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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Analyse eines Prüflings.
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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 Form der Wellenfront nach Passieren der optischen Einrichtung.
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Die Druckschrift
DE 10 2013 219 440 A1 offenbart eine Vorrichtung zur optischen Analyse eines Prüflings mit einer 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 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.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen die optische Analyse eines Prüflings mit guter örtlicher Auflösung durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 16 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Prüfling optisch analysiert. Hierzu erzeugt eine Beleuchtungseinrichtung mehrere Prüfstrahlen aus einer Menge von Prüfstrahlen, wobei die Menge von Prüfstrahlen zumindest einen Teil (z.B. alle) der durch die Beleuchtungseinrichtung generierbaren Prüfstrahlen umfasst. Diese Prüfstrahlen werden auf den zu analysierenden Prüfling durch die Beleuchtungseinrichtung gerichtet. Vorzugsweise umfassen die mehreren Prüfstrahlen alle Prüfstrahlen der Menge von Prüfstrahlen. Die Prüfstrahlen der Menge von Prüfstrahlen verlaufen dabei in einem lokalen Koordinatensystem der Beleuchtungseinrichtung nicht-parallel. Mit anderen Worten können die Prüfstrahlen schräg zueinander verlaufen und sich dabei in einem Punkt treffen oder sie können windschief zueinander angeordnet sein. Das lokale Koordinatensystem der Beleuchtungseinrichtung ist ein Koordinatensystem, das sich mitbewegt, falls die Beleuchtungseinrichtung ihre Position verändert. In diesem Sinne ist die Beleuchtungseinrichtung im lokalen Koordinatensystem immer ortsfest. Der Begriff des Prüfstrahls ist derart zu verstehen, dass es sich immer um den gleichen Prüfstrahl handelt, sofern dieser die gleiche Lage im lokalen Koordinatensystem der Beleuchtungseinrichtung hat, und zwar unabhängig davon, an welcher (globalen) Position sich die Beleuchtungseinrichtung befindet, und unabhängig davon, ob der Prüfstrahl ein oder mehrere Male generiert wird.
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Mittels einer Aktorik werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren mehrere Messpositionen durch Veränderung der Position der Beleuchtungseinrichtung und/oder der Position des Prüflings eingestellt, d.h. eine jeweilige Messposition betrifft eine relative Anordnung der Beleuchtungseinrichtung und des Prüflings zueinander. Vorzugsweise werden die mehreren Messpositionen durch Verschieben der Beleuchtungseinrichtung und/oder des Prüflings gegeneinander eingestellt. Nichtsdestotrotz können die mehreren Messpositionen auch durch Rotation der Beleuchtungseinrichtung und/oder des Prüflings eingestellt werden. In einer jeweiligen Messposition der mehreren Messpositionen generiert die Beleuchtungseinrichtung zumindest einen der Prüfstrahlen aus der Menge von Prüfstrahlen und richtet diesen auf den Prüfling. Sofern nicht anders angegeben (z.B. durch die Formulierung "aktuell eingestellte Messposition"), ist der Begriff der Messposition derart zu verstehen, dass gleiche Messpositionen, welche mehrmalig zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingenommen werden, eine einzelne Messposition im Sinne der Erfindung darstellen.
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Mit einem Detektor werden in jeweiligen Messpositionen der mehreren Messpositionen ein oder mehrere Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings bei deren Vorhandensein erfasst, indem das Auftreffen des oder der Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings oder das Auftreffen von einem oder mehreren Strahlen, welche aus dem oder den Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings hervorgehen, auf zumindest einer Detektionsfläche des Detektors ortsaufgelöst detektiert wird. Mit anderen Worten werden Prüfstrahlen durch den Detektor immer dann erfasst, wenn ein entsprechendes Auftreffen des oder der Prüfstrahlen bzw. daraus hervorgehender Strahlen detektiert werden kann. Dies muss nicht in jeder Messposition der Fall sein, da unter Umständen kein Prüfstrahl in der jeweiligen Messposition auf die Detektionsfläche trifft. Vorzugsweise kann jedoch in jeder Messposition zumindest ein Prüfstrahl erfasst werden.
