DE102012021179A1 - Method for magnification of resolving power in line scanning technical surface, involves locating focusing lens next to optical element on line at regular intervals so that light spot of line are arranged offset from each other - Google Patents

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Abstract

The method involves emitting collimated light beams from the light source (1) such as laser diode. The light beams are passed through the diffractive optical element (2) and focusing lens (3). The focusing lens is located next to diffractive optical element on line (4) at regular intervals so that the light spot (5) of line are arranged offset from each other at the spots of the line, typically by half the distance. An independent claim is included for device for magnification of resolving power in line scanning technical surface.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergrößerung des Auflösungsvermögens beim Linienscannen technischer Oberflächen gemäß dem Patentanspruch 1.The invention relates to a method for increasing the resolution capability in line scanning of technical surfaces according to claim 1.

Eine derartige Linienscannung ist beispielsweise aus der DE 10 2008 031 412 A1 bekannt.Such a line scanning is for example from the DE 10 2008 031 412 A1 known.

Bei dieser Art des Scannens werden Bildpunkte auf einer Linie nebeneinander durch beispielsweise nebeneinander angeordnete Mikrolinsen bzw. Konfokalblenden erzeugt. Hierzu ist ein erheblicher konstruktiver und Justieraufwand erforderlich.In this type of scanning pixels are generated on a line next to each other by, for example juxtaposed microlenses or confocal. For this purpose, a considerable constructive and adjustment effort is required.

Es ist daher wie in der 2 dargestellt auch bereits eine einfacherere Variante realisiert worden, bei der als Lichtquelle beispielsweise eine Laserdiode vorgesehen ist, deren Licht kolliminiert wird und dann durch ein diffraktives optisches Element (Beugungsgitter) und eine Abbildungsoptik, bestehend aus mindestens einer Linse als Lichtspotreihe abgebildet wird. Diese Lichtspotreihe wird in einem Anwendungsfall mittels einer ansonsten bekannten Konfokaloptik auf die zu vermessende Oberfläche abgebildet.It is therefore like in the 2 also shown a simpler version has already been realized in which a laser diode is provided as a light source, for example, whose light is collimated and then by a diffractive optical element (diffraction grating) and imaging optics, consisting of at least one lens is shown as Lichtspotreihe. This light spot row is imaged in an application by means of an otherwise known confocal optics on the surface to be measured.

Wie aus der 3 hervorgeht, sind die so erzeugten Lichtspots mit einem Durchmesser d auf einer Linie in gleichen Abständen a zueinander angeordnet. Durch ein hinreichend großes Abstands- zu Spotdurchmesserverhältnis a/d werden Wechselwirkungen zwischen benachbarten Spots unterdrückt.Like from the 3 As can be seen, the light spots thus produced are arranged with a diameter d on a line at equal distances a to each other. By a sufficiently large distance to spot diameter ratio a / d, interactions between adjacent spots are suppressed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass die Messpunktdichte auf den Linien vergrößert werden kann, ohne optische Wechselwirkungen zwischen den Messkanälen sowie hohes Hintergrundlicht in Kauf zu nehmen.The invention has for its object to provide a method and an apparatus of the type mentioned in such a way that the measuring point density can be increased on the lines without accepting optical interactions between the measuring channels and high background light in purchasing.

Es gingen Überlegungen dahin, eine Verdoppelung der Messpunktanzahl auf einer Linie vorzusehen, indem man zwischen jeweils zwei Messpunkten einen weiteren plaziert. Wechselwirkungen, die mit einer solchen Anordnung zwangsläufig verbunden wären, disqualifizieren diesen Lösungsansatz jedoch. Zum Stand der Technik gehört es auch durch Einsatz ein oder mehrerer Beugungsgitter mit einer geeigneten Software derartige Lichtspatreihen zu erzeugen. Der konstruktive und Justieraufwand ist jedoch auch hier sehr hoch.Consideration was given to provide for a doubling of the number of measuring points on a line by placing another one between every two measuring points. However, interactions that would necessarily be associated with such an arrangement disqualify this approach. It is also part of the state of the art to produce such light spar rows by using one or more diffraction gratings with suitable software. However, the design and adjustment effort is very high here.

