DE102017128158A1

DE102017128158A1 - Abstandsmessungsvorrichtung und Verfahren zur Messung von Abständen

Info

Publication number: DE102017128158A1
Application number: DE102017128158.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Schönleber; Stephan André
Original assignee: Precitec Optronik GmbH
Current assignee: Precitec Optronik GmbH
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2018-06-14
Also published as: US10234265B2; DE102017128158A9; US20180164089A1

Abstract

Abstandmessungsvorrichtung zur Messung eines Abstandes zu einem Messobjekt weist einen Strahlteiler auf zur Aufteilung eines von einer Lichtquelle emittierten breitbandigen kohärenten Lichts in ein Messlicht, welches durch einen Objektarm zu dem Messobjekt geleitet wird, und in ein Referenzlicht, das zu einem Referenzarm geleitet wird. In dem Objektarm ist eine Fokussieroptik mit einem entlang einer optischen Achse des Objektarms verschiebbaren Brennpunkt vorgesehen, wobei die Fokussieroptik ein bewegliches optisches Element umfasst und derart ausgebildet ist, dass eine Verschiebung des beweglichen optischen Elements entlang der optischen Achse eine größere Verschiebung des Brennpunkts der Fokussieroptik entlang der optischen Achse hervorruft, und wobei das bewegliche optische Element der Fokussieroptik derart mit dem Referenzarm gekoppelt ist, dass die optische Weglänge des Referenzarms synchron zu und in Abhängigkeit von der Verschiebung des Brennpunkts der Fokussieroptik nachgeführt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur optischen Messung von Abständen.
Im Stand der Technik sind optische, insbesondere auf der optischen Kohärenztomographie (OCT, Optical Coherence Tomography) basierte Verfahren oder OCT-Messverfahren zur Messung von Abständen bekannt. Die optischen Abstandmessungen werden beispielsweise für topographische Untersuchungen von Werkstücken oder anderen Messobjekten benötigt.
Die Druckschrift DE 102013008269 A1 beschreibt einen Bearbeitungskopf und ein Bearbeitungsverfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks mit Laserstrahlung, wobei die Abstandsbestimmung zu dem Werkstück unter Verwendung eines optischen Kohärenztomographen mit einem nachführbaren Referenzarm mit einer Strahlfaltung erfolgt.
Um eine Topographie bzw. geometrische Eigenschaften eines Messobjekts mit dem OCT-Verfahren untersuchen zu können, wird das OCT-Licht oder Messlicht bzw. der Messlichtstrahl auf unterschiedliche Messpunkte der zu untersuchenden Oberfläche gerichtet, was zu messtechnischen Problemen insbesondere bei einer ausgeprägten Topographie bzw. bei einer hohen Stufigkeit des Messobjekts führen kann, insbesondere wenn der Messbereich des Sensors kleiner bzw. sehr viel kleiner als die Höhenvariation des Messobjekts ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine zuverlässige und präzise Messung von Abständen bereitzustellen, die auch bei Messobjekten mit hoher Stufigkeit eingesetzt werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Abstandmessungsvorrichtung zur Messung eines Abstandes zu einem Messobjekt mittels eines optischen Kohärenztomographen bzw. eines OCT-Sensors vorgesehen, aufweisend einen Strahlteiler zur Aufteilung eines von einer Lichtquelle emittierten breitbandigen kohärenten Lichts in ein Messlicht, dass durch einen Objektarm bzw. Messarm zu dem Messobjekt geleitet wird, und in ein Referenzlicht, das zu einem Referenzarm mit einem gefalteten Strahlengang geleitet wird. Der Strahlteiler kann insbesondere als ein Strahlteilerwürfel ausgebildet sein.
Der Referenzarm kann insbesondere einen gefalteten Strahlengang bzw. eine gefaltete Lichtstrecke aufweisen, die das Referenzlicht mehrfach überwinden muss, bis es den Referenzarm verlassen kann. Die gefaltete Lichtstrecke bzw. die Lichtstrecke mit dem gefalteten Strahlengang kann insbesondere eine N-fache Faltung bzw. eine Faltung mit einer Faltungszahl N aufweisen.
Der optische Kohärenztomograph ist so ausgebildet, dass der Abstand zu dem Messobjekt bzw. der Messabstand anhand einer Interferenz zwischen dem Referenzlicht, welches die Referenzstrecke des Referenzarms zurückgelegt hat, und dem von dem Messobjekt zurückreflektierten Messlicht bestimmt werden kann. Der zu messende Abstand bzw. Messabstand wird dabei von einem Messpunkt und einem festen Bezugspunkt an der Abstandsmessungsvorrichtung gemessen.
Insbesondere kann der optische Kohärenztomograph als ein auf einer optischen Frequenz-Domänen-Kohärenztomographie (FD-OCT) basierter optischer Kohärenztomograph ausgebildet sein, der einen charakteristischen dynamischen Bereich bzw. Messbereich oder Messtiefe aufweist.
Die breitbandige kohärente Lichtquelle kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus einer Leuchtdiode, einer Halbleiter-Superlumineszenz-Diode, einer ASE-Quelle (optically pumped fiber based amplified spontaneous emission source), einem optisch gepumpten photonischen Kristall-Laser sowie einem abstimmbaren Halbleiter-Quantendot-Laser.
Diese Lichtquellen eignen sich gut als Lichtquellen im nahinfraroten und im sichtbaren spektralen Bereich.
In dem Objektarm ist eine Fokussieroptik mit einem entlang einer optischen Achse des Objektarms verschiebbaren Brennpunkt vorgesehen. Die Fokussieroptik umfasst ein bewegliches optisches Element und ist derart ausgebildet, dass eine Verschiebung des beweglichen optischen Elements entlang der optischen Achse eine, insbesondere eine um ein Vielfaches größere, Verschiebung des Brennpunkts der Fokussieroptik entlang der optischen Achse hervorruft. Insbesondere kann die Verschiebung des optischen Elements eine 2- bis 20-fach große Verschiebung des Fokussierpunkts hervorrufen. Die Fokussieroptik fungiert somit wie ein Beam-Expander, der in der Lage ist, auch bei einem stark ausgeprägten Relief bzw. bei einer hohen Stufigkeit des Messobjekts, beispielsweise bei Stufenhöhen bis zu 10 cm oder noch höher, den Brennpunkt der Fokussieroptik gemäß der Oberflächentopographie des Messobjekts einzustellen.
Das bewegliche optische Element ist mit dem Referenzarm derart gekoppelt, dass die optische Weglänge des Referenzarms synchron zu und in Abhängigkeit von der Verschiebung des Brennpunkts nachgeführt werden kann.
Das bewegliche optische Element kann insbesondere als eine entlang der optischen Achse bewegliche Linse ausgebildet sein, und die Fokussieroptik kann ferner eine der beweglichen Linse nachgeschaltete unbewegliche Linse, insbesondere eine Kollimatorlinse, umfassen.
Insbesondere kann die Fokussieroptik als eine Zweilinsen-Beam-Expander ausgebildet sein. Dabei kann die bewegliche Linse als eine bewegliche Streulinse und die unbewegliche Linse bzw. die Kollimatorlinse als eine Sammellinse ausgebildet sein.
De Zweilinsen-Beam-Expander erlaubt es, die Fokussieroptik mit verstellbarem Fokuspunkt auf einfache Weise zu realisieren, wobei eine Nichtlinearität der Übersetzung und eine Änderung der numerischen Apertur angesichts der Einfachheit eines solchen Fokussiersystems in manchen Anwendungen in Kauf genommen werden können, zumal der Zweilinsen-Beam-Expander genügend Linearität der Übersetzung bietet, um die gemessene Wegdifferenz bei Messung auf fokussiertem Werkstück immer im Messbereich des OCT-Sensors zu halten.
Die Fokussieroptik kann eine vordefinierte numerische Apertur NA aufweisen und derart ausgebildet sein, dass bei der Verschiebung des Brennpunkts der Fokussieroptik durch die Verschiebung des beweglichen optischen Elements entlang der optischen Achse die numerische Apertur der Fokussieroptik im Wesentlichen konstant bleibt.
Die Fokussieroptik kann eine vordefinierte Messspotgröße aufweisen und derart ausgebildet sein, dass bei der Verschiebung des Brennpunkts der Fokussieroptik durch die Verschiebung des beweglichen optischen Elements entlang der optischen Achse die Messspotgröße im Wesentlichen konstant bleibt.
Durch die Beibehaltung der numerischen Apertur bei der Verschiebung des Brennpunkts bzw. des Fokuspunkts der Fokussieroptik wird die Messfleckgröße am Fokuspunkt bei unterschiedlichen Positionen des Fokussierpunkts im Wesentlichen gleichbleiben, wodurch die Messpräzision erhöht werden kann.
Die Fokussieroptik kann in Form eines Dreilinsen-Beam-Expanders ausgebildet sein.
Insbesondere kann das bewegliche optische Element als eine entlang der optischen Achse bewegliche Sammellinse ausgebildet sein, und die Fokussieroptik kann ferner eine unbewegliche Streulinse und eine unbewegliche Sammellinse bzw. Kollimatorlinse umfassen und derart ausgebildet sein, dass in paraxialer Näherung eine Verschiebung z der beweglichen Linse entlang der optischen Achse eine dieser Verschiebung proportionale Verschiebung z' = F*z des Fokuspunkts hervorruft.
Insbesondere können die bewegliche Linse mit einer Brennweite f₁ und die unbeweglichen Linsen mit den entsprechenden Brennweiten f₂ und f₃ derart positioniert werden, dass in paraxialer Näherung bzw. in Kleinwinkelnäherung z' = F*z gilt, wobei der Proportionalitätsfaktor F durch die Wahl der f₁, f₂ bzw. f₃, des Abstandes zwischen den beiden unbeweglichen Linsen z₂ und des Abstandes z₀ zwischen der beweglichen Linse und der unbeweglichen Linse in der Ausgangsposition bestimmt werden.
Insbesondere können die Linsen L1, L2 und L3 so gewählt sein, dass f₃ > f₂ > |f₁|, und so positioniert sein, dass die Strahlführung einer Kepler-Strahlführung bzw. einer Strahlführung in einem Kepler-Teleskop entspricht.
Durch die Wahl der Kepler-Strahlführung für den Dreilinsen-Beam-Expander kann der Abstand zwischen den Linsen L1 und L2 vergrößert werden, so dass zwischen diesen zwei Linsen weitere optischen Komponenten untergebracht werden können.
In einem Ausführungsbeispiel ist im Strahlengang der Fokussieroptik ein drehbarer Doppelspiegel mit einem Retroreflektor vorgesehen sein. Insbesondere kann der Doppelspiegel als ein elektrisch getriebener Galvospiegel ausgebildet sein.
Durch Änderung der Drehstellung des Doppelspiegels kann die optische Weglänge des Lichtstrahls in dem Doppelspiegel leicht verändert werden, so dass der Fokuspunkt des Messlichtstrahls auf einfache Weise verschoben werden kann.
Die Fokussieroptik kann die Kepler-Strahlführung aufweisen und derart ausgebildet sein, dass der Strahlengang zwischen den Linsen L1 und L2 über den Doppelspiegel mit dem Retroreflektor verläuft. In einem Ausführungsbeispiel werden die Brennweiten f2 und f3 im Wesentlichen gleich groß sein.
Durch die Verdrehung des Doppelspiegels kann der Fokuspunkt der Fokussieroptik verschoben werden, ohne dabei eine Nachführung des Referenzarms nach sich zu ziehen. Dies kann beispielsweise beim Einfahren der Abstandsmessungsvorrichtung genutzt werden.
Die Fokussieroptik kann so ausgebildet sein, dass die numerische Apertur der Fokussieroptik verschiedene vordefinierten Werte annehmen kann.
Insbesondere kann die Kollimatorlinse der Fokussieroptik als eine austauschbare Kollimatorlinse ausgebildet sein.
Ferner kann ein drehbarer Revolverhalter für die Kollamatorlinse vorgesehen sein, die verschiedene Linsen aufnehmen kann, wobei jede Linse je nach der gewünschten NA im Strahlengang der Fokussieroptik räumlich genau positioniert werden kann.
Mit diesem Dreilinsensystem kann eine Fokussierung des Messlichts bzw. eine Anpassung des Fokuspunkts der Messobjektoberfläche auf einfache Weise erfolgen. Zudem kann durch die Parameterwahl des Dreilinsensystems der Proportionalitätsfaktor F bzw. Übersetzung der Fokussieroptik bzw. des Beam-Expanders frei eingestellt werden.
Die Fokussieroptik kann so ausgebildet sein, dass die Brennweiten f₁, f₂, f₃ der drei Linsen die Beziehung f₃ > f₁ > |f₂| erfüllen.
Durch die Einhaltung der Beziehung f₃ > f₁ > |f₂| wird die letzte Stufe des Beam-Expanders bzw. der Abstand zwischen der dritten Linse und dem Messpunkt groß genug, um dort beispielsweise eine Scanvorrichtung zum Abscannen der Messobjektoberfläche unterzubringen.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Dreilinsen-Beam-Expander eine bewegliche Streulinse L1 mit einer Brennweite f₁ und zwei unbewegliche Sammellinsen L2 und L3 mit entsprechenden Brennweiten f2 und f3 auf. Insbesondere können die Linsen so gewählt sein, dass f₃ > f₂ > |f₁|, und so positioniert sein, dass sich die Strahlführung der Strahlführung in einem Galilei-Teleskop ähnelt. Im Vergleich zu der Fokussieroptik mit einer Kepler-Strahlführung weist eine derartige Fokussieroptik eine kompaktere Bauweise auf.
Die Abstandsmessungsvorrichtung kann eine der Fokussieroptik, insbesondere der ersten beweglichen Linse der Fokussieroptik, vorgeschaltete Kompensationslinse mit einer schwachen negativen Brechkraft aufweisen.
