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WO2021110297A1 - Device for illuminating a workpiece, method for modifying same, and method for measuring the surface of the workpiece - Google Patents

Device for illuminating a workpiece, method for modifying same, and method for measuring the surface of the workpiece Download PDF

Info

Publication number
WO2021110297A1
WO2021110297A1 PCT/EP2020/075736 EP2020075736W WO2021110297A1 WO 2021110297 A1 WO2021110297 A1 WO 2021110297A1 EP 2020075736 W EP2020075736 W EP 2020075736W WO 2021110297 A1 WO2021110297 A1 WO 2021110297A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
diffraction
plane
workpiece
grating
parallel plates
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/075736
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Peter Simon
Original Assignee
Institut Für Nanophotonik Göttingen E.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut Für Nanophotonik Göttingen E.V. filed Critical Institut Für Nanophotonik Göttingen E.V.
Publication of WO2021110297A1 publication Critical patent/WO2021110297A1/en

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    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03FPHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70408Interferometric lithography; Holographic lithography; Self-imaging lithography, e.g. utilizing the Talbot effect
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/067Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03FPHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70216Mask projection systems
    • G03F7/70308Optical correction elements, filters or phase plates for manipulating imaging light, e.g. intensity, wavelength, polarisation, phase or image shift

Definitions

  • the invention relates to a device for illuminating a workpiece with an interference pattern, comprising a two-grating interferometer, which has two diffraction grids aligned perpendicular to its optical axis and arranged at a distance from one another, namely an input-side and an output-side diffraction grating, for generating along different beam paths Diffraction rays that run in a common diffraction plane and interfere with each other in an interference pattern plane are caused by diffraction of an input beam in the diffraction grating on the input side and renewed diffraction of the diffraction rays resulting on the diffraction grating on the output side, with tilt axes aligned in mirror-symmetrical positions in the beam paths of the diffraction beams of the same type, in order to be mirror-symmetrical, tilting axes that are synchronized perpendicular to the diffraction grating Beam modification elements are arranged.
  • the invention further relates to a method for modifying a workpiece by means of a two-grating interferometer with an input-side and an output-side diffraction grating, comprising the steps:
  • the invention finally relates to a method for measuring a workpiece surface by means of a two-grating interferometer with an input-side and an output-side diffraction grating, comprising the steps:
  • a two-grating interferometer for illuminating a workpiece with an interference pattern and - with a suitable setting of the fluence of the interference pattern - for corresponding modification of the workpiece, in particular its surface, is known.
  • a two-grating interferometer consists essentially of two parallel diffraction gratings which are spaced apart from one another and whose identically aligned grating lines are in a period ratio to one another known to the person skilled in the art and generally described in the aforementioned publication.
  • An input beam impinging on the diffraction grating on the input side is diffracted into partial beams of different diffraction orders, each with a positive and negative sign.
  • the two partial beams with different signs of a selected diffraction order diverge along diverging beam paths within a common plane, referred to here as the diffraction plane. So they hit the second diffraction grating, where they again experience diffraction in partial beams of different diffraction orders, each with a positive and a negative sign.
  • the interference pattern plane In a region of this plane, referred to here as the interference pattern plane, which is dependent on the beam width, an interference pattern arises with a periodic distribution of intensity maxima and minima. A workpiece lying in this interference pattern plane is illuminated accordingly. If the fluence of the interference pattern in the areas of its intensity maxima is above a material modification threshold of the workpiece material and if the fluence of the interference pattern in the areas of its intensity minima is below said material modification threshold, a correspondingly patterned modification of the workpiece takes place in the interference pattern plane, which in this context is then referred to as the processing plane can be.
  • the material modification achieved can consist, for example, in an ablation.
  • the workpiece surface is typically divided into the interference pattern or
  • Machining plane placed In the case of transparent materials, however, it is also possible to place a deeper area of the workpiece at a finite distance from the workpiece surface in the interference pattern or processing plane. In these cases, the modification is often associated with a change in the refractive index of the material, for example due to a radiation-induced chemical reaction.
  • the workpiece to be modified is a light guide, in the core area of which a so-called Bragg grating is inscribed should.
  • the document mentioned suggests using a mirror-symmetrical pair of transparent prisms behind the diffraction grating on the output side, each around a tilt axis that is perpendicular to the diffraction plane stands, are tiltable. Due to the influence of these prisms, the periodicity of the interference pattern generated in the interference pattern plane changes as a function of the specifically selected tilt angle of the prisms.
  • the input beam can be swiveled according to the fiber orientation.
  • a special feature of the two-grating interferometer is that the pattern formation and the position of the interference pattern plane are independent of the angle of incidence of the input beam.
  • a problem that cannot be solved with the generic device arises when - regardless of the question of a varying periodicity of the interference pattern - no essentially one-dimensional workpiece, such as said light guide, but an extended workpiece surface is to be provided with the interference pattern.
  • the patterning of the large surface area can be achieved by corresponding two-dimensional pivoting of the input beam.
  • the interference pattern is mapped in different surface areas above, below or (as optimally provided) exactly on the workpiece surface.
  • the position of the interference pattern plane ie that plane in which the geometric intersection of the overlapping diffraction rays lies, relative to the workpiece surface is initially unknown.
  • the diffraction rays reflected back through the second and first diffraction grating along the reversed beam paths from the workpiece surface are then imaged with an image detector, the optics of the image detector being set so that the workpiece surface lies in its depth of field.
  • the recorded image then shows two sharply mapped points, namely the two points of incidence of the diffraction rays on the workpiece surface, the lateral distance of which is directly dependent on the absolute value of the distance between the workpiece surface and the geometric intersection of the diffraction rays.
  • the latter can lie above or below the workpiece surface (whereby it is possible, especially in the second case and in the case of non-transparent workpiece material, that it is not implemented as a real ray intersection at all). Variation of the vertical distance by mechanical lifting or lowering of the workpiece leads to a variation of the lateral distance between the depicted points. If the vertical distance is small, the depicted points merge into a single one. However, it is very difficult to determine the shape of this single depicted point so precisely that the exact superimposition of the points of impact - corresponding to the coincidence of the geometric intersection point and workpiece surface - can be determined with sufficient accuracy. It is therefore customary to adjust the vertical distance, which results in two separately mapped points, the centers of which can be precisely determined by intensity measurements.
  • the vertical distance is then varied by known, vertical, mechanical displacement of the workpiece. From the resulting lateral movement of the imaged points, knowing the geometry of the apparatus, the absolute value (in particular from the lateral point spacing) and the sign (in particular from the direction of movement) of the perpendicular distance between the geometric intersection of the diffraction rays and the workpiece surface are calculated.
  • a major weak point of this approach is the insufficient speed of the mechanical workpiece adjustment.
  • the beam modification elements are designed as plane-parallel plates, the tilting of which sets a predetermined distance between the respectively illuminated area of the processing plane on the one hand and the workpiece surface on the other. In particular, this distance can be “zero”.
  • this distance can be “zero”.
  • the object is further achieved in connection with the features of the preamble of claim 11 in that said variation of the perpendicular distance between the workpiece surface and the geometric intersection of the diffraction beams takes place by mirror-symmetrical and synchronized plane-parallel plates arranged at mirror-symmetrical positions in the beam paths of the diffraction beams about tilt axes aligned perpendicular to the diffraction plane.
  • the plane-parallel plates which in their basic position are perpendicular to the respective beam path in which they are introduced, cause a parallel offset of the respective beam when tilted from this basic position.
  • the diffraction rays run in a diamond shape, ie they diverge between the input-side and the output-side diffraction grating and between the diffraction grating on the output side and the interference pattern plane again towards one another.
  • the respective diffraction angles are predetermined by the properties of the respective diffraction grating. These angles therefore remain unchanged regardless of the tilted position of the plane-parallel plates.
  • the parallel offset of the beams in the area between the diffraction gratings and / or behind the diffraction grating on the output side leads to a migration of the intersection of the diffraction beams in the Z direction, ie in the direction of the optical axis of the two-grating interferometer.
  • the intersection of the rays defines the interference pattern plane in which said ray intersection lies and which in turn is perpendicular to the optical axis of the interferometer.
  • the interference pattern forms in the illuminated area of this plane.
  • the interference pattern plane corresponds to the machining plane of the workpiece. If a curved surface, e.g. the curved workpiece surface, is to be processed over a large area, the "drifting" of the desired processing plane that occurs when the workpiece is scanned from the interference pattern plane specified by the interferometer can be compensated for by tilting this interference pattern plane accordingly by tilting the plane-parallel plates and thus making changes the parallel offset of the diffraction beams is tracked so that it coincides exactly with the desired processing plane at least in the respectively illuminated area.
  • a workpiece can be covered with a continuous pattern projection of uniform periodicity along a curved machining surface, in particular along a curved surface, as was previously only possible in the prior art with exactly flat workpiece surfaces aligned exactly perpendicular to the optical axis.
  • Two first of the plane-parallel plates are preferably arranged in the area between the diffraction gratings. This position is particularly advantageous because the area behind the diffraction grating on the output side, in which the workpiece is arranged, remains free of additional elements, which generally makes handling of the device easier facilitated.
  • the effect according to the invention can also be achieved with first plane-parallel plates arranged behind the diffraction grating on the output side.
  • two second plane-parallel plates are additionally arranged in the area between the diffraction grating on the output side and the interference pattern plane or the processing plane. It is known that ultrashort pulses are characterized by a broad spectrum of wavelengths. However, different wavelengths are diffracted to different degrees at the diffraction gratings, i.e. they strike the plane-parallel plates at different angles of incidence, which leads to wavelength-dependent parallel offsets there.
  • this angular dispersion leads to an undesirable wavelength dependence of the position of the interference pattern plane or, in the case of broadband light, to the formation of a "stack" of interference pattern planes according to wavelengths.
  • this can be compensated for by the aforementioned arrangement of first plane-parallel plates between the diffraction gratings and second plane-parallel plates behind the diffraction grating on the output side.
  • the first and second plane-parallel plates are preferably tilted by the same angle from their respective basic position.
  • this embodiment of the invention also has the advantage of producing a desired total parallel offset or a desired total displacement of the interference pattern plane with thinner plane-parallel plates or with plane-parallel plates of a less refractive material, which is the case with a special choice of the used Radiation source can be helpful.
  • the measurement method explained at the beginning is modified according to the invention in such a way that the variation of the vertical distance between the geometric intersection of the diffraction rays and the workpiece surface is no longer carried out by a slow vertical displacement of the workpiece, but by the vertical displacement of said intersection point by means of the tilting of the plane-parallel plates explained in detail above. In this way, the workpiece surface can be measured much faster than before.
  • Figure 1 a schematic representation of a first embodiment of a lighting device according to the invention
  • FIG. 2 a schematic representation of a second embodiment of a lighting device according to the invention.
  • FIG. 3 a schematic representation of the section area of FIG.
  • FIG. 1 shows in a highly schematic representation the essential parts of the beam path in a two-grating interferometer 10 according to the invention.
  • the interferometer 10 has two diffraction gratings 11, 12, namely an input-side diffraction grating 11 and an output-side diffraction grating 12.