Die Erfindung löst die ihr gestellte Aufgabe gemäß dem Anspruch 1 dadurch, dass zwei aus mindestens einer Lichtquelle emittierte kollimierte Lichtstrahlen verwendet werden, die über ein diffraktives optisches Element (DOE) und eine fokussierende Linse jeweils auf einer Zeile (Linie) in gleichmäßigen Abständen nebeneinander angeordnete Lichtspots erzeugen, wobei die Lichtspots auf zwei parallel zueinander verlaufenden Linien derart angeordnet sind, dass die Lichtspots der einen Linie jeweils gegenüber den Lichtspots der anderen Zeile versetzt angeordnet sind, vorzugsweise um den halben Abstand a wie in 4 dargestellt. Somit ist gewährleistet, dass beim Scanvorgang, der in Linienfrontrichtung erfolgt, zunächst die erste Linie die Oberfläche abtastet und gleich darauf folgend die zweite mit den versetzt angeordneten Lichtspots.The invention achieves its stated object according to claim 1, characterized in that two collimated light beams emitted from at least one light source are used, which are arranged side by side via a diffractive optical element (DOE) and a focusing lens on one line (line) at regular intervals Generate light spots, the light spots are arranged on two mutually parallel lines such that the light spots of one line are each offset from the light spots of the other line, preferably by half the distance a as in 4 shown. This ensures that during the scanning process, which takes place in the direction of the line, first the first line scans the surface and immediately afterwards the second with the staggered light spots.

Hierdurch ist eine Verdoppelung der Messpunkte und somit der Kanalzahlen für die Auswertung gegeben, ohne dass sich die Messpunkte gegenseitig stören, da ein Mindestabstand zur Ausschaltung der Wechselwirkungen gegeben ist.This doubles the measuring points and thus the channel numbers for the evaluation, without the measuring points interfering with each other, since there is a minimum distance to eliminate the interactions.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird gemäß Anspruch 2 eine Vorrichtung benutzt, bei der zwischen einer Lichtquelle, die einen kollimierten und polarisierten Strahl emittiert, und einem diffraktiven optischen Element ein Wollaston-Prisma angeordnet ist, wobei das Prisma und das diffraktive optische Element relativ zueinander um die optische Achse verdrehbar sind. Die aus dem Wollaston-Prisma kommenden orthogonal polarisierten und verkippten Teilstrahlen generieren zusammen mit dem DOE zwei zueinander versetzte Messpunktlinien, welche durch die Linse fokussiert werden.In a preferred embodiment of the invention, according to claim 2, a device is used in which a Wollaston prism is arranged between a light source emitting a collimated and polarized beam and a diffractive optical element, the prism and the diffractive optical element being relative to each other can be rotated about the optical axis. The orthogonally polarized and tilted partial beams coming from the Wollaston prism, together with the DOE, generate two mutually offset measuring point lines, which are focused by the lens.

Die Aufteilung eines Lichtstrahls in zwei senkrecht zueinander polarisierte Strahlen durch ein Wollaston-Prisma ist zwar bereits aus der DE 10 2004 044 343 bekannt. Hier wird dieser Effekt jedoch für einen gänzlich anderen Zweck verwendet (Phasenmikroskop).The splitting of a light beam into two beams perpendicularly polarized by a Wollaston prism is already out of the DE 10 2004 044 343 known. Here, however, this effect is used for a completely different purpose (phase microscope).

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können durch Einstellung des Verdrehwinkels (beispielsweise 45° wie in Anspruch 8 vorgeschlagen) die Messpunkte der einzelnen Linien so voneinander beabstandet werden, dass optische Wechselwirkungen zwischen den Linien unterbleiben.With the arrangement according to the invention, by adjusting the angle of rotation (for example 45 ° as proposed in claim 8), the measuring points of the individual lines can be spaced apart from one another such that optical interactions between the lines are avoided.

Die Einstellung muss so erfolgen, dass wie der Anspruch 4 lehrt, die erzeugten Spots in zwei einander parallelen Reihen versetzt zueinander angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen benachbarten Spots einer Linie sowie zwischen den Linien so gewählt ist, dass eine hinreichende Unterdrückung von Wechselwirkungen zwischen den Spots sichergestellt ist.The adjustment must be such that, as claimed in claim 4, the generated spots are arranged in two parallel rows offset from one another, the distance between adjacent spots of a line and between the lines being chosen such that a sufficient suppression of interactions between the lines Spots is ensured.

D. h., dass wie in Anspruch 5 ausgeführt, bei einem Spotdurchmesser von d die Abstände der Spots auf den Linien ein Vielfaches von d, z. B. 5 × d betragen müssen und der Abstand eines Lichtspots auf der einen Linie vom benachbarten, versetzten Lichtspot auf der anderen Linie ebenfalls ein Vielfaches (z. B. 5 × d) betragen muss, damit störende Wechselwirkungen zwischen den Spots bei Messung einer Oberfläche vermieden werden.That is, as stated in claim 5, with a spot diameter of d, the distances of the spots on the lines are a multiple of d, e.g. B. 5 x d must be and the distance of a light spot on the one line from the adjacent, offset light spot on the other line also a Multiple (eg 5 × d) must be so that disturbing interactions between the spots when measuring a surface can be avoided.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird die Lichtspotdichte, die zur Messung zur Verfügung steht, verdoppelt, z. B. von 129 Spots auf 258 Spots.The inventive device, the light spot density, which is available for measurement, doubled, z. From 129 spots to 258 spots.

