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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Sensorobjektiv am Ausgang eines Messzweigs
einer Messsonde einer interferometrischen Messeinrichtung zum Erfassen der
Form, der Rauheit oder des Abstandes der Oberfläche eines Messobjektes, wobei
die interferometrische Messeinrichtung ein Modulationsinterferometer umfasst
und die Messsonde mittels einer Lichtleitfaseranordnung mit dem
Modulationsinterferometer optisch verbunden ist und wobei das Sensorobjektiv ein
Fokussierelement und ein nachgeschaltetes Ablenkelement zum Auskoppeln
und wieder Einkoppeln eines zu der zu vermessenden Oberfläche gerichteten
und von dieser reflektierten Messstrahls aufweist.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen Sensorobjektivs.
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Eine
interferometrische Messeinrichtung der oben genannten Art ist in
der
DE 198 19 762
A1 beschrieben. Die interferometrische Messeinrichtung umfasst
ein Modulationsinterferometer, das eine räumlich kohärente Strahlungsquelle und
einen ersten Strahlteiler zum Aufteilen von deren Strahlung in zwei
Teilstrahlen aufweist, von denen der eine gegenüber dem anderen mittels einer
Modulationseinrichtung in seiner Licht-Phase oder Licht-Frequenz verschoben
ist und die anschließend
vereinigt sind. Sie umfasst weiterhin eine Messsonde, in der die
vereinigten Teilstrahlen in einen durch einen Messzweig geführten und
an der Oberfläche
reflektierten Messstrahl sowie einen durch einen Referenzzweig geführten und
darin reflektierten Referenzstrahl aufgeteilt werden und in der
der reflektierte Messstrahl mit dem reflektierten Referenzstrahl überlagert
wird sowie eine geeignete Empfängereinheit.
Das als Baueinheit aufgebaute Modulationsinterferometer ist von der
Messsonde räumlich
getrennt und über
eine Lichtleitfaseranordnung mit dieser koppelbar. Der Messzweig
und der Referenzzweig sind durch den Messstrahl und den Referenzstrahl
leitende Festkörper
gebildet.
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Am
Eingang der Messsonde ist eine Kollimatoreinrichtung und am Ausgang
des Messzweiges ist eine Fokussiereinrichtung und ein dieser nachgeschaltetes
Ablenkelement zum Auskoppeln und wieder Einkoppeln des zu der zu
vermessenden Oberfläche
gerichteten und von dieser reflektierten Messstrahls beschrieben.
Es ist weiterhin beschrieben, dass der Messzweig mindestens ein
weiteres Ablenkelement aufweist, mit dem der in dem Messzweig geführte Messstrahl
aufgespaltet und auf eine weitere Stelle der zu vermessenden Oberfläche gerichtet und
der von dieser reflektierte Messstrahl wieder in den Messzweig eingekoppelt
wird.
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Messsonden
der beschriebenen Art werden heute aus einer geklebten Kombination
aus der angeschlossenen Lichtleitfaser, eventuell einem Spacer,
einer Gradienten-Index-Linse (GRIN-Linse) und einem oder mehreren
Prismen hergestellt. Es werden Messsonden mit einem oder mehreren
Messausgängen
verwendet, wobei die Messausgänge durch
die Richtung, in welcher die Messstrahlung die Messsonde verlässt, gekennzeichnet
sind. Typisch sind Austrittswinkel von 90° oder 45°, es werden kundenspezifisch
jedoch auch Messsonden mit anderen Austrittswinkeln angeboten. Der
Ablenkwinkel wird durch die Winkel der verwendeten Prismen festgelegt.
Kleine Winkeländerungen
können
durch verkipptes Verkleben der Prismen erreicht werden.
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Nachteilig
bei diesem Aufbau ist, dass entsprechend dem gewünschten Austrittswinkel geeignete
Prismen vorliegen müssen.
Sollen von den Standard-Ablenkwinkeln abweichende Austrittswinkel
realisiert werden, so sind die dafür notwendigen Prismen gesondert
herzustellen, was zu hohen Kosten und langen Fertigungszeiten führt. Eine
geringe Variation des Austrittswinkels ist, wie beschrieben, durch
verkipptes Verkleben der Prismen zu erreichen. Der Prozess dazu
ist wegen der Schrumpfung des verwendeten Klebstoffes schwer zu
beherrschen und führt
zu hohen Ausschussraten.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Sensorobjektiv der eingangs erwähnten Art
bereitzustellen, welches die genannten Nachteile vermeidet und mit einer
lagerhaltungsfähigen
Auswahl von optischen Bauelementen eine große Auswahl an herstellbaren Ablenkwinkeln
ermöglicht.
