DE10325601B3 - Switchable point light source array and its use in interferometry - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein schaltbares Punktlichtquellen-Array sowie dessen Verwendung zur interferometrischen Vermessung von Prüflingsoberflächen. Das Punktlichtquellen-Array besteht aus einem Flüssigkristalldisplay, einem hinter dem Flüssigkristalldisplay angeordneten Mikrolinsen-Array, durch das der Eingangsstrahl nach Durchgang durch das Flüssigkristalldisplay in einzelne Teilstrahlen aufgespaltet wird, und einem Lochblenden-Array. Das Lochblenden-Array ist derart ausgebildet und hinter dem Mikrolinsen-Array angeordnet, dass nur eine durch Beugung an einem in das Flüssigkristalldisplay eingeschriebenen Beugungsmuster einstehende erste oder höhere Beugungsordnung der Teilstrahlen auf Blendenöffnung des Lochblenden-Arrays trifft. DOLLAR A Durch Einbau des Punktlichquellen-Arrays in ein Interferometer lassen sich sehr genau bekannte Wellenfronten unterschiedlicher Ausbreitungsrichtung als Referenzwellen erzeugen, die sich unabhängig voneinander schalten und in ihrer Phase schieben lassen.The present invention relates to a switchable point source array and its use for interferometric measurement of Prüflingsoberflächen. The point light source array consists of a liquid crystal display, a microlens array arranged behind the liquid crystal display, through which the input beam is split into individual partial beams after passing through the liquid crystal display, and a pinhole array. The pinhole array is designed and arranged behind the microlens array such that only a first or higher diffraction order of the partial beams impinging on the aperture opening of the pinhole array occurs due to diffraction at a diffraction pattern inscribed in the liquid crystal display. DOLLAR A By incorporating the point source array in an interferometer can be very well known wavefronts of different propagation direction generate reference waves, which can be switched independently and push in their phase.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft ein schaltbares Punktlichtquellen-Array, das aus einem kohärenten optischen Eingangsstrahl eine Vielzahl von unabhängig voneinander schaltbaren Punktlichtquellen bildet, sowie dessen Verwendung in einem Interferometer zur interferometrischen Vermessung der Wellenfront eines Objektstrahls.The The present invention relates to a switchable point light source array, that of a coherent optical Input beam a variety of independently switchable Point light sources forms, as well as its use in an interferometer for the interferometric measurement of the wavefront of an object beam.

Die interferometrische Vermessung stark asphärischer Oberflächen ist eine in der optischen Messtechnik erst unbefriedigend gelöste Aufgabe. Bei dieser Vermessungstechnik wird ein Objektstrahl des Interferometers an der zu vermessenden Oberfläche reflektiert und mit einem ungestörten Referenzstrahl überlagert, um aus der Interferenz der beiden Strahlen die Objektoberfläche zu rekonstruieren. Während dies bei der Vermessung sphärischer Oberflächen durch Erzeugung einer Objektwelle mit einer an die zu vermessende Oberfläche angepassten sphärischen Wellenfront in der Regel ohne Probleme möglich ist, können bei der Vermessung asphärischer Oberflächen durch zu starke Abweichungen der Oberflächenform des Prüflings von der sphärischen Objektwellenfront abschnittsweise starke Verkippungen der reflektierten Objektwellen gegenüber der Referenzwelle auftreten, die zu hohen, mit den Messsensoren nicht mehr auflösbaren Streifendichten im auszuwertenden Interferogramm führen.The interferometric measurement of strongly aspherical surfaces an unsatisfactorily solved task in optical metrology. In this measurement technique, an object beam of the interferometer on the surface to be measured reflected and with an undisturbed Superimposed reference beam, to reconstruct the object surface from the interference of the two rays. While this in the measurement of spherical surfaces by generating an object wave with a surface adapted to the surface to be measured spherical Wavefront usually without any problems is possible at the measurement of aspherical surfaces due to excessive deviations of the surface form of the test piece from the spherical one Object wavefront sections strong tilting of the reflected Object waves opposite the Reference wave occur too high, with the measuring sensors not more resolvable stripe densities in the interferogram to be evaluated.

Zur Vermeidung dieser Problematik ist es beispielsweise aus H. J. Tiziani et al., „Testing of aspheric surfaces", Proc. SPIE, 4440, 2001, 109–119, bekannt, Computer-generierte, lithographisch gefertigte Hologramme im Objektstrahlengang einzusetzen, die die Wellenfront des Objektstrahls derart verformen, dass sie senkrecht auf die zu prüfende Oberfläche auftrifft. Bei dieser auch als Nulltest bezeichneten Technik zeigt das aufgenommene Interferogramm nur noch die Abweichung der zu prüfenden Oberfläche von einer Sollform. Computer-generierte Hologramme ermöglichen damit eine schnelle und hochgenaue Vermessung asphärischer Prüflinge. Allerdings muss hierbei für jede Prüflingsform ein separates Computer-generiertes Hologramm gefertigt werden. Dies erfordert einen erheblichen Zeit- und Kostenaufwand.to Avoiding this problem is for example from H. J. Tiziani et al., "Testing of aspheric surfaces ", Proc. SPIE, 4440, 2001, 109-119, known, computer-generated, lithographically crafted holograms in the object beam path, which is the wavefront of the object beam deform so that it impinges perpendicular to the surface to be tested. In this technique, also referred to as zero test shows the recorded Interferogram only the deviation of the surface to be tested from a nominal shape. Enable computer-generated holograms thus a fast and highly accurate measurement aspherical Examinees. However, this must be for every test piece shape a separate computer-generated hologram be made. This requires a considerable amount of time and money.

