DE102016209090A1

DE102016209090A1 - Device and method for the optical analysis of a test object

Info

Publication number: DE102016209090A1
Application number: DE102016209090.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Henning; Friedrich Fleischmann
Original assignee: Hochschule Bremen
Current assignee: Hochschule Bremen
Priority date: 2016-05-25
Filing date: 2016-05-25
Publication date: 2017-11-30
Also published as: WO2017202924A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Analyse eines Prüflings (2). Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Strahlquelle (1) zur Generierung eines Prüfstrahls (P), der im Betrieb der Vorrichtung auf den Prüfling (2) gerichtet wird und diesen passiert, sowie einen Strahlteiler (3) zur Erzeugung mehrerer Teilstrahlen (T1, T2, ..., T5) durch Aufteilen des Prüfstrahls (P) nach Passieren des Prüflings (2) in die mehreren Teilstrahlen (T1, T2, ..., T5), wobei der Strahlteiler (3) zwei strahlteilende Flächen (3a, 3b) umfasst, welche derart ausgestaltet sind, dass sie jeweils eine Strahlteilung durch Reflexion und Transmission eines darauf fallenden Strahls bewirken. Ferner weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Detektor (5) zur ortsaufgelösten Detektion der mehreren Teilstrahlen (T1, T2, ..., T5) auf, wobei der Detektor (5) zumindest eine Detektionsfläche (5a) umfasst, auf welcher die mehreren Teilstrahlen (T1, T2, ..., T5) auftreffen, und wobei für jede strahlteilenden Fläche (3a, 3b) zumindest ein detektierter Teilstrahl (T1, T2, ..., T5) existiert, an dessen Erzeugung zumindest eine Reflexion an der jeweiligen strahlteilenden Fläche (3a, 3b) beteiligt ist. Der Strahlteiler (3) ist derart ausgestaltet, dass die Teilstrahlen (T1, T2, ..., T5) unterschiedliche optische Weglängen vom Prüfling (2) bis zum Auftreffen auf der zumindest einen Detektionsfläche (5a) zurücklegen. Eine Auswerteeinheit (6) ist zur Bestimmung eines Strahlverlaufs des Prüfstrahls (P) nach Passieren des Prüflings (2) unter Verwendung der ortsaufgelösten Detektion der mehreren Teilstrahlen (T1, T2, ..., T5) vorgesehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Strahlteiler (3) derart ausgestaltet ist, dass alle detektierten Teilstrahlen (T1, T2, ..., T5) über die gleiche strahlteilende Fläche (3a, 3b) den Strahlteiler (3) verlassen und anschließend auf der zumindest einen Detektionsfläche (5a) auftreffen.The invention relates to a device for optical analysis of a test piece (2). The device according to the invention comprises a beam source (1) for generating a test beam (P) which is directed at the device under test (2) and passes through it, and a beam splitter (3) for generating a plurality of partial beams (T1, T2,. .., T5) by dividing the test beam (P) after passing through the test piece (2) in the plurality of partial beams (T1, T2, ..., T5), wherein the beam splitter (3) comprises two beam splitting surfaces (3a, 3b) , which are designed such that they each cause a beam splitting by reflection and transmission of a beam incident thereon. Furthermore, the device according to the invention has a detector (5) for spatially resolved detection of the plurality of partial beams (T1, T2,..., T5), wherein the detector (5) comprises at least one detection surface (5a) on which the plurality of partial beams (T1 , T2, ..., T5), and wherein at least one detected partial beam (T1, T2,..., T5) exists for each beam-splitting surface (3a, 3b), at the production of which at least one reflection at the respective beam-splitting surface (3a, 3b) is involved. The beam splitter (3) is designed in such a way that the partial beams (T1, T2,..., T5) cover different optical path lengths from the test specimen (2) to the impact on the at least one detection surface (5a). An evaluation unit (6) is provided for determining a beam path of the test beam (P) after passing through the test object (2) using the spatially resolved detection of the plurality of partial beams (T1, T2,..., T5). The device according to the invention is characterized in that the beam splitter (3) is designed such that all detected partial beams (T1, T2, ..., T5) leave the beam splitter (3) via the same beam-splitting surface (3a, 3b) then impinge on the at least one detection surface (5a).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Analyse eines Prüflings. The invention relates to a device and a method for the optical analysis of a test object.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur optischen Analyse von Werkstoffen bzw. optischen Komponenten bekannt. In der Druckschrift DE 10 2007 003 681 A1 ist ein Verfahren zur Analyse einer optischen Einrichtung beschrieben, bei dem ein Prüfstrahl die optische Einrichtung passiert und der Strahlverlauf des Prüfstrahls über dessen Auftreffpositionen in mehreren Detektionsebenen bestimmt wird. Hierzu wird ein flächiger Intensitätssensor in die jeweiligen Detektionsebenen verschoben. Dabei kann die Oberfläche der optischen Einrichtung mittels des Prüfstrahls abgerastert werden und hierdurch Eigenschaften der optischen Einrichtung bestimmt werden, wie z.B. die Qualität der Abbildung durch Analyse der Wellenfront nach Passieren der optischen Einrichtung. Nachteilig an dem Verfahren dieser Druckschrift ist, dass zur Bestimmung des Strahlverlaufs des Prüfstrahls ein Sensor mit entsprechender Detektionsschicht bewegt werden muss, so dass die Vermessung der optischen Einrichtung aufwändig ist und lange dauert. Various methods for the optical analysis of materials or optical components are known from the prior art. In the publication DE 10 2007 003 681 A1 A method for analyzing an optical device is described in which a test beam passes through the optical device and the beam path of the test beam is determined via its impact positions in a plurality of detection planes. For this purpose, a two-dimensional intensity sensor is moved into the respective detection planes. In this case, the surface of the optical device can be scanned by means of the test beam and thereby properties of the optical device are determined, such as the quality of the image by analysis of the wavefront after passing through the optical device. A disadvantage of the method of this document is that to determine the beam path of the test beam, a sensor with a corresponding detection layer must be moved, so that the measurement of the optical device is complex and takes a long time.

Die Druckschrift DE 10 2013 219 440 A1 offenbart eine Vorrichtung zur optischen Analyse eines Prüflings gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Diese Vorrichtung umfasst eine Strahlquelle zur Generierung eines Prüfstrahls sowie einen Strahlteiler zum Aufteilen des Prüfstrahls nach Passieren des zu analysierenden Prüflings in mehrere Teilstrahlen. Mittels eines Detektors wird die Auftreffposition der Teilstrahlen auf eine Detektionsfläche erfasst. Durch die Verwendung eines Strahlteilers, mit dem verschiedene optische Weglängen der Teilstrahlen zwischen Prüfling und der Detektionsfläche erreicht werden, kann der Strahlverlauf des Prüfstrahls in lediglich einer Detektionsebene bestimmt werden. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, dass die Auftreffpositionen der erzeugten Teilstrahlen weit auseinander liegen, so dass durch den Prüfling verursachte größere Ablenkungen der Teilstrahlen mit herkömmlichen Detektoren mangels ausreichend großer Detektionsfläche nicht erfasst werden können. Der Akzeptanzwinkel, in dem Ablenkungen von Prüfstrahlen detektiert werden können, ist somit klein. Darüber hinaus ist der verwendete Strahlteiler in der Form mehrerer angrenzender Prismen komplex aufgebaut und weist große Abmessungen auf. The publication DE 10 2013 219 440 A1 discloses a device for optical analysis of a test specimen according to the preamble of claim 1. This device comprises a beam source for generating a test beam and a beam splitter for splitting the test beam after passing the test specimen to be analyzed into a plurality of partial beams. By means of a detector, the impact position of the partial beams is detected on a detection surface. By using a beam splitter with which different optical path lengths of the partial beams between the test object and the detection surface are achieved, the beam path of the test beam can be determined in only one detection plane. A disadvantage of this device is that the impact positions of the partial beams produced are far apart, so that caused by the DUT larger deflections of the partial beams with conventional detectors can not be detected for lack of sufficiently large detection area. The acceptance angle at which deflections of test beams can be detected is thus small. In addition, the beam splitter used in the form of several adjacent prisms is complex and has large dimensions.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit denen die optische Analyse eines Prüflings auf einfache Weise durchgeführt werden kann. The object of the invention is to provide a device and a method with which the optical analysis of a test specimen can be carried out in a simple manner.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 bzw. das Verfahren gemäß Patentanspruch 16 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. This object is achieved by the device according to claim 1 and the method according to claim 16. Further developments of the invention are defined in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Strahlquelle zur Generierung eines Prüfstrahls, der im Betrieb der Vorrichtung auf den Prüfling gerichtet wird und diesen passiert. Die Strahlquelle kann z.B. ein Laser zur Erzeugung eines Laserstrahls sein. Unter dem Begriff „Passieren des Prüflings“ fällt sowohl das Hindurchgehen des Prüfstrahls durch den Prüfling als auch die Reflexion des Prüfstrahls am Prüfling. The device according to the invention comprises a beam source for generating a test beam, which is directed to the device under test during operation of the device and passes through it. The beam source may e.g. a laser for generating a laser beam. The term "passing the test specimen" covers both the passage of the test beam through the specimen and the reflection of the test beam on the test specimen.

