, wobei während der Bewegung des Bauteils (1) der Fokus des Messstrahlengangs (14) unverändert auf der sphärischen Fläche (2) des Bauteils (1) verbleibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur spektrometrischen Reflexionsmessung an einer sphärischen Fläche eines optischen Bauteils, wie einer Linse, wobei zur Reflexionsmessung ein an der sphärischen Fläche des optischen Bauteils reflektierter Messstrahl verwendet wird. Mit solchen Reflexionsmessungen sollen Reflexionseigenschaften der meist beschichteten Oberfläche eines optischen Bauteils gemessen werden.
Stand der Technik
Für die Messung der Reflexionseigenschaften von Oberflächen, speziell von optisch wirksamen Flächen, werden Spektrometer verschiedenster Bauart für verschiedene Anwendungen eingesetzt. In der optischen Industrie ist die Messung der Reflexion oder Transmission an optisch wirksamen Flächen erforderlich, um z. B. die Eigenschaften von Gläsern und Beschichtungen zu bestimmen. Dabei sind die Messergebnisse vom Polarisationszustand des Lichtes, vom Einfallswinkel des Messstrahls, von der Apertur des auf die Oberfläche treffenden Messstrahls, von der Beschaffenheit der Oberfläche (Rauigkeit, Topographie), der Beschaffenheit der Beschichtung sowie von weiteren Parametern abhängig.
In vielen Fällen sind die Spektrometer für die Messung an ebenen oder planen Oberflächen ausgelegt, da gekrümmte oder sphärische Flächen eine Größen- und gegebenenfalls eine Formänderung des Messstrahls bewirken und in Folge die Detektorfläche abweichend vom Referenzstrahl (Lichtstrahl der Lichtquelle ohne Bauteil) beleuchten, woraus Verfälschungen des Messwertes resultieren. Bei kleinen Krümmungsradien entsteht eine starke Streuung bzw. Sammlung des Lichtstrahls. Dies kann dazu führen, dass das von dem Bauteil reflektierte oder transmittierte Licht nicht mehr vollständig vom Detektor erfasst wird. Stellt das zu vermessende optische Bauteil eine Linse dar, liegen aufgrund der geringen Radien die genannten Probleme verstärkt vor.
Im Folgenden sollen bekannte Vorrichtungen zur Reflexionsmessung erläutert werden.
Grundsätzlich werden zur Reflexionsmessung eine geeignete Einrichtung zur Projektion des Lichtes aus einer Lichtquelle auf die zu vermessende Oberfläche und eine geeignete Einrichtung für das Einsammeln des reflektierten Lichtes von der Oberfläche und für den Transport dieses Lichtes zu einem Detektor eingesetzt. Hierbei wird das Licht meist mittels Lichtfaserkabel zur Oberfläche bzw. zum Detektor transportiert. Zur Kompensation von divergenter Strahlung werden üblicherweise Ulbricht-Kugeln eingesetzt. Eine solche Ulbricht-Kugel ermöglicht es, stark divergente Strahlung zu sammeln und die Leistung oder den Gesamtlichtstrom zu messen, ohne dass durch die vorhandene Richtcharakteristik die Messung verfälscht würde.
Bei einer bekannten Ausführungsform werden die beiden genannten Einrichtungen zum Transport des Lichts auf die Oberfläche und zum Transport des reflektierten Lichts zum Detektor gemeinsam in einem Messkopf angeordnet. Dieser besitzt eine definierte Anschlagfläche, durch die der Abstand von Messkopf zur Oberfläche reproduzierbar ist. Die in dem Messkopf verwendeten Lichtleiter haben den Nachteil, einen Messstrahl mit einer festen, nicht variablen Apertur zu erzeugen. Dadurch liegt ein großes Winkelspektrum der Beleuchtung vor, das deutlich von einer gewünschten Anordnung mit kleinem Winkelspektrum abweicht. Außerdem sind Lichtaustritt (zur zu vermessenden Oberfläche) und Lichteintritt (zum Messdetektor) räumlich voneinander getrennt. Dies verhindert das Beleuchten und Messen mit Einfallswinkeln nahe 0°. Dieses Problem kann durch den Einsatz eines sogenannten "Y-Lichtleiters" umgangen werden, bei dem die Austritts- und Eintrittsfasern räumlich sehr eng beieinanderliegen. Bei dieser Lösung kann allerdings nicht die gesamte Lichtmenge, die von der Oberfläche reflektiert wird, gesammelt werden, wodurch wiederum die Messung verfälscht wird.
Bekannt sind auch Mikroskop-Spektrometer, bei denen das einfallende Licht über eine Auflichtachse durch das Mikroskop-Objektiv auf die zu vermessende Oberfläche projiziert wird und das reflektierte Licht auf dem umgekehrten Weg wieder eingesammelt und auf ein Pinhole projiziert wird, das vor einer Lichtfaser sitzt, welche ihrerseits mit einem Spektrometer verbunden ist. Solche Mikroskop-Spektrometer können auch zur Messung von Reflexionen an sphärischen Oberflächen eingesetzt werden. Bei der Vermessung von Linsenoberflächen wird die Linse mit ihrer optischen Achse fluchtend zur optischen Achse des Mikroskop-Objektivs positioniert. Gemessen werden die Reflexionseigenschaften im Scheitel der Linse. Eine Messung an beliebigen Oberflächenpunkten der Linse ist jedoch nicht oder nur mit großem Aufwand eingeschränkt möglich.
Verfügbar sind auch Reflexionsmessgeräte, die nach Art eines Goniometers konzipiert sind und eine im Einfallswinkel flexible Beleuchtung der zu vermessenden Fläche ermöglichen. Trotz der Möglichkeit von winkelaufgelösten Messungen sind solche Geräte aber für Planflächen ausgelegt. Außerdem besteht auch hier das bereits oben genannte Problem der räumlichen Trennung von Sender und Empfänger.
Schließlich sind auch Zweistrahl-Spektrometer bekannt, bei denen das Licht aus einer Lichtquelle in einen Referenzstrahl und einen Messstrahl aufgeteilt wird. Hier sind Kammern für die freie Anordnung zur beliebigen Beleuchtung von beliebigen Bauteilen möglich, bei denen der Detektor relativ frei im Raum zur Registrierung des von dem Bauteil reflektierten Lichtes bewegt werden kann. Zur Vermessung stark gekrümmter Oberflächen von optischen Bauteilen wie Linsen sind solche Zweistrahl-Spektralphotometer in der Praxis insbesondere dann wenig geeignet, wenn mit kleinen Einfallswinkeln beleuchtet werden soll. Dies wird aufgrund der üblichen Größe der dort verwendeten Ulbricht-Kugel verhindert. Außerdem ist durch die dort stattfindende Aufbereitung des Messstrahls ein astigmatischer Strahl vorhanden, der keine Homogenität besitzt (bezüglich Polarisationszuständen, Beleuchtungsstärke, Fokuspunkten) und dadurch eine undefinierte Beleuchtungssituation erzeugt.
Aus der JP 10160671 A sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Reflexion an gekrümmten Flächen optischer Bauteile bekannt. Zur Messung der Reflexion an einem beliebigen Punkt der Fläche kann das Bauteil mittels entsprechender Motoren unter anderem um zwei zueinander senkrechte Drehachsen (Rotations- und Kippachse) entsprechend bewegt werden. Die Reflexion wird anschließend unter einem vorbestimmten Winkel derart gemessen, dass reflektiertes Licht in einen Detektor gelenkt wird.
Die US 2007/0247639 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reflexionsmessung an einem optischen Bauteil, wobei das Bauteil um eine erste Drehachse bewegt werden kann. Weiterhin kann eine Messsonde linear und um eine zweite Drehachse bewegt werden, um die relative Ausrichtung zwischen Bauteil und Messsonde veränderlich einzustellen.
