Entwurf eines Punktbeugungsinterferometers

In diesem Tech-Talk werden wir ein wenig tiefer in den Aufbau eines Punktbeugungsinterferometers, kurz PDI, eintauchen. Wir haben bereits in einem früheren Tech Talk etwas oberflächlich darüber gesprochen, aber dieses Mal sollte es für jeden, der den Bau eines solchen Interferometers in Erwägung zieht, ausreichend sein. Diese Anwendung wird von der WaveMe-Plattform gut unterstützt, was die Einstiegsschwelle für alle, die sich für diese Technologie interessieren, auf ein absolutes Minimum senkt.

Das PDI ist kein allgemeines Instrument. Er enthält Elemente, die an die numerische Apertur und die Brennweiten des Systems, in dem er eingesetzt wird, angepasst sind. Er kann jedoch auch für andere Konstruktionen verwendet werden, die einige, wenn auch nicht alle Parameter gemeinsam haben. Wenn z. B. zwei telezentrische Systeme mit gleicher Brennweite, aber unterschiedlicher numerischer Apertur verwendet werden und die Lochblende (PH) für die größere numerische Apertur klein genug ist, funktioniert das Interferometer auch für die kleinere Apertur, allerdings mit geringerem Kontrast. Die Anforderungen an den Kontrast sind jedoch eher gering, wenn das Interferometer mit der Phasenverschiebungstechnik ergänzt wird, und die Ergebnisse werden höchstwahrscheinlich immer noch sehr gut sein. Ein gut konzipiertes PDI erreicht eine Genauigkeit von λ/300 (RMS), so dass in den meisten Fällen noch genügend Genauigkeit vorhanden ist.

Die Teile

Eine phasenverschiebende (oder phasengesteuerte) PDI besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: einem Aktor, einem groben Transmissionsgitter und einer PDI-Platte oder Beugungsmaske. Je nach Lichtquelle kann eine zusätzliche Lochblende (PH) erforderlich sein, um eine aberrationsfreie Referenzwellenfront zu erzeugen, mit der die zu prüfende Optik beleuchtet wird, aber auch eine Singlemode-Faser ist eine sehr gute Quelle, wenn ihre numerische Apertur groß genug ist.

Die obige Zeichnung zeigt nur eine von vielen Möglichkeiten, die Phasenverschiebung zu arrangieren, indem das Gitter in der Fourier-Ebene des Systems angeordnet wird. Das Gitter kann als letztes Element vor der PDI-Platte platziert werden, wie in den Bildern eines früheren Vortrags gezeigt wurde, oder es kann sogar Teil der Referenzbeleuchtung sein, die dann zu einer Zwei-PH-Referenzbeleuchtung wird, wenn man nichts in das optische System selbst einbauen möchte oder kann.

Die PDI-Platte kann auch auf viele andere Arten angeordnet werden, vor allem, wenn ein flexibleres Design das Ziel ist, aber dies ist ein technischer Vortrag über die Prinzipien, daher wird die einfachste Variante gezeigt.

Räumliche Auflösung

Betrachtet man das optische System zwischen dem Gitter und der Bildebene der Aperturprojektionsoptik, so befindet sich ein weiteres 4F-System mit der PDI-Platte mit ihrem PH und dem Testfenster (oder der Testapertur) in der Fourier-Ebene, und daraus können wir schließen, dass die Größe des Testfensters die optische Auflösung des Interferometers bestimmt. Diese bestimmt, wie scharf die Blende unseres Testsystems auf der Kamera, die sich in der Bildebene der Aperturprojektionsoptik befindet, aussehen wird und wie kleine Wellenfrontmerkmale wir auflösen können.

Hier sind einige Entscheidungen zu treffen. Wenn wir das Testfenster groß machen, werden die Ausläufer des Flecks, der das PH in der Mitte beleuchtet, zunehmend durch das Testfenster sichtbar. Wenn wir es kleiner machen, verlieren wir an Auflösung. Als Faustregel gilt, dass der Durchmesser dieser Öffnung dem Abstand zwischen den projizierten Beugungsordnungen des Gitters entsprechen sollte. Es werden zwar einige Interferenzen sichtbar sein, aber wenn man daran interessiert ist, die Aberrationen auf die Zernike-Polynome abzubilden, kann man mit dieser Wahl genaue Ergebnisse erzielen.

Die PDI-Platte gibt es nicht von der Stange, wohl aber Lochblenden, und die Testöffnung kann sogar durch Bohren in ein Standard-PH geeigneter Größe eingebracht werden, aber es gibt noch viele andere Möglichkeiten. Wenn die PDI-Platte auf Chrom gedruckt wird, ist eine optische Dichte (OD) von mindestens 5 erforderlich, was größer ist als bei der Verwendung von Standardmasken, die bestenfalls eine OD von 4 oder typischerweise eine OD von 3 aufweisen, was unzureichend ist. Präzisions-Pinholes von Thorlabs, Edmund Optics und verschiedenen anderen Anbietern sind bis zu 1 μm erhältlich. Wenn der gewünschte Durchmesser der PH,

nicht gefunden werden kann, sollten Sie das System in die entgegengesetzte Richtung messen, wenn der Vergrößerungsfaktor nicht 1 ist, und den größten Durchmesser, der immer noch kleiner ist als der obige Durchmesser, als Referenz-PH verwenden. In den Standardtexten steht dann ein Faktor von 0,5, wo ich 0,4 eingesetzt habe. Dies ist kein großer Effekt, aber je nach Aberration zeigen unzählige Simulationen, dass diese Wahl weniger wahrscheinlich zu Ergebnissen außerhalb der erwarteten Genauigkeit führt.

Wir sprechen hier über kleine Wahrscheinlichkeiten, etwa eine von tausend Messungen, aber wenn eine hohe und zuverlässige Genauigkeit angestrebt wird, scheint 0,4 eine bessere Wahl zu sein. Als Faustregel gilt, dass der PH-Durchmesser in etwa dem beugungsbegrenzten Auflösungsvermögen des Systems entspricht, eine Zahl, die sich in der Regel gut im Gedächtnis eines Optikdesigners einprägt.

Bevor wir mit einer Messung beginnen können, müssen die Nadellöcher auf die gebeugten Punkte ausgerichtet werden. Hier ist eine Liste zu beachten,

1. Erkennen Sie die 0. Ordnung an ihrer Leistung. Sie ist die stärkste. Wir gehen hier davon aus, dass das Licht durch die Testblende fällt.
2. Bewegen Sie den Punkt der 0. Ordnung in Richtung der Kante, die der Pinole am nächsten liegt.
3. Fokussieren Sie die PDI-Platte mit der Foucalt-Messerschneidetechnik. Die Aperturprojektionsoptik ist bereits perfekt für diesen Zweck eingerichtet.
4. Verschieben Sie den PH (mit seiner Projektionsoptik) um die nominelle Entfernung zwischen dem Rand und der Mitte des PH. Diesen Abstand kennen wir beim ersten Mal vielleicht nicht so gut, aber es lohnt sich, ihn sich zu merken, wenn wir ihn einmal haben.
5. Maximieren Sie den Randkontrast, um sicherzustellen, dass die Foucs und die Zentrierung korrekt sind.

Die Foucsing-Stufe mit dem Foucault-Test ist hier sehr schön und gibt tatsächlich oft einen ersten Hinweis auf die Aberration des Systems. Mit ein wenig Übung kann man zum Beispiel Astigmatismus bis hinunter zu 0,1 Wellen erkennen. In der praktischen Anwendung des PDI muss man in der Regel nicht alle Schritte der Liste durchführen, aber zumindest jedes Mal, wenn das zu prüfende System ausgetauscht wird. Danach reicht es in der Regel aus, die Magfinikation zu kennen und die Quelle und den PH (bzw. die gesamte Aperturprojektionsoptik, die auf einer gemeinsamen mechanischen Basis montiert sein sollte) in ihre Nennpositionen zu bringen und dort die Feineinstellungen vorzunehmen.

Ein letztes Wort zur PDI-Platte: Auch wenn Sie alles gut ausgerichtet haben, kommt es häufig vor, dass Kamerareflexe auf die PH zurückprallen. Stellen Sie entweder sicher, dass die der Kamera zugewandte Seite schwarz ist, oder fügen Sie eine Viertelwellenplatte und einen linearen Polarisator vor der Kamera hinzu. Ein schwarzer Marker auf der Rückseite des PH kann die Ergebnisse erheblich verbessern. Dies ist in den Messergebnissen nicht immer leicht zu erkennen, so dass man sich einfach darum kümmern kann, dass die Rückseite schwarz ist.

Der Gitterrost

Dem Gitter muss ein wenig (technische) Aufmerksamkeit geschenkt werden. Schließlich ist es das Herzstück des phasenverschiebenden Teils des Interferometers, da es sowohl für die Strahlteilung als auch für die Phasenverschiebung sorgt. Da die angestrebte Genauigkeit dieses Interferometers recht hoch ist, muss die Geradheit der Rillen und die Positioniergenauigkeit des Aktuators (im weitesten Sinne) etwa 0,1 % der Gitterperiode betragen, obwohl dies von einigen Faktoren abhängt, z. B. davon, ob das Testfenster erster oder nullter Ordnung oder sogar Teil einer Beleuchtungsreferenz mit zwei PHs ist. Außerdem muss man darauf achten, dass der Antrieb das Gitter nicht um die optische Achse dreht. In der Regel ist es die Pitch-Spezifikation, auf die man achten muss, während Gieren und Neigen für einen Aktuator, dem es gelingt, die Pitch zu halten, kein Problem darstellen.

In der obigen Abbildung liegt das Gitter in der Ebene, die durch die Bewegungsrichtung und die Normale der Betätigungsebene gegeben ist. In der Regel wird man, sofern das Gitter nicht sehr klein ist, keinen Aktuator finden, dessen Spezifikation den Anforderungen entspricht, und unter allen Umständen sollte das Gitter so nah wie möglich am Aktuator platziert werden, aber diese Spezifikationen gelten immer für den gesamten Verfahrbereich, während wir in unserem Fall normalerweise nicht so viel vom Verfahrbereich nutzen, aber man muss diese Zahl im Auge behalten.

Mögliche Probleme lassen sich durch eine Messung erkennen, die auch die 360°-Phasenverschiebung erfasst. In WaveMe wird dies als 5-Punkt-Messung bezeichnet. Sie gleicht Neigungsfehler aus, bei denen sich die Oberflächennormale des Aktuators in einem begrenzten Abstand um eine Achse dreht.

Nur um sicherzustellen, dass wir alle auf derselben Seite stehen, ist die Anzahl der Streifen, die auf der Kamera sichtbar sein werden, gleich dem Durchmesser der Systemapertur mal der Rillenfrequenz, aber die Frage ist nun, wie viele sollten wir haben? Wenn wir eine geringere Anzahl wählen, ist die Auflösung des PDI geringer, aber die Strahlen liegen näher beieinander, und die Fehlerbeiträge, die sich aus der Wegdifferenz ergeben, typischerweise im Bereich der Aperturprojektion, sind geringer. Umgekehrt nimmt bei einem dichteren Gitter die Auflösung zu und damit auch die Fehler, die sich aus dem Unterschied zwischen den Pfaden ergeben. Diese Fehler können durch Kalibrierung mehr oder weniger schwer zu beseitigen sein, was bei der Messung durch die erste Ordnung recht einfach und bei der Messung durch die nullte Ordnung schwieriger ist. Wenn die hintere Gruppe der Aperturprojektionsoptik zentriert und aplanatisch ist, entfällt dieses Problem weitgehend. Auch hier hängt alles von der angestrebten Genauigkeit ab.

Also, wie viele Rillen über der Systemblende? Es gibt keine festen Regeln, aber 50 ist eher niedrig und 100 ist vielleicht ein bisschen hoch. Wie immer hängt es davon ab, wonach man sucht. Bei der niedrigeren Zahl funktioniert sogar ein plan-konvexes Singlet zwischen der Lochblende und der Kamera, vor allem, wenn wir durch die erste Ordnung messen und kalibrieren, indem wir die beiden Strahlen isolieren, die sonst durch die Testöffnung und die Lochblende gehen würden.

Zwei-Strahl-Referenz

Was die Genauigkeit betrifft, so erfordert das Gitter eine gewisse Aufmerksamkeit. Selbst wenn es auf einem hochwertigen Quarzglas-Wafer gedruckt ist, besteht die Möglichkeit, dass die Anwendung aufgrund mangelnder Ebenheit nicht die gewünschte Genauigkeit erreicht. Bei sichtbaren und UV-Wellenlängen wird dieses Problem durch ein durchgehend geätztes Gitter aus einkristallinem Siliziumwafer vollständig vermieden, aber um die Geradheit der Rillen zu erhalten, müssen die Gitter sehr sorgfältig behandelt werden.

Eine Lösung, die all diese Probleme vermeidet, besteht darin, den Phasenverschiebungsprozess zu einem Teil einer Zwei-Referenz-PH-Beleuchtung zu machen, bei der das Gitter nun Teil der Beleuchtung ist. Die einzige Information, die nach der Lochblende verbleibt, ist ihre gegenseitige Phasendifferenz, und das zu prüfende System bleibt während der Messung unberührt.

Einige persönliche Überlegungen zu dieser Technologie

Ich selbst habe vor allem Erfahrungen mit den Wellenlängen KrF (248 nm) und 355 nm. Was mir beim Einsatz am meisten gefällt, ist, dass es kein Wenn und Aber gibt. Die Optik ist von Natur aus empfindlich, und diese Empfindlichkeit hängt in der Regel von thermischen und mechanischen Drifts ab. Die Lochblende wird sich nicht verändern, vor allem nicht bei einer Lochblende, die auf einer 0,1 mm dicken Edelstahlfolie hergestellt wurde. Man kann dieses Interferometer von Grund auf neu zusammenbauen und weiß, dass die Ergebnisse mindestens auf Milliwellen genau sind.

Wenn ein komplexes optisches System zum ersten Mal zusammengebaut wird, werden viele Materialien und physikalische Faktoren kombiniert, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Die Dinge werden sich bewegen, mit der Temperatur und mit der Zeit aufgrund des Kriechens der Materialien. Da die Wiederholgenauigkeit dieses Werkzeugs so gut ist, muss man nicht eine Woche warten, bis sich die möglichen Probleme zeigen. Man wird sie zumindest am nächsten Tag sehen, und wir können darauf vertrauen, dass unsere Beobachtungen, wenn sie sich zu verändern scheinen, nicht auf das Interferometer zurückzuführen sind.

Obwohl es sich hierbei um ein Werkzeug handelt, das in erster Linie für den beugungsbegrenzten Bereich und darunter geeignet ist, ist es auch für stärker aberrierte Wellenfronten nützlich, obwohl in diesen Fällen keine Nanometergenauigkeit erreicht werden kann. Es ist das High-End-Tool für leistungsstarke optische Geräte, mit dem man bei jeder Leistungsüberprüfung nicht mehr raten muss.