Interferometer

Besehreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Interferometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Ein solches

Interferometer ist aus der CN 102607454 A bekannt.

Ein solches Interferometer zur flächenhaften Vermessung einer optisch glatten Oberfläche weist Mittel zum

Beleuchten eines zu vermessenden Oberflächenbereiches der Oberfläche mit mehreren diskreten Objektwellen aus

verschiedenen Richtungen und Mittel auf, die an der

Oberfläche reflektierte Objektwellen mit einer zu mehreren Objektwellen kohärenten Referenzwelle auf einem Detektor zu einem Interferogramm überlagern, in dem sich Abmessungen der Oberfläche abbilden. Das Interferometer ist dazu eingerichtet, die Oberfläche gleichzeitig mit mehreren Objektwellen zu beleuchten und die Referenzwelle durch eine Fizeau-Strahlteilerplatte oder ein Fizeau-Obj ektiv zu erzeugen, mithin also durch Strahlteilung aus einer der diskreten Objektwellen, die die Oberfläche (11) beleuchten. Das Interferometer weist eine im Strahlengang vor dem

Detektor angeordnete Interferometerblende und eine

Abbildungsoptik auf, wobei sich die Interferometerblende in der oder etwas außerhalb der Fourierebene der

Abbildungsoptik befindet und die von der Oberfläche

reflektierten Objektwellen filtert.

Ein solches Interferometer wird auch als Tilted Wave

Interferometer (TWI) bezeichnet. Ein Tilted Wave

Interferometer ist aus der DE 10 2006 057 606 B4 bekannt. Dieses ist ein am Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart erfundenes Verfahren zur Vermessung der Oberfläche von Asphären und Freiformflächen. Es

verwendet ein Ensemble von zueinander verkippten

Wellenfronten, um die Abweichung des Prüflings von der bestpassenden Sphäre lokal zu kompensieren. Eine

beispielhafte Ausführung des bekannten Tilted Wave

Interferometers weist ein Punktlichtquellen-Array (PLQA) und ein im Lichtweg von Licht, das von dem PLQA ausgeht, hinter dem PLQA angeordnetes optisches System aus einem Kollimator, einem optionalen Interferometerobj ektiv, einem Strahlteiler, einer Interferometerblende, einer

Abbildungsoptik und einer Kamera auf, wobei die

Interferometerblende näherungsweise in der obj ektseitigen Brennebene der Abbildungsoptik, die auch als Fourierebene bekannt ist, angeordnet ist.

Bekannte Ausführungen des TWI erzeugen ihre Interferogramme durch Überlagerung der vom Prüfling reflektierten Objektwellenfronten mit einer zu allen Objektwellenfronten kohärenten Referenzwelle, die durch Strahlteilung aus dem Licht einer Lichtquelle vor der Erzeugung der verkippten Objektwellenfronten generiert wird. Diese Referenzwelle wird separat geführt und erst nachdem die vom Prüfling reflektierten Objektwellenfronten das

Interferometerobj ektiv und den Kollimator passiert haben, wieder so per Strahlteiler eingekoppelt, so dass sich auf der Kamera auswertbare Interferenzstreifen bilden, aus denen mit den in DE 10 2006 057 606 B4 beschriebenen

Verfahren auf die Formabweichung des Prüflings

zurückgeschlossen werden kann.

Aufgrund der separaten Einkopplung der Referenzwellenfront ergeben sich starke Unterschiede in den optischen Wegen der Referenzwelle und den Objektwellen. Somit ergibt sich zum Beispiel durch thermisch induzierte Veränderungen des Aufbaus oder lokale Brechungsindexschwankungen der Luft eine nachteilige Instabilität der Phasenunterschiede zwischen der Referenzwelle und den Objektwellen.

Die seit dem 19. Jahrhundert bekannten und aufgrund ihrer Stabilität sehr verbreiteten Fizeau-Interferometer erzeugen die Referenzwelle durch eine strahlteilende Fizeau-Fläche, deren Oberflächennormalen näherungsweise senkrecht zu denen der einfallenden Wellenfront stehen. Da diese

teilverspiegelte Fizeau-Fläche zumeist die letzte Fläche vor dem Prüfling ist, beispielsweise in einem Fizeau- Objektiv (englisch: „transmission sphere") , und die

Strahlen in der zumeist verwendeten Prüfkonfiguration, dem sogenannten „Nulltest", senkrecht auf den Prüfling fallen und damit in sich zurückreflektiert werden, sind Referenz- und Objektwellenfront nur auf dem kurzen Stück zwischen Fizeau-Fläche und Prüfling getrennt und durchlaufen ansonsten das Interferometer auf nahezu identischen Wegen. Man nennt Fizeau-Interferometer daher englisch auch

„common-path"-Interferometer . Da sich in den

Interferogrammen lediglich die Differenz zwischen Referenz- und Objektwellenfront abbildet, wirkt sich die Eigenschaft der gemeinsamen Wege positiv auf die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse aus.

Für die Auswertung der Interferogramme wurde im bisherigen Tilted Wave Interferometer ein Phasenschiebeverfahren verwendet, wobei die Referenzwelle mit einem Piezoaktuator in mehreren Schritten verschoben und sequentiell ein

Bilderstapel aufgenommen wird. Das Phasenschieben führt durch den sequentiellen Modus zu einer langen Messzeit. Außerdem sind solche Verfahren anfällig gegenüber

Schwingungen, was die Verwendung des Interferometers beispielsweise in der Fertigung erschwert.