Die der Fokussieroptik vorgeschaltete Kompensationslinse kann durch Kompensation von Nichtidealität der Fokussieroptik zur Verbesserung der Abbildungsqualität beitragen.
An einem Ende der gefalteten Lichtstrecke kann der Referenzarm einen in Korrelation mit dem beweglichen optischen Element beweglichen optischen Wegbegrenzer zur Begrenzung bzw. Einstellung der optischen Weglänge des Referenzarms aufweisen. Die korrelierte Bewegung des optischen Elements und des Wegbegrenzers kann insbesondere über ein Hebelwerk erfolgen.
Durch die Bewegung des optischen Wegbegrenzers im Referenzarm in Korrelation mit dem optischen Element des Messarms kann die optische Weglänge des Referenzarms auf einfache Weise synchron zu der Verschiebung des Brennpunkts nachgeführt werden.
Die gefaltete Lichtstrecke kann durch zwei Wegbegrenzer gegeben sein, wobei die beiden Wegbegrenzer als prismenoptische Elemente ausgebildet sind, und wobei eines der beiden prismenoptischen Elemente um eine zu der gefalteten Lichtstrecke parallelen Achse drehbar ist, so dass die Faltungszahl N der gefalteten Lichtstrecke durch Drehung des drehbaren prismenoptischen Elements einstellbar ist.
Durch die Drehung des drehbaren prismenoprischen Elements kann somit die Faltunszahl N auf einfache Weise variiert werden.
In einer Ausführungsform ist die gefaltete Lichtstrecke derart ausgebildet, dass das Eintreten des Lichts in die gefaltete Lichtstrecke entlang der Drehachse des drehbaren prismenoptischen Elements erfolgt.
Das Zusammenfallen der Drehachse mit dem Lichtstrahl des in die Lichtstrecke eintretenden Lichtes macht die gefaltete Lichtstrecke leicht justierbar.
In dem Objektarm kann ein Zwilling der gefalteten Lichtstrecke vorgesehen sein. Insbesondere kann der Zwilling der gefalteten Lichtstrecke als eine Lichtstrecke mit einer konstanten optischen Weglänge ausgebildet sein und einen im Übrigen zu der gefalteten Lichtstrecke identischen Aufbau aufweisen.
Durch das Vorsehen des Zwillings der gefalteten Lichtstrecke im Objektarm können insbesondere Lichtwege in den Wegbegrenzern bzw. in den prismenoptischen Elementen, die sich bei Änderung der Länge der der gefalteten Lichtstrecke nicht ändern, ausgeglichen werden.
Der Wegbegrenzer und das bewegliche optische Element können so ausgebildet sein, dass sie eine Translationsbewegung zusammen bzw. gleichzeitig ausführen können, und die Fokussieroptik kann derart dimensioniert sein, dass der Proportionalitätsfaktor F der Fokussieroptik und die Faltungszahl N der gefalteten Lichtstrecke gleich groß sind. Insbesondere können der optische Wegbegrenzer und das optische Element auf einem gemeinsamen Schlitten entlang einer zu der optischen Achse der Fokussieroptik und zu der gefalteten Lichtstrecke parallelen Stellachse bewegbar sein.
Bei einer gleichzeitigen Translationsbewegung des optischen Wegbegrenzers und des optischen Elements sind die Verschiebung s des Wegbegrenzers und die Verschiebung z des optischen Elements gleich s = z. Die Verschiebung des Fokuspunkts F*z und die Änderung N*s der optischen Weglänge des Referenzarms bei F=N werden somit ebenfalls gleich, so dass die Änderung der optischen Weglänge des Messarms bei einer Fokusverschiebung durch eine gleichzeitige Änderung der optischen Weglänge des Referenzarms auf einfache Weise kompensiert wird. Auf diese Weise wird für jede Position z des Beamexpanders sichergestellt, dass für ein Messobjekt im Fokus des Objektstrahls der OCT-Abstandsmesswert, d.h. die optische Wegdifferenz dz zwischen Objekt- und Referenzarm, in der Nähe von dz=0 bleibt und beim Verschieben nicht aus dem Messbereich fällt.
Der optische Wegbegrenzer kann in Form eines beweglichen reflektierenden optischen Elements ausgebildet sein, der zusammen mit einem anderen nichtbeweglichen reflektierenden optischen Element die gefaltete Lichtstrecke bildet. Die reflektierenden optischen Elemente können in Form eines Spiegels bzw. Endspiegels oder in Form eines Prismenoptikelements ausgebildet sein. Insbesondere kann der Wegbegrenzer bzw. das dem Wegbegrenzer gegenüberstehende reflektierende Element wie ein Retroreflektor bzw. Katzenaugenreflektor ausgebildet sein, der wenigsten zwei zueinander um 90° orientierte spiegelnde Flächen aufweist.
Durch eine entsprechende Positionierung der beiden reflektierenden Elemente kann die gefaltete Lichtstrecke leicht justiert werden bzw. die Faltungszahl N der Lichtstrecke auf einfache Weise eingestellt werden.
Die Abstandsmessungsvorrichtung kann einen Encoder zur Ausgabe einer aktuellen Position z des beweglichen optischen Elements umfassen. Als Position z wird die Position auf einer entlang der optischen Achse der Fokussieroptik in Beleuchtungsrichtung gerichteten positiven Z-Achse betrachtet. Der Encoder kann insbesondere auf der Stellachse bzw. Schiene angeordnet sein.
Anhand der von dem Encoder ausgegebenen aktuellen z-Position kann über die Beziehung z_Referenz = N*z + z_R (mit dem Offset z_R) die absolute Armlänge bzw. optische Weglänge des Referenzarms ermittelt werden, woraus der absolute Abstandswert z_Objekt des aktuellen Messpunkts über die Beziehung z_Objekt = dz + z_Referenz ermittelt werden kann.
In einer Ausführungsform kann die aktuelle Armlänge des Referenzarms über eine Kalibriertabelle mit der hinterlegten Abhängigkeit z_Referenz (z) bestimmt werden. Diese Tabelle kann bei einer Messfahrt mit verschiedenen z und verschiedenen Messobjektabständen z_Objekt ermittelt werden.
Durch die Kalibrierung mit Hilfe der Kalibriertabelle ist eine Maßverknüpfung über die Wellenlänge eines monochromen Messlichts insbesondere durch Zählung der Interferenzmaxima bei der mit Hilfe des Encoders gemessenen Verschiebung möglich.
Die Abstandsmessungsvorrichtung kann ferner einen Zusatzreferenzarm bzw. einen Kalibrierzweig mit einer Referenzplatte mit Positionsmarken zur Eichung der Abstandsmessungsvorrichtung umfassen. Die Positionsmarken werden als reflektierende Marken ausgebildet, die an vorbekannten Positionen z_Objekt = z_{Referenzplatte} (i) entlang einer Oberfläche der Referenzplatte angeordnet sind.
Durch einen Abgleich der Abstandsmessungsergebnisse mit den Ergebnissen der anhand des von den Positionsmarken der Referenzplatte reflektierten Lichtes durchgeführten Messungen kann die Abstandsmessungsvorrichtung in Echtzeit geeicht werden, so dass die Messpräzision erhöht werden kann.
Die Positionsmarken können in Form von Glaskugeln mit einem Brechungsindex n von etwa 1,950 bis 2,000 insbesondere von etwa n = 1,982 ausgebildet sein.
Die in die Glaskugeln eintretenden kollimierten bzw. parallelen Lichtstrahlen werden auf die Rückwand der Glaskugeln fokussiert, so dass sie auf dem inversen Weg zurückreflektiert werden können. Zur Erhöhung der Reflektivität der Glaskugel kann die Rückwand der Glaskugel mit einer spiegelnden Beschichtung versehen werden.
Die Glaskugeln können einen Durchmesser von etwa 15 µm bis etwa 300 pm, insbesondere von etwa 20 µm bis etwa 100 pm, aufweisen.
Die Referenzplatte mit solchen Glaskugeln kann mit einer hohen Fertigungspräzision hergestellt werden.
Alternativ zu Glaskugeln können die Positionsmarken in Form von Corner-Cube-Retroreflector-Spiegeln ausgebildet sein. Solche Corner-Cube-Retroreflector-Spiegel ebenso wie die Glaskugeln weisen eine hohe Ausrichtungstoleranz und hohe Reflektivität auf.
Die Referenzplatte kann ein Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten unter 0,5 ppm/K aufweisen. Beispielsweise kann die Referenzplatte Quarzglas bzw. Glaskeramik auf der Li2O/Al2O3/nSiO2-Basis oder eine Fe(64%)/Ni(36%)-Legierung aufweisen. Durch diese Materialien wird die Temperaturstabilität der Position von Positionsmarken gewährleistet.
Die Referenzplatte kann auch als Treppenkörper mit ca. 20 µm hohen Stufen ausgebildet sein. Die Breite der Stufen soll kleiner sein als der Messbereich bzw. die Messtiefe des OCT-Sensors.
Die Referenzplatte kann in dem Objektarm vorgesehen werden. Dabei wird ein Teil des Objektstrahls abgezweigt und entlang der die reflektierenden Positionsmarken aufweisende Referenzplattenoberfläche gelenkt.
Der Wegunterschied dz(i) zu einigen dieser Positionsmarken kann im laufenden OCT-Messbetrieb mitbestimmt werden, so dass z_Objekt = z_{Referenzplatte} (i) + dz - dz(i) absolut bestimmt wird und auf diese Weise eine Echtzeitkalibrierung mit Hilfe der Referenzplatte durchgeführt werden kann.
Die Abstandsmessungsvorrichtung kann einen Kalibrierzweig des Referenzarms mit zwei parallelen Reflektorplatten aufweisen, welche einen Luftspalt bilden, wobei die Dicke des Luftspalts durch die Stellposition z bestimmt wird: d(z) = d0 + z. Insbesondere kann einer der beiden parallelen Reflektorplatten zusammen mit dem optischen Element bewegbar sein.
Die Abstandsmessungsvorrichtung kann so ausgebildet sein, dass ein Teil des Objektarmlichtes abgezweigt und zu dem Referenzarm gelenkt werden kann. Insbesondere kann ein peripherer Teil des Referenzarmlichts abgezweigt werden, so dass durch die Abzweigung eines Teils des Lichtes die Funktionalität der Abstandsmessungsvorrichtung nicht oder zumindest nicht wesentlich beeinträchtigt wird.
Die Abstandsmessungsvorrichtung kann ferner so ausgebildet sein, dass der Kalibrierarm abgeblockt bzw. von dem Hauptstrahlgang der Abstandsmessungsvorrichtung abgekoppelt werden kann. Insbesondere kann der Kalibrierzweig durch Verstellung eines Justierspiegels abgekappt werden.
Durch das Abblocken des Zusatzreferenzarms bzw. des Kalibrierarms können Kontrollmessungen ohne den Zusatzreferenzarm durchgeführt werden, wobei die Kontrollmessungen durch die Anwesenheit der Referenzpeaks nicht gestört werden.
Die Abstandsmessungsvorrichtung kann eine Scanvorrichtung insbesondere einen Spiegelscanner zum Abscannen eines Messbereichs der Messobjektoberfläche aufweisen. Die Scanvorrichtung kann insbesondere im Strahlengang der Abstandsmessungsvorrichtung zwischen der Fokussieroptik und dem Messobjekt angeordnet sein.
Der Spiegelscanner der Scanvorrichtung kann wenigsten einen in wenigstens eine Richtung schwenkbaren Spiegel, insbesondere einen elektrisch ansteuerbaren Galvospiegel aufweisen.
Mit dem Spiegelscanner kann der Messlichtstrahl in wenigstens eine Richtung zum Abscannen der Messobjektoberfläche verschwenkt werden.
Der Scanvorrichtung kann als ein zweidimensionaler Scanner ausgebildet sein, so dass das Messlicht in zwei insbesondere zwei orthogonale Richtungen abgelenkt bzw. geschwenkt werden kann.
Die Scanvorrichtung kann wenigstens einen Umlenkspiegel zur Erfassung wenigstens eines Teils des Messlichts und zum Abscannen wenigstens eines dedizierten Teilbereichs der Messobjektoberfläche aufweisen
Der wenigstens eine Umlenkspiegel kann derart ausgebildet sein, dass eine maximale Ablenkung bzw. maximale Abweichung des Messstrahls von einer mittleren Richtung beim Abscannen des Teilbereichs der Messobjektoberfläche +/-20°, insbesondere 10° beträgt.
Durch die Einschränkung des maximalen Ablenkwinkels kann die auf die Strahlablenkung zurückzuführende Defokussierung des Messstrahls eingeschränkt werden. Durch die Einschränkung der Defokussierung kann folglich die durch die Defokussierung des Messstrahls verursachte Messungenauigkeit reduziert werden.
Durch das Vorsehen des wenigstens einen Umlenkspiegels können auch Messobjekte mit stark ausgeprägter Stufigkeit bzw. mit komplexer Topographie mit dem OCT-sensor vermessen werden.
Die Abstandsmessungsvorrichtung kann ein Abbildungssystem im Objektarm aufweisen, wodurch das Messlicht auf das Messobjekt geleitet werden kann.
Mit dem Abbildungssystem kann der Messlichtstrahl zur OCT-Erfassung der Messobjektoberfläche gezielt geformt werden.
Der wenigstens eine Umlenkspiegel kann als Teil des Abbildungssystems ausgebildet sein.
Insbesondere kann das Abbildungssystem eine Reflexionsoptik umfassen, und der wenigstens eine Umlenkspiegel kann als ein konkaves und/oder konvexes Reflexionsoptikelement der Reflexionsoptik des Abbildungssystems ausgebildet sein.
