Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven

Testverfahren für optische
Komponenten in
Hochleistungsobjektiven
Florian Willomitzer
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Überblick
Grundprinzip der Interferometrie
● Interferometer
● Methoden der Sphärenprüfung
● Methoden der Asphärenprüfung
● Zusammenfassung
●
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Motivation
●
●
Lithographieobjektiv: Kombination sphärischer und
asphärischer Linsen
Kein optisches Bauteil ist perfekt (Oberflächenabweichung!)
→ Jede Systemkomponente trägt zum Gesamtfehler bei
→ Exakte Prüfung jeder einzelnen Systemkomponente
●
Höchste Anforderungen an Präzision!
Bsp: Lithographieobjektiv:
→ Anforderungen an Oberflächengenauigkeit bis zu
Quelle: Dörband, Seitz:
''Interferometric testing of optical
0,25nm RMS
surfaces at its current limit''
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Quelle: Harry,
Levinson; ''Principals of
Lithography''; 2001;
entnommen aus
Vortrag von D. Ploß
Motivation
●
●
Lithographieobjektiv: Kombination sphärischer und
asphärischer Linsen
Kein optisches Bauteil ist perfekt (Oberflächenabweichung!)
→ Jede Systemkomponente trägt zum Gesamtfehler bei
→ Exakte Prüfung jeder einzelnen Systemkomponente
●
Höchste Anforderungen an Präzision!
Bsp: Lithographieobjektiv:
→ Anforderungen an Oberflächengenauigkeit bis zu
Quelle: Dörband, Seitz:
''Interferometric testing of optical
0,25nm RMS
surfaces at its current limit''
►Suche nach hochgenauem Testverfahren zur
Bestimmung von Oberflächenabweichungen
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Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Quelle: Harry,
Levinson; ''Principals of
Lithography''; 2001;
entnommen aus
Vortrag von D. Ploß
Grundprinzip der Interferometrie
●
Ebene Welle trifft auf deformierte Oberfläche
●
Reflexion
Florian Willomitzer
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Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Grundprinzip der Interferometrie
●
Ebene Welle trifft auf deformierte Oberfläche
●
Reflexion
●
Nach Reflexion: Deformierte Wellenfront mit
Phasenverteilung:
4
Obj = 2 h x , y⋅∣
k∣ =
h x , y 

●
Im Interferometer: Überlagerung mit einer
Referenzwellenfront
→ Interferenzstreifen sind sichtbar
I = I 0 1V⋅cosObj −Ref 
Florian Willomitzer
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Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Grundprinzip der Interferometrie
●
Ebene Welle trifft auf deformierte Oberfläche
●
Reflexion
●
Nach Reflexion: Deformierte Wellenfront mit
Phasenverteilung:
4
Obj = 2 h x , y⋅∣
k∣ =
h x , y 

●
Im Interferometer: Überlagerung mit einer
Referenzwellenfront
→ Interferenzstreifen sind sichtbar
I = I 0 1V⋅cosObj −Ref 
►Interferenzbild enthält Informationen über die
Oberflächendeformation eines Objekts!
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Interferometer
●
Das Twyman – Green – Interferometer
●
Das Fizeau – Interferometer
●
Interferometrischer Null- und Absoluttest
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Das Twyman - Green - Interferometer
●
●
●
●
Laser (monochromatisch, linear
polarisiert)
Single Mode - Glasfaser: ''Ideale''
Punktlichtquelle
Überaufweitung des Strahls durch A1
→ homogene Intensitätsverteilung
Strahlaufspaltung durch PBS
(''Polarizing Beam Splitter'')
→ Polarisationsoptik zur
Kontrasteinstellung (λ/2 - Platte)
●
Bilder entnommen aus: E.
Geist,: ''Interferometrischer
Quasi-Absoluttest von
Asphären mit Hilfe eines
schaltbaren diffraktiven
optischen Elements'',
Diplomarbeit 2007
λ/4 - Platten: Drehung der polarisierten
Wellen um 2x90°
→ PBS lenkt Wellen in Richtung des
CCD-Detektors
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Das Twyman - Green - Interferometer
●
●
●
Orthogonal polarisiertes Licht nicht
interferenzfähig
→ 45°-Polarisationsfilter
T1: Anpassung des Strahlquerschnitts
an die Prüflingsgröße
T2,T1: Abbildung der Prüflingsoberfläche auf den CCD - Detektor
Bilder entnommen aus: E.
Geist,: ''Interferometrischer
Quasi-Absoluttest von
Asphären mit Hilfe eines
schaltbaren diffraktiven
optischen Elements'',
Diplomarbeit 2007
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Das Twyman - Green - Interferometer
●
●
●
Orthogonal polarisiertes Licht nicht
interferenzfähig
→ 45°-Polarisationsfilter
T1: Anpassung des Strahlquerschnitts
an die Prüflingsgröße
T2,T1: Abbildung der Prüflingsoberfläche auf den CCD - Detektor
→ Interferenzbild auf der CCD
Bilder entnommen aus: E.