Die Vorrichtung eignet sich somit zur Analyse von sowohl reflektierenden Prüflingen als auch transmittierenden Prüflingen. Reflektierende Prüflinge sind dabei gerichtet reflektierende Objekte, welche den Prüfstrahl gerichtet ablenken und nicht (ausschließlich) streuen. The device is thus suitable for the analysis of both reflective specimens and transmitting specimens. Reflective test specimens are directionally reflecting objects which deflect the test beam directed and do not scatter (exclusively).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner einen Strahlteiler zur Erzeugung mehrerer Teilstrahlen durch Aufteilen des Prüfstrahls nach Passieren des Prüflings in die mehreren Teilstrahlen. Der Strahlteiler umfasst zwei strahlteilende Flächen, welche derart ausgestaltet sind, dass sie jeweils eine Strahlteilung durch Reflexion und Transmission eines darauf fallenden Strahls bewirken. In einer bevorzugten Ausführungsform werden durch den Strahlteiler drei oder mehr und insbesondere vier oder fünf oder mehr Teilstrahlen erzeugt. Eine jeweilige strahlteilende Fläche stellt eine kontinuierlich (d.h. ohne Höhensprünge) verlaufende Fläche dar, welche vorzugsweise aus einem einstückigen Material gebildet ist. Die strahlteilenden Flächen können z.B. durch Beschichtungen mit bekannten dielektrischen Materialien realisiert werden. The device according to the invention further comprises a beam splitter for generating a plurality of partial beams by splitting the test beam after passing the test specimen into the plurality of partial beams. The beam splitter comprises two beam-splitting surfaces, which are designed such that they each effect a beam splitting by reflection and transmission of a beam incident thereon. In a preferred embodiment, three or more and in particular four or five or more partial beams are generated by the beam splitter. A respective beam-splitting surface is a continuous (i.e., non-height-discontinuous) surface which is preferably formed of a one-piece material. The beam-splitting surfaces may be e.g. be realized by coatings with known dielectric materials.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Detektor zur ortsaufgelösten Detektion der mehreren Teilstrahlen vorgesehen, wobei der Detektor zumindest eine Detektionsfläche umfasst, auf welcher die mehreren Teilstrahlen auftreffen, und wobei für jede strahlteilenden Fläche zumindest ein durch den Detektor detektierter Teilstrahl existiert, an dessen Erzeugung zumindest eine Reflexion an der jeweiligen strahlteilenden Fläche beteiligt ist. Erfindungsgemäß werden somit mittels der zumindest einen Detektionsfläche die Auftreffpositionen der mehreren Teilstrahlen in einer ortsfesten Position des Detektors erfasst, wobei diese Position jedoch ggf. für eine Detektion mit einem neuen Prüfstrahl, der den Prüfling an einer anderen Stelle passiert, verändert werden kann. Vorzugsweise ist die zumindest eine Detektionsfläche eine ebene bzw. plane Fläche.In the apparatus according to the invention, a detector for spatially resolved detection of the plurality of partial beams is provided, wherein the detector comprises at least one detection surface on which impinge the plurality of partial beams, and wherein for each beam-splitting surface at least one detected by the detector beam exists, at the production of at least one Reflection is involved in the respective beam splitting surface. Thus, according to the invention, the impact positions of the plurality of partial beams are detected in a stationary position of the detector by means of the at least one detection surface, but this position can be changed if necessary for detection with a new test beam passing the test object at another location. Preferably, the at least one detection surface is a flat surface.

Der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete Strahlteiler ist derart ausgestaltet, dass die Teilstrahlen unterschiedliche optische Weglängen bis zum Auftreffen auf der zumindest einen Detektionsfläche zurücklegen. Ferner ist eine Auswerteeinheit zur Bestimmung des Strahlverlaufs des Prüfstrahls nach Passieren des Prüflings unter Verwendung der ortsaufgelösten Detektion der mehreren Teilstrahlen vorgesehen. The beam splitter used in the device according to the invention is designed such that the partial beams have different optical path lengths until they hit the at least one Return the detection surface. Furthermore, an evaluation unit is provided for determining the beam path of the test beam after passing through the test object using the spatially resolved detection of the plurality of partial beams.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Strahlteiler derart ausgestaltet ist, dass alle durch den Detektor detektierten Teilstrahlen über die gleiche strahlteilende Fläche den Strahlteiler verlassen und anschließend auf der zumindest einen Detektionsfläche auftreffen. Der Strahlteiler ist somit derart ausgestaltet und in diesem Sinne auch derart angeordnet, dass alle detektierten Teilstrahlen über die gleiche strahlteilende Fläche aus dem Strahlteiler austreten. Der obige Begriff des "Verlassens des Strahlteilers" ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass ein Teilstrahl, der den Strahlteiler verlässt, vor seiner Detektion nicht nochmals in den Strahlteiler eintritt. The device according to the invention is characterized in that the beam splitter is designed such that all sub-beams detected by the detector leave the beam splitter via the same beam-splitting surface and subsequently impinge on the at least one detection surface. The beam splitter is thus configured and in this sense also arranged such that all detected sub-beams emerge from the beam splitter via the same beam-splitting surface. The above term of "leaving the beam splitter" is to be understood here and below as meaning that a partial beam leaving the beam splitter does not re-enter the beam splitter before its detection.

Erfindungsgemäß kann durch die Verwendung einer einzelnen strahlteilenden Fläche, über welche alle (nachfolgend) detektierten Teilstrahlen austreten und an der auch Reflexionen der Teilstrahlen erfolgen, der gegenseitige Abstand der Teilstrahlen auf der zumindest einen Detektionsfläche verringert werden. Hierdurch wird der Akzeptanzwinkel der Vorrichtung erhöht. Ferner kann die Vorrichtung mit einem kompakt aufgebauten Strahlteiler realisiert werden. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil auf, dass der Strahlverlauf eines Prüfstrahls durch gleichzeitige Detektion von mehreren Teilstrahlen bestimmt werden kann, ohne dass Detektionsebenen bewegt werden müssen. Insbesondere entspricht die ortsaufgelöste Detektion der mehreren Teilstrahlen einer ortsaufgelösten Detektion des Prüfstrahls durch mehrere zueinander versetzte Detektionsebenen.According to the invention, the use of a single beam-splitting surface over which all (subsequently) detected partial beams emerge and at which also reflections of the partial beams take place reduces the mutual distance of the partial beams on the at least one detection surface. As a result, the acceptance angle of the device is increased. Furthermore, the device can be realized with a compact beam splitter. In addition, the device according to the invention has the advantage that the beam path of a test beam can be determined by simultaneous detection of a plurality of partial beams without having to move detection planes. In particular, the spatially resolved detection of the plurality of partial beams corresponds to a spatially resolved detection of the test beam by a plurality of mutually offset detection planes.

