DE102011116403B4

DE102011116403B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Oberflächen oder Grenzflächen

Info

Publication number: DE102011116403B4
Application number: DE201110116403
Authority: DE
Inventors: Stephan Trumm; Dr. Uttenweiler Dietmar; Rainer Sessner
Original assignee: Rodenstock GmbH
Current assignee: Rodenstock GmbH
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: DE102011116403A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer zumindest teilweise reflektierenden Fläche sowie entsprechende Verfahren. Dabei umfasst die Vorrichtung (10): – eine Lichtquelle (12); – eine Beleuchtungsoptik (44, 46), die die Lichtquelle (12) auf einen auf einer optischen Achse (20) der Beleuchtungsoptik (44, 46) liegenden Messpunkt (16) abbildet; – einen kugelförmigen Hohlspiegel (26), dessen Krümmungsmittelpunkt im Messpunkt (16) liegt; – eine Detektionsoptik (46, 50), die den Messpunkt auf einen Detektionspunkt (28) abbildet; und – einen Punktsensor (30), der ausgelegt ist, selektiv das im Detektionspunkt (28) eintreffende Licht zu erfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von zumindest teilweise reflektierenden Flächen.
Zur Vermessung der Höhe oder Dicke von zumindest teilweise reflektierenden Objekten, also zur Messung einer zumindest teilweise reflektierenden Fläche (insbesondere Grenz- oder Oberfläche) kommen unter anderem sogenannte konfokale Wegsensoren (engl. optical focus sensor) zum Einsatz. Eine mögliche Bauform eines derartigen Sensors ist in 4 dargestellt. Diese basiert auf dem gleichen Prinzip wie die konfokale Mikroskopie. Sie bestehen im Wesentlichen aus einer Beleuchtungs- und einer Detektionseinheit.
In der Beleuchtungseinheit wird Licht einer Lichtquelle durch eine entsprechende Optik in einem Punkt fokussiert, der auf der zu vermessende Grenz- bzw. Oberfläche zu liegen kommen soll. Im einfachsten Fall kann die Beleuchtungseinheit aus einer hinreichend punktförmigen Lichtquelle und einer Linse bestehen. Der Sensor wird umso genauer, je kleiner der Fokus und je geringer die Tiefenschärfe der Beleuchtungseinheit ist. Aus diesem Grund wird für die Beleuchtungseinheit beispielsweise eine erste Linse 112 verwendet, die das Licht eines Leuchtmittels 114 in einem Punkt 116 fokussiert. In die Ebene dieses Brennpunktes 116 wird eine erste Blende 118 mit kleiner Apertur eingebracht, die zentrumsferne Strahlen ausblendet. Damit bildet die Apertur der ersten Blende 118 eine punktförmige Lichtquelle, wobei durch diese Konstruktion als Leuchtmittel eine Lichtquelle mit endlicher Ausdehnung verwendet werden kann.
In einer einfachen, von 4 abweichenden Bauform, fokussiert eine zweite Linse (nicht gezeigt) das aus der Blende 118 austretende Licht, auf die zu untersuchende Fläche. Oft ist es aber zusätzlich wünschenswert, zumindest abschnittsweise einen parallelen Strahlverlauf zwischen der Blende 118 der Beleuchtungseinheit und der zu untersuchenden Fläche zu erzeugen. Dazu wird die als letztes genannte Linse durch ein System aus zwei Linsen ersetzt. In 4 sind diese beiden Linsen als zweite Linse 120 und dritte Linse 122 dargestellt. Diese sind entlang einer gemeinsamen optischen Achse derart angeordnet, dass sich die Blendenöffnung der ersten Blende 118, also der Fokuspunkt 116 im Brennpunkt der zweiten Linse 120 befindet, während eine zu messende Fläche 124 in den Brennpunkt der dritten Linse 122 gebracht werden kann. Dieser Brennpunkt 126 der dritten Linse 122 stellt damit die Abbildung des Fokalpunktes 116 dar und wird im Weiteren als Brennpunkt der Beleuchtungseinheit bezeichnet.
Das Licht wird von der zu messenden Fläche 124 zumindest teilweise reflektiert. Um das reflektierte Licht aus dem Strahlengang des von der Beleuchtungseinheit kommenden Lichts auszukoppeln und zur Detektionseinheit zu lenken, wird beispielsweise ein Strahlteiler 128 verwendet, der sich beispielsweise im Bereich des parallelen Strahlverlaufs, also zwischen der zweiten Linse 120 und der dritten Linse 122 befindet. Die dritte Linse 122 wird somit sowohl für den Beleuchtungsstrahlengang, also den Strahlengang von der Beleuchtungseinheit zu der zu messenden Fläche 124, als auch für den Detektionsstrahlengang, also den Strahlengang von der zu messenden Fläche 124 zur Detektionseinheit, verwendet.
Die Detektionseinheit besteht im einfachsten, in 4 nicht gezeigten Fall aus einem hinreichend punktförmig wirkenden Sensor und einer Linse, die das reflektierte Licht, also das Licht aus dem Brennpunkt 126 der Beleuchtungseinheit, in den punktförmig wirkenden Sensor fokussiert. Damit muss der Brennpunkt 126 der Beleuchtungseinheit mit dem Fokalpunkt der Detektionseinheit zusammenfallen.
Analog zur Beleuchtungseinheit kann auch an dieser Stelle die Genauigkeit dramatisch gesteigert werden, indem die Linse durch ein System aus zwei Linsen und einer Blende ersetzt wird. In dem gezeigten System von 4 wird das reflektierte Licht nach dem Durchgang durch die von dem Beleuchtungsstrahlengang und dem Detektionsstrahlengang gemeinsam genutzten, dritten Linse 122 und den Strahlteiler 128 von einer vierten Linse 130 in die Apertur einer zweiten Blende 132 fokussiert, die die peripheren Strahlen ausblendet. Eine fünfte Linse 134 fokussiert dann das durch die Apertur der zweiten Blonde 132 getretene Licht auf einen Sensor 136.
Befindet sich die zu vermessende Fläche 124 im Brennpunkt 126 der Beleuchtungseinheit, der ja mit dem Fokalpunkt der Detektionseinheit zusammenfällt, so erreicht – bedingt durch die Abbildung durch die Blonde – wesentlich mehr Licht den Sensor 136, als wenn sich die zu messende Fläche 124 vor oder hinter dem Brennpunkt 126 befindet. Es wird daher die Position der zu messenden Fläche 124 relativ zum Brennpunkt 126 in einer Richtung 138 entlang der optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs verändert und die am Sensor 136 erfasste Lichtleistung aufgezeichnet. Die richtige Position in Richtung 138, also die Situation, in der der Brennpunkt 126 auf der zu messenden Fläche 124 liegt, ergibt sich aus dem Umstand, dass die am Sensor 136 erfasste Lichtleistung ein Maximum erreicht.
Man unterscheidet zwischen achromatischen Sensoren und chromatischen Sensoren. Bei ersteren werden der optische Aufbau oder einzelne Komponenten relativ zu der zu messenden Fläche bewegt. Dafür spielen die spektralen Eigenschaften der Lichtquelle keine Rolle. Bei zweiteren werden dagegen eine spektral breite Lichtquelle und dispersive Elemente derart eingesetzt, dass die genaue Position des Brennpunktes in Messrichtung von der Wellenlänge abhängt. Das vom Messobjekt reflektierte Licht wird dann hinter der Blende spektral zerlegt. Aus der Wellenlänge, bei der die stärkste Intensität gemessen wird, wird die Position der reflektierenden Oberfläche bestimmt.
