DE102020128394B3

DE102020128394B3 - Kondensoreinheit zum Bereitstellen einer gerichteten Beleuchtung eines an einer Messobjektposition positionierten Messobjekts, Abbildungsvorrichtung sowie Verfahren zum Aufnehmen eines Schattenrisses wenigstens eines Messobjekts in einem Messfeld unter Verwendung einer Abbildungsvorrichtung sowie Verwendung eines Abschwächungselements

Info

Publication number: DE102020128394B3
Application number: DE102020128394.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Gottschall; Frank Richter; Andrei TCHERNOOK; Ralf Hambach; André Dathe
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2020-10-28
Filing date: 2020-10-28
Publication date: 2022-01-27
Anticipated expiration: 2040-10-29
Also published as: WO2022090227A1; JP2023542249A; US20230392924A1; JP7541620B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Kondensoreinheit (100) zum Bereitstellen einer gerichteten Beleuchtung eines an einer Messobjektposition (001) positionierten Messobjekts (110), wobei die Kondensoreinheit (100) eine Lichtquelle (120) zum Ausgeben eines Lichtbündels (105) und ein optisches Element (125) mit einer positiven Brechkraft aufweist. Ferner umfasst die Kondensoreinheit (100) wenigstens einem in einer gemeinsamen optischen Achse (130) mit der Lichtquelle (120) und dem optischen Element (125) angeordneten Abschwächungselement (300), das eine ortsabhängige Lichtintensitätsabschwächungswirkung für das durch das Abschwächungselement (300) fallende Lichtbündel (105) aufweist, insbesondere wobei die Lichtintensitätsabschwächungswirkung von der optischen Achse (130) zu einem Rand des Abschwächungselementes (300) hin abnimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kondensoreinheit zum Bereitstellen einer gerichteten Beleuchtung eines an einer Messobjektposition positionierten Messobjekts, eine Abbildungsvorrichtung und ein Verfahren zum Aufnehmen eines Schattenrisses wenigstens eines Messobjekts in einem Messfeld unter Verwendung einer Abbildungsvorrichtung gemäß den Hauptansprüchen und eine Verwendung eines Abschwächungselements, das eine ortsabhängige Lichtintensitätsabschwächungswirkung für das durch das Abschwächungselement fallende Lichtbündel aufweist.
Um ein Messobjekt optisch ausmessen zu können, spielt speziell eine in der Winkelverteilung an das Messobjektiv angepasste Beleuchtung, eine effiziente Beleuchtung, d. h. eine Beleuchtung mit einer hohen Leuchtdichte und eine homogene Beleuchtung dieses Messobjekts eine wichtige Rolle. Für eine optimale Beleuchtung dieses Messobjekts werden oftmals Kondensoreinheiten verwendet, die jedoch aus mehreren Komponenten aufgebaut sind und speziell für Beleuchtungen für telezentrische Systeme eine in Lichtrichtung lange Bauform bedingen und einen großen Justage- und Materialaufwand erfordern. Andererseits bieten bestehende Flächenstrahler eine kompakte Bauform, erreichen jedoch keine stark gerichtete Beleuchtung mit geringer numerischer Apertur (NA) bei gleichzeitig hoher Effizienz für Detektionssysteme mit stark eingeschränkter Akzeptanz-NA, (typische Systeme haben NA< 0.1) wie sie z.B. für Präzisionsmessungen im Schattenrissverfahren benötigt wird. Aus US 6 283 599 B1 ist ein Projektor mit einstellbarer und gleichmäßiger Helligkeit bekannt. Nachteilig sind die u.a. durch den Reflektor und die Linsenkombinationen bedingte lange Baulänge, sowie die Vielzahl der benötigten optischen Elemente.
Vor diesem Hintergrund wird mit dem hier vorgestellten Ansatz eine verbesserte Kondensoreinheit zum Bereitstellen einer gerichteten Beleuchtung eines an einer Messobjektposition positionierten Messobjekts vorgestellt. Auch wird eine verbesserte Abbildungsvorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Aufnehmen eines Schattenrisses wenigstens eines Messobjekts in einem Messfeld unter Verwendung einer Abbildungsvorrichtung vorgestellt.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft eine Kondensoreinheit zum Bereitstellen einer gerichteten Beleuchtung eines an einer Messobjektposition positionierten Messobjekts, wobei die Kondensoreinheit die folgenden Merkmale aufweist:

- wenigstens eine Lichtquelle zum Ausgeben eines Lichtbündels;
- ein optisches Element mit einer positiven Brechkraft; und
- wenigstens einem in einer gemeinsamen optischen Achse mit der Lichtquelle und dem optischen Element angeordneten Abschwächungselement, welches eine ortsabhängige Lichtintensitätsabschwächungswirkung für das durch das Abschwächungselement fallenden Lichtbündel aufweist, insbesondere wobei die Lichtintensitätsabschwächungswirkung von der optischen Achse zu einem Rand des Abschwächungselementes hin abnimmt.