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Unter den Begriff „Passieren des Prüflings“ fällt sowohl das Hindurchgehen des Prüfstrahls durch den Prüfling als auch die Reflexion des Prüfstrahls am Prüfling. Das Verfahren 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. Die zumindest eine Detektionsfläche ist vorzugsweise eben bzw. plan. Insbesondere ist die zumindest eine Detektionsfläche eine einzelne (durchgehende) Detektionsfläche. Alternativ kann die Detektionsfläche auch mehrere, in der gleichen Ebene angeordnete Detektionsflächen umfassen.
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Mittels einer Auswerteeinheit werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren aus den ortsaufgelösten Detektionen des Detektors die Strahlverläufe zumindest eines Teils der erfassten Prüfstrahlen und hieraus ein oder mehrere optische Eigenschaften des Prüflings ermittelt. Die optischen Eigenschaften können sich z.B. auf die Form der Oberfläche des Prüflings oder die Form der Wellenfront nach Passieren des Prüflings beziehen, wie weiter unten erläutert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass durch die Verwendung von mehreren nicht-parallelen Prüfstrahlen die Wahrscheinlichkeit zunimmt, dass auch bei größeren Ablenkungen bestimmter Prüfstrahlen durch den Prüfling zumindest ein Prüfstrahl auf die Detektionsfläche des Detektors fällt. Durch geeignete Auslegung kann gegebenenfalls auch sichergestellt werden, dass in jeder Messposition ein Prüfstrahl erfasst werden kann. Der Prüfling kann somit mit einer verbesserten Auflösung vermessen werden, da zu mehr Messpositionen Messwerte in der Form von ortsaufgelösten Detektionen des Detektors existieren.
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In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt im lokalen Koordinatensystem der Beleuchtungseinrichtung der Winkel zwischen den Prüfstrahlen jedes Paars von Prüfstrahlen aus der Menge von Prüfstrahlen zwischen 10° und 110°, insbesondere zwischen 30° und 100° und vorzugsweise zwischen 45° und 95° und besonders bevorzugt bei 90°.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bilden die Beleuchtungseinrichtung und der Detektor eine Baugruppe, wobei mit der Aktorik die Baugruppe und der Prüfling relativ zueinander bewegt werden. Mit anderen Worten bewegt sich der Detektor bei Bewegung der Beleuchtungseinrichtung mit.
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Der Ablauf der Vermessung eines Prüflings kann unterschiedlich ausgestaltet sein. In einer Variante generiert die Beleuchtungseinrichtung in zumindest einem Teil und insbesondere allen der mehreren Messpositionen jeweils mehrere Prüfstrahlen und vorzugsweise alle Prüfstrahlen der Menge von Prüfstrahlen. Diese Prüfstrahlen werden wiederum auf den Prüfling gerichtet. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass zumindest ein Prüfstrahl von dem Detektor erfasst werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform generiert die Beleuchtungseinrichtung in jeder aktuell eingestellten Messposition zumindest eines Teils und insbesondere aller der mehreren Messpositionen jeweils mehrere Prüfstrahlen und vorzugsweise alle Prüfstrahlen der Menge von Prüfstrahlen und richtet diese Prüfstrahlen auf den Prüfling. Ebenso besteht die Möglichkeit, dass in mehreren Messdurchgängen jeweilige Messpositionen zumindest eines Teils und insbesondere aller der mehreren Messpositionen einmalig eingestellt werden. Dabei richtet die Beleuchtungseinrichtung in einem jeweiligen Messdurchgang immer den gleichen (einzelnen) Prüfstrahl und in unterschiedlichen Messvorgängen verschiedene Prüfstrahlen auf den Prüfling.
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In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens richtet die Beleuchtungseinrichtung in einer Teilmenge der mehreren Messpositionen eine Teilmenge der Prüfstahlen der Menge von Prüfstrahlen und in einer anderen Teilmenge der mehreren Messpositionen eine andere Teilmenge der Prüfstahlen der Menge von Prüfstrahlen auf den Prüfling, wobei die Messposition oder Messpositionen der einen Teilmenge der mehreren Messpositionen zumindest teilweise unterschiedlich von der Messposition oder den Messpositionen des anderen Teilmenge der mehreren Messpositionen sind und wobei der Prüfstrahl oder die Prüfstrahlen der einen Teilmenge der Prüfstrahlen zumindest teilweise unterschiedlich von dem Prüfstrahl oder den Prüfstrahlen der anderen Teilmenge der Prüfstrahlen sind. Diese Variante kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn vorab bekannt ist, in welchen Messpositionen bestimmte Prüfstrahlen mit höherer Wahrscheinlichkeit durch den Detektor erfasst werden können.
