DE102016211748A1

DE102016211748A1 - Chromatic confocal measuring arrangement

Info

Publication number: DE102016211748A1
Application number: DE102016211748.3A
Authority: DE
Inventors: Oliver Paul
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2018-01-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine chromatisch-konfokale Messanordnung mit einer dispersiven Abbildungsoptik (2) mit einer optischen Achse (2.1) und mit wenigstens einer GRIN-Linse aus einem Metamaterial. Das Metamaterial umfasst bevorzugt wenigstens eine Schicht, gebildet aus einer Matrixanordnung von Einheitszellen, die radial von der optischen Achse (2.1) nach außen hin einen Brechungsindexgradienten aufweist.The invention relates to a chromatic-confocal measuring arrangement with a dispersive imaging optics (2) with an optical axis (2.1) and with at least one GRIN lens made of a metamaterial. The metamaterial preferably comprises at least one layer formed from a matrix arrangement of unit cells which has a refractive index gradient radially outward from the optical axis (2.1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung, insbesondere zur Oberflächen- und Abstandsmessung, wie sie gattungsgemäß aus der DE 102 42 374 A1 bekannt ist.The invention relates to a measuring arrangement, in particular for surface and distance measurement, as generically from the DE 102 42 374 A1 is known.

Chromatisch-konfokale Messanordnungen nutzen die chromatische Aberration bei Verwendung von mehrfarbigem bzw. weißem Licht aus, um den Abstand einer reflektierenden Oberfläche zu der Messanordnung zu erfassen. Chromatic confocal arrays utilize chromatic aberration when using multicolor or white light to detect the distance of a reflective surface to the array.

Üblicherweise ist die chromatische Aberration (nachfolgend soll darunter nur die hierfür interessante axiale bzw. longitudinale chromatische Aberration, auch Farblängsfehler genannt, verstanden werden) ein unerwünschter Abbildungsfehler, der durch die Dispersion, also die Abhängigkeit des Brechungsindexes von der Wellenlänge verursacht wird. Usually, the chromatic aberration (hereinafter shall be understood as the axial or longitudinal chromatic aberration, also called color longitudinal error) is an undesirable aberration caused by the dispersion, ie the dependence of the refractive index on the wavelength.

Ist die Abbildungsoptik eine einzelne konventionelle Linse, bestehend aus einem homogenen Material, so wird die Dispersion der Abbildungsoptik, bei einer vernachlässigbaren Dispersion beim Austreten des Lichtes aus der Linse, durch die Unterschiede der Brechungsindizes des betreffenden Materials bestimmt.If the imaging optics is a single conventional lens consisting of a homogeneous material, the dispersion of the imaging optics, with a negligible dispersion as the light exits the lens, is determined by the differences in the refractive indices of the relevant material.

Die unterschiedlichen Spektralanteile des Lichtes werden in von der Linse unterschiedlich entfernte Brennebenen fokussiert. Dabei liegen die unterschiedlichen Brennebenen für die verschiedenen Spektralanteile mit zunehmender Brennweite der Linse, die durch den Krümmungsradius der Linse festgelegt wird, weiter auseinander, sodass der Brennebenenbereich eine größere Länge in Richtung der optischen Achse der Linse aufweist. Das heißt bei einer Linse mit kürzerer Brennweite ist der Brennebenbereich kürzer als bei einer Linse aus dem gleichen Material mit einer längeren Brennweite. Der Brennebenbereich wird hierbei durch die Brennebenen begrenzt, in die die Spektralanteile des Lichtes mit dem kleinsten und dem größten Brechungsindex fokussiert werden. Wird eine Linse mit einer kürzeren Brennweite verwendet, liegen die Brennebenen dichter beieinander, und man erhält folglich eine höhere örtliche Auflösung und damit eine höhere Genauigkeit der Messungen, jedoch einen kürzeren Messbereich. Mit einer Linse einer längeren Brennweite wird der Messbereich vergrößert, jedoch die örtliche Auflösung verringert, da die Brennebenen weiter auseinander liegen. Die Länge des Brennebenenbereiches stellt die chromatische Aberration dar. Folglich ist die chromatische Aberration nicht nur von der Dispersion, sondern auch von der Brennweite abhängig. The different spectral components of the light are focused in different focal planes away from the lens. In this case, the different focal planes for the different spectral components are farther apart with increasing focal length of the lens, which is determined by the radius of curvature of the lens, so that the focal plane region has a greater length in the direction of the optical axis of the lens. That is, with a shorter focal length lens, the focal plane is shorter than a lens of the same material with a longer focal length. The focal plane is hereby limited by the focal planes, in which the spectral components of the light with the smallest and the largest refractive index are focused. If a lens with a shorter focal length is used, the focal planes are closer together and, consequently, a higher spatial resolution and thus a higher accuracy of the measurements, but a shorter measuring range is obtained. A longer focal length lens will increase the measurement range, but will reduce the local resolution as the focal planes are farther apart. The length of the focal plane region represents the chromatic aberration. Consequently, the chromatic aberration depends not only on the dispersion but also on the focal length.

In der Praxis, so auch in der vorbenannten DE 102 42 374 A1 , wird der Begriff chromatische Aberration häufig mit der Dispersion gleichgesetzt. Im Sinne der vorliegenden Beschreibung ist, wie bereits erläutert, die Dispersion die Aufspaltung des Lichtes in seine einzelnen Spektralanteile, verursacht durch die Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindexes. Die chromatische Aberration ist die Längsabweichung der Fokusse der einzelnen Spektralanteile des Lichtes entlang der optischen Achse der Linse, oder der Brennebenenbereich, wie erläutert.In practice, as in the aforementioned DE 102 42 374 A1 , the term chromatic aberration is often equated with the dispersion. For the purposes of the present description, as already explained, the dispersion is the splitting of the light into its individual spectral components, caused by the wavelength dependence of the refractive index. The chromatic aberration is the longitudinal deviation of the foci of the individual spectral components of the light along the optical axis of the lens, or the focal plane region, as explained.

