Zwischen Consumerkamera und Lithografieobjektiv - Wiley-VCH

THEMA: OPTISCHE MESSTECHNIK
Zwischen Consumerkamera und
Lithografieobjektiv
CGHs und neuartige Verfahren in der Asphärenprüfung
Ein Problem mit hoher wirtschaftlicher Relevanz für die Optikindustrie ist
die flächenhafte Vermessung von asphärischen (nicht-kugelförmigen) Oberflächen. Asphären bieten dem Optikdesigner im Vergleich zu sphärischen Flächen
ungleich mehr Design-Flexibilität, wodurch sich Systeme mit einer geringeren
Anzahl von Elementen bei einer vergleichbaren oder besseren optischen Funktionalität realisieren lassen. Dieser Größen-,
Gewichts- und Leistungsvorteil wird zunehmend in der gesamten Bandbreite
von optischen Systemen genutzt, von
Massenmarktprodukten bis hin zu HighEnd Optiken.
Die Herstellung von Asphären ist aufgrund
der geringeren Symmetrie deutlich aufwändiger als die traditionelle Herstellung von
Sphären. Dies betrifft zum Einen die Fertigungstechnologie, die in den letzten Jahren
mit der Entwicklung von neuen Fertigungsprozessen wie beispielsweise dem IBF (Ion
Beam Figuring) oder dem MRF (magnetorheologic finishing) enorme Fortschritte erzielt hat. Zum Anderen betrifft es die prozessbegleitende Prüftechnik, ohne die keine
präzise Fertigung möglich ist. Dieser Artikel
umreißt den Stand der interferometrischen
Asphärenprüftechnik mit computergenerierten Hologrammen (CGH) und stellt einige aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet
der flexiblen Asphärenmesstechnik vor.
DIE AUTOREN
CHRISTOF PRUSS
Christof Pruß studierte
von 1993–1999 Physik
an der Universität Stuttgart und in St. Louis, USA.
Seit 1999 ist er am Institut für Technische
Optik beschäftigt, wo er sich im Rahmen seiner Promotion mit dem Design und der Herstellung diffraktiver Optik und der Asphärenmesstechnik befasst. 2002 übernahm er
die Leitung der Gruppe Interferometrie und
Diffraktive Optik des Instituts.
LARS SEIFERT
Lars Seifert hat Physik an
der Universität Stuttgart
studiert. Während seiner
Diplomarbeit
beschäftigte er sich mit dem adaptiven Shack-Hartmann Sensor. Seit 2002 arbeitet er am Institut für Technische Optik als Doktorrand. Sein
Forschungsgebiet umfasst Aktive Optik und
die Vermessung von asphärischen Flächen.
WOLFGANG OSTEN
Wolfgang Osten ist Leiter des Instituts für Technische Optik ITO an der
Universität Stuttgart. Zu
den Forschungsschwerpunkten des Instituts
zählen optische 3D-Oberflächenmesstechniken, Komponenten und Prinzipien der aktiven Optik, hochauflösende Messtechniken
in Subwellenlängenbereich, interferometrische Wellenfrontsensorik und Asphärenmesstechnik, Design und Herstellung diffraktiver Optiken, kohärente Messtechniken
zur Erfassung von 3D-Form- und 3D-Verformungsdaten sowie zur zerstörungsfreien
Werkstoffprüfung. Dabei kommen moderne
optische Komponenten und Strategien zum
Einsatz, deren Zusammenspiel durch die Verbindung von physikalischer Modellierung,
rechentechnischer Simulation und aktivrückgekoppelter Messung gekennzeichnet
ist.
●●
Christof Pruß
Lars Seifert
Prof. Wolfgang Osten
ITO Universität Stuttgart
Pfaffenwaldring 9
70569 Stuttgart
Tel.: 0711/68 56 60 66
E-Mail: [email protected]
E-Mail: [email protected]
E-Mail: [email protected]
Einleitung
Konvexe asphärische Oberfläche.
Sphärische Flächen sind verhältnismäßig
einfach herzustellen, weshalb sie traditionell
in optischen Systemen verwendet werden.
Allerdings ist die Kugelfläche im Optiksystem oftmals nicht die optimale Flächenform
– leistungsfähigere Designs gelingen, wenn
die Symmetrie der Kugelfläche aufgegeben
wird und zu asphärischen, also nicht-kugelförmigen Flächen übergegangen wird. Da-
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mit werden die Objektive in Handykameras
kleiner, Photoobjektive leichter und Hochleistungsoptiken wie Teleskopspiegel und
Lithografieobjektive besser.