Unter einem optischen Element kann ein Element verstanden werden, welches ausgebildet ist, um eine Richtung eines durch das optische Element fallenden Lichtstrahls nach einem Austritt des Lichtbündels aus dem optischen Element zu verändern. Beispielsweise kann als optisches Element eine Linse, ein Prisma oder dergleichen verstanden werden. Unter einem Abschwächungselement kann ein Element verstanden werden, durch welches eine Intensität eines durch das Abschwächungselement fallenden Lichtbündels herabgesetzt wird. Insofern wirkt das Abschwächungselement als ein Dämpfungselement. Speziell ist dabei das Abschwächungselement so ausgeführt, dass die Intensität eines Lichtbündels an einer ersten Position, an der das Lichtbündel das Abschwächungselement passiert, in einem anderen Maße gesenkt wird, als die Intensität des Lichtbündels, das an einer zweiten Position das Abschwächungselement passiert. Insofern ist das Abschwächungselement ausgebildet, eine Intensität von Lichtstrahlen, die an unterschiedlichen Stellen auf das Abschwächungselement treffen, auch unterschiedlich zu verringern. Speziell ist hierbei die Dämpfungswirkung in einem Randbereich des Abschwächungselements geringer ausgestaltet, als beispielsweise in einem näher an der Mitte des Abschwächungselements angeordneten Bereich, der auf der optischen Achse liegen kann. Eine Intensität eines Lichtstrahls, der im Randbereich auf das Abschwächungselement trifft, wird somit weniger reduziert, als eine Intensität eines Lichtstrahls, der in einem mittleren Bereich das Abschwächungselement passiert.
Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass durch die Verwendung des Abschwächungselements eine ortsabhängige Dämpfungswirkung des Lichtbündels durch unterschiedliche Bereiche des optischen Elementes ausgeglichen werden kann. Dies ist speziell dann von besonderem Vorteil, wenn beispielsweise durch die natürliche Vignettierung durch Passieren eines optischen Elementes an unterschiedlichen Positionen dieses optischen Elementes ein Intensitätsverlust des Lichtbündels unterschiedlich ist. Dabei erfordert eine hohe Effizienz und ein kleiner Bauraum eine hohe numerische Apertur NA_Lichtquelle einer Lichtquelle, wobei die Bestrahlungsstärke der Apertur der Linse auf Grund der natürlichen Vignettierung zum Rand hin stark abnimmt, sodass eine Intensität eines kollimierten Lichtbündels in einzelnen Bereichen nicht homogen wäre und somit nicht für eine homogene Beleuchtung des an der Messobjektposition positionierten Messobjekts verwendet werden könnte. Durch die Verwendung des nun vorgeschlagenen Abschwächungselementes lässt sich dagegen in technisch sehr einfacher Weise eine Intensität des Lichtbündels in denjenigen Bereichen stärker reduzieren, welche beim Passieren des optischen Elementes weniger stark reduziert wurden. Auf diese Weise lässt sich sehr vorteilhaft eine Kondensoreinheit realisieren, die neben einer guten homogenen Ausleuchtungseigenschaft zur Beleuchtung eines Messobjekts auch eine hohe Effizienz (im Gegensatz zu bestehenden Realisierungen von Flachlichtern) aufweist und nur geringe Anforderungen an einen erforderlichen Bauraum stellt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes kann das Abschwächungselement plattenförmig ausgestaltet sein und/oder das Abschwächungselement auf einer der Lichtquelle zugewandten oder abgewandten Seite des optischen Elementes angeordnet sein. Durch die Verwendung eines plattenförmigen Abschwächungselementes können technisch einfache und kostengünstige optische Komponenten zur Realisierung eines solchen Abschwächungselementes verwendet werden. Die Anordnung des Abschwächungselements auf einer der Lichtquelle zugewandten Seite bietet den Vorteil, ein räumlich kleines Element als Abschwächungselement verwenden zu können. Andererseits bietet die Anordnung des Abschwächungselements auf einer der Lichtquelle abgewandten Seite den Vorteil, durch eine feine Abstimmung der Transparenz von unterschiedlichen Bereichen auf dem Abschwächungselement eine sehr homogene Lichtintensität über das Lichtbündel bereitstellen oder einstellen zu können. Das Abschwächungselement kann auch als eine Beschichtung auf einer Oberfläche