  • the grating lines of the diffraction gratings 11, 12, which are oriented in the same way, are in a period ratio known to the person skilled in the art, as is described in general form in DE 102006032 053 A1.
  • the input beam 20 hits the input side diffraction grating 11 on the input side. In the illustration of FIG Incidence of the input beam 20 on the diffraction grating 11 on the input side is shown. However, the input beam can also be deflected onto the input-side diffraction grating 11 at other angles of incidence by means of pivoting optics (not shown).
  • the input beam 20 is diffracted into partial beams of different diffraction orders.
  • the input beam 20 is diffracted into partial beams of different diffraction orders.
  • the symmetrical diffraction beams 21 of a single, selected diffraction order are shown in FIG.
  • the partial beams of the other diffraction orders can, if they occur at all in a relevant manner, be blocked or deflected.
  • the diffraction beams 21 each strike first plane-parallel plates 31 arranged at mirror-symmetrical positions in a mirror-symmetrical alignment.
  • the plane-parallel plates 31 are each shown in two positions.
  • the respective basic position in which the first plane-parallel plates 31 are exactly perpendicular to the respectively assigned diffraction beam 21 is shown with dashed lines. In this basic position there is no change in the beam path, as indicated by the dotted continuation of the diffraction beams 21 behind the first plane-parallel plates 31.
  • the diffraction beams 21 then fall on the diffraction grating 12 on the output side and are again diffracted there in partial beams of different diffraction orders.
  • a selected diffraction order which depends on the period ratio of the diffraction gratings 11, 12, produces partial beams of the two diffraction beams 21 which intersect in an interference pattern plane 40, are superimposed there and form an interference pattern. If a machining plane of a workpiece lies in this interference pattern plane 40 and the fluence of the diffraction rays 21 is suitably selected, the material of the workpiece can be used in this machining or
  • Interference pattern plane 40 can be modified accordingly. Such a workpiece is not shown in FIG.
  • the first plane-parallel plates 31 can be aligned mirror-symmetrically around perpendicular to the diffraction plane spanned by the diffraction beams 21 (corresponding to the plane of the paper in FIG. 1) Tilt axes are tilted.
  • the first plane-parallel plates 31 located in such a tilted position are shown in FIG. 1 with solid lines.
  • the right one of the first plane-parallel plates 31 is tilted in the clockwise direction and the left one of the first plane-parallel plates is tilted counterclockwise.
  • the parallel offset of the diffraction beams 21 by the first plane-parallel plates 31, which in particular does not imply any change in the angle of the beam path, does not change anything in the previously described renewed diffraction of the diffraction beams 21 at the diffraction grating 12 on the output side Diffraction grating 12 impinge, shifted towards one another compared to the situation with the first plane-parallel plates 31 in the basic position.
  • the Z position of the interference pattern plane 40 and thus the processing plane for a workpiece can be set precisely.
  • the processing plane can track a curved surface of the workpiece or be guided along a curved, predetermined processing surface when the workpiece is scanned by pivoting the input beam 20 in the course of a large-area processing.
  • FIG. 2 shows, in a representation similar to FIG. 1, a further development of the lighting device according to the invention, in addition to the first plane-parallel plates 31 arranged between the diffraction gratings 11, 12, second plane-parallel plates 32 being arranged behind the diffraction grating 12 on the output side.
  • the device of FIG. 2 is particularly suitable for cases in which the input beam 20 is a pulsed laser beam with a short pulse duration.
  • the necessary spectral bandwidth within a laser pulse is greater, the shorter its pulse duration.
  • the wavelength spectrum within the pulse is very broad.
  • the diffraction gratings 11, 12 have a significant angular dispersion, ie a dependence of the diffraction angle on the wavelength of the input beam.
  • components of different wavelengths are thus diffracted at different angles, which is symbolized in FIG. 1 in a greatly exaggerated manner by the double representation of diffraction beams 21, 22 in each case.
  • the diffraction beams 21, 22 are intended to represent the beam paths of the respectively shortest (diffraction beams 22) and respectively longest wavelengths (diffraction beams 21) within the input beam spectrum.
  • the plane-parallel plates 31, 32 are set in such a way that the short-wave diffraction rays 22 impinge perpendicularly in their basic position.
  • FIG. 3 shows, likewise in a highly schematic manner, the intersection area of the diffraction beams 21 when the two-grating interferometer 10 according to the invention is not shown in detail, in which the interference pattern plane 40, in which the geometric intersection 23 of the diffraction beams 21 lies, is around perpendicular distance 61 is arranged above a workpiece surface 50.
  • the interference pattern plane 40 in which the geometric intersection 23 of the diffraction beams 21 lies
  • perpendicular distance 61 is arranged above a workpiece surface 50.
  • the person skilled in the art will also be able to imagine the opposite situation in which the geometric intersection point 23 lies below the workpiece surface 50.
  • the diffraction beams 21 impinge on the workpiece surface 50 at points of incidence 24 laterally spaced from one another. Their lateral spacing 62 changes with the change in vertical spacing 61.
  • this is varied by vertical displacement of geometric intersection point 23 by tilting plane-parallel plates 31, 32 (not shown in FIG. 3).
  • the points of impact 24 are imaged on an image detector and their movement is analyzed as a function of the tilting of the plate.

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a device for illuminating a workpiece with an interference pattern, comprising a two-grating interferometer (10) that has two mutually spaced diffraction gratings (11, 12), namely an input-side diffraction grating (11) and an output-side diffraction grating (12), aligned perpendicularly to the optical axis of the interferometer in order to generate diffraction beams (21, 22), which run along different beam paths on a common diffraction plane and which overlap with each other on an interference pattern plane (40) so as to produce interference, by diffracting an input beam (21) at the input-side diffraction grating (11) and diffracting the resulting diffraction beams (21, 22) again at the output-side diffraction grating (12), wherein identical beam modification elements, which can be tilted about tilting axes oriented perpendicularly to the diffraction plane in a synchronized and mirror-symmetrical manner, are arranged at mirror-symmetrical positions in the beam paths of the diffraction beams (21, 22). The invention is characterized in that the beam modification elements are designed as plane-parallel panels (31, 32). The invention additionally relates to a processing and measuring method using such an illumination device.

Description

Vorrichtung zum Beleuchten eines Werkstücks, Verfahren zu dessen Modifizierung und Verfahren zum Vermessen seiner Oberfläche Device for illuminating a workpiece, method for its modification and method for measuring its surface
Beschreibung description
Gebiet der Erfindung Field of invention
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Beleuchten eines Werkstücks mit einem Interferenzmuster, umfassend ein zwei senkrecht zu seiner optischen Achse ausgerichtete und beabstandet voneinander angeordnete Beugungsgitter, nämlich ein eingangsseitiges und ein ausgangsseitiges Beugungsgitter, aufweisendes Zwei-Gitter- Interferometer zum Erzeugen von entlang unterschiedlicher Strahlengänge in einer gemeinsamen Beugungsebene verlaufenden, einander in einer Interferenzmusterebene interferierend überlagernden Beugungsstrahlen durch Beugen eines Eingangsstrahls in am eingangsseitigen Beugungsgitter und erneutes Beugen resultierender Beugungsstrahlen am ausgangsseitigen Beugungsgitter, wobei an spiegelsymmetrischen Positionen in den Strahlengängen der Beugungsstrahlen gleichartige, um senkrecht zur Beugungsebene ausgerichtete Kippachsen synchronisiert spiegelsymmetrisch verkippbare Strahlmodifikationselemente angeordnet sind. The invention relates to a device for illuminating a workpiece with an interference pattern, comprising a two-grating interferometer, which has two diffraction grids aligned perpendicular to its optical axis and arranged at a distance from one another, namely an input-side and an output-side diffraction grating, for generating along different beam paths Diffraction rays that run in a common diffraction plane and interfere with each other in an interference pattern plane are caused by diffraction of an input beam in the diffraction grating on the input side and renewed diffraction of the diffraction rays resulting on the diffraction grating on the output side, with tilt axes aligned in mirror-symmetrical positions in the beam paths of the diffraction beams of the same type, in order to be mirror-symmetrical, tilting axes that are synchronized perpendicular to the diffraction grating Beam modification elements are arranged.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Modifizieren eines Werkstücks mittels eines Zwei-Gitter-Interferometers mit einem eingangsseitigen und einem ausgangsseitigen Beugungsgitter, umfassend die Schritte: The invention further relates to a method for modifying a workpiece by means of a two-grating interferometer with an input-side and an output-side diffraction grating, comprising the steps:
- Erzeugen von entlang unterschiedlicher Strahlengänge in einer gemeinsamen Beugungsebene verlaufenden Beugungsstrahlen durch Beugen eines gepulsten Eingangsstrahls am eingangsseitigen Beugungsgitter und - Generation of diffraction beams running along different beam paths in a common diffraction plane by diffraction of a pulsed input beam at the diffraction grating on the input side and
- Erzeugen eines Interferenzmusters in einer Bearbeitungsebene des Werkstücks durch Überlagern der Beugungsstrahlen mittels ihres erneuten Beugens am ausgangsseitigen Beugungsgitter, wobei der Eingangsstrahl in mit seinem Pulstakt synchronisierter Weise verschwenkt wird, um unterschiedliche Bereiche der Bearbeitungsebene mit dem Interferenzmuster zu beleuchten, und wobei an spiegelsymmetrischen Positionen in den Strahlengängen der Beugungsstrahlen gleichartige Strahlmodifikationselemente um senkrecht zur Beugungsebene ausgerichtete Kippachsen in mit den Eingangsstrahl-Pulsen synchronisierter Weise spiegelsymmetrisch verkippt werden. - Generation of an interference pattern in a processing plane of the workpiece by superimposing the diffraction beams by means of their renewed diffraction at the diffraction grating on the output side, The input beam is pivoted in a manner synchronized with its pulse rate in order to illuminate different areas of the processing plane with the interference pattern, and with mirror-symmetrical beam modification elements of the same type at mirror-symmetrical positions in the beam paths of the diffraction beams about tilt axes aligned perpendicular to the diffraction plane in a manner synchronized with the input beam pulses be tilted.
Die Erfindung bezieht sich schließlich auf ein Verfahren zum Vermessen einer Werkstückoberfläche mittels eines Zwei-Gitter-Interferometers mit einem eingangsseitigen und einem ausgangsseitigen Beugungsgitter, umfassend die Schritte: The invention finally relates to a method for measuring a workpiece surface by means of a two-grating interferometer with an input-side and an output-side diffraction grating, comprising the steps:
- Erzeugen von entlang unterschiedlicher Strahlengänge in einer gemeinsamen Beugungsebene verlaufenden, zunächst auseinander und sodann wieder auf einen gemeinsamen geometrischen Schnittpunkt zulaufenden Beugungsstrahlen durch Beugen eines Eingangsstrahls am eingangsseitigen Beugungsgitter und erneutes Beugen resultierender Beugungsstrahlen am ausgangsseitigen Beugungsgitter,- Generation of diffraction beams running along different beam paths in a common diffraction plane, initially diverging and then again converging towards a common geometric intersection point by bending an input beam at the entrance-side diffraction grating and renewed diffraction of the resulting diffraction rays at the exit-side diffraction grating,
- Ermitteln des senkrechten Abstandes zwischen der Werkstückoberfläche und dem geometrischen Schnittpunkt der Beugungsstrahlen, wobei das Ermitteln besagten senkrechten Abstandes ein Variieren desselben umfasst, - Determining the perpendicular distance between the workpiece surface and the geometric intersection of the diffraction rays, wherein the determination of said perpendicular distance comprises varying the same,
- Berechnen eines lokalen Oberflächenhöhenwertes aus dem ermittelten senkrechten Abstand, wobei der Eingangsstrahl über die Werkstückoberfläche verschwenkt wird, um unter wiederholter Durchführung der vorgenannten Schritte für eine Mehrzahl von Punkten der Werkstückoberfläche die zugeordneten lokalen Oberflächenhöhenwerte zu erhalten. Calculation of a local surface height value from the determined vertical distance, the input beam being swiveled over the workpiece surface in order to obtain the assigned local surface height values for a plurality of points on the workpiece surface by repeating the aforementioned steps.