Ein weiteres Problem ergibt sich aus der Beschichtung gekrümmter Flächen: Derartige Beschichtungen sind in der Regel nicht über die gesamte gekrümmte Fläche hinweg gleichmäßig. Oftmals nimmt die Dicke der Beschichtung zur Peripherie einer sphärischen Linsenoberfläche hin ab. Hieraus ergibt sich für Randstrahlen ein unterschiedliches Verhalten im Vergleich zu Mittenstrahlen. Bei bisherigen Verfahren zur Reflexionsmessung werden üblicherweise nur die Beschichtungen am Scheitelpunkt einer Linse vermessen.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur spektrometrischen Messung von Reflexionseigenschaften einer sphärischen Fläche eines optischen Bauteils, wie einer Linse, anzugeben, welche insbesondere bei stark gekrümmten Oberflächen eine zuverlässige Messung an mehreren Punkten der Fläche auch bei kleinen Einfallswinkeln ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Erfindungsgemäß wird ein senkrecht auf die sphärische Fläche des optischen Bauteils einfallender Messstrahlengang mittels einer Fokussieroptik auf die sphärische Fläche fokussiert. Dies bedeutet, dass die Achse des Messstrahlengangs senkrecht auf die sphärische Fläche steht. Anschließend wird das Bauteil zur Reflexionsmessung an einem beliebigen Punkt der sphärischen Fläche um zwei zueinander senkrechte und durch den Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche verlaufende Drehachsen bewegt, so dass während der Bewegung des Bauteils der einmal eingestellte Fokus des Messstrahlengangs unverändert auf der sphärischen Fläche des Bauteils verbleibt. Die Achse des Messstrahlengangs steht folglich während der Reflexionsmessung an jedem ausgewählten Punkt der sphärischen Fläche senkrecht auf diese. Eine entsprechende Vorrichtung weist einen Probenhalter zur Aufnahme des optischen Bauteils, eine eine Lichtquelle aufweisende Beleuchtungsoptik zur Erzeugung eines Messstrahlengangs und eine Fokussieroptik zum Fokussieren des senkrecht auf die sphärische Fläche einfallenden Messstrahlengangs auf die sphärische Fläche des optischen Bauteils auf. Der Probenhalter ist hierbei derart eingerichtet, dass das optische Bauteil um zwei zueinander senkrechte und durch den Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche verlaufende Drehachsen bewegt wird, so dass während der Bewegung des Bauteils der einmal eingestellte Fokus des Messstrahlengangs unverändert auf der sphärischen Fläche des Bauteils verbleibt und die Achse des Messstrahlengangs unverändert senkrecht auf die sphärische Fläche steht.
Als optische Bauteile kommen insbesondere Linsen in Frage, die zumindest zum Teil eine sphärische Linsenoberfläche aufweisen. Beispielsweise weist eine solche Linse folglich auf ihrer einen Seite eine Halbkugel oder ein Kugelsegment auf. Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für kleine Linsenradien, beispielsweise solche < 30 mm. Bei solchen Linsen weisen die eingangs genannten bekannten Systeme zur Reflexionsmessung folgende Nachteile auf: zu großer Messspot (beleuchtete Fläche auf der Linse); zu großer Beleuchtungswinkel (Apertur des Lichtstrahls); Detektor erfasst nicht gesamte von der Oberfläche der Linse reflektierte Strahlung; die Linsenoberfläche kann nicht zuverlässig lotrecht zum Messstrahl positioniert werden. Mit der vorliegenden Erfindung ist hingegen jeder Punkt der Oberfläche einer solchen Linse unter senkrechtem Einfall messbar. Die Erfindung eignet sich für Linsen mit beliebigem Radius, unabhängig vom Vorzeichen (konvex und konkav). Im Folgenden sei die Erfindung anhand von Linsen beschrieben, wobei dies nicht einschränkend verstanden werden soll. Vielmehr sind andere optische Bauteile mit (zumindest teilweise) sphärischer Oberfläche in gleicher Weise umfasst.
Die beiden durch den Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche verlaufenden Drehachsen bewirken eine Bewegung des Fokus relativ zur sphärischen Fläche entlang von Längen- bzw. Breitengraden, so dass jeder Punkt der Oberfläche ansteuerbar ist. Der Fokus verbleibt hierbei unverändert auf der sphärischen Fläche, so dass eine Neueinstellung des Fokus oder ein Nachfokussieren nicht erforderlich ist.
Zur besseren Verständlichkeit der Bewegung um die beiden genannten Drehachsen sei im Folgenden von einer Ausgangsposition ausgegangen, bei der die Linse derart justiert ist, dass ihre durch den Scheitelpunkt verlaufende optische Achse mit der optischen Achse der Fokussieroptik übereinstimmt. Durch Bewegung der Linse um eine erste Drehachse, im Folgenden auch als Radialachse bezeichnet, wandert der Fokus entlang eines Längengrads der sphärischen Linsenfläche. Bei einer Bewegung der Linse um eine zweite Drehachse, im Folgenden auch als Azimutalachse bezeichnet, bewegt sich der Fokus des Messstrahlengangs entlang eines Breitengrads der sphärischen Linsenoberfläche.
Es kann zweckmäßig sein, die zweite Drehachse an die erste Drehachse dadurch zu koppeln, dass die zweite Drehachse ortsfest im optischen Bauteil liegt. Die Azimutalachse bildet dann die optische Achse der Linse, wobei diese Achse zusammen mit der Linse verkippt wird, wenn eine Bewegung um die Radialachse erfolgt.
Im Folgenden sei die Justierung der Linse zur Reflexionsmessung beschrieben: Die Linse (oder allgemein das optische Bauteil) wird in einen in x-y-z-Richtung verschiebbaren Probenhalter eingelegt, wobei der Probenhalter solange verschoben wird, bis die optische Achse der Fokussieroptik durch den Scheitelpunkt der sphärischen Fläche des optischen Bauteils verläuft, also mit der optischen Achse der Linse übereinstimmt. Diese durch das Bauteil verlaufende Achse bildet die zweite Drehachse oder Azimutalachse. Diese Achse verbleibt ortsfest im Bauteil.
Zum Auffinden der Position der ersten Drehachse (Radialachse) ist eine mechanische Drehachse, im Folgenden als Drehachse F bezeichnet, vorgesehen, um die der Probenhalter gedreht werden kann, und die senkrecht zu einer z-Achse, die parallel zur optischen Achse der Fokussieroptik verläuft, gerichtet und in z-Richtung verschiebbar ist. Diese mechanische Drehachse F wird zunächst derart justiert, dass sie durch den Fokus der Fokussieroptik verläuft, wenn das optische Bauteil sich nicht im Probenhalter befindet. Hierzu wird beispielsweise zunächst als Probe eine Planreferenz in den Probenhalter eingelegt. Eine solche Planreferenz ist beispielsweise ein Glasplättchen, ein Spiegel oder Ähnliches mit ausreichend hoher Reflektivität. Die mechanische Drehachse F und/oder der in x-y-z-Richtung verstellbare Probenhalter werden in z-Richtung relativ zueinander verschoben, bis die mechanische Drehachse F durch die Oberfläche der in den Probenhalter eingelegten Planreferenz verläuft. Die Planreferenz dient folglich zur Positionierung des Fokus der Fokussieroptik auf ihre Oberfläche. Mittel zur Einstellung des Fokus sind an sich bekannt: So kann beispielsweise ein Autokollimationsfernrohr eingesetzt werden, das eine Maske (wie z.B. ein Fadenkreuz) auf die Planreferenz abbildet. Alternativ kann beispielsweise auch ein Autofokussierverfahren zum Einsatz kommen. Durch diese Justage kann ein optimale Anpassung an feine Änderungen von Toleranzabständen, beispielsweise nach einem Wechsel der Fokussieroptik oder Änderungen an dem Probenhalter, vorgenommen werden.