des optischen Elements ausgebildet sein, beispielsweise als eine ortsabhängige Absorptionsschicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes kann ein in dem optischen Pfad angeordnetes zweites Abschwächungselement vorgesehen sein, welches eine ortsabhängige Lichtintensitätsabschwächungswirkung für das durch das zweite Abschwächungselement fallende Lichtbündel aufweist. Dabei kann insbesondere das zweite Abschwächungselement plattenförmig ausgestaltet sein und/oder eine Lichtintensitätsabschwächungswirkung von der optischen Achse zu einem Rand des zweiten Abschwächungselementes hin abnehmen und/oder das Abschwächungselement im optischen Pfad zwischen der Lichtquelle und dem optischen Element und das optische Element zwischen der Lichtquelle und dem zweiten Abschwächungselement angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bietet den Vorteil, durch die Verwendung von zwei Abschwächungselementen eine sehr präzise und fein einstellbare Homogenitätsverteilung des von der Kondensoreinheit ausgegebenen Lichtbündels zu erreichen.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der das optische Element als eine Fresnellinse ausgeformt ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil der Realisierung einer entlang der optischen Achse kurzen Kondensoreinheit durch die eine sehr homogene Lichtverteilung und eine geringe Divergenz des von der Kondensoreinheit ausgehenden Lichtbündels erreicht werden können.
Denkbar ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der das Abschwächungselement auf einer Lichteintrittsfläche oder einer Lichtaustrittsfläche des optischen Elements angeordnet ist. Beispielsweise kann das Abschwächungselement auf einer Oberfläche des optischen Elementes aufgedampft oder auflaminimiert sein. Eine solche Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes bietet den Vorteil, neben dem Entfall einer erforderlichen Justage eine sehr Bauraum-sparende Kondensoreinheit herstellen zu können, da ein Abstand zwischen dem optischen Element und dem Abschwächungselement minimiert bzw. komplett entfallen kann.
Besonders günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der ein Verhältnis einer Bauhöhe des optischen Elementes und einer Aperturöffnung des optischen Elementes kleiner als 1, insbesondere kleiner als 0,5 ist. Unter einer Bauhöhe kann vorliegend eine (beispielsweise räumliche) Höhe der Kondensoreinheit verstanden werden. Unter einer Aperturöffnung kann vorliegend beispielsweise ein Durchmesser des optischen Elementes oder des Abschwächungselements verwendet oder berücksichtigt werden. Eine solche Ausführungsform des vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, der Realisierung einer Kondensoreinheit mit einer möglichst geringen oder kurzen Bauhöhe. Es kann somit ein optimales Aspektverhältnis erreicht werden, wenn eine Maximierung von Homogenität und Effizienz in gegebenen Grenzen angestrebt wird. Auf diese Weise kann nachfolgend sehr effizient ein Schattenwurf dieses Messobjekts präzise und einfach erfasst werden, wenn das Messerobjekt mit einer derart ausgestalteten Kondensoreinheit beleuchtet wird.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der zumindest das Abschwächungselement als ein Gradientenfilter, ein absorbierender und/oder reflektierender Binärfilter, ein Streufilter mit periodisch oder statistisch-verteilt angeordneten Streuelementen, ein diffraktives oder holographisches optisches Element und/oder als Teilreflektor ausgebildet ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, für das Abschwächungselement ein technisch ausgereiftes, präzise arbeitendes sowie meist kostengünstiges und breit verfügbares Element verwenden zu können, um hierdurch eine kostengünstige Kondensoreinheit herstellen zu können. Speziell kann das Abschwächungselement in einer Ausführungsform auch als elektronisches Bauelement realisiert sein, in dem die positionsabhängige Lichtintensitätsabschwächungswirkung durch indiviuelle Kontrolle der Absorptions- und/oder Reflektionseigenschaften einzelner Segmente oder Pixel eingestellt werden kann. Vorteilhaft kann ein solches Abschwächungselement als ein Flüssigkristall-Transmissionsdisplay ausgeführt sein.
