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Die Erfindung betrifft eine Messoptik für den infraroten Spektralbereich. Dabei wird unter einer Messoptik im Folgenden eine Optik verstanden, die ein Objekt im Endlichen, d. h. in der Nähe des Beobachtungssystems, beobachtet.
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Es sind eine Vielzahl von Optiken, insbesondere im infraroten Spektralbereich, bekannt, die ein Objekt aus dem Unendlichen scharf abbilden. Gelegentlich stellt sich jedoch die Aufgabe, ein Objekt im Endlichen zu beobachten und insbesondere zu vermessen.
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Aus der
DE 42 34 721 A1 sind Dreilinsenobjektive für den infraroten Spektralbereich mit Linsen aus infrarotdurchlässigen Materialien bekannt, die insbesondere bei Infrarotsuchern Anwendung finden können.
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Die
US 4 109 995 A offenbart mehrere Linsentriplets mit asphärischen Oberflächen, bei welchen jeweils eine Blende innerhalb des Linsentriplets vorgesehen ist.
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Die
US 2006/0028713 A1 zeigt eine Optik für den infraroten Spektralbereich, welcher nach zwei objektseitigen Linsen eine Relais-Optik bestehend aus drei Linsen nachgeordnet ist. Als Linsenmaterial wird Silizium und Kalziumfluorid verwendet.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Messoptik für den infraroten Spektralbereich anzugeben, die eine möglichst präzise quantitative Erfassung der geometrischen Eigenschaften eines Objekts erlaubt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Messoptik für den infraroten Spektralbereich zur Beobachtung eines Objekts im Endlichen mit einer objektseitigen ersten Linse, mit einer bildseitigen zweiten Linse und mit einer zwischen der ersten und der zweiten Linse angeordneten dritten Linse, wobei
- a. die erste und die zweite Linse jeweils positive Linsen sind,
- b. die dritte Linse eine negative Linse mit wenigstens einer asphärischen Außenfläche ist,
- c. das Material der dritten Linse gegenüber dem Material der ersten Linse eine höhere Dispersion aufweist,
- d. die erste Linse zur Erzielung eines objektseitig telezentrischen Hauptstrahlengangs derart ausgestaltet ist, dass eine Austrittspupille in der Brennebene der Messoptik liegt.
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Dabei wird ohne Einschränkung der Form der Außenflächen unter einer positiven Linse eine Sammellinse und unter einer negativen Linse eine Streulinse verstanden.
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Zur Bereitstellung einer Messoptik zur quantitativen Erfassung der geometrischen Eigenschaften eines zu untersuchenden Objekts wird üblicherweise von einer Optik ausgegangen, die für die Abbildung unendlich entfernter Objekte optimiert ist. Eine derartige Optik wird entsprechend der bisherigen Gepflogenheit um eine Vorsatz- oder Zwischenoptik ergänzt, um so die Abbildung eines endlich entfernten Objekts zu realisieren.
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Von diesem Grundprinzip löst sich in überraschender Weise die Erfindung, indem sie eine Optik angibt, die speziell für die Abbildung eines Objekts im Endlichen entwickelt ist. Die angegebene Messoptik ist insofern im Vergleich zu einer üblichen Messoptik im infraroten Spektralbereich durch den Einsatz von lediglich drei Linsen wesentlich einfacher aufgebaut.
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Durch die erste, dem Objekt zugewandte Linse, die als eine Sammellinse ausgestaltet ist, und deren Material eine geringere Dispersion aufweist als das Material der nachgeschalteten dritten Linse, lässt sich ein relativ großer Arbeitsabstand zu dem zu untersuchenden Objekt einstellen. Dieses muss gewährleistet sein, da es bei Messaufgaben nicht immer möglich ist, sehr dicht an das zu vermessende Objekt heranzukommen. Über die erste Linse wird es möglich, den Arbeitsabstand auf ein Mehrfaches der Objektgröße einzustellen.