Von dem eingangs genannten Stand der Technik unterscheidet sich die vorliegende Erfindung in ihren

Vorrichtungsaspekten durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und in ihren Verfahrensaspekten durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen

Verfahrensanspruchs. Die kennzeichnenden

Vorrichtungsmerkmale sehen vor, dass das Interferometer eine starre Anordnung von schaltbaren Punktlichtquellen aufweist und diese Punktlichtquellen und die

Interferometerblende so ausgelegt sind, dass bei jeder Messwertaufnahme nur eine Referenzwellenfront den Detektor erreicht und diesen näherungsweise vollständig ausleuchtet.

Mit Blick auf ihre Verfahrensaspekte unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von dem eingangs genannten Stand der Technik dadurch, dass die Objektwellen durch eine starre, rasterförmige Anordnung von Punktlichtquellen erzeugt werden, und die den Detektor erreichende und dort mit den Objektwellen interferierende Referenzwelle bei jeder

Messwertaufnahme aus genau einer Punktlichtquelle stammt und den Detektor näherungsweise vollständig ausleuchtet.

Durch diese Merkmale ergeben sich die folgenden Vorteile: Bei der Erfindung ist es nicht erforderlich, dass ein individuell für dieses Interferometer gefertigtes

Interferometer-Obj ektiv verwendet wird. Die bei der

Erfindung verwendbaren Fizeau-Obj ektive sind auf dem Markt weit verbreitet und entsprechend kostengünstiger als solche Spezialanfertigungen .

Durch die Verwendung eines Fizeau-Obj ektivs als

Interferometerobj ektiv ist eine an der teilweise

reflektierenden Fläche des Fizeau-Obj ektivs auftretende Reflexion der Objektwelle als Quelle der

Referenzwellenfront verwendbar. Bei einer solchen Erzeugung der Referenzwelle unterscheiden sich die im

erfindungsgemäßen Interferometer verlaufenden optischen Wege für Objektwellen und Referenzwellen mit der Ausnahme des Weges von der Fizeau-Fläche zum Prüfling nur leicht (common path design) . Daraus resultieren Vorteile in Bezug auf die Stabilität der Kalibrierung, sowie in auf die

Empfindlichkeit des Interferometers gegen

Brechungsindexschwankungen der Luft oder andere Einflüsse wie thermische Verformungen des Aufbaus oder Schwingungen. Die durch das common-path-Design verbesserte Stabilität der Phasenunterschiede zwischen Objektwelle und Referenzwelle erschließt neue Möglichkeiten für die Auswertung der

Interferogramme . Der Aufbau des erfindungsgemäßen Interferometers ist insgesamt kompakter und besteht aus weniger optischen

Komponenten .

Bei dem erfindungsgemäßen Interferometer sind

Phaseschiebeverfahren zur Auswertung der Phase nach wie vor möglich, allerdings können als alternative Option auch Trägerfrequenzverfahren zur Bestimmung der Phase verwendet werden, was in bestimmten Situationen vorteilhaft ist.

Beim bekannten Tilted Wave Interferometer Verfahren wird der Prüfling mit verschiedenen Auswahlen Ai ... A _N von

Objektwellen beleuchtet und jeweils ein Interferogramm aufgenommen. Eine typische Größe für die Anzahl N an

Auswahlen, die bei einem Tilted Wave Interferometer nach dem Stand der Technik verwendet wird, ist 4. Durch die Messdatenaufnahme mit diesen 4 Auswahlen an

Objektwellenfronten wird vermieden, dass sich die auf dem Detektor auftreffenden Objektwellenfronten überlappen und dadurch die Interferogramme nicht mehr auswertbar werden. Da die Referenzwelle separat zugeführt wird, beleuchtet diese bei allen Aufnahmen mit den verschiedenen Auswahlen von Objektwellen den Detektor und führt somit zu den gewünschten Interferogrammen .

Das Ersetzen der beim bekannten Tilted Wave Interferometer verwendeten speziellen Interferometerobj ektive durch eine Fizeau-Optik würde zunächst dazu führen, dass die Fizeau- Fläche Reflexe erzeugt, die im normalen Betrieb des Tilted Wave Interferometers nicht als Referenzwelle verwendet werden können, sondern stören würden. Zwar würde

beispielsweise Auswahl Ai eine Objektwellenfront enthalten, die an der Fizeau-Fläche einen Reflex erzeugen würde, der als Referenzwellenfront genutzt werden könnte. Beispielsweise wäre dies bei einer bekannten Ausführung eine Objektwellenfront, die durch eine Punktlichtquelle auf der optischen Achse erzeugt wird und unverkippt parallel zur optischen Achse propagiert. Sobald jedoch eine andere Auswahl A ₂ ... A _N geschaltet wird, ist diese Wellenfront prinzipbedingt ausgeschaltet und kann demnach keine

Referenzwellenfront erzeugen.