Dies erklärt die stark zunehmende Bedeutung von asphärischen Komponenten für
moderne Optiken, und dementsprechend
das starke Interesse der Optikindustrie an der
Thematik Asphären. Mit den Fortschritten
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bei der Entwicklung neuer Fertigungsprozesse für asphärische Flächen sind die Anforderungen an die prozessbegleitende Messtechnik gestiegen. Die Vermessung ist in
der Optikfertigung ein fertigungsrelevanter
Prozessschritt, da Asphären typischerweise
in einem iterativen Prozess aus Messung
und Korrektur hergestellt werden. Dabei
stellt die große Formvielfalt ein Problem dar,
das für sphärische Flächen so nicht existiert
– mit einem Standard-Interferometer lassen
sich ohne Modifikation sphärische Flächen
mit verschiedensten Radien vermessen,
konkave wie konvexe Flächen. Die Prüfung
von Kugelflächen vereinfacht sich durch
die Symmetrie: Kugelwellen propagieren
selbstähnlich, d.h. sie ändern ihren Radius,
nicht aber ihre Kugelgestalt. Daher gelingt
es, den Prüfling so zu platzieren, dass die
Prüfwelle senkrecht auf die Prüflingsoberfläche fällt und in sich zurückreflektiert wird.
Diese Prüfkonfiguration nennt sich Nulltest, da das resultierende Interferogramm
bei idealem Prüfling null Streifen zeigt. Eine
Messung ergibt direkt den Prüflingsfehler.
Dem gegenüber stehen Asphären und optische Freiformflächen. Werden diese im
Standard-Interferometer vermessen, zeigt
das Interferogramm zusätzlich zu den Fertigungsfehlern die Abweichung des Prüflings
von der Kugelwelle des Interferometers. Es
wird also die bekannte Soll-Asphärizität mit
vermessen. Typische Werte für Asphärizitäten sind einige 10 μm bis über 1000 μm,
während die eigentliche Messgröße, die Abweichung von der Sollform, in der Regel mit
einer Genauigkeit von besser als λ/10, oder
im Extremfall bis hinunter zu Bruchteilen von
Nanometern im Bereich der Lithografieobjektive vermessen werden soll. Dieses ungünstige Verhältnis zwischen Messgenauigkeit und Messdynamik, das im Extremfall bis
eins zu einer Million betragen kann, illustriert
die Schwierigkeit bei der Asphärenprüfung.
INFO
Das Institut für Technische Optik (ITO)
der Universität Stuttgart befasst sich mit
der Entwicklung von optischen Messverfahren und –systemen für technische
und biologische Objekte. Dabei spielen
moderne optische Komponenten wie
diffraktive Optiken und aktive optische
Elemente eine Schlüsselrolle, wenn für
aktuelle Fragestellungen wie die Asphärenmesstechnik neue Lösungsstrategien
entwickelt werden.
Belichtungswellenlänge
Substratdurchmesser
Substratdicke
Kleinste Strukturgröße
Adressraster
405 nm
20–300 mm
0,3–20 mm
ca. 0,7 μm
kleiner 10 nm für rotationssymmetrische Strukturen
ABBILDUNG 1: Laserbelichtungssystem CLWS300 am ITO. Das in Polarkoordinaten
arbeitende System kann CGH-Substrate mit einem Durchmesser von bis zu 300 mm
und einer Dicke von mehr als 20 mm strukturieren.
Typische Werte für Asphärizitäten (definiert
als die PV-Abweichung von der bestpassenden Sphäre) sind einige 10 μm.
Ein etabliertes Verfahren:
Nulltest mit CGH
Der direkte Weg, dieses Problem anzugehen,
ist der Einsatz einer Nulloptik. Eine Nulloptik
passt die Wellenfront des Interferometers an
die jeweilige Asphäre an, so dass die Prüfwelle am Prüfling wieder in sich zurück reflektiert wird. Damit wird wieder nur die Abweichung des Prüflings von seiner Sollform
gemessen.
Inzwischen hat sich die Verwendung von
computergenerierten Hologrammen (CGH)
als Nulloptik etabliert [1]. Computergenerierte Hologramme sind diffraktive
Elemente, also auf Beugung basierende
Optiken. Sie bestehen aus mikroskopisch
kleinen gitterartigen Strukturen, die mit
hochgenauen Lithografietechniken wie der
Elektronenstrahllithografie oder der Laserdirektbelichtung (siehe z.B. Abbildung 1)
hergestellt werden. Dabei werden Positioniergenauigkeiten über die gesamte Fläche
des CGH von 50 nm und besser eingehalten.
