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Die
Erfindung betrifft eine optische Mikrosonde zur Fokussierung eines
Lichtstrahls auf ein Messobjekt.
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Optische
Mikrosonden sind Bestandteile optischer Sensorsysteme. Sie werden
an ein Messobjekt herangeführt
und erfassen mit hoher Präzision Abstandsänderungen
zwischen der Sonde und dem Messobjekt.
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Zur
optischen Vermessung von Objekten offenbart die
DE 103 17 826 A1 ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur interferometrischen Messung von Abständen, Topographien
oder Tiefenprofilen. Dabei wird eine interferometrische Anordnung
mit einer Interferometereinheit vorgesehen, die über eine faseroptische Einrichtung
sowohl an eine Lichtquelle als auch an eine optische Mikrosonde
angeschlossen ist. Über
die Mikrosonde wird Licht zu einem Messobjekt geführt und
von diesem zurück
empfangen. Das Licht wird dann dem Interferometer zugeführt, um
die gewünschte
Messung durchzuführen.
Zur Messung wird vorzugsweise kurzkohärentes Licht verwendet.
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Über den
Aufbau der Sonde ist diesem Dokument wenig zu entnehmen.
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Die
interferometrische Abstandsmessung ist auch aus der
DE 198 08 273 A1 bekannt.
Ein dafür eingerichtetes
Interferometer ist über
eine faseroptische Einrichtung an optische Sonden angeschlossen,
die sowohl einen Messlichtweg als auch einen Referenzlichtweg enthalten.
Zur Messung wird auch hier vorzugsweise kurzkohärentes Licht verwendet. Über den
Aufbau des Objektivs, d. h. einer optischen Mikrosonde, gibt dieses
Dokument wenig Aufschluss.
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Aus
der
DE 198 19 762
A1 ist eine interferrometrische Messeinrichtung bekannt,
bei der eine Messsonde über
Lichtwellenleiter an eine Beleuchtungseinrichtung sowie eine interferrenzoptische Auswerteeinrichtung
angeschlossen ist. Die Messsonde enthält halbdurchlässige Spiegel,
die den Lichtstrahl in einen Messlichtstrahl und einen Referenzlichtstrahl
aufspalten. während
der Messlichtstrahl über
ein Objektiv zu der zu untersuchenden Oberfläche geleitet wird, wird der
Messlichtstrahl zu einem Referenzspiegel geleitet. Die beiden Lichtstrahlen
(Referenzlichtstrahl und Messlichtstrahl) durchlaufen dabei innerhalb
der Sonde unterschiedliche optische Medien.
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Aus
der
US 5 361 166 ist
ein ausschließlich optisch
abbildendes System, beispielsweise für Endoskope, bekannt. Das System
dient zur optischen Untersuchung zweidimensional ausgedehnter Objekte.
Das Ziel liegt in der Erreichung einer möglichst hohen Abbildungsqualität. Interferrenzen
würden
hier nur stören.
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In
der
DE 100 57 539
A1 wird eine interferometrische Messvorrichtung auf Basis
einer faserbasierten optischen Sonde beschrieben, bei der der freie,
dem Messobjekt zugewandte Endabschnitt der Faser poliert mit einer
Blende versehen als Linse oder Prisma ausgebildet gegen störendes Reflexlicht behandelt,
abgeschrägt,
verspiegelt, entspiegelt oder mit einer Kombination dieser Maßnahmen
versehen ist.
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In
der
US 6 564 087 B1 werden
optische Sonden beschrieben, bei denen Linsen und Prismenelemente
zur Strahlformung und Umlenkung auf eine optische Faser gebracht
werden, so dass die Faser ein fokussiertes Lichtstrahlbündel verlässt. Dabei sind
die Endflächen,
aus denen das Licht austritt, entweder plan oder konvex gestaltet.
Diese Sonden werden im Zusammenhang mit einem interferometrischen
Verfahren, der so genannten „Optical
Coherence Tomography" eingesetzt.
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Bei
der Verwendung von kurzkohärentem Licht
zu messtechnischen Zwecken, kommt es zu besonderen Anforderungen.
Tritt dieses Licht durch ein dispersionsbehaftetes optisches Medium
hindurch, so bewegen sich die unterschiedlichen spektralen Anteile
des Lichts mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. In einem Interferometer
müssen
die Dispersionsunterschiede zwischen dem Referenzstrahl und dem
Messstrahl äußerst gering
sein, da andernfalls die Interferenzfähigkeit des Lichts verloren
geht.
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Ferner
ist es für
die optische Messung erstrebenswert, wenn der Messstrahl bezogen
auf die optische Achse unter einem möglichst großen Winkel, d. h. mit einer
möglichst
großen
numerischen Apertur NA fokussiert wird.