Bei der Vermessung nicht vollständig planarer Flächen ergibt sich jedoch grundsätzlich das Problem, dass je nach Positionierung und Orientierung der zu messenden Fläche relativ zum Strahlengang der Beleuchtungsoptik die Fläche im Brennpunkt der Beleuchtungseinrichtung nicht vollständig senkrecht zur Einfallsrichtung des Lichts, also zur optischen Achse der Beleuchtungseinrichtung ist. Dadurch wird in diesem Fall nur ein Teil des eintreffenden Lichts wieder in den selben Strahlengang, insbesondere in den Strahlengang der Detektionseinheit reflektiert. Soweit die zu messende Fläche lokal nicht zu stark geneigt ist, reicht dieser Anteil des noch detektierbaren Lichts aus, um das beschriebene Verfahren ausführen zu können. Sobald aber die Neigung der zu messenden Fläche, also der Winkel zwischen der optischen Achse des projizierten Lichts und der Oberflächennormalen zu groß wird, versagt dieses Messverfahren. Um das Messverfahren nutzen zu können, muss also die Neigung entsprechend kompensiert werden, was zumindest dann möglich ist, wenn die Neigung a priori zumindest annähernd bekannt ist. Ist die lokale Neigung der Fläche allerdings a priori nicht bekannt, ist die erforderliche Kompensation durch entsprechende Ausrichtung des Objekts nicht oder nur durch zusätzliche Messungen bei verschiedenen Winkeln möglich. Die Messung der Fläche ist in diesem Fall also zumindest sehr aufwändig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Messung einer zumindest teilweise reflektierenden Fläche derart zu verbessern, dass die Fläche selbst ohne vorherige Kenntnis der Flächenform, also ohne Kenntnis der lokalen Neigung und/oder Krümmung der Fläche einfacher und schneller vermessen werden kann. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den in den Ansprüchen 1 und 11 angegebenen Merkmalen gelost. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Somit bietet die Erfindung in einem Aspekt eine Vorrichtung (Messvorrichtung) zum Messen einer zumindest teilweise reflektierenden Fläche, insbesondere einer Oberfläche oder einer Grenzfläche. Diese Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle und eine Beleuchtungsoptik (Abbildungsoptik), die die Lichtquelle auf einen auf einer optischen Achse der Beleuchtungsoptik liegenden Messpunkt abbildet. Die Lichtquelle ist vorzugsweise im Wesentlichen punktförmig, d. h. die Abstrahlung des Lichts erfolgt derart, dass die Richtungen der Lichtabstrahlung sich im Wesentlichen in einem Punkt schneiden. Das Licht breitet sie also so aus, als käme es im Wesentlichen aus einem Punkt (dem Leuchtpunkt der Lichtquelle). Dabei ist „im Wesentlichen” derart zu verstehen, dass in praktischer Hinsicht nicht ein Punkt im mathematischen Sinne gemeint ist, sondern eine Ausdehnung erlaubt ist, die die gewünschte räumliche Auflösung der Messvorrichtung nicht wesentlich, insbesondere nicht mehr als das 5-fache, vorzugsweise nicht mehr als das 2-fache überschreitet. Je nach gewünschter Auflösung und gewünschter Lichtintensität können beispielsweise Ausdehnungen der Lichtquelle im Bereich der verwendeten Wellenlänge des Lichts verwendet werden. Insbesondere könnten somit Ausdehnungen im Bereich von etwa 0,2 μm bis etwa 2 μm oder bis etwa 5 μm bevorzugt sein. Vor allem bei Verwendung sehr kurzer Wellenlängen wären auch noch kleinere Ausdehnungen denkbar. Soweit eine geringere Auflösung erforderlich ist, für eine schnelle Messung aber eine höhere Lichtintensität erwünscht ist, könnten auch Ausdehnungen im Bereich von etwa 0,2 mm bis etwa 1 mm oder auch mehr bevorzugt sein. Der Bereich von etwa 2 μm bis etwa 0,2 mm könnte auch einen bevorzugten Kompromiss zwischen räumlicher Auflösung und Lichtintensität bieten. Durch die punktförmige Gestaltung der Lichtquelle ist es besonders einfach und zuverlässig möglich, die Lichtquelle auf einen Punkt, den Messpunkt, abzubilden. Insbesondere weist die Beleuchtungsoptik dazu zwei Brennpunkte auf, von denen einer mit dem Leuchtpunkt der Lichtquelle zusammenfällt, während der andere Brennpunkt den Messpunkt bildet.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann die Lichtquelle auch paralleles Licht abstrahlen, welches mittels der Beleuchtungsoptik auf den Messpunkt fokussiert wird. Je weniger das Licht der Lichtquelle von einer bekannten Konditionierung (z. B. punktförmig, parallel) abweicht, desto genauer lässt sich das Licht auf den Messpunkt abbilden, was zu einer Verbesserung der Auflösung der Vorrichtung führt.
Außerdem umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen kugelförmigen Hohlspiegel, dessen Krümmungsmittelpunkt, also der Mittelpunkt der Kugelform des Hohlspiegels, im Messpunkt liegt. Es ist dabei nicht erforderlich, dass der Hohlspiegel das gesamte einfallende Licht reflektiert. Es ist vielmehr ausreichend, wenn der Hohlspiegel zumindest einen Teil des einfallenden Lichts reflektiert. Der kugelförmige Hohlspiegel kann also insbesondere auch ein teildurchlässiger Spiegel sein. Der Hohlspiegel muss auch nicht eine vollständige Kugel bilden. Es ist vielmehr ausreichend, wenn der Hohlspiegel nur einen Ausschnitt einer Kugel bildet. Unter dem „kugelförmigen” Hohlspiegel im Sinne der Erfindung ist also nicht die Bildung einer vollständigen Kugel zu verstehen. Entscheidend ist lediglich, dass die Krümmung des Hohlspiegels (zumindest bereichsweise) der einer Kugel entspricht und dass der Krümmungsmittelpunkt im Messpunkt der Vorrichtung liegt. Damit wird ein vom Messpunkt in Richtung des Hohlspiegels auslaufender Lichtstrahl am Hohlspiegel zumindest teilweise genau zum Messpunkt reflektiert. Der Hohlspiegel ist auch nicht auf einen bestimmten Kugelradius beschränkt.
Außerdem umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Detektionsoptik, die den Messpunkt auf einen Detektionspunkt abbildet. Insbesondere wird das vom Messpunkt insbesondere im Wesentlichen entlang der optischen Achse der Beleuchtungsoptik (also im Wesentlichen antiparallel zu dem von der Beleuchtungsoptik auf den Messpunkt eingestrahlten Licht) auslaufende Licht durch die Detektionsoptik auf den Detektionspunkt fokussiert. Vorzugsweise nutzt die Detektionsoptik somit zumindest einen Teil des Lichtpfades der Beleuchtungsoptik. Insbesondere weist die Detektionsoptik eine optische Achse auf, die mit der optischen Achse der Beleuchtungsoptik zusammenfällt.
Außerdem umfasst die Vorrichtung einen Punktsensor, der ausgelegt ist, selektiv das im Detektionspunkt eintreffende Licht der Detektionsoptik zu erfassen. Der Punktsensor blendet also insbesondere Licht aus, das von der Detektionsoptik eingefangen wurde nicht aber im Detektionspunkt eintrifft. Es kann sich hierbei also insbesondere um Licht handeln, das nicht vom Messpunkt ausgestrahlt wurde.
Durch den kugelförmigen Hohlspiegel wird selbst dann wenn eine zu messende/untersuchende Fläche nicht senkrecht zur optischen Achse der Beleuchtungsoptik/Detektionsoptik liegt, jedenfalls dann, wenn diese Fläche den Messpunkt enthält, das auf die zu messenden Fläche treffende Licht nach einer zweimaligen Reflexion an der Fläche und einer dazwischen erfolgenden Reflexion am Hohlspiegel wieder zurück reflektiert, um auf den Detektionspunkt fokussiert zu werden. Es ist somit sehr einfach möglich, selbst zumindest lokal geneigte Flächen zu untersuchen, ohne die (lokale) Neigung der Fläche bereits vorher kennen oder vor bzw. während der Messung kompensieren zu müssen. Dabei hängt die erlaubte Abweichung bzw. Variation der Neigung der zu messenden Fläche vom Akzeptanzwinkel des Hohlspiegels, also dem vom Hohlspiegel abgedeckten Kugelausschnitt ab. Wie der Fachmann erkennt, wird der erlaubte Neigungswinkel der zu messenden Fläche um so größer, je größer der vom Hohlspiegel abgedeckte Winkel bzw. Raumwinkel ist. Aber auch ein vergleichsweise kleiner, vorn Hohlspiegel abgedeckter Raumwinkel vergrößert den ansonsten nur von der Detektionsoptik direkt erfassten Raumwinkel um den am Hohlspiegel reflektierten und damit indirekt erfassten Winkelbereich.