Die Ausnutzung des Effektes der chromatischen Aberration für eine Messanordnung (dort Sensor) wurde bereits in der vorgenannten DE 102 42 374 A1 beschrieben. Hier ist angegeben, dass eine Oberfläche durch ein Beleuchtungslicht über eine Abbildungsoptik beleuchtet wird, indem dieses auf die Oberfläche fokussiert wird. Aufgrund der chromatischen Aberration der Abbildungsoptik werden die unterschiedlichen Spektralanteile des Beleuchtungslichtes in unterschiedlichen Abständen von der Abbildungsoptik fokussiert, sodass theoretisch nur ein Spektralanteil auf der Oberfläche ideal fokussiert wird. Ein Messlicht, welches einen an der Oberfläche reflektierten Anteil des Beleuchtungslichtes darstellt, wird nach einem erneuten Durchgang durch die Abbildungsoptik von einem spektral auflösenden Lichtempfänger erfasst, der konfokal zu einer das Beleuchtungslicht aussendenden Lichtquelle angeordnet ist. Die spektrale Verteilung des von dem Lichtempfänger erfassten Messlichtes stellt somit ein Maß für den Abstand zwischen der Messanordnung und der Oberfläche dar. Durch den Anmelder der vorgenannten DE 102 42 374 A1 anders ausgedrückt werden die verschiedenen Spektralanteile des Beleuchtungslichtes durch die chromatische Aberration der Abbildungsoptik derart aufgespalten, dass die Fokusse für unterschiedliche Spektralanteile im Objektbereich übereinander liegen. Diese Aussage wird diesseits als entlang der optischen Achse der Messanordnung hintereinander liegend verstanden. Befindet sich nun im Objektbereich eine reflektierende Oberfläche, so wird bevorzugt der Spektralanteil auf dem Lichtempfänger abgebildet, welcher mit einem möglichst kleinen Fokus auf die Oberfläche trifft, was diesseits so verstanden wird, dass der Fokus dieses Spektralanteils der Oberfläche am nächsten liegt. Der Fokus stellt jeweils den kleinsten Querschnitt eines Strahlenbündels dar. Die konfokale Bedingung soll bevorzugt nur für einen Spektralanteil erfüllt sein. Der spektrale Anteil des detektierten Messlichtes mit der größten Intensität sei demzufolge ein Maß für den Abstand zwischen der Oberfläche und der Messanordnung. The utilization of the effect of the chromatic aberration for a measuring arrangement (there sensor) was already in the aforementioned DE 102 42 374 A1 described. Here it is stated that a surface is illuminated by an illumination light via an imaging optic by focusing it on the surface. Due to the chromatic aberration of the imaging optics, the different spectral components of the illumination light are focused at different distances from the imaging optics, so that theoretically only a spectral component on the surface is ideally focused. A measuring light, which represents a portion of the illumination light reflected on the surface, is detected after a renewed passage through the imaging optics by a spectrally resolving light receiver which is arranged confocally to a light source emitting the illumination light. The spectral distribution of the measuring light detected by the light receiver thus represents a measure of the distance between the measuring arrangement and the surface. By the applicant of the aforementioned DE 102 42 374 A1 In other words, the different spectral components of the illumination light are split by the chromatic aberration of the imaging optics such that the foci are superimposed for different spectral components in the object region. This statement is understood as lying along the optical axis of the measuring arrangement one behind the other. If there is now a reflecting surface in the object region, the spectral component is preferably imaged on the light receiver, which impinges on the surface with the smallest possible focus, which in this case is understood to mean that the focus of this spectral component lies closest to the surface. The focus represents in each case the smallest cross-section of a beam. The confocal condition should preferably be satisfied only for one spectral component. The spectral component of the detected measurement light with the greatest intensity is therefore a measure of the distance between the surface and the measurement arrangement.

Eine Messanordnung, wie sie aus der vorgenannten DE 102 42 374 A1 bekannt ist, umfasst, gestützt auf deren Offenbarung und die diesseits vorangegangenen Ausführungen hierzu:

– eine Lichtquelle, welche ein Beleuchtungslicht mit verschiedenen Spektralanteilen emittiert,
– eine dispersive Abbildungsoptik, durch welche das Beleuchtungslicht entlang eines Beleuchtungsstrahlengangs in verschiedene Brennebenen innerhalb eines Brennebenenbereiches fokussiert wird, in dem ein Messobjekt mit einer Messoberfläche angeordnet werden kann,
– einen Strahlteiler, welcher derart angeordnet ist, dass ein Messlicht, welches einen aus dem Brennebenenbereich zurück in den Beleuchtungsstrahlengang reflektierten Anteil des Beleuchtungslichtes darstellt, aus dem Beleuchtungsstrahlengang ausgekoppelt und auf einen Lichtempfänger mit einer spektralen Auflösung, der in einer konjugierten Ebene zur Lichtquelle angeordnet ist, gerichtet wird und
– eine Auswerteeinheit, welche aus den Intensitäten verschiedener Spektralanteile des Messlichtes den Abstand der Oberfläche eines im Brennebenenbereich angeordneten Messobjektes zur Messanordnung ermitteln kann.

A measuring arrangement, as shown in the aforementioned DE 102 42 374 A1 based on its disclosure and on this side previous comments include:

A light source which emits an illumination light with different spectral components,
A dispersive imaging optics, by means of which the illumination light is focused along an illumination beam path into different focal planes within a focal plane region in which a measurement object with a measurement surface can be arranged,
- A beam splitter, which is arranged such that a measuring light, which represents a reflected from the focal plane area back into the illumination beam path portion of the illumination light, coupled out of the illumination beam path and to a light receiver with a spectral resolution, which is arranged in a conjugate plane to the light source , is directed and
An evaluation unit which can determine from the intensities of different spectral components of the measurement light the distance of the surface of a measurement object arranged in the focal plane region from the measurement arrangement.