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Weiter dient die erste Linse als eine Sammellinse dazu, eine Telezentrizität der Abbildung zu erreichen. Die erste Linse trägt wesentlich dazu bei, für das Gesamtsystem zu erreichen, dass die Hauptstrahlen für alle Objektpunkte parallel zur optischen Achse verlaufen. Diese Eigenschaft führt dazu, dass alle Objektdetails, die vor oder hinter der eigentlichen Objektebene liegen, zwar nicht unbedingt scharf, aber mit dem gleichen Abbildungsmaßstab abgebildet werden. In der Regel hängt nämlich der Abbildungsmaßstab einer Optik vom Abstand des Objekts zur Optik ab. Eine solche Abhängigkeit wird problematisch, wenn ein Objekt mit einer gewissen Tiefenausdehnung vermessen werden soll. Dabei würde dann beispielsweise der Grund einer Bohrung mit einem anderen Abbildungsmaßstab abgebildet als deren oberer Rand.
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Die erste Linse ist zur Erzielung eines objektseitig telezentrischen Hauptstrahlengangs derart ausgestaltet, dass die Austrittspupille in der Brennebene der Messoptik liegt. Bei Telezentrie kann nämlich der Bereich der Abbildungs- und Schärfentiefe ohne Messfehler voll ausgenutzt werden.
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Die Funktion der ersten Linse ist insofern zusammengefasst im Wesentlichen die Gewährleistung einer Telezentrizität der Messoptik und das Erreichen eines relativ großen Arbeitsabstandes.
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Die zweite Linse, die ebenfalls als eine Sammellinse ausgebildet ist, dient hauptsächlich dazu, die Abbildung des erfassten und zu vermessenden Objekts in einer Bildebene zu realisieren. In der Bildebene kann dann beispielsweise ein Detektor platziert werden, der ein maßstabsgetreues Abbild des Objekts aufzeichnet.
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Die dritte als Streulinse ausgestaltete Linse ist aus einem Material gefertigt, welches gegenüber dem Material der ersten Linse eine höhere Dispersion aufweist. Durch diese Ausgestaltung wird es möglich, chromatische Fehler, die durch das Material der ersten Linse trotz geringerer Dispersion auftreten, zu kompensieren. Des Weiteren führen Öffnungsfehler der ersten Linse dazu, dass der Abbildungsmaßstab in der Abbildungsebene nicht konstant, sondern eine Funktion des Ortes ist. Dies führt beispielsweise dazu, dass gerade Linien eines untersuchten Objekts in der Abbildungsebene gekrümmt erscheinen. Für eine quantitative Auswertung des untersuchten Objekts wird es aber notwendig, solche Abbildungsfehler möglichst gering zu halten. Dies wird dadurch erreicht, dass die dritte Linse wenigstens eine asphärische Außenfläche aufweist. Durch die asphärische Ausgestaltung einer der Außenflächen der dritten Linse kann die Verzeichnung des abgebildeten Objekts verringert werden. Die durch die erste Linse entstandenen Öffnungsfehler werden hierdurch eliminiert.
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Als Materialien für die eingesetzten Linsen sind im Rahmen der Erfindung solche Materialien auszuwählen, die eine hohe Transmission für den infraroten Spektralbereich zeigen. Beispielsweise kann als Material für die Linsen der Messoptik Silizium oder Germanium eingesetzt sein.
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Vorteilhafterweise wird hierbei als Material der dritten Linse ein Material eingesetzt, welches gegenüber dem Material der ersten Linse einen geringeren Brechungsindex aufweist. Ein geringerer Brechungsindex erlaubt hierbei die Verwendung des eingesetzten Materials ohne eine aufwändige, zusätzliche Antireflexionsbeschichtung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Messoptik ist das Material der ersten und der zweiten Linse Silizium und das Material der dritten Linse Kalziumfluorid. Silizium ist hierbei besonders gut für eine Anwendung im mittleren infraroten Spektralbereich, d. h. zwischen drei und fünf Mikrometer, geeignet. Es weist in diesem Spektralbereich eine hohe Transmission, einen sehr hohen Brechungsindex und eine sehr geringe Dispersion auf. Über das Material Kalziumfluorid der dritten Linse wird es möglich, die Abbildungsfehler, insbesondere die trotz geringer Dispersion in der ersten Linse endstehenden Farbfehler zu korrigieren. Denn Kalziumfluorid weist eine hohe Dispersion im mittleren infraroten Spektralbereich auf und hat einen sehr kleinen Brechungsindex. Zudem kann Kalziumfluorid durch Diamantdrehen bearbeitet werden, so dass die asphärische Gestaltung einer der Außenflächen der dritten Linse verhältnismäßig leicht möglich ist.