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes die Lichtquelle als eine LED-Lichtquelle, eine Faser-, Streu- oder Konvertierlichtquelle, beispielsweise als Lichtmischstab und/oder mit mehreren Quellen, ausgebildet sein und/oder die Lichtquelle eine Ausdehnung aufweisen, die geringer ist als ein Fünftel der Brennweite f des optischen Elements. Eine günstige Ausführungsform ist speziell durch eine Kondensoreinheit erreicht, bei der eine Anpassung der Ausdehnung der Lichtquelle an die NA des Messobjektivs erfolgt. Beispielsweise kann ein Wert von 0.2*f für eine Divergenz NA_ill < 0.1 verwendet werden, wobei eventuell auch eine Lichtquelle verwendet werden kann, bei der ein etwas größerer Wert verwendet wird. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil einer hohen Effizienz und der Ausbildung eines guten Kontrasts im Schattenriss.
Um einen an der Messposition positioniertes Messobjekt besonders gut optisch ausmessen zu können, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes auch ein auf das an der Messposition positionierten Messobjekt einfallendes Licht in seiner Winkelverteilung beeinflusst werden, welches von der Kondensoreinheit ausgegeben wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Anpassung der Winkelverteilung an die numerische Apertur NA des Messobjektivs erfolgt, wobei beispielsweise eine typische Einschränkung auf NA_ill < NA_obj vorgesehen sein kann; denkbar ist jedoch ebenfalls eine Aufweitung der numerischen Apertur. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine spezielle Winkelverteilung der Lichtstrahlen des Lichtbündels erzeugt werden (insbesondere in Kombination mit der Form der Lichtquelle, z. B. als Ring für Dunkelfeld). Zur Realisierung einer solchen Funktion kann gemäß einer Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes im optischen Pfad ein Diffusor, ein diffraktives Element und/oder ein Interferenzfilter zur Begrenzung einer Apertur der Kondensoreinheit und/oder des optischen Elementes vorgesehen sein.
Von Vorteil ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes als Abbildungsvorrichtung zur optischen Ausmessung des an der Messobjektposition positionierbaren und/oder positionierten Messobjekts in einem Messfeld, wobei die Abbildungsvorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:

- eine Kondensoreinheit gemäß einer Variante des hier vorgestellten Ansatzes zum Beleuchten des Messobjekts;
- ein Abbildungsobjektiv und
- einen Bildsensor, wobei das Abbildungsobjektiv ausgebildet ist, um das Messobjekt auf den Bildsensor abzubilden und zumindest das Abschwächungselement ausgebildet ist, um das dem Sichtfeld zugeordneten Bildfeld auf dem Bildsensor homogen zu beleuchten.

Das Abbild kann vorteilhaft ein Durchlichtbild sein. Das Abbild kann ebenfalls vorteilhaft ein Schattenriss ein.
Durch eine derartige Ausführungsform lassen sich die Vorteile des hier vorgestellten Ansatzes besonders effizient und kostengünstig umsetzen. Ferner kann auch die Lichtintensitätsabschwächungswirkung des Abschwächungselements derart ausgelegt sein, dass auch eine Vignettierung durch das Abbildungsobjektiv mitberücksichtigt wird. Auf diese Weise lässt sich eine weitere Verbesserung der Homogenität der Ausleuchtung des Bildsensors erreichen.
Ferner wird auch gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes ein Verfahren zum Aufnehmen eines Schattenrisses wenigstens eines Messobjekts in einem Messfeld unter Verwendung einer Abbildungsvorrichtung entsprechend einer Variante des hier beschriebenen Ansatzes vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

- Erzeugen eines Beleuchtungslichtbündels mit der Kondensoreinheit und Beleuchten des Messobjekts mit dem Beleuchtungslichtbündel;
- Abbilden des Schattens des Messobjekts auf einen Bildsensor mittels eines Abbildungsobjektivs, und
- Aufnehmen des Schattenrisses des Messobjekts mit dem Bildsensor.

Auch durch eine solche Ausführungsform lassen sich die Vorteile des hier vorgestellten Ansatzes effizient und kostengünstig realisieren.