Dies ist notwendig, da die optische Funktion eines CGH primär von der Position und
Periodizität der Gitterstrukturen abhängt.
Eine Verschiebung der Strukturen um einen
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Bruchteil der lokalen Gitterperiode würde
einen Phasenfehler bewirken, der denselben
Bruchteil der Wellenlänge des verwendeten
Lichts beträgt. Die lokale Gitterperiode ändert sich mit dem Radius und kann am Rand
bis unter 2 μm betragen.
Die Größe des CGH ist vom Prüfling abhängig und kann 200 mm im Durchmesser und
mehr betragen. Abhängig vom Schreibsystem dauert die Belichtung eines großen
CGH einige Stunden bis hin zu einigen Tagen. Für die Vermessung von asphärischen
Flächen werden meist Phasenelemente in
Transmission verwendet. Es ist jedoch auch
ohne weiteres möglich, asphärische diffraktive Spiegel zu fertigen, die bei der Prüfung
in Reflektion verwendet werden, um zum
Beispiel optische Systeme in Transmission zu
prüfen.
Der große Vorteil bei der Verwendung von
CGHs gegenüber konventionell gefertigten
refraktiven Nulloptiken ist der weite Bereich
von Asphärizitäten, der abgedeckt werden
kann. Hinzu kommt, dass CGHs verhältnismäßig preisgünstig sind und sehr präzise
gefertigt werden können. Ein weiterer Vorteil, der CGHs von refraktiven Nulloptiken
abhebt, ist die Möglichkeit, Justagestrukturen auf das CGH-Substrat zu integrieren.
Mit Hilfe der Justagestrukturen kann zum
Beispiel das CGH unter interferometrischer
Kontrolle mikrometergenau relativ zum In-
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ABBILDUNG 2: Beispiel einer diffraktiven Nulloptik mit peripheren Justagestrukturen. Der Justagering ist ein diffraktiver Kugelspiegel,
der das Licht des Interferometerobjektivs in sich zurückwirft, wenn das CGH in Sollposition steht.
terferometerobjektiv positioniert werden
(siehe Abbildung 2). Auch zur Justage der
Asphäre können solche Hilfsmittel integriert
werden, die zum Beispiel die Scheitelposition der Asphäre relativ zum CGH definieren. Die Justagestrukturen werden im selben
Schreibvorgang wie das eigentliche CGH
gefertigt, so dass die höchstmögliche Präzision bei der Zentrierung der Hilfsstrukturen
garantiert ist.
Einer der wenigen Nachteile bei der Verwendung von CGHs ist die Generierung von gerichtetem Streulicht, der sogenannten parasitären Beugungsordnungen. Deren Einfluss
zu minimieren ist Aufgabe des Designers
eines Prüfaufbaus mit CGH. Eines der effektivsten Hilfsmittel hierbei ist die Verwendung
einer Trägerfrequenz im CGH, so dass die gewünschte Beugungsordnung räumlich von
den Fehlordnungen getrennt und über einen Raumfilter selektiert werden kann.
Für höchste Genauigkeiten wurden und werden Quasi-Absolut- [2] und Absolutverfahren
[3] für CGH-Prüfaufbauten entwickelt, die es
erlauben, die Fehler des kompletten Interferometeraufbaus inklusive CGH-Nulloptik zu
kalibrieren. Diese Prüfverfahren basieren auf
der Tatsache, dass man mit CGHs simultan
mehrere unterschiedliche Wellenfronten erzeugen kann. So kann eine sphärische Hilfswelle erzeugt werden, die zur Kalibrierung
der eigentlichen asphärischen Nutzwellenfront verwendet wird.
Flexible Alternativmethoden
Für Kleinserien und den Prototypenbau ist
die Fertigung eines CGH zu kosten- und zeitaufwändig, da für jeden neuen Asphärentyp
ein neues CGH entworfen und gefertigt
werden muss. Typische Kosten für ein CGH
liegen im oberen vier- bis in den fünfstelligen
Euro-Bereich.
Aktuelle Forschungsarbeiten im Bereich der
Asphärenmesstechnik konzentrieren sich daher am Institut für Technische Optik (ITO) auf
flexiblere Messverfahren, wie z.B. adaptive
Nulloptiken auf Basis von Membranspiegeln
[4]. Dabei wird in die Nulloptik ein aktives
Element integriert, das computergesteuert
seine Form ändern kann. Abbildung 3 zeigt
den von uns verwendeten 50 mm Membranspiegel, der mit elektrostatischen Aktuatoren verformt wird.
