DE10026894A1 - Optische Anordnung und Sensorelement zum optischen Messen der Dicke einer Schicht - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zum optischen Messen der Dicke wenigstens einer Schicht eines ein- oder mehrschichtigen Gegenstands, deren gegenüberliegenden Seiten jeweils von einer zumindest teilweise reflektierenden Fläche begrenzt sind, mittels Spektralanalyse, welche Anordnung wenigstens eine Lichtquelle, die die Schicht beleuchtet, und wenigstens einen lichtempfindlichen Empfänger aufweist, der sowohl von dem an der einen als auch von dem an der gegenüberliegenden Seite der Schicht zumindest teilweise reflektierten Licht der Lichtquelle belichtet wird, wobei im Strahlengang des reflektierten Lichts wenigstens ein Beugungsgitter vorgesehen ist, um das reflektierte Licht vor dem lichtempfindlichen Empfänger spektral aufzuteilen. Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der lichtempfindliche Empfänger einen matrixförmigen Chip mit einer Vielzahl von Zeilen mit jeweils einer Vielzahl von Pixeln aufweist und daß das Beugungsgitter so zu dem Chip angeordnet ist, daß die spektrale Zerlegung parallel zu den Zeilen erfolgt, wobei ein Ort der abgetasteten Schicht auf wenigstens eine Zeile des matrixförmigen Chips und die spektrale Zerlegung des an diesem Ort reflektierten Lichts auf die Pixel dieser Zeile abbildbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zum optischen Messen der Dicke wenigstens einer Schicht eines ein- oder mehrschichtigen Gegenstands, deren gegenüberliegenden Seiten jeweils von einer zumindest teilweise reflektierenden Fläche begrenzt sind, mittels Spektralanalyse, welche Anordnung wenigstens eine Lichtquelle, die die Schicht beleuchtet, und wenigstens einen lichtempfindlichen Empfänger aufweist, der sowohl von dem an der einen als auch von dem an der gegenüberliegenden Seite der Schicht zumindest teilweise reflektieren Licht der Lichtquelle belichtet wird, wobei im Strahlengang des reflektierten Lichts wenigstens ein Beugungsgitter vorgesehen ist, um das reflektierte Licht vor dem lichtempfindlichen Empfänger spektral aufzuteilen.

Die zu prüfenden Schichten können durch äußere Oberflächen oder Grenzflächen eines einschichtigen oder innere und äußere Grenzflächen eines mehrschichtigen Gegenstandes begrenzt sein. Die reflektierende Fläche kann auch durch eine ganz oder teilweise reflektierende Beschichtung auf einem Substrat erzeugt werden. Es kann auch die Dicke nur des Substrats oder einer Zwischenschicht oder der Abstand zweier Flächen gemessen werden. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Ermitteln der Schichtdicke der Resinschicht zwischen den Substratschichten eines mehrschichtig aufgebauten optischen Datenträger, wie einer DVD.

Es ist allgemein und beispielsweise aus der DE 195 45 249 A1 bekannt, daß die Dicken von dünnen bis sehr dünnen Schichten mit einer Spektralanalyse des an deren Grenzflächen reflektierten Lichts gemessen werden können. Der spektralen Verteilung des reflektierten Lichts werden Oszillationen überlagert, die aufgrund der summierenden oder auslöschenden Phasenüberlagerung der beiden Lichtwellen entstehen, die an der teilreflektierenden Fläche der einen Seite und an der teilreflektierenden Fläche der gegenüberliegenden Seite reflektiert werden. Dabei ist es unerheblich, ob diese Schicht eine einzelne Schicht oder Bestanteil eines mehrschichtigen Gegenstandes und beispielsweise eine mittlere Schicht ist. Dieses Schichtdickenmeßverfahren wird unter anderem angewandt, um die Dicke der sogenannten Resin-Schicht zwischen den Polycarbonatschichten einer DVD zu prüfen. Hier wird bei einer Schichtdicke von etwa 50 µm Licht mit einer Wellenlänge von 800 bis 920 nm eingesetzt. Bei anderen Schichtdicken kann ein anderer Wellenlängenbereich des beleuchtenden Lichts zweckmäßig sein.