Diese soll möglichst
größer 0,1 sein.
Dadurch lassen sich hohe Ortsauflösungen und eine große Unempfindlichkeit
gegenüber
lokalen Neigungen der Oberfläche
des Messobjekts erreichen. Gleichzeitig wird häufig ein großer Abstand
zwischen der optischen Sonde und dem Messobjekt gefordert. Diese
Anforderungen lassen sich mit den heute bekannten optischen Mikrosonden
nur sehr eingeschränkt
erfüllen.
Die meisten zum Stand der Technik gehörigen Sonden weisen eine geringe
numerische Apertur (kleiner als 0,1) auf.
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Es
wird deshalb nach einer Lösung
gesucht, um bei größeren numerischen
Aperturen innerhalb einer optischen Mikrosonde einen definierten
Referenzstrahl mit eindeutiger Phasenlage ausreichender Intensität und zu
vernachlässigender
Dispersionsdifferenz gegenüber
dem Messstrahl zu erzeugen.
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Außerdem soll
eine solche Mikrosonde mit möglichst
geringem Aufwand gefertigt und montiert werden können.
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Diese
Aufgabe wird von der Mikrosonde gemäß Anspruch 1 wie auch von der
Mikrosonde gemäße Anspruch
2 gelöst.
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Die
erfindungsgemäßen Mikrosonden
führen sowohl
den eigentlichen Messstrahl, der auf das zu messende Objekt gerichtet
ist und von diesem reflektiert wird, als auch einen Referenzstrahl,
der dem Messstrahl überlagert
wird und mit diesem interferiert. Das System erweist sich als besonders
robust, weil der Mess- und der Referenzstrahl weitgehend gemeinsam
geführt
werden und die Wegstrecken, die entweder nur der Messstrahl oder
nur der Referenzstrahl zurücklegt,
kurz gehalten sind. Während
der Messstrahl zur Objektoberfläche
und von dieser zurück
läuft,
läuft der
Referenzstrahl zu der Lichtaustrittsfläche und wird von dieser in
die Sonde zurück reflektiert.
Dadurch ist die Dispersionsdifferenz zwischen Messstrahl und Referenzstrahl
gering und selbst bei Weißlichtinterferometrie
vernachlässigbar oder
zumindest erträglich.
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Des
Weiteren gestattet die erfindungsgemäße Mikrosonde die Erzielung
großer
numerischer Aperturen (z. B. von ≥ 0,1).
Dadurch ist die optische Mikrosonde unempfindlich gegenüber lokalen
Neigungen der Oberfläche
des Messobjekts.
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Die
erfindungsgemäße optische
Mikrosonde gestattet außerdem
die einfache Einstellung der Intensität des Messstrahls im Verhältnis oder
Vergleich zur Intensität
des Referenzstrahls. Dazu genügt
es z. B., die Reflexionseigenschaften der Lichtaustrittsfläche zweckentsprechend
zu gestalten.
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Die
erfindungsgemäße Sonde
kann wegen der ausschließlichen
Verwendung einfacher optischer Elemente, die unmittelbar miteinander
verbunden werden können,
auf einfache Weise mit geringem Aufwand gefertigt und montiert werden.
Es ergibt sich eine mechanisch robuste Einheit.
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Ein
wesentlicher Erfindungsgedanke ist, dass die Lichtaustrittsfläche der
optischen Sonde konkav ausgebildet wird. Dies wird z. B. erreicht,
indem zwischen der GRIN-Linse
(Gradienten-Index-Linse), GRIN-Faser oder einer sonstigen Sammellinse
und der Objektoberfläche
ein Glasstab mit konkav gewölbter
Lichtaustrittsfläche
angebracht wird. Allerdings kann die Lichtaustrittsfläche alternativ
auch unmittelbar an der Sammellinse, der GRIN-Linse oder der GRIN-Faser angeordnet
und ebenfalls konkav ausgebildet sein. Die Lichtleitfaser dient
der Beleuchtung der GRIN-Linse oder Sammellinse. Zwischen der Lichtleitfaser
und der Sammellinse bzw. GRIN-Linse wird der aus der Lichtleitfaser austretende
Lichtstrahl aufgefächert.
