DE102007023445A1 - Confocally imaging optical system for measuring instrument, has shading element designed as center screen that is formed by half nominal diameter of aperture, where shading element is designed as elliptical center screen - Google Patents

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Abstract

The system has a middle shaded optical lens around an optical-axis for fading out of caustic surface forming radiation. A shading element is provided for center shading, where the shading element is designed for a manipulation of the distribution of intensity in direction of the optical-axis. The shading element is superimposed on a lens surface, where the shading element is designed as circle-disk-shaped center screen that is formed by a half nominal diameter of the aperture. The shading element is designed as elliptical center screen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein konfokal bildgebendes optisches System und ferner auf eine Messanordnung zur Mittendickenmessung von optischen Medien mit stark variierender Dicke.The This invention relates to a confocal imaging optical system and further to a measuring device for measuring the center thickness of optical Media of widely varying thickness.

Bekanntermaßen wird in konfokalen optischen Systemen nur Licht aus einem eng um den Brennpunkt begrenzten Objektvolumen zum Empfänger geleitet. Eine Tiefendiskriminierung kann für Abstandsmessungen sowohl geometrisch als auch spektral erfolgen.As is known, In confocal optical systems, only light from a tight the focal point limited object volume passed to the receiver. Deep discrimination can be used for both distance measurements geometrically as well as spectrally.

Aus der Dissertation von H-J. Jordan: „Optische Mikrotopometrie und Rauheitsmessung an technischen Oberflächen", Diss. Uni Stuttgart, Inst. f. Techn. Optik, 11/1996 ist bekannt, dass die beugungsbegrenzte Auflösung in Richtung der optischen Achse (z-Auflösung) bei bekannten konfokalen Sensoren von der Halbwertsbreite des Konfokalsignals abhängt. Die Halbwertsbreite ist umgekehrt proportional zur numerischen Apertur und wird wesentlich größer bei Pinholes mit einem Durchmesser, der deutlich größer ist als das Beugungslimit.From the dissertation of HJ. Jordan: "Optical microtopometry and roughness measurement on technical surfaces", Diss. Uni Stuttgart, Inst. F. Techn. Optics, 11/1996 It is known that the diffraction-limited resolution in the direction of the optical axis (z-resolution) in known confocal sensors depends on the half-width of the confocal signal. The half width is inversely proportional to the numerical aperture and becomes much larger for pinholes with a diameter that is significantly larger than the diffraction limit.

Aber auch Abbildungsfehler, wie die sphärische Aberration, verwischen die fokale Intensitätsverteilung außer in lateraler Richtung auch in Richtung der optischen Achse und vergrößern somit die Halbwertsbreite.But also aberrations, such as the spherical aberration, blur the focal intensity distribution except in lateral Direction also in the direction of the optical axis and enlarge thus the half width.

Anhand eines deutlich verbreiterten Rückseitenreflex zeigt das auch die Veröffentlichung M. Kunkel, J. Schulze: „Mittendicke von Linsen berührungslos messen", Sonderdruck aus Photonik 6/2004 , in der ein chromatisch konfokaler optischer Messaufbau beschrieben wird, mit dem u. a. Schichtdicken transparenter Materialien und Mittendicken von Linsen durch Auswertung des Intensitätssignals von der Ober- und der Unterseite berührungslos gemessen werden können.On the basis of a significantly widened back reflex, this also shows the publication M. Kunkel, J. Schulze: "Measure center thickness of lenses without contact", special issue from Photonik 6/2004 in which a chromatic confocal optical measurement setup is described, with the inter alia, layer thicknesses of transparent materials and center thicknesses of lenses can be measured without contact by evaluating the intensity signal from the top and bottom.