Die Dickenmessung einer Schicht erfolgt vorzugsweise an mehreren Stellen, um ein aussagekräftiges Ergebnis zu erhalten. Es sind optische Meßanordnungen bekannt, die eine DVD an vier verschiedenen Radien abtasten und im Multiplexverfahren einen lichtempfindlichen Empfänger mit einem zeilenförmigen Chip derart belichten, daß die spektrale Zerlegung entlang der Zeile abgebildet wird. Durch das Multiplexverfahren ist jedoch eine relativ lange Meßdauer erforderlich, so daß bei vorgeschriebener Gesamtmeßzeit der Anzahl der Meßpunkte Grenzen gesetzt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung zur Dickenmessung mittels Spektralanalyse zu schaffen, die bei einer Vielzahl von Meßpunkten eine kurze Meßzeit benötigt.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der lichtempfindliche Empfänger einen matrixförmigen Chip mit einer Vielzahl von Zeilen mit jeweils einer Vielzahl von Pixeln aufweist, und daß das Beugungsgitter so zu dem Chip angeordnet ist, daß die spektrale Zerlegung parallel zu den Zeilen erfolgt, wobei ein Ort der abgetasteten Schicht auf wenigstens eine Zeile des matrixförmigen Chips und die spektrale Zerlegung des an diesem Ort reflektierten Lichts auf die Pixel dieser Zeile abbildbar sind. Mit dieser Anordnung können mehrere Punkte der Schicht gleichzeitig erfaßt werden, so daß die Meßdauer im wesentlichen nur noch von der Auslesegeschwindigkeit des matrixförmigen Chips und der Rechengeschwindigkeit der zugeordneten Datenverarbeitungsanlage abhängt. Die Anzahl der Meßpunkte bei gleichbleibender oder vorgeschriebener Gesamtmeßdauer kann daher erhöht werden.

Es ist häufig ausreichend, wenn die Schicht diskret an wenigstens einem Punkt, vorzugsweise an mehreren Punkten, punktförmig beleuchtet wird, wobei ein Punkt auf wenigstens eine Zeile des matrixförmigen Chips abgebildet wird, auf deren Pixel die spektrale Zerlegung des an diesem Punkt reflektierten Lichts abgebildet wird. Die Schicht kann beispielsweise eine Schicht eines kreisrunden Datenträgers, insbesondere einer DVD, sein, wobei die punktförmige Beleuchtung auf verschiedenen Radien des Datenträgers erfolgt. Hier können 4 bis 20, vorzugsweise 6 bis 12 Meßpunkte ausreichend sein.

Es kann aber auch vorgesehen werden, daß die Schicht über einen zusammenhängenden Bereich beleuchtet wird und dieser Bereich auf den lichtempfindlichen Empfänger optisch abgebildet und spektral zerlegt wird. Ein Teilbereich des zusammenhängenden Bereichs der Schicht wird auf wenigstens eine Zeile des matrixförmigen Chips abgebildet, auf der auch die spektrale Zerlegung des an diesem Teilbereich reflektierten Lichts abgebildet wird. Der zusammenhängende Bereich kann linienförmig sein. Dadurch wird erreicht, daß die Anzahl der Meßpunkte durch das Auflösevermögen des lichtempfindlichen Empfängers bestimmt wird, wobei vorzugsweise auf einer Zeile des lichtempfindlichen Empfängers nur ein geometrisch beschränkter Bereich abgebildet wird, um das Meßverfahren mit spektraler Zerlegung des reflektierten Lichts mit ausreichender Genauigkeit durchführen zu können. Bei einem zu großen geometrischen Bereich kann aufgrund der damit verbundenen Signaleinbuße in der Regel keine Zuordnung der beiden sich überlagernden Lichtwellen mehr erfolgen.