In einer bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind an der Erzeugung eines oder mehrerer der detektierten Teilstrahlen jeweils mehrere Reflexionen an den strahlteilenden Flächen beteiligt. Hierdurch kann die Detektion einer großen Anzahl von Teilstrahlen mit einem einzelnen Detektor erreicht werden. In a preferred variant of the device according to the invention, in each case a plurality of reflections at the beam-splitting surfaces are involved in the generation of one or more of the detected partial beams. Thereby, the detection of a large number of partial beams can be achieved with a single detector.

In einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Strahlteiler derart ausgestaltet, dass der Prüfstrahl nach Passieren des Prüflings über eine der strahlteilenden Flächen in den Strahlteilern eintritt. Unter "Eintritt in den Strahlteiler" ist dabei das erstmalige Auftreffen des Prüfstrahls auf der entsprechenden strahlteilenden Fläche nach Passieren des Prüflings zu verstehen. Mit dieser Ausführungsform kann eine Vorrichtung mit einem besonders kompakten Strahlteiler realisiert werden. In a further variant of the device according to the invention, the beam splitter is designed such that the test beam enters the beam splitters via one of the beam-splitting surfaces after passing the test specimen. The term "entry into the beam splitter" is to be understood as meaning the first-time impact of the test beam on the corresponding beam-splitting surface after passing through the test object. With this embodiment, a device with a particularly compact beam splitter can be realized.

In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform ist die zumindest eine Detektionsfläche eine einzelne (durchgehende) Detektionsfläche. Alternativ kann die Detektionsfläche auch mehrere, in der gleichen Ebene angeordnete Detektionsflächen umfassen. In a further, particularly preferred embodiment, the at least one detection surface is a single (continuous) detection surface. Alternatively, the detection surface may also comprise a plurality of detection surfaces arranged in the same plane.

In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform ist die zumindest eine Detektionsfläche an der strahlteilenden Fläche angeordnet, über welche die detektierten Teilstrahlen den Strahlteiler verlassen. Vorzugsweise liegt die zumindest eine Detektionsfläche an dieser strahlteilenden Fläche an. Hierdurch wird ein besonders kompakter Aufbau der Vorrichtung mit einem großen Akzeptanzwinkel erreicht.In a further, particularly preferred embodiment, the at least one detection surface is arranged on the beam-splitting surface, via which the detected partial beams leave the beam splitter. Preferably, the at least one detection surface bears against this beam-dividing surface. As a result, a particularly compact construction of the device with a large acceptance angle is achieved.

In einer weiteren bevorzugten Variante umfasst der Strahlteiler einen Körper aus für den Prüfstrahl und die Teilstrahlen transparentem (d.h. zumindest teilweise durchlässigem) Material, wobei an zwei gegenüber liegenden Grenzflächen des Körpers die strahlteilenden Flächen ausgebildet sind, z.B. mittels einer an sich bekannten Beschichtung aus dielektrischem Material. Das transparente Material kann z.B. Glas oder auch ein Kunststoff, wie z.B. PMMA (Polymethylacrylat) oder PC (Polycarbonat), sein. Gemäß dieser Ausführungsform ist der Strahlteiler besonders einfach aufgebaut. Der Strahlteiler kann jedoch gegebenenfalls auch anders aufgebaut sein, sofern gewährleistet ist, dass der Strahlteiler die Merkmale des Strahlteilers der Vorrichtung nach Anspruch 1 erfüllt. Insbesondere kann der Strahlteiler z.B. auch durch zwei gegenüber liegende und vorzugsweise parallel verlaufende Platten oder einen anderweitigen Resonator realisiert sein. In a further preferred variant, the beam splitter comprises a body of material transparent to the test beam and the partial beams (i.e., at least partially transmissive), the beam-splitting surfaces being formed on two opposite boundaries of the body, e.g. by means of a known coating of dielectric material. The transparent material may e.g. Glass or a plastic, such as PMMA (polymethyl acrylate) or PC (polycarbonate). According to this embodiment, the beam splitter is particularly simple. However, if necessary, the beam splitter can also have a different design, provided that it is ensured that the beam splitter fulfills the features of the beam splitter of the device according to claim 1. In particular, the beam splitter may be e.g. be realized by two opposite and preferably parallel plates or another resonator.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die strahlteilenden Flächen des Strahlteilers ebene bzw. plane Flächen Diese strahlteilenden Flächen können parallel zueinander oder gegebenenfalls auch schräg zueinander verlaufen. In a further preferred embodiment, the beam-splitting surfaces of the beam splitter are plane or planar surfaces. These beam-splitting surfaces can run parallel to one another or, if appropriate, also at an angle to one another.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, den Strahlverlauf des Prüfstrahls nach Passieren des Prüflings durch Ermittlung des Einfallswinkels des Prüfstrahls an einer der strahlteilenden Flächen zu bestimmen, wobei der Einfallswinkel aus einem oder mehreren Abständen zwischen den Auftreffpositionen der Teilstrahlen auf der zumindest einen Detektionsfläche ermittelt wird. Vorzugsweise entspricht die strahlteilende Fläche, für welche der Einfallswinkel ermittelt wird, einer strahlteilenden Fläche, über die der Prüfstrahl in den Strahlteiler eintritt. Ein entsprechender Zusammenhang zwischen dem Einfallswinkel des Prüfstrahls und den Abständen der Auftreffpositionen ist an sich bekannt bzw. kann durch den Fachmann im Rahmen seines Fachwissens abgeleitet werden. In der speziellen Beschreibung wird dieser Zusammenhang für eine Ausgestaltung des Strahlteilers angegeben. In an expedient embodiment of the device according to the invention, the evaluation unit is adapted to determine the beam path of the test beam after passing the test specimen by determining the angle of incidence of the test beam at one of the beam-splitting surfaces, wherein the angle of incidence of one or more distances between the impact positions of the partial beams on the at least one detection surface is determined. Preferably, the beam-splitting surface, for which the angle of incidence is determined, corresponds to a beam-splitting surface over which the test beam enters the beam splitter. A corresponding relationship between the angle of incidence of the test beam and the distances of the impact positions is known per se or can be derived by the skilled person within the scope of his specialist knowledge. In the This description is given for a particular embodiment of the beam splitter.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, Eigenschaften des Prüflings basierend auf den Strahlverläufen von mehreren Prüfstrahlen zu ermitteln, die den Prüfling an verschiedenen Positionen passieren. Insbesondere können als Eigenschaften des Prüflings die Form zumindest einer Oberfläche des Prüflings und/oder die optische Wellenfront nach Passieren des Prüflings und/oder Größen bestimmt werden, welche von der Form der zumindest einen Oberfläche oder von der optischen Wellenfront abhängen (z.B. das Gradientenfeld der Wellenfront). Solche Eigenschaften können mit an sich bekannten Verfahren aus den Strahlverläufen der Prüfstrahlen ermittelt werden. Zum Beispiel kann eine zonale bzw. modale Integration durchgeführt werden oder es können die in der Druckschrift DE 10 2007 003 681 A1 beschriebenen Methoden (z.B. Zernike-Polynome) verwendet werden. In a particularly preferred embodiment, the evaluation unit is set up to determine properties of the test object based on the beam paths of a plurality of test beams that pass the test object at different positions. In particular, the shape of at least one surface of the specimen and / or the optical wavefront after passing through the specimen and / or sizes can be determined as properties of the specimen, which depend on the shape of the at least one surface or on the optical wavefront (eg the gradient field of the wavefront ). Such properties can be determined by methods known per se from the beam paths of the test beams. For example, a zonal or modal integration can be performed or it can be in the document DE 10 2007 003 681 A1 described methods (eg Zernike polynomials) are used.