Dazu kann ein Abstand zwischen der Lichtleitfaser und der Sammellinse
oder GRIN-Linse
oder alternativ ein Stab aus optisch transparentem und homgenem
Material, z. B. ein Glasstab dienen. Die optische Achse der Lichtleitfaser
geht in die Zylinderachse des Glasstabs über. Das aus dem Faserkern
austretende Licht kann sich zunächst
divergent in dem Glasstab ausbreiten. Der Kernquerschnitt der Lichtleitfaser übernimmt
damit die Funktion einer optischen Blende, durch die am Messobjekt
reflektiertes Licht nur dann hindurchtreten kann, wenn es auf den
Faserkern fokussiert wird, und der Winkel gegenüber der optischen Achse innerhalb
des durch die numerische Apertur der Faser bedingten Akzeptanzwinkels
liegt. Vorzugsweise wird die z. B. zylinderförmige GRIN-Linse so an dem Glasstab
angebracht, dass die Zylinderachsen des Glasstabs und der GRIN-Linse übereinstimmen.
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Die
GRIN-Linse kollimiert das Lichtstrahlenbündel zunächst und fokussiert es anschließend so, dass
ein konvergenter Lichtkegel erzeugt wird, der die GRIN-Linse verlässt. Der
Lichtkegel wird über eine
konkave Lichtaustrittsfläche
direkt oder alternativ über
einen zylindrischen oder kegelförmigen
Glasstab in Richtung auf das Messobjekt geführt. Die konkave Lichtaustrittsfläche ist
dann an den Glasstab angebracht. In einem definierten Abstand zu
dem Messobjekt tritt der Lichtkegel dann aus dem Glasstab aus und
läuft als
konvergente Kugelwelle zu einem Fokuspunkt zusammen, der dem Messpunkt
auf dem Messobjekt entspricht. Dazu wird bevorzugt, dass die Krümmung der
konkaven Lichtaustrittsfläche
mit der Krümmung
der Wellenfront der Kugelwelle an der Stelle des Lichtaustritts übereinstimmt.
Mit anderen Worten, die einzelnen Lichtstrahlen des zu dem Messobjekt
hin konvergierenden Lichtkegels stehen senkrecht auf der Lichtaustrittsfläche und
werden deshalb nicht gebrochen. Die Wellenfronten der konvergierenden
Kugelwelle verlaufen also parallel zu der konkaven Austrittsfläche. Damit
entsteht durch (Teil-)Reflexion an dieser Lichtaustrittsfläche ein
definierter Referenzstrahl, dessen Licht wieder in den Faserkern
eingekoppelt wird. Der austretende Anteil des Lichts tritt hingegen
durch die konkave Lichtaustrittsfläche hindurch, ohne dass die
einzelnen Lichtstrahlen dabei abgelenkt würden.
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Nach
der Reflexion am Messobjekt laufen die Lichtstrahlen zu der Lichtaustrittsfläche zurück und dabei
als divergente Kugelwelle auseinander. Sie treten zumindest teilweise
wieder durch die von dem Lichtaustrittsfenster gebildete konkave
Kugelsegmentfläche
hindurch, werden durch das optische System zum Faserkern geleitet
und in die Faser eingekoppelt.
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Das
zwischen der GRIN-Linse und dem Messobjekt angeordnete Element kann
ein Glasstab sein, der z. B. zylindrisch oder kegelstumpfförmig ausgebildet
sein kann. Auch Teile der GRIN-Linse können kegelstumpfförmig ausgebildet
werden. Dies hat den Vorteil, dass die Sondengeometrie der Geometrie
einer konventionellen taktilen Rauheitstastspitze ähnelt. Rauheitstastspitzen
haben ebenfalls eine kegelförmige
Grundgeometrie, damit sie bei einer Tastschnittmessung über Störkanten
auf dem Messobjekt hinweg gleiten können.
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Während es
vorteilhaft ist, wenn die Lichtaustrittsfläche eine konkave Kugelsegmentfläche ist,
deren Krümmungsmittelpunkt
mit dem Brennpunkt der Mikrosonde übereinstimmt, sind Abwandlungen
dieser Anordnung möglich,
die ohne gewölbte Lichtaustrittsfläche auskommen.
Dazu wird das zwischen der GRIN-Linse und dem Messobjekt angeordnete
optische Element, d. h. beispielsweise der Glaszylinder oder der
Glaskegel, entlang der optischen Achse so lang bemessen, dass er
sich bis unmittelbar zu dem Messobjekt erstreckt, dessen Oberfläche sich
in der Nähe
des Brennpunkts befindet. Die Lichtaustrittsfläche liegt dabei an einer Stelle,
an der der Lichtkegel bereits so weit fokussiert ist, dass auf die
konkave Ausgestaltung der Lichtaustrittsfläche verzichtet werden kann.