Geist,: ''Interferometrischer
Quasi-Absoluttest von
Asphären mit Hilfe eines
schaltbaren diffraktiven
optischen Elements'',
Diplomarbeit 2007
Florian Willomitzer
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Das Twyman - Green - Interferometer
●
●
●
Orthogonal polarisiertes Licht nicht
interferenzfähig
→ 45°-Polarisationsfilter
T1: Anpassung des Strahlquerschnitts
an die Prüflingsgröße
T2,T1: Abbildung der Prüflingsoberfläche auf den CCD - Detektor
→ Interferenzbild auf der CCD
Fazit:
Hohe Flexibilität des
Versuchsaufbaus
Bilder entnommen aus: E.
Geist,: ''Interferometrischer
Quasi-Absoluttest von
Asphären mit Hilfe eines
schaltbaren diffraktiven
optischen Elements'',
Diplomarbeit 2007
ABER: Wenig gemeinsamer Weg der
Lichtstrahlen
→ Verminderte Genauigkeit durch
dynamische + systematische Fehler der
Komponenten
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Das Fizeau - Interferometer
Bild entnommen aus: Schreiner,
Schwider, Lindlein, Mantel: ''Absolute
testing of the reference surface of a
Fizeau interferometer through even/odd
decompositions'' ; 2008
●
Teilspiegelung des Lichts an der
Referenzfläche der Transmissionsplatte
→ Zusammenlegung von Objekt- und
Referenzarm
→ Langer gemeinsamer Weg der
interferierenden Teilstrahlen
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Das Fizeau - Interferometer
Bild entnommen aus: Schreiner,
Schwider, Lindlein, Mantel: ''Absolute
testing of the reference surface of a
Fizeau interferometer through even/odd
decompositions'' ; 2008
●
Teilspiegelung des Lichts an der
Referenzfläche der Transmissionsplatte
► Höhere Genauigkeit!
→ Zusammenlegung von Objekt- und
Referenzarm
→ Langer gemeinsamer Weg der
interferierenden Teilstrahlen
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Das Fizeau - Interferometer
Bild entnommen aus: Schreiner,
Schwider, Lindlein, Mantel: ''Absolute
testing of the reference surface of a
Fizeau interferometer through even/odd
decompositions'' ; 2008
●
Teilspiegelung des Lichts an der
Referenzfläche der Transmissionsplatte
► Höhere Genauigkeit!
→ Zusammenlegung von Objekt- und
Referenzarm
Frage: Modifikation des
Versuchsaubaus zum Test von
Sphären bzw. Asphären ?
→ Langer gemeinsamer Weg der
interferierenden Teilstrahlen
Florian Willomitzer
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Interferometrischer Nulltest
●
●
●
Interferometrischer Messaufbau +
Kompensationsoptik (Nulloptik)
Nulloptik
Nulloptik:
→ Anpassung an die sphärische Prüflingsoberfläche
→ niedrige Streifenfrequenz im Interferogramm
Bsp: ''Jenfizar'' von Jenoptik
→ einfache Linse
Bild entnommen aus: E. Geist,: ''Interferometrischer Quasi-Absoluttest von
Asphären mit Hilfe eines schaltbaren diffraktiven optischen Elements'',
Diplomarbeit 2007
Quelle: http://www.jenoptik-los.de/data/downloads/
133/JENfizar_4_inch_de.pdf
Florian Willomitzer
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Interferometrischer Nulltest
●
●
●
Interferometrischer Messaufbau +
Kompensationsoptik (Nulloptik)
Nulloptik
Nulloptik:
→ Anpassung an die sphärische Prüflingsoberfläche
→ niedrige Streifenfrequenz im Interferogramm
Bsp: ''Jenfizar'' von Jenoptik
→ einfache Linse
Bild entnommen aus: E. Geist,: ''Interferometrischer Quasi-Absoluttest von
Asphären mit Hilfe eines schaltbaren diffraktiven optischen Elements'',
Diplomarbeit 2007
Quelle: http://www.jenoptik-los.de/data/downloads/
133/JENfizar_4_inch_de.pdf
●
Einzelmessung der Phasenverteilung mit Interferometer liefert:
Mess = Obj  RO  [ Dej ]
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Interferometrischer Nulltest
Mess = Obj  RO  [ Dej ]
Abweichung des Objekts
von idealer Sphäre
Systematische Fehler des
Referenz- und Objektarms
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Dejustage
(herausrechenbar)
Interferometrischer Nulltest
Mess = Obj  RO  [ Dej ]
Abweichung des Objekts
von idealer Sphäre
Systematische Fehler des
Referenz- und Objektarms
Dejustage
(herausrechenbar)
Frage:
Wie wird man systematische Fehler los um Aussagen über die
Oberflächendeformationen treffen zu können ?