Damit lassen sich selbst Flächen mit starker lokaler Abweichung der Flächenneigung schnell und mit vergleichsweise wenig Aufwand, somit also kostengünstig, messen. Insbesondere sind damit einerseits keine teuren und aufwändigen Weitwinkeloptiken für die Detektionsoptik erforderlich. Andererseits können sogar noch Flächen vermessen werden, deren (lokale) Neigung so groß ist, dass sie selbst mit sehr aufwändigen Linsenanordnungen der Detektionsoptik nicht mehr messbar wären, ohne dass die tatsächliche Flächenneigung für eine entsprechende, gezielte Kompensation vorher vollständig bekannt sein muss.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Verschiebeeinrichtung, mittels der die zu messende Fläche zumindest teilweise in einer Richtung parallel zur optischen Achse der Beleuchtungsoptik/Detektionsoptik relativ zum Messpunkt verschiebbar ist. Dabei kann beispielsweise entweder die zu untersuchende Fläche, also das Objekt relativ zur Beleuchtungs- und zur Detektionsoptik verschoben werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Optik selbst verstimmt oder verschoben werden, indem beispielsweise zumindest eine Abbildungslinse relativ zu der zu untersuchenden Fläche und relativ zur Lichtquelle und zum Punktsensor verschoben wird.
Vorzugsweise umfasst die Lichtquelle ein Leuchtmittel (wie z. B. eine Glühlampe oder eine LED), eine Lochblende und eine Fokussieroptik (Lichtquellenoptik, insbesondere eine Fokussierlinse/Lichtquellenlinse), die zumindest einen Teil des vom Leuchtmittel emittierten Lichts auf die Lochblende fokussiert. Damit kann in besonders effizienter Weise Licht einer ausgedehnten Leuchtquelle genutzt werden, um eine lichtstarke, im Wesentlichen punktförmige Lichtquelle bereitzustellen. Insbesondere kann die Lochblende sehr viel leichter mit einer kleinen lateralen Ausdehnung hergestellt werden als ein Leuchtmittel selbst. In optischer Hinsicht wirkt die Lochblende, auf welche das Licht des Leuchtmittels fokussiert wird, aber wie eine im Wesentlichen punktförmige Lichtquelle. Vor allem dadurch, dass die Lochblende mit einer sehr kleinen Blendenöffnung hergestellt werden kann, wird eine hohe räumliche Auflösung bei der Messung der Fläche erreicht.
Vorzugsweise umfasst der Punktsensor eine Lochblende, ein Sensorelement und eine Fokussieroptik, die zumindest einen. Teil des vom Detektionspunkt auslaufenden Lichts auf das Sensorelement fokussiert. Damit kann in besonders effizienter Weise auch ein Sensorelement mit einer ausgedehnten sensitiven Fläche genutzt werden. Die erwünschte oder erforderliche Selektivität für Licht aus dem Detektionspunkt wird durch die entsprechende Lochblende bewirkt, welche Licht, das außerhalb des Detektionspunkts auf die Lochblende trifft, abschirmt. Insbesondere kann die Lochblende sehr viel leichter mit einer kleinen lateralen Ausdehnung hergestellt werden als eine empfindliche sensitive Fläche eines Sensorelements. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst der Punktsensor eine Lochblende und ein Sensorelement, wobei in diesem Fall auf eine weitere Optik verzichtet werden kann. Dies ist besonders wirkungsvoll, wenn das Sensorelement in kurzer Entfernung hinter der Lochblende angeordnet ist.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung außerdem einen Strahlteiler zum Einkoppeln von Licht der Beleuchtungsoptik in einen gemeinsamen Strahlengang der Beleuchtungsoptik und der Detektionsoptik oder zum Auskoppeln von Licht der Detektionsoptik aus dem gemeinsamen Strahlengang der Beleuchtungsoptik und der Detektionsoptik. Dabei wird entweder das Licht im Strahlengang der Detektionsoptik oder im Strahlengang der Beleuchtungsoptik durch Reflexion abgelenkt, während das Licht des jeweils anderen Strahlengangs im Wesentlichen unabgelenkt durch den Strahlteiler tritt. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ein Objektivelement (insbesondere in Form einer Objektivlinse), das vom Beleuchtungsstrahlengang und vom Detektionsstrahlengang gemeinsam genutzt wird, und das Licht aus dem Beleuchtungsstrahlengang im Messpunkt fokussiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform deckt der kugelförmige Hohlspiegel einen Raumwinkel von zumindest etwa π/2, vorzugsweise zumindest etwa π, noch mehr bevorzugt zumindest etwas 2π ab. Damit wird eine besondere große Flexibilität hinsichtlich der Anwendung zur Messung von Flächen mit starken lokalen Änderungen der Flächenneigung ermöglicht.
Vorzugsweise weist der kugelförmige Hohlspiegel eine Beleuchtungsapertur zum Durchtritt von Licht der Beleuchtungsoptik und/oder der Detektionsoptik auf. Vorzugsweise schließt der die Beleuchtungsapertur bildende Rand des Hohlspiegels, direkt an den peripheren Strahlengang der Beleuchtungsoptik und/oder der Detektionsoptik an. Damit wird die maximal erreichbar Lichtleistung der Beleuchtung und der direkten Detektion erreicht, während das nicht mehr in direkter Detektion erfassbare Licht über die zusätzliche zweimalige Reflexion am Hohlspiegel und an der zu messenden Fläche als indirekte Detektion messbar ist. Es ist damit also eine gute Ausnutzung der Lichtintensität und ein vorzugsweise lückenloser Übergang zwischen direkter und indirekter Reflexion/Detektion möglich.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist der kugelförmige Hohlspiegel einen um die optische Achse herum angeordneten Gradientenbereich derart auf, dass die Reflektivität des Hohlspiegels im Gradientenbereich mit steigendem Abstand von der optischen Achse kontinuierlich zunimmt. Besonders bevorzugt nimmt alternativ oder gleichzeitig die Transmittivität des Hohlspielgels im Gradientenbereich mit steigendem Abstand von der optischen Achse kontinuierlich ab. Aufgrund dieses Verlaufs der Reflektivität und/oder Transmittivität wird erreicht, dass der Unterschied in den Intensitäten zwischen direkt und indirekt reflektiertem Licht gering ausfällt.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Steuereinrichtung, welche ausgefegt ist, die Verschiebeeinrichtung derart zu steuern, dass das vom Punktsensor erfasste Licht ein (zumindest lokales) Maximum in der Leistung erreicht. Damit wird eine automatisch korrekte Justierung der zu messenden Fläche und somit eine automatisierte Messung der Fläche erreicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Vielzahl von dichroitischen, kugelförmigen Hohlspiegeln, welche Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche reflektieren und deren Krümmungsmittelpunkte an unterschiedlichen Positionen entlang der optischen Achse angeordnet sind. Jeder der Vielzahl von Hohlspiegeln reflektiert also vorzugsweise jeweils in einem anderen schmalen spektralen Band. Vorzugsweise weist die Beleuchtungsoptik und die Detektionsoptik eine Dispersion (Wellenlängenabhängigkeit) derart auf, dass für die verschiedenen, von den Hohlspiegeln reflektierten Wellenlängen das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht in unterschiedlichen Messpunkten fokussiert wird, welche dem jeweiligen Krümmungsmittelpunkt des entsprechenden/zugehörigen dichroitischen Spiegel entsprechen. Dabei ist der Punktsensor vorzugsweise ausgelegt, nicht (oder nicht nur) die Intensität bzw. Leistung des erfassen Lichts zu ermitteln, sondern (auch) die Wellenlänge (Farbe) des Lichts maximaler Intensität. Damit steht dann fest, welcher der Vielzahl von Messpunkten auf der zu messenden Fläche liegt, wodurch eine Messung der Fläche ermöglicht wird, ohne diese relativ zu einem Messpunkt in Richtung der optischen Achse zu verschieben. In diesem Fall ist somit eine Verschiebeeinrichtung nicht erforderlich. Diese Ausführungsform der Erfindung kann somit als eine Alternative zu einer Ausführungsform mit einer Verschiebeeinrichtung realisiert werden.