Somit kann der Umlenkspiegel sowohl zur Strahlformung als auch zum Abscannen eines dedizierten Teilbereichs der Messobjektoberfläche eingesetzt werden, wodurch die Abstandsmessungsvorrichtung vereinfacht werden kann.
Das Abbildungssystem kann insbesondere als ein vergrößerndes Mikroskopobjektiv ausgebildet sein.
Mit dem Abbildungssystem kann das Messobjekt lokal und hochauflösend abgetastet werden, indem man beispielsweise ein vergrößerndes Mikroskopobjektiv davorstellt, und mit dem Scanner durch das Mikroskopobjektiv hindurch auf das Messobjekt strahlt. Das Abbildungssystem erlaubt es, eine hohe Abtastpräzision und eine hohe NA bzw. eine hohe laterale Auflösung zu erzielen.
Als vergrößerndes Mikroskopobjektiv kann ein Interferenz-Objektiv bzw. ein Mirau-Mikroskopobjektiv vorgesehen sein.
In dem Mirau-Objektiv kommt es zu Interferenzen des breitbandigen kohärenten Lichtes in einer Referenzebene des Objektivs, was Aufschluss über die Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts geben kann. Zudem kann anhand von Interferenzpeaks das Interferenzobjektiv für die OCT-Messung präzise justiert werden.
Es wird ferner ein Verfahren zur Abstandserfassung vorgesehen, umfassend:

- Bereitstellen einer Abstandsmessungsvorrichtung, aufweisend einen Strahlteiler zur Aufteilung eines von einer Lichtquelle emittierten breitbandigen kohärenten Lichts in ein Messlicht, das durch einen Objektarm zu einem Messobjekt geleitet wird, und in ein Referenzlicht, das zu einem Referenzarm mit einer gefalteten Lichtstrecke geleitet wird, wobei in dem Objektarm eine als Beam-Expander ausgebildete Fokussieroptik mit einem entlang einer optischen Achse des Objektarms verschiebbaren Fokuspunkt vorgesehen ist,
- Positionieren des Messobjekts in eine Messposition,
- Fokussieren des Messlichts an einem Messpunkt der Messobjektoberfläche durch Verschiebung des Fokuspunkts der Fokussieroptik zu dem Messpunkt,
- Messen des Abstands zu dem Messpunkt mit einem OCT-Verfahren,
- Fokussieren des Messlichts an einem zweiten Messpunkt der Messobjektoberfläche unter gleichzeitiger Kompensation des auf die Verschiebung des Fokuspunkts zurückzuführenden Wegunterschieds im Referenzarm;

Insbesondere kann das Verfahren wiederholt bei unterschiedlicher Positionierung des Messobjekts durchgeführt werden, so dass die Topographie des Messobjekts erfasst werden kann.
Das Fokussieren kann das Durchfahren eines Fokusbereichs entlang der optischen Achse mit dem Fokuspunkt umfassen, wobei zur Abstandsmessung eine Position des Fokuspunktes mit dem stärkstem OCT-Abstandssignal verwendet wird.
Durch die Verwendung der Position des Fokuspunktes in dem Fokusbereich mit dem stärksten OCT-Abstandssignal wird eine Art Autofokus-Funktion zur Feinfokussierung realisiert, was zu einer Erhöhung der Empfindlichkeit und der Genauigkeit der Messung führen kann.
Das Verfahren kann ferner umfassen:

- Messen des Abstandes zu einem ersten Messpunkt der Messobjektoberfläche in einer ersten Messposition des Messobjekts,
- Versetzen des Messobjekts in eine zweite Messposition,
- Messen des Abstandes zu einem zweiten Messpunkt der Messobjektoberfläche in der zweiten Messposition des Messobjekts, wobei das Versetzen des Messobjekts in die zweite Messposition eine Translationsbewegung des Messobjekts umfasst.

Die Translationsbewegung bzw. die lineare Bewegung des Messobjekts zwischen zwei Messvorgängen ermöglicht es, Profilmessungen des Messobjekts durchzuführen.
Das Verfahren kann ein Abscannen eines Messbereichs des Messobjekts mit einer Scanvorrichtung umfassen.
Mit dem Abscannen eines Scanbereichs kann der abgescannte Messbereich des Messobjeks auf einfache Weise topographisch untersuchen werden.
Das Verfahren kann das Anfahren vorbestimmter Kontroll-Messpositionen mit dem Fokuspunkt sowie Abstandsmessungen an den Kontroll-Messpositionen umfassen.
An den Kontroll-Messpositionen bzw. Kontrollpositionen können Kontrollmessungen durchgeführt werden, um einen fehlerfreien Ablauf des Verfahrens sicherzustellen. Zudem können die Kontrollmessungen an den Kontroll-Messpositionen helfen Fehlmessungen zu erkennen, um sie aus den Messergebnissen herauszufiltern.
Die Scanvorrichtung kann wenigsten einen Umlenkspiegel zur Erfassung wenigstens eines Teils des Messlichts umfassen, wobei das Verfahren ferner das Abscannen wenigstens eines dedizierten Teilbereichs der Messobjektoberfläche umfasst. Insbesondere kann der dedizierte Teilbereich der Messobjektoberfläche mit dem von wenigstens einem Umlenkspiegel umgelenkten Licht erfolgen.
Durch den Einsatz des wenigstens einen Umlenkspiegels können auch Messobjekte mit hoher Stufigkeit bzw. mit einer schwer zugänglichen Topographie mit dem OCT-Messverfahren vermessen werden.
In dem Verfahren kann eine aktuelle Position des Fokuspunktes in Abhängigkeit von einer aktuellen Stellung des Umlenkspiegels mit Hilfe einer Kalibriertabelle bestimmt werden.
Insbesondere kann die Kalibriertabelle einen Zusammenhang zwischen der Position des Fokuspunkts, beispielsweise in kartesianischen Koordinaten x,y,z mit einem oder mit mehreren Scan-Winkeln sowie mit einer hypothetischen Z-Position des Fokuspunkts, d.h. einer Z-Position, die der Fokuspunkt in Abwesenheit des Umlenkspiegels einnehmen würde, herstellen.
Eine solche Kalibriertabelle erlaubt es, die jeweils aktuelle Position des Fokuspunkts bzw. des OCT-Spots auf einfache Weise zu ermitteln.
Zur Berücksichtigung von OCT-Strahlen, die am Umlenkspiegel reflektiert werden, können aus den mit Hilfe der Kalibriertabelle ermittelten Koordinaten x,y,z des Fokuspunkts Koordinaten x',y',z' des gespiegelten Fokuspunkts berechnet werden.
Die Ermittlung der gespiegelten Koordinaten x',y',z' kann beispielsweise über die Positionierungsparameter bzw. über die CAD-Position (Computer-Aided-Design-Position) des Umlenkspiegels und auf Basis einer ursprünglichen Kalibriertabelle erfolgen. Die CAD-Positionsparameter des Umlenkspiegels können beispielsweise Aufpunkt bzw. Referenzpunkt, Orientierung und Berandung des Umlenkspiegels umfassen.
Die Ermittlung der gespiegelten Koordinaten x',y',z' kann über eine zweite Kalibriertabelle erfolgen, welche bei einer Kalibrierfahrt bzw. durch Vermessung eines Kalibrierkörpers bestimmt wird.
Diese Methode der Bestimmung der gespiegelten Koordinaten x',y',z' eignet sich insbesondere für solche Fälle, wenn mehrere Messungen bei gleicher Umlenkspiegelkonfiguration - beispielsweise bei Vermessung von mehreren gleichartigen Messobjekten - durchgeführt werden.
Ferner können die gespiegelten Koordinaten des Fokuspunkts durch eine indirekte Messung der Position des Umlenkspiegels erfolgen, indem im Messfeld an Stellen mit definierter Absolutposition x',y',z' mindestens drei Messpunkte - beispielsweise in Form von spiegelnden Kugeln - angemessen werden. Durch Abgleich zwischen gemessenem x,y,z und CAD-Wert von x',y',z' wird die Spiegelebene bestimmt, wonach der Fangbereich bzw. Abtastbereich des gespiegelten Messfelds, angegeben in Inputkoordinaten, ermittelt werden kann.
Die gespiegelten Koordinaten x',y',z' des Fokuspunkts können durch direkte Messung der Spiegelposition beispielsweise durch Abtastung einer Fase am Spiegelrand bzw. eines Fangbereichs und von mindestens drei Miniatur-Streukörpern auf dem Spiegel erfolgen.
Die direkte Messung der Spiegelposition erlaubt es, die gespiegelten Koordinaten des Fokuspunkts genau zu ermitteln. Zudem müssen die Positionen der drei Miniatur-Streukörper nicht bekannt sein, wenn der Aufpunkt bzw. Referenzpunkt und die Orientierung des Umlenkspiegels bekannt sind.
Der wenigstens ein Umlenkspiegel kann eine auf dem Messobjekt applizierte Spiegelfläche umfassen.
Durch das Applizieren der wenigstens einen Spiegelfläche an dem Messobjekt kann eine Art „kooperatives Messobjekt“ bereitgestellt werden, das eine OCT-Erfassung insbesondere von schwer zugänglichen Stellen des Messobjekts ermöglicht.
Das Messobjekt kann ein für das OCT-Licht wenigstens teilweise transparentes Material aufweisen, und das Verfahren kann Messen des Abstandes zu einem Oberflächenmesspunkt im Durchstrahlmodus umfasst. Insbesondere kann das wenigstens teilweise transparente Material eine bekannte Dicke aufweisen.
Der Durchstrahlmodus ermöglicht es, eine von einer OCT-Licht-Einfallseite abgewandte Rückseite bzw. für direkte Anstrahlung schwer zugängliche Stellen des Messobjekts topographisch zu erfassen.
Die Abstandsmessungsvorrichtung kann ein Abbildungssystem im Objektarm aufweisen, und das Messlicht kann während der Abstandsmessung über das Abbildungssystem auf das Messobjekt geleitet werden. Das Abbildungssystem kann insbesondere als ein vergrößerndes Mikroskopobjektiv ausgebildet sein.
Mit dem Abbildungssystem kann das Messobjekt lokal und hochauflösend abgetastet werden, indem man beispielsweise ein vergrößerndes Mikroskopobjektiv davor stellt, und mit dem Scanner durch das Mikroskopobjektiv hindurch auf das Messobjekt strahlt.
Das Abbildungssystem erlaubt es, eine hohe Abtastpräzision und eine hohe NA bzw. eine hohe räumliche bzw. laterale Auflösung zu erzielen.
Als vergrößerndes Mikroskopobjektiv kann ein Interferenz-Objektiv bzw. ein Mirau-Mikroskopobjektiv eingesetzt werden.
In dem Mirau-Objektiv kommt es zu Interferenzen des breitbandigen kohärenten Lichtes in einer Referenzebene des Objektivs, was Aufschluss über die Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts geben kann. Zudem kann anhand der Interferenzpeaks das Interferenzobjektiv für die OCT-Messung präzise in Bezug auf das Messobjekt justiert werden.
Die Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei die gleichen bzw. gleichwirkenden Teile mit denselben Bezugszeichen belegt worden sind.

1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Abstandsmessungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 zeigt einen Strahlengang in einer Fokussieroptik gemäß einem Ausführungsbeispiel,
3 zeigt einen Strahlengang in einer Fokussieroptik gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel,
4 zeigt einen Strahlengang in einer Fokussieroptik gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
5 zeigt einen Strahlengang in einer Fokussieroptik gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in Seitenansicht,
6 zeigt den Strahlengang in der Fokussieroptik der 5 in Draufsicht,
6a zeigt einen Strahlengang in einer Fokussieroptik gemäß einer anderen Ausführung in Seitenansicht,
6b zeigt einen Strahlengang in einer Fokussieroptik gemäß der 6a in Draufsicht,
7 zeigt eine Detailansicht des Strahlengangs in einer Fokussieroptik mit Referenzarmanpassung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
8 zeigt eine Detailansicht des Strahlengangs in einer Fokussieroptik mit Referenzarmanpassung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
9 zeigt eine Detailansicht des Strahlengangs in einer Fokussieroptik mit Referenzarmanpassung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
10 zeigt eine Detailansicht des Strahlengangs in einer Fokussieroptik mit Referenzarmanpassung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
11 zeigt eine Detailansicht des Strahlengangs in einer Fokussieroptik mit Referenzarmanpassung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
12 zeigt einen Strahlengang durch eine gefaltete Lichtstrecke gemäß einem Ausführungsbeispiel,
13 zeigt einen schematischen Aufbau einer Abstandsmessungsvorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel,
14 zeigt einen schematischen Aufbau einer Abstandsmessungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
15 zeigt einen schematischen Aufbau einer Abstandsmessungsvorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel,
16. zeigt einen Strahlengang einer Abstandsmessungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
17 zeigt einen schematischen Aufbau einer Scanvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
18 zeigt eine Messkonfiguration einer Scanvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
19 zeigt eine Messkonfiguration einer Scanvorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, und
20 zeigt eine Messkonfiguration einer Scanvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
21 zeigt schematisch eine Scanner-Konfiguration gemäß einem Ausführungsbeispiel,
22 zeigt schematisch eine Scanner-Konfiguration gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Abstandsmessungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Die Abstandsmessungsvorrichtung 1 zur Messung eines Abstandes zu einem Messobjekt 2 umfasst eine Lichtquelle 3 zur Erzeugung eines breitbandigen kohärenten Lichtes 4 auf, das von der Lichtquelle 3 über eine optische Faser 5 zu einem Kollimator 6 zur Formung eines kollimierten Lichtstrahls 7 geführt wird.