In einer Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, als Eigenschaften des Prüflings die Form mehrerer Oberflächen des Prüflings und/oder Größen zu bestimmen, welche von der Form der mehreren Oberflächen abhängen, wobei hierfür mehrere Strahlverläufe des gleichen Prüfstrahls bestimmt werden. Diese mehreren Strahlverläufe unterscheiden sich darin, dass der Prüfstrahl an jeweils einer anderen Oberfläche der mehreren Oberflächen reflektiert wurde. Diese Variante der Erfindung hat den Vorteil, dass parallel zwei Oberflächen des Prüflings vermessen werden können. In a variant of the embodiment just described, the evaluation unit is configured to determine as properties of the test specimen the shape of a plurality of surfaces of the test specimen and / or sizes which depend on the shape of the plurality of surfaces, for which purpose a plurality of beam paths of the same test beam are determined. These multiple beam paths differ in that the test beam was reflected on each other surface of the multiple surfaces. This variant of the invention has the advantage that two surfaces of the test object can be measured in parallel.

In einer weiteren Variante ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgestaltet, dass der Prüfstrahl den Strahlteiler vor dem Passieren des Prüflings durchläuft und nach Passieren des Prüflings wieder in den Strahlteiler eintritt, wobei dann die Aufteilung des Prüfstrahls in mehrere Teilstrahlen zur Bestimmung des Strahlverlaufs des Prüfstrahls genutzt wird. Hierdurch kann ein besonders kompakter Aufbau der Vorrichtung erreicht werden, wobei sich dieser Aufbau insbesondere zur Analyse von reflektierenden Prüflingen eignet. Nichtsdestotrotz kann die Vorrichtung gegebenenfalls auch derart ausgestaltet sein, dass der Prüfstrahl in den Strahlteiler erstmalig nach Passieren des Prüflings eintritt. Diese Variante eignet sich insbesondere zur Analyse von transmittierenden Prüflingen, wie z.B. Linsen. In a further variant, the device according to the invention is designed such that the test beam passes through the beam splitter before passing the test specimen and enters the beam splitter again after passing the test specimen, in which case the division of the test beam into a plurality of partial beams is used to determine the beam path of the test beam , In this way, a particularly compact design of the device can be achieved, this structure being particularly suitable for the analysis of reflective test specimens. Nevertheless, the device may, if appropriate, also be designed such that the test beam enters the beam splitter for the first time after passing the test object. This variant is particularly suitable for analyzing transmissive samples, such as e.g. Lenses.

Um eine schnelle Vermessung des Prüflings zu gewährleisten, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise eine Aktorik zum Verändern der Relativposition des Prüfstrahls in Bezug auf den Prüfling in eine oder mehrere Richtungen, welche die Auftreffposition des Prüfstrahls am Prüfling verändern. Vorzugsweise bewirkt die Aktorik eine relative Verschiebung zwischen dem Prüfling und der Baugruppe aus Strahlquelle, Strahlteiler und Detektor. Je nach Ausgestaltung kann die Aktorik dabei nur die Baugruppe bzw. nur den Prüfling bzw. sowohl die Baugruppe als auch den Prüfling verschieben. In order to ensure a rapid measurement of the test specimen, the device according to the invention preferably comprises an actuator for changing the relative position of the test beam with respect to the specimen in one or more directions, which change the impact position of the test beam on the specimen. Preferably, the actuator causes a relative displacement between the sample and the assembly of beam source, beam splitter and detector. Depending on the configuration, the actuators can only move the module or only the test object or both the module and the test object.

Der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendete Detektor kann auf unterschiedlichen Technologien beruhen. Insbesondere kann er einen CCD-Sensor und/oder einen CMOS-Sensor und/oder einen PSD-Sensor (PSD = Position Sensitive Device) umfassen. PSD-Sensoren umfassen z.B. Photodioden bzw. 4-Quadranten-Photodioden. All diese Sensorarten sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden deshalb nicht näher im Detail erläutert. The detector used in the device according to the invention can be based on different technologies. In particular, it may comprise a CCD sensor and / or a CMOS sensor and / or a PSD sensor (PSD = Position Sensitive Device). PSD sensors include e.g. Photodiodes or 4-quadrant photodiodes. All of these sensor types are known from the prior art and are therefore not explained in detail.

Neben der oben beschriebenen Vorrichtung betrifft die Erfindung ein Verfahren zur optischen Analyse eines Prüflings mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. einer oder mehreren bevorzugten Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Prüfstrahl auf den Prüfling gerichtet, wobei der Prüfstrahl nach Passieren des Prüflings auf den Strahlteiler fällt. Durch den Strahlteiler aufgeteilte Teilstrahlen treffen auf der zumindest einen Detektionsfläche des Detektors auf und werden dort ortsaufgelöst detektiert, wobei alle detektierten Teilstrahlen über die gleiche strahlteilende Fläche den Strahlteiler verlassen. Mittels der Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Strahlverlauf des Prüfstrahls nach Passieren des Prüflings unter Verwendung der ortsaufgelösten Detektion der mehreren Teilstrahlen bestimmt. In addition to the device described above, the invention relates to a method for the optical analysis of a test object with the device according to the invention or one or more preferred variants of the device according to the invention. In the method according to the invention, the test beam is directed onto the test piece, the test beam falling onto the beam splitter after passing the test piece. Sub-beams split by the beam splitter strike the at least one detection surface of the detector and are detected there in a spatially resolved manner, with all detected sub-beams leaving the beam splitter via the same beam-splitting surface. By means of the evaluation unit of the device according to the invention, the beam path of the test beam is determined after passing through the test object using the spatially resolved detection of the plurality of partial beams.

Vorzugsweise werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Eigenschaften des Prüflings basierend auf den Strahlverläufen von mehreren Prüfstrahlen ermittelt, die den Prüfstrahl an verschiedenen Positionen passieren. Insbesondere können dabei die bereits oben beschriebenen Eigenschaften bestimmt werden, insbesondere die Form der Oberfläche des Prüflings bzw. die optische Wellenfront nach Passieren des Prüflings bzw. Größen, die von der Form der Oberfläche oder der optischen Wellenfront abhängen. Preferably, with the method according to the invention, properties of the test object are determined based on the beam paths of a plurality of test beams which pass through the test beam at different positions. In particular, the properties already described above can be determined, in particular the shape of the surface of the test object or the optical wavefront after passing through the test object or variables which depend on the shape of the surface or the optical wavefront.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben. Embodiments of the invention are described below in detail with reference to the accompanying drawings.

Es zeigen: Show it:

1 eine schematische perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 a schematic perspective view of a first embodiment of the device according to the invention;

2 eine Draufsicht auf die Detektionsfläche des Detektors aus 5 mit entsprechenden Auftreffpositionen von Teilstrahlen; 2 a plan view of the detection surface of the detector 5 with corresponding landing positions of partial beams;

3 eine seitliche Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und 3 a side sectional view of a second embodiment of a device according to the invention; and

4 eine Schnittansicht, welche die Ermittlung von mehreren Oberflächenformen gemäß einer Variante der Erfindung verdeutlicht. 4 a sectional view illustrating the determination of multiple surface shapes according to a variant of the invention.