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Es
ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein zur Herstellung des Sensorobjektivs
geeignetes Verfahren bereitzustellen.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass das Ablenkelement
aus mindestens zwei optischen Bauelementen mit jeweils einer gemeinsamen
Grenzfläche
besteht, wobei der Ablenkwinkel des zumindest einen zu einer Systemlängsachse
abgelenkten Strahls durch gegenseitiges Verschieben und/oder Verdrehen
der optischen Bauelemente bei der Montage einstellbar ist. Das gegenseitige
Verschieben beziehungsweise das Verdrehen der optischen Bauelemente
erfolgt an der oder den gemeinsamen Grenzflächen. Mit einer geringen Anzahl
aufeinander abgestimmter optischer Bauelemente können somit beliebige Ablenkwinkel
für den
Strahl eingestellt werden. Dies führt, da keine kundenspezifischen
Bauteile gefertigt werden müssen,
zu einer deutlichen Reduzierung der Herstellkosten sowie zu wesentlich
verkürzten
Herstell- und somit Lieferzeiten. Da beim Verkleben der Bauteile
nach der Justage die Grenzflächen
der optischen Bauelemente ohne keiligen Spalt aneinander gefügt werden,
entfällt
der nachteilige Einfluss einer nicht reproduzierbaren Kleberschrumpfung.
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Dadurch,
dass die Strahlablenkung durch gegenüber der Systemachse in ihrer
Ausrichtung einstellbare reflektierende und/oder lichtbrechende Grenzflächen und
Austrittsflächen
der optischen Bauelemente vorgebbar ist, können nahezu alle praktisch
sinnvollen Ablenkwinkel für
den Strahl eingestellt werden. Dabei werden über lichtbrechende Grenz- und
Austrittsflächen
kleinere Ablenkwinkel des Strahls gegenüber der Systemachse realisiert, während mit
reflektierenden oder teilreflektierenden Grenz- und Austrittsflächen große Ablenkwinkel
erreichbar sind.
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Unterschiedliche
Einstellmöglichkeiten
für die
Strahlablenkung ergeben sich dadurch, dass die Grenzflächen eben
und/oder zylindrisch und/oder sphärisch ausgeführt sind.
Dabei sind ebene Grenzflächen
besonders einfach zu fertigen. Sie ermöglichen die Einstellung des
Ablenkwinkels durch gegenseitiges Verdrehen der optischen Bauelemente,
bevorzugt um deren Mittenachse. Es kann sowohl der Ablenkwinkel
gegenüber
der Systemachse als auch die radiale Abstrahlrichtung eingestellt
werden. Zylindrische Grenzflächen
ermöglichen
durch Rotation zumindest eines optischen Bauelementes um die Zylinderachse
die Einstellung des Ablenkwinkels, wobei die radiale Abstrahlrichtung
auf eine Ebene senkrecht zur Zylinderachse vorgegeben ist. Sphärische Grenzflächen ermöglichen,
abhängig
von der Ausführung
der optischen Bauelemente, die Einstellung des Ablenkwinkels und
der radialen Abstrahlrichtung des Strahls sowohl durch gegenseitiges
Verdrehen wie durch gegenseitiges Verschieben um den Mittelpunkt
der Sphäre.
Sphärische
Grenzflächen
sind aufwändig
zu fertigen, ermöglichen
jedoch durch die selbstzentrierende Wirkung der Sphäre eine
einfache und genaue Einstellung des Ablenkwinkels.
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Eine
geringe Anzahl benötigter
optische Bauelemente zur Realisierung des Ablenkelementes lässt sich
dadurch erreichen, dass das Fokussierelement Teil des Ablenkelements
ist. Dazu ist die Grenzfläche
zwischen dem Fokussierelement und dem anschließenden optischen Bauelement
so auszulegen, dass ein Verschieben beziehungsweise Verdrehen des
optischen Bauelementes in der gemeinsamen Grenzfläche zu einer Änderung
der Ausrichtung einer weiteren Grenzfläche beziehungsweise Austrittsfläche des
optischen Bauelementes, an der die Richtungsänderung des Strahls erfolgt,
führt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist das Fokussierelement
als Gradientenindex-Linse
(GRIN-Linse) ausgeführt
ist. Die GRIN-Linse ermöglicht
eine gute Fokussierung des Strahls auf die Oberfläche des
Messobjektes. Dabei erfolgt die Fokussierung des Strahls innerhalb
der GRIN-Linse und
nicht durch deren Oberflächengeometrie,
so dass die Grenzfläche
zu dem anschließenden
optischen Bauelement weitestgehend frei gewählt werden kann und keine Brechzahländerung
an der Grenzfläche
benötigt
wird.