Zur konkreten Ausführung der Abbildungsoptik ist in der vorgenannten DE 102 42 374 A1 soweit angegeben, dass sie so ausgewählt wird, dass sie bewusst eine große chromatische Aberration aufweist. For the concrete execution of the imaging optics is in the aforementioned DE 102 42 374 A1 so far as stated that it is chosen so that it consciously has a large chromatic aberration.

Eine Abbildungsoptik mit einer großen chromatischen Aberration, unabhängig davon, ob sie im Sinne der vorliegenden Beschreibung oder im Sinne der vorgenannten DE 102 42 374 A1 verstanden wird, ist jedoch nicht in jedem Fall ausreichend für die Anforderungen an eine Messanordnung.An imaging optics with a large chromatic aberration, regardless of whether they are within the meaning of the present description or in the sense of the aforementioned DE 102 42 374 A1 However, it is not always sufficient for the requirements of a measuring arrangement.

Vielmehr ist eine große chromatische Aberration mit einer hohen örtlichen Auflösung der Spektralanteile wünschenswert.Rather, a large chromatic aberration with a high spatial resolution of the spectral components is desirable.

Wie ebenfalls in der vorgenannten DE 102 42 374 A1 angegeben, bietet sich als Beleuchtungslicht ein Licht mit einem breiten Wellenlängenspektrum an, was z. B. durch weißes Licht gegeben ist. Ein breiteres Wellenlängenspektrum bedeutet bei gleicher Dispersion und Brennweite ein breiterer Brennebenenbereich, innerhalb dessen alle Spektralanteile des Beleuchtungslichtes in eine Brennebene fokussiert werden. Der Breite des Wellenlängenspektrums sind jedoch durch die zur Verfügung stehenden Lichtquellen und die Empfindlichkeit des Lichtempfängers Grenzen gesetzt. Außerdem bringt das breitere Wellenlängenspektrum keine höhere Auflösung der Spektralanteile. Diese kann mit einer einzelnen Linse nur erreicht werden, wenn für sie ein Material mit einer kleineren Abbeschen Zahl gewählt wird. Dem sind naturgemäß enge Grenzen gesetzt.As also in the aforementioned DE 102 42 374 A1 indicated, offers itself as illuminating light to a light with a wide wavelength spectrum, which z. B. is given by white light. A wider wavelength spectrum means with the same dispersion and focal length, a wider focal plane range, within which all spectral components of the illumination light are focused in a focal plane. However, the width of the wavelength spectrum is limited by the available light sources and the sensitivity of the light receiver. In addition, the broader wavelength spectrum does not provide a higher resolution of the spectral components. This can only be achieved with a single lens if a material with a smaller Abbe number is chosen for it. Naturally, this has narrow limits.

Aus der WO 2006/122519 A1 ist eine weitere Vorrichtung zum Vermessen von Oberflächen bekannt, die unter Ausnutzung der axialen chromatischen Aberration arbeitet. Zu den o. g. Merkmalen einer Vorrichtung gemäß der vorbenannten DE 102 42 374 A1 , die hier ebenfalls als gegeben unterstellt werden, wird hier ergänzend vorgeschlagen, über eine Blendeinrichtung oder eine Glasfaser jene spektralen Anteile des reflektierten Messlichtes zu unterdrücken, deren Fokus bei der Reflexion nicht auf der reflektierenden Oberfläche lag. From the WO 2006/122519 A1 Another device for measuring surfaces is known, which works by utilizing the axial chromatic aberration. To the above features of a device according to the aforementioned DE 102 42 374 A1 , which are also assumed to be given here, is here additionally proposed to suppress those spectral components of the reflected measurement light via a glare device or a glass fiber, whose focus was not on the reflecting surface during the reflection.

Die hier offenbarte Vorrichtung unterscheidet sich von anderen aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen insbesondere durch die Ausführung der Abbildungsoptik. Sie soll das bereits beschriebene Problem lösen, nach dem bei kurzer Brennweite der Abbildungsoptik und einer Abstandsänderung zu einem angemessenen Objekt zwar eine starke Verschiebung des detektierten Spektrums und damit eine hohe Messgenauigkeit erreicht wird, jedoch der Messbereich und Messabstand gering sind, und bei einer langen Brennweite zwar ein großer Messbereich und Messabstand erzielbar sind, jedoch die Messgenauigkeit gering ist. The device disclosed here differs from other devices known from the prior art, in particular by the design of the imaging optics. It is intended to solve the problem already described, according to which, with a short focal length of the imaging optics and a change in distance to a suitable object, a strong shift of the detected spectrum and thus a high accuracy is achieved, but the measuring range and measuring distance are low, and at a long focal length Although a large measuring range and measuring distance can be achieved, the measuring accuracy is low.

Die Lösung des Problems wird in einer Erhöhung der Dispersion gesehen. Vorgeschlagen wird hier, die Funktion der Abbildungsoptik auf zwei Optiken aufzuteilen, wobei die erste der beiden Optiken eine GRIN-Linse (Gradientenindexlinse), mit der eine große chromatische Aberration erreicht werden soll, und die zweite Optik bevorzugt eine Teleskopoptik ist, um einen großen Messabstand zu erreichen. Konventionelle GRIN-Linsen, die von deren optischer Achse ausgehend durch eine radial zunehmende Dotierung eines optischen Materials hergestellt werden, besitzen die Eigenschaft, dass die chromatische Aberration mit zunehmender Länge der GRIN-Linse größer wird. Um eine besonders große chromatische Aberration zu erreichen, wird vorgeschlagen, eine größere als eine 1.0 Pitch-GRIN-Linse zu verwenden, in deren Innerem ein Lichtstrahl mehrfach fokussiert wird, wobei an jedem Fokuspunkt das Licht eine größere spektrale Aufspaltung erfährt. Damit kann die chromatische Aberration skaliert werden, ohne dass die Brennweite des Gesamtsystems verändert wird. The solution to the problem is seen in an increase in dispersion. It is proposed here to divide the function of the imaging optics on two optics, wherein the first of the two optics, a GRIN lens (gradient index lens), with which a large chromatic aberration is to be achieved, and the second optics is preferably a telescope optics to a large measuring distance to reach. Conventional GRIN lenses made from their optical axis by radially increasing doping of an optical material have the property that the chromatic aberration increases with increasing length of the GRIN lens. In order to achieve a particularly large chromatic aberration, it is proposed to use a larger than a 1.0 pitch GRIN lens inside which a light beam is multiply focused, at each focal point the light undergoes a greater spectral splitting. Thus, the chromatic aberration can be scaled without changing the focal length of the entire system.