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Werter ist der zweiten Linse zweckmäßigerweise bildseitig eine Kaltblende nachgeschaltet. Eine solche Kaltblende wird auf einer niedrigen Temperatur gehalten, um thermisch verursachte Streulichtanteile, die zu einer Verfälschung der Abbildung führen, zu verhindern. Wird die Messoptik so ausgelegt, dass die der zweiten Linse nachgeschaltete Kaltblende mit der Austrittspupille des Systems zusammenfällt, so werden definierte radiometrische Verhältnisse geschaffen, was für ein deutlich verbessertes Streulichtverhalten und für eine qualitativ hochwertige Abbildung insgesamt sorgt. Über eine solche Ausgestaltung wird insbesondere eine direkte Einstrahlung der thermischen Störstrahlung, die beispielsweise von Linsenfassungen ausgeht, sicher vermieden.
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In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der Messoptik ist die erste Linse in Abbildungsrichtung eine konvex-konkave Linse. Dies bedeutet, dass die erste Linse objektseitig eine konvexe und bildseitig eine konkave Außenfläche aufweist. Hierdurch lassen sich Abbildungsfehler auf Grund unterschiedlich langer optischer Wege der Abbildungsstrahlen verringern. Dies gilt insbesondere im Zusammenspiel mit einer zweiten Linse, die in Abbildungsrichtung als eine konkav-konvexe Linse ausgebildet ist.
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Zur Korrektur der durch die erste Linse entstandenen Abbildungsfehler ist es weiter zweckmäßig, wenn die dritte Linse in Abbildungsrichtung eine konvex-konkave Linse ist.
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Mit der angegebenen einfachen Ausgestaltung der Messoptik lässt sich eine verzeichnungsarme Abbildung eines zu untersuchenden Objekts erreichen, welches sich in einem Arbeitsabstand des Mehrfachen der Objektgröße vor der Messoptik befindet. Besonders geschickt ist es, wenn die Verzeichnung der Messoptik kleiner als 0,2% ist. Verzeichnung führt – wie bereits dargelegt – z. B. dazu, dass gerade Linien eines Objekts im Bild gekrümmt erscheinen. Je geringer also der Abbildungsfehler Verzeichnung ist, mit umso größerer Sicherheit kann eine zuverlässige Aussage über eine Bildgröße gewonnen werden bzw. eine zuverlässige quantitative Auswertung einer Bildgröße durchgeführt werden. Durch das Zusammenspiel aus erster und dritte Linse wird insgesamt eine Telezentrizität der Abbildung ermöglicht. Dabei sind zudem entstehende Farbfehler in der ersten Linse durch die zerstreuende, zweite Linse korrigiert. Das angegebene Design kann von einem Fachmann auf einfache Weise an beliebige Abbildungsmaßstäbe, Objektgrößen oder Lichtstärken angepasst werden.
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Die beschriebene Messoptik lässt sich beispielsweise zur Inspektion von Leiterplatten oder auch in einer Bildgebungsvorrichtung – wie sie zum. Beispiel aus der
EP 1 538 472 B1 bekannt ist – verwenden. Dort ist eine Bildgebungsvorrichtung offenbart, die u. a. von einer Objekt- zu einer Bildseite eine erste optische Einheit, in oder nahe der Zwischenbildebene eine optische und/oder mikromechanische Einheit, eine zweite optische Einheit und danach einen Detektor mit einer Anzahl von N Detektorpixeln umfasst. Idealerweise entspricht nun die zweite optische Einheit der hier beanspruchten Messoptik. Dadurch lässt sich dann eine in oder nahe der Zwischenbildebene befindliche optische und/oder mikromechanische Einheit besonders gut mittels der Messoptik auf den Detektor abbilden – beispielsweise derart, dass ein oder mehrere Elemente der optischen und/oder mikromechanischen Einheit genau auf ein oder mehrere gewünschte Detektorpixel abgebildet werden. Bei der abzubildenden optischen und/oder mikro-mechanischen Einheit in oder nahe der Zwischenbildebene kann es sich bspw. um ein Linsen-, ein Blendenraster, gegeneinander verschiebbare Linsen- oder Blendenraster oder Kombinationen davon handeln.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine Messoptik im infraroten Spektralbereich mit drei Linsen und einer nachgeschalteten Kaltblende.