Die in 1 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient zur Analyse eines reflektierenden Prüflings 2, der eine gewellte reflektierende Oberfläche O aufweist. Die Vorrichtung umfasst eine Strahlquelle 1, mit der ein Prüfstrahl P erzeugt wird. Die Strahlquelle kann z.B. eine Laserquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls sein. Der von der Strahlquelle 1 generierte Prüfstrahl trifft auf einen Strahlteiler, der aus einem für den Prüfstrahl transparenten Material mit der Dicke d besteht. Die Oberseite des Strahlteilers 3 stellt eine strahlteilende Fläche 3a dar. Ebenso ist die Unterseite des Strahlteilers 3 eine strahlteilende Fläche 3b. Die strahlteilenden Flächen werden in an sich bekannter Weise zum Beispiel über eine Beschichtung aus dielektrischem Material realisiert. Jede strahlteilende Fläche reflektiert einen Teil des Prüfstrahls und lässt einen Teil des Prüfstrahls durch. Insbesondere können die jeweiligen strahlteilenden Flächen als halbdurchlässige Spiegel ausgestaltet sein. In the 1 Shown embodiment of the device according to the invention is used to analyze a reflective test specimen 2 having a corrugated reflective surface O. The device comprises a beam source 1 with which a test beam P is generated. The beam source may be, for example, a laser source for generating a laser beam. The one from the beam source 1 generated test beam hits a beam splitter, which consists of a material transparent to the test beam material with the thickness d. The top of the beam splitter 3 represents a beam splitting surface 3a Likewise, the bottom of the beam splitter 3 a beam splitting surface 3b , The beam-splitting surfaces are realized in a manner known per se, for example via a coating of dielectric material. Each beam-splitting surface reflects a portion of the test beam and passes a portion of the test beam. In particular, the respective beam-dividing surfaces can be designed as semipermeable mirrors.

Der von der Strahlquelle 1 stammende Prüfstrahl fällt zunächst auf die strahlteilende Fläche 3a. Der durch die Fläche 3a transmittierte Teil des Prüfstrahls läuft durch den Strahlteiler hindurch und gelangt zu der strahlteilenden Fläche 3b. Der über diese strahlteilende Fläche transmittierte Teil des Prüfstrahls trifft schließlich an der Position PO auf die Oberfläche O des Prüflings 2. Der Prüfling ist dabei in einer vorgegebenen Messebene ME angeordnet, für welche ein kartesisches Koordinatensystem K mit entsprechender x-, y- und z-Achse definiert ist. Diese Auftreffposition PO ist in diesem kartesischen Koordinatensystem durch die Koordinaten x_m, y_m und z_m gegeben. The one from the beam source 1 originating test beam initially falls on the beam splitting surface 3a , The by the area 3a The transmitted part of the test beam passes through the beam splitter and reaches the beam splitting surface 3b , The part of the test beam transmitted via this beam-splitting surface finally strikes the surface O of the test object at the position PO 2 , The test object is arranged in a predetermined measuring plane ME, for which a Cartesian coordinate system K with corresponding x-, y- and z-axis is defined. This impact position PO is given in this Cartesian coordinate system by the coordinates x_m, y_m and z_m.

Der an der Position PO auftreffende Strahl wird an der Oberfläche O reflektiert und gelangt zurück zu der strahlteilenden Oberfläche 3b des Strahlteilers 3. Anschließend erfolgt die Aufteilung des Prüfstrahls in Teilstrahlen T1, T2, T3 und T4. Die einzelnen Teilstrahlen unterscheiden sich dahingehend, wie oft sie an der strahleilenden Fläche 3a reflektiert wurden. Im Besonderen geht der Teilstrahl T1 aus dem von der Oberfläche O stammenden Strahl lediglich durch eine Reflexion an der strahlteilenden Fläche 3b hervor, d.h. an der Generierung des Teilstrahls T1 war keine Reflexion an der strahlteilenden Fläche 3a beteiligt. Demgegenüber geht der Teilstrahl T2 aus einer einmaligen Reflexion an der strahlteilenden Fläche 3a hervor, wohingegen der Teilstrahl T3 durch eine zweifache Reflexion und der Teilstrahl T4 durch eine dreifache Reflexion an der strahlteilenden Fläche 3a generiert wurde. The beam impinging at the position PO is reflected at the surface O and returns to the beam splitting surface 3b of the beam splitter 3 , Subsequently, the division of the test beam into partial beams T1, T2, T3 and T4 takes place. The individual partial beams differ in how often they touch the radiating surface 3a were reflected. In particular, the partial beam T1 from the beam originating from the surface O only passes through a reflection at the beam-splitting surface 3b That is, at the generation of the partial beam T1 was no reflection on the beam-splitting surface 3a involved. In contrast, the partial beam T2 is a one-time reflection on the beam splitting surface 3a whereas sub-beam T3 is characterized by a double reflection and sub-beam T4 by a threefold reflection at the beam-splitting surface 3a was generated.

Die einzelnen Teilstrahlen T1 bis T4, die mit zunehmender Anzahl von Reflexionen in ihrer Intensität abnehmen, verlaufen im Wesentlichen parallel hin zu einem Detektor 5, an dem über eine Datenleitung 7 eine Auswerteeinheit 6 in der Form eines Rechners bzw. Computers angeschlossen ist. Die Teilstrahlen treffen auf einer Detektionsfläche 5a des Detektors auf. Diese Detektionsfläche kann beispielsweise durch einen CCD-Sensor realisiert sein. Über den Detektor 5 werden die Auftreffpositionen der einzelnen Teilstrahlen T1 bis T4 in einem lokalen kartesischen Koordinatensystem der Detektionsfläche 5a ermittelt, wie nachfolgend anhand von 2 erläutert wird. The individual sub-beams T1 to T4, which decrease in intensity with increasing number of reflections, extend substantially parallel to a detector 5 to which via a data line 7 an evaluation unit 6 is connected in the form of a computer or computer. The partial beams hit on a detection surface 5a of the detector. This detection surface can be realized for example by a CCD sensor. About the detector 5 become the impact positions of the individual partial beams T1 to T4 in a local Cartesian coordinate system of the detection surface 5a determined as follows from 2 is explained.

2 zeigt eine Draufsicht auf die Detektionsfläche 5a des Detektors 5. Die zweidimensionalen Positionen auf der Detektionsfläche werden durch das lokale kartesische Koordinatensystem mit den Achsen x_s und y_s beschrieben. Fallen n Teilstrahlen auf den Detektor, so treffen diese in der hier beschriebenen Ausführungsform an zueinander versetzten, gleichmäßig beabstandeten Positionen PO1, PO2, PO3, ..., POn auf der Detektionsfläche 5a auf. Der gleichmäßige Abstand der Auftreffpositionen resultiert daraus, dass die beiden strahlteilenden Flächen 3a und 3b im Wesentlichen parallel verlaufen. Bei auseinander laufenden strahlteilenden Flächen nimmt der Abstand zwischen den einzelnen Positionen kontinuierlich zu. 2 shows a plan view of the detection surface 5a of the detector 5 , The two-dimensional positions on the detection surface are described by the local Cartesian coordinate system with the axes x_s and y_s. If n sub-beams impinge on the detector, then in the embodiment described here they impinge on mutually offset, uniformly spaced positions PO1, PO2, PO3,..., POn on the detection surface 5a on. The uniform spacing of the impact positions results from the fact that the two beam splitting surfaces 3a and 3b run essentially parallel. For diverging beam-splitting surfaces, the distance between the individual positions increases continuously.