Besonders präzise kann der Schattenriss des Messobjekts in dem Messfeld aufgenommen werden, wenn gemäß einer Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes im Schritt des Abbildens der Schatten des Messobjekts objektseitig telezentrisch und/oder bildseitig telezentrisch auf den Bildsensor abgebildet wird.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird auch eine Verwendung eines Abschwächungselements vorgestellt, das eine ortsabhängige Lichtintensitätsabschwächungswirkung für das durch das Abschwächungselement fallende Lichtbündel aufweist, um die Ausleuchtung eines Bildfelds auf einem Bildsensor einer Abbildungsvorrichtung zu homogenisieren. Dabei kann diese Abbildungsvorrichtung umfassen:

o eine Kondensoreinheit zum Bereitstellen einer kollimierten Beleuchtung eines an einer Messobjektposition positionierten Messobjekts in einem dem Bildfeld zugeordneten Sichtfeld;
o einer Abbildungsoptik; und
o den in einer Bildebene der Abbildungsoptik angeordneten Bildsensor.

Besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Abbildungsvorrichtung;
2 ein Diagramm eines beispielhaften Intensitätsverlaufs der Bestrahlungsstärke in der Aperturebene des optischen Elements, bzw. in der Ebene des Messobjekts;
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Abbildungsvorrichtung;
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Abbildungsvorrichtung;
5 eine schematische Querschnittdarstellung durch eine beispielhafte Anordnung eine Lichtquelle mit einem im optischen Pfad nachfolgend angeordneten optischen Element zur Erläuterung der Wirkungsweise des Abschwächungselementes;
6 ein beispielhaftes Diagramm zur Darstellung einer auf der y-Achse aufgetragen Effizienz in Bezug einem auf der x-Achse aufgetragenen Aspektverhältnis;
7 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Abbildungsvorrichtung;
8 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Abbildungsvorrichtung;
9 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Abbildungsvorrichtung; und
10 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Aufnehmen eines Schattenrisses wenigstens eines Messobjekts in einem Messfeld unter Verwendung einer hier vorgestellten Variante einer Abbildungsvorrichtung.

Gleiche und/oder wirkungsgleiche Elemente werden in den unterschiedlichen Figuren durch gleiche und/oder ähnliche Bezugszeichen bezeichnet, wobei zur Vereinfachung und leichteren Lesbarkeit in der Beschreibung auf eine erneute ausführliche Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Abbildungsvorrichtung 10, wie sie als grundlegende Anordnung für ein Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes verwendet werden kann. Die Abbildungsvorrichtung 10 umfasst eine Kondensoreinheit 100 zur Erzeugung oder Bereitstellung eines Lichtbündels 105 mit einer geringen Divergenz. Dieses eignet sich insbesondere für die Beleuchtung von Messobjekten 110 in der Objektebene an einer Messposition 001 die mittels beispielsweise einer telezentrischen Detektoreinheit 115 im Schattenrissverfahren hochgenau vermessen werden sollen. In dieser Anwendung ist eine möglichst kleine und auf das Detektionssystem 115 abgestimmte numerische Apertur NA von Vorteil. Dabei besteht eine solche Kondensoreinheit 100 beispielsweise mindestens aus einer Lichtquelle 120, wie z. B. einer LED, Laserdiode, Faser-, Streu- oder Konvertierlichtquelle, die beispielsweise in dem Brennpunkt eines optischen Elements 125 positioniert ist. 1 zeigt somit eine Anordnung, bei der die Kondensoreinheit 100 das Lichtbündel 105 von einer Lichtquelle 120 auf ein optisches Element 125, wie z. B. einer Fresnellinse, ausgibt, an dem das Lichtbündel 105 kollimiert wird. Die Lichtquelle 120 besteht dabei beispielsweise aus einem einzelnen, emittierenden Element. Die Größe bzw. Breite des Emitters bzw. der Lichtquelle 120 wird beispielsweise derart gewählt, dass die numerische Apertur NA des finalen Lichtbündels 105 bei dem Austritt aus der Kondensoreinheit 100 kleiner 0,1 ist. Die Lichtquelle 120 und das optische Element 125 sind auf einer gemeinsamen optischen Achse 130 angeordnet oder ausgerichtet.
Eine Apertur bzw. -öffnung D kann als größte Ausdehnung des Strahlengangs in einer senkrecht zur optischen Achse liegenden Aperturebene verstanden werden. Die Aperturebene kann die lichtaustrittsseitige Hauptebene des optischen Elements sein. Die Bauhöhe kann als der Abstand der Lichtquelle zur lichtaustrittsseitigen Fläche (bzw. deren größte z-Koordinate, wenn z in Richtung der optischen Achse definiert wird) des optischen Elements oder der Lichtaustrittsfläche des Abschwächungselements entlang der optischen Achse verstanden werden, je nachdem, welches Maß größer ist.