Die Abstandsmessungsvorrichtung 1 weist ferner einen Strahlteiler 8 zur Aufteilung des kollimierten Lichtstrahls 7 in einen Messlichtstrahl 9 und in einen Referenzlichtstrahl 10 auf. Der Messlichtstrahl 9 wird über einen Messarm bzw. Objektarm 11 zu dem Messobjekt 2 geführt. Der Referenzlichtstrahl 10 wird zu einem Referenzarm 12 geführt.
Im Objektarm 11 ist eine Fokussieroptik 13 mit einer optischen Achse 14 zum Fokussieren des Messlichtstrahls 9 auf der Messobjektoberfläche vorgesehen.
Der Referenzarm 12 weist eine gefaltete Lichtstrecke 15 sowie einen Endspiegel 18 mit einer vorgeschalteten Fokussieroptik 19, auf. Die gefaltete Lichtstrecke wird durch zwei Wegbegrenzer 16 und 17 definiert, welche in Form eines unbeweglichen Retroreflektors und eines beweglichen Retroreflektors ausgebildet sind.
Die Retroreflektoren bzw. die Wegbegrenzer 16 und 17 sind derart angeordnet, dass die gefaltete Lichtstrecke 15 im Wesentlichen parallel zu der optischen Achse 14 der Fokussieroptik 13 liegt. Mit einem Justierspiegel 20 wird der Referenzlichtstrahl 10 in die die gefaltete Lichtstrecke 15 des Referenzarms 12 gelenkt.
Die Wegbegrenzer 16 und 17 sind als prismenoptische Elemente ausgebildet, die jeweils ein Paar von reflektierenden in einem Winkel von 90° zueinander und um 45° zu der Längsrichtung der Lichtstrecke 15 liegenden Planflächen aufweisen, wobei die prismenoptischen Elemente azimutal in Bezug auf die Längsrichtung der Lichtstrecke 15 unterschiedlich ausgerichtet sind. Azimutal unterschiedliche Ausrichtung der prismenoptischen Elemente bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich die Projektionen der beiden 90°-Kanten der beiden prismenoptischen Elemente auf eine senkrecht zu der Längsachse der Referenzlichtstrecke 15 liegenden Ebene unter einem von Null unterschiedlichen Azimut-Winkel schneiden. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt der Azimut-Winkel 90°.
Das Licht kann die Lichtstrecke 15 zwischen den Wegbegrenzern 16 und 17 mehrmals durchlaufen, bevor es die Lichtstrecke 15 verlassen kann. Der azimutale Winkel kann je nach Faltungszahl N unterschiedliche diskrete Werte annehmen. Beispielsweise kann die Faltungszahl N der Lichtstrecke 15 bei einem azimutalen Winkel von 90°, 60°, 45° bzw. 30° Werte von 4, 6, 8 bzw. 12 annehmen.
Durch die Faltung der Lichtstrecke 15 kann somit die Lichtstrecke entsprechend 2fach, 4fach, 6fach, 8fach bzw. 12fach oder noch mehrfach komprimiert werden, wodurch unter anderem eine kompakte Bauweise der Abstandsmessungsvorrichtung 1 ermöglicht wird. Bei der 2fachen Faltung, wenn N = 2, entfällt der Retroreflektor 16.
In einer Ausführungsform ist eines der prismenoptischen Elemente um eine zu der optischen Achse der gefalteten Lichtstrecke parallelen Achse derart drehbar gelagert, dass die Faltungszahl N durch die Drehung des drehbaren prismenoptischen Elements eingestellt werden kann.
Somit kann durch die Drehung des drehbaren prismenoprischen Elements die Faltungszahl N auf einfache Weise variiert werden.
In einer Ausführungsform ist die Lichtstrecke 15 derart ausgebildet, dass das Eintreten des Lichts in die gefaltete Lichtstrecke 15 entlang der Drehachse des drehbaren prismenoptischen Elements erfolgt.
Dadurch, dass die Drehung des drehbaren prismenoptischen Elements um den eintretenden Lichtstrahl erfolgt, kann die gefaltete Lichtstrecke 15 leicht justiert werden.
Damit die Fokusübersetzung F zur umgestellten Faltungszahl N des Referenzarms passt, ist auch die Brennweite des Fokussiersystems umzustellen. Am einfachsten geschieht dies durch Auswechslung von Linse 23, dabei ändert sich auch der Abstand zwischen L2 und L3 sowie die Absolutposition des Fokusbereichs.
Die Fokussieroptik 13 umfasst drei angeordneten Linsen L1, L2 und L3 mit den Bezugsziffern 21, 22 und 23 auf, die an unterschiedlichen Positionen entlang einer optischen Achse 14 angeordnet sind.
Die erste Linse 21, die sich im Objektarm 8 unmittelbar nach dem Strahlteiler 4 befindet, ist eine bewegliche Linse. Insbesondere ist die Position der Linse 21 entlang der optischen Achse 14 bzw. die Z-Position mit einer in die Beleuchtungsrichtung bzw. zum Messobjekt hin gerichteten Z-Achse veränderbar. Die zweite und die dritte Linsen 22 und 23 weisen jeweils eine vorbestimmte feste Z-Position auf.
Die drei Linsen 21, 22 und 23 sind derart dimensioniert, dass die Fokussieroptik 13 wie ein Beam-Expander mit einem entlang der optischen Achse 14 verschiebbaren Fokuspunkt 25 bzw. Brennpunkt und einer Fokusübersetzung F bzw. Übersetzung oder Übersetzungsfaktor fungieren kann. Die Fokusübersetzung F stellt dabei einen Zusammenhang zwischen einer Verschiebung z der ersten Linse 21 entlang der optischen Achse 14 der Fokussieroptik 14 und der Verschiebung z' des Fokussierpunkts 25 her: z'=F*z.
Die Abstandsmessungsvorrichtung 1 weist ferner ein Spektrometer 26 auf, das mit einem Y-Koppler 27 mit der optischen Faser 5 gekoppelt ist. Der Spektrometer 26, die Lichtquelle 3 und der Y-Koppler 27 sind innerhalb eines Gehäuses 28 angeordnet. Der Spektrometer 26 ist so ausgebildet, dass der Abstand zu dem Messobjekt 3 spektrometrisch anhand einer Interferenz zwischen dem Referenzlichtstrahl 10, welches die Lichtstrecke 15 des Referenzarms 12 zurückgelegt hat, und dem von dem Messobjekt 3 zurückreflektierten Messlichtstrahl 9 bestimmt werden kann.
Die Abstandsmessungsvorrichtung 1 weist ferner einen beweglichen Schlitten 30 auf, der parallel bezüglich der optischen Achse 14 des Objektarms 11 entlang einer Stellachse bzw. einer Schiene (nicht gezeigt) hin-und-zurückgefahren werden kann. Die Bewegungsrichtungen des Schlittens 30 sind in 1 mit einem doppelseitigen Pfeil 31 gezeigt. Die Linse 21 und der Retroreflektor 17 sind derart mit dem Schlitten 30 mechanisch verbunden, dass sie zusammen mit dem Schlitten 30 ebenfalls parallel bezüglich der optischen Achse 14 des Objektarms 8 bewegt werden können, so dass eine Verschiebung z des Schlittens 30 entlang der optischen Achse 14 eine gleich große Verschiebung sowohl des Retroreflektors 17 als auch der Linse 21 bewirkt. Die mechanische Verbindung des Retroreflektors 17 und der Linse 21 mit dem Schlitten 30 wird durch eine gestrichelte Linie 32 angedeutet. Wie bereits oben zur N-fach gefalteten Lichtstrecke 15 erläutert wurde, vergrößert sich bei einer positiven Verschiebung z des Retroreflektors 17 die optische Weglänge des Referenzarms um N*z, wobei sich der Fokuspunkt 25 der Fokussieroptik 14 um F*z verschiebt. Die Verschiebung des Fokuspunkts 25 bzw. Brennpunkts der Fokussieroptik 13 um F*z bewirkt eine Änderung der optischen Weglänge des Messstrahls um 2*F*z.
Die Fokusübersetzung F der Fokussieroptik 10 und die Faltungszahl N der Lichtstrecke 15 können so gewählt werden, dass die durch die Verschiebung des Fokuspunks 25 verursachte Änderung der optischen Weglänge des Messslichtstrahls 9 durch eine entsprechende Änderung der Länge der Lichtstrecke 15 kompensiert werden kann. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn F = N. Bei einer achtfachen Faltung der Lichtstecke 15 würde dies eine Übersetzung der Fokussieroptik von 8 ergeben.
Diese Anordnung der Abstandsmessungsvorrichtung 1 ermöglicht eine präzise Abstandsmessung auch bei stark profilierten Messobjekten mit topographischen Höhenunterschieden von über 100 mm. Denn die optische Weglänge des Referenzarms kann auch bei größeren Verschiebungen des Fokuspunkts 25 synchron und präzise gemäß der Verschiebung des Fokuspunkts 25 nachgeführt werden, so dass die Abstandsmessungsvorrichtung 1 den dynamischen Bereich nicht verlässt. Insbesondere wird durch die Nachführung des Referenzarms für jede Position z des Beam-Expanders sichergestellt, dass für ein Messobjekt im Fokus des Objektstrahls der OCT-Abstandsmesswert, d.h. die optische Wegdifferenz dz zwischen Objekt- und Referenzarm, in der Nähe von dz = z_Fokus bleibt und beim Verschieben nicht aus dem Messbereich fällt.
Der absolute Abstandswert des Messobjekts wird durch die folgende Gleichung gegeben: $z_{Objekt} = dz + z_{Referenz} (z)$
dz ist die Wegdifferenz relativ zu einem zusammen mit dem Fokuspunkt 25 beweglichen Bezugspunkt, während z-referenz(z) die absolute Position des Bezugspunkts bezeichnet.
Unter Kenntnis der absoluten Position des Fokuspunktes 25 kann somit der absolute Abstandswert für jeden abgetasteten Oberflächenpunkt des Messobjekts bestimmt werden.
2 zeigt einen Strahlengang in einer Fokussieroptik gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Der Strahlengang soll insbesondere die Funktionsweise der Fokussieroptik 13 als Beam-Expander erläutern.
Es sind drei Linsen L1, L2 und L3 mit jeweils einer Brennweite f₁, f₂ und f₃ gezeigt. Die Drei Linsen L1, L2 und L3 entsprechen den in 1 gezeigten drei Linsen 21, 22 und 23, die entlang einer optischen Achse 14 der Fokussieroptik 13 angeordnet sind.
Der Strahlengang bzw. die Funktionsweise des Beam-Expanders wird anhand von Randstrahlen für zwei verschiedene Positionen der beweglichen Linse L1 verdeutlicht.
In der ersten Position der Linse L1 bzw. bei der ersten Stellung der Fokussieroptik 13 ist der Messlichtstrahl 9 zwischen der Linse L2 und L3 kollimiert, so dass der Lichtstrahl zwischen den Linsen L2 und L3 oder Zwischenstrahl parallel zu der optischen Achse 14 der Fokussieroptik 13 verläuft. Der Abstand z0 zwischen der beweglichen Linse L1 und der unbeweglichen Linse L2 und der Abstand z2 zwischen den unbeweglichen Linsen L2 und der unbeweglichen Linse L3 sind in 2 ebenfalls dargestellt.
Der Messlichtstrahl 9 wird in der ersten Stellung der Fokussieroptik 13 durch einen Randstrahl in Form einer durchgezogenen Linie dargestellt. In der ersten Stellung der Fokussieroptik 13 wird der Messlichtstrahl in dem Fokuspunkt 25 fokussiert. In der zweiten Stellung ist die bewegliche Linse L1 um einen Abstand z in positive Richtung bzw. zu der Linse L2 hin verschoben. Der Messlichtstrahl 9' wird in der zweiten Stellung durch einen Randstrahl in Form einer gestrichelten Linie dargestellt. In der zweiten Stellung der Fokussieroptik 13 wird der Messlichtstrahl in dem Fokuspunkt 25' fokussiert.
Der Randstrahl des Messlichts 9 in der ersten Position wird durch einen Strahlradius r1 am Eingang bzw. an der ersten Linse L1 und durch den Strahlradius r2 des kollimierten Zwischenstrahls im Bereich zwischen L2 und L3 charakterisiert.
Aufgrund der kollimierten Strahlführung zwischen den Linsen L2 und L3 in der ersten Position wird der Messlichtstrahl 9 durch Linse L3 in einem Fokuspunkt 25 fokussiert, welcher um f3 von der Linse L3 entfernt ist. Dieser Fokuspunkt stellt zugleich den Grenzpunkt dar, der den minimalen Arbeitsabstand zu der Messobjektoberfläche definiert.
In paraxialer Näherung erhält man für die numerische Apertur in der ersten Position NA = r2/f3.
Ebenfalls in paraxialer Näherung und unter Anwendung des Strahlensatzes kann anhand des vertikalen Versatzes dr1(z) des Randstrahls an der ersten Linse L1 und des vertikalen Versatzes dr2(z) des Randstrahls an der dritten Linse L3 bei der Verschiebung der ersten Linse L1 um z die Verschiebung z' des Fokuspunktes ermitteln werden: $z ´ (z) = dr 2 (z) * f 3 /r 2 = z * F;$
Nach Ausdruck von dr2 und dr1 durch Systemparameter, dr2 = dr1 * (f2 - z2) / f2 und dr1 = z * r1 / f1 ergibt sich für F der Ausdruck: $F = r 1 /f 1 * (f_{2} - z_{2}) {/f}_{2} * f_{3} {/r}_{2} = NA 1 /NA * (f_{2} - z_{2}) {/f}_{2},$
wobei NA= r_2/f₃ und NA1=r₁/f₁.
Mit den Identitäten z₂ = f₂ + f₃ und f₁ / r₁ = -f₂ / r₂ ergibt sich für F: F = NA1² / NA².