Aus Y.-M. Liu et al., „Subaperture testing of aspheres with anular zone", Appl. Opt., Vol.27, No.21, 1988, 4504–4513, oder aus M. Melozzi, et al., „Testing aspheric surfaces using multipe anular interferogram", Opt. Eng., 32 5, 1993, 1073–1079, ist eine Technik zur Vermessung der Oberfläche von rotationssymmetrischen Prüflingen bekannt, bei der bspw. in einem Twyman-Green-Interferometer mehrere Einzelmessungen mit sphärischen Wellenfronten verschiedener Radien durchgeführt werden, mit denen der Prüfling beleuchtet wird. Dadurch wird erreicht, dass bei jeder dieser Einzelmessungen ein unterschiedlicher ringförmiger Bereich des Prüflings annähernd senkrecht von der Wellenfront getroffen wird, so dass dieser Bereich bei der jeweiligen Einzelmessung gut interferometrisch auswertbar ist. Nach dieser abschnittsweisen Vermessung aller Oberflächenbereiche des Prüflings müssen die Ergebnisse der Einzelmessungen unter Berücksichtigung von Propagationseffekten zusammengefügt werden, um die gesamte Prüflingsoberfläche zu rekonstruieren. Zur Erzeugung der sphärischen Wellenfronten unterschiedlicher Radien wird zwischen den Einzelmessungen entweder der Prüfling oder die Interferometeroptik, d. h. die zur Erzeugung der sphärischen Wellenfront eingesetzte Linse, mechanisch verschoben. Die Positioniergenauigkeit der dabei eingesetzten mechanischen Verschiebeeinheiten beschränkt allerdings die Messgenauigkeit dieses Verfahrens. Das Aneinanderfügen (Stitching/Sewing) der einzelnen Bereiche ist außerdem in diesem Fall mathematisch sehr aufwendig, weil durch die Verschiebung der Elemente Propagationseffekte zwischen den einzelnen Messungen berücksichtigt werden müssen.Out Y.-M. Liu et al., "Subaperture testing of aspheres with anular zone ", Appl. Opt., Vol.27, No.21, 1988, 4504-4513, or from M. Melozzi, et al., Testing aspheric surfaces using multipe anular interferogram ", Opt. Eng., 32 5, 1993, 1073-1079, is a technique for measuring the surface of rotationally symmetric specimens in the case of, for example, in a Twyman-Green interferometer several individual measurements with spherical Wavefront different radii are performed, with which the specimen is illuminated. This ensures that in each of these individual measurements different annular area of the DUT nearly is taken perpendicularly from the wavefront, so this area can be evaluated well interferometrically with the respective single measurement is. After this section-wise measurement of all surface areas of the test piece have to the results of the individual measurements taking into account propagation effects together to reconstruct the entire UUT surface. To produce the spherical Wavefronts of different radii will be between the individual measurements either the examinee or the interferometer optics, d. H. which is used to produce the spherical Wavefront lens inserted, mechanically shifted. The positioning accuracy However, the mechanical displacement units used thereby limited the measurement accuracy of this method. The stitching (stitching / sewing) the individual areas is as well in this case mathematically very complicated, because of the shift of the elements Propagation effects between the individual measurements considered Need to become.

Weiterhin sind interferometrische Krümmungssensoren bekannt, die abschnittsweise die lokale Krümmung des Prüflings messen, wobei die Form des Prüflings durch zweifache Integration rekonstruiert wird. Die hierbei erforderliche punktweise Vermessung ist jedoch ebenso wie die bekannte taktile Vermessung des Prüflings mit einer Koordinatenmessmaschine sehr zeitaufwendig.Farther are interferometric curvature sensors known, which measure in sections the local curvature of the specimen, taking the form of the test piece is reconstructed by two-fold integration. The required here Pointwise surveying, however, is just as well known as the tactile one Measurement of the test object very time consuming with a coordinate measuring machine.

Eine weiterhin bekannte nicht-interferometrische Methode zur Vermessung asphärischer Oberflächen setzt sog. Shack-Hartmann-Sensoren zur Untersuchung einer vom Prüfling reflektierten Wellenfront ein. Bei diesen Sensoren ist die Messpunktdichte jedoch durch die Anzahl der eingesetzten Mikrolinsen vorgegeben und somit im Vergleich zu flächenhaften interferometrischen Messmethoden gering.A furthermore known non-interferometric method for surveying aspherical Surfaces uses so-called Shack-Hartmann sensors for examining a specimen reflected from the specimen Wave front. However, with these sensors, the measuring point density is predetermined by the number of microlenses used and thus compared to areal interferometric measurement methods low.

G. Wernicke et al.: "Das digital-optische Lasersystem", in: Humboldt-Spektrum 1/2003, S. 54–57, beschreiben Einsatzmöglichkeiten räumlicher Lichtmodulatoren, wobei unter anderem auf die Verwendung eines Lichtmodulators als Gitter mit schaltbarem Beugungswinkel hingewiesen wird.G. Wernicke et al .: "The Digital Optical Laser System", in: Humboldt-Spektrum 1/2003, S. 54-57, be write applications of spatial light modulators, among other things, the use of a light modulator is referred to as a grid with switchable diffraction angle.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung für den Einsatz bei der interferometrischen Vermessung von Oberflächen anzugeben, die eine flexible Anpassung an unterschiedliche asphärische Prüflingsoberflächen sowie die genaue Vermessung dieser Oberflächen ermöglicht.outgoing from this prior art, the object of the present Invention therein, an apparatus for use in the interferometric Measurement of surfaces specify a flexible adaptation to different aspherical UUT surfaces as well allows accurate measurement of these surfaces.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem schaltbaren Punktlichtquellen-Array gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Patentansprüche 8 bis 11 geben bevorzugte Verwendungen dieses Punktlichtquellen-Arrays an. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Punktlichtquellen-Arrays sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The Task is with the switchable point light source array according to claim 1 solved. The claims 8 through 11 give preferred uses of this point light source array at. Advantageous embodiments of the point light source array are Subject of the dependent claims or can be the following description and the embodiments remove.