Insbesondere mit Blick auf die Abmessungen eines optischen Datenträgers, wie einer DVD, ist es erforderlich, auch bei einer punktförmigen Beleuchtung relativ kleine Sensorelemente oder Sensorköpfe zum Beleuchten der Schicht und zum Belichten des lichtempfindlichen Empfängers einzusetzen. Die Erfindung betrifft daher auch ein Sensorelement und einen Sensorkopf zum optischen Abtasten eines Gegenstands mit wenigstens einem Lichtausgang, der von wenigstens einer Lichtquelle mit Licht beaufschlagbar ist und wenigstens ein erstes optisches Mittel mit einer ersten optischen Achse umfaßt, welches erstes optisches Mittel das Licht der Lichtquelle in ein im wesentlichen paralleles Lichtstrahlenbündel umformt, um den Gegenstand zu beleuchten, und mit wenigstens einem Lichteingang, der mit dem an dem Gegenstand zumindest teilweise reflektierten Licht der Lichtquelle zumindest teilweise beaufschlagt wird und wenigstens ein zweites optisches Mittel mit einer zweiten optischen Achse umfaßt, welches zweites optisches Mittel ein im wesentlichen paralleles Lichtstrahlenbündel in einen Brennpunkt fokussiert, um wenigstens einen lichtempfindlichen Empfänger zu belichten. Aufgrund der teilweise erforderlichen Brennweiten und Abstände zum Gegenstand sind der Verkleinerung der Abmessungen jedoch Grenzen gesetzt. Der Erfindung liegt daher die weitere Aufgabe zugrunde, ein besonders kleinbauendes Sensorelement insbesondere für die optische Anordnung der oben erläuterten Art zu schaffen.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß im Strahlengang von dem ersten optischen Mittel und im Strahlengang zu dem zweiten optischen Mittel wenigstens eine beide Strahlengänge zumindest teilweise erfassende dritte Linsenanordnung vorgesehen ist, die das parallele Lichtstrahlenbündel des Lichtausgangs auf den Gegenstand fokussiert und das reflektierte Licht in ein paralleles Lichtstrahlenbündel in Richtung auf den Lichteingang umformt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die gemeinsame dritte Linsenanordnung sowohl für den Lichteingang und den Lichtausgang genutzt wird und somit auch nur einmal erforderlich ist. Insbesondere sind keine Strahlteiler erforderlich, um das Licht aufzuteilen und/oder auszublenden. Der erforderliche Einbauraum wird reduziert. Das Licht kann ohne Aufteilung auf den Gegenstand gebracht werden, und das reflektierte Licht kann ebenfalls ohne Aufteilung in den lichtempfindlichen Empfänger geleitet werden, wodurch der Lichtverlust zumindest in diesem Abschnitt des Lichtstrahlenverlaufs minimiert wird.

Die dritte Linsenanordnung befindet sich im Lichtstrahlenverlauf zwischen den ersten und zweiten optischen Mitteln und dem Gegenstand. Es ist vorgesehen, daß die dritte optische Linsenanordnung eine optische Hauptachse aufweist, die parallel zu der ersten und zweiten optischen Achse verläuft. Die optischen Achsen weisen einen Abstand zueinander auf, so daß die optisch wirksame Ebene der dritten Linsenanordnung aufgeteilt wird in jeweils einen Abschnitt für den Lichteingang und den Lichtausgang. Zweckmäßig ist es, wenn die optische Hauptachse so zwischen den beiden anderen optischen Achsen verläuft, daß ein symmetrischer Strahlengang erzeugt wird. Die optischen Mittel sind vorzugsweise gleichartig ausgebildet, und die optische Hauptachse verläuft mittig zwischen der ersten und zweiten optischen Achse. Die erste und die zweite optische Achse können mit der optischen Hauptachse in einer Ebene liegen. Dann liegen der Lichteingang und der Lichtausgang in der optischen Ebene durch die dritte Linsenanordnung gegenüber, und eine gegenseitige Beeinflussung ist nicht zu befürchten.

Es kann vorgesehen werden, daß das erste und zweite optische Mittel gegenüber und/oder versetzt zueinander angeordnet sind und über wenigstens ein Spiegelelement mit der dritten Linsenanordnung zusammenwirken. Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sind das erste und zweite optische Mittel benachbart und die dritte Linsenanordnung erstreckt sich zumindest teilweise über beide optische Mittel. Dabei umfaßt die dritte Linsenanordnung eine Sammellinse, deren Durchmesser zumindest der Summe der Durchmesser der ersten und zweiten optischen Mittel entspricht oder größer ist. Es ist ausreichend, wenn der Durchmesser der dritten Linsenanordnung nur geringfügig größer ist als die Summe Durchmesser des ersten und zweiten optischen Mittel, um die Randeinflüsse zu minimieren. Der Einbauraum wird demnach im wesentlichen von der Brennweite und somit dem Durchmesser der Linse der dritten Linsenanordnung bestimmt. Dadurch, daß die Strahlengänge des Lichteingangs und Lichtausgangs nebeneinander die dritte Linsenanordnung durchlaufen, kann diese relativ groß sein und entsprechend gute optische Eigenschaften aufweisen. Es ist nicht erforderlich, daß der Lichteingang und der Lichtausgang jeweils eine derartige Linsenanordnung besitzen, da für die punktförmige Beleuchtung ein Teilbereich der optisch wirksamen Ebene der dritten Linsenanordnung völlig ausreichend ist. Dennoch werden die guten optischen Eigenschaften einer großen Linse voll ausgenutzt. Der Herstellungsaufwand und der Einbauraum können somit reduziert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das erste und/oder zweite optische Mittel einem Linsenabschnitt einer größeren optischen Linse entspricht, und die optische Achse der größeren Linse die erste bzw. zweite optische Achsen bildet. Dies hat den Vorteil, daß bei einer relativ großen Brennweite der optischen Mittel ein relativ kleiner Durchmesser benötigt wird, um den Gegenstand in der erforderlichen Weise zu beleuchten bzw. um das reflektierte Lichtstrahlenbündel zu fokussieren. Die Randbereiche der größeren Linse, aus der der Linsenabschnitt gebildet bzw. von der der Linsenabschnitt nachgebildet wird, sind für solche punktförmigen Beleuchtungen nicht erforderlich. Auch hiermit kann der Einbauraum des Sensorelementes reduziert werden, da dann der Durchmesser der diese beiden Linsenabschnitte überdeckenden Sammellinse der dritten Linsenanordnung entsprechend klein sein kann.