Außerdem bietet die Erfindung ein Verfahren zum Messen einer zumindest teilweise reflektierenden Fläche. Dabei umfasst das Verfahren in einem Aspekt ein Bereitstellen einer Lichtquelle und einer Beleuchtungsoptik, die die Lichtquelle auf einen auf einer optischen Achse der Beleuchtungsoptik liegenden Messpunkt abbildet. Die Lichtquelle ist vorzugsweise im Wesentlichen punktförmig. Dadurch ist es besonders einfach und mit hoher Genauigkeit möglich, die Lichtquelle auf einen Punkt, den Messpunkt, abzubilden. Insbesondere weist die Beleuchtungsoptik dazu zwei Brennpunkte auf, von denen einer mit dem Leuchtpunkt der Lichtquelle zusammenfällt, während der andere Brennpunkt den Messpunkt bildet.
Außerdem umfasst das Verfahren ein Bereitstellen eines kugelförmigen Hohlspiegels derart, dass der Krümmungsmittelpunkt des Hohlspiegels, also der Mittelpunkt der Kugelform des Hohlspiegels, im Messpunkt liegt. Vorzugsweise ist der Hohlspiegel gemäß einer der bereits oben oder auch nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgestaltet. Insbesondere muss der Hohlspiegel nicht eine vollständige Kugel bilden. Es ist vielmehr ausreichend, wenn der Hohlspiegel nur einen Ausschnitt einer Kugel oder mehrere Ausschnitte einer Kugel bildet. Unter dem „kugelförmigen” Hohlspiegel im Sinne der Erfindung ist also nicht die Bildung einer vollständigen Kugel zu verstehen. Entscheidend ist lediglich, dass die Krümmung des Hohlspiegels (zumindest bereichsweise) der einer Kugel entspricht und dass der Krümmungsmittelpunkt im Messpunkt der Vorrichtung liegt. Damit wird ein vom Messpunkt in Richtung des Hohlspiegels auslaufender Lichtstrahl am Hohlspiegel zumindest teilweise genau zum Messpunkt reflektiert.
Außerdem umfasst das Verfahren ein Bereitstellen einer Detektionsoptik, die den Messpunkt auf einen Detektionspunkt abbildet. Insbesondere wird das vom Messpunkt insbesondere im Wesentlichen entlang der optischen Achse der Beleuchtungsoptik (also im Wesentlichen antiparallel zu dem von der Beleuchtungsoptik auf den Messpunkt eingestrahlten Licht) auslaufende Licht durch die Detektionsoptik auf den Detektionspunkt fokussiert.
Außerdem umfasst das Verfahren ein selektives Erfassen des im Detektionspunkt eintreffenden Lichts. Als „selektives” Erfassen wird dabei verstanden, dass das im Detektionspunkt eintreffende Licht getrennt von Licht, welches nicht im Detektionspunkt eintrifft, erfasst wird. Vorzugsweise wird Licht, das nicht im Detektionspunkt eintrifft, ausgeblendet. Insbesondere wird die Leistung oder die Intensität des im Detektionspunkt eintreffenden Lichts erfasst.
Außerdem umfasst das Verfahren ein Verschieben der zu messende Fläche zumindest teilweise in einer Richtung parallel zur optischen Achse relativ zum Messpunkt bis das erfasste Licht ein Maximum an Lichtleistung bzw. Intensität aufweist. Dabei kann beispielsweise entweder die zu untersuchende Fläche, also das Objekt relativ zur Beleuchtungs- und zur Detektionsoptik verschoben werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Optik selbst verstimmt oder verschoben werden, indem beispielsweise zumindest eine Abbildungslinse relativ zu der zu untersuchenden Fläche und relativ zur Lichtquelle und zum Punktsensor verschoben wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung gemäß einer der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen bereitgestellt und in der beschriebenen Weise zum Messen der Fläche genutzt.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren in diesem Aspekt außerdem ein Verschieben der zu messenden Fläche zumindest teilweise in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse nacheinander an eine Vielzahl lateraler Positionen. Dabei wird das Verschieben der zu messenden Fläche zumindest teilweise in der Richtung parallel zur optischen Achse relativ zum Messpunkt für jede der Vielzahl von lateralen Positionen durchgeführt, bis das erfasste Licht jeweils ein Maximum an Lichtleistung aufweist. Damit wird die Fläche an einer Vielzahl von Position vermessen, was nicht nur eine Aussage über eine lokale Position der Fläche oder die lokale Dicke eines Objekts sondern auch eine Aussage über die Flächenform zulässt.
in einem weiteren Aspekt umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Messen einer zumindest teilweise reflektierenden Fläche ein Bereitstellen einer Lichtquelle, welche Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen aussendet. Dabei kann die Lichtquelle ein kontinuierliches Spektrum von Wellenlängen oder Licht mit einer Vielzahl diskreter Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche ausstrahlen. Auch hier ist die Lichtquelle vorzugsweise im Wesentlichen punktförmig.
Außerdem umfasst das Verfahren in diesem Aspekt ein Bereitstellen einer Beleuchtungsoptik die die Lichtquelle für jede der Vielzahl von Wellenlängen auf einen anderen auf einer optischen Achse der Beleuchtungsoptik liegenden Messpunkt abbildet. Jeder Messpunkt ist somit einer anderen Wellenlänge des von der Lichtquelle emittierten Lichts zugeordnet. Außerdem wird eine Detektionsoptik bereitgestellt, die die Vielzahl von Messpunkten auf einen gemeinsamen Detektionspunkt abbildet.
Außerdem umfasst das Verfahren ein Bereitstellen einer Vielzahl von dichroitischen kugelförmigen Hohlspiegeln derart, dass jeder dieser Hohlspiegel Licht einer anderen der Vielzahl von Wellenlängen reflektiert. Dabei liegt für jeden Hohlspiegel dessen Krümmungsmittelpunkt an demjenigen der Vielzahl von Messpunkten, auf den die Lichtquelle für die vom jeweiligen Hohlspiegel reflektierte Wellenlänge abgebildet wird.
Außerdem umfasst das Verfahren ein selektives Erfassen des im Detektionspunkt eintreffenden Lichts für jede der Vielzahl von Wellenlängen. Als „selektives” Erfassen wird dabei verstanden, dass für jede Wellenlänge das im Detektionspunkt eintreffende Licht getrennt von Licht, welches nicht im Detektionspunkt eintrifft, erfasst wird. Vorzugsweise wird Licht, das nicht im Detektionspunkt eintrifft, ausgeblendet. Insbesondere wird die Leistung oder die Intensität des im Detektionspunkt eintreffenden Lichts in Abhängigkeit von dessen Wellenlänge erfasst.