Um die Justage der mechanischen Drehachse F auf die Oberfläche der Planreferenz zu vermeiden, ist ein vereinfachter Aufbau möglich. Dazu wird die mechanische Drehachse F werksseitig so vorjustiert, dass sie durch die Fokusebene einer feststehenden Fokussieroptik verläuft. Dies ist für den Benutzer einfacher, erlaubt aber keine Anpassung an Änderungen der Vorrichtung.
Nach diesem Kalibrierungsschritt, mit dem der Fokus auf die Oberfläche der Planreferenz und die mechanische Drehachse F durch den Fokus gelegt wird, wird das optische Bauteil in den Probenhalter eingelegt. Die räumliche Position des optischen Bauteils im Probenhalter entspricht derjenigen bei der späteren Reflexionsmessung. Zum Auffinden der ersten Drehachse (Radialachse) wird nunmehr bei festgehaltener mechanischer Drehachse F der Probenhalter in x-y-z-Richtung derart verschoben, dass der Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche des optischen Bauteils in den Fokus der Fokussieroptik gebracht wird. Bei diesem Schritt wird folglich der Probenhalter relativ zur feststehenden Drehachse F verschoben, so dass die Drehachse F nach Abschluss dieses zweiten Justierschrittes wieder durch den Fokus der Fokussieroptik, nun mit eingelegtem Bauteil, verläuft. Bei diesem zweiten Justierschritt kann durch entsprechende x-y-Verschiebung des Probenhalters der Scheitelpunkt der sphärischen Fläche des optischen Bauteils in die optische Achse der Fokussieroptik gelegt werden, also die zweite Drehachse (Azimutalachse) festgelegt werden. Insofern erübrigt sich hierfür ein gesonderter Justiervorgang.
In einem dritten Justierschritt wird die mechanische Drehachse F nunmehr zusammen mit dem Probenhalter und dem darin befindlichen Bauteil in z-Richtung derart verschoben, dass der Fokus der Fokussieroptik im Scheitelpunkt der sphärischen Fläche des optischen Bauteils liegt, wobei bei dieser Position in z-Richtung die mechanische Drehachse F als erste Drehachse für die anschließende Reflexionsmessung verwendet wird. Konkrete Möglichkeiten zum Auffinden der ersten und zweiten Drehachse sind weiter unten im Rahmen der Ausführungsbeispiele erläutert. Um beispielsweise bei einer Linse mit Öffnungswinkel von 180°, also einer Halbkugel, alle Punkte auf der Oberfläche messen zu können, muss die Bewegung der Linse um die erste Drehachse eine Verkippung von bis zu 90° erlauben.
Bei dem oben beschriebenen zweiten Justierschritt wird der Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche in den Fokus der Fokussieroptik gelegt. Hierzu kann wiederum ein Autokollimationsfernrohr eingesetzt werden, wie es weiter unten im Rahmen der Ausführungsbeispiele näher erläutert werden wird. Alternativ kann ein Autofokussierverfahren zum Einsatz kommen. Gleiches gilt für den dritten Justierschritt, bei dem der Fokus der Fokussieroptik in den Scheitelpunkt der sphärischen Fläche gebracht wird. Bei diesem Schritt kann als weiteres alternatives Verfahren die Intensität des reflektierten Messstrahls gemessen werden, die im Scheitelpunkt ihr Maximum erreicht. Schließlich kann gemäß eines weiteren alternativen Verfahrens der Übergang von den zweiten zu dem dritten Justierschritt auch dadurch erfolgen, dass bei bekanntem Radius der sphärischen Fläche die mechanische Drehachse F zusammen mit dem Probenhalter um den Betrag dieses Radius in z-Richtung verschoben wird, so dass der Fokus der Fokussieroptik aus dem Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche auf den Scheitelpunkt der sphärischen Fläche verschoben wird.
Die vorliegende Erfindung erlaubt nicht nur eine Reflexionsmessung bei lotrechtem Einfall des Messstrahls, sondern auch bei schrägem Lichteinfall und/oder bei einstellbarem Winkelspektrum. Dies lässt sich durch Einsetzen einer Aperturblende in den Messstrahlengang realisieren. Mittels einer Aperturblende kann die Apertur durch Verringerung des Durchmessers des Messstrahlengangs insbesondere verringert werden, so dass das Winkelspektrum des auf die sphärische Fläche auftreffenden Messstrahls entsprechend gering gehalten werden kann. Die Öffnung in einer Aperturblende kann zentral oder dezentral von der optischen Achse des Messstrahlengangs liegen, so dass mit Einfallswinkeln nahe 0° bzw. beliebigen anderen Einfallswinkeln gearbeitet werden kann. Beispielsweise kann auch mit einer ringförmigen Dunkelfeldblende eine Schräglichtbeleuchtung realisiert werden. Als Aperturblenden kommen auch variable innere Blenden oder LCD-Blenden in Frage. Letztere Blenden eignen sich insbesondere zur Realisierung beliebiger Blendenöffnungen und Blendenformen. Der hierdurch gewählte Einfallswinkel bleibt erfindungsgemäß für beliebige zu vermessende Punkte auf der sphärischen Fläche erhalten. Entsprechend bleibt bei Verwendung eines zentrierten Messstrahlengangs geringer Apertur ein Einfallswinkel nahe 0° während der Bewegung des optischen Bauteils, also über die gesamte Reflexionsmessung hinweg, erhalten.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn polarisiertes Licht für den Messstrahlengang verwendet wird. Die Reflexionseigenschaften hängen, wie bereits erwähnt, nicht nur von der Art des Lichteinfalls, sondern auch von den Polarisationseigenschaften des Lichtes ab. Beispielsweise kann bei Verwendung von linear zur Aperturblende polarisiertem Beleuchtungslicht durch Wahl der azimutalen Position der Aperturblende der Polarisationszustand relativ zur Probe eingestellt werden (p- oder s-Polarisierung). Nähere Erläuterungen zu dieser Ausführungsform finden sich in den entsprechenden Ausführungsbeispielen.
Der oben beschriebene Justiervorgang zum Auffinden der ersten und der zweiten Drehachse lässt sich mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die wie folgt ausgestaltet ist, vorteilhaft umsetzen: Der Probenhalter zur Aufnahme des optischen Bauteils ist dabei für eine automatische Verschiebung in x-y-z-Richtung, also in allen drei Raumrichtungen, ausgebildet. Die z-Richtung soll dabei zweckmäßigerweise die Richtung der optischen Achse einer zu vermessenden Linse darstellen. Durch Verschiebung in x-y-z-Richtung kann die Linse derart justiert werden, dass ihre optische Achse mit der optischen Achse der Fokussieroptik übereinstimmt. Weiterhin ist vorteilhafterweise der Probenhalter mit einen in z-Richtung beweglichen ersten Trieb ortsfest verbunden, wobei dieser erste Trieb auf einem zweiten, ebenfalls in z-Richtung beweglichen Trieb befestigt ist. Der erste Trieb kann somit den Probenhalter in z-Richtung verfahren. Der zweite Trieb verfährt hingegen den ersten Trieb zusammen mit dem Probenhalter.