Stand der Technik State of the art
Eine gattungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung sowie ein gattungsgemäßes Werkstückmodifikationsverfahren sind bekannt aus der US 6 904201 B1. A generic lighting device and a generic workpiece modification method are known from US Pat. No. 6,904201 B1.
Aus der DE 102006032 053 A1 ist ein sogenanntes Zwei-Gitter-Interferometer zur Beleuchtung eines Werkstücks mit einem Interferenzmuster und - bei geeigneter Einstellung der Fluenz des Interferenzmusters - zur entsprechenden Modifikation des Werkstücks, insbesondere seiner Oberfläche, bekannt. Ein Zwei-Gitter-Interferometer besteht im Wesentlichen aus zwei parallelen, zueinander beabstandeten Beugungsgittern, deren gleich ausgerichtete Gitterlinien zueinander in einem dem Fachmann bekannten, in der vorgenannten Druckschrift allgemein beschriebenen Periodenverhältnis zueinander stehen. Ein auf das eingangsseitige Beugungsgitter auftreffender Eingangsstrahl wird in Teilstrahlen unterschiedlicher Beugungsordnungen, jeweils mit positivem und negativem Vorzeichen, gebeugt. Die beiden Teilstrahlen unterschiedlichen Vorzeichens einer ausgewählten Beugungsordnung laufen entlang auseinander laufender Strahlengänge innerhalb einer gemeinsamen, hier als Beugungsebene bezeichneten Ebene auseinander. So treffen sie auf das zweite Beugungsgitter, wo sie erneut eine Beugung in Teilstrahlen unterschiedlicher Beugungsordnung, jeweils wieder mit positivem und negativem Vorzeichen, erfahren. Insbesondere entstehen entlang aufeinander zu laufender Strahlengänge in der Beugungsebene verlaufende Teilstrahlen, die sich in einem Abstand hinter dem ausgangseitigen Beugungsgitter, der dem Abstand zwischen den Beugungsgittern entspricht, miteinander interferierend überlagern. In einem von der Strahlweite abhängigen Bereich dieser hier als Interferenzmusterebene bezeichneten Ebene entsteht so ein Interferenzmuster mit einer periodischen Verteilung von Intensitätsmaxima und -minima. Ein in dieser Interferenzmusterebene liegendes Werkstück wird entsprechend beleuchtet. Liegt dabei die Fluenz des Interferenzmusters in den Bereichen seiner Intensitätsmaxima oberhalb einer Materialmodifikationsschwelle des Werkstückmaterials und liegt weiter die Fluenz des Interferenzmusters in den Bereichen seiner Intensitätsminima unterhalb besagter Materialmodifikationsschwelle erfolgt eine entsprechend gemusterte Modifikation des Werkstücks in der Interferenzmusterebene, die in diesem Zusammenhang dann als Bearbeitungsebene bezeichnet werden kann. Die erzielte Materialmodifikation kann bspw. in einer Ablation bestehen. In diesem Fall wird typischerweise die Werkstückoberfläche in die Interferenzmuster- bzw. From DE 102006032 053 A1 a so-called two-grating interferometer for illuminating a workpiece with an interference pattern and - with a suitable setting of the fluence of the interference pattern - for corresponding modification of the workpiece, in particular its surface, is known. A two-grating interferometer consists essentially of two parallel diffraction gratings which are spaced apart from one another and whose identically aligned grating lines are in a period ratio to one another known to the person skilled in the art and generally described in the aforementioned publication. An input beam impinging on the diffraction grating on the input side is diffracted into partial beams of different diffraction orders, each with a positive and negative sign. The two partial beams with different signs of a selected diffraction order diverge along diverging beam paths within a common plane, referred to here as the diffraction plane. So they hit the second diffraction grating, where they again experience diffraction in partial beams of different diffraction orders, each with a positive and a negative sign. In particular, there are partial beams running along converging beam paths in the diffraction plane, which overlap in an interfering manner at a distance behind the diffraction grating on the exit side, which corresponds to the distance between the diffraction gratings. In a region of this plane, referred to here as the interference pattern plane, which is dependent on the beam width, an interference pattern arises with a periodic distribution of intensity maxima and minima. A workpiece lying in this interference pattern plane is illuminated accordingly. If the fluence of the interference pattern in the areas of its intensity maxima is above a material modification threshold of the workpiece material and if the fluence of the interference pattern in the areas of its intensity minima is below said material modification threshold, a correspondingly patterned modification of the workpiece takes place in the interference pattern plane, which in this context is then referred to as the processing plane can be. The material modification achieved can consist, for example, in an ablation. In this case, the workpiece surface is typically divided into the interference pattern or
Bearbeitungsebene gelegt. Bei transparenten Materialien ist es jedoch auch möglich, einen tieferen Bereich des Werkstücks mit endlichem Abstand von der Werkstückoberfläche in die Interferenzmuster- bzw. Bearbeitungsebene zu legen. In diesen Fällen ist die Modifikation häufig mit einer Brechungsindexänderung des Materials, bspw. durch eine strahleninduzierte chemische Reaktion, verbunden. Machining plane placed. In the case of transparent materials, however, it is also possible to place a deeper area of the workpiece at a finite distance from the workpiece surface in the interference pattern or processing plane. In these cases, the modification is often associated with a change in the refractive index of the material, for example due to a radiation-induced chemical reaction.
Ein solcher Fall ist in der eingangs erwähnten, gattungsbildenden Druckschrift beschrieben. Hier handelt es sich bei dem zu modifizierenden Werkstück um einen Lichtleiter, in dessen Kernbereich ein sogenanntes Bragg-Gitter eingeschrieben werden soll. Um ohne Wechsel der Beugungsgitter Bragg-Gitter unterschiedlicher Periodizität oder ein Bragg-Gitter mit variierender Periodizität einschreiben zu können, schlägt die genannte Druckschrift vor, hinter dem ausgangsseitigen Beugungsgitter ein spiegelsymmetrisches Paar von transparenten Prismen einzusetzen, die jeweils um eine Kippachse, die senkrecht zur Beugungsebene steht, kippbar sind. Durch den Einfluss dieser Prismen verändert sich die Periodizität des in der Interferenzmusterebene erzeugten Interferenzmusters in Abhängigkeit vom konkret gewählten Kippwinkel der Prismen. Um einen längeren Faserabschnitt mit einem Bragg-Gitter zu versehen, kann der Eingangsstrahl entsprechend der Faserausrichtung verschwenkt werden. Eine Besonderheit des Zwei-Gitter-Interferometers ist es nämlich, dass die Musterausbildung und die Lage der Interferenzmusterebene unabhängig vom Einfallswinkel des Eingangsstrahls sind. Mittels einer mit der Verschwenkung des Eingangsstrahls und seinem Pulstakt synchronisierten Verkippung der Prismen lässt sich also ein längerer Faserabschnitt mit einem Bragg-Gitter mit über seine Länge variierender Periodizität versehen. Such a case is described in the generic document mentioned at the beginning. Here, the workpiece to be modified is a light guide, in the core area of which a so-called Bragg grating is inscribed should. In order to be able to inscribe Bragg gratings of different periodicity or a Bragg grating with varying periodicity without changing the diffraction gratings, the document mentioned suggests using a mirror-symmetrical pair of transparent prisms behind the diffraction grating on the output side, each around a tilt axis that is perpendicular to the diffraction plane stands, are tiltable. Due to the influence of these prisms, the periodicity of the interference pattern generated in the interference pattern plane changes as a function of the specifically selected tilt angle of the prisms. In order to provide a longer fiber section with a Bragg grating, the input beam can be swiveled according to the fiber orientation. A special feature of the two-grating interferometer is that the pattern formation and the position of the interference pattern plane are independent of the angle of incidence of the input beam. By means of a tilting of the prisms that is synchronized with the swiveling of the input beam and its pulse rate, a longer fiber section can be provided with a Bragg grating with a periodicity that varies over its length.