In der Praxis wird man für F einen ganzzahligen Wert vorgeben, z.B. F=4, 6 oder 8, dann über die Vorgabe von NA eine passende NA1 bestimmen aus $NA 1 = + / - F^{1 / 2} * NA$
Das Vorzeichen richtet sich dabei nach dem Verhältnis der Kollimationsdurchmesser. Für r₁ > r₂ sind NA1, f₁ positiv und f₂ negativ. Für r₁ < r₂ sind NA1, f₁ negativ und f₂ positiv.
Durch Vorgabe der NA und der Kollimationsdurchmesser r₁, r₂ sind dann die Brennweiten f₁, f₂, f₃ und die Abstände z₀, z₂ festgelegt.
3 zeigt einen Strahlengang in einer Fokussieroptik gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu dem Beispiel der 1 ist die bewegliche Linse L1 der Fokussieroptik 13' der 3 eine Streulinse, die eine negative Brechkraft bzw. eine negative Brennweite f₁ aufweist. Die zweite Linse L2 ist eine Sammellinse mit einer positiven Brennweite f2. Die obigen Ausführungen zu 2 sind auch zu 3 anwendbar, wobei die Konfiguration der 3 der Fokussieroptik dem negativen Vorzeichen der numerischen Apertur NA1 entspricht. Wie man der 3 entnehmen kann, wird auch in diesem Fall durch eine positive Verschiebung z der beweglichen Linse L1 eine größere positive Verschiebung z' des Fokuspunktes von dem Fokuspunkt 25 in der ersten Stellung zu dem Fokuspunkt 25' in der zweiten Stellung bewirkt, wobei in diesem Fall r1 < r2 bzw. das Verhältnis der Kollimationsdurchmesser r1/r2 kleiner als eins ist.
4 zeigt einen Strahlengang in einer Fokussieroptik gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel der Fokussieroptik 13'' sind die sämtlichen Linsen L1, L2 und L3 des Beam-Expanders als Sammellinsen ausgeführt. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen der 2 und 2a wird die Brennweite f₁ der ersten Linse L1 bzw. der Abstand zwischen der ersten Linse L1 und der zweiten Linse L2 so gewählt, dass der Fokuspunkt der Linse L1 in dem Bereich zwischen L1 und L2 liegt, wobei sich der Fokuspunkt der L1 bei einer Verschiebung der ersten Linse L1 um einen Abstand z in die positive Richtung um einen gleichen Abstand z in die gleiche Richtung verschiebt, was zu einer größeren Verschiebung z' des Fokuspunkt der Fokussieroptik von dem Fokuspunkt 25 in der ersten Stellung zu dem Fokuspunkt 25' in der zweiten Stellung führt. Dabei ist das Verhältnis der Kollimationsdurchmesser r1/r2 ähnlich wie in der Konfiguration der 3 kleiner als eins. So gesehen verhält sich die Linse L1 in dieser Konfiguration wie eine Streulinse in der Konfiguration der 3. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel der 2, das sich durch die Strahlführung einem Galilei-Teleskop ähnelt, entspricht die Strahlführung in dem Ausführungsbeispiel der 3 einem Kepler-Teleskop. Diese beiden Optikkonzepte können folglich in dem Beam-Expander der Abstandsmessungsvorrichtung implementiert werden.
5 zeigt einen Strahlengang in einer Fokussieroptik gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in Seitenansicht.
In 5 ist die Fokussieroptik 13''' in zwei Einstellungen A und B gezeigt. Der Strahlengang in den beiden Fällen A und B werden anhand der Randstrahlen des Lichtstrahls 9 bzw. 9' verdeutlicht.
Die Fokussieroptik 13''' weist ebenfalls drei Linsen L1, L2 und L3 auf. Die Linsen L2 und L3 sind Sammellinsen und entsprechen in ihrer Funktion den Linsen L2 und L3 der 2-4. Der Strahl 9 bzw. 9' wird mit der Linse L3 in den Fokuspunkt 25 bzw. 25' fokussiert. Die Fokussieroptik 13''' weist einen Hauptast 105 und einen Nebenast 110 auf. Die Linse L1 ist in dem Nebenast 110 der Fokussieroptik 13''' angeordnet. Ferner weist der Nebenanst 110 eine Kollimationsoptik mit der Kollimatorlinse 122 auf. Der Lichtstrahl 9 bzw. 9' an der Linse L1 weist einen kleineren Durchmesser im Vergleich zu dem Durchmesser des Lichtstrahls an den Linsen L2 und L3 auf.
Die Fokussieroptik 13''' umfasst ferner einen drehbar gelagerten planparallelen Doppelspiegel 100 mit einem ersten Planspiegel 101 und einem zweiten Planspiegel, die voneinander beabstandet angeordnet sind. Der Doppelspiegel 100 ist um eine der Bildebene senkrechten Achse drehbar, welche mittig zwischen den Spiegeln bzw. von den beiden Planspiegeln 101, 102 im Wesentlichen gleich beabstandet liegt. Der Doppelspiegel 100 wird durch eine Galvo-Dreheinheit (nicht gezeigt) angetrieben.
Der Hauptast 105 und der Nebenast 110 sind über ein unbewegliches bzw. fixes Rechtwinkelprisma 120 optisch miteinander gekoppelt, wobei das Prisma 120 einen Querversatz des Strahls 9 bewirkt.
6 zeigt den Strahlengang in der Fokussieroptik der 5 in Draufsicht.
Dabei sind der Strahlengang im Fall A und im Fall B der 5 aufeinandergelegt, um den durch die Verdrehung des Doppelspiegels 100 verursachte Verschiebung des Fokuspunktes von 25 zu 25' zu verdeutlichen.
Die räumliche Anordnung des fixen Prismas 120, des Nebenasts 110, des Hauptasts 105 und des Doppelspiegels 100 der Fokussieroptik 13''' wird in dieser Ansicht deutlicher. In der Draufsicht der 6 ist ebenfalls deutlich, dass der Hauptast 105 und der Nebenast 110 in dem Doppelspiegelbereich 130 bzw. in dem Bereich des Doppelspiegels 100 mit einer horizontalen Versetzung parallel zueinander verlaufen.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Linsen L1, L2 und L3 die Brennweiten f₁ = 20 mm, f2 = 40 mm und f3 = 40 auf.
Das von der Linse L1 kommende, konvergierende Licht wird in Hin- und Rücklauf durch den planparallelen Doppelspiegel 100 geschickt. Das dem Doppelspiegel 100 nachgeschaltete fixe bzw. statische Rechtwinkelprisma 120 verleiht dem Licht für den Rücklauf einen seitlichen Versatz.
Je nach Drehwinkel des Doppelspiegels 100 ist der Gesamtweg zwischen Eintritts- und versetzter Austrittstelle, wo Linse L2 platziert wird, unterschiedlich, die Strahlachse des austretenden Strahls bleibt aber an der gleichen Stelle.
Mit Hilfe der Galvo-Dreheinheit - im Gegensatz zu Justieroptiken mit axialer Führung - kann die Fokussieroptik auf einfache und schnelle Weise justiert werden.
Die Linse L1 ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine Sammellinse ausgebildet. Wegen der Länge des Strahlenganges durch die Fokussieroptik wird in dem von L1 und L2 gebildeten Beam-Expander ein Zwischenbild erzeugt, was die Strahlführung zwischen den Linsen L1 und L2 um die Länge 2*f₁ verlängert, vgl. 3. Aufgrund der verlängerten Strahlführung kann der Doppelspiegel 100 leicht im Strahlengang der Fokussieroptik 13''' untergebracht werden.
6a zeigt einen Strahlengang in einer Fokussieroptik gemäß einer weiteren Ausführung in Seitenansicht.
In 6a ist die Fokussieroptik 13^IV in zwei unterschiedlichen Einstellungen A und B dargestellt. Der Strahlengang wird anhand von Grenzstrahlen des Lichtstrahls 9 bzw. 9' verdeutlicht.
Auch die Fokussieroptik 13^IV , ähnlich wie die Fokussieroptik 13''' der 5, umfasst drei Linsen L1, L2 und L3. Die Linsen L2 und L3 sind Sammellinsen und entsprechen in ihrer Funktionalität den Linsen L2 und L3 der 2 bis 4. Die Fokussieroptik 13^IV umfasst ferner einen Hauptast 105 und einen Nebenast 110. Die Linse L1 ist in dem Nebenast 110 der Fokussieroptik 13^IV angeordnet. Der Nebenast 110 umfasst auch eine Kollimationsoptik mit einer Kollimatorlinse 122. Der Lichtstrahl 9 bzw. 9' weist an der Linse L1 einen kleineren Durchmesser als an den Linsen L2 und L3 auf. Der Strahl 9 bzw. 9' wird mit der Linse L3 am Fokuspunkt 25 bzw. 25' fokussiert.
Die Fokussieroptik 13^IV umfasst ferner einen drehbaren planparallelen Doppelspiegel 100' mit einem ersten Planspiegel 101' und einem zweiten Planspiegel 102'. Im Unterschied zu der Ausführungsform der 5 ist der Doppelspiegel 100' als ein Rechteckdoppelspiegel ausgebildet, in dem die Planspiegel 101' und 102' im rechten Winkel zueinander angeordnet sind. In der Seitenansicht der 6a sind die beiden Planspiegel 101' und 102' senkrecht zu der Zeichnungsebene orientiert und der Doppelspiegel 100' ist um eine senkrecht zu der Zeichnungsebene stehende Rotationsachse drehbar. Der Doppelspiegel 100' wird mit einer nicht dargestellten Galvo-Dreheinheit angetrieben, wobei die Rotationsachse des Doppelspiegels 100' parallel zu der durch die Planspiegel 101' und 102' gebildeten Kante 103 des Doppelspiegels 100' liegt. In dieser Ausführungsform fällt die Rotationsachse im Wesentlichen mit der Kante 103 des Doppelspiegels 100' zusammen.
Der Hauptast 105 und der Nebenast 110 sind optisch über ein unbeweglichen Rechtwinkelprisma 120 gekoppelt, wobei das Rechtweinkelprisma 120 eine seitliche bzw. transversale Versetzung des Strahls 9 bzw. 9' bewirkt.
6b zeigt einen Strahlengang in einer Fokussieroptik gemäß der 6a in Draufsicht. Der Strahlengang im Fall A und der Strahlengang im Fall B gemäß der 6a werden überlagert, um die durch die Rotation des Doppelspiegels 100' verursachte Verschiebung des Fokuspunktes von 25 nach 25' zu verdeutlichen.
Diese Ansicht verdeutlicht auch die räumliche Anordnung des fixen Prismas 120, des Nebenasts 110, des Hauptasts 105 sowie des Doppelspiegels 100' der Fokussieroptik 13^IV . In der Draufsicht der 6b ist zudem ersichtlich, dass der Hauptast 105 und der Nebenast 110 in dem Bereich 131 des Doppelspiegels 100' mit einer horizontalen Versetzung parallel zueinander verlaufen.
In der dargestellten Ausführungsform weisen die Linsen L1, L2 und L3 die Brennweiten f₁ = 20 mm, f2 = 40 mm und f3 = 40 auf.
Die Linse L1 ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine Sammellinse ausgebildet. Das von der Linse L1 kommende, konvergierende Licht wird in Hin- und Rücklauf durch den planparallelen Doppelspiegel 100' geschickt. Das dem Doppelspiegel 100 nachgeschaltete fixe bzw. statische Rechtwinkelprisma 120 verleiht dem Licht für den Rücklauf einen seitlichen Versatz.
Im unterschied zu einer Justieroptik mit axialer Führung kann die Fokussieroptik mit der Galvo-Dreheinheit auf einfache Weise schnell eingestellt werden.
Wegen der Länge des Strahlenganges durch die Fokussieroptik 13^IV wird in dem von der Linse L1 und der Linse L2 gebildeten Beam-Expander ein Zwischenbild erzeugt, was die Strahlführung zwischen den Linsen L1 und L2 um die Länge 2*f₁ verlängert, vgl. 4. Aufgrund der verlängerten Strahlführung kann der Doppelspiegel 100 leicht im Strahlengang der Fokussieroptik 13^IV untergebracht werden.
7 zeigt eine Detailansicht des Strahlengangs in einer Fokussieroptik mit Referenzarmanpassung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In 7 wird der Doppelspiegelbereich 130' des Strahlenganges vergrößert dargestellt.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein abgeteilter Referenzstrahl 10, der als fette Linie dargestellt ist, ebenfalls durch die Fokussieroptik 13''' geschickt. Der Referenzstrahl 10 wird von einem Spiegelpaar 135 mit zwei zueinander um 90° gestellten Spiegeln 136 und 136 zurück durch den Doppelspiegel 100 geschickt. Der Referenzstrahl 10 wird von dem Endspiegel 18 mit vorgeschalteter Fokussieroptik 19 zurückreflektiert. Bereits durch die Rückreflexion des Referenzlichts 10 an dem Spiegelpaar 135 wird die Faltungszahl gleich N = 1 erzielt.
Somit wird erreicht, dass die Referenzarmlänge einer Verschiebung des Fokuspunkts bei einer Verstellung der Fokussieroptik bzw. bei einer Verdrehung des Doppelspiegels angepasst werden kann.
8 zeigt einen Strahlengang in der Fokussieroptik mit Referenzarmanpassung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In dem Ausführungsbeispiel der 8 wird eine Faltungszahl N = 2 verwirklicht. Im Unterschied zur 7 ist hier ein Retroreflektor 140 zur Rückreflexion des Referenzstahls 10 vorgesehen. Der Referenzstrahl 10 wird ähnlich wie in dem Ausführungsbeispiel der 7 durch den Doppelspiegel 100 geschickt und durch den Spiegelpaar 135 zurück zurückreflektiert. Der Retroreflektor 140 bewirkt jedoch, dass der Referenzstrahl noch einmal die Doppelspiegelstrecke durchläuft, bis er von dem Endspiegel 18 zurückreflektiert wird.