Die erfindungsgemäße Lösung zu diesem Problem ist, dass jede Auswahl eine eigene Referenzwelle erzeugt. Die

Auswahlen der Objektwellenfronten und die Lage und Größe der Interferometerblende werden so gewählt, dass exakt eine Objektwellenfront pro Auswahl an der Fizeau-Fläche eine Referenzwellenfront erzeugt, die die Interferometer-Blende passiert und auf den Detektor, vorzugsweise eine Kamera, gelangt. Die von den anderen Objektwellenfronten der

Auswahl erzeugten Reflexe an der Fizeau-Fläche werden von der Interferometerblende geblockt.

Es ist bekannt, dass die von verschiedenen Punkten PI und P2 in der Fourier-Ebene der Abbildungsoptik ausgehende Kugelwellen am Detektor jeweils ebene Wellen mit

unterschiedlichen Propagationsrichtungen bilden. Wenn zwei ebene Wellenfronten auf dem Detektor so interferieren, dass ihr Interferenzstreifenmuster einen Streifenabstand von zwei Pixellängen hat, erfüllt die Detektion des

Interferogramms das aus der Signalverarbeitung bekannte Nyquist-Kriterium. Der Abstand der zugehörigen

Kugelwellenzentren PI - P2 in der Fourier-Ebene sei dann mit a bezeichnet. Die Größe a ist abhängig von der

Abbildungsoptik und der Pixelgröße des verwendeten

Interferometers . Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die

Objektwellen durch eine starre Anordnung von schaltbaren Punktlichtquellen erzeugt werden und dass diese

Punktlichtquellen und die Interferometerblende so ausgelegt sind, dass bei jeder Messwertaufnahme nur eine

Referenzwellenfront den Detektor erreicht und diesen näherungsweise vollständig ausleuchtet.

Bevorzugt ist auch, dass die starre Anordnung der

Punktlichtquellen ein regelmäßiges Raster bildet und dass sich am Durchstoßpunkt der optischen Achse des

Interferometers mit diesem regelmäßigen Raster keine

Punktlichtquelle befindet und in der Nähe des

Durchstoßpunktes n = drei oder mehr Punktlichtquellen angeordnet sind, deren Objektwellen die Referenzwellen am Fizeauobj ektiv oder der Fizeauplatte erzeugen.

Bevorzugt ist auch, dass die n = 3 oder mehr

Punktlichtquellen symmetrisch in gleichem Abstand um den Durchstoßpunkt (D) angeordnet sind.

Ferner ist bevorzugt, dass die Interferometerblende während der Messung nicht beweglich und so ausgelegt ist, dass sie gleichzeitig die Referenzwellenfronten, die von mehreren Objektwellenfronten erzeugt werden, auf den Detektor gelangen lassen würde, und dass das Interferometer eine geeignete Vorrichtung aufweist, vorzugsweise ein

bewegliches Blendenarray, die die Auswahlen der

Objektwellenfronten so festlegt, dass pro Messwertaufnahme nur eine Objektwellenfront eine Referenzwellenfront

erzeugt, die zum Detektor gelangt.

Bevorzugt ist auch, dass zur Auswahl der genau einen

Referenzwellenfront auf dem Detektor ein Blendenarray zur Auswahl der diesen Referenzwellenfront erzeugenden

Objektwellenfront vorhanden ist.

Bevorzugt ist auch, dass die Interferometerblende beweglich und so positionierbar ist, dass für jede Messwertaufnahme das Licht genau einer Referenzwellenfront zum Detektor gelangt .

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Interferometerblende so dimensioniert ist, dass sie nur Objektwellen mit ähnlichem Einfallwinkel wie die Referenzwelle auf den Detektor leitet zur Generierung von Teilbereichen mit auswertbaren Streifen in den

Interferogrammen .

Ferner ist bevorzugt, dass das Interferometer so ausgelegt ist, dass sich aus verschiedenen Objektwellen resultierende Teilbereiche des Interferogramms mit auswertbaren Streifen auf dem Detektor überlappen.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich durch ein Punktlichtquellen-Array und ein im Lichtweg von Licht, das von dem Punktlichtquellen-Array ausgeht, hinter dem Punktlichtquellen-Array angeordnetes optisches System aus einem Kollimator, einem Interferometerobj ektiv als Mittel zum Beleuchten, und durch einen Strahlteiler, eine

Interferometerblende und eine Abbildungsoptik als Mittel zum Überlagern und durch eine Kamera (K) aus, wobei die Interferometerblende in der Fourierebene der

Abbildungsoptik zwischen der Abbildungsoptik und dem

Strahlteiler angeordnet ist, und wobei die Lichtquellen in dem Lichtquellen-Array in Zeilen und Spalten in einem regelmäßigen Abstand voneinander angeordnet sind, und wobei eine zentrale Achse des Interferometers eine Normale eines n-Ecks bildet, auf dessen Ecken je eine von n einander benachbarten Punktlichtquellen liegt, und wobei die Normale auf einem Mittelpunkt des n-Ecks steht.

Bevorzugt ist auch, dass die Interferometerblende eine Fl ^¬ eckige oder kreisförmige Öffnung besitzt.