Das erfindungsgemäße schaltbare Punktlichtquellen-Array bildet aus einem kohärenten optischen Eingangsstrahl eine Vielzahl von unabhängig voneinander schaltbaren Punktlichtquellen, die zusätzlich in ihrer Phase verschoben werden können. Das Punktlichtquellen-Array besteht aus einem räumlichen Lichtmodulator mit einer Vielzahl elektrisch adressierbarer Pixel, durch die in Teilbereichen des Lichtmodulators Beugungsmuster zur Beugung des Eingangsstrahls erzeugbar sind, einem hinter dem Lichtmodulator angeordneten Mikrolinsen-Array, durch das der Eingangsstrahl nach Durchgang durch den Lichtmodulator in einzelne Teilstrahlen aufgespaltet wird, und einem hinter dem Mikrolinsen-Array angeordneten Lochblenden-Array. Das Lochblenden-Array ist derart ausgebildet und relativ zum Mikrolinsen-Array angeordnet, dass nur eine erste oder höhere Beugungsordnung der Teilstrahlen, die durch Beugung an einem in den Lichtmodulator eingeschriebenen Beugungsmuster entsteht, auf Blendenöffnungen des Lochblenden-Arrays trifft.The Switchable according to the invention Point light source array forms from a coherent optical input beam a variety of independently switchable Point light sources, in addition can be postponed in their phase. The point light source array consists of a spatial Light modulator with a plurality of electrically addressable pixels, diffraction patterns in the partial regions of the light modulator Diffraction of the input beam can be generated, one behind the light modulator arranged microlens array, through the input beam after passing through the light modulator is split into individual sub-beams, and one behind the Microlens array arranged pinhole array. The pinhole array is designed and relatively arranged to microlens array that only a first or higher diffraction order the partial beams, by diffraction at one in the light modulator inscribed diffraction pattern arises on apertures of the pinhole array hits.

Durch diese Ausbildung und Anordnung des Lochblenden-Arrays wird somit verhindert, dass die nullte Beugungsordnung der Teilstrahlen oder ungebeugte Teilstrahlen durch das Lochblenden-Array hindurch – treten. Durch Einschreiben eines geeigneten Beugungsmusters, vorzugsweise eines Streifengitters, in einen mit einer der Mikrolinsen des Mikrolinsen-Arrays deckungsgleichen Bereich des Lichtmodulators kann somit die erste (oder eine höhere) Beugungsordnung des mit der Mikrolinse gebildeten Teilstrahls durch das Lochblenden-Array hindurchtreten, während die anderen Teilstrahlen durch das Lochblenden-Array blockiert werden. Die dieser Mikrolinse zugeordnete Blendenöffnung im Lochblenden-Array stellt in diesem Fall eine annähernd punktförmige Lichtquelle dar. Auf diese Weise lassen sich durch geeignete Ansteuerung des Lichtmodulators beliebig weitere Teilstrahlen und somit weitere Punktlichtquellen zu- oder abschalten. Das Lochblenden-Array befindet sich dabei vorzugsweise exakt in der Brennebene des Mikrolinsen-Arrays, so dass entsprechend kleine Blendenöffnungen im Lochblenden-Array eingesetzt werden können.By this design and arrangement of the pinhole array is thus prevents the zeroth diffraction order of the partial beams or undeflected partial beams pass through the pinhole array. By writing a suitable diffraction pattern, preferably a stripe grid, into one with one of the microlenses of the microlens array congruent region of the light modulator can thus be the first (or higher) Diffraction order of the partial beam formed by the microlens pass through the pinhole array while the other sub-beams blocked by the pinhole array. The microlens assigned aperture in the pinhole array represents in this case an approximately punctiform light source In this way, by appropriate control of the Light modulator any further sub-beams and thus more Switch point light sources on or off. The pinhole array is located thereby preferably exactly in the focal plane of the microlens array, so that correspondingly small apertures are used in the pinhole array can be.

Die Parameter des erzeugten Beugungsmusters, im Falle des Streifengitters der Streifenabstand, werden dabei selbstverständlich so eingestellt, dass die gewünschte Beugungsordnung, vorzugsweise die erste Ordnung, durch die entsprechende Blendenöffnung hindurchtritt. Durch Verschieben des Beugungsmusters lässt sich auf diese Weise auch die Phase in dem durch die Lochblende hindurch tretenden Teilstrahl definiert verschieben.The Parameters of the generated diffraction pattern, in the case of the strip grating the strip spacing, are of course set so that the desired Diffraction order, preferably the first order, by the corresponding aperture passes. By moving the diffraction pattern can be in this way, the phase in which through the pinhole Moving sub-beam defined move.

Als Lichtmodulator wird vorzugsweise ein Flüssigkristalldisplay (LCD) eingesetzt. Es lassen sich jedoch auch andere Elemente wie beispielsweise ein Kippspiegelarray einsetzen, wobei in letzterem Fall die vom Kippspiegelarray reflektierten Teilstrahlen über einen Strahlteiler und das Mikrolinsenarray auf das Lochblendenarray abgebildet werden können. Im Folgenden wird auf den Einsatz eines Flüssigkristalldisplays Bezug genommen, wobei die Ausführungen selbstverständlich auch für andere Lichtmodulatoren gelten.When Light modulator, a liquid crystal display (LCD) is preferably used. However, it can also be other elements such as a Insert tilting mirror array, in the latter case, that of Kippspiegelarray reflected partial beams over a beam splitter and the microlens array on the pinhole array can be displayed. In the following, reference will be made to the use of a liquid crystal display, the designs Of course also for other light modulators apply.