Eine mit der gattungsgemäßen Vorrichtung nicht lösbare Schwierigkeit besteht dann, wenn - unabhängig von der Frage einer variierenden Periodizität des Interferenzmusters - kein im Wesentlichen eindimensionales Werkstück, wie besagter Lichtleiter, sondern eine ausgedehnte Werkstückoberfläche mit dem Interferenzmuster versehen werden soll. Bei einer perfekt ebenen Gestaltung der Werkstückoberfläche und ihrer Ausrichtung exakt senkrecht zur optischen Achse des Zwei-Gitter-Interferometers kann die Musterung des großen Flächenbereiches durch entsprechende, zweidimensionale Verschwenkung des Eingangsstrahls erzielt werden. Ist jedoch die Oberfläche gekrümmt und/oder die Einspannung nicht perfekt senkrecht zur optischen Achse, wird das Interferenzmuster in unterschiedlichen Flächenbereichen oberhalb, unterhalb oder (wie optimaler Weise vorgesehen) exakt auf der Werkstückoberfläche abgebildet. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Schärfe des in die Werkstückoberfläche eingeschriebenen Musters. Bei bekannter Oberflächenform und/oder bekannter Fehljustage lässt sich das Problem theoretisch durch entsprechende Nachführung des Werkstücks parallel zur optischen Achse lösen. Die Genauigkeit dieser Nachführung müsste jedoch typischerweise im Bereich von 10 - 20 pm liegen, was insbesondere im Hinblick auf die erforderlichen Geschwindigkeiten und zu bewegenden Gewichte in der Praxis kaum realisierbar ist. Eine vergleichbare Problematik stellt sich auch bei der dem Fachmann grundsätzlich bekannten Nutzung des Zwei-Gitter-Interferometers zum Vermessen einer gekrümmten oder nicht ideal eben eingespannten Werkstückoberfläche. Es ist bekannt, hierzu die Werkstückoberfläche wie oben beschrieben zu beleuchten, wobei jedoch die Lage der Interferenzmusterebene, d.h. derjenigen Ebene, in der sich der geometrische Schnittpunkt der sich überlagernden Beugungsstrahlen liegt, relativ zur Werkstückoberfläche zunächst unbekannt ist. Mit einem Bilddetektor werden sodann die von der Werkstückoberfläche entlang vertauschter Strahlengänge durch das zweite und das erste Beugungsgitter hindurch rückreflektierten Beugungsstrahlen abgebildet, wobei die Optik des Bilddetektors so eingestellt ist, dass die Werkstückoberfläche in ihrem Tiefenschärfenbereich liegt. Das aufgenommene Bild zeigt dann zwei scharf abgebildete Punkte, nämlich die beiden Auftreffpunkte der Beugungsstrahlen auf der Werkstückoberfläche, deren lateraler Abstand direkt abhängig ist vom Absolutwert des Abstandes zwischen der Werkstückoberfläche und dem geometrischen Schnittpunkt der Beugungsstrahlen. Letzterer kann oberhalb oder unterhalb der Werkstückoberfläche liegen (wobei es insbesondere im zweiten Fall und bei intransparentem Werkstückmaterial möglich ist, dass er gar nicht als realer Strahlenschnittpunkt realisiert ist). Variation des senkrechten Abstandes durch mechanisches Anheben bzw. Absenken des Werkstücks führt zu einer Variation des lateralen Abstandes der abgebildeten Punkte. Bei geringem senkrechten Abstand verschmelzen die abgebildeten Punkte zu einem einzigen. Es ist allerdings sehr schwer, die Form dieses einzigen abgebildeten Punktes so exakt zu bestimmen, dass sich daraus die exakte Überlagerung der Auftreffpunkte - entsprechend dem Zusammenfallen von geometrischem Schnittpunkt und Werkstückoberfläche - hinreichend genau bestimmen ließe. Man nimmt daher üblicherweise eine Einstellung des senkrechten Abstandes vor, bei der sich zwei separat abgebildete Punkte ergeben, deren Mitten präzise durch Intensitätsmessungen bestimmt werden können. Sodann wird der senkrechte Abstand durch bekannte, senkrechte, mechanische Verschiebung des Werkstücks variiert. Aus der resultierenden Lateralbewegung der abgebildeten Punkte werden in Kenntnis der Geometrie der Apparatur der Absolutwert (insbesondere aus dem lateralen Punktabstand) und das Vorzeichen (insbesondere aus der Bewegungsrichtung) des senkrechten Abstandes zwischen dem geometrischen Schnittpunkt der Beugungsstrahlen und der Werkstückoberfläche berechnet. Ein wesentlicher Schwachpunkt dieses Ansatzes ist jedoch die mangelhafte Schnelligkeit der mechanischen Werkstückverstellung. Aufgabenstellung A problem that cannot be solved with the generic device arises when - regardless of the question of a varying periodicity of the interference pattern - no essentially one-dimensional workpiece, such as said light guide, but an extended workpiece surface is to be provided with the interference pattern. With a perfectly flat design of the workpiece surface and its alignment exactly perpendicular to the optical axis of the two-grating interferometer, the patterning of the large surface area can be achieved by corresponding two-dimensional pivoting of the input beam. However, if the surface is curved and / or the clamping is not perfectly perpendicular to the optical axis, the interference pattern is mapped in different surface areas above, below or (as optimally provided) exactly on the workpiece surface. This has a significant impact on the sharpness of the pattern written on the workpiece surface. With a known surface shape and / or known misalignment, the problem can theoretically be solved by corresponding tracking of the workpiece parallel to the optical axis. However, the accuracy of this tracking would typically have to be in the range of 10-20 pm, which is hardly possible in practice, especially with regard to the required speeds and weights to be moved. A comparable problem also arises with the use of the two-grating interferometer, which is known in principle to the person skilled in the art, for measuring a curved or not ideally evenly clamped workpiece surface. It is known to illuminate the workpiece surface as described above, but the position of the interference pattern plane, ie that plane in which the geometric intersection of the overlapping diffraction rays lies, relative to the workpiece surface is initially unknown. The diffraction rays reflected back through the second and first diffraction grating along the reversed beam paths from the workpiece surface are then imaged with an image detector, the optics of the image detector being set so that the workpiece surface lies in its depth of field. The recorded image then shows two sharply mapped points, namely the two points of incidence of the diffraction rays on the workpiece surface, the lateral distance of which is directly dependent on the absolute value of the distance between the workpiece surface and the geometric intersection of the diffraction rays. The latter can lie above or below the workpiece surface (whereby it is possible, especially in the second case and in the case of non-transparent workpiece material, that it is not implemented as a real ray intersection at all). Variation of the vertical distance by mechanical lifting or lowering of the workpiece leads to a variation of the lateral distance between the depicted points. If the vertical distance is small, the depicted points merge into a single one. However, it is very difficult to determine the shape of this single depicted point so precisely that the exact superimposition of the points of impact - corresponding to the coincidence of the geometric intersection point and workpiece surface - can be determined with sufficient accuracy. It is therefore customary to adjust the vertical distance, which results in two separately mapped points, the centers of which can be precisely determined by intensity measurements. The vertical distance is then varied by known, vertical, mechanical displacement of the workpiece. From the resulting lateral movement of the imaged points, knowing the geometry of the apparatus, the absolute value (in particular from the lateral point spacing) and the sign (in particular from the direction of movement) of the perpendicular distance between the geometric intersection of the diffraction rays and the workpiece surface are calculated. A major weak point of this approach, however, is the insufficient speed of the mechanical workpiece adjustment. Task
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung derart weiterzubilden, dass auch gekrümmte und/oder schräg zur optischen Achse eingespannte Werkstücke präzise mit einem kontinuierlichen Interferenzmuster beschriftbar werden, bzw. ein entsprechendes Werkstück-Modifikationsverfahren sowie ein entsprechendes Werkstück-Vermessungsverfahren anzubieten. It is the object of the present invention to develop a generic device in such a way that workpieces that are curved and / or clamped at an angle to the optical axis can also be precisely labeled with a continuous interference pattern, or to offer a corresponding workpiece modification method and a corresponding workpiece measurement method.
Darlegung der Erfindung Statement of the invention
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Strahlmodifikationselemente als planparallele Platten ausgebildet sind. This object is achieved in connection with the features of the preamble of claim 1 in that the beam modification elements are designed as plane-parallel plates.
Die Aufgabe wird weiter in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 5 dadurch gelöst, dass die Strahlmodifikationselemente als planparallele Platten ausgebildet sind, durch deren Verkippen ein vorgegebener Abstand zwischen dem jeweils beleuchteten Bereich der Bearbeitungsebene einerseits und der Werkstückoberfläche andererseits eingestellt wird. Insbesondere kann dieser Abstand „Null“ betragen. D. h. Bearbeitungsebene und Werkstückoberfläche fallen im beleuchteten Bereich zusammen. The object is also achieved in connection with the features of the preamble of claim 5 in that the beam modification elements are designed as plane-parallel plates, the tilting of which sets a predetermined distance between the respectively illuminated area of the processing plane on the one hand and the workpiece surface on the other. In particular, this distance can be “zero”. I. E. The working plane and the workpiece surface coincide in the illuminated area.
Die Aufgabe wird weiter in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 11 dadurch gelöst, dass besagtes Variieren des senkrechten Abstandes zwischen der Werkstückoberfläche und dem geometrischen Schnittpunkt der Beugungsstrahlen erfolgt, indem an spiegelsymmetrischen Positionen in den Strahlengängen der Beugungsstrahlen angeordnete, planparallele Platten spiegelsymmetrisch und synchronisiert um senkrecht zur Beugungsebene ausgerichtete Kippachsen verkippt werden. The object is further achieved in connection with the features of the preamble of claim 11 in that said variation of the perpendicular distance between the workpiece surface and the geometric intersection of the diffraction beams takes place by mirror-symmetrical and synchronized plane-parallel plates arranged at mirror-symmetrical positions in the beam paths of the diffraction beams about tilt axes aligned perpendicular to the diffraction plane.
Die planparallelen Platten, die in ihrer Grundstellung senkrecht zum jeweiligen Strahlengang, in den sie eingebracht sind, stehen, verursachen bei einer Verkippung aus dieser Grundstellung heraus einen Parallelversatz des jeweiligen Strahls. In der Beugungsebene verlaufen die Beugungsstrahlen rautenbartig, d. h. zwischen dem eingangsseitigen und dem ausgangsseitigen Beugungsgitter laufen sie auseinander und zwischen dem ausgangsseitigen Beugungsgitter und der Interferenzmusterebene wieder aufeinander zu. Die jeweiligen Beugungswinkel sind dabei durch die Eigenschaften des jeweiligen Beugungsgitters vorgegeben. Diese Winkel bleiben daher unabhängig von der Kippstellung der planparallelen Platten unverändert erhalten. Der durch die Verkippung erzeugte Parallelversatz der Strahlen im Bereich zwischen den Beugungsgittern und/oder hinter dem ausgangsseitigen Beugungsgitter führt allerdings zu einem Wandern des Schnittpunktes der Beugungsstrahlen in Z-Richtung, d. h. in Richtung der optischen Achse des Zwei-Gitter-Interferometers. Der Schnittpunkt der Strahlen definiert jedoch die Interferenzmusterebene, in der besagter Strahlen-Schnittpunkt liegt und die ihrerseits senkrecht zur optischen Achse des Interferometers steht. Im beleuchteten Bereich dieser Ebene bildet sich das Interferenzmuster aus. The plane-parallel plates, which in their basic position are perpendicular to the respective beam path in which they are introduced, cause a parallel offset of the respective beam when tilted from this basic position. In the diffraction plane, the diffraction rays run in a diamond shape, ie they diverge between the input-side and the output-side diffraction grating and between the diffraction grating on the output side and the interference pattern plane again towards one another. The respective diffraction angles are predetermined by the properties of the respective diffraction grating. These angles therefore remain unchanged regardless of the tilted position of the plane-parallel plates. The parallel offset of the beams in the area between the diffraction gratings and / or behind the diffraction grating on the output side, however, leads to a migration of the intersection of the diffraction beams in the Z direction, ie in the direction of the optical axis of the two-grating interferometer. The intersection of the rays, however, defines the interference pattern plane in which said ray intersection lies and which in turn is perpendicular to the optical axis of the interferometer. The interference pattern forms in the illuminated area of this plane.
Im Rahmen eines Bearbeitungsverfahrens entspricht, wie oben bereits erläutert, die Interferenzmusterebene der Bearbeitungsebene des Werkstücks. Soll eine gekrümmte Fläche, z.B. die gekrümmte Werkstückoberfläche, großflächig bearbeitet werden, kann das beim Abrastern des Werkstücks auftretende „Auswandern“ der gewünschten Bearbeitungsebene aus der vom Interferometer vorgegebenen Interferenzmusterebene dadurch kompensiert werden, dass diese Interferenzmusterebene durch entsprechende Verkippung der planparallelen Platten und damit durch Änderung des Parallelversatzes der Beugungsstrahlen nachgeführt wird, sodass sie sich zumindest im jeweils beleuchteten Bereich exakt mit der gewünschten Bearbeitungsebene deckt. Da, wie oben erläutert, mit der Verkippung der planparallelen Platten lediglich ein Parallelversatz der Beugungsstrahlen und nicht etwa eine Änderung der Winkel im Strahlengang verbunden ist, führt eine solche Nachführung nicht zu einer Periodenänderung des Interferenzmusters. Vielmehr kann ein Werkstück entlang einer gekrümmten Bearbeitungsfläche, insbesondere entlang einer gekrümmten Oberfläche, mit einer kontinuierlichen Musterprojektion einheitlicher Periodizität belegt werden, wie dies nach dem Stand der Technik bislang lediglich bei exakt ebenen und exakt senkrecht zur optischen Achse ausgerichteten Werkstückoberflächen möglich war. In the context of a machining process, as already explained above, the interference pattern plane corresponds to the machining plane of the workpiece. If a curved surface, e.g. the curved workpiece surface, is to be processed over a large area, the "drifting" of the desired processing plane that occurs when the workpiece is scanned from the interference pattern plane specified by the interferometer can be compensated for by tilting this interference pattern plane accordingly by tilting the plane-parallel plates and thus making changes the parallel offset of the diffraction beams is tracked so that it coincides exactly with the desired processing plane at least in the respectively illuminated area. Since, as explained above, the tilting of the plane-parallel plates is only associated with a parallel offset of the diffraction beams and not a change in the angle in the beam path, such tracking does not lead to a change in the period of the interference pattern. Rather, a workpiece can be covered with a continuous pattern projection of uniform periodicity along a curved machining surface, in particular along a curved surface, as was previously only possible in the prior art with exactly flat workpiece surfaces aligned exactly perpendicular to the optical axis.