9 zeigt eine Detailansicht des Strahlengangs in einer Fokussieroptik mit Referenzarmanpassung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Mit Hilfe eines Spiegelpaars (nicht gezeigt) wird ein Referenzstrahl 10 abgezweigt und durch den Doppelspiegel 100 geschickt. Dabei ist der Referenzstrahl so ausgerichtet, dass er von dem Rechtwinkelprisma 120 zurück in zu dem Doppelspiegel 100 reflektiert wird. Das Rechtwinkelprisma 120 dient somit sowohl für den Messstrahl 9 als auch für den Referenzstrahl 10 als Wegbegrenzer bzw. als Retroreflektor, wodurch das optische System deutlich vereinfacht werden kann.
10 zeigt eine Detailansicht des Strahlengangs in einer Fokussieroptik mit Referenzarmanpassung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Die Fokussieoptik der 10 ist ähnlich wie die Fokussieroptiken der obigen Beispiele aufgebaut. Die Fokussieroptik weist einen drehbaren Doppelspiegel 100 mit den Planspiegeln 101 und 102 sowie Beam-Expander-Linsen L1, L2, und L3. Die Linse L3 bzw. der fokussierte Strahl werden von dem Bildbereich der Detailansicht nicht erfasst. Die Fokussieroptik weist Planspiegel 150, 151, 152, 153 zur Strahlführung auf. Der Messlichtstrahl 9 wird nach dem Passieren des Doppelspiegels 100 von den Planspiegeln 151 und 150 zurück in den Doppelspiegel 100 geschickt.
Ein Teil des Messlichts wird vor dem Eintritt in den Doppelspiegel 100 als Referenzstrahl 10 abgezweigt, der auf einen separaten Pfad durch den Doppelspiegel 100 geschickt wird. Von den Spiegeln 150 und 152 wird der Referenzstrahl zurück zu dem Doppelspiegel 100 geschickt, wonach er vom Spiegel 153 durch die Fokussieroptik 19 zu dem Endspiegel 18 gelenkt wird. Von dem Endspiegel 18 wird der Referenzstrahl 10 zurück reflektiert, so dass der Referenzstrahl noch einmal durch das Doppelspiegelsystem durchläuft.
In diesem Ausführungsbeispiel der Fokussieroptik wird somit eine Faltungszahl N = 1 des Referenzarms verwirklicht.
11 zeigt eine Detailansicht des Strahlengangs in einer Fokussieroptik mit Referenzarmanpassung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Die Fokussieoptik der 11 ist ähnlich wie die Fokussieroptiken der obigen Beispiele aufgebaut. Zusätzlich zu den in 10 gezeigten Elementen weist die Fokussieroptik der 11 Retroreflektoren 160 und 161 auf beiden Seiten des Doppelspiegels 100 auf, so dass der Referenzstrahl 10 noch einmal durch den Doppelspiegel 100 hin- und hergeschickt werden kann.
Somit kann in diesem Ausführungsbeispiel der Fokussieroptik t eine Faltungszahl N = 2 des Referenzarms verwirklicht werden.
Die in den 7 bis 11 gezeigte Referenzstrahlführung kann auf die Fokussieroptik 13^IV der 6a bzw. 6b. in analoger Weise angewandt werden.
12 zeigt einen Strahlengang durch eine gefaltete Lichtstrecke gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die in 12 gezeigte Lichtstrecke entspricht der gefalteten Lichtstrecke 15 der 1, welche durch zwei Wegbegrenzer 16 und 17 definiert wird. Die Wegbegrenzer 16 und 17 sind in Form eines unbeweglichen Retroreflektors und eines beweglichen Retroreflektors ausgebildet. Zudem ist der Wegbegrenzer 17 um eine zu der optischen Achse der gefalteten Lichtstrecke parallelen Achse drehbar.
In 12 werden zwei Drehstellungen A und B des Retroreflektors 17 sowie diesen zwei Drehstellungen des Retroreflektors 17 entsprechende Strahlengang des Referenzlichts 10A und 10B gezeigt. Das Referenzlicht wird durch einen Justierspiegel (nicht dargestellt) in die gefaltete Lichtstrecke hineingebracht. Der Justierspiegel 20 lenkt den Lichtstrahl aus der gefalteten Lichtstrecke zu dem Endspiegel 18, welchem die Fokussieroptik 19 vorgeschaltet ist. Das Licht bzw. der Referenzlichtstrahl kann je nach der Drehstellung des Retroreflektors 17 unterschiedliche Anzahl von Reflexionen zwischen den prismenoptischen Elementen erfahren.
In der Position A des Retroreflektors 17 verläuft der Lichtstrahl bzw. der Referenzstrahl 10A, der durch mehrere dünne Linien dargestellt ist, auf dem Hinweg zu dem Endspiegel viermal durch die Lichtstrecke hin- und zurück, was einer Faltungszahl von N = 8 entspricht.
In der Position B erfährt der Referenzlichtstrahl 10B, der durch eine dicke Linie dargestellt ist, auf dem Hinweg zu dem Endspiegel fünfmal durch die Lichtstrecke hin- und zurück, was einer Faltungszahl von N=10 entspricht.
Die 12 verdeutlicht somit, wie man die Faltungszahl N der auf prismenoptischen Elementen basierten Lichtstrecke auf einfache Weise durch Verdrehung der prismenoptischen Elemente in Bezug zueinander einstellen kann.
13 zeigt einen schematischen Aufbau einer Abstandsmessungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Die Abstandsmessungsvorrichtung 1 der 13 entspricht im Wesentlichen der Abstandsmessungsvorrichtung der 1 und weist zusätzlich einen Kalibrierzweig 59 mit einer Referenzplatte 60 zur Durchführung von präzisen Abstandsmessungen auf.
Ein Teil des Messlichtstrahls 9 wird mittels eines Strahlteilers 8' von dem Objektarm 11 abgezweigt und entlang einer Oberfläche der Referenzplatte 60 gelenkt. Die Referenzplatte 60 weist reflektierende Marken 61 bzw. Positionsmarken auf, die das von dem Objektarm 11 abgezweigte Licht zurück zur spektrometrischen Auswertung reflektieren können. Die Referenzplatte 60 kann als ein Objekt mit materiell bzw. dauerhaft verankerten bekannten Abständen z_{Referenzplatte} (i) für verschiedene Markennummern i zur Eichung der Abstandsmessungsvorrichtung 1 verwendet werden.
Der Wegunterschied zu einzelnen Marken 61 kann in einem laufenden OCT-Messbetrieb mitbestimmt werden, so dass der Messabstand z_Objekt = z_{Referenzplatte} (i) + dz - dz (i) absolut bestimmt werden kann.
Die Marken 61 sind in Form von kleinen Glaskugeln mit einem Brechungsindex von etwa n=1,982 ausgebildet. Die in die Glaskugeln eintretenden kollimierten bzw. parallelen Lichtstrahlen werden auf die Rückwand der Glaskugeln fokussiert, so dass sie auf dem inversen Weg wieder kollimiert zurückreflektiert werden können. Die Glaskugeln können eine Größe von etwa 15 µm bis etwa 300 pm, insbesondere von etwa 20 µm bis etwa 100 µm aufweisen. Zur Erhöhung der Reflektivität der Glaskugel kann die Rückwand der Glaskugel mit einer hochreflektierenden insbesondere metallischen Beschichtung versehen werden.
Alternativ zu Glaskugeln können die Marken 61 in Form von Corner-Cube-Retroreflector-Spiegeln ausgebildet sein. Ebenso wie Glaskugeln weisen solche Corner-Cube-Retroreflector-Spiegel hohe Ausrichtungstoleranz und hohe Reflektivität auf.
Die Referenzplatte kann ein Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten unter 0,5 ppm/K aufweisen. Beispielsweise kann die Referenzplatte Quarzglas bzw. Glaskeramik auf der Li2O/Al2O3/nSiO2-Basis oder eine Fe(64%)/Ni(36%)-Legierung aufweisen.
Die Referenzplatte kann auch als Treppenkörper mit ca. 20 µm hohen Stufen ausgebildet sein. Die Breite der Stufen soll kleiner sein als der Messbereich des OCT-Sensors sein.
Alternativ oder zusätzlich zu der Referenzplatte 60 kann ein Umschalter für eine genaue Abstandsbestimmung vorgesehen sein. Der Umschalter kann eine Vielzahl von geeichten Lichtstrecken mit unterschiedlichen Längen sowie einen optischen Schalter aufweisen, welcher das Messlicht bzw. das Referenzlicht in jeweils eine Lichtstrecke des Umschalters einkoppeln kann. Die Lichtstrecken des Umschalters können insbesondere als endseitig verspiegelte optische Kanäle bzw. optische Fasern ausgebildet sein, wobei der optische Schalter als drehbeweglich gelagerter Kippspiegel ausgebildet ist, so dass je nach Position des Kippspiegels das Licht in jeweils einen optischen Kanal eingekoppelt werden kann.
Der Kalibrierzweig 59 ist so ausgebildet, dass er beispielsweise durch eine zwischen dem Strahlteiler 8' und der Referenzplatte 59 angeordnete bewegliche Blende ab- bzw. zugeschaltet werden kann. Somit kann der Kalibrierzweig bei Bedarf deaktiviert werden, so dass von den durch die Marken 61 verursachten Referenzpeaks ungestörte Kontrollmessungen durchgeführt werden können.
14 zeigt einen schematischen Aufbau einer Abstandsmessungsvorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
Die Abstandsmessungsvorrichtung 1 der 14 entspricht im Wesentlichen der Abstandsmessungsvorrichtung der 13, wobei der Kalibrierzweig 59 im Referenzarm 59 im Referenzarm 12 vorgesehen ist.
Der Justierspiegels 20' ist in diesem Beispiel als ein teillichtdurchlässiger Spiegel 20' realisiert, so dass der von dem Strahlteiler abgezweigte Referenzstrahl 10 teilweise durch den Justierspiegel 20' zu einem verstellbaren Eintrittsspiegel 62 des Kalibrierzweigs 59 gelangen kann.
Der Eintrittsspiegel 62 kann bei Bedarf so verstellt werden, dass der Kalibrierzweig gekappt wird, so dass die OCT-Messung nicht durch Anwesenheit von durch die Marken 61 der Referenzplatte 60 verursachten Referenzpeaks gestört wird.
Ein Teil des Messlichtstahls 9 wird mittels eines Strahlteilers 8' von dem Objektarm 11 abgezweigt und entlang einer Oberfläche der Referenzplatte 60 gelenkt. Die Referenzplatte 60 weist reflektierende Marken 61 bzw. Positionsmarken auf, die das von dem Objektarm 11 abgezweigte Licht zurück zur spektrometrischen Auswertung reflektieren können. Die Referenzplatte 60 kann als ein Objekt mit materiell bzw. dauerhaft verankerten bekannten Abständen z_{Referenzplatte} (i) für verschiedene Markennummern i zur Eichung der Abstandsmessungsvorrichtung 1 verwendet werden.
15 zeigt einen schematischen Aufbau einer Abstandsmessungsvorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
Die Abstandsmessungsvorrichtung 1 ist im Wesentlichen ähnlich wie die Abstandmessungsvorrichtungen der vorherigen Beispiele aufgebaut. Auch die Fokussieroptik 13 bzw. der Beam-Expander mit drei koaxial angeordneten Linsen 21, 22 und 23 ist ähnlich wie die Fokussieroptik der oben beschriebenen Beispiele aufgebaut.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Teil des kollimierten Lichtstrahls 7 durch einen Strahlteiler 8 abgezweigt und mit einem Justierspiegel 20 einem Kalibrierzweig 59' zugefügt. Der Kalibrierzweig 59' weist zwei parallele durch einen Luftspalt 70 getrennte Planspiegel 71 und 72 auf. Der Kalibrierzweig 59' weist ferner einen Endspiegel 18 mit Fokussieroptik 19 auf und ist derart ausgebildet, dass das von dem Strahlteiler 8 abgezweigte Licht eine Mehrfachreflexion zwischen den zwei Planspiegeln 71 und 72 erfahren kann, und von dem Endspiegel 18 zurück zu dem Strahlteiler 8 und zum Spektrometer 26 zur Auswertung zurückreflektiert werden kann.
In dem Kalibrierzweig 59' mit dem vordefinierten Luftspalt 70 wird somit eine gefaltete Lichtstrecke gebildet. Die Faltungszahl N der gefalteten Lichtstrecke kann durch eine geeignete Ausrichtung des Luftspalts eingestellt werden, so dass durch die Planspiegel 71 und 72 eine Kalibrierstrecke mit einer vordefinierten Länge bereitstellt wird.
In dieser Anordnung ist ferner eine gefaltete Lichtstrecke 15' als Verlängerung des Messarms bzw. des Objektarms 11 ausgebildet, so dass bei einer Ungenauigkeit der z-Verschiebung beispielsweise bedingt durch eine Stellungenauigkeit der Stellachse diese Ungenauigkeit durch die gefaltete Lichtstrecke 15' vervielfacht wird. In diesem Aufbau werden die kleinsten Justierfehler durch die N-fache Faltung derart verstärkt, dass sie leicht festgestellt und beseitigt werden können.
16. Zeigt einen Strahlengang einer Abstandsmessungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Insbesondere wird in 16 der Strahlengang 80 in einem Objektarm 11 und in einem Referenzarm 12' gezeigt. Die Lichtstrahlen werden in Form durchgezogener Linien mit Pfeilen visualisiert, wobei der kollimierte Lichtstrahl 7' mit einem peripheren Teilstrahl 81 in 16 von links eingestrahlt wird.