Nachteilig ist, dass die Erhöhung der Dispersion der Abbildungsoptik zwingend zu deren größerer Baulänge führt. Um möglichst vielfach den Lichtstrahl in der GRIN-Linse zu fokussieren, erfolgt die Dotierung so, dass ein sich einstellender radialer Brechungsindexgradient eine Fokussierung auf der Austrittsfläche bzw. nur sehr kurz dahinter bewirkt, wo es nicht möglich ist, ein Messobjekt anzuordnen. Eine zusätzliche Optik ist erforderlich, um die Strahlung in einen hierzu konjugierten Bereich abzubilden.The disadvantage is that the increase in the dispersion of the imaging optics necessarily leads to their greater length. In order to focus as much as possible on the light beam in the GRIN lens, the doping takes place in such a way that an adjusting radial refractive index gradient causes a focusing on the exit surface or only very shortly behind it, where it is not possible to arrange a measurement object. Additional optics are required to image the radiation into a conjugate region.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Messanordnung mit einem vergleichsweise großen Messbereich aufgrund einer vergleichsweise höheren Dispersion der Abbildungsoptik zu schaffen. The object of the invention is to provide a measuring arrangement with a comparatively large measuring range due to a comparatively higher dispersion of the imaging optics.

Diese Aufgabe wird für eine chromatisch-konfokale Messanordnung, enthaltend eine Lichtquelle, die ein Beleuchtungslicht mit verschiedenen Spektralanteilen emittiert, eine dispersive Abbildungsoptik mit einer optischen Achse, die die verschiedenen Spektralanteile in verschiedene Brennebenen eines Brennebenenbereiches fokussiert, einen Strahlteiler, der aus dem Brennebenenbereich zurück durch die Abbildungsoptik reflektierte Anteile des Beleuchtungslichtes als Messlicht auf einen Lichtempfänger lenkt, der in einer konjugierten Ebene zur Lichtquelle angeordnet ist, sowie eine Auswerteeinheit, die aus den Intensitäten der verschiedenen Spektralanteile des Messlichtes den Abstand der Oberfläche eines im Brennebenenbereich angeordneten Messobjektes zur Messanordnung ermitteln kann, dadurch gelöst, dass die Abbildungsoptik wenigstens eine GRIN-Linse aus einem Metamaterial enthält oder diese darstellt.This object is achieved by a beam splitter returning from the focal plane region for a chromatic confocal measuring device comprising a light source emitting an illumination light having different spectral components, a dispersive imaging optic having an optical axis focusing the different spectral components into different focal planes of a focal plane region the imaging optics directs portions of the illumination light as measurement light onto a light receiver which is arranged in a conjugate plane to the light source, and an evaluation unit which can determine from the intensities of the various spectral components of the measurement light the distance of the surface of a measurement object arranged in the focal plane area from the measurement arrangement, achieved in that the imaging optics contains or represents at least one GRIN lens made of a metamaterial.

Vorzugsweise bildet das Metamaterial wenigstens eine Schicht, umfassend eine Matrixanordnung von Einheitszellen, die radial von der optischen Achse nach außen hin einen Brechungsindexgradienten aufweist.Preferably, the metamaterial forms at least one layer comprising a matrix array of unit cells having a refractive index gradient radially outwardly of the optical axis.

Vorteilhaft sind wenigstens zwei Schichten von Metamaterial vorhanden, deren Brechungsindexgradienten unterschiedlich sind.Advantageously, there are at least two layers of metamaterial whose refractive index gradients are different.

Es ist von Vorteil, wenn der Brechungsindexgradient sich von der wenigstens einen Schicht von Metamaterial für unterschiedliche Polarisationsrichtungen des Messlichtes unterscheidet und dem Lichtempfänger ein Polarisationsfilter vorgeordnet ist, der drehbar ist, sodass wahlweise unterschiedlich polarisierte Anteile des Messlichtes auf den Lichtempfänger auftreffen, wodurch die Messanordnung für unterschiedlich polarisierte Anteile des Messlichtes unterschiedliche Brennebenen in unterschiedlichen Brennebenenbereichen aufweist.It is advantageous if the refractive index gradient differs from the at least one layer of metamaterial for different polarization directions of the measurement light and the light receiver is preceded by a polarization filter which is rotatable, so that optionally differently polarized portions of the measurement light impinge on the light receiver, whereby the measuring arrangement for differently polarized portions of the measuring light has different focal planes in different focal plane areas.

Es ist ferner von Vorteil, wenn in genau zwei zueinander senkrecht stehenden Polarisationsrichtungen des Messlichtes die wenigstens eine Schicht von Metamaterial den vergleichsweise größten und den vergleichsweise kleinsten Brechungsindexgradienten aufweist, sodass die Messanordnung durch eine wahlweise Verstellung des Polarisationsfilters um 90° den vergleichsweise längsten und den vergleichsweise kürzesten Brennebenenbereich aufweist.It is also advantageous if the at least one layer of metamaterial has the comparatively largest and the comparatively smallest refractive index gradient in exactly two mutually perpendicular polarization directions of the measuring light, so that the measuring arrangement by an optional adjustment of the polarization filter by 90 ° the comparatively longest and the comparatively has the shortest focal plane area.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to embodiments and drawings.