Bevorzugt sind zwei erste der planparallelen Platten im Bereich zwischen den Beugungsgittern angeordnet. Diese Position ist besonders vorteilhaft, da so der Bereich hinter dem ausgangsseitigem Beugungsgitter, in dem das Werkstück angeordnet ist, frei von zusätzlichen Elementen bleibt, was allgemein die Handhabung der Vorrichtung erleichtert. Erzielbar ist der erfindungsgemäße Effekt jedoch auch mit hinter dem ausgangsseitigen Beugungsgitter angeordneten ersten planparallelen Platten. Two first of the plane-parallel plates are preferably arranged in the area between the diffraction gratings. This position is particularly advantageous because the area behind the diffraction grating on the output side, in which the workpiece is arranged, remains free of additional elements, which generally makes handling of the device easier facilitated. However, the effect according to the invention can also be achieved with first plane-parallel plates arranged behind the diffraction grating on the output side.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung, die insbesondere bei besonders kurz gepulsten Eingangsstrahlen vorteilhaft ist, ist vorgesehen, dass zwei zweite planparallele Platten zusätzlich im Bereich zwischen dem ausgangsseitigen Beugungsgitter und der Interferenzmusterebene bzw. der Bearbeitungsebene angeordnet sind. Bekanntermaßen sind ultrakurze Pulse durch ein breites Wellenlängenspektrum gekennzeichnet. Unterschiedliche Wellenlängen werden jedoch an den Beugungsgittern unterschiedlich stark gebeugt, treffen also unter unterschiedlichen Einfallswinkeln auf die planparallelen Platten auf, was dort zu wellenlängenabhängigen Parallelversätzen führt. Da die erfindungsgemäße Z-Verschiebung der Interferenzmusterebene aber eine unmittelbare Folge dieses Parallelversatzes ist, führt diese Winkeldispersion zu einer unerwünschten Wellenlängenabhängigkeit der Lage der Interferenzmusterebene bzw. bei breitbandigem Licht zur Ausbildung eines nach Wellenlängen geordneten "Stapels" von Interferenzmusterebenen. Dies kann jedoch durch die genannte Anordnung erster planparalleler Platten zwischen den Beugungsgittern und zweiter planparalleler Platten hinter dem ausgangsseitigem Beugungsgitter kompensiert werden. Die ersten und zweiten planparallelen Platten werden dabei vorzugsweise um denselben Winkel aus ihrer jeweiligen Grundstellung verkippt. Aufgrund der unterschiedlichen Ausrichtung der ersten und zweiten planparallelen Platten zum jeweils vorgeschalteten Beugungsgitter erfahren diejenigen Strahlanteile, die an den ersten planparallelen Platten einen größeren Parallelversatz erfahren haben, an den zweiten planparallelen Platten einen kleineren Parallelversatz und umgekehrt. Die Parallelversatz-Dispersion wird somit kompensiert. Andererseits wird der erfindungsgemäße Effekt der Interferenzmusterebenen- Verschiebung durch die doppelte Anwendung des Parallelversatzes (nämlich sowohl an den ersten als auch an den zweiten planparallelen Platten) verstärkt. In a further development of the invention, which is particularly advantageous in the case of particularly short pulsed input beams, it is provided that two second plane-parallel plates are additionally arranged in the area between the diffraction grating on the output side and the interference pattern plane or the processing plane. It is known that ultrashort pulses are characterized by a broad spectrum of wavelengths. However, different wavelengths are diffracted to different degrees at the diffraction gratings, i.e. they strike the plane-parallel plates at different angles of incidence, which leads to wavelength-dependent parallel offsets there. Since the Z-shift of the interference pattern plane according to the invention is a direct consequence of this parallel offset, this angular dispersion leads to an undesirable wavelength dependence of the position of the interference pattern plane or, in the case of broadband light, to the formation of a "stack" of interference pattern planes according to wavelengths. However, this can be compensated for by the aforementioned arrangement of first plane-parallel plates between the diffraction gratings and second plane-parallel plates behind the diffraction grating on the output side. The first and second plane-parallel plates are preferably tilted by the same angle from their respective basic position. Due to the different alignment of the first and second plane-parallel plates with respect to the upstream diffraction grating, those beam components which have experienced a greater parallel offset on the first plane-parallel plates, a smaller parallel offset on the second plane-parallel plates and vice versa. The parallel offset dispersion is thus compensated. On the other hand, the inventive effect of the interference pattern plane shift is enhanced by the double application of the parallel offset (namely both on the first and on the second plane-parallel plates).
Unabhängig von dem erläuterten Dispersions-Vorteil hat diese Ausgestaltung der Erfindung auch den Vorteil, einen gewünschten Gesamt-Parallelversatz bzw. eine gewünschte Gesamtverschiebung der Interferenzmusterebene mit dünneren planparallelen Platten bzw. mit planparallelen Platten eines schwächer brechenden Materials zu erzeugen, was bei spezieller Wahl der verwendeten Strahlenquelle hilfreich sein kann. ln besonderen Fällen, in denen nicht die Erzeugung eines Musters mit einheitlicher Periodizität gewünscht ist, sondern ausdrücklich eine Veränderung der Periodizität über den aus vielen einzelnen Beleuchtungsbereichen zusammengesetzten Bearbeitungsbereich, kann bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass an spiegelsymmetrischen Positionen in den Strahlengängen der Beugungsstrahlen gleichartige, um senkrecht zur Beugungsebene ausgerichtete Kippachsen synchronisiert spiegelsymmetrisch verkippbare und als Prismen ausgebildete, zusätzliche Strahlmodifikationselemente angeordnet sind. Diese Art der gezielten Periodenanpassung ist, wie in der Beschreibungseinleitung erläutert, aus der US 6904201 B1 bekannt. Regardless of the explained dispersion advantage, this embodiment of the invention also has the advantage of producing a desired total parallel offset or a desired total displacement of the interference pattern plane with thinner plane-parallel plates or with plane-parallel plates of a less refractive material, which is the case with a special choice of the used Radiation source can be helpful. In special cases in which the generation of a pattern with a uniform periodicity is not desired, but rather a change in the periodicity over the processing area composed of many individual lighting areas, in a further development of the invention it can be provided that at mirror-symmetrical positions in the beam paths of the diffraction rays Similar, mirror-symmetrically tiltable tilt axes aligned perpendicular to the diffraction plane and designed as prisms, additional beam modification elements are arranged. As explained in the introduction to the description, this type of targeted period adjustment is known from US Pat. No. 6904201 B1.
Um bei der Bearbeitung eines Werkstücks eine präzise Z-Nachführung der Interferenzmuster- bzw. Bearbeitungsebene durchzuführen, bedarf es einer präzisen Kenntnis der Oberflächenform und -läge des Werkstücks, um auf dieser Basis die Verkippung der planparallelen Platten ansteuern zu können. Grundsätzlich kommt es auf die konkrete Quelle dieser Oberflächendaten nicht an. Allerdings lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung selbst zur Erfassung solcher Oberflächendaten nutzen. In order to carry out precise Z-tracking of the interference pattern or machining plane when machining a workpiece, precise knowledge of the surface shape and position of the workpiece is required in order to be able to control the tilting of the plane-parallel plates on this basis. Basically, the specific source of this surface data is irrelevant. However, the device according to the invention can itself be used to acquire such surface data.
Das eingangs erläuterte Messverfahren wird erfindungsgemäß so abgewandelt, dass die Variation des senkrechten Abstandes zwischen dem geometrischen Schnittpunkt der Beugungsstrahlen und der Werkstückoberfläche nicht länger durch eine langsame Vertikalverschiebung des Werkstücks erfolgt, sondern durch die Vertikalverschiebung besagten Schnittpunktes mittels des zuvor ausführlich erläuterten Verkippens der planparallelen Platten. Die Vermessung der Werkstückoberfläche kann auf diese Weise sehr viel schneller erfolgen als bisher. Insbesondere wird es dadurch in wirtschaftlich effizienter Weise möglich, eine solche Vermessung zeitlich verschachtelt mit der Werkstückbearbeitung erfolgen zu lassen: Für jedes lokale Bearbeitungsgebiet, welches durch Verschwenken des Eingangsstrahls angesteuert wird, wird zunächst ein Vermessungsschritt mit einer Beleuchtungsfluenz unterhalb der Modifikationsschwelle des Werkstückmaterials und sodann der eigentliche Bearbeitungsschritt mit einer die Modifikationsschwelle des Werkstückmaterials wenigstens bereichsweise übersteigender Fluenz durchgeführt. Zwischen diesen beiden Schritten wird die Bearbeitungsebene in den vorgesehenen Abstand zur Werkstückoberfläche, insbesondere auf die Werkstückoberfläche, gefahren. Dies erfolgt ebenfalls mittels präziser Verkippung der planparallelen Platten. Denkbar ist es auch, dass für die Vermessung einerseits und die Bearbeitung andererseits Eingangsstrahlen aus unterschiedlichen Strahlquellen verwendet werden. Sie müssten lediglich durch geeignete Strahlleitmittel auf denselben Eingangs- Strahlengang geführt werden, was bspw. mittels halbdurchlässiger Spiegel oder anderer dem Fachmann bekannten optischer Elemente möglich ist. Diese Variante bietet sich insbesondere dann an, wenn die für die Materialbearbeitung verwendete Laser- Wellenlänge nicht mittels des gewählten Bilddetektors detektierbar ist. The measurement method explained at the beginning is modified according to the invention in such a way that the variation of the vertical distance between the geometric intersection of the diffraction rays and the workpiece surface is no longer carried out by a slow vertical displacement of the workpiece, but by the vertical displacement of said intersection point by means of the tilting of the plane-parallel plates explained in detail above. In this way, the workpiece surface can be measured much faster than before. In particular, this makes it possible in an economically efficient way to have such a measurement interleaved in time with the workpiece processing: For each local processing area that is controlled by pivoting the input beam, a measurement step with an illumination fluence below the modification threshold of the workpiece material and then the the actual machining step is carried out with a fluence which at least partially exceeds the modification threshold of the workpiece material. Between these two steps, the processing plane is moved to the intended distance from the workpiece surface, in particular onto the workpiece surface. This is also done by precisely tilting the plane-parallel plates. It is also conceivable that input beams from different beam sources are used for the measurement on the one hand and the processing on the other. They would only have to be guided to the same entrance beam path by suitable beam guiding means, which is possible, for example, by means of semitransparent mirrors or other optical elements known to the person skilled in the art. This variant is particularly useful when the laser wavelength used for material processing cannot be detected by means of the selected image detector.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Es zeigen: Show it:
Figur 1 : eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung, Figure 1: a schematic representation of a first embodiment of a lighting device according to the invention,
Figur 2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung und FIG. 2: a schematic representation of a second embodiment of a lighting device according to the invention and
Figur 3: eine schematische Darstellung des Schnittbereichs derFIG. 3: a schematic representation of the section area of FIG
Beugungsstrahlen zur Illustration des erfindungsgemäßen Vermessungsverfahrens. Diffraction rays to illustrate the surveying method according to the invention.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen Description of preferred embodiments
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin. Identical reference symbols in the figures indicate identical or analogous elements.