Florian Willomitzer
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Interferometrischer Nulltest
Mess = Obj  RO  [ Dej ]
Abweichung des Objekts
von idealer Sphäre
Systematische Fehler des
Referenz- und Objektarms
Dejustage
(herausrechenbar)
Frage:
Wie wird man systematische Fehler los um Aussagen über die
Oberflächendeformationen treffen zu können ?
→ Messverfahren, bei dem systematische Fehler eliminiert bzw. ermittelt werden
Florian Willomitzer
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Interferometrischer Nulltest
Mess = Obj  RO  [ Dej ]
Abweichung des Objekts
von idealer Sphäre
Systematische Fehler des
Referenz- und Objektarms
Dejustage
(herausrechenbar)
Frage:
Wie wird man systematische Fehler los um Aussagen über die
Oberflächendeformationen treffen zu können ?
→ Messverfahren, bei dem systematische Fehler eliminiert bzw. ermittelt werden
→ Absolutverfahren
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Methoden der Sphärenprüfung
●
''Klassischer'' Drei – Stellungs – Test
●
Drehschiebeverfahren
●
Rotating Ball – Verfahren
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''Klassischer'' Drei - Stellungs - Test
●
1. Messung: Nulltestposition
→ Objekt – und systematische Fehler werden gemessen
1  x , y = Obj  x , yR  x , y O  x , y 
Quelle: E. Geist,: ''Interferometrischer Quasi-Absoluttest von Asphären mit
Hilfe eines schaltbaren diffraktiven optischen Elements'', Diplomarbeit 2007
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''Klassischer'' Drei - Stellungs - Test
●
1. Messung: Nulltestposition
→ Objekt – und systematische Fehler werden gemessen
1  x , y = Obj  x , yR  x , y O  x , y 
●
2. Messung: Prüfling wird um 180° gedreht
→ Objektfehler rotieren mit, system. Fehler bleiben gleich
2  x , y = Obj −x ,− yR  x , y O  x , y
Quelle: E. Geist,: ''Interferometrischer Quasi-Absoluttest von Asphären mit
Hilfe eines schaltbaren diffraktiven optischen Elements'', Diplomarbeit 2007
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''Klassischer'' Drei - Stellungs - Test
●
1. Messung: Nulltestposition
→ Objekt – und systematische Fehler werden gemessen
1  x , y = Obj  x , yR  x , y O  x , y 
●
2. Messung: Prüfling wird um 180° gedreht
→ Objektfehler rotieren mit, system. Fehler bleiben gleich
2  x , y = Obj −x ,− yR  x , y O  x , y
●
3: Messung: Katzenaugenposition
→ Spiegel im Fokus der sphärischen Wellenfront
→ Inversion der sphärischen Testwellenfront
1
3 x , y = R  x , y O x , yO −x ,− y
2
Quelle: E. Geist,: ''Interferometrischer Quasi-Absoluttest von Asphären mit
Hilfe eines schaltbaren diffraktiven optischen Elements'', Diplomarbeit 2007
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''Klassischer'' Drei - Stellungs - Test
●
1. Messung: Nulltestposition
→ Objekt – und systematische Fehler werden gemessen
1  x , y = Obj  x , yR  x , y O  x , y 
●
2. Messung: Prüfling wird um 180° gedreht
→ Objektfehler rotieren mit, system. Fehler bleiben gleich
2  x , y = Obj −x ,− yR  x , y O  x , y
●
3: Messung: Katzenaugenposition
→ Spiegel im Fokus der sphärischen Wellenfront
→ Inversion der sphärischen Testwellenfront
1
3 x , y = R  x , y O x , yO −x ,− y
2
►Absolute Abweichung von der Sphärizität:
1
Obj  x , y = 1 x , y2 −x ,− y−3 x , y−3 −x ,− y
2
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Quelle: E. Geist,: ''Interferometrischer Quasi-Absoluttest von Asphären mit
Hilfe eines schaltbaren diffraktiven optischen Elements'', Diplomarbeit 2007
''Klassischer'' Drei - Stellungs - Test
1
Obj  x , y = 1 x , y2 −x ,− y−3 x , y−3 −x ,− y
2
●
Ungerade Interferometerfehler (z.B. Koma) werden in
Nulltest- und Katzenaugenposition getrennt eliminiert
Koma 0°
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Koma 180°
''Klassischer'' Drei - Stellungs - Test
1
Obj  x , y = 1 x , y2 −x ,− y−3 x , y−3 −x ,− y
2
●
●
Ungerade Interferometerfehler (z.B. Koma) werden in
Nulltest- und Katzenaugenposition getrennt eliminiert
Gerade Interferometerfehler (z.B. Astigmatismus) werden
nur durch Differenzbildung der symmetrisierten
Nulltest- /KA- Daten eliminiert
Koma 0°
Koma 180°
Astigmatismus 0°
Astigmatismus 180°
→ Inversion der Testwellenfront durch KA – Position
→ Kompletter Kontrastverlust bei partieller Kohärenz
(bis auf Zentrum) → Gegenmaßnahmen nötig !