Eine solche Konstruktion erlaubt das bereits geschilderte Auffinden der ersten Drehachse in optimaler Weise. Der zweite Trieb besitzt hierbei eine vertikal verstellbare Drehachse (F), wobei diese Drehachse in einer x-y-Ebene liegt und in z-Richtung (also vertikal) verstellbar ist. Diese Drehachse F ist nach Justierung mit der ersten Drehachse (Radialachse) identisch. Der Probenhalter selbst ist zweckmäßigerweise in einer Achse drehbar gelagert. Nach Justierung stimmt die Achse, in der der Probenhalter drehbar gelagert ist, mit der zweiten Drehachse (Azimutalachse) überein.
Im Folgenden sei der bereits oben beschriebene Justiervorgang unter Verwendung der genannten Probenhalterkonstruktion näher erläutert: In einem ersten Kalibrierungsschritt wird die genannte Drehachse F des zweiten Triebs in z-Richtung verstellt, bis diese Drehachse F durch den Fokus der Fokussieroptik verläuft, wenn das optische Bauteil sich nicht im Probenhalter befindet. Wie oben bereits erläutert, kann hierzu eine in den Probenhalter eingelegte Planreferenz verwendet werden, mit deren Hilfe die richtige Fokusposition bestimmt werden kann.
Ausgehend von dieser Position wird bei festgehaltener Drehachse F, also bei unveränderter z-Position des zweiten Triebs, der Probenhalter mittels des ersten Triebs derart verschoben, dass der Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche des optischen Bauteils in den Fokus der Fokussieroptik gebracht wird. Hierbei kann unmittelbar nach Einlegen des optischen Bauteils in den Probenhalter eine x-y-Justierung derart erfolgen, dass der Scheitelpunkt der sphärischen Fläche in der optischen Achse der Fokussieroptik liegt. Diese durch den Scheitelpunkt der Linse verlaufende Achse kann dann für die anschließende Reflexionsmessung als zweite Drehachse (Azimutalachse) verwendet werden.
In einem dritten und letzten Justierschritt wird der zweite Trieb, der den ersten Trieb zusammen mit dem Probenhalter verfährt, in z-Richtung derart verschoben, dass der Fokus der Fokussieroptik in den Scheitelpunkt der sphärischen Fläche gebracht wird. Bei dieser z-Position der Drehachse F liegt diese im Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche und kann somit für die anschließende Reflexionsmessung als erste Drehachse (Radialachse) verwendet werden. Dieser Justiervorgang ist im Einzelnen weiter unten in dem entsprechenden Ausführungsbeispiel erläutert.
Als Fokussieroptik kann ein Mikroskop-Objektiv oder eine Fokussierlinse verwendet werden. Als Fokussierlinse kann ein einfaches Objektiv oder eine achromatische Linse (unendlich korrigiert) verwendet werden. Bei einem Aufbau, wie er beispielsweise in den Ausführungsbeispielen beschrieben ist, ist die Fokussieroptik von Endlich im Objektraum nach Unendlich ausgelegt.
Die Fokussieroptik kann gemäß besonders bevorzugter Ausgestaltung auch zur Aufnahme des von der sphärischen Fläche reflektierten Lichts verwendet werden. Hierzu ist insbesondere der Fokussieroptik eine Tubuslinse nachgeschaltet, wodurch ein mikroskopischer Strahlengang definiert wird, wobei ein Detektor zur Reflexionsmessung in der Bildebene des mikroskopischen Strahlengangs angeordnet sein kann.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung Teil eines Mikroskop-Spektrometers ist. Hierzu wird als Fokussieroptik ein Mikroskop-Objektiv verwendet. Diesem Mikroskop-Objektiv ist in üblicher Weise eine Tubuslinse in einem mikroskopischen Strahlengang nachgeordnet. Ein Detektor ist zur Reflexionsmessung in der Bildebene des mikroskopischen Strahlengangs angeordnet. Bei diesem Detektor handelt es sich üblicherweise um ein Spektrometer. Weiterhin kann über einen Strahlteiler ein Teil des mikroskopischen Strahlengangs als Beobachtungsstrahlengang in ein Okular ausgekoppelt werden. Ein weiterer Strahlenteiler kann zur Einkopplung des Messstrahlengangs in den mikroskopischen Strahlengang vorgesehen sein. Vom Probenhalter aus gesehen ist dieser Strahlenteiler dem Mikroskop-Objektiv nachgeordnet, so dass der Messstrahlengang durch das Mikroskop-Objektiv läuft und von diesem auf die sphärische Fläche des optischen Bauteils fokussiert wird.
Der resultierende Aufbau eines solchen Mikroskop-Spektrometers entspricht somit im Wesentlichen dem Aufbau eines Auflicht-Mikroskops, wobei der Messstrahlengang über die Auflichtachse des Mikroskops auf das zu vermessende optische Bauteil fällt.
Es ist zweckmäßig, wenn die Beleuchtungsoptik eine Einrichtung zum Ändern der Blendenform einer Aperturblende aufweist. Hierdurch kann die bereits oben erläuterte Aperturänderung realisiert werden. Bei dieser Einrichtung zum Ändern der Blendenform einer Aperturblende kann es sich um eine Einrichtung zum Auswechseln und zum Einsetzen von Aperturblenden handeln, beispielsweise ein Blendenrad oder Blendenschieber. Alternativ handelt es sich bei dieser Einrichtung um ein LCD (Liquid Crystal Display). Mit solchen LCDs kann Form und Größe der Aperturblendenöffnung nahezu beliebig eingestellt werden. Auf diese Weise kann in besonders vorteilhafter Weise die bereits oben geschilderten Einstellungen von Polarisation, Einfallswinkel und Winkelspektrum für die Reflexionsmessung kontrolliert werden.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Beleuchtungsoptik eine Einrichtung zum Ändern der Blendenform einer Feldblende aufweist. Wiederum kann es sich bei dieser Einrichtung um ein Blendenschieber oder Blendenrad handeln. Ebenfalls kann wiederum eine LCD zum Einsatz kommen. Es ist vorteilhaft, wenn mittels dieser Einrichtung eine Maske, beispielsweise ein Fadenkreuz, in die Feldblende eingebracht werden kann. Mit dieser Ausgestaltung kann das Mikroskop zu einem Autokollimationsfernrohr ausgestaltet werden. Diese Ausgestaltung eignet sich in besonders günstiger Weise für den bereits erläuterten Justiervorgang zum Auffinden der ersten und zweiten Drehachse. Nähere Erläuterungen hierzu finden sich wiederum im entsprechenden Ausführungsbeispiel.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist vorteilhaft folgende weitere Merkmale auf, insbesondere um die oben beschriebene Justierung der Drehachsen sowie die anschließende Reflexionsmessung weitgehend oder vollständig automatisieren zu können.
Es sind vorteilhafterweise Stellmittel vorhanden, um den Probenhalter um die erste und zweite Drehachse zu bewegen. Weiterhin sind für den ersten und zweiten z-Trieb und für eine x-y-Verschiebung des Probentisches Stellmittel vorhanden. Solche Stellmittel können manuell oder motorisch betrieben werden. Eine motorische Ansteuerung der Stellmittel ist für eine Automatisierung besonders vorteilhaft.