Diese Bedingung ist gegeben, wenn der von dem Element eingenommene Lichtweg
mindestens 80%, besser 90% des Abstands zwischen der Sammellinse
bzw. GRIN-Linse und dem Brennpunkt einnimmt. Die Lichtdispersion zwischen
dem Lichtaustrittsfenster und der Objektoberfläche ist dabei so gering, dass
sie kaum störend wirkt.
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Die
Anordnung des optischen Elements zwischen der GRIN-Linse und dem
Messobjekt ist nicht zwingend. Alternativ kann auf das Element verzichtet werden.
Das Licht tritt dann direkt aus der GRIN-Linse aus, deren Stirnfläche so bearbeitet
wird, dass eine konkave Kugelfläche
entsteht.
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Es
sind weitere Abwandlungen möglich.
Beispielsweise kann die GRIN-Linse durch eine GRIN-Faser mit entsprechend
geringerem Durchmesser ersetzt werden. Auf das zwischen der Glasfaser
und GRIN-Faser bzw. GRIN-Linse angeordnete Element zur Lichtauffächerung,
das z. B. die Form eines Glasstabs haben kann, wird verzichtet.
Die Lichtaustrittsfläche
kann unmittelbar an der GRIN-Faser vorgesehen werden.
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In
das zwischen der Sammellinse oder der GRIN-Linse und dem Messobjekt
anzuordnende optische Element, d. h. den Glasstab oder den Glaszylinder
kann auch ein Umlenkprisma integriert sein, beispielsweise in Form
einer lichtreflektierenden (Grenz-)Fläche, so dass die optische Achse
des austretenden Lichtstrahlenbündels
einen definierten, von Null abweichenden Winkel mit der optischen
Achse der Lichtleitfaser einschließt.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die optischen Elemente, Linsen und
sonstigen Bauelemente der optischen Mikrosonde aus Glas, durchsichtigem Kunststoff
oder anderem geeigneten Material bestehen können. Die erfindungsgemäße optische
Mikrosonde eignet sich insbesondere zum Einsatz in interferometrischen
Messeinrichtungen oder in konfokalen Messeinrichtungen. Sie eignen
sich insbesondere für
den Betrieb mit kurzkohärentem
Licht, z. B. weißem
oder farbigem Licht, im sichtbaren oder unsichtbaren Wellenlängenbereich.
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Bei
Anwendung als rein konfokale Sonden kann die sonst an der Lichtaustrittsfläche auftretende Lichtreflexion,
die bei interferometrischem Betrieb zur Erzeugung eines Referenzlichtstrahls
genutzt wird, unterbunden werden, indem die Lichtaustrittsfläche beispielsweise
mit einer geeigneten Beschichtung versehen wird.
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Weitere
Abwandlungen, Einzelheiten und Besonderheiten ergeben sich aus der
Zeichnung, der Beschreibung oder Ansprüchen. Die Beschreibung beschränkt sich
dabei auf wesentliche Aspekte der Erfindung und sonstiger Gegebenheiten.
Die Zeichnung offenbart weitere Details und kann ergänzend herangezogen
werden. Es zeigen:
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1 eine
Messeinrichtung mit optischer Mikrosonde in schematisierter Darstellung
und
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2 bis 8 abgewandelte
Ausführungsformen
der optischen Mikrosonde nach 1 jeweils in
schematisierter Darstellung.
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In 1 ist
eine Messeinrichtung 1 veranschaulicht, die z. B. als interferometrische
Messeinrichtung ausgebildet ist. Sie weist ein Messmodul 2 auf,
das ein oder mehrere Lichtquellen, ein oder mehrere Interferometer
und gegebenenfalls eine Auswerteeinrichtung enthält. Die Lichtquellen erzeugen
vorzugsweise breitbandiges weißes
oder weniger breitbandiges farbiges Licht. Es können auch schmalbandige Lichtquellen
oder Lichtquellen mit Linienspektrum oder einer einzelnen Spektrallinie
vorgesehen werden. An das Messmodul 2 ist zumindest eine Lichtleitfaser 3 angeschlossen,
die zu einer optischen Mikrosonde 4 führt und letztlich zu dieser
gehört.
Die optische Mikrosonde 4 dient der Fokussierung eines
Lichtbündels 5 auf
ein Messobjekt 6 bzw. dessen Oberfläche.
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Zu
der Mikrosonde 4 gehören
außer
zumindest dem letzten Ende 7 der Lichtleitfaser 3 ein
Lichtweg 8, eine Sammellinse 9 und ein optisches
Element 10, an dem eine konkav gewölbte Lichtaustrittsfläche 11 ausgebildet
ist. Diese ist vorzugweise eine Kugelfläche bzw. Kugelabschnittsfläche, deren Krümmungsmittelpunkt
mit einem Brennpunkt 12 der Mikrosonde 4 übereinstimmt.