Florian Willomitzer
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Scheinseminar optische Lithographie
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''Klassischer'' Drei - Stellungs - Test
1
Obj  x , y = 1 x , y2 −x ,− y−3 x , y−3 −x ,− y
2
●
●
Ungerade Interferometerfehler (z.B. Koma) werden in
Nulltest- und Katzenaugenposition getrennt eliminiert
Gerade Interferometerfehler (z.B. Astigmatismus) werden
nur durch Differenzbildung der symmetrisierten
Nulltest- /KA- Daten eliminiert
Koma 0°
Koma 180°
Astigmatismus 0°
Astigmatismus 180°
→ Inversion der Testwellenfront durch KA – Position
→ Kompletter Kontrastverlust bei partieller Kohärenz
(bis auf Zentrum) → Gegenmaßnahmen nötig !
→ Suche nach einfacher Modifikation um gerade Fehler ohne Inversion zu ermitteln
Florian Willomitzer
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Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
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''Klassischer'' Drei - Stellungs - Test
Realisierung für das Fizeau – Interferometer
Quelle: Schreiner, Schwider, Lindlein,
Mantel: ''Absolute testing of the
reference surface of a Fizeau
interferometer through even/odd
decompositions'' ; 2008
Florian Willomitzer
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''Klassischer'' Drei - Stellungs - Test
Realisierung für das Fizeau – Interferometer
Quelle: Schreiner, Schwider, Lindlein,
Mantel: ''Absolute testing of the
reference surface of a Fizeau
interferometer through even/odd
decompositions'' ; 2008
Grundposition (0°)
Rotierte Position (180°)
Hier: Test der Referenzfläche !
Florian Willomitzer
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Katzenaugenposition
''Klassischer'' Drei - Stellungs - Test
Realisierung für das Fizeau – Interferometer
Quelle: Schreiner, Schwider, Lindlein,
Mantel: ''Absolute testing of the
reference surface of a Fizeau
interferometer through even/odd
decompositions'' ; 2008
Grundposition (0°)
Rotierte Position (180°)
Hier: Test der Referenzfläche !
Vorteil:
●
●
Gerade Fehler können mit einer Position
(ohne Mischung der Geometrien)
erhalten werden
Keine Inversion der Wellenfront in
der KA - Position
Florian Willomitzer
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Katzenaugenposition
''Klassischer'' Drei - Stellungs - Test
Realisierung für das Fizeau – Interferometer
Quelle: Schreiner, Schwider, Lindlein,
Mantel: ''Absolute testing of the
reference surface of a Fizeau
interferometer through even/odd
decompositions'' ; 2008
Grundposition (0°)
Hier: Test der Referenzfläche !
Vorteil:
●
●
Gerade Fehler können mit einer Position
(ohne Mischung der Geometrien)
erhalten werden
Rotierte Position (180°)
Katzenaugenposition
Dafür Probleme mit:
●
●
●
●
Intensitätsanpassung (Fizeau)
Störende Beugungserscheinungen
Längere Freiraumausbreitung in KA-Position
Minimale Spiegelverkippung
Keine Inversion der Wellenfront in
der KA - Position
Florian Willomitzer
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''Klassischer'' Drei - Stellungs - Test
Realisierung für das Fizeau – Interferometer
Quelle: Schreiner, Schwider, Lindlein,
Mantel: ''Absolute testing of the
reference surface of a Fizeau
interferometer through even/odd
decompositions'' ; 2008
Grundposition (0°)
Hier: Test der Referenzfläche !
Vorteil:
●
●
Gerade Fehler können mit einer Position
(ohne Mischung der Geometrien)
erhalten werden
Keine Inversion der Wellenfront in
der KA - Position
Rotierte Position (180°)
Katzenaugenposition
Dafür Probleme mit:
●
●
●
●
Intensitätsanpassung (Fizeau)
Störende Beugungserscheinungen
Längere Freiraumausbreitung in KA-Position
Minimale Spiegelverkippung
→ Nachteil des Drei-Stellungs-Tests:
Katzenaugenposition
Florian Willomitzer
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Drehschiebeverfahren
Problem: Durchführung eines Absoluttests ohne Katzenaugenposition
Quelle: G. Seitz: ''Absolute interferometric
measurement of non rotational symmetric
surface errors'' ; 2005
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Drehschiebeverfahren
Problem: Durchführung eines Absoluttests ohne Katzenaugenposition
Idee: Interferometerfehler bleiben bei Rotation des Prüflings gleich, Fehler des
Prüflings rotieren mit
► N Messungen nach Rotation des Prüflings um N äquidistante Winkel α !