Um bei der Justierung und/oder der Reflexionsmessung die Positionen der genannten Stellmittel erfassen zu können, sind zweckmäßigerweise Messmittel vorhanden, mit denen Rotationen und Translationen erfassbar sind. Zur Messung der Rotationslage des optischen Bauteils kann beispielsweise ein kreisförmiger Ring am Probenhalter mit außen liegender Markierung bzw. Codierung vorhanden sein, die optisch und/oder elektronisch ausgelesen wird, so dass aus dieser Information die Position des optischen Bauteils relativ zu einer Bezugsposition bestimmt werden kann. Auf diese Weise können Punkte auf der sphärischen Fläche des optischen Bauteils beispielsweise durch Angabe von Längen- und Breitengraden exakt angegeben und aufgefunden werden. Für eine translatorische Bewegung in x-y-z-Richtung des Probenhalters können bekannte Messmittel zur Positionsdetektion eingesetzt werden, wie Linearkoordinaten mit Markierungen bzw. Codierungen, die wiederum optisch und/oder elektronisch ausgelesen werden können. Auch andere Methoden der Positionserkennung, beispielsweise mittels optischer Erfassung von Markern auf einem Bauteil, sind bekannt.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung der genannten motorischen Stellmittel vorhanden ist. Die Steuervorrichtung steht in Wirkverbindung mit den Messmitteln, um feststellen zu können, wann die gewünschte Position erreicht ist. Weiterhin ist zweckmäßig, wenn die Steuervorrichtung mit einer Autofokuseinrichtung in Wirkverbindung steht. Auf diese Weise können beispielsweise die oben beschriebenen Scheitelpositionen und Konfokalpositionen bei der Justierung automatisch angefahren werden. Analoges gilt für die oben beschriebenen alternativen Messverfahren des Autokollimationsfernrohrs, der Intensitätsmessung mit ihrem Maximum im Scheitelpunkt sowie der mechanischen Verschiebung um den Krümmungsradius. Sämtliche Varianten können über eine Steuervorrichtung, die von entsprechenden Steuerprogrammen angesteuert wird, automatisiert werden. Schließlich kann auch das Einlegen einer Planreferenz und/oder das Einlegen des optischen Bauteils in den Probenhalter automatisiert werden, so dass der Justiervorgang und der anschließende Vorgang der spektrometrischen Reflexionsmessung vollständig automatisiert ablaufen können.
Bei der spektrometrischen Reflexionsmessung können dann vorgegebene Messpositionen, also bestimmte Punkte auf der sphärischen Fläche des optischen Bauteils, angefahren und vermessen werden. Ein entsprechendes Steuerprogramm steuert beispielsweise den Ablauf eines vorgebbaren Messzyklus an ausgewählten Positionen auf der sphärischen Oberfläche.
Schließlich können die Messwerte der spektrometrischen Reflexionsmessung automatisch ausgewertet und beispielsweise gegen Sollwerte für optimale Reflexionsmesswerte verglichen werden. Auf diese Weise kann beispielsweise die sphärische Fläche oder ihre Beschichtung kartographiert werden, so dass die Qualität der Oberfläche bzw. der Beschichtung kartographisch dargestellt werden kann. Die genannten Sollwerte eignen sich auch für die Ableitung eines optischen, akustischen und/oder elektrischen Signals für den Fall einer Grenzwertüberschreitung eines Messwerts. Eine solche Grenzwertüberschreitung kann auf eine zu dünne oder nicht wirksame Beschichtung hinweisen.
Im Folgenden seien die Vorteile, die sich aus der vorliegenden Erfindung ergeben, nochmals zusammengefasst:
In optischen Systemen treffen einfallende Lichtstrahlen auf jede Linsenoberfläche und dort an jeder Stelle unterschiedlich auf. Die Unterschiede liegen im Polarisationszustand, im Winkelspektrum und im Einfallswinkel des jeweiligen Lichtstrahls begründet. Insbesondere Interferenzschichten ändern ihre Reflexionseigenschaften mit zunehmendem Einfallswinkel deutlich. Eine Verschlechterung vieler optischer Eigenschaften des optischen Systems, wie Kontrast oder Transmission in Abhängigkeit der Feldposition, sind die Folge. Ortsaufgelöste, spektrometrische Messungen an Linsenoberflächen mit einer definierten Beleuchtung (bezüglich Polarisationszustand, Winkelspektrum und Einfallswinkel) insbesondere in Übereinstimmung mit den realen im optischen System vorliegenden Bedingungen sind erstmals durch die vorliegende Erfindung möglich.
Durch die vorliegende Erfindung wird es möglich, sphärische, optisch abbildende (polierte) Oberflächen an beliebigen aber definierten Stellen bei lotrechtem oder schrägem Lichteinfall, definierten Polarisationseigenschaften und einem einstellbaren Winkelspektrum spektrometrisch zu vermessen. Damit können erstmals verlässliche Daten über die Reflexionseigenschaften von insbesondere beschichteten Oberflächen ermittelt werden. Diese Daten werden im Rahmen immer hochwertigerer Optik-Systeme zur Optimierung von Beschichtungen oder zur Evaluierung bekannter und neuer Beschichtungsverfahren benötigt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Reflexionsmessung gemäß vorliegender Erfindung;
2A–2C zeigen drei Situationen bei einem Justiervorgang zum Ausrichten eines zu vermessenden optischen Bauteils;
3 zeigt schematisch die Position eines optischen Bauteils bei der Reflexionsmessung an einem ausgewählten Punkt;
4A–4B zeigt schematische Detailansichten bei der Reflexionsmessung an unterschiedlichen Punkten einer sphärischen Fläche eines optischen Bauteils;
5A–5B zeigt eine Möglichkeit zur Messung unter einem bestimmten Einfallswinkel und/oder mit einem einstellbaren Winkelspektrum; und
6A–6C zeigt verschiedene Möglichkeiten zur Reflexionsmessung mit unterschiedlichen Polarisationszuständen.
Im Folgenden sollen die Figuren übergreifend erläutert werden.
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Reflexionsmessung an einer sphärischen Fläche eines optischen Bauteils nach Art eines Mikroskop-Spektrometers gemäß vorliegender Erfindung. Die Vorrichtung befindet sich in einer Ausgangssituation, wie sie weiter unten anhand von 2 näher erläutert werden soll.
Die Vorrichtung 10 zur Reflexionsmessung weist einen in x-y-z-Richtung verschiebbaren Probenhalter 3 auf, der in der genannten Ausgangssituation als Probe eine Planreferenz 7 trägt. Der Probenhalter 3 ist mit einem ersten linearen Trieb 18 ortsfest verbunden, der den x-y-Probenhalter 3 in z-Richtung bewegt. Der erste Trieb 18 ist seinerseits auf einem zweiten ebenfalls in z-Richtung beweglichen Trieb 19 befestigt. Die z-Richtung verläuft hierbei parallel zur optischen Achse der Fokussieroptik 11, während die x-y-Ebene senkrecht dazu steht.
Der Probenhalter 3 ist in einer Achse H drehbar gelagert. Der zweite Trieb 19 besitzt eine vertikal (in z-Richtung) verstellbare Drehachse F, die hier in der Fokusebene G des Objektivs 11 liegt. Nach Beendigung des Justiervorgangs, wie er anhand von 2 erläutert werden wird, stellt die Achse H die zweite Drehachse oder Azimutalachse 6 dar, während die Drehachse F dann die erste Drehachse oder Radialachse 5 für die Bewegung des Bauteils 1 bildet.
Der übrige Aufbau der Vorrichtung 10 zur Reflexionsmessung entspricht im Wesentlichen einem typischen Mikroskopaufbau 26 mit Auflichtachse. Über eine Beleuchtungsoptik 13 wird ein Messstrahlengang 14 erzeugt. Hierzu wird das Licht einer Lichtquelle 15 über entsprechende, hier nur schematisch dargestellte Linsen in einen parallelen Messstrahlengang 14 gebündelt. Die Beleuchtungsoptik weist weiterhin eine Aperturblende 12 sowie eine Feldblende 16 auf. Die Feldblende ist mit einer Einrichtung 17 zum Einschwenken einer Maske, beispielsweise einem Fadenkreuz, ausgestattet. In die Aperturblende 12 kann mittels einer Einrichtung 25 eine Maske, allgemein auch eine LCD, zur Änderung der Blendenöffnung und -form eingeschwenkt werden. Der Messstrahlengang 14 wird über einen Strahlenteiler 22 in den mikroskopischen Strahlengang eingekoppelt. Dieser mikroskopische Strahlengang wird von einem Mikroskop-Objektiv 11, das die Fokussieroptik darstellt, und einer Tubuslinse 20 definiert. Der Messstrahlengang 14 wird folglich über das Mikroskop-Objektiv 11 geleitet und als Messstrahl 4 auf die Probe, hier die Planreferenz 7 fokussiert.