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In 1 ist eine Messoptik 1 für den mittleren infraroten Spektralbereich zwischen 3 und 5 μm dargestellt. Die Messoptik 1 umfasst dabei eine objektseitige erste Linse 3, eine bildseitige zweite Linse 4 sowie eine zwischen der ersten Linse 3 und der zweiten Linse 4 angeordnete dritte Linse 6. Die erste Linse 3 ist als eine positive Linse oder Sammellinse ausgebildet und aus Silizium gefertigt. Auch die zweite Linse 4 ist aus Silizium gefertigt und als eine positive Linse oder Sammellinse ausgestaltet. Die zwischen der ersten Linse 3 und der zweiten Linse 4 angeordnete dritte Linse 6 ist als eine negative Linse oder Streulinse gegeben, und ist aus Kalziumfluorid gefertigt.
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Insgesamt dient die Messoptik dazu, ein auf einer Objektseite angeordnetes Objekt 9 verzeichnungsarm und maßstabsgetreu auf einen in der Bildseite angeordneten Detektor 10 abzubilden. Die aus Silizium gefertigte erste Linse 3 weist hierzu objektseitig eine konvexe und bildseitig eine konkave Außenfläche auf. Die erste Linse 3 dient vorrangig dazu, einen relativ großen Arbeitsabstand zwischen der Messoptik 1 und dem zu untersuchenden Objekt 9 herzustellen und die Telezentrizität des Gesamtsystems zu gewährleisten. Die zweite, ebenfalls aus Silizium gefertigte Linse 4 realisiert vorrangig die eigentliche Abbildung des Objekts 9 auf den Detektor 10. Die zweite Linse 4 weist hierbei objektseitig eine konkave und bildseitig eine konvexe Außenfläche auf. Aufgrund der Telezentrizität der Messoptik 1 werden zwar alle Objektdetails, die vor oder hinter der eigentlichen Objektebene liegen, nicht unbedingt scharf auf den Detektor 10 abgebildet, jedoch mit demselben Abbildungsmaßstab.
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Zwischen der ersten Linse 3 und der zweiten Linse 4 ist die dritte Linse 6 aus Kalziumfluorid angeordnet. Diese zeigt objektseitig eine konvexe und bildseitig eine konkave Außenfläche. Durch die Ausgestaltung als Streulinse mit einer hohen Dispersion werden die Farbfehler der ersten Linse 3 korrigiert. Zusätzlich weist die dritte Linse 6 zumindest eine asphärisch bearbeitete Außenfläche auf, wodurch die Öffnungsfehler der ersten Linse 3 eliminiert werden. Dies führt dazu, dass der Abbildungsmaßstab in der Abbildungsebene am Detektor 10 nicht mehr eine Funktion des Ortes ist.
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Der zweiten Linse 4 ist bildseitig eine Kaltblende 12 nachgeschaltet, die zugleich die Austrittpupille des Gesamtsystems bildet. Hierdurch wird eine direkte Einstrahlung von thermischer Störstrahlung sicher vermieden. Die gekühlte Kaltblende 12 kann beispielsweise einem Eintrittsfenster in einem Dewar-Gefäß nachgeschaltet sein, innerhalb dessen auch der gekühlte IR-Detektor 10 angeordnet ist Zwischen der Kaltblende 12 und dem Detektor 10 ist weiter ein Kaltfilter 15 angeordnet, der Störstrahlung außerhalb des gewünschten Wellenlängenbereiches ausblendet. Vorliegend ist der Kaltfilter 15 aus Saphir gefertigt.