Eine andere Möglichkeit, Asphären flexibel
zu vermessen, sind stitching-Verfahren, bei
denen der Prüfling abschnittsweise vermessen wird, siehe z.B. [5]. Am ITO wird
aktuell ein Ansatz verfolgt, der ohne jegliche mechanische Bewegung auskommt.
Ermöglicht wird dies durch die Verwendung
von patentierten und im Haus gefertigten
schaltbaren Punktlichtquellen-Arrays [6],
die in einem interferometrischen Prüfaufbau in Videoechtzeit Wellenfronten mit variabler, hochgenauer Verkippung erzeugen.
Somit kann zum Beispiel die Referenzwelle
gezielt und reproduzierbar verkippt werden, wodurch sukzessive Teilbereiche auf
ABBILDUNG 3: Adaptierbare Null-Optik auf Basis von Membranspiegeln. a) Membranspiegel der Fa. OKO Techn. Delft. b) Unkompensierte Wellenfront, weite Teile des Interferogramms sind nicht auswertbar. c) Teilkompensation. Der Membranspiegel reduziert die
Streifendichte, so dass das komplette Interferogramm ausgewertet werden kann.
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b
c
ABBILDUNG 4: Asphärenvermessung mit schaltbarem Punktlichtquellen-Array.
a) Schematischer Aufbau: unter Verwendung des Punktquellen-Arrays lassen
sich Punktquellen mit unterschiedlicher lateraler Position schalten, die verkippte
Referenzwellen generieren.
b) Doppelseitiges mikrooptisches Element mit diffraktiven Mikrolinsen, hergestellt
am ITO mit Grauton-Lithographie und präzise dazu ausgerichteten Pinholes als
Teilkomponente des Punktlichtquellen-Arrays.
c) Typisches Interferogramm bei Asphärenmessungen, die Streifendichte kann lokal von
der Kamera nicht mehr aufgelöst werden.
d) Interferogramm infolge verkippter Referenzwelle, das Gebiet mit auswertbaren
Interferenzstreifen lässt sich systematisch über das Objekt verschieben.
e) Phasenplot einer Messung, die sich aus 25 Einzelmessungen mit verschiedenen Referenzwellenverkippungen zusammensetzt:
d
e
der Asphäre messbar werden. Während des
gesamten Messvorgangs bleibt die Abbildung des Prüflings auf die Interferometerkamera pixeltreu erhalten, so dass sich das Zusammenfügen der Einzelmessungen auf die
Anpassung eines Phasenoffsets reduziert.
Neben interferometrischen Verfahren, bei
denen direkt die Phase der Wellenfront gemessen wird, gibt es auch andere Methoden
zur flexiblen Asphärenprüfung. Eine Alternative, die ohne Referenzwelle auskommt,
ist der Shack-Hartmann Sensor (SHS). Ein
Shack-Hartmann Sensor misst die Ableitung
der Wellenfrontphase, also die Steigung.
Dazu wird ein Array aus Mikrolinsen benutzt,
welches das auftreffendene Licht in kleine
Lichtspots auf die Kamera fokussiert. Die
Lage dieser Spots ist direkt abhängig von der
Steigung der Wellenfront über einer Mikrolinse. Aus den gemessenen Steigungen kann
dann die Wellenfront rekonstruiert werden
[7].
Bei dem am ITO speziell für die Vermessung
von Asphären und Freiformflächen entwickelten adaptiven Shack-Hartmann Sensor (aSHS) [8] wird das statische Mikrolinsenarray des Sensors durch ein dynamisches
Array in Form eines hochauflösenden Flüssigkristalldisplays (LCD) ersetzt. Die Wirkung
des Mikrolinsenarrays wird durch ein in das
LCD eingeschriebenes Hologramm erreicht
(siehe Abbildung 5).
Die dadurch gewonnene Flexibilität ermöglicht es, das Mikrolinsenarray optimal an die
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gewünschte Messaufgabe anzupassen. Designparameter wie Brennweite, Mikrolinsenapertur bzw. Mikrolinsenanzahl, sowie
Mikrolinsengeometrie, können in Videoechtzeit geändert werden. Dies ist dann von
Vorteil, wenn bei geforderter Dynamik immer die optimale Messgenauigkeit erreicht
werden soll, da eine lange Brennweite der
Mikrolinsen zwar die Messgenauigkeit erhöht aber auch die Messdynamik reduziert.