Das eingesetzte Mikrolinsen-Array weist vorzugsweise eine zentrale Mikrolinse auf, um die beispielsweise rotationssymmetrisch oder gemäß einem quadratischen Raster weitere Reihen von Mikrolinsen angeordnet sind.The used microlens array preferably has a central microlens on, for example, rotationally symmetric or according to a square grid further rows of microlenses are arranged.

Selbstverständlich muss das Flüssigkristalldisplay derart fein pixeliert sein, dass in den einzelnen, den Mikrolinsen zugeordneten Teilbereichen entsprechende Beugungsmuster zur Beugung des Eingangsstrahls erzeugt werden können. Die Parameter Mikrolinsengröße, Mikro linsenbrennweite, Wellenlängen des verwendeten Lichtes und Streifendichte des verwendeten Beugungsmusters müssen so aufeinander abgestimmt sein, dass die Beugungsordnungen in der Brennebende der Mikrolinsen deutlich voneinander getrennt sind, damit die Selektion einer speziellen Beugungsordnung durch das Lochblendenarray möglich ist. So lassen sich beispielsweise beim Einsatz von Mikrolinsen mit einem Durchmesser von 2,5 mm und einer Brennweite von 9 mm und einem HeNe-Laser der Wellenlänge 633 nm mit einem Flüssigkristalldisplay mit einem Pixelabstand von 36 μm gute Ergebnisse erzielen.Of course, the liquid crystal display must be finely pixelated in such a way that corresponding diffraction patterns for diffracting the input beam can be generated in the individual subareas assigned to the microlenses. The parameters microlens size, micro lens focal length, wavelengths of the light used and the strip density of the diffraction pattern used must be matched to one another be that the diffraction orders in the focal plane of the microlenses are clearly separated from each other, so that the selection of a special diffraction order is possible through the pinhole array. Thus, for example, when using microlenses with a diameter of 2.5 mm and a focal length of 9 mm and a HeNe laser of wavelength 633 nm can be achieved with a liquid crystal display with a pixel pitch of 36 microns good results.

Durch den Einsatz dieses schaltbaren Punktlichtquellen-Arrays im Referenzstrahlengang eines Interferometeraufbaus zur Vermessung asphärischer Oberflächen lassen sich in Verbindung mit einer dem Punktlichtquellen-Array nachgeschalteten Linse zur Kollimierung der Teilstrahlen durch Umschalten zwischen den einzelnen Punktlichtquellen bzw. Teilstrahlen unterschiedlich gegenüber dem Objektstrahl bzw. der Objektwelle verkippte Referenzstrahlen bzw. Referenzwellen erzeugen. Mit diesen unterschiedlich verkippten Referenzwellen können asphärische Prüflinge beliebiger Geometrie abschnittsweise vermessen werden. Die aus den Interferogrammen der Einzelmessungen ausgewerteten Oberflächenbereiche werden anschließend zusammengesetzt, um die Oberfläche des Prüflings zu rekonstruieren, wie dies auch von der in der Beschreibungseinleitung angeführten Stitching-/Sewing-Technik bekannt ist.By the use of this switchable point light source array in the reference beam path of an interferometer assembly for measuring aspherical surfaces in conjunction with a the point light source array downstream Lens for collimating the partial beams by switching between the individual point light sources or partial beams differently across from the reference beam or the object wave tilted reference beams or generate reference waves. With these different tilted Reference waves can aspherical specimens random geometry can be measured in sections. The from the Interferograms of the individual measurements evaluated surface areas will be afterwards assembled to the surface of the test piece to reconstruct, as well as that in the introduction to the description cited Stitching / Sewing technique is known.

Dies gilt in gleicher Weise für die Verwendung des schaltbaren Punktlichtquellen-Arrays im Strahlengang des Objektstrahls, um nacheinander unterschiedlich gegenüber dem Referenzstrahl verkippte Objektstrahlen zu erzeugen.This applies equally to the use of the switchable point light source array in the beam path of the Object beam to successively different from the Reference beam to produce tilted object beams.

Weiterhin ist ein Einsatz des schaltbaren Punktlichtquellen-Arrays im Strahlengang des Objektstrahls eines Interferometers möglich, um unterschiedlich gegenüber der optischen Achse der zur Kollimierung der Teilstrahlen eingesetzten Linse verkippte Objektstrahlen zu erzeugen, bei dem zumindest zwei unterschiedlich verkippte Objektstrahlen gleichzeitig erzeugt und zur Interferenz gebracht werden. Aus den Interferenzen der unterschiedlich verkippten Objektstrahlen läßt sich dann ebenfalls eine Wellenfront rekonstruieren.Farther is a use of the switchable point light source array in the beam path of the object beam of an interferometer possible to be different from the optical axis used for collimating the partial beams Lens tilted to produce object beams in which at least two differently tilted object beams generated simultaneously and be brought to interference. From the interference of different tilted object beams can be then also reconstruct a wavefront.