Das Ende 7 der Lichtleitfaser, der Lichtweg 8,
die Sammellinse 9 und das Element 10 weisen übereinstimmende
und aneinander anschließende
optische Achsen 13, 14, 15, 16 auf.
Die sich ergebende gemeinsame optische Achse führt durch den Brennpunkt 12.
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Der
Lichtweg 8 dient zur Auffächerung des aus der Lichtleitfaser 3 austretenden
Lichtstrahls. Der Lichtweg 8 kann durch ein geeignetes
optisches Element, wie beispielsweise einen aus optisch homogenem
durchsichtigen Material, wie Glas oder Kunststoff, bestehenden Zylinder
oder Stab 17, einen aus ebensolchem Material bestehenden
Kegelstumpf oder dergleichen gebildet sein. Mit einer vorzugsweise
ebenen Fläche 18 schließt der Stab 17 an
die Lichtleitfaser 3 an. Mit einer gegenüber liegenden ebenfalls
vorzugsweise ebenen Fläche 19 schließt der Stab 17 an
die Sammellinse 9 an.
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Die
Sammellinse 9 ist vorzugsweise eine GRIN-Linse 20 mit
z. B. abschnittsweise zylindrischem und abschnittsweise kegelförmigem Außenumfang.
Die GRIN-Linse 20 kann mit einer ebenen Anschlussfläche 21 direkt
an der Fläche 19 anliegen. Die
GRIN-Linse 20 dient als Sammellinse zur Fokussierung des
aufgefächerten,
von dem Stab 17 abgegebenen Lichtbündels 22.
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Die
GRIN-Linse 20 weist eine vorzugsweise ebene, der Anschlussfläche 21 gegenüber liegende weitere
Fläche 23 auf,
an die das Element 10 mit einer vorzugsweise wiederum ebenen
Fläche,
vorzugsweise unmittelbar anschließt. Das Element 10 kann
beispielsweise ein aus optisch transparentem homogenen Material
bestehender Stab 24 größerer oder,
wie dargestellt, geringerer Länge
sein, in der er aufgrund seiner Kürze nahezu scheibenförmig wird. An
dem Stab 24 ist die Lichtaustrittsfläche 11 ausgebildet.
Der Glasstab 24 lässt
das von der GRIN-Linse 20 fokussierte Lichtbündel 25 ungebrochen
zu dem Brennpunkt 12 hindurchtreten. Die Lichtaustrittsfläche 11 reflektiert
jedoch einen definierten Anteil des Lichts in den beschriebenen
Lichtweg, d. h. die GRIN-Linse 20, den Stab 17 und
die Lichtleitfaser 3 zurück. Z. B. kann die Lichtaustrittsfläche 11 dazu
als teildurchlässiger
Spiegel ausgebildet sein. Es können
hierzu die natürlichen
Reflexionseigenschaften der Lichtaustrittsfläche genutzt werden. Alternativ kann
eine lichtreflektierende Beschichtung, beispielsweise in Form einer
Metallbedampfung, vorgesehen werden, die die Lichtaustrittsfläche 11 ganz
oder teilweise bedeckt.
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Die
insoweit beschriebene optische Mikrosonde 4 arbei tet wie
folgt:
Die Mikrosonde 4 erhält über die Lichtleitfaser 3 Licht,
das aus der nahezu punktförmigen
Stirnfläche der
Lichtleitfaser 3 aus- und in den Stab 17 übertritt. Es
bildet sich das kegelförmige
Lichtbündel 22 mit
divergierenden Randstrahlen. Die GRIN-Linse 20 refokussiert
das Lichtbündel
mit zu dem Brennpunkt 12 hin konvergierenden Randstrahlen.
Das Lichtbündel durchtritt
den Stab 24. An der Lichtaustrittsfläche 22 teilt es sich
in Mess- und Referenzstrahl. Der als Messstrahl dienende Teile tritt
aus und läuft
konvergent zu dem Brennpunkt 12. Er wird dabei aufgrund der
(aus Sicht des Brennpunkts 12) konkaven Form wenig oder
nicht gebrochen. Der Brennpunkt 12 reflektiert Teile des
Lichts, die als divergente Kugelwelle von dem Brennpunkt 12 weg
laufen und auf die zu der Wellenfront im Wesentlichen parallele
Lichtaustrittsfläche 11 treffen.
Diese wird somit zur Lichteintrittsfläche. Es vereinigen sich hier
der Messlichtstrahl mit dem von der Lichtaustrittsfläche 11 reflektierten
Referenzlichtstrahl und laufen gemeinsam durch die GRIN-Linse und
den Stab 17 sowie die Lichtleitfaser 3 zu dem
Messmodul 2 zurück.