Ferner ist bevorzugt, dass die Kantenlänge der n-eckigen Blendenöffnung mindestens so groß ist wie eine Kantenlänge a, bei der die Streifendichte des Interferogramms , welches entsteht, wenn eine Wellenfront, deren Gradient durch die Interferometerblende begrenzt ist, mit einer ebenen

Referenzwelle interferiert, maximal die halbe

Nyquistfrequenz der Kamera erreicht.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Kantenlänge a noch um eine zusätzliche Länge 2 mal ε größer ist, wobei ε kleiner als a/10 ist.

Bevorzugt ist auch, dass das Interferometer einen

zusätzlichen Interferometerarm aufweist, der eine zentrale, auf einer optischen Achse liegende Punktlichtquelle

erzeugt .

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der zusätzliche Interferometerarm einen

Strahlteiler, einen Spiegel, ein Fernrohr, bestehend aus einem Mikroskopobjektiv und einer Linse, eine Linse und einen weiteren Strahlteiler aufweist, wobei der

Strahlteiler dazu eingerichtet und angeordnet ist, Licht eines Lasers des Interferometers über den zusätzlichen Spiegel in das Fernrohr umzulenken, das Fernrohr dazu eingerichtet ist, das vom Spiegel her einfallende

Lichtbündel aufzuweiten und auf die zusätzliche Linse zu richten, welche dazu eingerichtet und angeordnet ist, das aufgeweitete Lichtbündel zu fokussieren und auf den weiteren Strahlteiler zu richten, wobei dieser im

Strahlengang des Interferometers zwischen der

Interferometerblende und der Abbildungsoptik im Kameraarm des Interferometers angeordnet und dazu eingerichtet ist, von der zusätzlichen Linse her einfallendes Licht in den Kameraarm des Interferometers einzukoppeln .

Bevorzugt ist auch, dass das Interferometer einen Fizeau- Obj ektiv-Aktuator aufweist, der dazu eingerichtet ist, das Fizeau-Obj ektiv längs der optischen Achse zu verschieben.

Ferner ist bevorzugt, dass das Interferometer einen ersten Shutter und einen zweiten Shutter aufweist, welche dazu eingerichtet und angeordnet sind, jeweils einen vom

Stahlteiler ausgehenden Strahlengang gesteuert zu

blockieren oder nicht zu blockieren.

Bevorzugt ist auch, dass der erste Shutter zwischen dem Strahlteiler und dem Mikroskopobjektiv des Interferometers angeordnet ist und dass der zweite Shutter zwischen dem Strahlteiler und dem zusätzlichen Spiegel angeordnet ist.

Mit Blick auf die Verfahrensaspekte ist bevorzugt, dass eine Messung aus mehreren Messwertaufnahmen besteht und dass für die verschiedenen Messwertaufnahmen verschiedene Auswahlen von sich unterscheidenden Objektwellen verwendet werden dergestalt, dass durch die verschiedenen

Messwertaufnahmen jeder zu vermessende Punkte der

Oberfläche mindestens einmal durch eine Objektwelle beleuchtet wird, die zum Detektor gelangt. In Bezug auf Ausgestaltungen des Verfahrens ist bevorzugt, dass eine Messung aus mehreren Messwertaufnahmen besteht und dass für die verschiedenen Messwertaufnahmen

verschiedene Auswahlen von sich unterscheidenden

Objektwellen verwendet werden dergestalt, dass durch die verschiedenen Messwertaufnahmen jeder zu vermessende Punkt der Oberfläche mindestens einmal durch eine Objektwelle beleuchtet wird, die zum Detektor gelangt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen

Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.

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.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:

Figur 1 ein bekanntes Tilted Wave Interferometer;

Figur 2 eine Anordnung der Lichtaustrittseite eines

Punktlichtquellenarrays beim Stand der Technik;

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Interferometers mit einem Objektstrahlengang; Figur 4 eine Anordnung der Lichtaustrittsseite eines Punktlichtquellenarrays bei der Erfindung;

Figur 5 eine bevorzugte Ausgestaltung einer bei einem

Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Interferometerblende ; das Ausführungsbeispiel aus der Figur 3 mit einem Referenzstrahlengang;

Figur 7 eine bevorzugte Ausgestaltung einer bei einem

Ausführungsbeispiel verwendeten

Interferometerblende ; und

Figur 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Einzelnen zeigt die Figur 1 ein bekanntes Tilted Wave Interferometer, das weitgehend dem in der DE 10 2006 057 606 B4 beschriebenen Interferometer entspricht.

Der Strahl einer kohärenten linear polarisierten

Laserquelle 1 durchläuft ein λ/2-Plättchen 2 und wird von einem polarisierenden Strahlteiler-Würfel 3 in einen Prüf- und einen Referenzstrahl geteilt. Der Prüfstrahl wird durch ein Strahlaufweitungsmittel , beispielsweise ein Kepler- Fernrohr, welches aus einem Mikroskopobjektiv 4 sowie einer Kollimationslinse 5 besteht, aufgeweitet. Der aufgeweitete Strahl beleuchtet ein Punktlichtquellenarray 6, welches aus einem Substrat besteht, auf dessen dem Mikroskopobjektiv zugewandter Vorderseite ein Mikrolinsenarray und auf dessen der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite ein

Lochblendenarray 7 angebracht ist.