Mit dem erfindungsgemäßen schaltbaren Punktlichtquellen-Array lassen sich somit sehr genau bekannte Wellenfronten unterschiedlicher Ausbreitungsrichtung erzeugen, die sich unabhängig voneinander schalten und in ihrer Phase verschieben lassen. Durch den Einbau in ein Interferometer wird die interferometrische Vermessung von Wellenfronten mit hoher Dynamik, wie sie z. B. bei der Reflexion an stark asphärischen Flächen entstehen, möglich. Gegenüber der bekannten Vermessungstechnik, bei der Wellenfronten unterschiedlicher Radien zur Vermessung des Prüflings eingesetzt werden, besteht einerseits der Vorteil, dass keine mechanische Verschiebung eines optischen Elementes durchgeführt wird, so dass die hierdurch verursachten Fehler vermieden werden. Andererseits besteht der Vorteil, dass bei der vorliegenden Technik die Einzelmessungen mit interferometrischer Genauigkeit gegeneinander kalibriert werden können, wie dies im Ausführungs beispiel näher dargelegt ist. Aufgrund dieser Kalibrierung ist es unproblematisch, die aus verschiedenen Messungen erhaltenen Bereiche des Prüflings miteinander zu kombinieren und anschließend wie eine Einzelmessung zu behandeln. Propagationseffekte müssen dabei nicht berücksichtigt werden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil beim Einsatz des vorliegenden schaltbaren Punktlichtquellen-Arrays und des zugehörigen Messverfahrens besteht darin, dass das Verfahren nicht auf rotationssymmetrische Prüflinge beschränkt ist.With the switchable invention Point light source array can thus be very well known wavefronts generate different propagation direction, which switch independently and have them postponed in their phase. By installation in an interferometer is the interferometric measurement of wavefronts with high Dynamics, such as B. in the reflection of strongly aspherical surfaces arise, possible. Across from the well-known surveying, in the wavefronts of different Radii for measuring the test object be used, on the one hand has the advantage that no mechanical Displacement of an optical element is performed so that thereby caused errors are avoided. On the other hand, there is the advantage that in the present technique, the individual measurements with interferometric Accuracy against each other can be calibrated, as in the execution example set out in more detail is. Because of this calibration, it is unproblematic that out different measurements obtained areas of the specimen with each other to combine and then how to handle a single measurement. Propagation effects must be there not considered become. Another significant advantage of using the present Switchable point light source arrays and the associated measurement method is that the process is not rotationally symmetric specimens limited is.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of drawings

Das vorliegende schaltbare Punktlichtquellen-Array sowie seine bevorzugte Verwendung zur interferometrischen Vermessung von Prüflingsoberflächen werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals erläutert.The present switchable point source array and its preferred Use for interferometric measurement of specimen surfaces below with reference to an embodiment in Connection with the drawings explained again.

Hierbei zeigen:in this connection demonstrate:

1 ein Beispiel für einen Interferometeraufbau zur Vermessung von Prüflingsoberflächen unter Einsatz des vorliegenden Punktlichtquellen-Arrays; 1 an example of an interferometer assembly for surveying specimen surfaces using the present point source array;

2 ein Ausschnitt aus dem Punktlichtquellen-Array zur Verdeutlichung der Funktionsweise; und 2 a section of the point light source array to illustrate the operation; and

3 ein Beispiel für einen Aufbau mit dem Punktlichtquellen-Array, der den verschiebbaren Endspiegel im Referenzstrahlengang eines Twyman-Green-Interferometers ersetzt. 3 an example of a construction with the point light source array, which replaces the displaceable end mirror in the reference beam path of a Twyman-Green interferometer.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to execute the invention

1 zeigt einen beispielhaften Interferometeraufbau zur Vermessung einer Prüflingsoberfläche unter Einsatz des vorliegenden schaltbaren Punktlichtquellen-Arrays 10. Der kohärente, von einem Laser ausgesendete und aufgeweitete Laserstrahl 8 trifft bei diesem Interferometeraufbau zunächst auf einen Strahlteiler 7, durch den er in einen Objektstrahl 8b und einem Referenzstrahl 8a aufgespalten wird. Der Objektstrahl 8b wird nach Durchgang durch einen weiteren Strahlteiler 7 mittels einer Sammellinse 30 fokussiert, um eine an die Prüflingsoberfläche 40 grob angepasste sphärische Wellenfront zu erzeugen. Die von der Prüflingsoberfläche 40 reflektierte Wellenfront des Objektstrahls wird schließlich über den Strahlteiler 7 mit dem Referenstrahl 8a zur Interferenz gebracht. Die Abbildungsoptik 50 bildet die Prüflingsoberfläche 40 auf die Kamera 60 ab, mit der das erhaltene Interferenzmuster aufgenommen wird. 1 shows an exemplary interferometer assembly for measuring a specimen surface using the present switchable point light source array 10 , The coherent laser beam emitted and expanded by a laser 8th In this interferometer construction, first of all, a beam splitter is encountered 7 through which he enters an object beam 8b and a reference beam 8a is split. The object beam 8b becomes after passing through another beam splitter 7 by means of a condenser lens 30 focused to one to the specimen surface 40 to produce a roughly adapted spherical wavefront. The from the UUT surface 40 The reflected wavefront of the object beam is finally transmitted through the beam splitter 7 with the reference beam 8a brought to interference. The imaging optics 50 forms the specimen surface 40 to the camera 60 from which the received interference pattern is recorded.

Im vorliegenden Fall wird der Referenzstrahl 8a über das schaltbare Punktlichtquellen-Array 10 geleitet, um nacheinander unterschiedlich verkippte Referenzwellen zu erzeugen. Hierzu werden nacheinander unterschiedliche Punktquellen des Punktlichtquellen-Arrays 10 geschaltet. 1 zeigt hierbei eine schematische Darstellung, bei der eine derartige Punktlichtquelle zugeschaltet ist. Das von den Punktlichtquellen ausgehende Licht wird von der darauffolgenden Linse 20, die sich im Brennweitenabstand vom Lochblenden-Array befindet, kollimiert. Durch Schaltung von Punktlichtquellen, deren Teilstrahlen in unterschied lichem Abstand zur optischen Achse der Linse 20 verlaufen, werden Referenzwellen unterschiedlicher Verkippung erzeugt und mit der Objektwelle überlagert. Dadurch werden verschiedene Bereiche der Prüflingsoberfläche 40 auswertbar, die anschließend aneinandergefügt werden (Stitching). Durch geeignete Ansteuerung des Punktlichtquellen-Arrays 10 lassen sich, wie weiter unten näher erläutert, auch die Phasen der Referenzwellen definiert verschieben. Somit lassen sich auch die in der Interferometrie üblichen Phasenschiebealgorithmen durchführen. Es entfällt damit die Notwendigkeit eines zusätzlichen Piezo- oder Flüssigkristall-Phasenschiebers, wie er insbesondere im Endspiegel des Referenzarms bekannter Interferometer eingesetzt wird.In the present case, the reference beam 8a via the switchable point light source array 10 directed to produce successively different tilted reference waves. For this purpose, successively different point sources of the point light source array 10 connected. 1 shows a schematic representation in which such a point light source is switched on. The light emanating from the point light sources is from the subsequent lens 20 , which is located at the focal distance from the pinhole array, collimated. By switching point light sources whose partial beams in different Lichem distance to the optical axis of the lens 20 run reference waves of different tilting are generated and superimposed with the object wave. This will cause different areas of the specimen surface 40 evaluable, which are then joined together (stitching). By suitable control of the point light source array 10 can be, as explained in more detail below, also the phases of the reference waves move defined. Thus, the phase shift algorithms customary in interferometry can also be carried out. It eliminates the need for an additional piezo or liquid crystal phase shifter, as used in particular in the end mirror of the reference arm known interferometer.