Reflektiertes Licht wird wiederum über das Mikroskop-Objektiv 11 gesammelt und über die Tubuslinse 20 einem Detektor 21 zugeführt, der üblicherweise ein Spektrometer darstellt. Weiterhin kann ein Teil des mikroskopischen (Beobachtungs-)Strahlengangs über einen weiteren Strahlenteiler 23 in ein Okular 24 für die visuelle Beobachtung geleitet werden.
Anhand der 2 sei im Folgenden der Justiervorgang zum Auffinden der ersten und zweiten Drehachse und zum Ausrichten der sphärischen Fläche des optischen Bauteils in den Fokus der Fokussieroptik näher erläutert. Die 2A zeigt hierbei die Ausgangssituation entsprechend 1. 2B zeigt die Situation bei eingelegter Probe bzw. Linse 1 und 2C zeigt den letzten Schritt des Justiervorgangs. Nach dem Justiervorgang kann mit der eigentlichen Reflexionsmessung begonnen werden.
2A zeigt die Ausgangssituation, bei der die Planreferenz 7, beispielsweise ein Spiegel oder ein reflektierendes Glasplättchen, in den Probenhalter 3 eingelegt ist. Die Oberfläche der Planreferenz 7 wird auf die Höhe der Drehachse F des zweiten Triebs 19 einjustiert. Die Planreferenz 7 muss in der Ebene der Drehachse F liegen und einmalig einjustiert werden. Durch Einschwenken beispielsweise eines Fadenkreuzes als Maske 17 in die Feldblende 16 kann durch das Mikroskop-Objektiv 11 das Fadenkreuz auf die Planreferenz 7 projiziert werden. Auf diese Weise kann ein Anwender am Mikroskop (Okular oder CCD) erkennen, wenn die Scheitelposition erreicht ist. Mit "Scheitelposition" ist hier eine Position gemeint, in der der Fokus des Objektivs 11 auf der Oberfläche der Planreferenz 7 liegt. Mit diesem Kalibrierungsschritt (erster Schritt des Justiervorgangs) wird die Fokusebene mit der Drehachse F derart in Übereinstimmung gebracht, dass der Fokus auf der Drehachse F liegt. Alternativ zu diesem optisch durchgeführten Kalibrierungsschritt könnten auch einmalig Markierungen an den linearen Trieben gemacht werden, die den Kalibrierungszustand definieren. Ein solches Vorgehen wäre aber weniger genau als eine optische Kalibrierung.
2B zeigt die Situation nach Einlegen der Probe, also des optischen Bauteils, hier der Linse 1. Die Linse 1 mit Flächenradius R1 wird in den Probenhalter 3 eingelegt. Die Position der Linse 1 im Probenhalter 3 entspricht hierbei derjenigen bei der späteren Reflexionsmessung. Mit dem ersten z-Trieb 18 wird die Linse 1 in die Konfokalposition gebracht, d. h. der Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche der Linse 1 fällt mit dem Fokus des Mikroskop-Objektivs 11 zusammen. Im vorliegenden Fall wird mittels des ersten z-Triebs 18 der Probenhalter 3 nach oben verschoben, wobei die Konfokalposition beispielsweise vom Anwender wiederum mit einem projizierten Fadenkreuz erkannt werden kann. Hierdurch wird die Funktion eines Autokollimationsfernrohrs in das Mikroskop integriert. Mithilfe dieses Autokollimationsfernrohrs kann die Linse 1 auch mittig zur optischen Achse des Objektivs 11 verfahren werden, indem das Bild des Fadenkreuzes mittig zum Mikroskopfeld durch laterale Verschiebung des Probenhalters 3 in x-y-Richtung eingestellt wird. Der Scheitelpunkt der Linse 1 liegt somit in der optischen Achse des Objektivs 11. Somit ist auch die Drehachse H festgelegt.
Im dritten und letzten in 2C dargestellten Schritt wird mit dem zweiten z-Trieb 19 die Linse 1 in die Scheitelposition (Fokus des Objektivs 11 liegt auf dem Scheitelpunkt der Linse 1) gefahren. Auch diese Position kann wiederum mithilfe des Autokollimationsfernrohrs eingestellt werden. Im dargestellten Fall bewegt der zweite z-Trieb 19 den ersten z-Trieb 18 samt Probenhalter 3 in z-Richtung nach unten. Der Verschiebebetrag entspricht dem Krümmungsradius der Linse 1. Somit beträgt der Abstand von der Linsenoberfläche im Scheitelpunkt der Linse 1 zur Drehachse F das Maß des Radius der sphärischen Linsenoberfläche. Der Aufbau kann nach dieser Justage um die Drehachse F geschwenkt werden, die nunmehr mit der ersten Drehachse (Radialachse) 5 übereinstimmt. Dabei bleibt die senkrechte Beleuchtung der Linsenoberfläche erhalten. Gleiches gilt für die Drehachse H, die nun mit der zweiten Drehachse (Azimutalachse) 6 übereinstimmt.
Ergänzend sei angemerkt, dass die beschriebenen Autokollimationsvorgänge auch mittels eines Autofokussystems automatisiert werden können. Auch die im allgemeinen Beschreibungsteil erläuterten alternativen Verfahren, Messung der reflektierten Intensität, die am Scheitelpunkt maximal wird, oder Verschieben um den Betrag des bekannten Linsenradius, können ergänzend oder alternativ zum Einsatz kommen. Weiterhin können alle Rotationsachsen sowie alle Lateralachsen motorisch und insbesondere in Verbindung mit einem Autofokussystem automatisiert werden.
3 zeigt schematisch den Zustand bei der Reflexionsmessung an einem ausgewählten Punkt auf der sphärischen Fläche 2 einer Linse 1. Die Linse 1 befindet sich in der anhand der 1 und 2 bereits ausführlich beschriebenen Konstruktion mit Probenhalter 3. Die Doppelpfeile in 3 zeigen die möglichen Freiheitsgrade für eine Bewegung der Linse 1 an. Nach erfolgreicher Justierung (vgl. 2) wird eine Bewegung in x-y-Richtung des Probenhalters 3 sowie in z-Richtung mittels der Triebe 18 und 19 nicht mehr notwendig sein. Vielmehr befindet sich der Fokus des Messstrahls 4 auf der Oberfläche der Linse 1. Die Fokussierung erfolgt wiederum durch eine Fokussieroptik bzw. einem Mikroskop-Objektiv 11. Die Bewegung der Linse 1 erfolgt durch Drehen derselbigen über die zwei folgenden Drehachsen: Die erste Drehachse oder Radialachse 5, die in 3 senkrecht zur Zeichenebene steht und durch den Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche 2 verläuft, sowie die zweite Drehachse oder Azimutalachse 6, die durch den Scheitelpunkt der Linse 1 und somit senkrecht zur x-y-Ebene des Probenhalters 3 verläuft und ortsfest in der Linse 1 verbleibt.