Eine weitere sehr interessante Möglichkeit
ist die Adaption des Mikrolinsenarrays an
die Wellenfront, um Aberrationen im Spotbild zu korrigieren. Das Spotbild eines Gleitsichtglases (planar mit 3 dpt Addition im
Nahbereich) wird in Abbildung 6a gezeigt.
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Zusammenfassung
ABBILDUNG 5: Schema des adaptiven Shack-Hartmann Sensors. Das Mikrolinsenarray
(Mitte) wird an die zu messende Wellenfront (blau) angepasst, um die Genauigkeit der
Spotpositionsbestimmung zu erhöhen.
Asphären und Freiformflächen gewinnen
durch ihr Potential, optische Systeme kompakter und leistungsfähiger zu machen, zunehmend an Bedeutung. Die Anforderungen
an die prozessbegleitende Messtechnik steigen. Dabei steht mittlerweile nicht mehr die
schiere Machbarkeit im Vordergrund – hier
hat der Einsatz von CGH die interferometrische Messtechnik erheblich weitergebracht. Das Forschungsinteresse liegt momentan auf der Entwicklung von flexiblen
Verfahren, die auch für Klein- und Kleinstserien eine rentable Fertigung versprechen. In
diesem Beitrag haben wir stitching-Verfahren, adaptive Nulloptiken und die ShackHartmann Sensorik angesprochen. Diese
Liste ist bei weitem nicht vollständig. Zu erwähnen wären zum Beispiel die Deflektometrie, Krümmungssensorik, Shearing-Interferometrie, sowie scannende, punktweise
messende Verfahren mit schnellen optischen
Sensoren.
Literatur
ABBILDUNG 6: a) Spotbild der Standard-Mikrolinsen und b) korrigierte Spots der an
die Wellenfront angepassten Mikrolinsen. Es ist klar zu erkennen, dass die Spotqualität
besonders im Nahbereich des Gleitsichtglases stark zunimmt.
Deutlich zu erkennen sind Aberrationen der
Spots im Nahbereich, die eine genaue Positionsbestimmung der Spots – und damit eine
genaue Messung – unmöglich machen. Um
eine Adaption der Mikrolinsen durchzuführen, benötigt man zunächst eine ungefähre
Vorstellung der zu messenden Wellenfront.
Diese erhält man zum Beispiel aus den Design-Daten des Prüflings oder, sofern keine
Informationen zum Prüfling vorliegen, über
eine grobe Messung mit einem scannenden
Verfahren mit reduzierter Mikrolinsenanzahl.
Aus dieser Wellenfront können dann die adaptierten Mikrolinsen berechnet werden. Im
resultierenden Spotbild (Abbildung 6b) sind
alle Spots punktförmig und hochgenau in ihrer Position zu bestimmen.
Die Flexibilität des aSHS kommt beim Asphärentest aber auch bei der Vermessung von
Freiformflächen zum Tragen. Ein aktuelles
Beispiel hierfür sind die immer individueller
angepassten Gleitsichtgläser.
36 Optik & Photonik November 2006 Nr. 2
[1] C. Pruss, S. Reichelt, H. J. Tiziani, W. Osten:
Computer generated holograms in interferometric testing. Optical Engineering,
43(11), 2004, 2534–2540.
[2] M. Beyerlein, N. Lindlein, and J. Schwider:
Dual-wave-front
computer-generated
holograms for quasi-absolute testing of
aspherics. Applied Optics, 41, 2002, 2440–
2447.
[3] S. Reichelt, C. Pruss, and H. J. Tiziani: Absolute interferometric test of aspheres by use
of twin computer-generated holograms.
Applied Optics, 42, 2003, 4468–4479.
[4] C. Pruss, H.J. Tiziani: Dynamic null lens for
aspheric testing using a membrane mirror. Optics Communications, 233 (2004)
15–19.
[5] P.E. Murphy, G. Forbes, J. Fleig: Measurement
of mild aspheric surfaces with subaperture
stitching interferometry. Proc. SPIE Vol.
TD03, 2005, 73–75.
[6] J. Liesener, C. Pruß: Schaltbares Punktlichtquellen-Array und dessen Verwendung in der Interferometrie. Patent DE
10325601B3, Anmeldetag 5.6.2003.
[7] L. Seifert , H.J. Tiziani, W. Osten: Wavefront
reconstruction with the adaptive Shack–
Hartmann sensor. Optics Communications 245, 2005, 255–269.
[8] L. Seifert, J. Liesener, H.J. Tiziani: The adaptive Shack-Hartmann sensor. Optics Communications 216, 2003, 313–319.
© 2006 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim