衍射光学元件和干涉测量方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2012年9月28日申请的德国专利申请No. 10 2012 217 800. 7和2012 年9月28日申请的美国临时申请No. 61/707, 014的优先权。该德国专利申请和该美国临 时申请的全部内容通过引用并入本申请。
技术领域
[0003] 本发明涉及一种确定光学元件的光学表面的实际形状与预期形状偏差的方法，执 行该方法的衍射光学元件，以及制造光学元件以及该光学元件的方法。
【背景技术】
[0004] 例如在US 2010/0177321 Al中描述了一种确定实际形状与预期形状的偏差的装 置。该装置包含用于产生测量波的干涉仪，测量波的波前通过衍射光栅适配于光学表面的 非球面预期形状。适配的测量波的波前在光学表面处的反射之后通过干涉测量法来评估， 光学表面的实际形状与其预期形状的偏差在该过程中被确定。
[0005] 在该情况中，衍射光栅例如可为计算机生成的全息图（CGH)，其通过设计由适合的 计算法（例如，光线追迹法）模拟的干涉仪来产生，并且，在该过程中，计算衍射光栅的位相 函数，使得衍射光栅在干涉仪布置的光束路径中具有预期功能。那么，可由衍射光栅的计算 的位相函数制造衍射光栅。
[0006] 形状测量的精度依赖于CGH的精度。在此，尽可能准确的制造不是决定性的，尽可 能准确的测量CGH中所有可能误差是决定性的。已知误差可在测量测试物的形状时通过计 算来移除。因此，CGH形成参考。虽然可完全校准旋转对称非球面的情况中的所有非旋转 对称误差，所有CGH误差对自由形式表面（即，不具有旋转对称性的非球面表面）情况中的 形状测量有影响。因此，关于CGH测量的精度的要求急剧增长。在该过程中，重要的是精确 知道CGH的衍射结构的畸变，即衍射结构相对于它们的预期位置的横向位置，以及CGH的轮 廓形状。然而，这些参数可通过现有技术已知的测量装备来确定的测量精度不足以用于不 断增长的需求。
[0007] 用于高度精确测量光学表面的其它已知设备使用串联布置的两个CGH，由此，测量 构造所需的工作量增加。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是解决上述问题，尤其是提供一种以改善的精度测量任意形状的光 学表面、尤其是不具有旋转对称性的非球面表面的方法和衍射光学元件。
[0009] 根据本发明的解决方案
[0010] 举例而言，根据本发明，上述目的可通过衍射光学元件来实现，该衍射光学元件具 有基板和布置在基板上的衍射结构图案。衍射结构图案构造为将辐射其上的平面或球面输 入波转换为至少四个分离的输出波，其中所述输出波中至少之一是非球面波，所述输出波 中至少另一个是球面波，所述输出波中至少另两个是分别是平面波或球面波。
[0011] 根据本发明，上述输出波因此仅通过单一衍射光学元件（即，布置在单一基板上 的衍射结构图案）产生。因此，衍射光学元件可根据几个变型来构造。根据第一变型，辐射 其上的波为平面的，输出波包含至少一个非球面波和至少三个球面波。根据第二变型，辐射 其上的波为球面的，输出波包含至少一个非球面波和至少三个球面波。根据第三变型，辐射 其上的波为平面的，输出波包含至少一个球面波和至少两个平面波。根据第二变型，辐射其 上的波为球面的，输出波包含至少一个球面波和至少两个平面波。在第一和第二变型的情 况中，根据一个实施例，球面波的强度彼此相差小于30%，尤其小于10%。
[0012] 还可将平面或球面输入波仅称作球面波，在该情况中，平面波计算为具有无限半 径的球面波的球面情况。非球面输出波可为适配于要测量的光学表面的测量波，所述测量 波在表面由干涉测量设备测量时辐射至表面上。其它输出波还可称为校准波。
[0013] 尤其是，衍射光学元件实施为计算机生成的全息图（CGH)。衍射结构图案还可称为 位相光栅或衍射光栅，尽管应注意不必将衍射结构图案理解为表示规则光栅，而是理解为 尤其是可具有弯曲的线结构，所述线结构原则上可在它们的形状上彼此偏离并且它们之间 的距离是可变的。如上文所述，衍射结构图案布置在衍射光学元件的基板上，即，其仅布置 在一个基板上。因此，衍射结构图案不由布置在不同基板上的几个子图案构成。
[0014] 如上所述产生分离的输出波的衍射结构图案可构造为复杂编码的位相光栅。在本 申请的含义中，球面波是具有球面波前的波，即，波前由至少球面表面部分形成的波。
[0015] 在本申请的含义中，非球面波是波前具有与任意理想球面、尤其是与最适合于波 前的球面至少10 λ的偏差的波，其中，λ是辐射其上的输入波的波长。换言之，非球面波具 有至少一个点，在该点处，非球面波与非常理想的球面偏离至少10 λ。如果波长为500nm， 则本申请的含义中的非球面波具有与任意理想球面至少5 μπι的偏差。在本申请的含义中， 非球面波包含具有旋转对称波前的波（即，传统意义上的非球面波）以及具有非旋转对称 波前的波（即，具有所谓自由形式表面的形状的波前的波）。
[0016] 根据一个实施例，非球面波具有自由形式表面形式的波前，其中，所述波前具有与 任意理想球面至少Imm的偏差。
[0017] 在此，"分离的输出波"应理解为表示输出波具有不同的传播方向并因此可彼此独 立地被检测或反射会衍射光学元件，使得这些分离的输出波可在干涉测量系统中被分离地 测量。
[0018] 与干涉测量形状所常规使用的CGH相比，根据本发明，根据本发明的衍射光学元 件的区别在于，除了非球面输出波之外，产生为平面或球面的至少三个其它输出波。在上 述常规CGH中，在不同的衍射级中，除了一个或多个非球面波之外，只产生两个平面或球面 波。
[0019] 如果使用串联布置的两个CGH，由球体形成以及由非球体形成且因此同样是非球 面的波通常辐射在第二CGH上。如果平面或球面波辐射至该CGH上，则在该过程中将不会 产生单一的平面或球面波。
[0020] 在平面或球面输入波辐射至根据本发明的衍射光学元件上时，除了非球面输出波 外产生上述类型的至少三个其它输出波使得可通过其它输出波在制造误差方面测量衍射 光学元件。然后在使用衍射光学元件随后测量光学表面期间，那么再次可通过计算从测量 结果移除制造误差的效应。结果，可增加测量形状、尤其是非球面光学表面的测量精度。
[0021] 依据根据本发明的一个实施例，结构图案构造为使得至少两个其它输出波为平面 波，其传播方向相对于输入波的入射方向关于彼此对称。根据一个变型，两个平面输出波为 线性光栅处的相同衍射级的正级和负级，例如+I st和-1 ^衍射级。
[0022] 依据根据本发明的另一实施例，结构图案构造为使得，除了形成第一波对的两个 平面输出波外，分离的输出波具有第二波对形式的两个其它平面波，其传播方向同样相对 于入射方向关于彼此对称，第一波对的传播方向构成的平面与第二波对的传播方向构成的 平面偏离。尤其是，第一波对的传播方向构成的平面基本上垂直于第二波对的传播方向构 成的平面。在该背景下，基本上垂直表示至少80°、尤其至少85°、至少89°或约90°的 角度。
[0023] 依据根据本发明的另一实施例，在衍射结构图案的每一点i处，第一差矢量与第 二差矢量之间限定出角度a i，第一差矢量由从点i发出的非球面波的波矢Iii (A)与照在点 i上的输入波的波矢kjin)之间的差限定，第二差矢量由从点i发出的至少一个球面波的 波矢h (S)与照在点i上的输入波的波矢Iii (in)之间的差限定。另外，结构图案构造为使 得在至平行于结构图案的平面上的投影中，在衍射结构图案的点i上平均的角a i的绝对 值大于5°，尤其大于10°。波矢还称为"k矢量"，并且是