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Die Designdaten der in
1 dargestellten Messoptik lassen sich aus der folgenden Tabelle entnehmen.
| Nummer der optischen Ebene | Radius (mm) | Dicke (mm) od. Abstand (mm) | Apertur-Radius (mm) | Material | Kommentar |
| 1 | - | 139 | 32,328857 | Luft | Abstand zur ersten Linse 3 |
| 2 | 61,375089 | 7 | 32 | Silizium | erste Linse 3 |
| 3 | 98.742706 | 26.041226 | 30 | Luft | Abstand zur nächsten Linse |
| 4 | 87.154834 | 5 | 18 | Kalziumfluorid | dritte Linse 6 |
| 5 | 78.841141 | 11.894306 | 14 | Luft | Abstand zur nächsten Linse |
| 6 | –81.999347 | 20 | 13 | Silizium | zweite Linse 4 |
| 7 | –56.577313 | 5.690135 | 13 | Luft | Abstand zum Eintrittsfenster (nicht in Fig. 1) |
| 8 | - | - | 10.064717 | Luft | |
| 9 | - | 2 | 17,573500 | Silizium | Eintrittsfenster |
| 10 | - | 2.128000 | 17.208800 | Luft | Abstand zum Kaltfilter 15 |
| 11 | - | - | 6.5 | Luft | Kaltblende 12 |
| 12 | - | 0,5 | 11.582200 | Saphir | Kaltfilter 15 |
| 13 | - | 23.001568 | 11.511500 | Luft | Abstand zum Detektor 10 |
| 14 | - | 0,4 | 7.280000 | CMT | Detektor 10 |
| asphärische Daten (konisch und polynomial) |
| Nummer | cc | ad | ae | af | ag |
| 5 | 25.405549 | 2.0012E–05 | –7.0230E–08 | 5.7160E–10 | –1.4186E–12 |
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Die gezeigte Messoptik 1 weist bei einer Brennweite f von 58,6 mm eine nummerische Apertur von NA = 0.11 auf. Sie eignet sich zur verzeichnungsarmen Abbildung auch von Objekten mit wechselnder Tiefe innerhalb eines infraroten Spektralbereiches zwischen 3,8 und 5 μm. Dabei wird eine Objektgröße von 25,4 mm2 auf eine Bildgröße von 10,16 mm2 abgebildet. Hierdurch ergibt sich für die transversale Vergrößerung der gezeigten Messoptik 1 ein Wert von –0,4. Dabei kann das zu untersuchende Objekt 9 mit einem Abstand zur Messoptik 1 von 139 mm beobachtet werden. Die Verzeichnung der Messoptik ist kleiner als 0,2%. Das Eintrittsfenster des Dewar-Gefäßes, innerhalb dem der Detektor 10 angeordnet ist, besteht aus Silizium und weist eine Dicke von 2 mm auf. Der Kaltfilter 15 ist aus Saphir mit einer Dicke von 0,5 mm gefertigt. Bei dem Detektor 10 handelt es sich insbesondere um einen Detektor auf Cadmium-Tellurid-Basis.
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Das nicht dargestellte Eintrittsfenster (in der Tabelle Position 9), die Kaltblende 12 und der Kaltfilter 15 bilden eine für die Abbildung relevante Einheit. Ihre geometrischen Abmessungen sowie ihre Abstände zueinander und zu dem Detektor 10 sind aus der Tabelle ersichtlich und können ggf. von einem Fachmann auch hinsichtlich anderer Abblidungswünsche eingestellt und angepasst werden. Das Design der gezeigten Messoptik 1 ist insbesondere so gewählt, dass die Austrittspupille des Gesamtsystems mit der Lage der Kaltblende 12 zusammenfällt.
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Die bildseitige Außenfläche der dritten Linse
6 ist aspärisch ausgestaltet. Aus der Tabelle können die Daten dieser Außenfläche der Linse
6 entnommen werden. Diese Daten der asphärischen Außenfläche sind dabei entsprechend der folgenden Formel für asphärische Oberflächen definiert:
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Dabei bezeichnet r den Radius, cv die Krümmung und cc die konische Konstante. Bei ad, ae, af und ag handelt es sich um die Asphärenkoeffizienten. Nicht angegebene Asphärenkoeffizienten betragen in dem vorliegenden Beispiel Null.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messoptik
- 3
- erste Linse
- 4
- zweite Linse
- 6
- dritte Linse
- 9
- Objekt
- 10
- Detektor
- 12
- Kaltblende
- 15
- Kaltfilter