Zweckmäßig ist es, wenn das erste und/oder das zweite optische Mittel einen sich zur optischen Achse rotationsymmetrischen kegelstumpfförmigen Linsenkörper aufweisen. Ein solches optisches Mittel kann mit einfachen Mitteln und mit großer Genauigkeit in bezug auf die zentrische Lage der optischen Achse hergestellt werden. Das erste und/oder zweite optische Mittel sind zweckmäßiger Weise in einer konusförmigen Aufnahme des Sensorelementes angeordnet. Hierdurch wird zum einen ein sicherer Halt und zum anderen eine genaue Zentrierung der optischen Achsen erreicht. Es kann vorgesehen werden, daß der kegelförmige Abschnitt einen Winkel von 3° bis 12° einschließt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Licht der Lichtquelle über einen Lichtwellenleiter zu dem ersten optischen Mittel geleitet wird. Der Lichtwellenleiter ist vorzugsweise parallel zur ersten optischen Achse verschiebbar im Sensorelement gehalten, um den Lichtaustritt des Lichtwellenleiters im wesentlichen exakt im Brennpunkt des ersten optischen Mittels zu fixieren. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß das Sensorelement selbst keine Lichtquelle tragen muß, so daß der Einbauraum weiter reduziert werden kann. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn mehrere derartige Sensorelemente in einem Sensorkopf nebeneinander angeordnet sind.

Entsprechend ist es zweckmäßig, wenn das reflektierte und durch das zweite optische Mittel fokussierte Licht über einen Lichtwellenleiter zu dem lichtempfindlichen Empfänger geleitet wird. Auch hier kann der Lichtwellenleiter parallel zur zweiten optischen Achse verschiebbar im Sensorelement gehalten sein, um den Lichteintritt des Lichtwellenleiters im wesentlichen exakt im Brennpunkt des zweiten optischen Mittels zu fixieren. Der lichtempfindliche Empfänger braucht sich daher nicht unmittelbar an das Sensorelement anzuschließen, so daß der erforderliche Einbauraum am abzutastenden Gegenstand weiter reduziert wird.

Es kann zweckmäßig sein, wenn parallel zur optischen Hauptachse zumindest im Strahlengang zwischen der dritten Linsenanordnung sowie dem ersten und zweiten optischen Mittel eine Blende zwischen Lichtausgang und Lichteingang angeordnet ist. Dadurch werden gegenseitige Beeinflussungen des Lichteingangs und des Lichtausgangs vermieden.

Es kann weiterhin vorgesehen werden, daß zwischen dem ersten optischen Mittel und der dritten Linsenanordnung wenigstens ein Filter, insbesondere Polarisationsfilter, und zwischen dem zweiten optischen Mittel und der dritten Linsenanordnung wenigstens ein entsprechendes Filter oder Analysator angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, daß insbesondere bei der Dickenmessung von Zwischenschichten das an der äußeren Schicht reflektierte Licht nicht oder nur noch zu einem geringen Teil den lichtempfindlichen Empfänger belichtet, so daß die Beeinflussungen hierdurch vermieden werden können.

Es kann auch vorgesehen werden, daß die optische Hauptachse in einem von 90° abweichenden Winkel, insbesondere in einem Winkel von 85° bis 95°, zur Schicht verläuft. Dementsprechend kann die Ebene der drei optischen Achsen in einem von 90° abweichenden Winkel, insbesondere in einem Winkel von 85° bis 95°, zur Schicht verlaufen. Auch hierdurch wird bei einer Dickenmessung der Zwischenschicht eine Beeinflussung des Meßergebnisses durch Licht, das an der äußeren Schicht reflektiert wird, vermieden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Schema einer optischen Anordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 die Draufsicht auf einen Ausschnitt des matrixförmigen Chips des lichtempfindlichen Empfängers,

Fig. 4 die Draufsicht auf einen Sensorkopf,

Fig. 5 die Draufsicht auf ein Sensorelement in vergrößerter Darstellungsform,

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 5 und

Fig. 7 ein optisches Mittel gemäß der Erfindung mit der größeren Ursprungslinse.