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Eine
besonders vielseitige und kostengünstig herstellbare Ausführung des
Ablenkelementes lässt
sich dadurch erreichen, dass das Ablenkelement aus keilförmigen optischen
Bauelementen mit ebenen Grenzflächen
aufgebaut ist. Bei gleicher und vorgegebener Brechzahl der keilförmigen optischen Bauelemente
ist der Ablenkwinkel des Strahls durch die Ausrichtung der Austrittsfläche definiert.
Der Winkel zwischen der Systemachse und der Flächennormalen der Austrittsfläche kann
bei gleichen keilförmigen
optischen Bauelementen durch gegenseitiges Verdrehen zwischen 0°, also keiner
Ablenkung, und maximal dem doppelten Öffnungswinkel eines Keils eingestellt
werden. Die Kombination eignet sich zum Einstellen kleinerer Ablenkwinkel.
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Nachdem
der Ablenkwinkel auf den gewünschten
Wert eingestellt ist, muss das Ablenkelement entsprechend fixiert
werden. Dazu sind bevorzugt das Fokussierelement und/oder die optischen Bauelemente
des Ablenkelements miteinander verklebt.
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Die
das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass
zur Einstellung des Ablenkwinkels die optischen Bauelemente des Ablenkelements
gegeneinander verschoben und/oder verdreht werden, wobei der Ablenkwinkel messtechnisch überwacht
wird, und dass nach Erreichen des gewünschten Ablenkwinkels die optischen Bauelemente
fixiert werden. Dabei ermöglicht
eine jeweilige Kombination optischer Bauelemente einen bestimmten
Einstellbereich des Ablenkwinkels. Durch die messtechnische Überwachung
des Ablenkwinkels bei der Justage kann der gewünschte Ablenkwinkel in der
vorgegebenen Toleranz eingestellt werden. Fertigungstoleranzen der
verwendeten optischen Bauelemente, wie beispielsweise Winkeltoleranzen
in Umlenkprismen, werden ausgeglichen, so dass größere Fertigungstoleranzen
für die
optischen Bauelemente zugelassen werden können. Durch die Fixierung der
optischen Bauelemente bleibt der eingestellte Ablenkwinkel dauerhaft
erhalten.
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Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Sensorobjektiv mit einem keilförmigen
Ablenkelement,
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2 ein
Sensorobjektiv mit einem linsenförmigen
Ablenkelement,
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3 ein
Sensorobjektiv mit einem prismenförmigen Ablenkelement mit großem Ablenkwinkel,
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4 ein
Sensorobjektiv mit einem Ablenkelement mit zwei Ausgangsstrahlen.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
ein Sensorobjektiv 1 einer interferometrischen Messeinrichtung
mit einem Fokussierelement 40 und einem damit verbundenen
Ablenkelement 10. Das Fokussierelement 40 ist
als Gradientenindex-Linse (GRIN) ausgeführt. Das Ablenkelement 10 ist
aus einem an einer Grenzfläche 20 an
das Fokussierelement 40 grenzenden ersten keilförmigen Bauelement 13 und
einem zweiten keilförmigen
Bauelement 11, das an einer ebenen Grenzfläche 21 an
das erste keilförmige
Bauelement 13 angrenzt, zusammengesetzt. In dieser Position des
zweiten keilförmigen
Bauelements 11 tritt ein parallel zu einer Systemlängsachse 30 einfallender
Eingangsstrahl 33 an einer zur Systemlängsachse 30 senkrechten
Austrittsfläche 23 aus
dem Ablenkelement 10 aus und wird als unabgelenkter Strahl 31 weitergeführt. Die
Strahlung wird von einer an einem Fokuspunkt 35 des unabgelenkten
Strahls 31 angeordneten Oberfläche eines Messobjekts reflektiert und
entlang einem umgekehrten Strahlweg im Sensorobjektiv 1 einer
Auswerteeinheit der nicht dargestellten interferometrischen Messeinrichtung
zugeführt.
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Eine
Veränderung
des Ablenkwinkels vom unabgelenkten Strahl 31 zu einem
abgelenkten Strahl 32 wird erreicht, indem das zweite keilförmige Bauelement 11 in
einer Ablenkposition 12 montiert wird. Die Austrittsfläche 23 hat
in dieser Position einen von der Senkrechten abweichenden Winkel
zur Systemachse 30, so dass die Strahlung bei dem Übergang
von einem optisch dichten in ein dünneres Medium von der Systemachse 30 weg
gebrochen wird. Der Ablenkwinkel kann dabei durch Drehung des zweiten
keilförmigen
optischen Bauelements 11 um die Systemlängsachse 30 stufenlos
vom unabgelenkten Strahl 31 bis zum Ablenkwinkel des abgelenkten
Strahls 32 vergrößert werden.