Dort werden die Gangunterschiede zwischen Messlichtstrahl und Referenzlichtstrahl,
falls erforderlich, korrigiert und ein entstehendes Interferenzmuster
kann ausgewertet werden.
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Die
vorgestellte Messeinrichtung 1 eignet sich nicht nur zur
interferenzoptischen Vermessung der Oberfläche des Messobjekts 6 sondern
auch zur konfokalen Mikroskopie bzw. Abstandsmessung. Dazu kann
mit nahezu nicht reflektierender Lichtaustrittsfläche 11 gearbeitet
werden. Hat die Lichtaustrittsfläche 11 gewisse
Reflexionseigenschaften, beispielsweise um eine Betriebsartenumschaltung
zu ermöglichen,
stört dies
wenig oder nicht.
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Bei
der konfokalen Mikroskopie misst das Messmodul 2 die Stärke des
von der Oberfläche
des Messobjekts 6 reflektierten und von der Mikrosonde 4 aufgenommenen
Lichts. Die Stärke
ist maximal, wenn sich die Oberfläche des Messobjekts 6 exakt
in dem Brennpunkt 12 befindet. Eine Entfernungsänderung
zwischen der mikrooptischen Sonde 4 und dem Messobjekt 6 gestattet
die Ermittlung des Helligkeitsmaximums und somit der Höhe der Oberfläche des Messobjekts 6 im
Intensitätsmaximum.
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An
der insoweit vorgestellten Mikrosonde 4 sind zahlreiche
Abwandlungen möglich.
Wie 2 veranschaulicht, kann der Stab 24 bzw.
das Element 10 entfallen, wenn die Lichtaustrittsfläche 11 unmittelbar
an der GRIN-Linse 20 angebracht wird. Die sphärisch gewölbte Lichtaustrittsfläche 11 nimmt
z. B. einen Teil der dem Messobjekt 6 zugewandten Fläche 23 der
GRIN-Linse 20 ein. Wiederum ist die konkav gewölbte Lichtaustrittsfläche 11 vorzugsweise mit
konstantem Radius bezüglich
des Brennpunkts 12 gewölbt.
Im Übrigen
gilt die vorige Beschreibung unter Zugrundelegung der bereits eingeführten Bezugszeichen
entsprechend.
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Eine
weitere Abwandlung veranschaulicht 3. Dort
ist an Stelle des Stabs 17 der Lichtweg 8 durch
eine freie Luftstrecke realisiert, die beispielsweise von einem
Hohlzylinder 26 umschlossen wird. An einem Ende des Hohlzylinders 8 kann
mit nicht weiter veranschaulichten Mitteln das Ende 7 der Lichtleitfaser 3 gehalten
sein. An dem anderen Ende des Hohlzylinders 26 ist die
Sammellinse 9 angeordnet. Diese kann als GRIN-Linse oder,
wie dargestellt, als Glaskörper 27 mit
gewölbten
Flächen
ausgebildet sein. Wiederum kann die Lichtaustrittsfläche 11 durch
eine Fläche
der Sammellinse 9 gebildet sein. Im Übrigen gilt die vorige Beschreibung
unter Zugrundelegung gleicher, bereits eingeführter Bezugszeichen entsprechend.
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4 veranschaulicht
eine weitere Abwandlung der Erfindung. Die Besonderheit der Abwandlung
besteht in der Ausbildung des Elements 10. Seine Lichtaustrittsfläche 11 ist
hier eben, d. h. ohne sphärische
Krümmung
ausgebildet. Dafür
nimmt der Stab 24 mindestens 80% vorzugsweise 90% des gesamten
Abstands zwischen der Oberfläche
des Messobjekts 6 und der dem Messobjekt zugewandten Fläche 23 der
GRIN-Linse 20 ein. Aufgrund des geringen Abstands zwischen
der den Referenzlichtstrahl erzeugenden Lichtaustrittsfläche 11 von
dem Brennpunkt 12 sind die Dispersions- und Phasenunterschiede
zwischen dem Referenzlichtstrahl und dem Messlichtstrahl weitgehend
vernachlässigbar. Mit
anderen Worten, die an der Lichtaustrittsfläche 11 entstehende
Brechung des Lichtbündels 25 wird
wegen des geringen Abstands zu der Oberfläche des Messobjekts 6 kaum
wirksam. Ergänzend
gilt vorstehende Beschreibung.
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Eine
weitere Abwandlung zeigt 5. Diese beruht auf der Ausführungsform
nach 4 mit dem Unterschied, dass der Stab 25 und
die GRIN-Linse 20 eine zumindest abschnittsweise kegelförmige Mantelfläche haben.