Figur 1 zeigt in stark schematisierter Darstellung die wesentlichen Teile des Strahlengangs in einem erfindungsgemäßen Zwei-Gitter-Interferometer 10. Das Interferometer 10 weist zwei Beugungsgitter 11, 12, nämlich ein eingangsseitiges Beugungsgitter 11 und ein ausgangsseitiges Beugungsgitter 12 auf. Die gleich orientierten Gitterlinien der Beugungsgitter 11, 12 stehen zueinander in einem dem Fachmann bekannten Periodenverhältnis, wie es in allgemeiner Form in der DE 102006032 053 A1 beschrieben ist. Der Eingangsstrahl 20 trifft eingangsseitig auf das eingangsseitige Beugungsgitter 11. In der Darstellung von Figur 1 ist ein senkrechter Einfall des Eingangsstrahls 20 auf das eingangsseitige Beugungsgitter 11 dargestellt. Mittels einer nicht dargestellten Verschwenkungsoptik kann der Eingangsstrahl jedoch auch unter anderen Einfallswinkeln auf das eingangsseitige Beugungsgitter 11 gelenkt werden. FIG. 1 shows in a highly schematic representation the essential parts of the beam path in a two-grating interferometer 10 according to the invention. The interferometer 10 has two diffraction gratings 11, 12, namely an input-side diffraction grating 11 and an output-side diffraction grating 12. The grating lines of the diffraction gratings 11, 12, which are oriented in the same way, are in a period ratio known to the person skilled in the art, as is described in general form in DE 102006032 053 A1. The input beam 20 hits the input side diffraction grating 11 on the input side. In the illustration of FIG Incidence of the input beam 20 on the diffraction grating 11 on the input side is shown. However, the input beam can also be deflected onto the input-side diffraction grating 11 at other angles of incidence by means of pivoting optics (not shown).
Am eingangsseitigen Beugungsgitter 11 wird der Eingangsstrahl 20 in Teilstrahlen unterschiedlicher Beugungsordnungen gebeugt. Aus Vereinfachungsgründen sind in Figur 1 lediglich die symmetrischen Beugungsstrahlen 21 einer einzigen, ausgewählten Beugungsordnung dargestellt. Die Teilstrahlen der übrigen Beugungsordnungen können, sofern sie überhaupt in relevanter Weise auftreten, geblockt oder abgelenkt werden. At the diffraction grating 11 on the input side, the input beam 20 is diffracted into partial beams of different diffraction orders. For reasons of simplification, only the symmetrical diffraction beams 21 of a single, selected diffraction order are shown in FIG. The partial beams of the other diffraction orders can, if they occur at all in a relevant manner, be blocked or deflected.
Die Beugungsstrahlen 21 treffen jeweils auf an spiegelsymmetrischen Positionen in spiegelsymmetrischer Ausrichtung angeordnete, erste planparallele Platten 31. Die planparallelen Platten 31 sind jeweils in zwei Stellungen dargestellt. Mit gestrichelten Linien ist die jeweilige Grundstellung dargestellt, in denen die ersten planparallelen Platten 31 exakt senkrecht zum jeweils zugeordneten Beugungsstrahl 21 stehen. In dieser Grundstellung ergibt sich keine Änderung des Strahlengangs, wie durch die punktierte Fortsetzung der Beugungsstrahlen 21 hinter den ersten planparallelen Platten 31 angedeutet. The diffraction beams 21 each strike first plane-parallel plates 31 arranged at mirror-symmetrical positions in a mirror-symmetrical alignment. The plane-parallel plates 31 are each shown in two positions. The respective basic position in which the first plane-parallel plates 31 are exactly perpendicular to the respectively assigned diffraction beam 21 is shown with dashed lines. In this basic position there is no change in the beam path, as indicated by the dotted continuation of the diffraction beams 21 behind the first plane-parallel plates 31.
Die Beugungsstrahlen 21 fallen sodann auf das ausgangsseitige Beugungsgitter 12 und werden dort erneut in Teilstrahlen unterschiedlicher Beugungsordnungen gebeugt. Eine ausgewählte Beugungsordnung, die vom Periodenverhältnis der Beugungsgitter 11, 12 abhängt, produziert Teilstrahlen der beiden Beugungsstrahlen 21, die sich in einer Interferenzmusterebene 40 schneiden, sich dort überlagern und ein Interferenzmuster ausbilden. Liegt eine Bearbeitungsebene eines Werkstücks in dieser Interferenzmusterebene 40 und ist die Fluenz der Beugungsstrahlen 21 geeignet gewählt, kann das Material des Werkstücks in dieser Bearbeitungs- bzw. The diffraction beams 21 then fall on the diffraction grating 12 on the output side and are again diffracted there in partial beams of different diffraction orders. A selected diffraction order, which depends on the period ratio of the diffraction gratings 11, 12, produces partial beams of the two diffraction beams 21 which intersect in an interference pattern plane 40, are superimposed there and form an interference pattern. If a machining plane of a workpiece lies in this interference pattern plane 40 and the fluence of the diffraction rays 21 is suitably selected, the material of the workpiece can be used in this machining or
Interferenzmusterebene 40 entsprechend modifiziert werden. Ein derartiges Werkstück ist in Figur 1 nicht dargestellt. Interference pattern plane 40 can be modified accordingly. Such a workpiece is not shown in FIG.
Zur Verschiebung der Interferenzmusterebene können die ersten planparallelen Platten 31 spiegelsymmetrisch um senkrecht zu der von den Beugungsstrahlen 21 aufgespannten Beugungsebene (entsprechend der Papierebene in Figur 1) ausgerichtete Kippachsen verkippt werden. Die in einer derartigen Kippstellung befindlichen ersten planparallelen Platten 31 sind in Figur 1 mit ausgezogenen Linien dargestellt. In den in Figur 1 gezeigten Stellungen ist die rechte der ersten planparallelen Platten 31 im und die linke der ersten planparallelen Platten gegen den Uhrzeigersinn verkippt. To shift the interference pattern plane, the first plane-parallel plates 31 can be aligned mirror-symmetrically around perpendicular to the diffraction plane spanned by the diffraction beams 21 (corresponding to the plane of the paper in FIG. 1) Tilt axes are tilted. The first plane-parallel plates 31 located in such a tilted position are shown in FIG. 1 with solid lines. In the positions shown in FIG. 1, the right one of the first plane-parallel plates 31 is tilted in the clockwise direction and the left one of the first plane-parallel plates is tilted counterclockwise.
Hieraus resultiert ein schräger Einfall der Beugungsstrahlen 21 auf die ersten planparallelen Platten 31, woraus sich ein entsprechender Parallelversatz der Beugungsstrahlen 21 ergibt. Der Strahlengang der Beugungsstrahlen 21 mit Parallelversatz ist in Figur 1 als durchgezogene Pfeillinie dargestellt. This results in an oblique incidence of the diffraction rays 21 on the first plane-parallel plates 31, which results in a corresponding parallel offset of the diffraction rays 21. The beam path of the diffraction beams 21 with parallel offset is shown in Figure 1 as a solid arrow line.
Der Parallelversatz der Beugungsstrahlen 21 durch die ersten planparallelen Platten 31, der insbesondere keine Winkeländerung des Strahlengangs impliziert, ändert nichts an der zuvor beschriebenen, erneuten Beugung der Beugungsstrahlen 21 am ausgangsseitigen Beugungsgitter 12. Allerdings sind die Punkte, in denen die Beugungsstrahlen 21 auf das ausgangsseitige Beugungsgitter 12 auftreffen, gegenüber der Situation mit in Grundstellung befindlichen ersten planparallelen Platten 31 aufeinander zu verschoben. Hieraus resultiert, dass sich die Beugungsstrahlen 21 hinter dem ausgangsseitigen Beugungsgitter 12 in einer anderen, insbesondere näher am ausgangseitigen Beugungsgitter 12 liegenden Interferenzmusterebene 40 treffen und dort das Interferenzmuster ausbilden. Durch entsprechende Ansteuerung der Kippstellung der ersten planparallelen Platten 31 kann also die Z-Lage der Interferenzmusterebene 40 und damit der Bearbeitungsebene für ein Werkstück präzise eingestellt werden. Insbesondere kann die Bearbeitungsebene einer gekrümmten Oberfläche des Werkstücks nachgeführt bzw. entlang einer gekrümmt vorgegebenen Bearbeitungsfläche geführt werden, wenn das Werkstück durch Verschwenkung des Eingangsstrahls 20 im Rahmen einer großflächigen Bearbeitung abgerastert wird. The parallel offset of the diffraction beams 21 by the first plane-parallel plates 31, which in particular does not imply any change in the angle of the beam path, does not change anything in the previously described renewed diffraction of the diffraction beams 21 at the diffraction grating 12 on the output side Diffraction grating 12 impinge, shifted towards one another compared to the situation with the first plane-parallel plates 31 in the basic position. This results in the diffraction beams 21 meeting behind the exit-side diffraction grating 12 in another interference pattern plane 40, in particular closer to the exit-side diffraction grating 12, and forming the interference pattern there. By appropriately controlling the tilted position of the first plane-parallel plates 31, the Z position of the interference pattern plane 40 and thus the processing plane for a workpiece can be set precisely. In particular, the processing plane can track a curved surface of the workpiece or be guided along a curved, predetermined processing surface when the workpiece is scanned by pivoting the input beam 20 in the course of a large-area processing.