Quelle: G. Seitz: ''Absolute interferometric
measurement of non rotational symmetric
surface errors'' ; 2005
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Drehschiebeverfahren
Problem: Durchführung eines Absoluttests ohne Katzenaugenposition
Idee: Interferometerfehler bleiben bei Rotation des Prüflings gleich, Fehler des
Prüflings rotieren mit
► N Messungen nach Rotation des Prüflings um N äquidistante Winkel α !
2 Methoden:
Averaging
Method
Quelle: G. Seitz: ''Absolute interferometric
measurement of non rotational symmetric
surface errors'' ; 2005
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Drehschiebeverfahren
Problem: Durchführung eines Absoluttests ohne Katzenaugenposition
Idee: Interferometerfehler bleiben bei Rotation des Prüflings gleich, Fehler des
Prüflings rotieren mit
► N Messungen nach Rotation des Prüflings um N äquidistante Winkel α !
2 Methoden:
Averaging
Method
Reconstruction
Method
Quelle: G. Seitz: ''Absolute interferometric
measurement of non rotational symmetric
surface errors'' ; 2005
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Drehschiebeverfahren
Averaging Method:
●
Messung nach Rotation um Winkel α
●
N Wiederholungen
●
●
Rückrotation auf Ursprungswinkel per
Software
Mittelung der Messergebnisse
Quelle: G. Seitz: ''Absolute interferometric measurement of non
rotational symmetric surface errors'' ; 2005
Ergebnis:
→ Prüflingsfehler sind komplett erhalten
→ Interferometerfehler mitteln sich heraus
Florian Willomitzer
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Drehschiebeverfahren
Averaging Method:
●
Messung nach Rotation um Winkel α
●
N Wiederholungen
●
●
Rückrotation auf Ursprungswinkel per
Software
Mittelung der Messergebnisse
Quelle: G. Seitz: ''Absolute interferometric measurement of non
rotational symmetric surface errors'' ; 2005
Ergebnis:
→ Prüflingsfehler sind komplett erhalten
→ Interferometerfehler mitteln sich heraus
Probleme:
● Periodische Interferometerfehler
● Drift des Interferometers
● Abweichung der Rotationsachsen
Software ↔ Prüfling
● Interpolationsfehler bei Rückrotation
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Drehschiebeverfahren
Reconstruction Method:
●
Messung M(0) bei Winkel 0°
●
N Messungen M(α) bei Winkel α
●
M(0) ↔ M(α) : ''Difference Map''
●
Mittelung aller ''difference maps'' liefert den
Prüflingsfehler
Quelle: G. Seitz: ''Absolute interferometric measurement of non
rotational symmetric surface errors'' ; 2005
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Drehschiebeverfahren
Reconstruction Method:
●
Messung M(0) bei Winkel 0°
●
N Messungen M(α) bei Winkel α
●
M(0) ↔ M(α) : ''Difference Map''
●
Mittelung aller ''difference maps'' liefert den
Prüflingsfehler
Vorteil:
→ Keine Datenpunktrotation erforderlich!
Quelle: G. Seitz: ''Absolute interferometric measurement of non
rotational symmetric surface errors'' ; 2005
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Drehschiebeverfahren
Reconstruction Method:
●
Messung M(0) bei Winkel 0°
●
N Messungen M(α) bei Winkel α
●
M(0) ↔ M(α) : ''Difference Map''
●
Mittelung aller ''difference maps'' liefert den
Prüflingsfehler
Vorteil:
→ Keine Datenpunktrotation erforderlich!
Quelle: G. Seitz: ''Absolute interferometric measurement of non
rotational symmetric surface errors'' ; 2005
ABER:
Es gibt auch rotationssymmetrische
Prüflingsfehler!
→ Weiterer Verfahrensschritt notwendig!
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Drehschiebeverfahren
Verfahrensschritt zur Absolutmessung rotationssym. Prüflingsfehler:
Nach Abschluss eines Drehmittel-Verfahrens um den
Flächenscheitel S:
→ Radiales Profil des Prüflings + Interferometerfehler
●
Laterale Verschiebung des Prüflings um Vektor V
●
Wiederholung des Drehmittel-Verfahrens
Quelle: G. Seitz:
''Absolute
interferometric
measurement of non
rotational symmetric
surface errors'' ;
2005
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Drehschiebeverfahren
Verfahrensschritt zur Absolutmessung rotationssym. Prüflingsfehler:
Nach Abschluss eines Drehmittel-Verfahrens um den
Flächenscheitel S:
→ Radiales Profil des Prüflings + Interferometerfehler
●
Laterale Verschiebung des Prüflings um Vektor V
●
Wiederholung des Drehmittel-Verfahrens
●
Differenzbildung beider Mittelungen
→ Interferometerfehler verschwindet
→ Übrig: geschertes radiales Profil
●
Berechnung des unsgescherten radialen Profils über
numerische Rekonstruktion
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Quelle: G. Seitz:
''Absolute
interferometric
measurement of non
rotational symmetric
surface errors'' ;
2005
Drehschiebeverfahren
Erreichbare Reproduzierbarkeit:
20 pm RMS !!!