Bei der erfindungsgemäßen Lichtspoterzeugung und der hiermit verbundenen Verdoppelung der Lichtspotdichte dienen die Lichtspots als Beleuchtung-Pinholes im Sinne der konfokalen Mikroskopie, die an sich eine bekannte Technik ist. Aus diesem Grunde wird nicht näher hierauf eingegangen.In the light generation according to the invention and the associated doubling of the light spot density, the light spots serve as illumination pinholes in the sense of confocal microscopy, which in itself is a known technique. For this reason, will not be discussed in detail.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen dargestellt und erläutert.The invention is illustrated and explained below with reference to drawings.

Es zeigen:Show it:

1 Vorrichtung zur Erzeugung von parallelen Multi-Spotlinien 1 Device for generating parallel multi-spot lines

2 Vorrichtung zur Erzeugung einer einzigen Multispotlinie gemäß Stand der Technik 2 Device for producing a single multi-spot line according to the prior art

3 Verteilung der Messpunkte gemäß 2 3 Distribution of measuring points according to 2

4 Verteilung der Messpunkte gemäß 1 4 Distribution of measuring points according to 1

In den 1 und 2 ist mit dem Bezugszeichen 1 eine als Laserdiode ausgebildete Lichtquelle bezeichnet, die über einen nicht näher dargestellten Kollimator ein paralleles Lichtbündel ausstrahlt.In the 1 and 2 is with the reference numeral 1 Designated as a laser diode light source which emits a parallel light beam via a collimator, not shown.

In der 2 ist eine Vorrichtung gemäß Stand der Technik dargestellt, bei der der parallele Lichtstrahl ein diffraktives optisches Element DOE (Beugungsgitter) 2 durchstrahlt und danach mittels einer Linse 3 fokussiert wird, wobei auf einer Linie 4 angeordnete Lichtspots 5 erzeugt werden.In the 2 a device according to the prior art is shown, in which the parallel light beam is a diffractive optical element DOE (diffraction grating) 2 radiates through and then by means of a lens 3 being focused, being on a line 4 arranged light spots 5 be generated.

In der 3 ist eine derartige Linie 4 angedeutet, wobei die einzelnen Lichtspots einen Durchmesser d und einen Abstand a zueinander aufweisen.In the 3 is such a line 4 indicated, wherein the individual light spots have a diameter d and a distance a from each other.

Um eine Verdoppelung der Messkanäle der Scannvorrichtung zu erhalten, ist es jedoch nicht ohne weiteres möglich, zwischen die Lichtspots jeweils einen weiteren zu setzen. Hierdurch wurden sich störende optische Wechselwirkungen zwischen den Spots ergeben. Ebenso ist es nicht möglich die Linie mit Lichtspots einfach zu verlängern, da die abbildende Optik ein technisch begrenztes Bildfeld aufweist.In order to achieve a doubling of the measuring channels of the scanning device, however, it is not readily possible to set a further one between the light spots. This resulted in disruptive optical interactions between the spots. Likewise, it is not possible to simply extend the line with light spots, since the imaging optics has a technically limited field of view.

In der 3 ist ein mögliches Spotmuster dargestellt, bei dem zwei Linien in parallelem Abstand s zueinander vorgesehen sind, und die einzelnen Lichtspots unter Beibehaltung des Abstands a in der jeweiligen Linie durch versetzte Anordnung benachbarter Spots in beiden Linien eine räumlich voneinander genügend getrennte Anordnung ergeben, die eine Verdoppelung der Messkanäle ermöglicht.In the 3 a possible spot pattern is shown, in which two lines are provided at a parallel distance s to each other, and the individual light spots result in a spatially mutually sufficiently separate arrangement, maintaining the distance a in the respective line by staggered arrangement of adjacent spots in both lines allows the measuring channels.

In der 1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines derartigen Musters dargestellt.In the 1 a device for producing such a pattern is shown.

Der kollimierte Lichtstrahl aus der Lichtquelle 1 wird durch ein Wollaston-Prisma 6 geleitet, in dem der Strahl in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen aufgespalten wird. Die beiden Teilstrahlen werden durch eine parallelisierende Linse 7 auf das diffraktive Element 2 geleitet, wonach sie dann über die fokussierende Linse 3, die alternierend angeordneten Lichtspots erzeugen.The collimated light beam from the light source 1 becomes through a Wollaston prism 6 directed, in which the beam is split into two perpendicular to each other polarized partial beams. The two partial beams are through a parallelizing lens 7 on the diffractive element 2 after which she then passes over the focusing lens 3 which generate alternately arranged light spots.