Die Ermittlung der Auftreffpositionen PO1 bis POn läuft vorzugsweise derart ab, dass die Intensitätsverteilung der auftreffenden Teilstrahlen durch die Detektionsfläche 5a gemessen wird und der Schwerpunkt dieser Intensitätsverteilung bestimmt wird. Dieser Schwerpunkt wird mit der entsprechenden Auftreffposition gleichgesetzt. Die Ermittlung der Auftreffpositionen kann dabei durch eine digitale oder analoge Elektronik des Detektors 5 erfolgen bzw. gegebenenfalls auch durch die Auswerteeinheit 6 vorgenommen werden. The determination of the impact positions PO1 to POn preferably proceeds such that the intensity distribution of the incident partial beams through the detection surface 5a is measured and the center of gravity of this intensity distribution is determined. This center of gravity is equated with the corresponding impact position. The determination of the impact positions can thereby by a digital or analog electronics of the detector 5 or possibly also by the evaluation unit 6 be made.

In der Auswerteeinheit 6, die über die Datenleitung 7 an den Detektor 5 angebunden ist, werden die Auftreffpositionen der Teilstrahlen T1 bis T4 geeignet verarbeitet. Dabei wird aus den Auftreffpositionen der Strahlverlauf des Prüfstrahls nach Reflexion an der Oberfläche O des Prüflings 2 bestimmt. Mit anderen Worten wird der Winkel des Prüfstrahls in Bezug auf die Flächennormalen der strahlteilenden Fläche 3b ermittelt. Hieraus lässt sich aus der bekannten Lage der Messebene ME und der ebenfalls bekannten Lage des Strahlteilers 3 die Neigung der Flächennormalen an der Oberflächenposition PO bestimmen. Über die Detektion von Prüfstrahlen, welche an vielen unterschiedlichen Oberflächenpositionen reflektiert werden, können dann weitergehende Parameter der Oberfläche abgeleitet werden, wie weiter unten erläutert wird.In the evaluation unit 6 passing through the data line 7 to the detector 5 is connected, the incident positions of the partial beams T1 to T4 are suitably processed. In the process, the beam path of the test beam after reflection on the surface O of the test object becomes the impact position 2 certainly. In other words, the angle of the test beam with respect to the surface normal of the beam splitting surface 3b determined. From this it follows from the known situation of the measuring level ME and likewise known location of the beam splitter 3 determine the slope of the surface normal at the surface position PO. By the detection of test beams, which are reflected at many different surface positions, then further parameters of the surface can be derived, as will be explained below.

Die in 1 dargestellte Vorrichtung weist eine Aktorik (nicht gezeigt) auf, mit der der Prüfstrahl P und der Prüfling 2 entlang der Messebene ME relativ zueinander versetzt werden können. In der hier beschriebenen Ausführungsform sind die Baugruppe aus Strahlquelle 1, Strahlteiler 3 und Detektor 5 fest zueinander angeordnet, jedoch relativ zu dem Prüfling 2 verschiebbar. Im Rahmen der Analyse des Prüflings 2 wird über die Aktorik eine Vielzahl von Positionen auf der Oberfläche O des Prüflings angefahren und die entsprechenden Strahlverläufe der Prüfstrahlen und hieraus die Flächennormale an der angefahrenen Oberflächenposition bestimmt. Mit einem an sich bekannten Rekonstruktionsalgorithmus wird dann über zonale oder modale Integration die Form der Oberfläche rekonstruiert. Diese Oberflächenform ist durch entsprechende Höhenpositionen gemäß der z-Koordinate des kartesischen Koordinatensystems K für entsprechende x- und y-Koordinaten dieses Koordinatensystems gegeben. In the 1 The device shown has an actuator (not shown) with which the test beam P and the test object 2 along the measuring plane ME can be offset relative to each other. In the embodiment described herein, the assembly is a beam source 1 , Beam splitter 3 and detector 5 fixed to each other, but relative to the DUT 2 displaceable. As part of the analysis of the test piece 2 A multiplicity of positions on the surface O of the test object are approached via the actuators and the corresponding beam paths of the test beams and from this the surface normal at the approached surface position are determined. Using a reconstruction algorithm known per se, the shape of the surface is then reconstructed via zonal or modal integration. This surface shape is given by corresponding height positions according to the z-coordinate of the Cartesian coordinate system K for corresponding x and y coordinates of this coordinate system.

3 zeigt in Schnittansicht eine Abwandlung der Ausführungsform der 1. Im Unterschied zu 1 trifft der Prüfstrahl P ausgehend von der Strahlquelle 1 direkt auf den Prüfling 2, ohne durch den Strahlteiler 3 hindurchzugehen. Der Strahlteiler 3 ist analog zu dem Strahlteiler der 1 aufgebaut, wobei die strahlteilenden Flächen 3a und 3b jedoch parallel zur Messebene ME verlaufen, wohingegen diese Flächen in der Ausführungsform der 1 schräg zu der Messfläche stehen. Ferner ist der Detektor 5 nunmehr auf der Seite der oberen Fläche 3a angeordnet. Die Detektionsfläche 5a verläuft dabei parallel zu der Fläche 3a und ist in unmittelbarer Nachbarschaft zu dieser angeordnet. In einer bevorzugten Variante liegt die Detektionsfläche 5a auf der strahlteilenden Fläche 3a auf, wodurch ein besonders kompakter Aufbau erreicht wird. 3 shows in sectional view a modification of the embodiment of the 1 , In contrast to 1 the test beam P originates from the beam source 1 directly on the test object 2 without passing through the beam splitter 3 pass. The beam splitter 3 is analogous to the beam splitter of 1 constructed, wherein the beam splitting surfaces 3a and 3b However, parallel to the measuring plane ME run, whereas these surfaces in the embodiment of the 1 stand diagonally to the measuring surface. Further, the detector 5 now on the side of the upper surface 3a arranged. The detection area 5a runs parallel to the surface 3a and is located in the immediate vicinity of this. In a preferred variant, the detection surface is located 5a on the beam splitting surface 3a on, whereby a particularly compact construction is achieved.

In der Vorrichtung der 3 werden im Unterschied zu 1 die Auftreffpositionen von fünf Teilstrahlen T1 bis T5 auf der Detektionsfläche 5a erfasst. Die einzelnen Teilstrahlen unterscheiden sich in ihrer Anzahl an Reflexionen an der strahlteilenden Fläche 3b. Mit anderen Worten wurde der Teilstrahl T1 überhaupt nicht an der Reflexionsfläche 3b reflektiert, wohingegen der Teilstrahl T2 aus einer Reflexion, der Teilstrahl T3 aus zwei Reflexionen, der Teilstrahl T4 aus drei Reflexionen und der Teilstrahl T5 aus vier Reflexionen an der strahlteilenden Fläche 3b hervorgeht. In the device of 3 unlike 1 the impact positions of five partial beams T1 to T5 on the detection surface 5a detected. The individual partial beams differ in their number of reflections on the beam-splitting surface 3b , In other words, the sub-beam T1 did not become at all at the reflecting surface 3b whereas the sub-beam T2 reflects one reflection, the sub-beam T3 two reflections, the sub-beam T4 three reflections, and the sub-beam T5 four reflections at the beam splitting surface 3b evident.

Im Folgenden wird beispielhaft anhand von 3 die Bestimmung des Einfallswinkels α des Prüfstrahls P auf die strahlteilende Fläche 3b erklärt. Die nachfolgenden Erläuterungen sind analog auch auf andere Anordnungen und Ausführungsformen von Strahlteilern durch Anpassung der entsprechenden Berechnungsvorschriften anwendbar. Die geeignete Anpassung der Berechnungsvorschriften liegt im Rahmen von fachmännischem Handeln.The following is an example based on 3 the determination of the angle of incidence α of the test beam P on the beam splitting surface 3b explained. The following explanations are analogously applicable to other arrangements and embodiments of beam splitters by adapting the corresponding calculation rules. The appropriate adaptation of the calculation rules lies within the scope of expert action.