2 zeigt den Aufbau und die Funktionsweise des vorliegenden schaltbaren Punktlichtquellen-Arrays 10. Das Punktlichtquellen-Array 10 besteht aus einem fein pixelierten, elektrisch adressierbaren Flüssigkristalldisplay (LCD) 2, einem Mikrolinsen-Array 3 und einem Lochblenden-Array 4. Das Flüssigkristalldisplay 2 wird kollimiert und kohärent mit einem Eingangsstrahl 1 so beleuchtet, dass die hinter den Mikrolinsen des Mikrolinsen-Arrays 3 entstehenden Foki vorerst nicht die Blendenöffnungen des Lochblenden-Arrays 4 treffen. Nur dann, wenn vor einer der Mikrolinsen ein Streifengitter mit einem definierten Gitterabstand in das Flüssigkristalldisplay eingeschrieben wird, gelangt die erste Beugungsordnung 5 des durch das eingeschriebene Gitter gebeugten Teilstrahls durch die zugehörige Blendenöffnung. Dies ist in der Figur schematisch dargestellt, die lediglich einen Ausschnitt aus dem Punktlichtquellen-Array 10 darstellt. Die verbleibenden Anteile des Eingangsstrahls 1, insbesondere die in der Figur dargestellte nullte Beugungsordnung sowie die restlichen auf das Flüssigkristalldisplay 2 auftreffenden Strahlanteile werden durch das Lochblenden-Array 4 abgeblockt. Zusätzlich ergibt sich die Möglichkeit, durch Verschieben des eingeschriebenen Gitters die Phase des Lichtes in der ersten Beugungsordnung definiert zu verschieben. Somit stellt das vorgestellte Punktlichtquellen-Array ein schaltbares Punktlichtquellen-Array mit Phasenschiebung dar. 2 shows the structure and operation of the present switchable point light source array 10 , The point light source array 10 consists of a finely pixelated, electrically addressable liquid crystal display (LCD) 2 a microlens array 3 and a pinhole array 4 , The liquid crystal display 2 is collimated and coherent with an input beam 1 so lit up that behind the microlenses of the microlens array 3 initially arising foci not the apertures of the pinhole array 4 to meet. Only when a strip grid with a defined grid spacing is inscribed in the liquid crystal display in front of one of the microlenses does the first diffraction order arrive 5 of the sub-beam diffracted by the inscribed grating through the associated aperture. This is shown schematically in the figure, which only a section of the point light source array 10 represents. The remaining portions of the input beam 1 , In particular, the zeroth diffraction order shown in the figure and the remaining on the liquid crystal display 2 incident beam portions are transmitted through the pinhole array 4 blocked. In addition, there is the possibility of shifting the phase of the light in the first diffraction order in a defined manner by shifting the inscribed grating. Thus, the presented point light source array is a switchable phase shift point light source array.

Ein Vorteil beim Einsatz dieses Punktlichtquellen-Arrays 10 bei der interferometrischen Vermessung von Prüflingsoberflächen besteht darin, dass die Einzelmessungen mit interferometrischer Genauigkeit gegeneinander kalibriert werden können. Dazu wird der Objektarm des Interferometers blockiert. Mit dem Punktlichtquellen-Array 10 werden zwei verschiedene Referenzwellen gleichzeitig erzeugt, z. B. die auf der optischen Achse der Linse 20 verlaufende unverkippte Referenzwelle R0 und eine der N verkippten Referenzwellen Rn. Sie werden zur Interferenz gebracht. Eine der Referenzwellen wird schrittweise phasenverschoben und mit einem üblichen Phasenschiebe-Algorithmus eine Phasenfunktion berechnet. Dies ergibt die Differenzfunktion Dn = Rn – R0 zwischen den beiden Referenzwellen in der Ebene des Kamerachips. Anschließend wird die vom Prüfling reflektierte Objektwelle O mit den verschiedenen Referenzwellen vermessen. Die gemessene Phase ist dann P0 = O – R0 für die unverkippte Referenzwelle und Pn = O – Rn für die verkippten Referenzwellen. Es folgt Pn = O – (R0 + Dn) = P0 – Dn, d.h. P0 = Pn + Dn. Die verschiedenen Messungen lassen sich also ineinander überführen. Daher ist es unproblematisch, Bereiche aus verschiedenen Messungen miteinander zu kombinieren und anschließend wie eine Einzelmessung (z. B. P0) zu behandeln. Propagationseffekte müssen hierbei nicht berücksichtigt werden.An advantage of using this point light source array 10 In the interferometric measurement of specimen surfaces is that the individual measurements with interferometric accuracy can be calibrated against each other. For this purpose, the object arm of the interferometer is blocked. With the point light source array 10 two different reference waves are generated simultaneously, e.g. B. on the optical axis of the lens 20 extending non-tilted reference wave R 0 and one of the N tilted reference waves R n . They are brought to interference. One of the reference waves is phase shifted in phase and a phase function is calculated using a conventional phase shift algorithm. This yields the difference function D n = R n -R 0 between the two reference waves in the plane of the camera chip. Subsequently, the specular wave O reflected by the specimen is measured with the different reference waves. The measured phase is then P 0 = O-R 0 for the untilted reference wave and P n = O-Rn for the tilted reference waves. P n = O - (R 0 + D n ) = P 0 -Dn , ie P 0 = P n + D n . The different measurements can therefore be converted into each other. Therefore it is not a problem to combine ranges from different measurements and then treat them like a single measurement (eg P 0 ). Propagation effects do not have to be considered here.