In diesem Aspekt eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun möglich, auf Basis der für jede Wellenlänge erfassten Leistung oder Intensität des im Detektionspunkts eintreffenden Lichts diejenige Wellenlänge zu ermitteln, welche am besten auf den Detektionspunkt fokussiert wird. Diese Wellenlänge entspricht aufgrund der konfokalen Bedingung genau derjenigen Wellenlänge, deren Messpunkt auf der zu untersuchenden Fläche liegt. Die ermittelte Wellenlänge lässt damit einen Rückschluss auf die lokale Position der zu messenden Fläche zu. In vielen Fällen kann das diejenige Wellenlänge sein, die mit maximaler Leistung oder Intensität am Detektionspunkt erfasst wird. Generell hängt die detektierte spektrale Leistung aber möglicherweise von weiteren Faktoren ab, die bei der Auswertung vorzugsweise ebenfalls berücksichtigt werden. Es handelt sich dabei insbesondere um die spektrale Leistung der Lichtquelle und/oder das spektrale Reflexionsvermögen der zu messenden Fläche und/oder das spektrale Reflexionsvermögen der dichroitischen Spiegel und/oder die spektrale Empfindlichkeit des Sensors und/oder spektrale Eigenschaften der weiteren verwendeten optischen Elemente (z. B. Linsen, Spiegel, Strahlteiler).
Vorzugsweise umfasst das Verfahren in diesem Aspekt außerdem ein Verschieben der zu messenden Fläche zumindest teilweise in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse nacheinander an eine Vielzahl lateraler Positionen. Dabei wird das Ermitteln derjenigen Wellenlänge, welche mit maximaler Leistung oder Intensität am Detektionspunkt erfasst wird, für jede der Vielzahl von lateralen Positionen durchgeführt. Damit wird die Fläche an einer Vielzahl von Position vermessen, was nicht nur eine Aussage über eine lokale Position der Fläche oder die lokale Dicke eines Objekts sondern auch eine Aussage über die Flächenform zulässt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
1 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
2 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
3A–3D beispielhafte Anordnungen eines oder mehrerer Hohlspiegel in Vorrichtungen gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung; und
4 einen schematischen Aufbau einer herkömmlichen Vorrichtung zur Messung von zumindest teilweise reflektierenden Flächen.
In der in 1 gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung 10 eine Lichtquelle 12, welche ausgelegt ist, Licht von einem Leuchtpunkt 14 abzustrahlen. Damit wirkt die Lichtquelle 12 in dieser Ausführungsform als eine im Wesentlichen punktförmige Lichtquelle 12. Mittels einer nachfolgend noch genauer ausgeführten Beleuchtungsoptik wird der Leuchtpunkt 14 auf einen Messpunkt 16 abgebildet, d. h. das aus dem Leuchtpunkt 14 auslaufende Licht wird wieder im Messpunkt 16 fokussiert. Eine zu messende Fläche 18 wird nun derart im Strahlengang der Beleuchtungsoptik angeordnet, dass der Messpunkt 16 auf der zu messenden Fläche 18 zu liegen kommt. Dabei liegt der Messpunkt 16 auf einer optischen Achse 20 der Beleuchtungsoptik. Die Fläche 18 bzw. ein Objekt, das diese Fläche aufweist, ist vorzugsweise zumindest teilweise in einer Richtung 22 parallel zur optischen Achse 20 verschiebbar. Vorzugsweise ist die Fläche 18 unabhängig davon auch in zumindest einer Richtung 24, vorzugsweise in zwei Richtungen senkrecht zur optischen Achse 20 verschiebbar. Dazu weist die Vorrichtung vorzugsweise ein in 1 nicht explizit dargestellte Verschiebeeinrichtung auf. Alternativ kann auch die Beleuchtungsoptik derart verstimmt oder verschoben werden, dass der Messpunkt relativ zur Fläche 18 entsprechend justiert wird.
Außerdem umfasst die Vorrichtung 10 einen kugelförmigen Hohlspiegel 26, dessen reflektierende Fläche (Spiegelfläche) zumindest einen Ausschnitt einer Kugelfläche bildet. Der Mittelpunkt der Kugelfläche des Hohlspiegels 26 liegt dabei im Messpunkt 16 der Vorrichtung 10. Licht das nun beispielsweise durch Reflexion an der zumindest teilweise reflektierenden Fläche 18 vom Messpunkt 16 in Richtung des Hohlspiegels 26 ausgestrahlt wird, wird dort zumindest teilweise reflektiert und gelangt wieder genau zum Messpunkt 16. Soweit es sich hierbei also um Licht aus der Beleuchtungsoptik, insbesondere um Licht aus der Lichtquelle 12 handelt, wird dieses an der zu messende Fläche im Messpunkt 16 wieder entlang des einfallenden Lichtpfades zurück reflektiert.
Mittels einer nachfolgend noch genauer ausgeführten Detektionsoptik wird der Messpunkt 16 auf einen Detektionspunkt 28 abgebildet, d. h. das aus dem Messpunkt 16 auslaufende Licht wird (zumindest soweit es in die Detektionsoptik gelangt) wieder im Detektionspunkt 28 fokussiert. Das im Detektionspunkt 28 eintreffende Licht wird mittels eines Punktsensors 30 selektiv erfasst, wobei Licht das außerhalb des Detektionspunkts auf den Punktsensor 30 trifft, nicht oder zumindest nicht zusammen mit dem im Detektionspunkt 28 eintreffenden Licht erfasst wird.
In der in 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform umfasst der Punktsensor 30 zum Ausblenden solcher nicht im Detektionspunkt 28 eintreffenden Lichtstrahlen eine Lochblende 32 (nachfolgend auch Sensorblende 32 genannt). Die Blendenöffnung der Sensorblende 32 fällt mit dem Detektionspunkt 28 zusammen. Dadurch wird nur das auf den Detektionspunkt 28 fokussierte Licht, also das Abbild des Messpunktes 16 durchgelassen, während das abseits des Detektionspunkts 28 auftreffende Licht ausgeblendet wird.
Eine hinter der Sensorblende 32 angeordnete Sensoroptik 34, welche in der in 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform insbesondere durch eine Sammellinse 34 (nachfolgend auch Sensorlinse genannt) gebildet wird, sammelt das von der Blendenöffnung, also dem Detektionspunkt 28 auslaufende Licht, um es wieder in Richtung eines Sensorelements 36 zu bündeln. Es ist dabei nicht erforderlich, dass der Detektionspunkt 28 durch die Sensoroptik 34 scharf auf das Sensorelement 36, insbesondere auf eine sensitive Fläche des Sensorelements 36 abgebildet wird. Vielmehr könnte das scharfe Abbild des Detektionspunkts 28 auch hinter oder vor dem Sensorelement 36 bzw. einer sensitiven Fläche des Sensorelements 36 liegen. Wünschenswert ist lediglich, dass ein möglichst großer Anteil des Lichts aus dem Detektionspunkt 28 vom Sensorelement 36 erfasst wird.
In der in 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform umfasst die Lichtquelle 12 eine Lochblende 38, deren Blendenöffnung den Leuchtpunkt 14 der Lichtquelle 12 bildet. Um selbst bei einer möglichst kleinen Blendenöffnung im Leuchtpunkt 14 eine möglichst hohe Lichtintensität zu erreichen, umfasst die Lichtquelle 12 in der gezeigten Ausführungsform ein Leuchtmittel 40, beispielsweise in Form einer Glühlampe oder einer LED, und eine Lichtquellenoptik 42, welche in der dargestellten Ausführungsform insbesondere von einer Sammellinse gebildet wird und welche zumindest einen Teil des vom Leuchtmittel 40 emittierten Lichts auf die Blendenöffnung der Lochblende 38 und damit auf den Leuchtpunkt 14 fokussiert.