Das Lochblendenarray 7 ist relativ zum

Punktlichtquellenarray verschieblich, und deckt in eine Stellung jeweils jede zweite Punktlichtquelle in jeder Zeile und Spalte intransparent ab, wobei es für die übrigen Punktlichtquellen transparent ist. Ein solches

Punktlichtquellenarray wird in der eingangs genannten DE 10 2006 057 606 AI ausführlich beschrieben.

Durch Verschieben des Lochblendenarrays um ein Rastermaß, das dem Abstand von je zwei benachbarten Punktlichtquellen einer Zeile entspricht und dass dann auch dem dazu gleichen Abstand von je zwei benachbarten Punktlichtquellen einer Spalte entspricht, lassen sich in vier Schritten alle

Punktlichtquellen aktivieren, wobei nach jedem Schritt jeweils jede vierte Punktlichtquelle durch eine zugehörige Öffnung des Lochblenden-Arrays hindurch leuchtet und die übrigen Lichtquellen alle abgedeckt sind. Unter einer aktivierten Punktlichtquelle wird dabei eine

lichtemittierende und durch das Lochblendenarray nicht abgedeckte Punktlichtquelle verstanden.

Kugelwellenfronten, welche von den einzelnen aktiven

Punktlichtquellen erzeugt werden, passieren den

Strahlteiler 8 und werden anschließend von der

Kollimatorlinse 9 kollimiert. Dies erzeugt viele um

unterschiedliche Beträge zueinander verkippte

Wellenfronten. Diese propagieren durch das

Interferometerobj ektiv 10, welches die sphärische Grundform des Prüflings kompensiert. Unter einer Kompensation wird dabei hier verstanden, dass das Interferometer

Wellenfronten erzeugt, welche die gleiche sphärische

Grundform wie die zu vermessende, reflektierende Oberfläche 11 des Prüflings besitzen. Nach der Reflektion am Prüfling propagiert das Licht zurück und wird am Strahlteiler 8 in den Kameraarm des Strahlenganges reflektiert. Dort passiert das Licht die Interferometerblende 12, welche sich in der Fourierebene des Interferometers befindet. Anschließend passiert das Licht die Abbildungsoptik 13, welche den

Prüfling auf die Kamera 14 abbildet. Die Polarisation des Lichts im Referenzarm wird durch ein λ/2-Plättchen 15 um 90° gedreht. Das Licht wird mittels zweier Spiegel 16 und 17 umgelenkt, wobei einer dieser Spiegel sich mittels eines Piezoaktuators 21 um wenige ym verschieben lässt, um

Messungen mittels Phasenschieben aufnehmen zu können.

Anschließend wird der Strahl durch ein Kepler-Fernrohr, welches aus einem Mikroskopobjektiv 18 und einer

Kollimationslinse 19 besteht, aufgeweitet. Danach wird das Licht der Referenzwelle durch die Linse 20 auf die Mitte der Blende 12 fokussiert. Nach Passieren der

Abbildungsoptik 13 interferiert das Licht auf der Kamera 14 mit dem Licht der am Prüfling reflektierten Objektwellen. Das Interferometer besitzt eine zentrale optische Achse 22, die durch die Krümmungsmittelpunkte der optischen Flächen der Kollimatorlinse geht.

Figur 2 zeigt eine Ansicht eines Punktlichtquellenarrays 6, wie sie sich einem Betrachter bietet, der zum Beispiel vom Ort des Kollimators 9 aus der Figur 1 auf das

Punktlichtquellenarray 6 schaut.

Das Punktlichtquellenarray 6 enthält hier eine in Zeilen und Spalten regelmäßige Anordnung von Punktlichtquellen 23. Diese Anordnung weist insbesondere eine Punktlichtquelle 24 auf, die auf der genannten zentralen Achse liegt und die damit eine zentral angeordnete Punktlichtquelle 24

darstellt. Die zentrale Achse steht in der Figur 2

senkrecht auf der Zeichnungsebene im Schnittpunkt der beiden gepunktet dargestellten Geraden. Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines

erfindungsgemäßen Interferometers 30 zusammen mit einem Objektstrahlengang. Der Lichtstrahl einer kohärenten

Laserquelle L wird durch ein Fernrohr, bestehend aus einem Mikroskopobjektiv Ml und einer Kollimationslinse LI

aufgeweitet und trifft auf ein Punktlichtquellenarray PLQA, welches, wie im bisherigen Aufbau, aus einem Substrat mit Mikrolinsenarray auf der Vorderseite und Pinholearray

(Lochblendenarray) auf der Rückseite besteht. Die

Vorderseite ist die dem einfallenden Laserlicht zugewandte Seite, und die Rückseite ist die der Lochblende zugewandte Seite. Das Punktlichtquellenarray PLQA unterscheidet sich von dem Punktlichtquellenarray 6 aus der Figur 2

insbesondere dadurch, dass seine Punktlichtquellen in Bezug auf die zentrale Achse des optischen Systems des

Interferometers anders angeordnet sind.