Um eine möglichst kompakte Bauweise der Kondensoreinheit 100 und somit auch der Abbildungsvorrichtung 10 zu erreichen, wird das optische Element 125 derart gewählt, dass dessen Brennweite im Verhältnis zu dessen Apertur möglichst klein ist. Je geringer dieses Verhältnis gewählt wird, desto stärker fällt die Strahldichte des kollimierten Lichtbündels 105 zu den Rändern hin ab. Dies resultiert daraus, dass eine natürliche Vignettierung = Verringerung der Bestrahlungsstärke der Apertur der Linse mit zunehmendem Abstand zur optischen Achse (durch Projektion des Winkels und zunehmendem Abstand zur Lichtquelle erfolgt.).
2 zeigt ein Diagramm eines auf der y-Achse aufgetragenen beispielhaften Intensitätsverlaufs I der Bestrahlungsstärke in der Aperturebene des optischen Elements, bzw. in der (Mess-) Ebene 001 des Messobjekts 110. Die mit dem Bezugszeichen (a) versehene Kurve des Verlaufs der Lichtintensität I über den radialen Abstand r von der optischen Achse 130 zeigt dieses hohe Dämpfungsverhalten in den Randbereichen mit großem Abstand r von der optischen Achse. Die Kurve (a) zeigt somit eine inhomogene Verteilung der Strahlungsdichte, die negative Auswirkungen auf die Messgenauigkeit der Ausmessung des Messobjekts 110 hat.
Wünschenswert für eine möglichst präzise und detailreiche optische Auswertung des Messobjekts 110 an der Messposition 001 durch die Detektoreinheit 115 wäre dagegen ein annähernd konstantes Niveau der Lichtintensität des Lichtbündels 105 zu erreichen, wie es in der Kurve mit dem Bezugszeichen (b) in der 2 dargestellt ist. Eine solche Kurve (b) kann gemäß dem hier vorgestellten Ansatz durch Verwendung eines geeigneten Abschwächungselements erhalten werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Abbildungsvorrichtung 10, die eine Anordnung der optischen Komponenten entsprechend der Darstellung aus der 1 aufweist, ergänzt um ein im optischen Pfad 130 in der Kondensoreinheit 100 angeordnetes Abschwächungselement 300. Der mit Bezug zur 2 gemäß der Kurve (a) beschriebene Gradient der Strahldichte wird somit durch ein Abschwächungselement 300 mit ortsabhängigem (Lichtintensitäts-) Abschwächungswirkung an einer Position zwischen der Lichtquelle 120 und dem optischen Element 125 und/oder an einer Position auf einer der Lichtquelle 120 abgewandten Seite des optischen Elementes 125 korrigiert. Auf diese Weise kann die Strahldichte bzw. -intensität des von der Kondensoreinheit 100 ausgegebenen Lichtbündels 105 über die gesamte Apertur der Kondensoreinheit 100 auf eine vorgegebene Intensitätsverteilung, wie in 2 entsprechend der Kurve (b) gezeigt, korrigiert werden.
Das Abschwächungselement 300 an der Position zwischen der Lichtquelle 120 und dem optischen Element 125 und/oder an der der Lichtquelle 120 gegenüberliegenden Seite des optischen Elements 125 kann z. B. durch einen Gradientenfilter (Graufilter), Binärfilter (absorbierend oder reflektierend), Streufilter mit periodischem oder statistischverteilten Streuelementen (diffraktive oder holographische optische Elemente) oder Teilreflektor (polarisationsabhängig, polarisationsunabhängig oder chromatisch) realisiert werden. Denkbar ist ferner auch, dass das Abschwächungselement 300 als Lage auf das optische Element aufgedampft oder auflaminiert ist, und sich hierdurch eine sehr kompakte Kondensoreinheit 100 realisieren lässt.
In der Konfiguration oder Anordnung des Abschwächungselements 300 auf der der Lichtquelle 100 abgewandten Seite des optischen Elementes 125, wie in der 3 dargestellt, durchläuft das Lichtbündel 105, welches von der Lichtquelle 120 entspringt, als erstes das optische Element 125 und anschließend das Abschwächungselement 300. In diesem Fall entspricht die Größe/Breite des Abschwächungselements 300 an der Position nach dem optischen Element 125 ungefähr der des optischen Elements 125. Der genaue Abstand beider Elemente, also des Abschwächungselements 300 und des optischen Elements 125 kann frei gewählt werden.