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In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens richtet die Beleuchtungseinrichtung in jeder aktuell eingestellten Messposition zumindest eines Teils und insbesondere aller der mehreren Messpositionen nacheinander unterschiedliche Prüfstrahlen solange auf den Prüfling, bis ein solcher Prüfstrahl (sofern überhaupt vorhanden) gefunden wird, der nach Passieren des Prüflings auf der zumindest einen Detektionsfläche des Detektors auftrifft oder aus dem ein oder mehrere Strahlen hervorgehen, welche auf der zumindest einen Detektionsfläche auftreffen.
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In einer weiteren bevorzugten Variante ist die Beleuchtungseinrichtung derart in Bezug auf die zumindest eine Detektionsfläche des Detektors angeordnet, dass die Prüfstrahlen der Menge von Prüfstrahlen symmetrisch um die zumindest eine Detektionsfläche positioniert sind. Mit anderen Worten sind die Prüfstrahlen mit gleichen Winkelabständen um die zumindest eine Detektionsfläche herum angeordnet.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die zumindest eine Detektionsfläche in mehreren unterschiedlichen Positionen im Detektor angeordnet werden, wobei diese Positionen vorzugsweise Positionen sind, die in Richtung senkrecht zu der zumindest einen Detektionsfläche zueinander versetzt sind. Dabei wird zur Erfassung des oder der Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings das Auftreffen des oder der Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings ortsaufgelöst auf der zumindest einen Detektionsfläche in zumindest zwei unterschiedlichen Positionen der zumindest einen Detektionsfläche detektiert. Durch die Detektion in unterschiedlichen Positionen der Detektionsfläche kann der Strahlverlauf des jeweiligen Prüfstrahls abgeleitet werden.
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In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform ist vor der zumindest einen Detektionsfläche des Detektors ein Strahlteiler angeordnet, der Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings jeweils in mehrere Teilstrahlen mittels einer Anzahl von strahlteilenden Flächen aufteilt, wobei eine jeweilige strahlteilende Fläche eine Strahlteilung durch Reflexion und Transmission eines darauf fallenden Strahls bewirkt. Die mehreren Teilstrahlen treffen nach Passieren des Strahlteilers auf der zumindest einen Detektionsfläche auf und werden dort detektiert. Dabei existiert für jede strahlteilende Fläche zumindest ein detektierter Teilstrahl, an dessen Erzeugung zumindest eine Reflexion an der jeweiligen strahlteilenden Fläche beteiligt ist. Der Strahlteiler ist ferner derart ausgestaltet, dass die Teilstrahlen unterschiedliche optische Weglängen bis zum Auftreffen auf die zumindest eine Detektionsfläche zurücklegen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden durch den Strahlteiler drei oder mehr und insbesondere vier oder fünf oder mehr Teilstrahlen erzeugt.
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Die obigen Teilstrahlen stellen Ausführungsformen von Strahlen im Sinne von Anspruch 1 dar, welche aus dem oder den Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings hervorgehen. 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. aus bekannten dielektrischen Materialien bestehen. In einer Variante kann z.B. ein Strahlteiler verwendet werden, der in der Druckschrift
DE 10 2013 219 440 A1 beschrieben ist.
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Mit der soeben beschriebenen Ausführungsform wird über die verschiedenen optischen Weglängen der Teilstrahlen eine Detektion in mehreren unterschiedlichen Detektionsebenen simuliert. Demzufolge muss die zumindest eine Detektionsfläche bei Erfassung des Prüfstrahls nicht in verschiedenen Positionen angeordnet werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der obige Strahlteiler derart ausgestaltet, dass alle 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.
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Mit der soeben beschriebenen Ausführungsform 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 bei der Erfassung der Prüfstrahlen erhöht. Ferner kann das Verfahren mit einem kompakt aufgebauten Strahlteiler realisiert werden.
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In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der obige Strahlteiler derart ausgestaltet, dass an der Erzeugung eines oder mehrerer der detektierten Teilstrahlen jeweils mehrere Reflexionen an den strahlteilenden Flächen beteiligt sind. Hierdurch kann die Detektion einer großen Anzahl von Teilstrahlen mit einem einzelnen Detektor erreicht werden.