Die Fokussieroptik 13 mit den Linsen 21, 22 und 23 ist ähnlich wie die Fokussieroptik 13 der Abstandsmessungsvorrichtungen der vorhergehenden Beispiele aufgebaut.
Die Linse 21 bzw. L1 ist in einer entlang der optischen Achse 14 der Fokussieroptik 13 bzw. in Z-Richtung beweglichen Halterung 90 montiert. Die Halterung 90 weist eine Durchgangsöffnung 91 für die Linse 21 auf. Am Perimeter der Durchgangsöffnung 91 ist ein Spiegelring 92 mit einer bezüglich der optischen Achse 14 geneigten spiegelnden Oberfläche 93 vorgesehen.
Die Halterung 90 der Linse 21 ist auf einem auf einer Schiene 95 entlang der optischen Achse 14 beweglichen Schlitten 30' angeordnet. Der Schlitten 30' weist einen Encoder 96 zur Bestimmung der Absolutposition des Schlittens bezüglich der z-Achse bzw. der optischen Achse 14 auf. Die Schiene 95 ist an einer Basisplatte 97 befestigt. Mit dem Encoder 96 können die absolute Position der Linse 21 sowie der Absolutwert der Verschiebung z der Linse 21 bezüglich eines Bezugspunkts bestimmt werden. Als Bezugspunkt kann ein fester Punkt beispielsweise an der Basisplatte festgelegt werden.
Der Referenzzweig 12' weist einen Endspiegel 18 mit einer Fokussieroptik 19 auf, die ebenfalls in der Halterung festmontiert sind.
Eine gefaltete Lichtstrecke 15'' wird zwischen einem in einer Fassung 98 eingesetzten Retroreflektor 17'' und dem Spiegelring 92 gebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Retroreflektor 17'' als ein Katzenaugenspiegel ausgebildet. Alternativ kann auch ein 90°-Prisma als Retroreflektor eingesetzt werden. Die Fassung 98 ist durch einen Haltestab 99 an der Basisplatte 97 befestigt.
Der periphere Teilstrahl 81 wird von dem Ringspiegel 92 erfasst und durch zweifache Reflexion an der geneigten spiegelnden Oberfläche des Ringspiegels 92 zur Lichtstrecke 15'' gelenkt. Auf dem Rückweg gelangt der Teilstrahl 81 zu dem Endspiegel 18, von dem es zurück Richtung Lichtquelle bzw. des Spektrometers des OCT-Sensors reflektiert wird.
Bei einer Verschiebung der Linse 21 entlang der Z-Achse ändert sich auch der Abstand zwischen der Halterung 90 und der Fassung 98 proportional zu der Verschiebung, so dass auch die Länge der gefalteten Lichtstrecke 15'' bzw. die optische Weglänge der Lichtstrecke 15'' sich ändert.
Auf diese Weise kann die optische Weglänge des Referenzarms 12 der Verschiebung des Fokuspunktes unmittelbar nachgeführt werden.
Im Unterschied zu den vorherigen Beispielen wird jedoch in dieser Ausführungsform der Abstandsmessungsvorrichtung 1 ein peripherer Teilstrahl 81 des kollimierten OCT-Lichtsrahls 7' für den Referenzarm 9 abgezweigt, so dass der Eingriff in die Lichtführung minimiert werden kann.
17 zeigt einen schematischen Aufbau einer Scanvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die Messkonfiguration 40 ist zum Abscannen einer Messobjektoberfläche des Messobjekts vorgesehen. Die Scanvorrichtung 40 kann im Strahlengang der Abstandsmessungsvorrichtung gemäß einem der obigen Ausführungsbeispiele zwischen dem Beam-Expander und dem Messobjekt eingesetzt werden.
Die Scanvorrichtung 40 weist einen Spiegelscanner 50' zum Auffächern bzw. zum Ausschwenken des Messlichtstrahls 9 auf.
Die Scanvorrichtung 40 umfasst ferner Umlenkspiegel 51 und 52 bzw. Spiegelsegmente, die als Planspiegel ausgebildet sind und im Strahlengang des Messlichts derart angeordnet sind, dass jeder der beiden Umlenkspiegel das Messlicht erfassen kann und einen Teilbereich des Messobjekts abscannen kann.
Der Spiegelscanner 50' kann als ein ein- oder zweidimensionaler Scanner ausgebildet sein, so dass das Messlicht in eine oder zwei Richtungen abgelenkt bzw. geschwenkt werden kann, wobei pro Ablenkrichtung ein Umlenkspiegel vorgesehen sind. Der Einfachheit halber wird in 17 eine eindimensionale Scanvorrichtung 40 gezeigt. Das hier erläuterte Scanprinzip kann jedoch analog auf den Fall mit einem zweidimensionalen Spiegelscanner angewendet.
Im Betrieb beschreibt der Fokuspunkt des Messlichtstrahls 9 eine Kreissegmentbahn 53 mit einem maximalen Ablenkwinkel 54 von einer Normalrichtung 55 bzw. einer Gleichgewichtsrichtung. Entsprechend beschreiben die Fokuspunkte des von den Umlenkspiegeln 51 bzw. 52 abgelenkten Lichts jeweils eine Kreissegmentbahn 53' und 53'' mit jeweils einem maximalen Abweichungswinkel 54' und 54'' von jeweils einer Gleichgewichtsrichtung 55', 55', wobei die Kreissegmentbahnen 53' und 53'' sich zum Teil überlagern. Somit wird der gesamte abzuscannende Oberflächenbereich des Messobjekts in zwei kleinere Teilbereiche aufgeteilt. Durch diese Aufteilung des abzuscannenden Oberflächenbereichs in zwei Teilbereiche kann der Gesamtoberflächenbereich bei einer geringeren Maximalablenkung 54 des Messlichtstrahls 9 abgescannt werden.
Der maximale Ablenkwinkel 54' bzw. 54" des jeweiligen Umlenkspiegels 51 bzw. 52 beträgt 20°, was deutlich geringer ist als der maximale Ablenkwinkel in dem Fall, wenn man denselben Scanbereich mit einem einzigen Spiegel abscannen würde. Durch die Reduzierung der maximalen Ablenkwinkel können die auf die kreisförmige Trajektorie des jeweiligen Fokuspunkts zurückzuführende Defokussierungseffekte und abaxiale Streuungen an der Messobjektoberfläche sowie die daraus folgenden Messlichtverluste und Messfehler reduziert werden.
Mit dem Spiegelscanner 50' kann somit bei einem vorgegebenen Scanbereich sowohl der maximale Ablenkwinkel als auch die maximale Defokussierung in einer Zielebene reduziert werden, wodurch eine höhere Genauigkeit bei der Abstandsmessung erzielt werden kann. Durch die Reduzierung der Defokussierung kann zudem ein Schritt des Nachfokussierens erspart werden, wodurch das Messverfahren beschleunigt werden kann.
Wie man aus 17 erkennen kann, gibt es zwischen den beiden Umlenkspiegeln 51 und 52 eine Lücke, so dass die Scanvorrichtung 40 eine Design- bzw. Konfigurationsfreiheit bietet, die bei Messungen an Messobjekten mit unterschiedlicher Geometrie ausgenutzt werden kann. Die Umlenkspiegel 51 und 52 oder auch weitere Umlenkspiegel können beispielsweise in einem kegelförmigen Messstrahl derart untergebracht werden, dass sie jeweils einen Teilstrahl erfassen, ohne dass es zu einer Aufteilung des Messstrahls in zwei Teile kommen muss. Es kann also vermieden werden, dass zwei Stellen auf dem Messobjekt gleichzeitig gemessen werden. Zudem kann mit Hilfe von solchen Umlenkspiegeln bzw. Teilspiegeln auch schwer zugängliche Stellen des Messobjekts mit den CTO-Verfahren vermessen werden.
Dabei ist es nicht notwendig, dass die Position der auf die Umlenkspiegel 51 und 52 zurückzuführenden Kreisbahnsegmente genau bekannt ist, damit ein Zusammenhang der Teiltopographien hergestellt werden kann. Es genügt, die von zwei Nachbarspiegeln gleichermaßen erfassten Gebiete und deren Topographie zur Überlappung zu bringen. In Kombination mit den Kalibrierdaten des Scanners können daraus Ort und Neigung der Umlenkspiegel rekonstruiert werden.
Andererseits kann mit Hilfe der Umlenkspiegel bzw. Spiegelsegmente und eines Planspiegel-Messobjekts eine Kalibrierung der Scanner-Topographie-Messung ausgeführt werden, die auch für eine Scanvorrichtung ohne Spiegelsegmente Gültigkeit hat.
18 zeigt eine Messkonfiguration einer Scanvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die gezeigte Messkonfiguration 40' macht deutlich, wie das in 17 dargestellte Umlenkspiegelkonzept auch für Messungen von nicht planen Messobjekten aufgeweitet werden kann.
Es sind drei Umlenkspiegel 51, 51' und 52 im Lichtfeld des von dem Spiegelscanner aufgefächerten Messlicht zu sehen. Das Messlicht wird anhand von Messlichtstrahlen 9 als durchgezogene Linien dargestellt, die mit den Umlenkspiegeln 51, 51' und 52 bzw. Teilspiegeln an das Messobjekt 2 gerichtet werden. Die Teilspiegel 51, 51' und 52 sind derart positioniert, dass durch die Verschwenkung des Messlichtstrahls 9 mit den Umlenkspiegeln 51, 51' und 52 jeweils ein Teilbereich der Oberfläche des Messobjekts 2 abgescannt werden kann. Die Scanbewegung des von den Teilspiegeln gelenkten Lichts wird durch gebogene doppelseitige Pfeile verdeutlicht.
Als Messobjekt wird in diesem Beispiel ein zylinderförmiges Objekt genommen. Wie man sieht, lässt sich mit dem Teilspiegelkonzept ein zylindrisches Messobjekt von drei Seiten abtasten, so dass die OCT-Erfassung der Topographie des Messobjekts 2 auf effiziente Weise erfolgen kann.
19 zeigt eine Messkonfiguration einer Scanvorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
In der gezeigten Messkonfiguration 40'' wird das Umlenkspiegelkonzept auf eine gezackte Oberfläche eines Messobjekts 2 in Form eines Zahnrads angewandt. Die Teilspiegel 51, 51' und 52 erfassen jeweils einen Teil des Messlichts 9, so dass sie jeweils einen Scanbereich des Messobjekts 2 abscannen können. Die Scanbewegung des von den Teilspiegeln gelenkten Lichts wird durch gebogene doppelseitige Pfeile verdeutlicht.
Im Strahlengang des Umlenkspiegels 52, der den Zahn 2' frontal abtastet, ist ein Kompensationsspiegel 52' vorgesehen. Mit der Positionseinstellung des Kompensationsspiegels 52' kann der auf die Zahngeometrie, insbesondere des verkürzten Abstands der Stirnfläche zum Scanner, zurückzuführende kürzere optischer Weg für den frontal abtastenden Lichtstrahl ausgeglichen werden. Wegen der im Wesentlichen symmetrischen Geometrie des Zahnrads genügt für die Seitenflächen des Zahns 2' je ein Teilspiegel 51 bzw. 51'.
20 zeigt eine Messkonfiguration einer Scanvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In dieser Messkonfiguration 40''' wird das Umlenkspiegelkonzept auf ein Messobjekt 2 mit einem tiefen Graben 2' angewandt.
Die Scanvorrichtung 40 weist einen Scanner 50' sowie Umlenkspiegel 51, 52 sowie einen Kompensationsspiegel 52' zum Wegunterschiedsausgleich auf.
In 20 sind Kreissegmentbahnen 53, 53' und 53'' gezeigt, die durch Fokuspunkte des Messlichts bei Abwesenheit des Objekts 2 beschreiben würden. Diese Kreissegmentbahnen entsprechende Scanbereiche werden zur Erfassung von unterschiedlichen Oberflächenregionen des Messobjekts verwendet. Das von dem Umlenkspiegel 51 reflektierte Messlicht wird zur Erfassung der Oberfläche des Messobjekts 2 außerhalb des Grabens 2" verwendet. Das direkt von dem Spiegelscanner 50' gelenkte Licht wird zur Erfassung des Bodens des Grabens 2'' verwendet.
Diese Spiegelkonfiguration ermöglicht es, tiefe Graben bzw. Graben mit einem hohen Aspektverhältnis, insbesondere mit einem Aspektverhältnis - das heißt mit einem Verhältnis der Grabentiefe zur Grabenweite über 50 - präzise zu vermessen.
21 zeigt schematisch eine Scanner-Konfiguration gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In der gezeigten Scanner-Konfiguration 500 ist der Strahlformenden Optik des Objektarms 11 mit den Linsen 221, 222 und 223 ein Spiegelscanner 50 nachgeschaltet. Die Darstellung der 21 entspricht einem eindimensionalen Scanner mit einem um eine senkrecht zu der Bildebene liegenden Achse schwenkbaren Scanner-Spiegel 180. Das hier erläuterte Scanprinzip kann jedoch analog auf den Fall mit einem zweidimensionalen Spiegelscanner angewandt werden. Der Strahlengang wird für drei unterschiedliche Stellungen des Scanner-Spiegels 180 gezeigt. Wie man aus 21 erkennen kann, bewegt sich der Fokuspunkt des Messstrahls 9 beim Schwenken des Scanner-Spiegels 180 entlang einer Kreisbahnlinie 510, so dass der Fokuspunkt ein Kreissegment beschreibt. Diese Scanner-Konfiguration kann somit in den oben gezeigten Scanvorrichtungen mit Umlenkspiegeln eingesetzt werden, um Teilbereiche der Messobjektoberfläche abzuscannen. Die strahlformende Optik mit Linsen 221, 222, 223 ist hier nur schematisch dargestellt und kann als Beam-Expander nach einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele ausgebildet sein.