Hierzu zeigen:Show:

1 eine Prinzipskizze einer ersten Messanordnung, 1 a schematic diagram of a first measuring arrangement,

2 einen Ausschnitt einer Draufsicht auf eine erste Ausführung einer Metamaterial-GRIN-Linse, 2 4 a detail of a top view of a first embodiment of a metamaterial GRIN lens,

3 eine Prinzipskizze einer zweiten Messanordnung und 3 a schematic diagram of a second measuring arrangement and

4 einen Ausschnitt einer Draufsicht auf eine zweite Ausführung einer Metamaterial-GRIN-Linse. 4 a detail of a plan view of a second embodiment of a metamaterial GRIN lens.

Eine erfindungsgemäße Messanordnung, wie in 1 als Prinzipskizze gezeigt, enthält gleich einer gattungsgleichen aus dem Stand der Technik bekannten Messanordnung eine Lichtquelle 1, die ein Beleuchtungslicht mit verschiedenen Spektralanteilen emittiert, eine dispersive Abbildungsoptik 2 mit einer optischen Achse 2.1, die die verschiedenen Spektralanteile in verschiedene Brennebenen 3.1 bis 3.n eines Brennebenenbereiches 3 fokussiert, einen Strahlteiler 4, der aus dem Brennebenenbereich 3 zurück durch die Abbildungsoptik 2 reflektierte Anteile des Beleuchtungslichtes als Messlicht auf einen Lichtempfänger 5 lenkt, der in einer konjugierten Ebene zur Lichtquelle 1 angeordnet ist, sowie eine Auswerteeinheit 6, die aus den Intensitäten der verschiedenen Spektralanteile des Messlichtes den Abstand der Oberfläche eines im Brennebenenbereich 3 angeordneten Messobjektes zur Messanordnung ermitteln kann.An inventive measuring arrangement, as in 1 shown as a schematic diagram, equal to a generic same known from the prior art measuring arrangement includes a light source 1 , which emits an illumination light with different spectral components, a dispersive imaging optics 2 with an optical axis 2.1 that separate the different spectral components into different focal planes 3.1 to 3.n a focal plane area 3 focused, a beam splitter 4 coming from the focal plane area 3 back through the imaging optics 2 reflected portions of the illumination light as measuring light on a light receiver 5 which steers in a conjugate plane to the light source 1 is arranged, and an evaluation unit 6 which determines from the intensities of the different spectral components of the measuring light the distance of the surface of a focal plane area 3 arranged measuring object for measuring arrangement can determine.

Es ist erfindungswesentlich, dass die Abbildungsoptik 2 wenigstens eine GRIN-Linse aus einem Metamaterial enthält. Die Abbildungsoptik 2 kann auch eine GRIN-Linse aus Metamaterial darstellen. Eine solche Metamaterial-GRIN-Linse besteht aus einer oder mehreren Schichten 8 von in einer Matrix angeordneten Subwellenlängenstrukturen (Einheitszellen 8.1). Sie hat ebenso wie eine konventionelle durch Dotierung hergestellte GRIN-Linse, die in der Regel die geometrische Form eines Stabes mit planen Stirnflächen aufweist, geometrisch nichts mit einer konventionellen Linse zu tun, die wenigstens eine sphärisch oder asphärisch gekrümmte Stirnfläche zur Formung eines hindurchtretenden Strahlenbündels aufweist. Ein Metamaterial, wie beispielhaft in 2 gezeigt, ist ein künstlich hergestelltes Material, das aus wenigstens einer Schicht 8 von Einheitszellen 8.1 aus einem elektrisch oder magnetisch wirksamen Material aufgebaut ist, deren Größe deutlich kleiner als die Wellenlänge der Strahlung ist, die mit dem Metamaterial in Wechselwirkung gebracht wird. Charakteristisch für Metamaterialien ist, dass ihre physikalischen Eigenschaften sich aus der speziellen Geometrie und Anordnung der Einheitszellen 8.1 ergeben. Da die Größe der Einheitszellen 8.1 kleiner als die Hälfte der Wellenlänge, bevorzugt ca. 1/10 der Wellenlänge der verwendeten Strahlung sein muss, gibt es bislang fertigungstechnisch bedingt vorrangig Metamaterialien, die für längere Wellenlängen, wie Mikrowellenlängen oder THz-Strahlung, ausgelegt sind. Es gibt aber auch bereits Metamaterialien für kürzere Wellenlängen bis hin zu Wellenlängen des sichtbaren Lichts bzw. diese sind in der Entwicklung. Durch ein geschicktes Design der geometrischen Strukturen der Einheitszellen 8.1 lassen sich die elektromagnetischen Eigenschaften, wie der effektive Brechungsindex der einzelnen Einheitszellen 8.1, an eine gewünschte Aufgabe anpassen. So lässt sich durch die zweidimensionale Anordnung solcher Einheitszellen 8.1 in Form einer Matrix eine Schicht 8 herstellen, in der von einem Mittelpunkt ausgehend, durch den dann die optische Achse verläuft, radial nach außen hin das Licht zunehmend stärker oder schwächer gebrochen wird, womit der Effekt einer optischen Linse bewirkt werden kann, die einen hindurchtretenden Strahl konvergierend oder divergierend verformt. Für solche Schichten 8 sind Brechungsindexgradienten Δn einstellbar, die ein Zehnfaches gegenüber erreichbaren Brechungsindexgradienten Δn einer durch Dotierung hergestellten GRIN-Linse betragen. It is essential to the invention that the imaging optics 2 contains at least one GRIN lens made of a metamaterial. The imaging optics 2 can also represent a GRIN lens made of metamaterial. Such a metamaterial GRIN lens consists of one or more layers 8th of sub-wavelength structures arranged in a matrix (unit cells 8.1 ). It has, like a conventional doped GRIN lens, which typically has the geometric shape of a rod with flat faces, geometrically nothing to do with a conventional lens having at least one spherical or aspherical curved face for forming a passing beam , A metamaterial, as exemplified in 2 shown is an artificially manufactured material that consists of at least one layer 8th of unit cells 8.1 is constructed of an electrically or magnetically active material, the size of which is significantly smaller than the wavelength of the radiation associated with the Metamaterial is brought into interaction. Characteristic of metamaterials is that their physical properties are derived from the unique geometry and arrangement of the unit cells 8.1 result. Because the size of the unit cells 8.1 smaller than half the wavelength, preferably about 1/10 of the wavelength of the radiation used must be, there are so far mainly manufacturing technology due metamaterials that are designed for longer wavelengths, such as microwave wavelengths or THz radiation. But there are also metamaterials for shorter wavelengths to visible light wavelengths or they are under development. Through a clever design of the geometric structures of the unit cells 8.1 can be the electromagnetic properties, such as the effective refractive index of the individual unit cells 8.1 , adapt to a desired task. This is due to the two-dimensional arrangement of such unit cells 8.1 in the form of a matrix, a layer 8th in which, starting from a center point, through which the optical axis passes, the light is refracted increasingly more or less radially outwards, whereby the effect of an optical lens can be effected, which deforms a passing beam in a converging or divergent manner. For such layers 8th are refractive index gradients .DELTA.n adjustable, which are ten times the achievable refractive index gradient .DELTA.n a doped GRIN lens.