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In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der obige Strahlteiler derart ausgestaltet, dass Prüfstahlen nach Passieren des Prüflings über die gleiche strahlteilende Fläche in den Strahlteiler eintreten. Unter "Eintritt in den Strahlteiler" ist dabei das erstmalige Auftreffen des jeweiligen Prüfstrahls auf der entsprechenden strahlteilenden Fläche nach Passieren des Prüflings zu verstehen. Mit dieser Ausführungsform kann das Verfahren mit einem besonders kompakten Strahlteiler realisiert werden.
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In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform ist im obigen Strahlteiler 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 das erfindungsgemäße Verfahren mit einem besonders kompakten Aufbau und einem großen Akzeptanzwinkel realisiert.
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In einer weiteren bevorzugten Variante umfasst der obige Strahlteiler einen Körper aus für die Prüfstrahlen 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. Nichtsdestotrotz kann der Strahlteiler ggf. auch auf andere Weise realisiert werden, z.B. durch zwei gegenüber liegende und vorzugsweise parallel verlaufende Platten oder einen anderweitigen Resonator.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die strahlteilenden Flächen des obigen Strahlteilers ebene bzw. plane Flächen. Alternativ oder zusätzlich können die strahlteilenden Flächen parallel zueinander oder gegebenenfalls auch schräg zueinander verlaufen.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt die Auswerteeinheit einen jeweiligen Strahlverlauf eines Prüfstrahls nach Passieren des Prüflings durch Ermittlung des Einfallswinkels des Prüfstrahls an einer der strahlteilenden Flächen des Strahlteilers, 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 entsprechende 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. Anstatt der Bestimmung des Einfallswinkels an einer strahlleitenden Fläche kann auch der Einfallswinkel auf die zumindest eine Detektionsfläche bestimmt werden, z.B. wenn in dem Verfahren kein Strahlteiler zum Einsatz kommt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bestimmt die Auswerteeinheit als Eigenschaften des Prüflings die Form zumindest einer Oberfläche des Prüflings und/oder die optische Wellenfront nach Passieren des Prüflings und/oder Größen, 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.
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In einer Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform bestimmt die Auswerteeinheit als Eigenschaften des Prüflings die Form mehrerer Oberflächen des Prüflings und/oder Größen, welche von der Form der mehreren Oberflächen abhängen, wobei hierfür mehrere Strahlverläufe des gleichen Prüfstrahls in einer jeweiligen Messposition 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.
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In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens durchläuft zumindest ein Teil der Prüfstrahlen den Strahlteiler vor dem Passieren des Prüflings und tritt nach Passieren des Prüflings wieder in den Strahlteiler ein, wobei dann die Aufteilung des jeweiligen Prüfstrahls in mehrere Teilstrahlen zur Bestimmung des Strahlverlaufs des Prüfstrahls genutzt wird. Nichtsdestotrotz kann der Prüfstrahl in den Strahlteiler auch erstmalig nach Passieren des Prüflings eintreten.
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Der im erfindungsgemäßen Verfahren 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.
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Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur optischen Analyse eines Prüflings. Diese Vorrichtung umfasst eine Beleuchtungseinrichtung, welche im Betrieb der Vorrichtung mehrere Prüfstrahlen aus einer Menge von Prüfstrahlen, welche zumindest einen Teil (z.B. alle) der durch die Beleuchtungseinrichtung generierbaren Prüfstrahlen umfasst, generiert und auf den Prüfstrahl richtet, wobei die Prüfstrahlen der Menge von Prüfstrahlen in einem lokalen Koordinatensystem der Beleuchtungseinrichtung nicht-parallel zueinander verlaufen.
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Die Vorrichtung umfasst ferner eine Aktorik, um mehrere Messpositionen durch Veränderung der Position der Beleuchtungseinrichtung und/oder der Position des Prüflings einzustellen, wobei die Beleuchtungseinrichtung in einer jeweiligen Messposition der mehreren Messpositionen zumindest einen der Prüfstrahlen aus der Menge der Prüfstrahlen generiert und auf den Prüfstrahl richtet. Mit anderen Worten sind die Beleuchtungseinrichtung und die Aktorik in der Vorrichtung derart steuerbar, dass die obige Generierung und Ausrichtung der Prüfstrahlen erreicht wird.