Wie oben erläutert, werden zunächst die Auftreffpositionen der einzelnen Teilstrahlen auf der Detektionsfläche 5a ermittelt. Hieraus wird der Abstand Δ zwischen den einzelnen benachbarten Teilstrahlen berechnet. Aufgrund der Parallelität der Flächen 3a und 3b unterscheiden sich diese Abstände nur geringfügig. Da in der Ausführungsform der 3 mehrere solcher Abstände bestimmt werden, wird mit dem Mittelwert dieser Abstände weitergerechnet, wodurch entsprechende Fehler in der Abstandsbestimmung klein gehalten werden. As explained above, first the impact positions of the individual partial beams on the detection surface 5a determined. From this, the distance Δ between the individual adjacent partial beams is calculated. Due to the parallelism of the surfaces 3a and 3b These distances differ only slightly. As in the embodiment of the 3 several such distances are determined, is further calculated with the average of these distances, whereby corresponding errors in the distance determination are kept small.

Basierend auf dem Reflexionsgesetz ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen dem Einfallswinkel α und dem Abstand Δ zwischen benachbarten Teilstrahlen:

Based on the law of reflection, the following relationship between the angle of incidence α and the distance Δ between adjacent partial beams results:

Der Parameter d ist die Dicke des Strahlteilers 3 und der Parameter n entspricht dem Brechungsindex des Materials des Strahlteilers. Mit obiger Formel können somit der Einfallswinkel und hieraus die Flächennormale an der entsprechenden Oberflächenposition bestimmt werden, an welcher der Prüfstrahl P reflektiert wurde. Mittels zonaler bzw. modaler Integration ergibt sich die Form der Oberfläche des Prüflings. The parameter d is the thickness of the beam splitter 3 and the parameter n corresponds to the refractive index of the material of the beam splitter. With the above formula, it is thus possible to determine the angle of incidence and, therefrom, the surface normal at the corresponding surface position at which the test beam P was reflected. Zonal or modal integration results in the shape of the surface of the test object.

Bei schräg zueinander verlaufenden Flächen 3a und 3b verändern sich die Abstände Δ zwischen den Teilstrahlen. In diesem Fall kann eine Funktion in Abhängigkeit von der gemessenen Veränderung der Abstände Δ aufgestellt werden. Diese Funktion hängt neben der Veränderung der Abstände auch von der relativen Neigung der Fläche 3a zur Fläche 3b, dem Einfallswinkel α, dem Brechungsindex n sowie der Dicke d ab. Da die relative Neigung, der Brechungsindex n sowie die Dicke d bekannt sind und die Veränderung des Abstands Δ gemessen wird, kann über diese Funktion der Einfallswinkel α bestimmt werden. At obliquely extending surfaces 3a and 3b the distances Δ between the partial beams change. In this case, a function can be set up depending on the measured change in the distances Δ. In addition to changing the distances, this function depends on the relative inclination of the surface 3a to the surface 3b , the angle of incidence α, the refractive index n and the thickness d. Since the relative inclination, the refractive index n and the thickness d are known and the change in the distance Δ is measured, the angle of incidence α can be determined via this function.

4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Aus Übersichtlichkeitsgründen wurden dabei die Strahlquelle sowie der benachbart zur strahlteilenden Fläche 3a angeordnete Detektor und die daran angeschlossene Auswerteeinheit weggelassen. Mit der Ausführungsform der 4 wird ein Prüfling 2 vermessen, der aus transparentem Material besteht und die obere Oberfläche O1 und die untere Oberfläche O2 umfasst. Die obere Oberfläche O1 ist dabei strahlteilend, wohingegen die untere Oberfläche O2 eine zumindest teilweise reflektierende Oberfläche ist. 4 shows a modified embodiment of the device according to the invention. For reasons of clarity, the beam source and the adjacent beam-splitting surface were used 3a arranged detector and the evaluation unit connected thereto omitted. With the embodiment of the 4 becomes a candidate 2 presume that out transparent material and comprises the upper surface O1 and the lower surface O2. The upper surface O1 is beam-splitting, whereas the lower surface O2 is an at least partially reflective surface.

Mit dem Aufbau der 4 werden gleichzeitig die Oberflächen O1 und O2 vermessen. Hierzu wird wiederum ein Prüfstrahl P verwendet, der mittels einer Aktorik an verschiedenen Positionen auf dem Prüfling angeordnet wird. In jeder Position des Prüfstrahls P werden dabei zwei Strahlverläufe erfasst, wobei ein Strahlverlauf aus einer Reflexion an der Oberfläche O1 und der andere Strahlverlauf aus einer Reflexion an der Oberfläche O2 resultiert. Dies ist in 4 verdeutlicht. Der durch die Strahlquelle erzeugte Prüfstrahl P wird an der Oberfläche O1 in einen Teilstrahl P1 und einen Teilstrahl P' aufgeteilt. Der Strahlverlauf des direkt an der Oberfläche O1 reflektierten Strahls P' wird über die Auftreffpositionen der daraus resultierenden Teilstrahlen ermittelt. Gleichzeitig wird der Strahlverlauf des Strahls P'' wiederum über entsprechende Auftreffpositionen von Teilstrahlen ermittelt. Der Strahl P'' geht aus dem Strahl P2 hervor, der durch Reflexion des Strahls P1 an der Oberfläche O2 entstanden ist. Der Strahl P1 stellt den über die Oberfläche O1 transmittierten Teil des ursprünglichen Prüfstrahls P dar. With the construction of the 4 At the same time, the surfaces O1 and O2 are measured. For this purpose, again a test beam P is used, which is arranged by means of an actuator at different positions on the specimen. Two beam paths are detected in each position of the test beam P, with one beam path resulting from reflection at the surface O1 and the other beam path resulting from reflection at the surface O2. This is in 4 clarified. The test beam P generated by the beam source is split at the surface O1 into a partial beam P1 and a partial beam P '. The beam path of the beam P 'reflected directly on the surface O1 is determined via the incident positions of the resulting partial beams. At the same time, the beam path of the beam P "is in turn determined via corresponding incident positions of partial beams. The beam P '' emerges from the beam P2, which is caused by reflection of the beam P1 on the surface O2. The beam P1 represents the part of the original test beam P transmitted via the surface O1.

Gemäß der Ausführungsform der 4 ergeben sich somit sowohl Abstände der Teilstrahlen, die aus einer Reflexion an der Oberfläche O1 resultieren, als auch Abstände von Teilstrahlen, die aus einer Reflexion an der Oberfläche O2 resultieren. According to the embodiment of the 4 Thus, both distances of the partial beams, which result from a reflection at the surface O1, as well as distances of partial beams, which result from a reflection at the surface O2.

Die Teilstrahlen können z.B. über ihre Intensitätsstärke unterschieden werden, da die Intensitätsstärke der Teilstrahlen, die auf eine Reflexion an der Oberfläche O2 zurückgehen, geringer ist als die Intensität der Teilstrahlen, die auf eine Reflexion an der Oberfläche O1 zurückgehen. Mit der soeben beschriebenen Ausführungsform können in einem einzigen Messvorgang gleichzeitig die Formen der beiden Oberflächen O1 und O2 des Prüflings 2 bestimmt werden. The partial beams can be distinguished, for example, by their intensity intensity, since the intensity intensity of the partial beams, which are due to a reflection at the surface O2, is less than the intensity of the partial beams, which are due to a reflection at the surface O1. With the embodiment just described, the shapes of the two surfaces O1 and O2 of the test object can simultaneously be measured in a single measuring operation 2 be determined.

Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird eine kompakt aufgebaute Vorrichtung geschaffen, mit der auch größere Ablenkungen eines Prüfstrahls an einem Prüfling über einen Detektor erfasst werden können. Mit anderen Worten weist die Vorrichtung einen großen Akzeptanzwinkel auf. Darüber hinaus ermöglicht die Vorrichtung die Erfassung einer großen Anzahl von Teilstrahlen, wodurch die Messgenauigkeit, z.B. durch Mittelung der Abstände zwischen den Teilstrahlen, erhöht werden kann. The embodiments described above have a number of advantages. In particular, a compact device is created with which even larger deflections of a test beam can be detected on a DUT via a detector. In other words, the device has a large acceptance angle. In addition, the device allows the detection of a large number of partial beams, whereby the measurement accuracy, e.g. by averaging the distances between the sub-beams, can be increased.