Damit wird die Mikrosonde 4 an ihrem dem Messobjekt 6 zugewandten
Ende besonders schlank. Außerdem
kann sie über
Erhebungen, Körperkanten
und dergleichen Strukturen des Messobjekts 6 leicht hinweg
gleiten. Hinsichtlich der Bemessung der Länge des Stabs 24 gilt,
wie bereits im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach 4,
dass seine Länge
L größer als
90% der Brennweite der GRIN-Linse 20 ist. die Brennweite berechnet
sich dabei als Abstand der GRIN-Linse von der Oberfläche des
Messobjekts. Der Abstand ist der Abstand der Fläche 23 zu dem Brennpunkt 12.
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6 veranschaulicht
eine weitere Ausführungsform,
die wiederum auf der Ausführungsform nach 1 beruht, wobei
jedoch die GRIN-Linse 20 und der Stab 24 eine
von der Zylinderform und der Kegelform abweichende Außenkontur
haben. Sie sind z. B. gerundet. Außerdem ist der Lichtweg 8 wiederum
durch den Hohlzylinder 26 gebildet. Ansonsten gilt die
vorige Beschreibung entsprechend.
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Alle
vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
der Mikrosonde können
als seitwärts blickende
Sonden ausgebildet werden, indem zwischen der Fläche 23 der Sammellinse 9 bzw. GRIN-Linse 20 und
der Oberfläche
des Messobjekts 6 ein Spiegel 28 angeordnet wird.
Dieser kann die optische Achse des austretenden Lichtstrahlenbündels 25 um
einen definierten von Null abweichenden Winkel ablenken. Dies zeigt 7. 8 veranschaulicht,
dass die untere Prismen-Kante oder Prismen-Ende 29 des
Stabs bzw. Prismas 24 entfallen kann, so dass die Mikrosonde 4 besonders
tief in Sacklöcher
und dergleichen eindringen kann.
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Ergänzend zu
den vorstehenden Erläuterungen
wird auf folgende alternativen Merkmalskombinationen hingewiesen:
- 1. Eine Ausführungsform, bei der die Lichtleitfaser 3 optisch
an den ersten zylindrischen Stab 17 aus optisch homogenem
Material gekoppelt ist, wobei an den ersten zylindrischen Stab 17 die
GRIN-Linse 20 optisch angekoppelt ist. An die GRIN-Linse ist
ein zweiter Stab oder Prisma 24 aus optisch homogenem Material
angekoppelt, wobei die Achsen dieser optischen Elemente näherungsweise
miteinander übereinstimmen
und die der GRIN-Linse 20 abgewandte Stirnfläche 11 des zweiten
zylindrischen Stabs 24 konkav ausgeführt ist und als Lichtaustrittsfläche, gegebenenfalls
als Lichteintrittsfläche
und als Spiegel zur Erzeugung eines Referenzlichtstrahls dient.
- 2. Eine Ausführungsform,
bei der die Mikrosonde 4 eine Lichtleitfaser 3,
einen optisch an die Lichtleitfaser 3 gekoppelten ersten
zylindrischen Stab 17 aus optisch homogenem Material und
eine optisch an den ersten zylindrischen Stab gekoppelte GRIN-Linse 20 sowie
einen optisch an die GRIN-Linse 20 gekoppelten Kegelstumpf
aus optisch homogenem Material aufweist, wobei die Achsen dieser
optischen Elemente näherungsweise
miteinander übereinstimmen
und die der GRIN-Linse abgewandte Stirnfläche des Kegelstumpfs konkav
ausgeführt
ist und als Lichtaustrittsfläche 11,
gegebenenfalls als Lichteintrittsfläche und als Fläche zur
Erzeugung eines Referenzlichtstrahls dient.
- 3. Eine Ausführungsform,
bei der die optische Mikrosonde 4 aus einer Lichtleitfaser 3,
einer optisch an die Lichtleitfaser gekoppelten GRIN-Linse 20 oder
einer GRIN-Faser und einem optisch an die GRIN-Linse oder GRIN-Faser
gekoppelten Kegelstumpf aus optisch homogenem Material besteht, wobei
die Achsen dieser optischen Elemente miteinander näherungsweise übereinstimmen
und die der GRIN-Linse 20 bzw. der GRIN-Faser abgewandte
Stirnfläche
des Kegelstumpfs konkav ausgeführt
ist und als Lichtaustrittsfläche 11 bzw. Lichteintrittsfläche und
lichtreflektierende Fläche zur
Erzeugung eines Referenzlichtstrahls dient.