In der Zeichnung ist eine optische Anordnung zur Messung der Dicke einer Schicht 11 an oder in einem Gegenstand 12, insbesondere einer DVD, mittels Spektralanalyse dargestellt. Die Anordnung weist einen Sensorkopf 13 mit einer Vielzahl von Sensorelementen 14 auf. Die Sensorelemente 14 beleuchten die Schicht punktförmig an mehreren Stellen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und empfangen das dort reflektierte Licht. Die zu vermessende Schicht 11 wird auf deren gegenüberliegenden Seiten von zumindest teilweise reflektierenden Flächen 15, 16 begrenzt, wobei zumindest die Fläche 15 teildurchlässig ist. Im einzelnen wird von den Sensorelementen 14 sowohl das an der Fläche 15 als auch das an der Fläche 16 reflektierte Licht empfangen. Es entstehen Überlagerungen der an den jeweiligen Flächen reflektierten Lichtwellen, die zu lokalen Oszillationen der Intensität der spektralen Verteilung des reflektierten Lichts führen, die zur Schichtdickenbestimmung herangezogen werden können. Die spektrale Verteilung wird dadurch erhalten, daß das reflektierte Licht durch ein Beugungsgitter 17 geleitet wird und einen lichtempfindlichen Empfänger 18 belichtet. Dieses Meßverfahren ist insoweit allgemein bekannt und bedarf daher keiner weiteren Erläuterung.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Schicht 11 an acht verschiedenen Stellen 1, . . .,8, beispielsweise Radien einer DVD, abgetastet. Grundsätzlich können aber auch mehr Meßpunkte bei entsprechend größerer Anzahl von Sensorelementen 14 vorgesehen werden. Fig. 4 zeigt einen Sensorkopf 13 mit insgesamt zehn Sensorelementen 14. Die Sensorelemente 14 können, wie dargestellt, benachbart und/oder versetzt angeordnet werden. In der Zeichnung ist das Sensorelement 14 in einem Sensorkopf 13 mit mehreren Sensorelementen gezeigt. Es ist selbstverständlich auch möglich, einen Sensorkopf mit nur einem Sensorelement auszubilden.

Ein Sensorelement 14 dient zum Beleuchten der Schicht 11 und zum Empfangen des an der Schicht 11 bzw. den Flächen 15, 16 reflektierten Lichts. Dazu sind erste optische Mittel 19 und zweite optisches Mittel 20 vorgesehen. Die optischen Mittel 19, 20 sind als Teillinsen ausgebildet, die einem Linsenabschnitt 42 einer größeren Ursprungslinse 21 entsprechen. Der Linsenabschnitt 42 entspricht dem mittleren Bereich der Ursprungslinse 21, so daß die optische Achse 22 der Ursprungslinse die optischen Achsen 23, 24 der ersten und zweiten optischen Mittel 19, 20 bildet. Dadurch werden eine relativ große Brennweite und gute optische Eigenschaften bei relativ kleinem Durchmesser der optischen Mittel erhalten.

Die ersten und zweiten optischen Mittel weisen einen kegelstumpfförmigen Linsenkörper 25 auf, der sich an die optisch wirksame gekrümmte Fläche 26 anschließt oder sich zwischen zwei gegenüberliegenden optisch wirksamen Flächen erstreckt. Der Linsenkörper wird in einer entsprechenden konusförmigen Aufnahme des Sensorelementes 14 gehalten, beispielsweise eingeklebt. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind die ersten und zweiten optischen Mittel 19, 20 unmittelbar benachbart in dem Sensorelement gehalten, und deren optischen Achsen 23, 24 verlaufen parallel zueinander.

Das erste optische Mittel 19 bildet den Lichteingang und formt das Licht einer Lichtquelle 27 in ein paralleles Lichtstrahlenbündel 28 um. Im einzelnen ist die Anordnung so getroffen, daß das Licht der Lichtquelle 27 über einen Lichtwellenleiter 29 zu dem ersten optischen Mittel 19 geführt wird. Der Lichtaustritt 30 des Lichtwellenleiters befindet sich im Brennpunkt des Linsenabschnitts des ersten optischen Mittels. Zum Einstellen ist der Lichtwellenleiter 29 axial verschiebbar am Sensorelement gehalten und kann durch eine Klemmschraube 31 fixiert werden.

Das zweite optische Mittel 20 fokussiert ein paralleles Lichtstrahlenbündel 32 in einen Brennpunkt. Hier ist die Anordnung so getroffen, daß das fokussierte Licht über einen Lichtwellenleiter 33 zu dem lichtempfindlichen Empfänger 18 geleitet wird. Der Lichteintritt 34 des Lichtwellenleiters befindet sich dazu im Brennpunkt des Linsenabschnitts des zweiten optischen Mittels. Zum Einstellen ist der Lichtwellenleiter 33 axial verschiebbar am Sensorelement 14 gehalten und kann durch eine Klemmschraube 31 fixiert werden.