Figur 4 zeigt eine Ansicht eines solchen

Punktlichtquellenarrays PLQA in einer mit der Erfindung kompatiblen Anordnung. Dabei zeigt die Figur 4 eine

Ansicht, wie sie sich einem Betrachter bietet, der zum Beispiel vom Ort des Kollimators L2 auf das

Punktlichtquellenarray schaut. Der wesentliche Unterschied des hier verwendeten Punktlichtquellenarrays PLQA zum

Punktlichtquellenarray 6 aus der Figur 2 ist, dass das in der Figur 4 dargestellte Punktlichtquellenarray PLQA in seiner Anordnung im Interferometer keine zentrale Quelle besitzt. Je nach Stellung des Lochblendenarrays AA ist eine der vier Punktlichtquellen 25, 26, 27, 28, welche um die zentrale optische Achse 22 herum liegen, aktiv (Zusammen mit der jeweils aktiven Punktlichtquelle ist insgesamt jeweils jede vierte Punktlichtquelle aktiv). Auch hier steht die zentrale Achse senkrecht auf der Zeichnungsebene der Figur 4 im Schnittpunkt der beiden gepunktet

dargestellten Geraden. Die der optischen Achse am nächsten liegend angeordneten Punktlichtquellen 25, 26, 27 und 28 zeichnen sich gegenüber den anderen, als gleichgroße Punkte dargestellten und weiter außen liegenden Punkten dadurch aus, dass sie neben der Prüfwellenfront einen Fizeau-Reflex als Referenzwelle erzeugen.

Im Folgenden wird wieder auf die Darstellung eines

Ausführungsbeispiels in der Figur 3 Bezug genommen. Als Laserquelle L wird in einer bevorzugten Ausgestaltung ein He-Ne-Laser der Wellenlänge λ = 633 nm mit 10 mW Leistung verwendet. Diese Ausgestaltung ist zur Vermessung von

Optiken für sichtbares Licht sinnvoll. Je nach Anwendung können auch andere Lichtquellen mit anderen Leistungen und/oder anderen Wellenlängen sinnvoll sein, beispielsweise ein Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm mit 50 mW

Leistung .

Das Licht der Punktlichtquellen propagiert weiter durch den Strahlteiler ST2 und wird von der Kollimationslinse L2 kollimiert. Durch das Fizeau-Obj ektiv FO werden die

zueinander verkippten ebenen Wellenfronten, die von den aktiven Punktlichtquellen ausgehen, in sphärische

Wellenfronten umgewandelt, um die sphärische Grundform des Prüflings zu kompensieren. Bei der Vermessung von Schmidt- Platten oder ähnlichen Prüflingen ohne Grundkrümmung wird eine plane Fizeau-Fläche verwendet. Nach der Reflektion am Prüfling SUT (surface under test) propagiert das Licht zurück zum Strahlteiler ST2 und wird in den Abbildungsarm / Kameraarm des Strahlenganges reflektiert.

In der Fourierebene des Aufbaus befindet sich die

Interferometerblende A. Figur 5 zeigt eine bevorzugte

Ausgestaltung, bei der die Interferometerblende eine quadratische Öffnung 30 besitzt. Der außerhalb der Öffnung und die Öffnung umgebende Bereich der Blende ist intransparent .

Wenn für die Auswertung des Interferogramms ein

Trägerfrequenzverfahren verwendet wird, ist die

Blendenöffnung bevorzugt mindestens so groß, dass die

Streifendichte des Interferogramms , welches entsteht, wenn eine Wellenfront, deren Gradient durch die Blende begrenzt ist, mit einer ebenen Referenzwelle interferiert, maximal die halbe Nyquistfrequenz der Kamera erreicht.

Die Dichte der Kamera-Pixel soll nach Nyquist mindestens doppelt so groß wie die durch die Interferenz erzeugte Streifendichte auf der Kamera sein, um die Streifen

hinreichend deutlich getrennt darstellen zu können. Dabei stellt die Streifendichte gewissermaßen ein Signal mit der räumlichen Streifenwiederholungsfrequenz und die

Pixeldichte die räumliche Abtastfrequenz dar. Die räumliche Streifenwiederholungsfrequenz auf der Kamera hängt von der lichten Weite der Interferometerblende und der Brennweite des Kollimators ab.

Die in der Fourierebene angeordnete Blende stellt für die Raumfrequenzen des Lichtes einen Tiefpassfilter dar und filtert so hohe Raumfrequenzen (gemessen in Linien pro mm) aus. Die Kantenlänge a der quadratischen Blendenöffnung definiert damit eine Grenze für Raumfrequenzen, die die Blende passieren. Je kleiner die Kantenlänge ist, desto niedriger liegt die Grenze der Raumfrequenz. Ein bestimmter Wert der Kantenlänge der quadratischen Blendenöffnung entspricht der Nyquistfrequenz der Kamera.

Ist die Blende größer, wird das von der Optik erzeugte Streifenmuster feiner als die Pixelauflösung der Kamera, so dass es sich von der Kamera nicht auflösen lässt. Ist die Blende kleiner, wird das von der Optik erzeugte

Streifenmuster gröber als die Pixelauflösung der Kamera, was einen Verlust an Ortsauflösung bedeutet. Die

Kantenlänge entspricht bevorzugt der Nyquistfrequenz der Kamera K. Die Punkte Rl bis R4 repräsentieren die Foki der vier letztlich von den Lichtquellen 25 - 27 aus der Figur 4 ausgehenden und an der Fizeau-Fläche reflektierten

Referenzwellen. Der quadratische Bereich der Kantenlänge a ist der Bereich der gültigen Strahlen der Objektwellen im mathematischen Modell. Die physikalisch vorhandene Blende ist bevorzugt noch um eine zusätzliche Länge (2 mal ε) größer, so dass Beugungseffekte am Rand vermieden werden. Dabei ist ε bevorzugt kleiner als a/10.