Ein Beispiel für eine derartige GRIN-Linse aus einem Metamaterial ist aus dem Fachartikel von Oliver Paul et al.: „Gradient index metamaterial based on slot elements“, in APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 241110 (2010) bekannt. Die Einheitszellen 8.1 werden hier durch quadratische Metallblättchen mit einem ringförmigen Schlitz gebildet. Indem für die Einheitszellen 8.1, die in Form einer Matrix in einer Schicht 8 angeordnet sind, beginnend von der Mitte der Matrix zu deren Rand hin ein zunehmend größerer / kleinerer Radius für den ringförmigen Schlitz gewählt wurde, ergibt sich für die einzelnen Einheitszellen 8.1 ein radial nach außen hin zunehmend größerer / kleinerer effektiver Brechungsindex und damit ein effektiver Brechungsindexgradient Δn in der Schicht 8, der zu einer konvergierenden oder divergierenden Beeinflussung hindurchtretenden Beleuchtungslichtes führt. Eine GRIN-Linse aus Metamaterial lässt sich mit einer nur geringen Anzahl von derartigen funktionellen Schichten 8 aufbauen. Gemäß der vorbenannten Publikation wird hiermit eine GRIN-Linse mit einem effektiven Brechungsindexgradienten Δn von 1,5 erreicht, der geeignet ist, Strahlung im THz-Bereich auf einen Punkt kleiner der Wellenlänge zu fokussieren. Für Metamaterial-GRIN-Linsen kann nicht nur ein großer effektiver Brechungsindexgradient Δn über den Querschnitt einer Schicht 8 eingestellt werden, was für eine erfindungsgemäße Vorrichtung wichtig ist, um eine vergleichsweise hohe Dispersion zu erreichen, sondern im Unterschied zu einer konventionellen GRIN-Linse, bei der die Dotierung über ihre Länge nicht variierbar ist, können hier durch einen Aufbau aus mehreren Schichten 8 auch über die Schichten 8 unterschiedliche effektive Brechungsindexgradienten Δn realisiert werden. Dadurch ist es z. B. möglich, begrenzende Schichten 8 einer aus mehreren Schichten 8 bestehenden Metamaterial-GRIN-Linse als Antireflexschicht auszubilden. Durch die starke Wellenlängenabhängigkeit der Brechungsindizes, das heißt die wellenlängenabhängige starke Abweichung der effektiven Brechungsindizes voneinander wird eine hohe Dispersion erreicht. Das liegt insbesondere daran, dass die Einheitszellen 8.1 bevorzugt nahe ihrer Resonanzfrequenz betrieben werden und kleine Änderungen der Frequenz der Strahlung und damit deren Wellenlänge große Änderungen bewirken.An example of such a GRIN lens made of a metamaterial is known from the technical article of Oliver Paul et al .: "Gradient index metamaterial based on slot elements", in APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 241110 (2010) known. The unit cells 8.1 are formed here by square metal flakes with an annular slot. By acting for the unit cells 8.1 in the form of a matrix in a layer 8th are arranged, starting from the center of the matrix to the edge of an increasingly larger / smaller radius was selected for the annular slot, results for the individual unit cells 8.1 a radially outwardly increasingly larger / smaller effective refractive index and thus an effective refractive index gradient Δn in the layer 8th which leads to a converging or divergent influence passing illumination light. A GRIN lens made of metamaterial can be assembled with only a small number of such functional layers 8th build up. According to the afore-mentioned publication, a GRIN lens with an effective refractive index gradient Δn of 1.5, which is suitable for focusing radiation in the THz range to a point smaller than the wavelength, is hereby achieved. For metamaterial GRIN lenses, not only can a large effective refractive index gradient Δn across the cross section of a layer 8th can be adjusted, which is important for a device according to the invention, in order to achieve a comparatively high dispersion, but in contrast to a conventional GRIN lens, in which the doping is not variable over its length, can here by a structure of several layers 8th also over the layers 8th different effective refractive index gradients Δn can be realized. This is z. B. possible, limiting layers 8th one of several layers 8th form existing metamaterial GRIN lens as an antireflective layer. Due to the strong wavelength dependence of the refractive indices, that is, the wavelength-dependent strong deviation of the effective refractive indices from each other, a high dispersion is achieved. This is especially because the unit cells 8.1 preferably be operated close to their resonant frequency and small changes in the frequency of the radiation and thus their wavelength cause large changes.