Es ist eine dritte Linsenanordnung 35 vorgesehen, die sich über die beiden Linsenabschnitte der optischen Mittel 19, 20 erstreckt. Im einzelnen ist die Anordnung so getroffen, daß die dritte Linsenanordnung 35 eine Sammellinse umfaßt, die das parallele Lichtstrahlenbündel 28 des ersten optischen Mittels in einen Meßpunkt 2 auf der Schicht 11 fokussiert. Die Tiefenschärfe der dritten Linsenanordnung 35 ist so bemessen, daß sich die Ausdehnungen der Meßpunkte auf beiden Flächen 15, 16 kaum unterscheiden. Damit kann die Spektralanalyse durchgeführt werden. In der Zeichnung ist der Übersichtlichkeit halber nur die Reflektion an der hinteren Fläche 16 dargestellt.

Das reflektierte Licht wird durch die dritte Linsenanordnung 35 in das parallele Lichtstrahlenbündel 32 umgeformt, das auf das zweite optische Mittel 20 trifft. Es entstehen ein zu der optischen Hauptachse 36 der dritten Linsenanordnung 35 symmetrischer Aufbau und Lichtstrahlenverlauf, so daß insbesondere die ersten und zweiten optischen Mittel 19, 20 gleichartig und identisch ausgebildet sein können. Das einfallende Licht und das reflektierte Licht teilen sich die größere dritte Linse 35, die eine größere Brennweite und eine bessere Tiefenschärfe aufweisen kann. Insbesondere wird ein äußerst kompakter Aufbau eines Sensorelementes 14 und somit auch des gesamten Sensorkopfes 13 erreicht.

Es kann zweckmäßig sein, wenn parallel zur optischen Hauptachse 36 zumindest im Strahlengang zwischen der dritten Linsenanordnung sowie dem ersten und zweiten optischen Mittel 19, 20 eine Blende 47 zwischen Lichtausgang und Lichteingang angeordnet ist. Dadurch werden gegenseitige Beeinflussungen des Lichteingangs und des Lichtausgangs vermieden. Diese Blende 47 ist in Fig. 5 in dem in der Darstellung linken Sensorelement gezeigt.

Das reflektierte Licht gelangt über die dritte Linsenanordnung 35, dem zweiten optischen Mittel 20 und dem Lichtwellenleiter 33 zu einer Spaltblende 37, an der die Randbereiche des beziehungsweise der Lichtwellenleiter 33 ausgeblendet werden. Das durchgelassene Licht 38 fällt auf das Beugungsgitter 17, wird spektral in Lichtstrahlen 39 mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge λ zerlegt und belichtet den lichtempfindlichen Empfänger 18. Der lichtempfindliche Empfänger 18 umfaßt einen matrixförmigen Chip 40 mit einer Vielzahl von Zeilen 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, die jeweils eine Vielzahl von lichtempfindlichen Pixeln 41 aufweisen. Der matrixförmige Chip kann grundsätzlich auch durch eine diskrete Anzahl von einzelnen linienförmigen Chips gebildet werden, die nebeneinander angeordnet sind und deren Anzahl der Anzahl der Anzahl der Meßpunkte 1, . . ., 8 und somit Sensorelemente 14 entspricht. Der Einsatz eines herkömmlichen matrixförmigen Chips wird jedoch bevorzugt, wobei die Intensitäten korrespondierender Pixel von mehreren benachbarter Zeilen zur Auswertung und Messung der Dicke an einem Punkt herangezogen werden können.

Die optische Anordnung ist hier so getroffen, daß die Lage eines abgetasteten Punktes 1, . . ., 8 auf wenigstens eine Zeile 101, . . ., 108 abgebildet wird. Je nach der Auswahl der optischen Auflösung wird ein Meßpunkt 1, . . ., 8 in der Regel auf mehrere Zeilen abgebildet werden, zumal der matrixförmige Chip in der Regel mehr Zeilen als Meßpunkte aufweist. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel wird zur vereinfachten Erläuterung des Meßprinzips ein Punkt 1, . . ., 8 genau auf eine Zeile 101, . . ., 108 abgebildet. Das Beugungsgitter 17 ist so im Strahlengang ausgerichtet, daß die spektrale Zerlegung parallel zu den Zeilen 101, . . ., 108 des matrixförmigen Chips 40 erfolgt. Es werden demnach von Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge bestimmte Pixel der jeweiligen Zeilen belichtet. Welche Pixel von welchen Wellenlängen belichtet werden ist bekannt. Die jeweilige Intensität kann erfaßt und die Spektralanalyse kann durchgeführt werden. Anhand des somit festgestellten Intensitätsverlaufs des zerlegten Lichts und der ermittelten Oszillationsperiode entlang dem Verlauf kann die Dicke der Schicht 11 bestimmt werden.