Hierzu sind Wollaston-Prisma und diffraktive Optik relativ zueinander um die optische Achse verdreht. Auf diese Weise ergibt sich die räumliche Trennung zwischen den beiden Lichtspotlinien.For this purpose, Wollaston prism and diffractive optics are rotated relative to each other about the optical axis. In this way, the spatial separation between the two light spot lines results.

Die Lichtspots werden auf die zu vermessende Oberfläche abgebildet, und mittels eines an sich bekannten Konfokalmikroskops findet dann die Beobachtung dieser Messpunkte zum Abscannen der Oberfläche statt.The light spots are imaged onto the surface to be measured, and then by means of a confocal microscope known per se, the observation of these measuring points for scanning the surface takes place.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102008031412 A1 [0002] DE 102008031412 A1 [0002]
  • DE 102004044343 [0011] DE 102004044343 [0011]

Claims (8)

Verfahren zur Vergrößerung des Auflösungsvermögens beim Linienscannen technischer Oberflächen mittels zweier aus mindestens einer Lichtquelle (1) emittierten kollimierten Lichtstrahlen, die über ein diffraktives optisches Element (DOE) (2) und eine fokussierende Linse (3) jeweils auf einer Zeile (Linie) in gleichmäßigen Abständen nebeneinander angeordnete Lichtspots erzeugen, wobei die Lichtspots auf zwei parallel zueinander verlaufenden Linien derart angeordnet sind, dass die Lichtspots der einen Linie jeweils versetzt zu den Spots der anderen Linie angeordnet sind, typischerweise um den halben Abstand.Method for increasing the resolution of line scanning of technical surfaces by means of two from at least one light source ( 1 ) emitted collimated light rays via a diffractive optical element (DOE) ( 2 ) and a focusing lens ( 3 ) in each case on a line (line) at evenly spaced juxtaposed light spots, the light spots are arranged on two mutually parallel lines such that the light spots of one line are each offset from the spots of the other line, typically by half Distance. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Lichtquelle, deren kollimierter Lichtstrahl durch ein diffraktives optisches Element (DOE) und eine fokussierende Linse eine Vielzahl von auf einer Linie angeordneten Lichtpunkten (Spots) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Lichtquelle (1) und diffraktivem optischen Element (DOE) (2) ein Wollaston-Prisma (6) und eine die beiden aus dem Prisma (6) kommenden orthogonal polarisierten Teilstrahlen parallelisierende Linse (7) angeordnet ist, wobei das Prisma (6) und die diffraktive Optik (2) relativ zueinander um die optische Achse verdrehbar sind.Device for carrying out the method with a light source whose collimated light beam generates a plurality of light spots (spots) arranged on a line by means of a diffractive optical element (DOE) and a focusing lens, characterized in that between light source ( 1 ) and diffractive optical element (DOE) ( 2 ) a Wollaston prism ( 6 ) and one of the two from the prism ( 6 ) orthogonal polarized partial beams parallelizing lens ( 7 ), wherein the prism ( 6 ) and the diffractive optics ( 2 ) are rotatable relative to each other about the optical axis. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) eine Laserdiode ist.Device according to claim 2, characterized in that the light source ( 1 ) is a laser diode. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugten Spots in zwei einander parallelen Reihen versetzt zueinander angeordnet sind, wobei der Abstand der Spots so gewählt ist, dass ein ausreichend großes Abstands-zu Spotdurchmesserverhältnis erzielt wird.Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the spots produced are arranged in two parallel rows offset from one another, wherein the spacing of the spots is selected so that a sufficiently large distance to spot diameter ratio is achieved. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der auf de Objektoberfläche abgebildeten Spots in jeder Reihe etwa 5 μm und der Abstand eines Spots zum nächsten Spot der benachbarten parallelen Reihe >= 5 μm beträgt.Apparatus according to claim 4, characterized in that the distance of the images imaged on the object surface spots in each row about 5 microns and the distance of a spot to the next spot of the adjacent parallel row> = 5 microns. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Reihe 129 Spots vorhanden sind.Device according to one of claims 2 to 5, characterized in that there are 129 spots in each row. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in zwei Reihen erzeugten Spots in Reihenfrontrichtung über die zu vermessende Oberfläche bewegt werden und jedem Lichtspot ein Messkanal zugeordnet ist, wobei die Spots als Beleuchtungs-Pinholes im Sinn der konfokalen Mikroskopie dienen.Device according to one of claims 2 to 6, characterized in that the spots generated in two rows are moved in the row front direction over the surface to be measured and each light spot is associated with a measuring channel, the spots serve as illumination pinholes in the sense of confocal microscopy. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Verdrehung zwischen diffraktiver Optik (2) und dem Wollaston-Prisma (6) 45° beträgt.Device according to one of claims 2 to 7, characterized in that the relative rotation between diffractive optics ( 2 ) and the Wollaston prism ( 6 ) Is 45 °.
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