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In der Vorrichtung ist ferner ein Detektor vorgesehen, um in jeweiligen Messpositionen der mehreren Messpositionen ein oder mehrere Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings zu erfassen, indem das Auftreffen des oder der Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings oder das Auftreffen von einem oder mehreren Strahlen, welche aus dem oder den Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings hervorgehen, auf zumindest einer Detektionsfläche des Detektors ortsaufgelöst detektiert wird.
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Die Vorrichtung beinhaltet darüber hinaus eine Auswerteeinheit, um aus den ortsaufgelösten Detektionen des Detektors die Strahlverläufe zumindest eines Teils der erfassten Prüfstrahlen und hieraus eine oder mehrere optische Eigenschaften des Prüflings zu ermitteln.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass eine oder mehrere bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Vorrichtung durchführbar sind. Sofern sich Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens auf bestimmte Komponenten der Vorrichtung, wie z.B. die Beleuchtungseinrichtung, den Detektor oder den Strahlteiler, beziehen, sind diese Komponenten derart ausgestaltet, dass die diesbezügliche Variante des Verfahrens mit den jeweiligen Komponenten ausgeführt werden kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 eine schematische perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 eine seitliche Schnittansicht einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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4 eine Draufsicht auf die Detektionsfläche des Detektors aus 3 mit entsprechenden Auftreffpositionen von Teilstrahlen; und
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5 eine Schnittansicht, welche die Ermittlung von mehreren Oberflächenformen gemäß einer Variante der Erfindung verdeutlicht.
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1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung umfasst eine Beleuchtungseinrichtung 1, welche aus vier schräg zueinander angeordneten Strahlquellen 100 besteht, welche in der Beleuchtungseinrichtung ortsfest sind. Die Strahlquellen können beispielsweise Laserquellen sein. Die einzelnen Strahlquellen 100 erzeugen insgesamt vier Prüfstrahlen P1, P2, P3 und P4, die auf die Oberfläche O eines Prüflings 2 gerichtet werden, wobei der Prüfling in einer vorbestimmten Messebene ME angeordnet ist. Ziel ist es dabei, die Form der Oberfläche O, d.h. dreidimensionale Koordinaten von Oberflächenpositionen in dem globalen kartesischen Koordinatensystem K, zu ermitteln.
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Im Rahmen der Analyse des Prüflings 2 wird die Beleuchtungseinrichtung 1 mit den Strahlquellen 100 über eine (nicht gezeigte) Aktorik in mehrere unterschiedliche Messpositionen angeordnet, wobei die Messposition der 1 mit MP bezeichnet ist. Jede Messposition zeichnet sich durch eine andere Anordnung der Beleuchtungseinrichtung 1 relativ zu dem Prüfling 2 aus. In der hier beschriebenen Ausführungsform werden die unterschiedlichen Messpositionen durch Verschieben der Beleuchtungseinrichtung 1 parallel zur Messebene ME eingestellt.
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Neben der Beleuchtungseinrichtung 1 ist in der Vorrichtung der 1 ein Detektor 5 mit einer entsprechenden Detektionsfläche 5a vorgesehen, wobei die Detektionsfläche beispielsweise als CCD-Sensor ausgestaltet ist. Diese Detektionsfläche ist in dem Detektor 5 in zumindest zwei unterschiedlichen Positionen anordenbar, welche senkrecht zur Detektionsfläche versetzt zueinander sind. Darüber hinaus ist der Detektor 5 mit einer Auswerteeinheit 6 (z.B. einem Computer) über eine Datenleitung 7 verbunden. Der Detektor 5 bildet zusammen mit der Beleuchtungseinrichtung 1 bzw. deren Strahlquellen 100 eine Baugruppe, so dass bei Bewegung der Beleuchtungseinrichtung auch der Detektor mitbewegt wird. Gegebenenfalls kann die Anordnung der 1 auch innerhalb eines Hohlkörpers angeordnet sein, der z.B. halbkugelförmig ausgestaltet sein kann.
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Die einzelnen Prüfstrahlen P1 bis P4 sind nicht-parallel zueinander, wobei sie sich in einem Punkt treffen können und gegebenenfalls auch windschief zueinander liegen können. In 1 sind die Prüfstrahlen derart angeordnet, dass sie sich an einem Punkt treffen, der beispielweise in der Messebene ME liegt. Aufgrund der nicht-parallelen Anordnung der Prüfstrahlen weisen diese paarweise einen Winkel zueinander auf, der kleiner 180° ist.