Die Reflexionsmessung erfolgt wie folgt: Eine Drehung um die Radialachse 5 bewirkt eine Verkippung der dargestellten Konstruktion, hier um 45°, ausgehend von der Situation gemäß 2C nach erfolgter Justage. Allgemein bewirkt eine Drehung um die Radialachse 5 folglich eine Verkippung oder eine relative Bewegung des Fokus entlang eines Längengrads der sphärischen Fläche 2. Eine Drehung um die Azimutalachse 6 bewirkt eine relative Bewegung des Fokus des Messstrahls 4 entlang eines Breitengrads der sphärischen Fläche 2 der Linse 1. Auf diese Weise ist jeder Punkt der sphärischen Fläche 2 der Linse 1 mit dem Fokus des Messstrahls 4 anfahrbar und somit der Reflexionsmessung zugänglich. Gleichzeitig ist ein lotrechter Einfall des Messstrahls 4 für jeden zu vermessenden Punkt auf der sphärischen Fläche 2 garantiert. Gut sichtbar ist auch die Kopplung der Azimutalachse 6 an die Radialachse 5. Bei Drehung der Linse 1 um die Radialachse 5 ändert die in der Linse 1 festliegende Azimutalachse 6 ihre räumliche Lage.
4 zeigt schematisch eine Detailansicht eines senkrecht auf die sphärische Fläche 2 einer Linse (allgemein ein optisches Bauteil) 1 einfallenden Messstrahlengangs 14 und seine Detektion mittels eines Detektors 21 zur Reflexionsmessung. Der grundsätzliche Aufbau hierzu wurde bereits im Zusammenhang mit den vorangehenden Figuren ausführlich erläutert.
4A entspricht beispielsweise einer Situation, wie sie am Ende der Justage in 2C vorliegt. Der zur Reflexionsmessung verwendete Messstrahl 4 entspricht dem auf die sphärische Fläche 2 fokussierten Messstrahlengang 14. Die sphärische Fläche besitzt den Radius R1. Die Fokussierung erfolgt durch eine Fokussieroptik 11, hier wiederum ein Mikroskop-Objektiv der Apertur NA und der Brennweite f. Bei Verwendung einer Aperturblende 12 (vgl. 1) mit Durchmesser d(ap) beträgt die numerische Apertur NA = d(ap)/2/f. Wie aus 4A ersichtlich, wird der Ort der Probe mit dem entsprechenden Winkelspektrum beleuchtet. Dieses reicht von 0° bis ±arcsin (NA).
4B zeigt eine Situation bei einer Reflexionsmessung an einem anderen Ort der sphärischen Fläche 2 der Linse 1. Hier erfolgte gegenüber der Situation aus 4A eine Verkippung durch entsprechende Drehung um die Radialachse 5 (vgl. 3). Der zu vermessende Punkt liegt nunmehr an der Linsenperipherie. Das Winkelspektrum, mit dem die Probe beleuchtet wird, ist gleich demjenigen gemäß 4A. Die im Zusammenhang mit den vorangehenden Figuren erläuterte mechanische Konstruktion erlaubt es, die Linse 1 genau um den Krümmungsmittelpunkt 27 der sphärischen Fläche 2 der Linse 1 zu drehen.
In beiden Fällen der 4A und 4B erfolgt die Detektion des reflektierten Lichtes wiederum mittels des Mikroskop-Objektivs 11, das über den Strahlteiler 22 und der Tubuslinse 20 in einen Detektor 21 (oder einen Lichtleiter, der zu einem Detektor führt) fokussiert wird. Bei dem Detektor 21 handelt es sich beispielsweise um ein Spektrometer, das wellenlängenabhängig die Intensität des von der sphärischen Fläche 2 reflektierten Lichtes bestimmt. Durch Vermessung mehrerer Punkte auf der sphärischen Fläche 2 ist es möglich, die Güte einer Beschichtung der Linse 1 ortsaufgelöst zu bestimmen.
5 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 4. Insofern sei auf die entsprechenden Erläuterungen in Zusammenhang mit 4 verwiesen. Im Unterschied zu dem Aufbau gemäß 4 werden bei dem Aufbau gemäß 5 ein anderes Winkelspektrum und/oder ein anderer Einfallswinkel des auf die sphärische Fläche 2 treffenden Messstrahls 4 gewählt.
Hierzu wird mittels der Einrichtung 25 zur Änderung der Blendenform der Aperturblende 12 (vgl. 1) in 5A der Blendendurchmesser wie dargestellt verringert. Bei einem sehr kleinen Durchmesser d(ap) kann, wie in 5A dargestellt, mit Einfallswinkel nahe 0° bei geringem Winkelspektrum gemessen werden. Dies ist für die Praxis der Reflexionsmessung häufig von Vorteil.
Eine andere Art der Blendenform wurde für 5B verwendet. Als Aperturblende dient hier eine Ringblende mit dem Ringdurchmesser r(ap). Die Ringblende erzeugt einen ringförmigen Messstrahlengang 14, wobei der Durchmesser des in 5B dargestellten Randstrahls d(ap) beträgt. Der auf die sphärische Fläche 2 auftreffende Messstrahl 4 trifft somit unter einem Einfallswinkel auf die sphärische Fläche 2 der Linse 1. Der mittlere Einfallswinkel beträgt hierbei arcsin(r(ap)/f). Das Winkelspektrum des Messstrahls 4 beträgt arcsin(r(ap)/f) ± arcsin(d(ap)/2/f).
Aus den 5A und 5B ist somit die Wirkung verschiedener Aperturblenden auf Einfallswinkel und/oder Winkelspektrum des zur Reflexionsmessung verwendeten Messstrahls ersichtlich. Tatsächlich ist es zur Nachbildung realer optischer Begebenheiten häufig zweckmäßig, Reflexionsmessungen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln und/oder unterschiedlichen Winkelspektren vorzunehmen.
Schließlich kann die Reflexionsmessung auch von dem Polarisationszustand des auf die Probe auffallenden Messstrahls abhängen. Entsprechende Erläuterungen seien im Folgenden anhand von 6 gegeben. Durch eine segmentierte Aperturblende 12 (vgl. 1), wie sie sich beispielsweise mittels einer LCD in einfacher Weise realisieren lässt, kann der Polarisationszustand gewählt werden, für den die Reflexionsmessung erfolgen soll.
6A zeigt hierfür einen geeigneten Aufbau zur Reflexionsmessung in Detailansicht, wie er anhand der vorangehenden Figuren bereits ausführlich beschrieben worden ist. Die x-y-Ebene liegt senkrecht zur z-Richtung. Wie aus dem oberen Teil der 6A ersichtlich, ist das verwendete Beleuchtungslicht in der Apertur linear polarisiert, in diesem Fall parallel zur x-Richtung.
Wie anhand von 6B dargestellt, ergeben sich im Fokus des Objektivs 11 im dreidimensionalen Raum unterschiedliche Polarisationszustände des Beleuchtungslichts relativ zur Probe, hier das optische Bauteil 1. Die Polarisationszustände sind abhängig davon, wie das Licht in Bezug zur Einfallsebene schwingt. Wählt man als Einfallsebene die x-z-Ebene, ergibt sich die in 6B im oberen Teil dargestellte TM-Polarisierung. Die Vektoren des elektrischen Feldes schwingen parallel zur x-z-Ebene.
Der andere Extremfall ist durch die Wahl der y-z-Ebene als Einfallsebene in 6B, unterer Teil, dargestellt. Es ergibt sich eine TE-Polarisierung, bei der die Vektoren senkrecht zur Zeichenebene schwingen. Somit kann durch geeignete Wahl der Beleuchtungsposition nicht nur, wie oben beschrieben, der Einfallswinkel sowie das Winkelspektrum eingestellt werden, sondern auch der Polarisationszustand relativ zur Probe. Dies sei anhand 6C verdeutlicht: Der Ort der Beleuchtungsposition sei in radialer Richtung durch r(ap) gegeben, wodurch der (mittlere) Einfallswinkel festgelegt wird. Durch Wahl des Durchmessers d(ap) ergibt sich das Winkelspektrum. Schließlich wird durch Wahl der Azimutalposition der Polarisationszustand relativ zur Probeeingestellt.