Zum Ausgleich der sphärischen Aberration ist es auch bekannt, ein adaptives optisches Element, wie z. B. einen deformierbaren Spiegel im Strahlengang anzuordnen ( Y. Yasuno, T. F. Wiesendanger, A. K. Ruprecht, C. Pruss, H. J. Tiziani: „Aberration Correction in a confocal Microscope (METAMO)", Annual Report 2003/2004, ITO, Uni Stuttgart ). Von Nachteil ist der mit einem solchen adaptiven optischen Element verbundene relativ hohe apparative Aufwand.To compensate for the spherical aberration, it is also known, an adaptive optical element such. B. to arrange a deformable mirror in the beam path ( Y. Yasuno, TF Wiesendanger, AK Ruprecht, C. Pruss, HJ Tiziani: "Aberration Correction in a Confocal Microscope (METAMO)", Annual Report 2003/2004, ITO, University of Stuttgart ). A disadvantage is the relatively high expenditure on equipment associated with such an adaptive optical element.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Auflösung bei der konfokalen Abbildung in Richtung der optischen Achse mit geringem apparativen Aufwand zu erhöhen.task Therefore, the invention is the resolution at the confocal Illustration in the direction of the optical axis with low apparatus Increase effort.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch ein konfokal bildgebendes optisches System gelöst, das mindestens eine um die optische Achse mittenabgeschattete optische Linse zur Ausblendung kaustigbildender Strahlen enthält, um die Intensitätsverteilung in Richtung der optische Achse zu manipulieren.According to the Invention is the object by a confocal imaging optical System solved, the at least one centered around the optical axis contains optical lens for masking of curious rays, around the intensity distribution in the direction of the optical axis to manipulate.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass Mittenstrahlen, die vollständig zur Signalverwaschung, aber wenig zur Verringerung der Halbwertsbreite beitragen, ausgeblendet werden, wodurch sich mit optischen Systemen von einfacher Bauweise höhere Auflösungen erreichen lassen.Of the The basic idea of the invention is that the center rays, the completely to signal blurring, but little to the reduction contribute to the half-width, are hidden, resulting in with optical systems of simple construction higher resolutions achieve.

Es wurde gefunden, dass durch die Mittenabschattung auch der Einfluss der sphärischen Aberration auf die Tiefenschärfe bei konfokal messenden Systemen verringert werden kann, wobei es unerheblich ist, ob die abbildende Optik oder der Prüfling die Quelle dieser Aberration darstellt. Insbesondere lässt sich der Einfluss der z. B. von dicken Prüflingen verursachten sphärischen Aberration auf die Tiefenschärfe verringern. Deshalb ist die Erfindung besonders für konfokale Messmittel und insbesondere zur Messung von Prüflingen mit deutlich variierenden Dicken geeignet. Sie kann aber auch in der konfokalen Mikroskopie verwendet werden.It was found that by the Mitab shading also the influence the spherical aberration on the depth of field can be reduced in confocal measuring systems, where it is irrelevant whether the imaging optics or the test specimen the Represents the source of this aberration. In particular, lets the influence of z. B. caused by thick specimens reduce spherical aberration to the depth of field. Therefore, the invention is particularly for confocal measuring means and especially for the measurement of specimens with significant suitable for varying thicknesses. It can also be used in confocal microscopy be used.

Zur Mittenabschattung kann ein zur Manipulation der Intensitätsverteilung in Richtung der optischen Achse ausgebildetes Abschattungselement vorgesehen sein, wobei es vorteilhaft ist, wenn das Abschattungselement auf einer Linsenoberfläche aufgebracht ist.to Center shading can be used to manipulate the intensity distribution provided in the direction of the optical axis shading element be, where it is advantageous if the shading element on a lens surface is applied.

Das Abschattungselement kann unterschiedliche Formen und unterschiedliche Maße für den Grad der Mittenabschattung aufweisen.The Shading element can be different shapes and different Have degrees of center shading.