Für die Auswertung verwendbare und diesem Sinne gültige Strahlen der Objektwellen befinden sich aber nur innerhalb der halben Nyquistfrequenz (Abstand a/2 von der Mitte der Blende entfernt) . Nach der Blende passiert das Licht die Abbildungsoptik AO und trifft auf die Kamera K.

Figur 6 zeigt das Interferometer aus der Figur 3 mit einem Referenzstrahlengang. Die Referenzwellenfront wird, anders als beim bisherigen Tilted Wave Interferomter, mittels einer Fizeau-Fläche erzeugt. Diese ist typischerweise die letzte Fläche des Objektivs FO. Eine Fizeau-Fläche zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen Teil der einlaufenden Prüfwelle reflektiert. Der reflektierte Teil trägt zum Beispiel 2 % bis 6 % der Energie der einlaufenden Prüfwelle und stellt die Referenzwelle für diese Prüfwelle, bzw. für deren als Objektwelle am Prüfling reflektierenden Teil dar. Je nach Stellung des Lochblendenarrays AA ist eine der vier Punktlichtquellen, welche um die zentrale optische Achse herum liegen, aktiv. Das Licht der aktiven Quelle propagiert durch den

Strahlteiler ST2 und wird anschließend von der Linse L2 kollimiert. Anschließend wird es an der Fizeau-Fläche des Objektivs FO reflektiert und propagiert zurück zum

Strahlteiler ST2, wo es in den Kameraarm reflektiert wird. Es passiert die Blende AO in einer der vier Ecken der quadratischen Blendenöffnung, was der halben

Nyquistfrequenz entspricht, und interferiert nach Passieren der Abbildungsoptik AO mit der Prüfwelle auf der Kamera K.

Die erläuterte Ausgestaltung mit dem Quadrat stellt nur den Spezialfall für n = 4 des allgemeineren Falls eines n-Ecks dar. Da die Position des Durchtritts der

Referenzwellenfront durch die Fourierebene immer in einer der vier Ecken der Blende liegt, liegen die Strahlen mit der in der Fourierebene maximalen Entfernung von der

Referenzwelle in der gegenüberliegenden Ecke. Dadurch ist die Streifendichte des aus der Objektwelle und der

Referenzwelle gebildeten Interferogramms auf das Intervall zwischen Null (kein Streifen) und der Nyquistfrequenz (maximale Streifendichte) beschränkt. Da die Blende im Vergleich zum bisherigen Tilted Wave Entwurf nur die halbe lichte Weite hat, muss bei gleichbleibender Pixelauflösung auch der Abstand der Quellen im Punktlichtquellenarray PLQA halbiert werden.

Weil die Interferometerblende nur die Objektwellen

durchlässt, die mit einem ähnlichen Winkel wie die

Referenzwelle in die Kamera einfallen, blendet sie

gleichzeitig die reflektierten Objektwellen aus, die nicht zu auswertbaren Streifen führen würden. Für jede von einer Punktlichtquelle ausgehende Objektwelle ergibt sich so auf der Kamera wenigstens ein abgegrenzter Bereich, der auswertbar ist. Dabei wird unter einem auswertbaren Bereich ein Streifenmuster mit auflösbaren Streifen verstanden. Der oder die Bereiche anderer Objektwellen liegen woanders. Jeder dieser Bereiche enthält im Ergebnis Information über einen anderen Teil der Oberfläche des Prüflings. Aufgrund der klaren Abgrenzung der Bereiche werden bevorzugt viele Objektwellen gleichzeitig eingeschaltet.

Durch die verkippte Referenzwelle ist somit immer eine Trägerfrequenz auf dem Interferogramm vorhanden, so dass es möglich ist, Trägerfrequenzverfahren zur Bestimmung der sich im Interferogramm abbildenden Phasendifferenzen zu verwenden .

Trägerfrequenzverfahren sind den Fachleuten, die mit dem Entwurf von Interferometern und dem Auswerten von

Interferogrammen beschäftigen, vertraut und müssen daher hier nicht näher erläutert werden. Als Beispiel wird auf das DirectlOO - Interferometer der Firma Zeiss verwiesen, dass in der Veröffentlichung "New Zeiss interferometer" beschrieben wird. Bekannt ist auch das Takeda-Verfahren, das in der eingangs genannten Veröffentlichung "Fouriertransform method of fringe-pattern analysis for computer- based topography and interferometry" beschrieben wird, und das eine sehr recheneffiziente Methode zur Berechnung der Phase aus einem Interferogramm darstellt.

Alternativ zur Auswertung über Trägerfrequenzverfahren kann nach wie vor auch ein Phasenschiebeverfahren verwendet werden. Der Vorteil hierbei ist, dass der Teil der

Nyquistfrequenz , der bei der ersten Version für die

Trägerfrequenz benötigt wird, nun für die Prüfwellenfront zur Verfügung steht, so dass die doppelte Streifendichte pro Interferenzmuster zur Verfügung steht. Die Blende in der Fourierebene ist hier doppelt so groß wie bei Trägerfrequenzverfahren und der Abstand der Mikrolinsen kann ebenfalls verdoppelt werden.