Quelle: G. Seitz:
''Absolute
interferometric
measurement of non
rotational symmetric
surface errors'' ;
2005
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Rotating Ball - Verfahren
Quelle: Griesmann, Wang, Soons, Carakos: ''A Simple Ball Averager
for Reference Sphere Calibrations''
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Rotating Ball - Verfahren
Ziel:
Kalibrierung der Referenzwellenfront !
Quelle: Griesmann, Wang, Soons, Carakos: ''A Simple Ball Averager
for Reference Sphere Calibrations''
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Rotating Ball - Verfahren
Ziel:
Kalibrierung der Referenzwellenfront !
Idee:
●
●
●
Kugel: Sphärische Oberfläche, geringe
Oberflächenfehler
Annahme: Abweichungen von Sphärizität
sind statistisch verteilt
Mittelung vieler Messungen über gesamte
Kugeloberfläche
Quelle: Griesmann, Wang, Soons, Carakos: ''A Simple Ball Averager
for Reference Sphere Calibrations''
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Rotating Ball - Verfahren
Ziel:
Kalibrierung der Referenzwellenfront !
Idee:
●
●
●
Kugel: Sphärische Oberfläche, geringe
Oberflächenfehler
Annahme: Abweichungen von Sphärizität
sind statistisch verteilt
Mittelung vieler Messungen über gesamte
Kugeloberfläche
→ Oberflächenfehler mittelt sich heraus
Quelle: Griesmann, Wang, Soons, Carakos: ''A Simple Ball Averager
for Reference Sphere Calibrations''
→ Fehler der Referenzwellenfront !
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Rotating Ball - Verfahren
Verschiedene Mittelungsmethoden denkbar:
Quelle: Griesmann, Wang, Soons,
Carakos: ''A Simple Ball Averager for
Reference Sphere Calibrations''
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Rotating Ball - Verfahren
Verschiedene Mittelungsmethoden denkbar:
Random Sampling Strategy:
● Abtastung zufällig
● Zufällige Ausrichtung der Messzonen
Quelle: Griesmann, Wang, Soons,
Carakos: ''A Simple Ball Averager for
Reference Sphere Calibrations''
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Rotating Ball - Verfahren
Verschiedene Mittelungsmethoden denkbar:
Random Sampling Strategy:
● Abtastung zufällig
● Zufällige Ausrichtung der Messzonen
Uniform Sampling Strategy:
● Abtastung gleichmäßig
● Zufällige Ausrichtung der Messzonen
Quelle: Griesmann, Wang, Soons,
Carakos: ''A Simple Ball Averager for
Reference Sphere Calibrations''
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Rotating Ball - Verfahren
Verschiedene Mittelungsmethoden denkbar:
Random Sampling Strategy:
● Abtastung zufällig
● Zufällige Ausrichtung der Messzonen
Uniform Sampling Strategy:
● Abtastung gleichmäßig
● Zufällige Ausrichtung der Messzonen
No Randomized Orientation:
● Abtastung zufällig
● Gleiche Ausrichtung der Messzonen
Quelle: Griesmann, Wang, Soons,
Carakos: ''A Simple Ball Averager for
Reference Sphere Calibrations''
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Rotating Ball - Verfahren
Verschiedene Mittelungsmethoden denkbar:
Random Sampling Strategy:
● Abtastung zufällig
● Zufällige Ausrichtung der Messzonen
Uniform Sampling Strategy:
● Abtastung gleichmäßig
● Zufällige Ausrichtung der Messzonen
No Randomized Orientation:
● Abtastung zufällig
● Gleiche Ausrichtung der Messzonen
Quelle: Griesmann, Wang, Soons,
Carakos: ''A Simple Ball Averager for
Reference Sphere Calibrations''
Experiment zeigt:
→ Uniform Sampling ist beste Strategie !
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Rotating Ball - Verfahren
Verschiedene Mittelungsmethoden denkbar:
Random Sampling Strategy:
● Abtastung zufällig
● Zufällige Ausrichtung der Messzonen
Uniform Sampling Strategy:
● Abtastung gleichmäßig
● Zufällige Ausrichtung der Messzonen
No Randomized Orientation:
● Abtastung zufällig
● Gleiche Ausrichtung der Messzonen
Quelle: Griesmann, Wang, Soons,
Carakos: ''A Simple Ball Averager for
Reference Sphere Calibrations''
Ergebnis:
Experiment zeigt:
→ Uniform Sampling ist beste Strategie !