Beim Messen der Dicke einer Zwischenschicht 11 eines mehrschichtigen Gegenstand besteht auch bei einer durchsichtigen Außenschicht 43 die Gefahr, daß das an der Außenfläche 44 reflektierte Licht die Messung beeinflußt. Es können daher zwischen dem ersten optischen Mittel 19 und der dritten Linsenanordnung 35 wenigstens ein Filter, insbesondere Polarisationsfilter 45, und zwischen dem zweiten optischen Mittel 20 und der dritten Linsenanordnung 35 wenigstens ein entsprechendes Filter oder Analysator 46 angeordnet sein. Diese Filter sind in Fig. 6 gestrichelt dargestellt. Damit können die an der Außenfläche reflektierten Lichtstrahlen vor dem lichtempfindlichen Empfänger 18 ausgeblendet werden.

Mit der gezeigten optischen Anordnung ist es möglich, mehrere Meßpunkte gleichzeitig zu erfassen und zu analysieren. Das Meßverfahren wird somit schneller. Durch den kompakten Aufbau der einzelnen Sensorelemente ist es zudem möglich die Meßpunkte dicht nebeneinander anzuordnen. Es ist beispielsweise möglich, daß, bei den für die Dickenmessung der Resin-Schicht erforderlichen optischen Eigenschaften des Sensorkopfes, die Durchmesser der ersten und zweiten optischen Mittel 2,0 bis 3,0 mm und der dritten Linsenanordnung 4,0 bis 7,0 mm betragen. Durch eine teilweise versetzte Anordnung der Sensorelemente entlang des Sensorkopfes erhält man eine kurze Baulänge, so daß bei einem relevanten Radiusbereich einer DVD von etwa 40-45 mm die Dicke der Resin-Schicht an mindestens 9 verschiedenen Radien gemessen werden kann.

Claims (22)

1. Sensorelement zum optischen Abtasten eines Gegenstands mit wenigstens einem Lichtausgang, der von wenigstens einer Lichtquelle (27) mit Licht beaufschlagbar ist und wenigstens ein erstes optisches Mittel (19) mit einer ersten optischen Achse (23) umfaßt, welches erstes optisches Mittel das Licht der Lichtquelle in ein im wesentlichen paralleles Lichtstrahlenbündel (28) umformt, um den Gegenstand (12) zu beleuchten, und mit wenigstens einem Lichteingang, der mit dem an dem Gegenstand zumindest teilweise reflektierten Licht der Lichtquelle zumindest teilweise beaufschlagt wird und wenigstens ein zweites optisches Mittel (20) mit einer zweiten optischen Achse (24) umfaßt, welches zweites optisches Mittel ein im wesentlichen paralleles Lichtstrahlenbündel (32) in einen Brennpunkt fokussiert, um wenigstens einen lichtempfindlichen Empfänger (18) zu belichten, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang (28) von dem ersten optischen Mittel und im Strahlengang (32) zu dem zweiten optischen Mittel wenigstens eine beide Strahlengänge zumindest teilweise erfassende dritte Linsenanordnung (35) vorgesehen ist, die das parallele Lichtstrahlenbündel des Lichtausgangs auf den Gegenstand fokussiert und das reflektierte Licht in ein paralleles Lichtstrahlenbündel in Richtung auf den Lichteingang umformt.

2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte optische Linsenanordnung eine optische Hauptachse (36) aufweist, die parallel zu der ersten und zweiten optischen Achse (23, 24) verläuft.

3. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite optische Achse (23, 24) mit der optischen Hauptachse (36) in einer Ebene liegen.

4. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite optische Mittel (19, 20) benachbart sind und sich die dritte Linsenanordnung (35) zumindest teilweise über beide optische Mittel erstreckt.

5. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite optische Mittel gegenüber und/oder versetzt angeordnet sind und über wenigstens ein Spiegelelement mit der dritten Linsenanordnung zusammenwirken.

6. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis S. dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Linsenanordnung (35) wenigstens eine Sammellinse umfaßt, deren Durchmesser zumindest der Summe der Durchmesser der ersten und zweiten optischen Mittel (19, 20) entspricht oder größer ist.

7. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder zweite optische Mittel einem Linsenabschnitt (42) einer größeren optischen Linse (21) entspricht, und die optische Achse (22) der größeren Linse die erste bzw. zweite optische (23, 24) Achse bildet.

8. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder zweite optische Mittel (19, 20) einen kegelstumpfförmigen Linsenkörper (25) aufweist.

9. Sensorelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder zweite optische Mittel (19, 20) in einer konusförmigen Aufnahme des Sensorelementes angeordnet sind.

10. Sensorelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelförmige Abschnitt einen Winkel von 3° bis 12° einschließt.

11. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der Lichtquelle (27) über einen Lichtwellenleiter (29) zu dem ersten optischen Mittel geleitet wird.

12. Sensorelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (29) parallel zur ersten optischen Achse (23) verschiebbar im Sensorelement (14) gehalten ist, um den Lichtaustritt (30) des Lichtwellenleiters im wesentlichen exakt im Brennpunkt des ersten optischen Mittels (19) zu fixieren.

13. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierte und durch das zweite optische Mittel (20) fokussierte Licht über einen Lichtwellenleiter (33) zu dem lichtempfindlichen Empfänger (18) geleitet wird.

14. Sensorelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (33) parallel zur zweiten optischen Achse (24) verschiebbar im Sensorelement (14) gehalten ist, um den Lichteintritt (34) des Lichtwellenleiters im wesentlichen exakt im Brennpunkt des zweiten optischen Mittels (20) zu fixieren.

15. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur optischen Hauptachse zumindest im Strahlengang zwischen der dritten Linsenanordnung sowie dem ersten und zweiten optischen Mittel eine Blende (47) zwischen Lichtausgang und Lichteingang angeordnet ist.

16. Sensorkopf (13) mit einer Vielzahl von Sensorelementen (14) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.

17. Optische Anordnung zum optischen Messen der Dicke wenigstens einer Schicht (11) eines ein- oder mehrschichtigen Gegenstands (12), deren gegenüberliegenden Seiten jeweils von einer zumindest teilweise reflektierenden Fläche (15, 16) begrenzt sind, mittels Spektralanalyse, welche Anordnung wenigstens eine Lichtquelle (27), die die Schicht (11) beleuchtet, und wenigstens einen lichtempfindlichen Empfänger (18) aufweist, der sowohl von dem an der einen als auch von dem an der gegenüberliegenden Seite der Schicht (11) zumindest teilweise reflektieren Licht der Lichtquelle belichtet wird, wobei im Strahlengang des reflektierten Lichts wenigstens ein Beugungsgitter (17) vorgesehen ist, um das reflektierte Licht vor dem lichtempfindlichen Empfänger (18) spektral aufzuteilen, und der lichtempfindliche Empfänger einen matrixförmigen Chip (40) mit einer Vielzahl von Zeilen (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108) mit jeweils einer Vielzahl von Pixeln (41) aufweist, und das Beugungsgitter so zu dem Chip angeordnet ist, daß die spektrale Zerlegung parallel zu den Zeilen (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108) erfolgt, so daß ein Ort der abgetasteten Schicht auf wenigstens eine Zeile des matrixförmigen Chips und die spektrale Zerlegung des an diesem Ort reflektierten Lichts auf die Pixel dieser Zeile abbildbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht diskret an wenigstens einem Punkt, insbesondere mehreren Punkten (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8), punktförmig beleuchtet wird, und daß ein Punkt (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) auf wenigstens eine Zeile (101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108) des matrixförmigen Chips abgebildet wird, auf deren Pixel die spektrale Zerlegung des an diesem Punkt reflektierten Lichts abgebildet wird.

18. Optische Anordnung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch wenigstens ein Sensorelement (14) und/oder einen Sensorkopf (13) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 16 zum Beleuchten der Schicht (11) und zum Belichten des lichtempfindlichen Empfängers (18).

19. Optische Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten optischen Mittel und der dritten Linsenanordnung wenigstens ein Filter, insbesondere Polarisationsfilter (45), und zwischen dem zweiten optischen Mittel und der dritten Linsenanordnung wenigstens ein entsprechendes Filter oder Analysator (46) angeordnet ist.

20. Optische Anordnung nach Anspruch 18 oder. 19, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Hauptachse (36) in einem von 90° abweichenden Winkel, insbesondere in einem Winkel von 85° bis 95°, zur Schicht verläuft.

21. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene der drei optischen Achsen (23, 24, 36) in einem von 90° abweichenden Winkel, insbesondere in einem Winkel von 85° bis 95°, zur Schicht verläuft.

22. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht Bestandteil eines kreisrunden Datenträgers, insbesondere einer DVD, ist, und daß die punktförmige Beleuchtung auf verschiedenen Radien des Datenträgers erfolgt.