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Im Rahmen eines Messvorgangs an einer entsprechenden Messposition werden in 1 die Prüfstrahlen P1 bis P4 sukzessive nacheinander durch Anschalten der entsprechenden Strahlquelle 100 auf die Oberfläche gerichtet. Über die Reihenfolge des Anschaltens der Prüfstrahlen wird dabei codiert, welcher der Prüfstrahlen gerade aktiviert ist. Die Codierung der unterschiedlichen Prüfstrahlen kann gegebenenfalls auch auf andere Weise als durch die zeitliche Reihenfolge ihrer Aktivierung erfolgen, z.B. über unterschiedliche physikalische Zustände der einzelnen Prüfstrahlen (z.B. Wellenlänge, Polarisation) oder mittels einer Modulation der Prüfstrahlen, um darin z.B. einen binären Code zu übertragen.
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In der Ausführungsform der 1 wird für jeden der aktivierten Prüfstrahlen P1 bis P4 die Auftreffposition dieses Prüfstrahls auf der Detektionsfläche 5a nach Reflexion auf der Oberfläche O des Prüflings 2 detektiert. Beispielhaft ist in 1 eine solche Auftreffposition mit AP bezeichnet. Für bestimmte Prüfstrahlen kann dabei der Fall auftreten, dass der reflektierte Prüfstrahl nicht mehr im Einfangbereich des Detektors liegt, d.h. die Ablenkung des Prüfstrahls ist derart, dass er nicht mehr auf die Detektionsfläche 5a fällt. Erfindungswesentlich ist nunmehr, dass durch die Verwendung von mehreren Prüfstrahlen, die in unterschiedlichen Richtungen auf die Messebene ME gerichtet werden, meistens zumindest ein Prüfstrahl gefunden wird, der auf die Detektionsfläche fällt. Somit sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass überhaupt keine Auftreffposition eines an der Oberfläche O reflektierten Prüfstrahls durch die Detektionsfläche 5a erfasst werden kann.
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In der Ausführungsform der 1 ist die Anordnung der Prüfstrahlen derart, dass für jede Messposition das Auftreffen zumindest eines Prüfstrahls auf der Detektionsfläche 5a erfasst werden kann. Die Auftreffposition eines entsprechenden reflektierten Prüfstrahls wird dabei in den beiden versetzten Positionen der Detektionsfläche 5a bestimmt. Hieraus wird in an sich bekannter Weise der Verlauf des Prüfstrahls in der Form seines Einfallswinkels auf die Detektionsfläche bestimmt. Die Bestimmung des Einfallswinkels wird beispielhaft anhand der Ausführungsform der 3 erläutert.
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Über den Einfallswinkel des Prüfstrahls lässt sich aus der bekannten Lage der Messebene ME und der ebenfalls bekannten Richtung des Prüfstrahls beim Verlassen der entsprechenden Strahlquelle 100 die Neigung der Flächennormalen an der Oberflächenposition bestimmen, an welcher der Prüfstrahl reflektiert wurde. Über die Detektion von Prüfstrahlen, welche in unterschiedlichen Messpositionen reflektiert wurden, wird dann mit einem an sich bekannten Rekonstruktionsalgorithmus über zonale oder modale Integration die Form der Oberfläche O rekonstruiert. Der Rekonstruktionsalgorithmus läuft dabei in der Auswerteeinheit 6 ab, welche die Auftreffpositionen der entsprechenden Prüfstrahlen in den einzelnen Messpositionen verarbeitet.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Aus Übersichtlichkeitsgründen wurden dabei der Detektor und die Auswerteeinheit weggelassen. Diese Vorrichtung unterscheidet sich gegenüber der Vorrichtung der 1 darin, dass zur Erzeugung der schräg zueinander angeordneten Prüfstrahlen P1 bis P3 eine einzelne Strahlquelle 100 verwendet wird. Der Strahl dieser Strahlquelle wird dabei über eine Anordnung 4 aus mehreren einander angrenzenden Prismen in drei schräg verlaufende Teilstrahlen P1, P2 und P3 zerlegt. Diese Teilstrahlen stellen dann die Prüfstrahlen dar, welche auf die Oberfläche O des Prüflings 2 gerichtet werden. Die Vermessung der Oberfläche der Prüflings 2 erfolgt in 2 in gleicher Weise wie in 1, wobei jedoch nur drei anstatt von vier Prüfstrahlen verwendet werden.