Die hier beschriebene bevorzugte Ausgestaltung der Lichtquelle 12 ist dabei nicht notwendigerweise gekoppelt an die ebenfalls in 1 dargestellte bevorzugte Ausgestaltung des Punktsensors 30. Allerdings wird gerade durch die Kombination der beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen der Lichtquelle 12 und des Punktsensors 30 gemäß 1 im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine besonders hohe Auflösung bei der Messung der Fläche 18 erreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform, wie sie beispielsweise in 1 dargestellt ist, umfasst die Beleuchtungsoptik eine Kollimatorlinse 44 (insbesondere in Form einer Sammellinse), mittels der aus dem vom Leuchtpunkt 14 auslaufenden divergierenden Licht eine paralleler Strahlverlauf generiert wird. Der parallele Strahlverlauf wird anschließend durch eine Objektivlinse (insbesondere in Form einer Sammellinse) auf den Messpunkt 16 fokussiert. Durch den parallelen Strahlverlauf zwischen der Kollimatorlinse 44 und der Objektivlinse 46 kann der Abstand der beiden Linsen 44 und 46 flexibel an die gewünschte Geometrie und Dimension der Vorrichtung oder die Position der zu messenden Fläche 18 angepasst werden, ohne dass sich das prinzipielle Verhalten der Vorrichtung 10 verändert.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Beleuchtungsoptik eine gemeinsame, durchgehende optische Achse 20 auf. Insbesondere sind der Leuchtpunkt 14, die Kollimatorlinse 44 und die Objektivlinse 46 vorzugsweise entlang der optischen Achse 20 und symmetrisch dazu angeordnet, d. h. optische Achsen der einzelnen Elemente fallen mit der optischen Achse 20 der Beleuchtungsoptik, auf der auch der Messpunkt 16 liegt, zusammen.
Um den Messpunkt 16 auf den Detektionspunkt 28 abzubilden, nutzt die Detektionsoptik in der in 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform einen Teil des Strahlengangs gemeinsam mit der Beleuchtungsoptik. So umfasst die Detektionsoptik in 1 die Objektivlinse 46, einen Strahlteiler 48 und eine Detektionslinse (insbesondere in Form einer Sammellinse). Die Detektionsoptik nutzt also die Objektivlinse 46, um damit zumindest aus einem Teil des vom Messpunkt 16 auslaufenden Lichts einen parallelen Strahlverlauf zu generieren. Dieser Strahlverlauf wird zumindest teilweise mittels des Strahlteilers 48 aus dem Strahlengang der Beleuchtungsoptik ausgekoppelt und zur Detektionslinse 50 geführt, die das Licht anschließend im Detektionspunkt 28 fokussiert. Durch den zumindest abschnittsweisen parallelen Strahlverlauf zwischen der Objektivlinse 46 und der Detektionslinse 50 kann der Abstand der beiden Linsen 46 und 50 flexibel an die gewünschte Geometrie und Dimension der Vorrichtung oder die Position der zu messenden Fläche 18 oder des Punktsensors 30 angepasst werden, ohne dass sich das prinzipielle Verhalten der Vorrichtung 10 verändert.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist die Detektionsoptik eine gemeinsame, durchgehende optische Achse auf. Insbesondere sind der Detektionspunkt 28, die Detektionslinse 50 und die Objektivlinse 46 vorzugsweise entlang dieser gemeinsamen optischen Achse und symmetrisch dazu angeordnet, d. h. optische Achsen der einzelnen Elemente fallen mit der gemeinsamen optischen Achse der Detektionsoptik, auf der auch der Messpunkt 16 liegt, zusammen. In diesem Fall kann das Licht der Beleuchtungsoptik mit einem Strahlteiler analog zum Strahlteiler 48 in 1 in den Strahlengang der Detektionsoptik eingekoppelt werden. Anstelle der Detektionsoptik wie in 1 weist dann die Beleuchtungsoptik einen entsprechend gewinkelten Strahlengang auf. Auch in diesem Fall nutzen die Beleuchtungsoptik und die Detektionsoptik die Objektivlinse und eine damit festgelegte optische Achse analog zur optischen Achse 20 in 1 gemeinsam.
Wenn sich die zu vermessende Fläche 18 im Messpunkt 16 befindet, wenn also der Messpunkt 16 auf der zu messenden Fläche 18 liegt, und die Fläche 18 im Messpunkt 16 einen entsprechenden Winkel relativ zur optischen Achse 20 bildet, wird das Licht von der Fläche 18 auf den Hohlspiegel 26 reflektiert. Da der Mittelpunkt der Kugelkrümmung des Hohlspiegels 26 mit dem Messpunkt 16 übereinstimmt, treffen die von der Fläche 18 im Messpunkt 16 zum Hohlspiegel 26 hin reflektierten Strahlen senkrecht auf diesen und werden auf den Messpunkt 16 zurückgeworfen. Von dort gelangen sie – wie bei einem klassischen konfokalen Sensor – vorzugsweise über mindestens eine Linse und eine Blende auf ein Sensorelement. Dieser Lichtweg funktioniert unabhängig von der Ausrichtung der zu vermessenden Oberfläche, solange die reflektierten Strahlen auf den Hohlspiegel 26 treffen.
Befindet sich die zu vermessende Fläche 18 nicht im Messpunkt 16, liegt also der Messpunkt 16 vor oder hinter der zu messenden Fläche 18, so reduziert sich die gemessene Lichtintensität. Durch die Reflexion außerhalb des Messpunktes 16 (und damit außerhalb des Mittelpunktes des Hohlspiegels 26) ist die Rückreflexionsbedingung am Hohlspiegel 26 nicht mehr erfüllt. Weiterhin ist die konfokale Bedingung im Punktsensor 30 nicht mehr erfüllt. Das Vermessen und die Auswertung erfolgen dann vorzugsweise wie bei klassischen achromatischen konfokalen Abstandssensoren.
In einem Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Fläche 18 solange relativ zum Messpunkt 16 entlang einer Mess-Richtung 22 parallel zur optischen Achse 20 verschoben, bis das vom Punktsensor 30 erfasst Licht maximale Leistung aufweist. Anschließend wird die Fläche 18 in Scan-Richtung 24 senkrecht zur optischen Achse zu einer anderen lateralen Position verschoben, um erneut eine Anpassung der Position in Mess-Richtung 22 bis zu einem Maximum der erfassten Lichtleistung vorzunehmen. Damit lässt sich die gesamte Fläche 18 vermessen.
Eine Vorrichtung 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 2 veranschaulicht. Darin sind die zur Ausführungsform von 1 analogen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Für Details zu diesen Elementen wird daher – soweit diese auch auf die Ausführungsform von 2 anwendbar sind – auf die Ausführungen zu 1 verwiesen. Im Folgenden wird in erster Linie auf einige Unterschiede zu den mit Bezug auf 1 beschriebenen Ausführungsformen eingegangen.
So weist der Strahlengang der Beleuchtungsoptik und der Detektionsoptik in 2 keine Abschnitt mit paralleler Strahlführung auf. Stattdessen wird das vom Leuchtpunkt 14 ausgestrahlte, divergierende Licht allein mit der Objektivlinse 46 wieder auf den Messpunkt 16 fokussiert. Der Strahlteiler 48 ist zwischen dem Leuchtpunkt 14 und der Objektivlinse 46 angeordnet und koppelt das Licht der Detektionsoptik aus dem Strahlengang der Beleuchtungsoptik aus. Wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird auch in 2 der Strahlengang zwischen dem Messpunkt 16 und dem Strahlteiler 48 von der Beleuchtungsoptik und der Detektionsoptik gemeinsam genutzt. Bei dieser Ausführungsform konvergiert allerdings das vom Messpunkt 16 auslaufende und durch die Objektivlinse 46 wieder gebündelte Licht des Detektionsstrahlengangs umgekehrt zum divergierenden Strahlengang zwischen dem Leuchtpunkt 14 und der Objektivlinse 46 im Beleuchtungsstrahlengang. Das reflektierte Licht wird als bei der richtigen Positionierung der zu messenden Fläche 18 bereits durch die Objektivlinse 46 in den Detektionspunkt fokussiert, ohne dass eine weitere Linse (z. B. eine der Detektionslinse 50 aus 1 analoge Linse) nötig wäre. Damit bietet diese Ausführungsform einen sehr einfachen und kostengünstigen Aufbau der Vorrichtung 10.