Figur 2 zeigt in ähnlicher Darstellung wie Figur 1 eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung, wobei zusätzlich zu den zwischen den Beugungsgittern 11, 12 angeordneten ersten planparallelen Platten 31 zweite planparallele Platten 32 hinter dem ausgangsseitigen Beugungsgitter 12 angeordnet sind. Die Vorrichtung von Figur 2 eignet sich besonders für Fälle, in denen der Eingangsstrahl 20 ein gepulster Laserstrahl mit kurzer Pulsdauer ist. Wie dem Fachmann bekannt ist, ist die notwendige spektrale Bandbreite innerhalb eines Laserpulses umso größer, je kürzer seine Pulsdauer ist. Bei ultrakurzen Pulsen ist also das Wellenlängenspektrum innerhalb des Pulses sehr breit. Dies kann im Kontext der vorliegenden Erfindung insofern problematisch sein, als die Beugungsgitter 11, 12 eine deutliche Winkeldispersion aufweisen, d. h. eine Abhängigkeit der Beugungswinkel von der Wellenlänge des Eingangsstrahls. Bei einem breitbandigen Eingangsstrahl werden also Bestandteile unterschiedlicher Wellenlängen unter unterschiedlichen Winkeln gebeugt, was in Figur 1 in stark übertriebener Weise durch die jeweils doppelte Darstellung von Beugungsstrahlen 21, 22 symbolisiert wird. Die Beugungsstrahlen 21, 22 sollen hier die Strahlengänge der jeweils kürzesten (Beugungsstrahlen 22) und jeweils längsten Wellenlänge (Beugungsstrahlen 21) innerhalb des Eingangsstrahlspektrums repräsentieren. Die planparallelen Platten 31, 32 sind in diesem Beispiel so eingestellt, dass in ihrer Grundstellung die kurzwelligen Beugungsstrahlen 22 senkrecht auftreffen. FIG. 2 shows, in a representation similar to FIG. 1, a further development of the lighting device according to the invention, in addition to the first plane-parallel plates 31 arranged between the diffraction gratings 11, 12, second plane-parallel plates 32 being arranged behind the diffraction grating 12 on the output side. The device of FIG. 2 is particularly suitable for cases in which the input beam 20 is a pulsed laser beam with a short pulse duration. As is known to the person skilled in the art, the necessary spectral bandwidth within a laser pulse is greater, the shorter its pulse duration. In the case of ultrashort pulses, the wavelength spectrum within the pulse is very broad. In the context of the present invention, this can be problematic insofar as the diffraction gratings 11, 12 have a significant angular dispersion, ie a dependence of the diffraction angle on the wavelength of the input beam. In the case of a broadband input beam, components of different wavelengths are thus diffracted at different angles, which is symbolized in FIG. 1 in a greatly exaggerated manner by the double representation of diffraction beams 21, 22 in each case. The diffraction beams 21, 22 are intended to represent the beam paths of the respectively shortest (diffraction beams 22) and respectively longest wavelengths (diffraction beams 21) within the input beam spectrum. In this example, the plane-parallel plates 31, 32 are set in such a way that the short-wave diffraction rays 22 impinge perpendicularly in their basic position.
Auf die Grundfunktion eines Zwei-Gitter-Interferometers hat diese Dispersionsproblematik keinen Einfluss, da sich bei Abwesenheit jeglicher planparalleler Platten 31, 32 die Effekte an den Beugungsgittern 11, 12 vollständig kompensieren. Dies ändert sich jedoch mit der Einführung der ersten planparallelen Platten 31. Das Ausmaß des durch sie erzielten Parallelversatzes ist nämlich abhängig vom Einfallswinkel der Beugungsstrahlen 21 auf ihre Oberfläche. Da dieser, wie zuvor erläutert, aufgrund der Winkeldispersion des eingangsseitigen Beugungsgitters 11 für unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich ist, ergeben sich hinter den ersten planparallelen Platten 31 wellenlängenabhängige Parallelversätze, was bei einer Vorrichtung gemäß Figur 1 zu wellenlängenabhängigen Z-Lagen des jeweiligen Interferenzmusters führen würde. Hierdurch „verschmiert“ die Bearbeitungsebene für ein Werkstück. This dispersion problem has no influence on the basic function of a two-grating interferometer, since in the absence of any plane-parallel plates 31, 32 the effects on the diffraction gratings 11, 12 completely compensate one another. However, this changes with the introduction of the first plane-parallel plates 31. The extent of the parallel offset achieved by them is namely dependent on the angle of incidence of the diffraction rays 21 on their surface. Since this, as explained above, is different for different wavelengths due to the angular dispersion of the diffraction grating 11 on the input side, there are wavelength-dependent parallel offsets behind the first plane-parallel plates 31, which in a device according to FIG. 1 would lead to wavelength-dependent Z-positions of the respective interference pattern. This "smears" the machining plane for a workpiece.
Werden jedoch, wie in Figur 2 dargestellt, zusätzliche, zweite planparallele Platten 32 hinter dem ausgangsseitigen Beugungsgitter angeordnet, die hinsichtlich Dicke und Material den ersten planparallelen Platten 31 entsprechen, und, wie in Figur 2 gezeigt, um denselben Kippwinkel wie ihr jeweiliges Pendant zwischen den Beugungsgittern 11, 12 verkippt sind, kann der Dispersionseffekt weitgehend (in linearer Näherung vollständig) kompensiert werden. Diejenigen Strahlanteile der Beugungsstrahlen, die mit größerem Eingangswinkel auf ersten planparallelen Platten 31 getroffen sind (langwellige Beugungsstrahlen 21 in Figur 2), treffen nämlich mit einem kleineren Einfallswinkel auf die zweiten planparallelen Platten 32. Diese Strahlanteile erfahren also an den ersten planparallelen Platten 31 einen größeren Parallelversatz und an den zweiten planparallelen Platten 32 einen kleineren Parallelversatz. Im Vergleich dazu erfahren diejenigen Strahlanteile, die mit kleinerem Einfallswinkel auf die ersten planparallelen Platten 31 fallen (kurzwellige Beugungsstrahlen 22), dort einen kleineren Parallelversatz und an den zweiten planparallelen Platten 32, auf die sie unter einem größeren Einfallswinkel auftreffen, einen größeren Parallelversatz. Dies führt im Ergebnis dazu, dass sich sämtliche spektrale Strahlanteile der Beugungsstrahlen 21, 22 in derselben Interferenzmusterebene 40 treffen und dort ein präzise definiertes, scharfes Interferenzmuster ausbilden. Dieser Ansatz vernachlässigt allerdings den Effekt der durch das Plattenmaterial selbst hervorgerufenen Dispersion, was aufgrund des geringen Ausmaßes des resultierenden Fehlers in den meisten Fällen auch durchaus vertretbar ist. Beide Dispersionseffekte lassen sich jedoch gemeinsam weitgehend kompensieren, indem für die ersten planparallelen Patten 31 einerseits und die zweiten planparallelen Platten 32 andererseits leicht unterschiedliche Dicken (und/oder hinsichtlich ihres Brechungsindexes leicht unterschiedliche Materialien) verwendet werden. If, however, as shown in FIG. 2, additional, second plane-parallel plates 32 are arranged behind the diffraction grating on the output side, which correspond to the first plane-parallel plates 31 in terms of thickness and material, and, as shown in FIG Diffraction gratings 11, 12 are tilted, the dispersion effect can be largely (in a linear approximation completely) compensated. Those beam portions of the diffraction rays which hit the first plane-parallel plates 31 with a larger entrance angle (long-wave diffraction rays 21 in FIG. 2) hit the with a smaller angle of incidence second plane-parallel plates 32. These beam components thus experience a greater parallel offset on the first plane-parallel plates 31 and a smaller parallel offset on the second plane-parallel plates 32. In comparison to this, those beam components which strike the first plane-parallel plates 31 with a smaller angle of incidence (short-wave diffraction rays 22) experience a smaller parallel offset there and a larger parallel offset on the second plane-parallel plates 32, which they strike at a larger angle of incidence. As a result, all of the spectral beam components of the diffraction beams 21, 22 meet in the same interference pattern plane 40 and form a precisely defined, sharp interference pattern there. However, this approach neglects the effect of the dispersion caused by the plate material itself, which in most cases is entirely justifiable due to the small extent of the resulting error. Both dispersion effects can, however, be largely compensated for by using slightly different thicknesses (and / or slightly different materials with regard to their refractive index) for the first plane-parallel flaps 31 on the one hand and the second plane-parallel plates 32 on the other.
Figur 3 zeigt, ebenfalls stark schematisiert, den Kreuzungsbereich der Beugungsstrahlen 21 bei einer Einstellung des im Übrigen nicht näher gezeigten, erfindungsgemäßen Zwei-Gitter-Interferometers 10, in der die Interferenzmusterebene 40, in der der geometrische Schnittpunkt 23 der Beugungsstrahlen 21 liegt, um einen senkrechten Abstand 61 oberhalb einer Werkstückoberfläche 50 angeordnet ist. Der Fachmann wird sich auch die umgekehrte Situation vorstellen können, bei der der geometrische Schnittpunkt 23 unterhalb der Werkstückoberfläche 50 liegt. In beiden Fällen treffen die Beugungsstrahlen 21 an voneinander lateral beabstandeten Auftreffpunkten 24 auf der Werkstückoberfläche 50 auf. Ihr lateraler Abstand 62 ändert sich mit der Änderung des senkrechten Abstandes 61. Dieser wird erfindungsgemäß durch Vertikalverschiebung des geometrischen Schnittpunktes 23 mittels Verkippens der in Figur 3 nicht gezeigten planparallelen Platten 31, 32 variiert. Die Auftreffpunkte 24 werden auf einen Bilddetektor abgebildet und ihre Bewegung in Abhängigkeit von der Plattenverkippung analysiert. FIG. 3 shows, likewise in a highly schematic manner, the intersection area of the diffraction beams 21 when the two-grating interferometer 10 according to the invention is not shown in detail, in which the interference pattern plane 40, in which the geometric intersection 23 of the diffraction beams 21 lies, is around perpendicular distance 61 is arranged above a workpiece surface 50. The person skilled in the art will also be able to imagine the opposite situation in which the geometric intersection point 23 lies below the workpiece surface 50. In both cases, the diffraction beams 21 impinge on the workpiece surface 50 at points of incidence 24 laterally spaced from one another. Their lateral spacing 62 changes with the change in vertical spacing 61. According to the invention, this is varied by vertical displacement of geometric intersection point 23 by tilting plane-parallel plates 31, 32 (not shown in FIG. 3). The points of impact 24 are imaged on an image detector and their movement is analyzed as a function of the tilting of the plate.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Of course, the embodiments discussed in the specific description and shown in the figures represent only illustrative embodiments of the present invention Invention. In the light of the disclosure here, a person skilled in the art is provided with a broad spectrum of possible variations.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
10 Zwei-Gitter-Interferometer 10 two-grating interferometer
11 eingangsseitiges Beugungsgitter von 1011 diffraction grating on the input side of 10
12 ausgangsseitiges Beugungsgitter von 1012 diffraction grating on the output side of 10
20 Eingangsstrahl 20 input beam
21 Beugungsstrahlen 21 diffraction rays
22 Beugungsstrahlen 22 diffraction rays
23 geometrischer Schnittpunkt 23 geometric intersection
24 Auftreffpunkt 24 point of impact
31 erste planparallele Platten 31 first plane-parallel plates
32 zweite planparallele Platten 40 Interferenzmusterebene 50 Werkstückoberfläche 61 senkrechter Abstand 62 lateraler Abstand 32 second plane-parallel plates 40 interference pattern plane 50 workpiece surface 61 perpendicular distance 62 lateral distance

Claims

Patentansprüche Claims
1. Vorrichtung zum Beleuchten eines Werkstücks mit einem Interferenzmuster, umfassend ein zwei senkrecht zu seiner optischen Achse ausgerichtete und beabstandet voneinander angeordnete Beugungsgitter (11, 12), nämlich ein eingangsseitiges (11) und ein ausgangsseitiges Beugungsgitter (12), aufweisendes Zwei-Gitter-Interferometer (10) zum Erzeugen von entlang unterschiedlicher Strahlengänge in einer gemeinsamen Beugungsebene verlaufenden, einander in einer Interferenzmusterebene (40) interferierend überlagernden Beugungsstrahlen (21, 22) durch Beugen eines Eingangsstrahls (21) am eingangsseitigen (11) und erneutes Beugen resultierender Beugungsstrahlen (21, 22) am ausgangsseitigen Beugungsgitter (12), wobei an spiegelsymmetrischen Positionen in den Strahlengängen der Beugungsstrahlen (21, 22) gleichartige, um senkrecht zur Beugungsebene ausgerichtete Kippachsen synchronisiert spiegelsymmetrisch verkippbare Strahlmodifikationselemente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlmodifikationselemente als planparallele Platten (31, 32) ausgebildet sind. 1. A device for illuminating a workpiece with an interference pattern, comprising a two-grating (11, 12) oriented perpendicular to its optical axis and arranged at a distance from each other, namely an input-side (11) and an output-side diffraction grating (12), having two-grating Interferometer (10) for generating diffraction beams (21, 22) that run along different beam paths in a common diffraction plane and interfere with one another in an interference pattern plane (40) by diffracting an input beam (21) at the input side (11) and refracting the resulting diffraction beams (21) , 22) on the diffraction grating (12) on the output side, wherein at mirror-symmetrical positions in the beam paths of the diffraction beams (21, 22) similar tilting axes that are synchronized and mirror-symmetrically tiltable are arranged around the diffraction plane, characterized in that the stra HL modification elements are designed as plane-parallel plates (31, 32).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei erste (31) der planparallelen Platten im Bereich zwischen den Beugungsgittern (11, 12) angeordnet sind. 2. Device according to claim 1, characterized in that two first (31) of the plane-parallel plates are arranged in the area between the diffraction gratings (11, 12).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zweite (32) der planparallelen Platten zusätzlich im Bereich zwischen dem ausgangsseitigen Beugungsgitter (12) und der Interferenzmusterebene (40) angeordnet sind. 3. Device according to claim 2, characterized in that two second (32) of the plane-parallel plates are additionally arranged in the area between the diffraction grating (12) on the output side and the interference pattern plane (40).