- 4. Eine Ausführungsform,
bei der zu der Mikrosonde 4 eine Lichtleitfaser 7,
ein optisch an die Lichtleitfaser gekoppelter zylindrischer Stab 17 aus
optisch homogenem Material und eine optisch an den zylindrischen
Stab 17 gekoppelte GRIN-Linse 20 gehören, wobei
die dem zylindrischen Stab 17 abgewandte Stirnfläche der GRIN-Linse 20 zumindest
nahe der optischen Achse 15 konkav ausgeführt ist
und als Lichtaustrittsfläche 11 dient.
- 5. Eine Ausführungsform,
bei der zu der Mikrosonde 4 eine Lichtleitfaser 3 und
eine optisch an die Lichtleitfaser gekoppelte GRIN-Linse 20 oder eine
GRIN-Faser gehören,
wobei die der Lichtleitfaser 3 abgewandte Stirnfläche der
GRIN-Linse bzw. der GRIN-Faser zumindest nahe der optischen Achse 15 konkav
ausgeführt
ist und als Lichtaustrittsfläche 11 dient.
- 6. Eine Ausführungsform,
bei der die Mikrosonde 4 eine optische Faser 3 und
einen Lichtweg 8 zur Auffächerung des von der Lichtleitfaser 3 abgegebenen
Lichtbündels
aufweist, das eine GRIN-Linse bzw. GRIN-Faser trifft, wobei zwischen
der GRIN-Linse oder GRIN-Faser ein optisches Element vorgesehen
ist, dessen dem Messobjekt 6 zugewandte Fläche als
Planfläche
ausgebildet ist und als Lichtaustrittsfläche 11 dient, wobei
der Abstand zwischen der Lichtaustrittsfläche 11 und dem Brennpunkt 12 höchstens
20% vorzugsweise höchstens
10% des Abstands der GRIN-Linse von der Messobjektoberfläche beträgt.
- 7. Eine Ausführungsform,
bei der die Mikrosonde 4 eine Lichtleitfaser 3,
einen optisch an die Lichtleitfaser 3 gekoppelten zylindrischen
Stab 17 aus optisch homogenem Material, eine optisch an
den zylindrischen Stab 17 gekoppelte GRIN-Linse 20 und
ein optisch an die GRIN-Linse gekoppeltes Element 10 umfasst,
wobei das Element 10 als Prisma ausgebildet ist und die
optische Achse des Systems um einen definierten Winkel umlenkt, wobei
weiter die der GRIN-Linse 20 abgewandte Fläche des
Prismas konkav ausgeführt
ist und als Lichtaustrittsfläche 11 dient.
- 8. Bei der Mikrosonde nach einer der Ziffern 2, 3 oder 6 kann
der Kegelstumpf aus optisch homogenem Material in ein Prisma integriert
sein, das die optische Achse des Systems um einen definierten Winkel
umlenkt, wobei die der GRIN-Linse abgewandte Stirnfläche des
kombinierten Prismen-Kegelstumpfs konkav ausgeführt ist und als Lichtaustrittsfläche 11 dient.
- 9. Der Durchmesser der optischen Mikrosonde 4 kann
vorzugsweise geringer als 5 mm sein.
- 10. Alle optischen Elemente können mechanisch unmittelbar
miteinander verbunden sein.
-
Die
erfindungsgemäße optische
Mikrosonde verwendet mikrooptische Komponenten und nutzt insbesondere
eine Lichtaustrittsfläche 11,
die parallel zu der sie durchlaufenden optischen Kugelwelle gekrümmt ist
oder die sich so nahe an dem Messobjekt 6 befindet, dass
durch fehlende Parallelität
zwischen der Lichtaustrittsfläche 11 und
der sie durchlaufenden Wellenfront hervorgerufene Störungen unter
einem gegebenen Grenzwert bleiben.
-
- 1
- Messeinrichtung
- 2
- Messmodul
- 3
- Lichtleitfaser
- 4
- Mikrosonde
- 5
- Lichtbündel
- 6
- Messobjekt
- 7
- Faser-Ende
- 8
- Lichtweg
- 9
- Sammellinse
- 10
- Element
- 11
- Lichtaustrittsfläche
- 12
- Brennpunkt
- 13–16
- optische
Achsen
- 17
- Stab
- 18,
19
- Fläche
- 20
- GRIN-Linse
- 21
- Anschlussfläche
- 22
- Lichtbündel
- 23
- Fläche
- 24
- Stab/Prisma
- 25
- Lichtbündel
- 26
- Hohlzylinder
- 27
- Glaskörper
- 28
- Spiegel
- 29
- Prismen-Kante