Eine weitere Vereinfachung wird durch eine Reduktion der Elemente des Punktsensors 30 erreicht. Dabei wird der Punktsensor 30 im Wesentlichen aus der Sensorblende 32 und dem unmittelbar hinter der Sensorblende 32 angeordneten Sensorelement 36 gebildet, ohne dass eine weitere Sensoroptik beispielsweise in Form der Sensorlinse 34 von 1 erforderlich ist.
Im Folgenden werden anhand von 3A bis 3D einige bevorzugte Ausführungsformen im Hinblick auf die Bauformen des Hohlspiegels beschrieben. Wird, wie in 3A und 3B der Hohlspiegel 26 vorzugsweise stark reflektierend und nicht transmittierend oder nur wenig transmittierend ausgebildet, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Hohlspiegel 26 eine Beleuchtungsapertur 52 zum Durchtritt von Licht der Beleuchtungsoptik und/oder der Detektionsoptik aufweist. Dabei macht es bei stark reflektierenden Flächen 18 keinen großen Unterschied in der Intensität des in den Detektionsstrahlengang zurückgeworfenen Lichtes, ob das Licht direkt nach nur einmaliger Reflexion an der Fläche 18 in den Detektionsstrahlengang zurückgeworfen wird oder über den Hohlspiegel 26 und eine zweite Reflexion an der Fläche (indirekte Reflexion).
Alternativ kann auch ein teildurchlässiger insbesondere ein halbdurchlässiger Spiegel verwendet werden, der keine Beleuchtungsapertur aufweist. Das Licht wird dann vorzugsweise durch den teildurchlässigen Spiegel hindurch auf die zu vermessende Fläche projiziert und durch den teildurchlässigen Spiegel auch wieder in den Detektionsstrahlengang zurückgeworfen.
In einer weiteren, in 3C veranschaulichten Ausführungsform weist der Hohlspiegel einen um die optische Achse (20) herum angeordneten Gradientenbereich (54) derart aufweist, dass die Reflektivität des Hohlspiegels (26) im Gradientenbereich (54) mit steigendem Abstand von der optischen Achse (20) kontinuierlich zunimmt, während hingegen die Transmittivität des Hohlspielgels (26) im Gradientenbereich (54) mit steigendem Abstand von der optischen Achse (20) kontinuierlich abnimmt. Aufgrund dieses Verlaufs der Reflektivität und/oder Transmittivität wird erreicht, dass der Unterschied in den Intensitäten zwischen direkt und indirekt reflektiertem Licht gering ausfällt.
Auch wenn sich – wie z. B. bei schwach reflektierenden Flächen 18 – die Intensität von direkt und indirekt reflektiertem Licht stark unterscheiden, ist eine Messung sowohl für Flächenneigungen, bei denen es zu einer vollständig direkten oder indirekten Reflexion kommt, als auch für Flächenneigungen, bei denen ein Teil des Lichts direkt und der Rest indirekt reflektiert wird, möglich (so genannter Übergangsbereich). Wenn die Fläche 26 und der Messpunkt 16 während der Messung der Höhe an einem Punkt der Fläche relativ zueinander nur In einer Richtung parallel zur optischen Achse 20 verfahren, nicht aber gedreht werden, ändert sich der Anteil des direkt bzw. indirekt reflektierten Lichts kaum.
Um unabhängig von der Art (d. h. direkt, indirekt oder im Übergangsbereich) der Reflexion eine gleich hohe Genauigkeit zu erreichen, wird vorzugsweise die Empfindlichkeit des Punktsensors, insbesondere des Sensorelements, während der Messung aktiv nachgeregelt oder es werden mehrere Sensoren mit unterschiedlichen Empfindlichkeitsbereichen eingesetzt. In letztem Fall können entweder alle Sensoren während der gesamten Messung mitlaufen und am Ende gegebenenfalls automatisiert festgelegt werden, welche Aufnahme ausgewertet werden soll, oder während der Messung der Sensor automatisch gewechselt werden. Dies kann z. B. bei der Überschreitung gewisser Grenzwerte erfolgen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die schematisch in 3D veranschaulicht ist, bietet die Erfindung eine chromatische Messvorrichtung. Dazu umfasst die Vorrichtung eine Vielzahl von dichroitischen, kugelförmigen Hohlspiegeln 26, welche Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche reflektieren und deren Krümmungsmittelpunkte an unterschiedlichen Positionen entlang der optischen Achse 20 angeordnet sind. Jeder der Vielzahl von Hohlspiegeln 26 reflektiert also jeweils in einem anderen schmalen spektralen Band.
Insbesondere weist auch die Beleuchtungsoptik und die Detektionsoptik eine entsprechende Dispersion (Wellenlängenabhängigkeit) auf, dass für die verschiedenen, von den Hohlspiegeln reflektierten Wellenlängen das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht in unterschiedlichen Messpunkten 16 fokussiert wird. Die oben beschriebene konfokale Bedingung gilt daher für jede einzelne Wellenlänge bzw. jeden einzelnen Wellenlängenbereich. Allerdings ist es nun nicht mehr erforderlich, die Fläche 18 auf einen einzigen Messpunkt 16 auszurichten. Stattdessen ist der Punktsensor vorzugsweise ausgelegt, nicht (oder nicht nur) die Intensität bzw. Leistung des erfassen Lichts zu ermitteln, sondern (auch) die Wellenlänge (Farbe) des Lichts maximaler Intensität. Damit steht dann fest, welcher der Vielzahl von Messpunkten 16 auf der zu messenden Fläche liegt.
Zusammenfassend bietet die vorliegende Erfindung insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur konfokalen Vermessung zumindest teilweise reflektierender Flächen, welche auch für einen großen Winkelbereich von Flächennormalen funktionieren. Insbesondere ist es damit möglich, Flächen zu messen, deren Orientierung nicht a priori bekannt ist oder sich über die Fläche ändert. Auch eine vollflächige bzw. abtastende berührungslose (und somit zerstörungsfreie) Messung derartiger Flächen wird damit möglich. Beispielsweise lassen sich damit Randdicken von Brillengläsern oder Linsen oder deren gesamter Flächenverlauf (auch bei Freiformflächen) ermitteln. Konventionelle konfokale Sensoren können dagegen lediglich zur Messung der Mittendicke eines Glases in einfacher Weise herangezogen werden, da dort die Flächennormale bekannt ist und weitgehend senkrecht zur lateralen Ebene des Glases steht, während sich – insbesondere bei großflächigen Linsen mit starker Wirkung – die Richtung der lokalen Oberflächennormale an vom Zentrum entfernten Punkten stark ändern und von der Richtung der Oberflächennormale im Mittelpunkt abweichen kann.
Die Erfindung eignet sich für eine Vielzahl möglicher Anwendungen, insbesondere zur einfachen Positionsbestimmung, aber auch für abtastende Verfahren, bei denen der Messpunkt lateral über eine Fläche eines zu vermessende Objekt bewegt wird, um mehrere zu messende Punkte anzufahren (z. B. Einsatz in Koordinatenmessgeräten). Selbstverständlich kann auch das Objekt bei feststehendem Messpunkt bewegt werden. Bei einem abtastenden Verfahren kommt der Vorteil der Winkelunabhängigkeit besonders zum Tragen, da so sehr einfach Flächen vermessen werden können, deren Neigung sich über die Fläche stark bzw. in a priori unbekannter Weise ändert.
Die Erfindung lässt sich auch in scanende Verfahren sehr vorteilhaft einsetzen. Dabei wird vorzugsweise nicht die gesamte Vorrichtung sondern nur der Messpunkt lateral über das zu vermessende Objekt bzw. die vermessenden Fläche bewegt. Dazu wird vorzugsweise durch Scanning-Units der Beleuchtungsstrahlengang, der Detektionsstrahlengang oder beide entsprechend manipuliert. Dies kann beispielsweise durch akustisch-optische Modulatoren (AOMs), bewegliche Spiegel wie galvanometrische (Mikro)spiegel oder ähnliche Einrichtungen zur Strahlablenkung als auch durch Nipkow-Scheiben, transparente Displays oder andere Arten von manipulierbaren Blenden geschehen.