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an spiegelsymmetrischen Positionen in den Strahlengängen der Beugungsstrahlen gleichartige, um senkrecht zur Beugungsebene ausgerichtete Kippachsen synchronisiert spiegelsymmetrisch verkippbare und als Prismen ausgebildete, zusätzliche Strahlmodifikationselemente angeordnet sind. 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that, at mirror-symmetrical positions in the beam paths of the diffraction beams, additional beam modification elements of the same kind, synchronized mirror-symmetrically tilting axes aligned perpendicular to the diffraction plane and designed as prisms, are arranged.
5. Verfahren zum Modifizieren eines Werkstücks mittels eines Zwei-Gitter- Interferometers (10) mit einem eingangsseitigen (11) und einem ausgangsseitigen Beugungsgitter (12), umfassend die Schritte: 5. A method for modifying a workpiece by means of a two-grating interferometer (10) with an input-side (11) and an output-side diffraction grating (12), comprising the steps:
- Erzeugen von entlang unterschiedlicher Strahlengänge in einer gemeinsamen Beugungsebene verlaufenden Beugungsstrahlen (21, 22) durch Beugen eines gepulsten Eingangsstrahls (20) am eingangsseitigen Beugungsgitter (11) und- Generating diffraction beams (21, 22) running along different beam paths in a common diffraction plane by bending a pulsed input beam (20) at the diffraction grating (11) and on the input side
- Erzeugen eines Interferenzmusters in einer Bearbeitungsebene des Werkstücks durch Überlagern der Beugungsstrahlen (21, 22) mittels ihres erneuten Beugens am ausgangsseitigen Beugungsgitter (12), wobei der Eingangsstrahl (20) in mit seinem Pulstakt synchronisierter Weise verschwenkt wird, um unterschiedliche Bereiche der Bearbeitungsebene mit dem Interferenzmuster zu beleuchten, und wobei an spiegelsymmetrischen Positionen in den Strahlengängen der Beugungsstrahlen (21, 22) gleichartige Strahlmodifikationselemente um senkrecht zur Beugungsebene ausgerichtete Kippachsen in mit den Eingangsstrahl-Pulsen synchronisierterweise spiegelsymmetrisch verkippt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlmodifikationselemente als planparallele Platten (31, 32) ausgebildet sind, durch deren Verkippen ein vorgegebener Abstand zwischen dem jeweils beleuchteten Bereich der Bearbeitungsebene einerseits und der Werkstückoberfläche andererseits eingestellt wird. - Generating an interference pattern in a processing plane of the workpiece by superimposing the diffraction beams (21, 22) by means of their renewed diffraction at the exit-side diffraction grating (12), the input beam (20) being pivoted in a manner synchronized with its pulse rate, around different areas of the processing plane to illuminate the interference pattern, and at mirror-symmetrical positions in the beam paths of the diffraction beams (21, 22) similar beam modification elements are tilted mirror-symmetrically about tilt axes aligned perpendicular to the diffraction plane in synchronized with the input beam pulses, characterized in that the beam modification elements as plane-parallel plates (31 , 32) are formed, by tilting a predetermined distance between the respectively illuminated area of the processing plane on the one hand and the workpiece surface on the other hand is set.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei erste (31) der planparallelen Platten im Bereich zwischen den Beugungsgittern (11, 12) angeordnet sind. 6. The method according to claim 5, characterized in that two first (31) of the plane-parallel plates are arranged in the area between the diffraction gratings (11, 12).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zweite (32) der planparallelen Platten zusätzlich im Bereich zwischen dem ausgangsseitigen Beugungsgitter (32) und der Bearbeitungsebene angeordnet sind. 7. The method according to claim 6, characterized in that two second (32) of the plane-parallel plates are additionally arranged in the area between the diffraction grating (32) on the output side and the processing plane.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten planparallelen Platten (32) jeweils gleichsinnig zu den ersten planparallelen Platten (31) um denselben Winkelbetrag verkippt werden. 8. The method according to claim 7, characterized in that the second plane-parallel plates (32) are each tilted in the same direction as the first plane-parallel plates (31) by the same angular amount.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an spiegelsymmetrischen Positionen in den Strahlungswegen der Beugungsstrahlen gleichartige, als Primen ausgebildete zusätzliche Strahlmodifikationselemente um senkrecht zur Beugungsebene ausgerichtete Kippachsen in mit den Eingangsstrahl-Pulsen synchronisierter Weise spiegelsymmetrisch verkippt werden. 9. The method according to any one of claims 5 to 8, characterized in that at mirror-symmetrical positions in the radiation paths of the diffraction beams, similar, additional beam modification elements designed as primes are tilted mirror-symmetrically about tilt axes aligned perpendicular to the diffraction plane in a manner synchronized with the input beam pulses.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluenz des Interferenzmusters so eingestellt wird, dass in den Bereichen seiner Beleuchtungsmaxima eine Materialmodifikationsgrenze des Werkstücks über- und in den Bereichen seiner Beleuchtungsminima unterschritten wird. 10. The method according to any one of claims 5 to 9, characterized in that the fluence of the interference pattern is set so that a material modification limit of the workpiece is exceeded in the areas of its illumination maxima and undershot in the areas of its illumination minima.
11. Verfahren zum Vermessen einer Werkstückoberfläche mittels eines Zwei-Gitter- Interferometers (10) mit einem eingangsseitigen (11) und einem ausgangsseitigen Beugungsgitter (12), umfassend die Schritte: 11. A method for measuring a workpiece surface by means of a two-grating interferometer (10) with an input-side (11) and an output-side diffraction grating (12), comprising the steps:
- Erzeugen von entlang unterschiedlicher Strahlengänge in einer gemeinsamen Beugungsebene verlaufenden, zunächst auseinander und sodann wieder auf einen gemeinsamen geometrischen Schnittpunkt zulaufenden Beugungsstrahlen (21, 22) durch Beugen eines Eingangsstrahls (20) am eingangsseitigen Beugungsgitter (11) und erneutes Beugen resultierender Beugungsstrahlen (21, 22) am ausgangsseitigen Beugungsgitter (12), - Ermitteln des senkrechten Abstandes zwischen der Werkstückoberfläche und dem geometrischen Schnittpunkt der Beugungsstrahlen (21, 22), wobei das Ermitteln besagten senkrechten Abstandes ein Variieren desselben umfasst,- Generation of diffraction beams (21, 22) that run along different beam paths in a common diffraction plane, first apart and then again towards a common geometric intersection point, by bending an input beam (20) at the entrance-side diffraction grating (11) and renewed diffraction of the resulting diffraction beams (21, 22) on the diffraction grating (12) on the outlet side, - Determining the perpendicular distance between the workpiece surface and the geometric intersection of the diffraction beams (21, 22), wherein the determination of said perpendicular distance comprises varying the same,
- Berechnen eines lokalen Oberflächenhöhenwertes aus dem ermittelten senkrechten Abstand, wobei der Eingangsstrahl (20) über die Werkstückoberfläche verschwenkt wird, um unter wiederholter Durchführung der vorgenannten Schritte für eine Mehrzahl von Punkten der Werkstückoberfläche die zugeordneten lokalen Oberflächenhöhenwerte zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass besagtes Variieren des senkrechten Abstandes zwischen der Werkstückoberfläche und dem geometrischen Schnittpunkt der Beugungsstrahlen (21, 22) erfolgt, indem an spiegelsymmetrischen Positionen in den Strahlengängen der Beugungsstrahlen (21, 22) angeordnete, planparallele Platten (31, 32) spiegelsymmetrisch und synchronisiert um senkrecht zur Beugungsebene ausgerichtete Kippachsen verkippt werden. - Calculating a local surface height value from the determined vertical distance, the input beam (20) being swiveled over the workpiece surface in order to obtain the associated local surface height values for a plurality of points on the workpiece surface by repeating the aforementioned steps, characterized in that said varying of the vertical distance between the workpiece surface and the geometric intersection of the diffraction beams (21, 22) is carried out by plane-parallel plates (31, 32) arranged in mirror-symmetrical positions in the beam paths of the diffraction beams (21, 22), mirror-symmetrical and synchronized around perpendicular to the diffraction plane Tilt axes are tilted.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten Oberflächenhöhenwerte im Rahmen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 10 als Basis für eine Ansteuerung der Verkippung der planparallelen Platten (31, 32) genutzt werden. 12. The method according to claim 11, characterized in that the calculated surface height values are used as part of a method according to one of claims 5 to 10 as a basis for controlling the tilting of the plane-parallel plates (31, 32).
PCT/EP2020/075736 2019-12-04 2020-09-15 Device for illuminating a workpiece, method for modifying same, and method for measuring the surface of the workpiece WO2021110297A1 (en)

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