In dieser Ablenkposition 12 des zweiten keilförmigen Bauelements 11 wird
die Strahlung auf eine Oberfläche
eines an einem Fokuspunkt 36 angeordneten Messobjekts fokussiert
und von dort reflektiert.
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2 zeigt
ein Sensorobjektiv 1 mit einem Fokussierelement 40 und
einer damit an der Grenzfläche 21 verbundenen
unverschobenen Linse 14. In dieser Position der 14 tritt
der parallel zur Systemachse 30 eintretende Eingangsstrahl 33 an
der senkrecht zur Systemlängsachse 30 ausgerichteten
Austrittsfläche 23 aus
dem Ablenkelement 10 aus und wird als unabgelenkter Strahl 31 zum
Fokuspunkt 35 weitergeführt.
Die Grenzfläche 21 ist
als Zylinderoberfläche
oder als Kugelabschnitt ausgeführt
und somit ein Teil des Ablenkelements 10, der in das Fokussierelement 40 integriert
ist. Durch die gekrümmte
Grenzfläche 21 kann
die Linse 14 auch als eine verschobene Linse 15 montiert
sein. In dieser Position wird der Eingangsstrahl 33 an
der gegen die Systemachse gekippten Austrittsfläche 23 gebrochen und
als abgelenkter Strahl 32 zum Fokuspunkt 36 geführt. Die
Linse 14 kann in einer erweiterten Ausführungsform als GRIN-Linse ausgeführt sein.
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In 3 ist
ein Sensorobjektiv für
große
Anlenkwinkel dargestellt. In einer Ausgangsposition eines Umlenkprismas 16 wird
der Eingangsstrahl 33 nach Durchgang durch eine sphärische oder
zylindrische Grenzfläche 21 an
einer Reflexionsfläche 25 reflektiert
und verlässt
unter einem gegen die Systemlängsachse 30 großen Winkel
als Strahl 31 durch die Austrittsfläche 23 das Sensorobjektiv 1.
In der Position als verschobenes Umlenkprisma 17 wird der
Ablenkwinkel gegenüber
der Systemlängsachse 30 vergrößert, so
dass der Eingangsstrahl 33 das Sensorobjektiv 1 als
abgelenkter Strahl 32 verlässt. Auch bei dieser Anordnung
wird die Strahlung von dem zu vermessenden Objekt reflektiert und
auf dem Strahlungsweg zurück
in die interferometrische Messeinrichtung geführt.
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4 zeigt
ein Sensorobjektiv 1 mit zwei unter unterschiedlichen Winkeln
austretenden Ausgangsstrahlen. Das Ablenkelement 10 besteht
hier aus der gekrümmten
Grenzfläche 21 des
Fokussierelements 40, einem ersten Umlenkprisma 19 und
einem zweiten Umlenkprisma 18. Der Eingangsstrahl 33 durchtritt
die sphärische
oder zylindrischen Grenzfläche 21 in
das erste Umlenkprisma 19 und trifft auf eine Grenzfläche 22.
Diese Grenzfläche 22 ist
teilreflektierend, so dass ein Teil der Strahlung in das zweite
Umlenkprisma 18 übertritt
und ein anderer Teil reflektiert wird und als abgelenkter Strahl 34 die Anordnung
verlässt.
Der in das zweite Umlenkprisma 18 eingetretene Strahlungsanteil
wird an einer Reflexionsfläche 26 reflektiert
und verlässt
das zweite Umlenkprisma 18 als abgelenkter Strahl 32 unter
einem großen
Winkel zur Systemlängsachse 30.
Durch Verdrehung des ersten Umlenkprismas 19 gegenüber dem
Fokussierelement 40 entlang der Grenzfläche 21 lässt sich
der Austrittswinkel des abgelenkten Strahls 34 relativ
zur Systemachse 30 einstellen. Durch Verdrehung des zweiten
Umlenkprismas 18 gegenüber
dem ersten Umlenkprisma 19 entlang der Grenzfläche 22 lässt sich
der Austrittswinkel des abgelenkten Strahls 34 relativ
zur Systemachse 30 einstellen. Mit dieser Anordnung kann
daher auch der Winkel zwischen den beiden abgelenkten Strahlen 32, 34 eingestellt
werden.