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3 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den Ausführungsformen der 1 und 2 darin, dass anstatt des Auftreffens eines reflektierten Prüfstrahls auf der Detektionsfläche 5a das Auftreffen von fünf Teilstrahlen T1 bis T5 detektiert wird, welche aus dem reflektierten Prüfstrahl durch Strahlteilung hervorgehen. Hierfür wird ein Strahlteiler 3 aus transparentem Material mit einer Dicke d verwendet, wobei auf der Oberseite und der Unterseite des Strahlteilers strahlteilende Flächen 3a und 3b, beispielsweise aus einer Beschichtung aus dielektrischem Material, vorgesehen sind. Der Strahlteiler 3 ist vor der Detektionsfläche 5a des Detektors 5 angeordnet, wobei der Detektor wiederum über eine Datenleitung 7 an eine Auswerteeinheit 6 angeschlossen ist.
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In der Ausführungsform der 3 wird wiederum eine Beleuchtungseinrichtung 1 mit mehreren Strahlquellen 100 verwendet, wobei zwei solcher Strahlquellen vorgesehen sind. Die Strahlquellen senden die beiden Prüfstrahlen P1 und P2 in verschiedenen Winkeln auf den Prüfling 2, um sicherzustellen, dass zumindest einer der Prüfstrahlen auf den Strahlteiler trifft, so dass Teilstrahlen T1 bis T5 ortsaufgelöst detektiert werden können. Die Detektion eines Prüfstrahls bzw. entsprechender Teilstrahlen wird nachfolgend anhand des Prüfstrahls P1 erläutert und läuft für den Prüfstrahl P2 analog ab.
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Der Prüfstrahl P1 fällt zunächst auf die Oberfläche des Prüflings 2. Dort wird er reflektiert und gelangt anschließend zu der unteren strahlteilenden Fläche 3b. Der über die strahlteilende Fläche 3b transmittierte Teil des Prüfstrahls geht durch den Strahlteiler hindurch und wird an der strahlteilenden Fläche 3a in den transmittierten Teilstrahl T1 sowie einen reflektierten Teilstrahl aufgeteilt. Der transmittierte Teilstrahl T1 gelangt zu der Detektionsfläche 5a des Detektors 5. Der an der Fläche 3a reflektierte Teilstrahl wird dann sukzessive an den Flächen 3b und 3a wieder in transmittierte und reflektierte Anteile aufgeteilt, wodurch Teilstrahlen T2, T3, T4 und T5 erzeugt werden, die aus der strahlteilenden Fläche 3a austreten und auf der Detektionsfläche 5a detektiert werden. Da die beiden strahlteilenden Flächen 3a und 3b parallel zueinander verlaufen, sind die dargestellten Abstände Δ zwischen den Teilstrahlen T1 bis T5 gleich groß. Die einzelnen Teilstrahlen unterscheiden sich dabei 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.
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4 zeigt beispielhaft eine Draufsicht auf die Detektionsfläche 5a des Detektors aus 3. Die zweidimensionalen Positionen auf der Detektionsfläche werden durch das lokale kartesische Koordinatensystem mit den Achse x_s und y_s beschrieben. Fallen n Teilstrahlen auf den Detektor, so treffen diese in zueinander versetzten, gleichmäßig beabstandeten Positionen PO1, PO2, PO3, ..., POn auf der Detektionsfläche 5a auf. Wie bereits erwähnt, resultiert der gleichmäßige Abstand der Auftreffpositionen daraus, dass die beiden strahlteilenden Flächen 3a und 3b parallel verlaufen. Bei nicht parallel angeordneten Flächen ist der Abstand zwischen den einzelnen Auftreffpositionen nicht konstant.
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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.
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Die in 3 gezeigte Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass zur Bestimmung der Strahlverläufe der Prüfstrahlen die Detektionsfläche 5a nicht in unterschiedlichen Positionen angeordnet werden muss, da über die unterschiedlichen optischen Weglängen der Teilstrahlen Auftreffpositionen des Prüfstrahls in zueinander versetzten Detektionsebenen simuliert werden. Ferner liegt in einer bevorzugten Abwandlung der Ausführungsform der 3 die Detektionsfläche 5a auf der strahlteilenden Fläche 3a auf, wodurch ein besonders kompakter Aufbau erreicht wird.