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Methoden der Asphärenprüfung
●
Ashären Quasiabsolutverfahren
●
Zonales Scannen
●
Subapertur – Stitching
●
Asphäro – Verfahren
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Asphären Quasiabsolutverfahren
→ Anwendung des Drei-Stellungs-Tests auf Asphären:
Probleme:
Erzeugung einer asphärischen Wellenfront
● Asphärische Wellenfronten haben keinen Fokus!
→ Zusätzlich sphärische Wellenfront für Absoluttest benötigt
●
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
http://de.wikipedia.org/
wiki/FresnelZonenplatte
Asphären Quasiabsolutverfahren
→ Anwendung des Drei-Stellungs-Tests auf Asphären:
http://de.wikipedia.org/
wiki/FresnelZonenplatte
Probleme:
Erzeugung einer asphärischen Wellenfront
● Asphärische Wellenfronten haben keinen Fokus!
→ Zusätzlich sphärische Wellenfront für Absoluttest benötigt
●
Lösung: Combo - DOE (''Diffraktives Optisches Element'')
Generiert sphärische und asphärische Wellenfront
● Sphärische Welle: off-axis
● Asphärische Welle: on-axis
●
Abbildungen entnommen aus:
E. Geist,: ''Interferometrischer
Quasi-Absoluttest von
Asphären mit Hilfe eines
schaltbaren diffraktiven
optischen Elements'',
Diplomarbeit 2007
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Asphären Quasiabsolutverfahren
Streifenweise kodiertes
Combo - DOE:
Abbildungen entnommen aus: E. Geist,:
''Interferometrischer Quasi-Absoluttest von Asphären mit
Hilfe eines schaltbaren diffraktiven optischen Elements'',
Diplomarbeit 2007
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Asphären Quasiabsolutverfahren
Streifenweise kodiertes
Combo - DOE:
Abbildungen entnommen aus: E. Geist,:
''Interferometrischer Quasi-Absoluttest von Asphären mit
Hilfe eines schaltbaren diffraktiven optischen Elements'',
Diplomarbeit 2007
Streifenbreite = 50µm
Asphärische
Wellenfront
(on-axis)
Sphärische
Wellenfront
(off-axis)
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Asphären Quasiabsolutverfahren
→ Anwendung des Drei-Stellungs-Tests auf Asphären:
http://de.wikipedia.org/
wiki/FresnelZonenplatte
Probleme:
Erzeugung einer asphärischen Wellenfront
● Asphärische Wellenfronten haben keinen Fokus!
→ Zusätzlich sphärische Wellenfront für Absoluttest benötigt
●
Lösung: Combo - DOE (''Diffraktives Optisches Element'')
Generiert sphärische und asphärische Wellenfront
● Sphärische Welle: off-axis
● Asphärische Welle: on-axis
●
Messaufbau:
Abbildungen entnommen aus:
E. Geist,: ''Interferometrischer
Quasi-Absoluttest von
Asphären mit Hilfe eines
schaltbaren diffraktiven
optischen Elements'',
Diplomarbeit 2007
Bed:
O '  x , y ≈ O x , y
→ ''Quasiabsoluttest''
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Zonales Scannen
Vermessung rotationssymmetrischer Asphären:
Annahme: Lokal sind Unterschiede zu
sphärischer Oberfläche gering
Sphärische Testwellenfront
● Optischer Achse = Rot. Achse
● Verschiedene Positionen
● Kalibrierung der Testwellenfront
→ Absoluttest !
●
Quelle: Kuechel:
''Interferometric
Measurement of
Rotationally
Symmetric
Aspheric
Surfaces''
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Zonales Scannen
Vermessung rotationssymmetrischer Asphären:
Annahme: Lokal sind Unterschiede zu
sphärischer Oberfläche gering
Sphärische Testwellenfront
● Optischer Achse = Rot. Achse
● Verschiedene Positionen
● Kalibrierung der Testwellenfront
→ Absoluttest !
●
Interferogramme:
Niederfrequente Interferenzstreifen
→ Geringe Abweichung von Sphärizität
● Hochfrequente Interferenzstreifen
→ Hohe Abweichung von Sphärizität Quelle: Kuechel:
●
''Interferometric
Measurement of
Rotationally
Symmetric
Aspheric
Surfaces''
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Zonales Scannen
Vermessung rotationssymmetrischer Asphären:
Annahme: Lokal sind Unterschiede zu
sphärischer Oberfläche gering
Sphärische Testwellenfront
● Optischer Achse = Rot. Achse
● Verschiedene Positionen
● Kalibrierung der Testwellenfront
→ Absoluttest !
