DE10026894A1 - Optische Anordnung und Sensorelement zum optischen Messen der Dicke einer Schicht - Google Patents
Optische Anordnung und Sensorelement zum optischen Messen der Dicke einer SchichtInfo
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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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000126894 DE10026894A1 (de) | 2000-05-31 | 2000-05-31 | Optische Anordnung und Sensorelement zum optischen Messen der Dicke einer Schicht |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE2000126894 DE10026894A1 (de) | 2000-05-31 | 2000-05-31 | Optische Anordnung und Sensorelement zum optischen Messen der Dicke einer Schicht |
Publications (1)
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DE10026894A1 true DE10026894A1 (de) | 2001-12-13 |
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ID=7644172
Family Applications (1)
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DE2000126894 Ceased DE10026894A1 (de) | 2000-05-31 | 2000-05-31 | Optische Anordnung und Sensorelement zum optischen Messen der Dicke einer Schicht |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10026894A1 (de) |
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- 2000-05-31 DE DE2000126894 patent/DE10026894A1/de not_active Ceased
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