In 6C, oberste Position, fällt das Beleuchtungslicht in die Peripherie der x-y-Ebene entlang der x-Achse. Die Beleuchtung erfolgt somit mit p-polarisiertem Licht (TM). In der mittleren Position der 6C ist dargestellt, wie wiederum in der Peripherie der x-y-Ebene, diesmal aber entlang der y-Achse die Probe bestrahlt wird. Es ergibt sich eine s-Polarisierung (TE). In diesem Beispiel wurden zur Erhöhung der Lichtmenge zwei Blendenöffnungen gewählt, prinzipiell ist auch eine Blendenöffnung ausreichend. Schließlich kann durch Einsatz einer Ringblende, wie in der untersten Position der 6C dargestellt, eine zufällige Polarisationsverteilung eingestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: optisches Bauteil, Linse
2: sphärische Fläche
3: Probenhalter
4: Messstrahl
5: erste Drehachse (Radialachse; Referenz für Fokusebene)
6: zweite Drehachse (Azimutalachse)
7: Planreferenz
10: Vorrichtung zur Reflexionsmessung
11: Fokussieroptik, Mikroskop-Objektiv
12: Aperturblende
13: Beleuchtungsoptik
14: Messstrahlengang
15: Lichtquelle
16: Feldblende
17: Maskeneinschwenkeinrichtung
18: erster Trieb
19: zweiter Trieb
20: Tubuslinse
21: Detektor, Spektrometer
22: Strahlenteiler
23: Strahlenteiler
24: Okular
25: Maskeneinschwenkeinrichtung
26: Mikroskopaufbau
27: Krümmungsmittelpunkt
F: mechanische Drehachse
G: Fokusebene
H: Drehachse des Probenhalters

Claims

Verfahren zur spektrometrischen Reflexionsmessung an einer sphärischen Fläche (2) eines optischen Bauteils (1), wobei zur Reflexionsmessung ein an der sphärischen Fläche (2) des optischen Bauteils reflektierter Messstrahl (4) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein senkrecht auf die sphärische Fläche (2) einfallender Messstrahlengang (14) mittels einer Fokussieroptik (11) auf die sphärische Fläche (2) fokussiert wird, wobei anschließend zur Reflexionsmessung an einem beliebigen Punkt auf der sphärischen Fläche (2) das optische Bauteil (1) um zwei zueinander senkrechte und durch den Krümmungsmittelpunkt (27) der sphärischen Fläche (2) verlaufende Drehachsen (5, 6) bewegt wird, wobei während der Bewegung des Bauteils (1) der Fokus des Messstrahlengangs (14) unverändert auf der sphärischen Fläche (2) des Bauteils (1) verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einsetzen einer Aperturblende (12) in den Messstrahlengang (14) der Einfallswinkel und/oder das Winkelspektrum des auf die sphärische Fläche (2) treffenden Messstrahls (4) vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass polarisiertes Licht für den Messstrahlengang (14) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche unter Verwendung eines in x-y-z-Richtung verschiebbaren Probenhalters (3) für das optische Bauteil (1), wobei eine z-Achse parallel zur optischen Achse der Fokussieroptik (11) verläuft, wobei zum Auffinden der ersten Drehachse (5) eine mechanische Drehachse (F) des Probenhalters (3) vorgegeben wird, die in die Position der ersten Drehachse (5) justiert wird, indem zunächst diese mechanische Drehachse (F), um die der Probenhalter (3) gedreht werden kann und die senkrecht zur z-Achse verläuft und in z-Richtung verschiebbar ist, derart justiert wird, dass diese mechanische Drehachse (F) durch den Fokus der Fokussieroptik (11) verläuft, wenn das optische Bauteil (1) sich nicht im Probenhalter (3) befindet, wobei anschließend das optische Bauteil (1) in den Probenhalter (3) eingelegt wird und bei festgehaltener mechanischer Drehachse (F) der Probenhalter (3) in x-y-z-Richtung derart verschoben wird, dass der Krümmungsmittelpunkt (27) der sphärischen Fläche (2) des optischen Bauteils (1) in den Fokus der Fokussieroptik (11) gebracht wird, und wobei daraufhin die mechanische Drehachse (F) zusammen mit dem Probenhalter (3) in z-Richtung derart verschoben wird, dass der Fokus der Fokussieroptik (11) im Scheitelpunkt der sphärischen Fläche (2) liegt, wobei für die anschließende Reflexionsmessung die mechanische Drehachse (F) bei dieser erreichten z-Position als erste Drehachse (5) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Auffinden der zweiten Drehachse (6) das optische Bauteil (1) in einen bzw. den in x-y-z-Richtung verschiebbaren Probenhalter (3) eingelegt wird, wobei der Probenhalter (3) solange verschoben wird, bis die optische Achse der Fokussieroptik (11) durch den Scheitelpunkt der sphärischen Fläche (2) des optischen Bauteils (1) verläuft, wobei für die anschließende Reflexionsmessung diese Achse als zweite Drehachse (6) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Auffinden der zweiten Drehachse (6) diese ortsfest im optischen Bauteil verbleibt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fokussieroptik (11) ein Mikroskop-Objektiv oder eine Fokussierlinse verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (11) auch zur Aufnahme des von der sphärischen Fläche (2) reflektierten Lichts verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als optisches Bauteil (1) eine Linse mit einer zumindest zum Teil sphärischen Linsenoberfläche verwendet wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 mit: einem Probenhalter (3) zur Aufnahme des optischen Bauteils (1), einer eine Lichtquelle (15) aufweisenden Beleuchtungsoptik (13) zur Erzeugung eines Messstrahlengangs (14), und einer Fokussieroptik (11) zum Fokussieren des senkrecht auf die sphärische Fläche (2) einfallenden Messstrahlengangs (14) auf die sphärische Fläche (2) des optischen Bauteils (1), wobei der Probenhalter (3) derart verschiebbar und drehbar eingerichtet ist, dass die Position des optischen Bauteils (1) relativ zum feststehenden Messstrahlengang (14) durch Bewegen um zwei zueinander senkrechte und durch den Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Fläche (2) verlaufende Drehachsen (5, 6) veränderbar ist, wobei während der Bewegung des Bauteils (1) der Fokus des Messstrahlengangs (14) unverändert auf der sphärischen Fläche (2) des Bauteils (1) verbleibt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Probenhalter (3) Mittel für eine automatische Verschiebung in x-y-z-Richtung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenhalter (3) mit einem in z-Richtung beweglichen ersten Trieb (18) ortsfest verbunden ist, wobei der erste Trieb (18) auf einem zweiten in z-Richtung beweglichen Trieb (19) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Trieb (19) eine vertikal verstellbare mechanische Drehachse (F) besitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenhalter (3) in einer Achse (H) drehbar gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (11) ein Mikroskop-Objektiv oder eine Fokussierlinse darstellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokussieroptik (11) eine Tubuslinse (20) nachgeschaltet ist, die einen mikroskopischen Strahlengang definieren, und dass ein Detektor (21) zur Reflexionsmessung in der Bildebene des mikroskopischen Strahlengangs angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlenteiler (22) zur Einkopplung des Messstrahlengangs (14) in den mikroskopischen Strahlengang der Fokussieroptik (11) nachgeschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsoptik (13) eine Einrichtung (25) zum Ändern der Blendenform einer Aperturblende (12) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsoptik (13) eine Einrichtung (17) zum Ändern der Blendenform einer Feldblende (16) aufweist.