In einer zweiten Konfiguration befindet sich das Abschwächungselement 300 an Position zwischen der Lichtquelle 120 und dem optischen Element 125, wird zuerst vom Lichtbündel 105 durchlaufen und passiert anschließend das optische Element 125. In diesem Fall hängt die Größe des Abschwächungselements 300 an Position zwischen der Lichtquelle 120 und dem optischen Element 125 mit dessen positionsräumlicher Lage zusammen. Für eine möglichst gleichmäßige Strahldichte des emittierten Lichtbündels 105 über die gesamte Apertur sollte der Abstand entsprechend genau justiert werden. Falls in dieser Konfiguration ein Teilreflektor als Abschwächungselement 300 verwendet wird, sollte die Oberfläche um das optische Element 125 das reflektierte Licht absorbieren. Durch die Integration von (beispielsweise auch mehreren) Abschwächungselementen 300 an einer Position zwischen der Lichtquelle 120 und dem optischen Element 125 und/oder einer Position auf einer der Lichtquelle 120 abgewandten Seite des optischen Elementes 125 lassen sich spezifische räumliche und winkelabhängige Abstrahlcharakteristiken des Lichtbündels 105 erreichen. Im Strahlengang werden keine Umlenkspiegel oder Strahlteiler benötigt und es wird ermöglicht, dass dadurch eine kompakte vertikale Bauform der Kondensoreinheit 100 erreicht werden kann, maßgeblich bestimmt durch die Brennweite des optischen Elementes 125.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Abbildungsvorrichtung 10, die eine Anordnung der optischen Komponenten entsprechend der Darstellung aus der 3 aufweist, ergänzt um im optischen Pfad 130 angeordnete optische Komponenten der Detektoreinheit 115. Das optische Detektionssystem bzw. die Detektoreinheit 115 umfasst als optische Komponenten ein objektseitiges Optikelement 400 (die beispielsweise eine Linse umfast), ein Stop-Element 410 (beispielsweise eine Blende), ein bildseitiges Optikelement 420 (beispielsweise ebenfalls wieder eine Linse) sowie ein Flächensensorelement bzw. Bildsensor 430. Das objektseitige Optikelement 400, das Stop-Element 410 und/oder das bildseitige Optikelement 420 können als Abbildungsoptik oder Abbildungsobjektiv zusammengefasst werden. Die Güte der erzielten lateralen Strahldichte des Lichtbündels 105 wird dabei über die homogene Ausleuchtung eines Flächensensorelements bzw. eines Bildsensors 430 in der optischen Detektionseinheit 115 und dessen objektseitiger numerischer Apertur definiert.
Besonders vorteilhaft kann diese Abbildungsvorrichtung 10 beim Schattenrissverfahren eingesetzt werden, wobei ein Schatten des Messobjekts 110 auf dem Bildsensor 430 entsteht. Um das Paradoxon eines homogen ausgeleuchteten Schattens zu vermeiden, wird ein Sichtfeld 440 und ein Bildfeld 450 definiert. Das Sichtfeld 440 bezeichnet hierbei einen gegenstandsseitigen Bereich, der mittels der Abbildungsoptik (gemäß der Darstellung aus der 4 beispielsweise das objektseitige Optikelement 400, das Stop-Element 410 und das bildseitige Optikelement 420 aufweist) auf den Bildsensor 430 abbildbar ist. Das Bildfeld 450 entspricht beispielsweise dem in der 4 dargestellten Bereich, der einem durch die Wirkung der Blende 410 auf dem Bildsensor 430 sichtbaren Bereich, einem durch die Apertur der Abbildungsoptik sichtbaren Bereich und/oder einem durch die sensitive Fläche des Bildsensors 430 begrenzten Teil der Bildebene des objektseitigen Sichtfelds 440 entspricht. Das Bildfeld 450 kann, braucht aber nicht, die gesamte sensitive Fläche des Bildsensors 430 umfassen. Die Homogenität der Ausleuchtung des Bildfelds 430 kann vorteilhaft ohne das Vorhandensein eines Messobjekts 110 bestimmt werden.
Um nun eine solche homogene Ausleuchtung des Sensors 430 zu bewirken, wird gemäß dem hier vorgestellten Ansatz die vorteilhaft an die Abbildungsoptik angepasste Kondensoreinheit 100 verwendet.