In einer ersten Ausgestaltung kann das Abschattungselement als kreisscheibenförmige Mittenblende und für eine Mittenabschattung von einem halben Nenndurchmesser der Apertur ausgebildet sein.In a first embodiment, the shading element as a circular disk-shaped Center shield and for a mid-shade of half Nominal diameter of the aperture may be formed.

In weiteren Ausgestaltungen kann das Abschattungselement als elliptische Mittenblende ausgebildet sein oder mindestens eine geradlinige Randbegrenzung aufweisen.In Further embodiments, the shading element as elliptical Be formed centering or at least a rectilinear edge boundary exhibit.

Von Bedeutung ist, dass die Form der Mittenblende, das Abschattungsverhältnis für die Mittenabschattung und der Zonenfehler aufeinander abgestimmt sind.From Meaning is that the shape of the center panel, the shading ratio for the center shading and the zone error on each other are coordinated.

Von Vorteil ist es auch, wenn in dem optischen System enthaltene optische Linsen eine Korrektur der sphärischen Aberration aufweisen, die ausschließlich auf einen Randzonenbereich der Linsen beschränkt ist.From It is also advantageous if contained in the optical system optical Lenses have a spherical aberration correction, exclusively on a peripheral zone of the lenses is limited.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Messanordnung zur Mittendickenmessung von optischen Medien mit stark variierender Dicke, die ein erfindungsgemäßes konfokal bildgebendes optisches System enthält.object The invention also relates to a measuring device for measuring the center thickness of optical media of widely varying thickness, which is an inventive confocal imaging optical system contains.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to the schematic drawing be explained. Show it:

1 ein zur strahlenoptischen Simulation verwendetes „ideales" optisches System

  • a) freie Apertur
  • b) mit einer Mittenabschattung, dessen Durchmesser die Hälfte der freien Öffnung in der Aperturebene beträgt
1 a "ideal" optical system used for beam-optical simulation
  • a) free aperture
  • b) with a center shading whose diameter is half the free aperture in the aperture plane

2 Konfokalsignale von der Prüflingsvorderseite für verschiedene numerische Aperturen

  • a) freie Apertur
  • b) mit einer Mittenabschattung, dessen Durchmesser die Hälfte der freien Öffnung in der Aperturebene beträgt
2 Confocal signals from the front of the test piece for different numerical apertures
  • a) free aperture
  • b) with a center shading whose diameter is half the free aperture in the aperture plane

3 Konfokalsignale von der Prüflingsrückseite für verschiedene numerische Aperturen

  • a) freie Apertur
  • b) mit einer Mittenabschattung, dessen Durchmesser die Hälfte der freien Öffnung in der Aperturebene beträgt
3 Confocal signals from the back of the test piece for different numerical apertures
  • a) free aperture
  • b) with a center shading whose diameter is half the free aperture in the aperture plane

4 die Abhängigkeit der Halbwertsbreite von der numerischen Apertur für ein optisches System gemäß 1 4 the dependence of the half width on the numerical aperture for an optical system according to 1

5 ein „ideales" optisches System, bestehend aus einer bikonkaven Linse

  • a) freie Apertur
  • b) mit einer Mittenabschattung, dessen Durchmesser die Hälfte der freien Öffnung in der Aperturebene beträgt
5 an "ideal" optical system consisting of a biconcave lens
  • a) free aperture
  • b) with a center shading whose diameter is half the free aperture in the aperture plane

6 das konfokale Messsignal eines optischen Systems, bestehend aus einer bikonkaven Linse gemäß 5

  • a) freie Apertur
  • b) mit einer Mittenabschattung, dessen Durchmesser die Hälfte der freien Öffnung in der Aperturebene beträgt
6 the confocal measurement signal of an optical system consisting of a biconcave lens according to 5
  • a) free aperture
  • b) with a center shading whose diameter is half the free aperture in the aperture plane