Ferner wird auf einfache Weise die Bestimmung von Strahlverläufen von Prüfstrahlen ermöglicht, ohne dass ein Detektor mit zugeordneter Detektionsfläche in verschiedene Positionen verschoben werden muss. Stattdessen wird der Prüfstrahl mittels eines Strahlteilers in Teilstrahlen aufgeteilt, welche unterschiedliche optische Weglängen zwischen Prüfling und Detektionsfläche aufweisen. Hierdurch werden die Auftreffpositionen des Prüfstrahls in zueinander versetzten Detektionsebenen simuliert, was wiederum eine Bestimmung des Strahlverlaufs des Prüfstrahls ermöglicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gewährleistet dabei eine wesentlich schnellere Vermessung von Prüflingen, denn für die Bestimmung eines Strahlverlaufs ist lediglich eine Messung mit ortsfester Detektionsfläche bzw. ortsfestem Detektor erforderlich, wohingegen im Stand der Technik zumindest zwei Messungen in unterschiedlichen Detektorpositionen durchgeführt werden müssen. Furthermore, the determination of beam paths of test beams is made possible in a simple manner, without having to move a detector with an assigned detection surface into different positions. Instead, the test beam is divided by means of a beam splitter into sub-beams which have different optical path lengths between the test object and the detection surface. As a result, the impact positions of the test beam are simulated in mutually offset detection planes, which in turn allows determination of the beam path of the test beam. The device according to the invention ensures a much faster measurement of test specimens, because for the determination of a beam path only a measurement with fixed detection surface or fixed detector is required, whereas in the prior art at least two measurements must be performed in different detector positions.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007003681 A1 [0002, 0020]
DE 102013219440 A1 [0003]

Claims

Device for the optical analysis of a test object ( 2 ), comprising: - a beam source ( 1 ) for generating a test beam (P), which in the operation of the device on the test specimen ( 2 ) is directed and this happens; A beam splitter ( 3 ) for generating a plurality of partial beams (T1, T2,..., T5) by dividing the test beam (P) after passing the test object ( 2 ) into the plurality of partial beams (T1, T2, ..., T5), wherein the beam splitter ( 3 ) two beam-splitting surfaces ( 3a . 3b ), which are designed such that they each cause a beam splitting by reflection and transmission of a beam incident thereon; A detector ( 5 ) for spatially resolved detection of the plurality of partial beams (T1, T2, ..., T5), wherein the detector ( 5 ) at least one detection surface ( 5a ), on which the plurality of partial beams (T1, T2, ..., T5) impinge, and wherein for each beam splitting surface ( 3a . 3b ) at least one detected partial beam (T1, T2,..., T5) exists, at the production of which at least one reflection at the respective beam-dividing surface (FIG. 3a . 3b ) is involved; - wherein the beam splitter ( 3 ) is configured in such a way that the partial beams (T1, T2,..., T5) have different optical path lengths from the test object (FIG. 2 ) until impacting on the at least one detection surface ( 5a ) return; - an evaluation unit ( 6 ) for determining a beam path of the test beam (P) after passing the test object ( 2 ) using the spatially resolved detection of the multiple partial beams (T1, T2, ..., T5); characterized in that the beam splitter ( 3 ) is configured such that all detected sub-beams (T1, T2, ..., T5) over the same beam splitting surface ( 3a . 3b ) the beam splitter ( 3 ) and then on the at least one detection surface ( 5a ).

Apparatus according to claim 1, characterized in that at the generation of one or more of the detected partial beams (T1, T2, ..., T5) in each case a plurality of reflections at the beam splitting surfaces ( 3a . 3b ) involved.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the beam splitter ( 3 ) is designed such that the test steel (P) after passing the test specimen ( 2 ) over one of the beam-splitting surfaces ( 3a . 3b ) in the beam splitter ( 3 ) entry.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one detection surface ( 5a ) is a single detection surface or comprises a plurality of detection surfaces arranged in the same plane.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one detection surface ( 5a ) at the beam splitting surface ( 3a . 3b ) is arranged, via which the detected partial beams (T1, T2, ..., T5) the beam splitter ( 3 ), wherein the at least one detection surface ( 3a ) preferably at this beam-splitting surface ( 3a . 3b ) is present.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the beam splitter ( 3 ) comprises a body made of transparent material for the test steel (P) and the partial beams (T1, T2, T3, T4, T5), the beam-splitting surfaces (2) being located at two opposite boundary surfaces of the body (FIG. 3a . 3b ) are formed.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the beam-splitting surfaces ( 3a . 3b ) of the beam splitter ( 3 ) are flat surfaces which are parallel to each other or oblique to each other.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit ( 6 ) is adapted to the beam path of the test beam (P) after passing the test specimen ( 2 ) by determining the angle of incidence (α) of the test steel at one of the beam-splitting surfaces ( 3a . 3b ), wherein the angle of incidence (α) of one or more distances (Δ) between the impact positions (PO1, PO2, ..., POn) of the partial beams (T1, T2, ..., T5) on the at least one detection surface ( 5a ) is determined.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit ( 6 ) is set up, properties of the test specimen ( 2 ) based on the beam paths of a plurality of test beams (P), which the test specimen ( 2 ) at different positions (PO).

Apparatus according to claim 9, characterized in that the evaluation unit ( 9 ) is set up as properties of the test specimen ( 2 ) the shape of at least one surface (O, O1, O2) of the test piece ( 2 ) and / or the optical wavefront after passing the test specimen ( 2 ) and / or sizes which depend on the shape of the at least one surface (O, O1, O2) or on the optical wavefront.

Apparatus according to claim 10, characterized in that the evaluation unit ( 6 ) is set up as properties of the test specimen ( 2 ) the shape of several surfaces (O, O1, O2) of the test specimen ( 2 ) and / or quantities which depend on the shape of the multiple surface (O, O1, O2), for which purpose a plurality of beam paths of the same test beam (P) are determined, wherein the plurality of beam paths are therein distinguish that the test beam (P) on each other surface of the plurality of surfaces (O, O1, O2) was reflected.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device is designed such that the test steel (P) the beam splitter ( 3 ) before passing the test specimen ( 2 ) and after passing the test specimen ( 2 ) back into the beam splitter ( 3 ), in which case the division of the test beam (P) into a plurality of partial beams (T1, T2,..., T5) is used to determine the beam path of the test beam (P).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device is designed such that the test steel (P) in the beam splitter ( 3 ) for the first time after passing the examinee ( 2 ) entry.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device comprises an actuator for changing the relative position of the test steel (P) with respect to the test piece ( 2 ) in one or more directions, which change the impact position (PO) of the test beam (P) on the test object.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the detector ( 5 ) comprises a CCD sensor and / or a CMOS sensor and / or a PSD sensor.

Method for the optical analysis of a test object ( 2 ) with a device according to one of the preceding claims, characterized in that - the test beam (P) on the test specimen ( 2 ) and after passing the test specimen ( 2 ) on the beam splitter ( 3 ) falls; Through the beam splitter ( 3 ) split partial beams (T1, T2, ..., T5) on the at least one detection surface ( 5a ) of the detector ( 5 ) and are detected there spatially resolved, with all detected partial beams over the same beam-splitting surface ( 3a . 3b ) the beam splitter ( 3 ) leave; - by means of the evaluation unit ( 6 ) the beam path of the test beam (P) after passing the test object is determined using the spatially resolved detection of the plurality of partial beams (P).