Da die Referenzwelle nach wie vor verkippt ist, muss hier die Blende A je nach Position des Lochblendenarrays AA ebenfalls verschoben werden, wie es in der Figur 6

dargestellt ist.

Figur 7 zeigt im Einzelnen eine quadratische

Interferometerblende in der Fourierebene in vier

verschiedenen Verschiebepositionen .

Der quadratische Bereich der Kantenlänge 2a ist der Bereich der gültigen Strahlen der Objektwellen im mathematischen Modell. Die physikalisch vorhandene Blende ist bevorzugt noch um eine zusätzliche Länge (2 mal ε) größer, so dass Beugungseffekte am Rand vermieden werden.

Welche der beiden Anordnungen besser geeignet ist, hängt von der jeweiligen Messaufgabe und/der den

Umgebungsbedingungen ab.

Um sicher zu gehen, dass jeder Punkt der Oberfläche des Prüflings mit mindestens einer Objektwelle ausgewertet wird, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung eine Auslegung des Interferometers vor, bei der sich die auswertbaren Bereiche verschiedener Objektwellen von verschiedenen

Punktlichtquellen überlappen.

Um zu vermeiden, dass sich die Interferenzen in den

überlappenden Bereichen stören, wird nur eine Auswahl an Objektwellen gleichzeitig eingeschaltet, zum Beispiel jede vierte. Das heißt, in dem Punktlichtquellenarray PLQA wird nur ein Viertel der vorhandenen Punktlichtquellen

gleichzeitig aktiviert. In der nächsten Messung wird wieder jede vierte Objektwelle, aber andere Objektwellen benutzt, etc. Nach vier Messungen wurden also alle Objektwellen einmal benutzt und jeder Punkt der Oberfläche des Prüflings wurde mit mindestens einer Objektwelle auswertbar

abgetastet .

Ein Rechner steuert die Aktivität der einzelnen

Punktlichtquellen des Punktlichtquellen-Arrays , speichert die für jeden Beleuchtungszustand des Prüflings und damit für jeden der geschalteten Zustände

(transparent/intransparent) von Punktlichtquellen des

Punktlichtquellen-Arrays von der Kamera aufgenommenen

Interferogramme, und bestimmt die Abmessungen der

Oberfläche des Prüflings durch eine Auswertung der

Intensitätsverteilungen der gespeicherten Interferogramme .

Wie bereits weiter oben erwähnt wurde, besteht ein Nachteil der hier vorgestellten neuen Anordnung darin, dass es keine zentrale Quelle mehr gibt. Der Vorteil einer zentralen Quelle ist, dass bei der Vermessung von

rotationssymmetrischen Asphären die Symmetrie genutzt werden kann, um die Justage zu vereinfachen.

Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der

Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch einen weiteren Interferometerarm aus, durch den eine zentrale Quelle zu einem erfindungsgemäßen Interferometer hinzugefügt wird. Das Licht des Lasers wird dazu vom zusätzlichen Strahlteiler ST1 über den zusätzlichen Spiegel S2 umgelenkt und von einem zusätzlichen Fernrohr, bestehend aus Mikroskopobjektiv M3 und Linse L3 aufgeweitet. Von der zusätzlichen Linse L4 wird das Licht wieder fokussiert und mit Hilfe des zusätzlichen Strahlteilers ST3 in den

Abbildungsarm eingekoppelt. Der zusätzliche Strahlteiler ST3 befindet sich im Strahlengang des Interferometers zwischen der Interferometerblende A und der Abbildungsoptik AO im Kameraarm des Interferometers . Von hier propagiert das Licht zum Strahlteiler ST2 und nimmt ab hier denselben Weg wie eine Prüfwelle aus dem Punktlichtquellenarray PLQA. Die Referenzwelle wird ebenfalls über einen Fizeau-Reflex erzeugt. Da die Welle zentral steht, ist die Referenzwelle nicht verkippt, und es entsteht ein Interferogramm ohne Trägerfrequenz .

Um die Phase auszuwerten, können hier wieder

Phasenschiebeverfahren verwendet werden, indem das Fizeau- Objektiv FO mit einem Aktuator 40 verschoben wird. Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich daher durch einen Fizeau Aktuator 40 aus, der dazu eingerichtet ist, das Fizeau-Obj ektiv FO längs der optischen Achse 22 zu

verschieben. Alternativ ist auch das Schieben der

Wellenlänge möglich. Um zwischen den beiden Betriebsmodi (Trägerfrequenz oder zentrale Quelle) umschalten zu können, sind in der Beleuchtung zusätzlich zwei Shutter SH1, SH2 verbaut, welche es erlauben, den jeweils nicht benötigten Strahlengang zu blockieren. Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich daher durch einen ersten Shutter und einen zweiten Shutter aus. Der erste Shutter SH1 ist zwischen dem zusätzlichen Strahlteiler ST1 und dem Mikroskopobjektiv Ml angeordnet. Der zweite Shutter SH2 ist zwischen dem

zusätzlichen Strahlteiler ST1 und dem zusätzlichen Spiegel Sl angeordnet.