Das vorliegende Punktlichtquellen-Array 10 lässt sich selbstverständlich auch in anderen interferometrischen Aufbauten einsetzen. So kann bspw. ein bestehendes Twyman-Green-Interferometer, wie es häufig für die Vermessung von asphärischen Prüflingen eingesetzt wird, mit dem vorliegenden Punktlichtquellen-Array aufgerüstet werden. Hierzu wird der sonst übliche Referenzspiegel mit Piezophasenschieber durch eine Anordnung ersetzt, wie sie in der 3 dargestellt ist. Diese Anordnung setzt sich aus einem Strahlteiler 7 und mehreren Umlenkspiegeln 6 zusammen, die einen auf den Strahlteiler 7 treffenden Eingangsstrahl geeignet umlenken, wobei zwischen den Spiegeln 6 das vorliegende schaltbare Punktlichtquellen-Array 10 sowie die Linse 20 zur Kollimierung der vom Punktlichtquellen-Array 10 ausgehenden Teilstrahlen angeordnet ist. Durch entsprechende Zuschaltung der unterschiedlichen Punktlichtquellen können hierbei die unterschiedlich verkippten Referenzwellen erzeugt werden. Über eine Verschiebung des Beugungsmusters des Flüssigkristalldisplays lässt sich die Phase des jeweiligen Referenzstrahles definiert einstellen, so dass auf einen Piezophasenschieber verzichtet werden kann.The present point light source array 10 Of course, it can also be used in other interferometric setups. Thus, for example, an existing Twyman-Green interferometer, as it is often used for the measurement of aspherical specimens, be upgraded with the present point light source array. For this purpose, the usual reference mirror with Piezophasenschieber by a Arrangement replaced, as in the 3 is shown. This arrangement consists of a beam splitter 7 and several deflecting mirrors 6 together, the one on the beam splitter 7 deflect appropriate incoming beam appropriately, wherein between the mirrors 6 the present switchable point light source array 10 as well as the lens 20 for collimating the point source array 10 outgoing partial beams is arranged. By appropriate connection of the different point light sources in this case the different tilted reference waves can be generated. By shifting the diffraction pattern of the liquid crystal display, the phase of the respective reference beam can be set in a defined manner so that a piezo-phase slider can be dispensed with.

Bezugszeichenliste

Figure 00150001
LIST OF REFERENCE NUMBERS
Figure 00150001

Claims (11)