7 ein „ideales" optisches System, bestehend aus einem Achromatenpaar

  • a) freie Apertur
  • b) mit einer Mittenabschattung, dessen Durchmesser die Hälfte der freien Öffnung in der Aperturebene beträgt
7 an "ideal" optical system consisting of an achromatic pair
  • a) free aperture
  • b) with a center shading whose diameter is half the free aperture in the aperture plane

8 das Konfokalsignal eines optischen Systems, bestehend aus einem Achromatenpaar gemäß 7

  • a) freie Apertur
  • b) mit einer Mittenabschattung, dessen Durchmesser die Hälfte der freien Öffnung in der Aperturebene beträgt
8th the confocal signal of an optical system consisting of an achromatic pair according to 7
  • a) free aperture
  • b) with a center shading whose diameter is half the free aperture in the aperture plane

9 die Abhängigkeit der Halbwertsbreite von der numerischen Apertur für ein optisches System gemäß 7 9 the dependence of the half width on the numerical aperture for an optical system according to 7

Für ein optisches System gemäß 1a und 1b, bestehend aus einer flächigen Lichtquelle, einem flächigen Empfänger D = 50 μm (Multimode-Faserende) und zwei paraxialen optischen Elementen zur Erzeugung einer 1:1 Abbildung zeigt ein strahlenoptisch simuliertes konfokales Messsignal, wie es von der Vorder- und der Rückseite eines dicken optischen Mediums (30 mm dicke Silizium-Platte) erzeugt wird, Charakteristika für die Halbwertsbreite gemäß den 2a bis 3b.For an optical system according to 1a and 1b , consisting of a flat light source, a flat receiver D = 50 microns (multimode fiber end) and two paraxial optical elements to produce a 1: 1 figure shows a radiolucent simulated confocal signal, as seen from the front and the back of a thick optical Medium (30 mm thick silicon plate) is generated, characteristics for the half-width according to the 2a to 3b ,

Eine für dieses Ausführungsbeispiel gewählte fünfzigprozentige Mittenabschattung soll keine Einschränkung in Bezug auf die Erfindung darstellen. Vielmehr kann das Abschattungsverhältnis einer entsprechenden Aufgabenstellung angepasst werden, um den zu erzielenden Effekt zu verstärken.A chosen for this embodiment fifty percent center shading is not intended to be limiting in relation to the invention. Rather, the shading ratio be adapted to a corresponding task, in order to reinforce the effect achieved.

Die Halbwertsbreite des symmetrischen Messsignals an der Prüflingsvorderseite verringert sich bei einer freien Apertur, d. h. einer Apertur ohne Mittenabschattung, entsprechend dem grundlegenden konfokalen Zusammenhang zum Erreichen einer hohen Auflösung mit zunehmenden Aperturwerten und wird an der Prüflingsrückseite deutlich breiter als an der Prüflingsvorderseite.The Half-width of the symmetrical measurement signal at the front of the test piece decreases with a free aperture, i. H. an aperture without center shading, according to the basic confocal context to achieving a high resolution with increasing aperture values and becomes significantly wider at the back of the test piece as at the DUT front.

Während eine Mittenabschattung für die Prüflingsvorderseite nur einen geringfügigen Einfluss auf die Halbwertsbreite des Messsignals zeigt, verringert diese die Halbwertsbreite jedoch an der Prüflingsrückseite deutlich und symmetrisiert den Intensitätsverlauf insbesondere bei zunehmenden Aperturwerten.While a center shading for the Prüflingsvorderseite only a minor effect on the half width of the measuring signal, however, this reduces the full width at half maximum clear and symmetrized on the back of the test piece the intensity profile, especially with increasing aperture values.

Die Erfindung ist nicht nur zur Optimierung der Halbwertsbreite vorgesehen, sondern auch zur Verringerung der sphärischen Aberration eines konfokalen Messsystems.The Invention is not only intended to optimize the half-width, but also to reduce the spherical aberration a confocal measuring system.