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Im Folgenden wird beispielhaft anhand von 3 die Bestimmung des Einfallswinkels α des Prüfstrahls P1 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.
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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.
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Basierend auf dem Reflexionsgesetz ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen dem Einfallswinkel α und dem Abstand Δ zwischen benachbarten Teilstrahlen:
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Der Parameter d ist die Dicke des Strahlteilers 3 und der Parameter n entspricht dem Brechungsindex des Materials des Strahlteilers. Mit obiger Formel kann somit der Einfallswinkel bestimmt werden, an welcher der Prüfstrahl P1 reflektiert wurde. Hieraus lässt sich aus der bekannten Lage der Messebene ME und der ebenfalls bekannten Richtung des Prüfstrahls bei Austritt aus der Strahlquelle die Neigung der Flächennormalen an der entsprechenden Oberflächenposition bestimmen. Mittels zonaler bzw. modaler Integration ergibt sich aus dieser Neigung die Form der Oberfläche des Prüflings.
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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.
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5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Aus Übersichtlichkeitsgründen wurden dabei die Beleuchtungseinrichtung und die Auswerteeinheit weggelassen. Ferner sind die Strahlverläufe schematisiert dargestellt und entsprechen nicht immer den tatsächlichen physikalischen Gesetzen. Mit der Ausführungsform der 5 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.
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Mit dem Aufbau der 5 werden gleichzeitig die Oberflächen O1 und O2 vermessen. Hierzu werden zwei Prüfstrahlen P1 und P2 verwendet. Aus dem Prüfstrahl P1 ergibt sich durch Reflexion an der Oberfläche O1 der Prüfstrahl P11, der auf der Detektionsfläche 5a an der Position PO1 erfasst wird. Im Unterschied hierzu wird der an der Oberfläche O1 reflektierte Teil P21 des Prüfstrahls P2 derart stark abgelenkt, dass er nicht auf die Detektionsfläche 5a fällt.
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Aus dem Prüfstrahl P1 resultieren durch Transmission bzw. Reflexion an den Oberflächen O1 und O2 die weiteren Strahlen P12, P13 und P14. Der Prüfstrahl P14 wird schließlich an der Position PO2 auf der Detektionsfläche 5a detektiert. Demgegenüber resultieren aus dem Prüfstrahl P2 durch Transmission bzw. Reflexion an den Oberflächen O1 und O2 die weiteren Strahlen P22, P23 und P24, wobei die Auftreffposition PO3 des Strahls P24 auf der Detektionsfläche 5a erfasst wird. In dem Szenario der 5 werden somit ein an der Oberfläche O1 reflektierter Prüfstrahl und zwei an der Oberfläche O2 reflektierte Prüfstrahlen erfasst. Durch Veränderung der Messpositionen durch Verschieben der Baugruppe aus Detektor und Beleuchtungseinrichtung relativ zum Prüfling können dann die Strahlverläufe einer Vielzahl von Prüfstrahlen erfasst werden, die sowohl an der Oberfläche O1 als auch an der Oberfläche O2 reflektiert wurden. Hieraus kann dann die Form sowohl der Oberfläche O1 als auch der Oberfläche O2 bestimmt werden.
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Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere gewährleistet die Verwendung von mehreren nicht-parallelen Prüfstrahlen bei der Vermessung eines Prüflings, dass in den meisten Messpositionen auch einer der Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings auf die Detektionsfläche fällt. Hierdurch wird die Anzahl von Messpositionen, zu denen kein Verlauf des Prüfstrahls erfasst werden kann, deutlich reduziert. Vorzugsweise kann dabei durch Verwendung einer großen Anzahl von Prüfstrahlen auch erreicht werden, dass in jeder Messposition der Verlauf eines Prüfstrahls gefunden wird. Demzufolge wird die Anzahl der Messwerte erhöht und hierdurch die Genauigkeit bzw. örtliche Auflösung der Messung verbessert. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass der dynamische Bereich bei der Erfassung der Oberflächengradienten vergrößert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007003681 A1 [0002, 0031]
- DE 102013219440 A1 [0003, 0021]