Schaltbares Punktlichtquellen-Array, das aus einem kohärenten optischen Eingangsstrahl (1) eine Vielzahl von unabhängig voneinander schaltbaren Punktlichtquellen bildet, bestehend aus – einem räumlichen Lichtmodulator (2) mit einer Vielzahl elektrisch adressierbarer Pixel, durch die in Teilbereichen des Lichtmodulators (2) Beugungsmuster zur Beugung des Eingangsstrahls (1) erzeugbar sind, – einem in einer Eingangsstrahl-Richtung hinter dem Lichtmodulator (2) angeordneten Mikrolinsen-Array (3), durch das der Eingangsstrahl (1) nach Durchgang durch den Lichtmodulator (2) in einzelne Teilstrahlen aufgespaltet wird und – einem Lochblenden-Array (4), das derart ausgebildet und hinter dem Mikrolinsen-Array (3) angeordnet ist, dass nur eine durch Beugung an einem in den Lichtmodulator (2) eingeschriebenen Beugungsmuster entstehende erste oder höhere Beugungsordnung (5) der Teilstrahlen auf Blendenöffnungen des Lochblenden-Arrays (4) trifft.Switchable point light source array consisting of a coherent optical input beam ( 1 ) forms a plurality of independently switchable point light sources, comprising - a spatial light modulator ( 2 ) with a multiplicity of electrically addressable pixels, through which in partial regions of the light modulator ( 2 ) Diffraction pattern for diffracting the input beam ( 1 ) are producible, - one in an input beam direction behind the light modulator ( 2 ) arranged microlens array ( 3 ) through which the input beam ( 1 ) after passing through the light modulator ( 2 ) is split into individual sub-beams and - a pinhole array ( 4 ) formed in such a way and behind the microlens array ( 3 ) is arranged so that only one by diffraction at one in the light modulator ( 2 ) inscribed diffraction pattern first or higher diffraction order ( 5 ) of the partial beams on apertures of the pinhole array ( 4 ) meets. Schaltbares Punktlichtquellen-Array nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtmodulator (2) ein Flüssigkristalldisplay ist.Switchable point light source array according to claim 1, characterized in that the light modulator ( 2 ) is a liquid crystal display. Schaltbares Punktlichtquellen-Array nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochblenden-Array (4) in der Brennebene des Mikrolinsen-Arrays (3) angeordnet ist.Switchable point light source array according to claim 1 or 2, characterized in that the pinhole array ( 4 ) in the focal plane of the microlens array ( 3 ) is arranged. Schaltbares Punktlichtquellen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Eingangsstrahl-Richtung hinter dem Lochblenden-Array (4) eine Linse (20) zur Kollimierung der Teilstrahlen angeordnet ist.Switchable point light source array according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the input beam direction behind the pinhole array ( 4 ) a lens ( 20 ) is arranged for collimating the partial beams. Schaltbares Punktlichtquellen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansteuerelektronik mit dem Lichtmodulator (2) verbunden ist, die in ein oder mehrere vorgebbare Bereiche des Lichtmodulators (2), die jeweils deckungsgleich mit einer der Mikrolinsen des Mikrolinsen-Arrays (3) sind, für einen vorgebbaren Zeitraum ein Beugungsmuster mit vorgebbaren Parametern einschreibt.Switchable point light source array according to one of claims 1 to 4, characterized in that a control electronics with the light modulator ( 2 ), which in one or more predeterminable areas of the light modulator ( 2 ), each congruent with one of the microlenses of the microlens array ( 3 ), a diffraction pattern with predefinable parameters is inscribed for a predeterminable period of time. Schaltbares Punktlichtquellen-Array nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik so ausgebildet ist, dass sie das eingeschriebene Beugungsmuster innerhalb des Bereiches des Lichtmodulators (2) definiert verschieben kann.Switchable point light source array according to claim 5, characterized in that the drive electronics are designed so that they the inscribed diffraction pattern within the range of the light modulator ( 2 ) can move defined. Schaltbares Punktlichtquellen-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrolinsen-Array (3) eine zentrale Mikrolinse aufweist, um die rotationssymmetrisch oder gemäß einem quadratischen Raster weitere Reihen von Mikrolinsen angeordnet sind.Switchable point light source array according to one of claims 1 to 6, characterized in that the microlens array ( 3 ) has a central microlens around which rotationally symmetric or according to a square grid further rows of microlenses are arranged. Verwendung des schaltbaren Punktlichtquellen-Arrays (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Interferometer zur interferometrischen Vermessung einer Wellenfront eines Objektstrahls (8b), bei der das schaltbare Punktlichtquellen-Array (10) zusammen mit einer Linse (20) zur Kollimierung der Teilstrahlen im Strahlengang eines Referenzstrahls (8a) des Interferometers eingesetzt wird, um nacheinander unterschiedlich gegenüber dem Objektstrahl (8b) verkippte Referenzstrahlen (8a) zu erzeugen und aus der Interferenz des Objektstrahls (8b) mit den unterschiedlich verkippten Referenzstrahlen (8a) die Wellenfront zu rekonstruieren.Use of Switchable Point Light Source Array ( 10 ) according to one of claims 1 to 7 in an interferometer for the interferometric measurement of a wavefront of an object beam ( 8b ), where the switchable point light source array ( 10 ) together with a lens ( 20 ) for collimating the partial beams in the beam path of a reference beam ( 8a ) of the interferometer is used to successively different from the object beam ( 8b ) tilted reference beams ( 8a ) and from the interference of the object beam ( 8b ) with the different tilted reference beams ( 8a ) to reconstruct the wavefront. Verwendung des schaltbaren Punktlichtquellen-Arrays (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Interferometer zur interferometrischen Vermessung einer Wellenfront eines Objektstrahls (8b), bei der das schaltbare Punktlichtquellen-Array (10) zusammen mit einer Linse (20) zur Kollimierung der Teilstrahlen im Strahlengang des Objektstrahls (8b) des Interferometers eingesetzt wird, um nacheinander unterschiedlich gegenüber einem Referenzstrahl (8a) verkippte Objektstrahlen (8b) zu erzeugen und aus der Interferenz des Referenzstrahls (8a) mit den unterschiedlich verkippten Objektstrahlen (8b) die Wellenfront zu rekonstruieren.Use of Switchable Point Light Source Array ( 10 ) according to one of claims 1 to 7 in an interferometer for the interferometric measurement of a wavefront of an object beam ( 8b ), where the switchable point light source array ( 10 ) together with a lens ( 20 ) for collimating the partial beams in the beam path of the object beam ( 8b ) of the interferometer is used to successively different from a reference beam ( 8a ) tilted object beams ( 8b ) and from the interference of the reference beam ( 8a ) with the differently tilted object beams ( 8b ) to reconstruct the wavefront. Verwendung des schaltbaren Punktlichtquellen-Arrays (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Interferometer zur interferometrischen Vermessung einer Wellenfront eines Objektstrahls (8b), bei der das schaltbare Punktlichtquellen-Array (10) zusammen mit einer Linse (20) zur Kollimierung der Teilstrahlen im Strahlengang des Objektstrahls (8b) des Interferometers eingesetzt wird, um unterschiedlich gegenüber einer optischen Achse der Linse (20) verkippte Objektstrahlen (8b) zu erzeugen, wobei zumindest zwei Objektstrahlen (8b) gleichzeitig erzeugt und zur Interferenz gebracht werden, um aus der Interferenz der Objektstrahlen (8b) die Wellenfront zu rekonstruieren.Use of Switchable Point Light Source Array ( 10 ) according to one of claims 1 to 7 in an interferometer for the interferometric measurement of a wavefront of an object beam ( 8b ), where the switchable point light source array ( 10 ) together with a lens ( 20 ) for collimating the partial beams in the beam path of the object beam ( 8b ) of the interferometer is used to be different than an optical axis of the lens ( 20 ) tilted object beams ( 8b ), wherein at least two object beams ( 8b ) are generated at the same time and made to interfere with each other in order to avoid the interference of the object beams ( 8b ) to reconstruct the wavefront. Verwendung nach Anspruch 8, 9 oder 10 zur Vermessung von Oberflächen, insbesondere asphärischen Oberflächen, bei der die Wellenfront des Objektstrahls (8b) nach Reflexion an der zu vermessenden Oberfläche (40) vermessen wird.Use according to claim 8, 9 or 10 for measuring surfaces, in particular aspherical surfaces, in which the wavefront of the object beam ( 8b ) after reflection at the surface to be measured ( 40 ) is measured.
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