Für Schichten 8 aus einem Metamaterial und somit für daraus hergestellte Metamaterial-GRIN-Linsen sind effektive Brechungsindexgradienten Δn einstellbar, die ein Zehnfaches gegenüber erreichbaren effektiven Brechungsindexgradienten Δn einer durch Dotierung hergestellten GRIN-Linse betragen. Mit einer GRIN-Linse aus einem Metamaterial ist es somit möglich, eine sehr kurze Brennweite der Abbildungsoptik 2 und damit eine hohe Ortsauflösung zu realisieren. Gleichzeitig lässt sich dadurch eine Messanordnung auf einem nur sehr kurzen Bauraum realisieren, da der Lichtempfänger 5 in einem nur kleinen Abstand von der Abbildungsoptik 2 angeordnet werden kann. Darüber hinaus kann die effektive Impedanz (wellenlängenabhängige Impedanz) beim Design der Metamaterial-GRIN-Linse beeinflusst werden, sodass deren Transmission beeinflusst werden kann, was in Abhängigkeit von der Reflektivität eines anzumessenden Objektes und der Empfindlichkeit des Lichtempfängers 5 von Interesse sein kann.For layers 8th from a metamaterial, and thus for metamaterial GRIN lenses made therefrom, effective refractive index gradients Δn are set which are ten times the achievable effective refractive index gradient Δn of a GRIN lens made by doping. With a GRIN lens made of a metamaterial, it is thus possible to have a very short focal length of the imaging optics 2 and thus realize a high spatial resolution. At the same time can thereby realize a measuring arrangement on a very short space, since the light receiver 5 in only a small distance from the imaging optics 2 can be arranged. In addition, the effective impedance (wavelength-dependent impedance) in the design of the Metamaterial GRIN lens can be influenced so that its transmission can be influenced, depending on the reflectivity of an object to be measured and the sensitivity of the light receiver 5 may be of interest.

Auch können die Eigenschaften der Metamaterial-GRIN-Linse und damit deren Brechungsindexgradient Δn während des Betriebs durch Anlegen elektrischer oder magnetischer Felder variiert werden. So können der Arbeitsabstand und der Arbeitsbereich / die Messgenauigkeit insitu an ein Messproblem angepasst werden. Also, the properties of the metamaterial GRIN lens and thus its refractive index gradient Δn can be varied during operation by applying electrical or magnetic fields. Thus, the working distance and the working range / the measuring accuracy can be in situ adapted to a measuring problem.

Außerdem ist es durch ein asymmetrisches Design der Metamaterial-Einheitszellen 8.1, wie beispielhaft in 4 gezeigt, möglich, die elektromagnetischen Eigenschaften der GRIN-Linse und damit deren Brechungsindexgradienten Δn`, Δn`` abhängig von der Richtung der linearen Polarisation des Messlichtes zu gestalten. Durch das asymmetrische Design hat die GRIN-Linse für unterschiedliche Polarisationsrichtungen des Messlichtes einen unterschiedlichen Brechungsindexgradienten Δn``, Δn` und das Messlicht wird in Abhängigkeit von seiner Polarisationsrichtung unterschiedlich stark gebrochen, sodass die Brennebenenbereiche 3`, 3`` der Messanordnung für die Anteile des Messlichtes unterschiedlicher Polarisationsebenen unterschiedlich lang sind und in einem unterschiedlichen Abstand zur Abbildungsoptik 2 und damit zur Messanordnung entstehen. Damit kann die Messanordnung polarisationsabhängig in verschiedenen Arbeitsmodi betrieben werden, indem in den Strahlengang ein Polarisationsfilter 7 vor oder nach der Abbildungsoptik 2 dem Lichtempfänger vorgeordnet und für die unterschiedlichen Arbeitsmodi unterschiedlich eingestellt wird. Eine Messanordnung hierfür ist in 3 dargestellt.It is also due to an asymmetric design of the metamaterial unit cells 8.1 as exemplified in 4 shown, possible to make the electromagnetic properties of the GRIN lens and thus their refractive index gradient .DELTA.n`, Δn`` depending on the direction of the linear polarization of the measuring light. Due to the asymmetrical design, the GRIN lens has different refractive index gradients Δn``, Δn` for different polarization directions of the measuring light, and the measuring light is dependent on its polarization direction different degrees of refraction, so that the focal plane areas 3` . 3`` the measuring arrangement for the proportions of the measuring light of different polarization planes are different lengths and at a different distance to the imaging optics 2 and thus arise to the measuring arrangement. Thus, the measuring device can be operated polarization-dependent in different working modes by a polarization filter in the beam path 7 before or after the imaging optics 2 upstream of the light receiver and set differently for the different working modes. A measuring arrangement for this is in 3 shown.