22 zeigt schematisch eine Scanner-Konfiguration gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Scanner-Konfiguration 500' der 22 entspricht in wesentlichen Komponenten der Scanner-Konfiguration der 21 mit dem Unterschied, dass der Spiegelscanner 40 bzw. der Scanner-Spiegel 180 zwischen den zwei Linsen 221 und 223 angeordnet ist, was zu einem telezentrischen Strahlengang führt. Dies ergibt eine gerade Fokusbahnlinie 510' oder im Falle eines zweidimensionalen Scanners eine Fokusbahnebene. Diese Scanner-Konfiguration ohne Umlenkspiegeln kann insbesondere für Messobjekten mit hoher Planarität bzw. mit nicht stark ausgeprägter Topographie verwendet werden. In Kombination mit Umlenkspiegeln - ähnlich wie in den oben beschriebenen Scanvorrichtungen - kann auch die telezentrische Scanner-Konfiguration der 22 für Messobjekte mit hoher Stufigkeit bzw. mit stark ausgeprägter Topographie eingesetzt werden.
Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Abstandsmessungsvorrichtung
2: Messobjekt
2': Zahn
2'': Graben
3: Lichtquelle
4: breitbandiges kohärentes Licht
5: optische Faser
6: Kollimator
7: Lichtstrahl
8: Strahlteiler
9: Messlichtstrahl
10: Referenzlichtstrahl
11: Objektarm
12, 12': Referenzarm
13, 13', 13", 13''', 13^IV: Fokussieroptik
14: optische Achse
15, 15', 15": gefaltete Lichtstrecke
16, 17, 17', 17": Wegbegrenzer
18: Endspiegel
19: Fokussieroptik
20, 20': Justierspiegel
21, 22, 23: Linsen
25: Fokuspunkt
26: Spektrometer
28: Gehäuse
30, 30': Schlitten
31: Bewegungsrichtung des Schlittens
32: Mechanische Verbindung
40, 40', 40", 40''': Messkonfiguration
50: Scanner
51, 51', 52,: Umlenkspiegel
52': Kompensationsspiegel
53, 53', 53": Kreissegmentbahn
54, 54', 54": maximaler Ablenkwinkel
55, 55', 55": Normalrichtung
59, 59': Kalibrierzweig
60: Referenzplatte
61: Marke
62: Eintrittsspiegel
70: Luftspalt
71, 72: Planspiegel
80: Strahlengang
81: peripherer Teilstrahl
90: Halterung
91: Durchgansöffnung
92: Spiegelring
93: spiegelnde Oberfläche
95: Schiene
96: Encoder
97: Basisplatte
98: Fassung
99: Haltestab
100, 100': drehbarer Doppelspiegel
101, 101', 102, 102': Planspiegel
103: Edge of the double mirror
105: Hauptast
110: Nebenast
120: Rechtwinkelprisma
122: Kollimatorlinse
130, 131: Doppelspiegelbereich
135: Spiegelpaar
136, 137: Planspiegel
140: Retroreflektor
150, 151, 152, 153: Planspiegel
160, 161: Retroreflektor
180: Scanner-Spiegel
221, 222, 223: Linsen
500, 500': Scanner-Konfiguration
510, 510': Fokusbahnlinie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013008269 A1 [0003]

Claims

Abstandmessungsvorrichtung zur Messung eines Abstandes zu einem Messobjekt, aufweisend einen Strahlteiler (8) zur Aufteilung eines von einer Lichtquelle (3) emittierten breitbandigen kohärenten Lichts in ein Messlicht, das durch einen Objektarm (11) zu dem Messobjekt geleitet wird, und in ein Referenzlicht, das zu einem Referenzarm (12) geleitet wird, wobei in dem Objektarm (11) eine Fokussieroptik (13, 13', 13", 13''', 13^IV) mit einem entlang einer optischen Achse des Objektarms (11) verschiebbaren Brennpunkt vorgesehen ist, und wobei die Fokussieroptik (13, 13', 13", 13''', 13^IV) ein bewegliches optisches Element (21) umfasst und derart ausgebildet ist, dass eine Verschiebung des beweglichen optischen Elements (21) entlang der optischen Achse eine größere Verschiebung des Brennpunkts der Fokussieroptik (13, 13', 13", 13''', 13^IV) entlang der optischen Achse hervorruft, und wobei das bewegliche optische Element (21) der Fokussieroptik (13, 13', 13", 13''', 13^IV) derart mit dem Referenzarm (9) gekoppelt ist, dass die optische Weglänge des Referenzarms synchron zu und in Abhängigkeit von der Verschiebung des Brennpunkts der Fokussieroptik (13, 13', 13", 13''', 13^IV) nachgeführt werden kann.
Abstandsmessungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das bewegliche optische Element (21) als eine entlang der optischen Achse bewegliche Linse ausgebildet ist, und wobei die Fokussieroptik (13, 13', 13", 13''', 13^IV) ferner eine der beweglichen Linse nachgeschaltete unbewegliche Linse umfasst.
Abstandsmessungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Fokussieroptik (13, 13', 13", 13''', 13^IV) eine vordefinierte numerische Apertur aufweist und derart ausgebildet ist, dass bei der Verschiebung des Brennpunkts der Fokussieroptik (13, 13', 13", 13''', 13^IV) durch die Verschiebung des beweglichen optischen Elements (21) entlang der optischen Achse die numerische Apertur der Fokussieroptik (13, 13', 13", 13''', 13^IV) im Wesentlichen konstant bleibt.
Abstandsmessungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Fokussieroptik (13, 13', 13", 13''', 13^IV) als ein Dreilinsen-Beam-Expander ausgebildet ist.
Abstandsmessungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, wobei das bewegliche optische Element (21) als eine entlang der optischen Achse bewegliche Sammellinse mit einer Brennweite f₁ ausgebildet ist, und wobei die Fokussieroptik (13, 13', 13", 13''', 13^IV) ferner eine unbewegliche Streulinse mit einer Brennweite f₂ und eine unbewegliche Sammellinse mit einer Brennweite f₃ umfasst und derart ausgebildet ist, dass in paraxialer Näherung eine Verschiebung z der beweglichen Linse eine dieser Verschiebung proportionale Verschiebung z' = F*z hervorruft.
Abstandsmessungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das bewegliche optische Element (21) als eine entlang der optischen Achse bewegliche Sammellinse mit einer Brennweite f₁ ausgebildet ist, und wobei die Fokussieroptik (13, 13', 13", 13''', 13^IV) ferner eine unbewegliche Sammellinse mit einer Brennweite f2 und eine unbewegliche Sammellinse mit einer Brennweite f3 umfasst und derart ausgebildet ist, dass in paraxialer Näherung eine Verschiebung z der beweglichen Linse eine dieser Verschiebung proportionale Verschiebung z' = F*z hervorruft.
Abstandsmessungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei im Strahlengang der Fokussieroptik (13''', 13^IV) ein drehbarer Doppelspiegel (100) mit einem Retroreflektor (120) vorgesehen ist.
Abstandsmessungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Fokussieroptik (13, 13', 13", 13''') so ausgebildet ist, dass die numerische Apertur der Fokussieroptik (13, 13', 13", 13''') verschiedene vordefinierten Werte annehmen kann.
Abstandsmessungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Fokussieroptik (13, 13', 13", 13''', 13^IV) derart ausgebildet ist, dass die Brennweiten der Linsen die folgende Beziehung f₃ > f₁ > |f₂| erfüllen.
Abstandsmessungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Referenzarm (12) eine gefaltete Lichtstrecke (15) mit einer Faltungszahl N aufweist, und wobei an einem Ende der gefalteten Lichtstrecke (15) ein in Korrelation mit dem optischen Element (21) beweglicher optischer Wegbegrenzer (17) zur Begrenzung der optischen Weglänge des Referenzarms (12) vorgesehen ist.
Abstandsmessungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die gefaltete Lichtstrecke (15) durch zwei Wegbegrenzer (16, 17) gegeben ist, und wobei die beiden Wegbegrenzer (16, 17) als prismenoptische Elemente ausgebildet sind, wobei eines der beiden prismenoptischen Elemente um eine zu der gefalteten Lichtstrecke (15) parallelen Achse drehbar ist, so dass die Faltungszahl N der gefalteten Lichtstrecke durch Drehung des drehbaren prismenoptischen Elements einstellbar ist.
Abstandsmessungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei im Objektarm (11) ein Zwilling der gefalteten Lichtstrecke (15) vorgesehen ist.
Abstandsmessungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der optische Wegbegrenzer (17) und das bewegliche optische Element (21) eine Translationsbewegung gemeinsam ausführen können, und wobei die Fokussieroptik (13, 13', 13", 13''', 13^IV) derart dimensioniert ist, dass der Proportionalitätsfaktor F der Fokussieroptik (13, 13', 13", 13''', 13^IV) und die Faltungszahl N der gefalteten Lichtstrecke (15) gleich groß sind.
Abstandsmessungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Encoder (96) zur Ausgabe einer aktuellen Position z des beweglichen optischen Elements (21) vorgesehen ist.
Abstandsmessungsvorrichtung nach Anspruch 14, wobei eine absolute Armlänge des Referenzarms (12) über eine Kalibriertabelle mit einer hinterlegten Abhängigkeit z_Re _ferenz(z) bestimmbar ist.
Abstandsmessungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abstandsmessungsvorrichtung einen Kalibrierzweig (59, 59') umfasst, wobei der Kalibrierzweig (59, 59') eine Referenzplatte (60) mit Positionsmarken (61) zur Eichung der Abstandsmessungsvorrichtung (1) aufweist.
Abstandsmessungsvorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Positionsmarken (61) in Form von Glaskugeln mit einem Brechungsindex n von 1,95 bis 2,00 ausgebildet sind.
Abstandsmessungsvorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Referenzplatte (60) im Objektarm (11) der Abstandsmessungsvorrichtung (1) vorgesehen ist.
Abstandsmessungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abstandsmessungsvorrichtung (1) ferner eine Scanvorrichtung (50) zum Abscannen eines Messbereichs der Messobjektoberfläche umfasst.
Abstandsmessungsvorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Scanvorrichtung (50) wenigstens einen Umlenkspiegel (51, 51', 52) zur Erfassung wenigstens eines Teils des Messlichts und zum Abscannen wenigstens eines dedizierten Teilbereichs der Messobjektoberfläche aufweist.
Abstandsmessungsvorrichtung, nach Anspruch 20, wobei eine maximale Ablenkung des Messstrahls von einer mittleren Richtung beim Abscannen des Teilbereichs der Messobjektoberfläche +/- 20°, insbesondere +/- 10° beträgt.
Verfahren zur Abstandserfassung, umfassend: - Bereitstellen einer Abstandsmessungsvorrichtung, aufweisend einen Strahlteiler zur Aufteilung eines von einer Lichtquelle emittierten breitbandigen kohärenten Lichts in ein Messlicht, das durch einen Objektarm zu einem Messobjekt geleitet wird, und in ein Referenzlicht, das zu einem Referenzarm mit einer gefalteten Lichtstrecke geleitet wird, wobei in dem Objektarm eine als Beam-Expander ausgebildete Fokussieroptik mit einem entlang einer optischen Achse des Objektarms verschiebbaren Fokuspunkt vorgesehen ist, - Positionieren des Messobjekts in eine Messposition, - Fokussieren des Messlichts an einem Messpunkt der Messobjektoberfläche durch Verschiebung des Fokuspunkts der Fokussieroptik zu dem Messpunkt, - Messen des Abstandes zu dem Messpunkt mit einem OCT-Verfahren unter gleichzeitiger Kompensation des auf die Verschiebung des Fokuspunkts zurückzuführenden Wegunterschieds im Referenzarm.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Fokussieren Durchfahren eines Fokusbereichs entlang der optischen Achse mit dem Fokuspunkt umfasst, und wobei zur Abstandsmessung eine Position des Fokuspunktes mit stärkstem OCT-Abstandssignal verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, wobei das Verfahren ferner umfasst: - Messen des Abstandes zu einem ersten Messpunkt der Messobjektoberfläche in einer ersten Messposition des Messobjekts, - Versetzen des Messobjekts in eine zweite Messposition, - Messen des Abstandes zu einem zweiten Messpunkt der Messobjektoberfläche in der zweiten Messposition des Messobjekts, und wobei das Versetzen des Messobjekts in die zweite Messposition eine Translationsbewegung des Messobjekts umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei das Verfahren ein Abscannen eines Messbereichs des Messobjekts mit einer Scanvorrichtung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei das Verfahren Anfahren vorbestimmter Kontroll-Messpositionen mit dem Fokuspunkt sowie Abstandsmessungen an den Kontroll-Messpositionen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Scanvorrichtung wenigstens einen Umlenkspiegel zur Erfassung wenigstens eines Teils des Messlichts umfasst, und wobei das Verfahren Abscannen wenigstens eines dedizierten Teilbereichs der Messobjektoberfläche mit dem wenigsten einem Umlenkspiegel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei eine aktuelle Position des Fokuspunktes (x,y,z) in Abhängigkeit von einer aktuellen Stellung des Umlenkspiegels mit Hilfe einer Kalibriertabelle bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 28, wobei der wenigstens eine Umlenkspiegel eine auf dem Messobjekt applizierte Spiegelfläche umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 29, wobei das Messobjekt ein für das Messlicht wenigstens teilweise transparentes Material aufweist, und wobei das Verfahren Messen des Abstandes zu einem Oberflächenmesspunkt im Durchstrahlmodus umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 30, wobei die Abstandsmessungsvorrichtung ein Abbildungssystem umfasst, und wobei das Messlicht über das Abbildungssystem auf das Messobjekt geleitet wird.