●
Interferogramme:
Niederfrequente Interferenzstreifen
→ Geringe Abweichung von Sphärizität
● Hochfrequente Interferenzstreifen
→ Hohe Abweichung von Sphärizität Quelle: Kuechel:
●
''Interferometric
Measurement of
Rotationally
Symmetric
Aspheric
Surfaces''
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Zonales Scannen
Vermessung rotationssymmetrischer Asphären:
Annahme: Lokal sind Unterschiede zu
sphärischer Oberfläche gering
Sphärische Testwellenfront
● Optischer Achse = Rot. Achse
● Verschiedene Positionen
● Kalibrierung der Testwellenfront
→ Absoluttest !
●
Interferogramme:
Niederfrequente Interferenzstreifen
→ Geringe Abweichung von Sphärizität
● Hochfrequente Interferenzstreifen
→ Hohe Abweichung von Sphärizität Quelle: Kuechel:
●
Problem: Messung nichtrotationssymmetrischer Sphären !
''Interferometric
Measurement of
Rotationally
Symmetric
Aspheric
Surfaces''
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Subapertur – Stitching
Frage:
Wie vermisst man eine nicht – rotationssymmetrische
Fläche mittels sphärischer Wellenfronten
Idee:
Abrasterung der gesamten Testfläche
● Verrechnung der Einzelmessungen durch
Algorithmus
●
Quellen: Shen, Li, Dai,
Zheng: ''Testing of large
optical surfaces with
subaperture stitching'' ;
2007 ; http://optics.nasa.gov/
tech_days/tech_days_2005/d
ocs/20QED20SubapertureSti
tchingfor20AsphericSurfaces
.pdf
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Subapertur – Stitching
Frage:
Wie vermisst man eine nicht – rotationssymmetrische
Fläche mittels sphärischer Wellenfronten
Idee:
Abrasterung der gesamten Testfläche
● Verrechnung der Einzelmessungen durch
Algorithmus
●
Ergebnisse:
Quellen: Shen, Li, Dai,
Zheng: ''Testing of large
optical surfaces with
subaperture stitching'' ;
2007 ; http://optics.nasa.gov/
tech_days/tech_days_2005/d
ocs/20QED20SubapertureSti
tchingfor20AsphericSurfaces
.pdf
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Subapertur – Stitching
Frage:
Wie vermisst man eine nicht – rotationssymmetrische
Fläche mittels sphärischer Wellenfronten
Idee:
Abrasterung der gesamten Testfläche
● Verrechnung der Einzelmessungen durch
Algorithmus
●
Ergebnisse:
Quellen: Shen, Li, Dai,
Zheng: ''Testing of large
optical surfaces with
subaperture stitching'' ;
2007 ; http://optics.nasa.gov/
tech_days/tech_days_2005/d
ocs/20QED20SubapertureSti
tchingfor20AsphericSurfaces
.pdf
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Größtes Problem:
Drift !
Asphäro - Verfahren
Verringerung des Driftproblems durch gleichzeitiges
Messen mehrerer Prüflingsbereiche
Experimentelle Realisierung:
Punktlichtquellenarray + Blendenraster
→ Gleichzeitige Abrasterung mehrerer Stellen
Quelle: Garbusi, Pruss,
Liesener, Osten:
''Interferometrisches
Verfahren zur schnellen,
flexiblen Vermessung von
Präzisionsasphären''
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Asphäro - Verfahren
Verringerung des Driftproblems durch gleichzeitiges
Messen mehrerer Prüflingsbereiche
Experimentelle Realisierung:
Punktlichtquellenarray + Blendenraster
→ Gleichzeitige Abrasterung mehrerer Stellen
Quelle: Garbusi, Pruss,
Liesener, Osten:
''Interferometrisches
Verfahren zur schnellen,
flexiblen Vermessung von
Präzisionsasphären''
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Asphäro - Verfahren
Verringerung des Driftproblems durch gleichzeitiges
Messen mehrerer Prüflingsbereiche
Experimentelle Realisierung:
Punktlichtquellenarray + Blendenraster
→ Gleichzeitige Abrasterung mehrerer Stellen
Große Fehlerquelle:
Schräger Durchgang durch sämtliche Optiken !
Quelle: Garbusi, Pruss,
Liesener, Osten:
''Interferometrisches
Verfahren zur schnellen,
flexiblen Vermessung von
Präzisionsasphären''
Florian Willomitzer
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Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Zusammenfassung
●
●
Zur hochgenauen Vermessung sphärischer und asphärischer
Oberflächen werden interferometrische Verfahren verwendet
Der Oberflächenfehler eines Prüflings kann nur durch einen
Absoluttest ermittelt werden
→ Verschiedene Vor- und Nachteile
●
Vermessung von Asphären wesentlich schwieriger (Symmetrie)
→ Zurückführung auf gut kalibrierbare Sphärentests
Florian Willomitzer
17.12.2008
Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09
Florian Willomitzer
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Testverfahren für optische Komponenten in Hochleistungsobjektiven
Scheinseminar optische Lithographie
WS 08/09