Ausgehend von einem Metamaterial, wie es in dem vorgenannten Fachartikel von Oliver Paul et al.: Gradient index metamaterial based on slot elements, in APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 241110 (2010) offenbart ist, bei dem die Einheitszellen 8.1 durch quadratische Metallblättchen mit einem ringförmigen Schlitz gebildet sind, kann ein asymmetrisches Design geschaffen werden, indem die Schlitze, wie in 4 dargestellt, ellipsenförmig gebildet sind, wobei die großen Halbachsen der ellipsenförmigen Schlitze parallel zueinander angeordnet sind. Der kleinste Radius des Schlitzes, in Richtung der beiden kleinen Halbachsen, und der größte Radius des Schlitzes, in Richtung der beiden großen Halbachsen, stehen senkrecht aufeinander und sind jeweils einer Stellung eines um 90° verdrehbaren Polarisationsfilters 7 zugeordnet. Mit einem solchen polarisationsabhängigen Design der Metamaterial-GRIN-Linse und Verwendung eines linearen Polarisationsfilters 7 lassen sich je nach Stellung des Polarisationsfilters 7 zwei oder auch mehr Arbeitsmodi der Messanordnung in ein und demselben Design der Messanordnung integrieren. Vorteilhaft kann ein vergleichsweise großer Arbeitsbereich mit vergleichsweise geringer örtlicher Auflösung für eine Polarisationsrichtung und ein vergleichsweise kleiner Arbeitsbereich mit vergleichsweise hoher örtlicher Auflösung für die dazu senkrechte Polarisationsrichtung realisiert werden.Starting from a metamaterial, as described in the aforementioned article by Oliver Paul et al .: Gradient index metamaterial based on slot elements, in APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 241110 (2010) is disclosed in which the unit cells 8.1 formed by square metal blades with an annular slot, an asymmetrical design can be created by the slots, as in 4 represented, elliptical are formed, wherein the major semi-axes of the elliptical slots are arranged parallel to each other. The smallest radius of the slot, in the direction of the two semi-minor axes, and the largest radius of the slot, in the direction of the two major half-axes, are perpendicular to each other and are each a position of a rotatable by 90 ° polarizing filter 7 assigned. With such a polarization dependent design of the metamaterial GRIN lens and using a linear polarizing filter 7 can be adjusted depending on the position of the polarization filter 7 integrate two or more working modes of the measuring arrangement in one and the same design of the measuring arrangement. Advantageously, a comparatively large working range can be realized with a comparatively low local resolution for a polarization direction and a comparatively small working range with a comparatively high spatial resolution for the polarization direction perpendicular thereto.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Lichtquelle light source
22: Abbildungsoptik imaging optics
2.12.1: optische Achse optical axis
3.1–3.n3.1-3.n: Brennebenen für nicht polarisiertes Licht Focal planes for unpolarized light
3.1`–3.n`3.1`-3.n`: Brennebenen für polarisiertes Licht einer Schwingungsrichtung Focal planes for polarized light of a vibration direction
3.1``–3.n``3.1``-3.n``: Brennebenen für polarisiertes Licht einer weiteren Schwingungsrichtung Focal planes for polarized light of another direction of oscillation
33: Brennebenenbereich für nicht polarisiertes Licht Focal plane area for non-polarized light
3`3`: Brennebenenbereich für polarisiertes Licht einer Schwingungsrichtung Focal plane area for polarized light of a vibration direction
3``3``: Brennebenenbereich für polarisiertes Licht einer weiteren Schwingungsrichtung Focal plane region for polarized light of another direction of oscillation
44: Strahlteiler beamsplitter
55: Lichtempfänger light receiver
66: Auswerteeinheit evaluation
77: Polarisationsfilter polarizing filter
88th: Schicht (von Metamaterial/Einheitszellen 8.1)Layer (of metamaterial / unit cells 8.1 )
8.18.1: Einheitszelle unit cell
Δn.DELTA.n: Brechungsindexgradient für nicht polarisiertes Licht Refractive index gradient for unpolarized light
Δn`Δn`: Brechungsindexgradient für polarisiertes Licht einer Schwingungsrichtung Refractive index gradient for polarized light of a vibration direction
Δn``Δn``: Brechungsindexgradient für polarisiertes Licht einer weiteren Schwingungsrichtung Refractive index gradient for polarized light of another direction of oscillation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10242374 A1 [0001, 0006, 0007, 0007, 0008, 0009, 0010, 0012, 0013]
WO 2006/122519 A1 [0013]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Oliver Paul et al .: "Gradient index metamaterial based on slot elements", in APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 241110 (2010) [0031]
Oliver Paul et al .: Gradient index metamaterial based on slot elements, in APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 241110 (2010) [0035]

Claims

Chromatic-confocal measuring arrangement containing a light source ( 1 ), which emits an illumination light with different spectral components, a dispersive imaging optics ( 2 ) with an optical axis ( 2.1 ), which divide the different spectral components into different focal planes ( 3.1 - 3.n ) of a focal plane area ( 3 ), a beam splitter ( 4 ) coming from the focal plane area ( 3 ) back through the imaging optics ( 2 ) reflected portions of the illumination light as measuring light on a light receiver ( 5 ), which in a conjugate plane to the light source ( 1 ), and an evaluation unit ( 6 ), which determines from the intensities of the different spectral components of the measuring light the distance of the surface of a focal plane in the focal plane ( 3 ) arranged measuring object can determine the measuring arrangement, characterized in that the imaging optics ( 2 ) contains or represents at least one GRIN lens of a metamaterial.

Chromatic confocal measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the metamaterial comprises at least one layer ( 8th ), comprising a matrix arrangement of unit cells ( 8.1 ) formed radially from the optical axis ( 2.1 ) has a refractive index gradient (Δn) towards the outside.

Chromatic confocal measuring arrangement according to claim 2, characterized in that at least two layers ( 8th ) of metamaterial whose refractive index gradients (Δn) are different.

Chromatic confocal measuring arrangement according to claim 2, characterized in that the refractive index gradient (Δn) of the at least one layer ( 8th ) of metamaterial for different polarization directions of the measuring light differs and the light receiver ( 5 ) a polarizing filter ( 7 ), which is rotatable, so that optionally differently polarized portions of the measuring light on the light receiver ( 5 ), whereby the measuring arrangement for different polarized portions of the measuring light different focal planes ( 3.1` - 3.n` . 3.1`` - 3.n`` ) in different focal plane areas ( 3` . 3`` ) having.

Chromatic confocal measuring arrangement according to claim 4, characterized in that in at least two mutually perpendicular polarization directions of the measuring light the at least one layer of metamaterial ( 8th ) has the comparatively largest and the comparatively smallest refractive index gradient (Δn`, Δn``), so that the measuring arrangement can be adjusted by an optional adjustment of the polarization filter ( 7 ) by 90 ° the comparatively longest and the comparatively shortest focal plane range ( 3` . 3`` ) having.