Bei einfachen optischen Systemen entsprechend 5a und 5b mit flächiger Lichtquelle und flächigem Empfänger (Multimode-Faserende, D = 50 μm), einer bikonkaven Linse, welche eine 1:1 Abbildung erzeugt und einer Mittenabschattung von einem halben Nenndurchmesser der Apertur (5b) zeigt sich eine starke Störung des Messsignals bereits schon für niedrige Aperturwerte. Die Kurven werden bei zunehmender Apertur breiter und das Intensitätsmaximum verkleinert sich. Eine Mittenabschattung verbessert das Messsignal nicht signifikant.Corresponding to simple optical systems 5a and 5b with flat light source and flat receiver (multimode fiber end, D = 50 μm), a biconcave lens which produces a 1: 1 image and a center shading of half the nominal diameter of the aperture ( 5b ) shows a strong interference of the measurement signal already for low aperture values. The curves become wider with increasing aperture and the intensity maximum decreases. A center shading does not significantly improve the measurement signal kant.

Anders dagegen verhalten sich optisch korrigierte Systeme, wie z. B. ein Achromatenpaar entsprechend 7a und 7b.In contrast, optically corrected systems behave differently, such as. B. an achromatic pair accordingly 7a and 7b ,

9 verdeutlicht, dass durch eine Mittenabschattung eine signifikante Verringerung der Halbwertsbreite erfolgt. Es hat sich gezeigt, dass die konfokale Tiefendiskriminierung im Wesentlichen von den außen im Bündel liegenden Strahlen getragen wird, so dass es vorteilhaft ist, eine Ausblendung achsnaher, kaustigbildender Strahlen vorzunehmen. 9 makes it clear that a central shading results in a significant reduction in the half-width. It has been found that the confocal depth discrimination is essentially carried by the rays lying on the outside of the bundle, so that it is advantageous to perform a masking of near-axis, curly-forming rays.

Das in den Ausführungsbeispielen (1b, 5b und 7b) als kreisförmige Mittenblende verwendete Abschattungselement kann alternativ auch andere Formen annehmen und z. B. als elliptische Blende ausgebildet sein oder auch gerade Blendenbegrenzungen für besondere Vorzugsrichtungen aufweisen. Vorteilhaft ist es, wenn die am meisten fehlerbehafteten Strahlen, sofern sie nicht den Hauptteil der Information tragen, ausgeblendet werden. Ziel ist es, dass Zonenfehler und Abschattung vorteilhaft aufeinander abgestimmt sind. Beste Ergebnisse durch eine Mittenabschattung können insbesondere bei einer höheren Anzahl optischer Elemente erreicht werden.That in the embodiments ( 1b . 5b and 7b ) used as a circular center panel shading element may alternatively take other forms and z. B. may be formed as an elliptical aperture or also have straight aperture limits for particular preferred directions. It is advantageous if the most erroneous rays, if they do not carry the bulk of the information, are hidden. The aim is that zone errors and shading are advantageously coordinated. Best results through a center shading can be achieved in particular with a higher number of optical elements.

In einer bevorzugten Ausführung wird auf der optischen Achse eine kreisscheibenförmige Blende angeordnet, so dass die Linsen- oder Objektivmitte abgeschattet wird. Alternativ kann die Blende auch auf eine Linsenoberfläche aufgeklebt sein.In A preferred embodiment is on the optical axis a circular disc-shaped aperture arranged so that the Shaded lens or lens center. Alternatively, the Aperture also be glued to a lens surface.