Als eine weitere bevorzugte Anwendung wird der Einsatz in flächigen, ortsaufgelösten Detektoren oder Beleuchtungseinrichtungen vorgeschlagen. Dabei ist stets sicherzustellen, dass sich der Mittelpunkt der Krümmung des Hohlspiegels – z. B. durch Verfahren des Spiegels – immer im gerade aktiven Messpunkt der Vorrichtung befindet.
In einer weiteren bevorzugten Anwendung werden zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen gleichzeitig genutzt, um eine Vorder- und eine Rückfläche eines zu untersuchenden Objekts gleichzeitig zu vermessen. Damit ist in besonders effizienter und schneller Weise ein Dickenmessung beispielsweise von Brillengläsern oder Linsen möglich. Eine besondere hohe Genauigkeit wird dabei erreicht, wenn die optischen Achsen, auf denen die Messpunkte der beiden Vorrichtungen liegen, übereinstimmen. Insbesondere bei (semi)transparenten Objekten wird durch eine Messung des Reflexes an der Vorder- und an der Rückseite bereits mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Dickenmessung ermöglicht.
Das vorgestellte Verfahren eignet sich dabei auch zur Messung von Objekten, die Aufgrund der Lage der Oberflächennormalen mit herkömmlichen Verfahren nicht oder nicht zerstörungsfrei vermessen werden können.
Bezugszeichenliste

10: Messvorrichtung
12: Lichtquelle
14: Leuchtpunkt
16: Messpunkt
18: zu messende Fläche
20: optische Achse
22: Mess-Richtung
24: Scan-Richtung
26: Hohlspiegel
28: Detektionspunkt
30: Punktsensor
32: Sensorblende
34: Sensoroptik (Sensorlinse)
36: Sensorelement
38: Lochblende
40: Leuchtmittel
42: Lichtquellenoptik (Lichtquellenlinse)
44: Kollimatorlinse
46: Objektivlinse
48: Strahlteiler
50: Detektionslinse
52: Beleuchtungsapertur
54: Gradientenbereich
112: erste Linse
114: Leuchtmittel
116: Brennpunkt
118: erste Blende
120: zweite Linse
122: dritte Linse
124: zu messende Fläche
126: Brennpunkt der Beleuchtungseinheit
128: Strahlteiler
130: vierte Linse
132: zweite Blende
134: fünfte Linse
130: Sensor
138: Mess-Richtung (z-Richtung)
140: Scan-Richtung (x/y-Richtung)

Claims

Vorrichtung (10) zum Messen einer zumindest teilweise reflektierenden Fläche (18), umfassend: – eine Lichtquelle (12); – eine Beleuchtungsoptik (44, 46), die die Lichtquelle (12) auf einen auf einer optischen Achse (20) der Beleuchtungsoptik (44, 46) liegenden Messpunkt (16) abbildet; – einen kugelförmigen Hohlspiegel (26), dessen Krümmungsmittelpunkt im Messpunkt (16) liegt; – eine Detektionsoptik (46, 50), die den Messpunkt auf einen Detektionspunkt (28) abbildet; und – einen Punktsensor (30), der ausgelegt ist, selektiv das im Detektionspunkt (28) eintreffende Licht zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche eine Verschiebeeinrichtung umfasst, mittels der die zu messende Fläche (18) zumindest teilweise in einer Richtung parallel zur optischen Achse (20) relativ zum Messpunkt (16) verschiebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtquelle (12) umfasst: – ein Leuchtmittel (40); – eine Lochblende (38); und – eine Fokussieroptik (42), die zumindest einen Teil des vom Leuchtmittel (40) emittierten Lichts auf die Lochblende (38) fokussiert.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Punktsensor (30) umfasst: – eine Lochblende (32); – ein Sensorelement (36); und – eine Fokussieroptik (34), die zumindest einen Teil des vom Detektionspunkt (28) auslaufenden Lichts auf das Sensorelement (36) fokussiert.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, welche außerdem einen Strahlteiler (48) zum Einkoppeln von Licht der Beleuchtungsoptik in einen gemeinsamen Strahlengang der Beleuchtungsoptik und der Detektionsoptik oder zum Auskoppeln von Licht der Detektionsoptik aus dem gemeinsamen Strahlengang der Beleuchtungsoptik und der Detektionsoptik aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, welche eine Objektivelement (46) umfasst, das vom Beleuchtungsstrahlengang und vom Detektionsstrahlengang gemeinsam genutzt wird, und das Licht aus dem Beleuchtungsstrahlengang im Messpunkt fokussiert.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der kugelförmige Hohlspiegel (26) einen Raumwinkel von zumindest etwa π/2, vorzugsweise zumindest etwa π, noch mehr bevorzugt zumindest etwas 2π abdeckt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der kugelförmige Hohlspiegel (26) eine Beleuchtungsapertur (52) zum Durchtritt von Licht der Beleuchtungsoptik und/oder der Detektionsoptik aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der kugelförmige Hohlspiegel (26) einen um die optische Achse (20) herum angeordneten Gradientenbereich (54) derart aufweist, dass die Reflektivität des Hohlspiegels (26) im Gradientenbereich (54) mit steigendem Abstand von der optischen Achse (20) kontinuierlich zunimmt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend eine Steuereinrichtung, welche ausgelegt ist, die Verschiebeeinrichtung derart zu steuern, dass das vom Punktsensor erfasste Licht ein Maximum in der Leistung erreicht.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, welche eine Vielzahl von dichroitischen, kugelförmigen Hohlspiegeln umfasst, welche Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche reflektieren und deren Krümmungsmittelpunkte an unterschiedlichen Positionen entlang der optischen Achse angeordnet sind.
Verfahren zum Messen einer zumindest teilweise reflektierenden Fläche (18), umfassend: – Bereitstellen einer Lichtquelle (12) und einer Beleuchtungsoptik (44, 46), die die Lichtquelle (12) auf einen auf einer optischen Achse (20) der Beleuchtungsoptik (44, 46) liegenden Messpunkt (16) abbildet; – Bereitstellen eines kugelförmigen Hohlspiegels (26) derart, dass der Krümmungsmittelpunkt des Hohlspiegels (26) im Messpunkt (16) liegt; – Bereitstellen einer Detektionsoptik (46, 50), die den Messpunkt auf einen Detektionspunkt (28) abbildet; – selektives Erfassen des im Detektionspunkt (28) eintreffenden Lichts; und – Verschieben der zu messende Fläche (18) zumindest teilweise in einer Richtung parallel zur optischen Achse (20) relativ zum Messpunkt (16) bis das erfasste Licht ein Maximum an Lichtleistung aufweist.
Verfahren zum Messen einer zumindest teilweise reflektierenden Fläche (18), umfassend: – Bereitstellen einer Lichtquelle (12), welche Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen aussendet; – Bereitstellen einer Beleuchtungsoptik (44, 46), die die Lichtquelle (12) für jede der Vielzahl von Wellenlängen auf einen anderen auf einer optischen Achse (20) der Beleuchtungsoptik (44, 46) liegenden Messpunkt (16) abbildet; – Bereitstellen einer Vielzahl von dichroitischen kugelförmigen Hohlspiegeln (26) derart, dass jeder dieser Hohlspiegel (26) Licht einer anderen der Vielzahl von Wellenlängen reflektiert, wobei für jeden Hohlspiegel (26) dessen Krümmungsmittelpunkt an demjenigen der Vielzahl von Messpunkten (16) liegt, auf den die Lichtquelle für die vom jeweiligen Hohlspiegel (26) reflektierte Wellenlänge abgebildet wird; – Bereitstellen einer Detektionsoptik (46, 50), die die Vielzahl von Messpunkten (16) auf einen gemeinsamen Detektionspunkt (28) abbildet; und – selektives Erfassen des im Detektionspunkt (28) eintreffenden Lichts für jeder der Vielzahl von Wellenlängen.