Zur Anwendung kommen kann auch ein für konfokale Sensoren ausgebildetes Linsendoublett oder eine Asphäre, bei denen die sphärische Aberration nur und besonders in der Randzone korrigiert ist.to Application can also come a trained for confocal sensors Lens doublet or an asphere in which the spherical Aberration is corrected only and especially in the marginal zone.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, für die Messung dicker Platten die sphärische Aberration für die halbe Plattendicke vorzuhalten.A Another embodiment provides for the measurement thick plates the spherical aberration for the half plate thickness vorzuhalten.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - H-J. Jordan: „Optische Mikrotopometrie und Rauheitsmessung an technischen Oberflächen", Diss. Uni Stuttgart, Inst. f. Techn. Optik, 11/1996 [0003] - HJ. Jordan: "Optical Microtopometry and Surface Roughness Measurement on Technical Surfaces", Diss. Uni Stuttgart, Inst. Of Techn. Optics, 11/1996 [0003]
  • - M. Kunkel, J. Schulze: „Mittendicke von Linsen berührungslos messen", Sonderdruck aus Photonik 6/2004 [0005] - M. Kunkel, J. Schulze: "Measure center thickness of lenses without contact", special issue from Photonik 6/2004 [0005]
  • - Y. Yasuno, T. F. Wiesendanger, A. K. Ruprecht, C. Pruss, H. J. Tiziani: „Aberration Correction in a confocal Microscope (METAMO)", Annual Report 2003/2004, ITO, Uni Stuttgart [0006] - Y. Yasuno, TF Wiesendanger, AK Ruprecht, C. Pruss, HJ Tiziani: "Aberration Correction in a Confocal Microscope (METAMO)", Annual Report 2003/2004, ITO, University of Stuttgart [0006]

Claims (10)

Konfokal bildgebendes optisches System, das mindestens eine um die optische Achse mittenabgeschattete optische Linse zur Ausblendung kaustigbildender Strahlen enthält.Confocal imaging optical system that at least a centered by the optical axis optical lens for Suppression of causticizing rays contains. Optisches System, nach Anspruch 1, bei dem zur Mittenabschattung ein zur Manipulation der Intensitätsverteilung in Richtung der optischen Achse ausgebildetes Abschattungselement vorgesehen ist.An optical system according to claim 1, wherein the center shading a for manipulating the intensity distribution in the direction provided the optical axis trained shading element is. Optisches System, nach Anspruch 2, bei dem das Abschattungselement auf einer Linsenoberfläche aufgebracht ist.An optical system according to claim 2, wherein the shading element is applied to a lens surface. Optisches System, nach Anspruch 3, bei dem das Abschattungselement als kreisscheibenförmige Mittenblende ausgebildet ist.An optical system according to claim 3, wherein the shading element is designed as a circular disk-shaped center panel. Optisches System, nach Anspruch 4, bei dem die Mittenblende für eine Mittenabschattung von einem halben Nenndurchmesser der Apertur ausgebildet ist.An optical system according to claim 4, wherein the center panel for a center shading of half the nominal diameter the aperture is formed. Optisches System, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Abschattungselement als elliptische Mittenblende ausgebildet ist.Optical system according to one of claims 1 to 3, in which the shading element as elliptical center panel is trained. Optisches System, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Abschattungselement mindestens eine geradlinige Randbegrenzung aufweist.Optical system according to one of claims 1 to 3, wherein the shading element at least one rectilinear Has edge boundary. Optisches System, nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Form der Mittenblende, das Abschattungsverhältnis für die Mittenabschattung und der Zonenfehler aufeinander abgestimmt sind.Optical system according to one of claims 1 to 3, in which the shape of the center panel, the shading ratio for the center shading and the zone error on each other are coordinated. Optisches System, nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem enthaltene optische Linsen eine Korrektur der sphärischen Aberration aufweisen, die ausschließlich auf einen Randzonenbereich der Linsen beschränkt ist.Optical system according to one of claims 1 to 8, in the included optical lenses, a correction of the spherical Aberration, which is limited to a peripheral area the lenses is limited. Messanordnung zur Mittendickenmessung von optischen Medien mit stark variierender Dicke, enthaltend ein konfokal bildgebendes optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Measuring arrangement for center thickness measurement of optical Media of widely varying thickness containing a confocal imaging Optical system according to one of claims 1 to 9.
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