5 zeigt eine schematische Querschnittdarstellung durch eine beispielhafte Anordnung einer Lichtquelle 120 mit einem im optischen Pfad 130 nachfolgend angeordneten optischen Element 125, das hier als Fresnellinse ausgestaltet ist. Das von der Lichtquelle 120, die als Einzelemitter mit der numerischen Apertur NALED ausgebildet ist, ausgestrahlte Licht 105 durchläuft das optische Element 125, wie z. B. eine Fresnellinse. Der radiale Gradient der Strahldichte bzw. der Intensitätsverteilung des Lichtbündels 105, der sich nach dem optischen Element 125 entsprechend der Kurve (a) aus dem Diagramm der 2 ergeben würde, wird nun zur Erreichung einer homogenen Ausleuchtung über das Abschwächungselement 300 korrigiert und auf ein annähernd konstantes Niveau ausgeglichen, so dass die Kondensoreinheit 100 ein Lichtbündel 105 mit einer sehr homogenen Lichtverteilung bei einer numerischen Apertur NA_ill aufweist. Zu erkennen ist in 5 ebenfalls der mit dem Abstand zur optischen Achse zunehmende Abstrahlwinkel der Lichtquelle 120, sowie der zunehmende Abstand zum optischen Element 125, welche eine Verringerung der Bestrahlungsstärke in der Ebene des optischen Elements 125 bewirkt (natürliche Vignettierung).
Die Gesamteffizienz η der Kondensoreinheit 100 lässt sich dabei in einem einfachen Modell über die folgenden Beziehungen bestimmen: Die Sammeleffizienz η₁ 600 beschreibt den Anteil des von der Lichtquelle 120 emittierten Lichtes, dass die wirksame Apertur des optischen Elements 125 bestrahlt. Für einen Lambertschen Emitter ergibt sich $η_{1} = {NA}_{L E D}^{2}, {NA}_{L E D} = sin (arctan (\frac{D}{2 f}))$
mit der numerischen Apertur der Lichtquelle NALED entsprechend der Darstellung aus der 5, dem Durchmesser der Aperturöffnung D, und der Brennweite f des optischen Elements 125. Die Bestrahlungsstärke E(r) in der Objektebene ergibt sich aufgrund der natürlichen Vignettierung der Linse bzw. des optischen Elementes 125 zu: $E (r) = E_{0} {[cos (arctan (\frac{r}{f}))]}^{4}$
Ein ideal angenommenes Abschwächungselement 300 an einer Position zwischen der Lichtquelle 120 und dem optischen Element 125 und/oder an einer Position auf einer der Lichtquelle 120 gegenüberliegenden Seite des optischen Elementes 125 reduziert die Bestrahlungsstärke entsprechend der Homogenitätsforderung (hier 50%) zu E'(r): $E' (r) = {\begin{array}{l} E (r) & E (r) < E_{c} \\ E_{c} & e l s e \end{array}, E_{c} = 2 * E (D / 2)$
Der Wirkungsgrad η₂ 610 ergibt sich aus dem Verhältnis des optischen Strahlungsflusses mit Abschwächungselement ϕ' und ohne Abschwächungselement ϕ. zu $η_{2} = Φ' / Φ, Φ^{(')} = 2 π \int_{0}^{D / 2} d r r E^{(')} (r)$
Die Gesamteffizienz η des Systems ist dann das Produkt der Einzeleffizienzen: $η = η_{1} η_{2}$
6 zeigt ein Diagramm, in dem auf der x-Achse das Aspektverhältnis und auf der y-Achse eine Effizienz aufgetragen sind. Eine nominelle Gesamteffizienz η der Kondensoreinheit 100 kann als Funktion des Aspektverhältnisses f/D aus den Einzeleffizienzen η₁ 600 und η₂ 610 für eine angenommene Forderung einer örtlichen Intensitätshomgenität (E'_min/E'_max) im abbildenden System von 50% berechnet werden.
Das hier vorgestellte Konzept einer neuartigen Kondensoreinheit 100 unterscheidet sich von anderen Realisierungen einer gerichteten Beleuchtung mit geringer Variation im Winkel über die Apertur (nach Priorität):

- durch das niedrige Aspektverhältnis (Brennweite des optischen Elements 125 /Durchmesser des optischen Elements 125) kleiner 1.
- eine hohe Effizienz bei geringer NA_ill < 0.1 im ausgehenden Strahlbündel
- hohe Homogenität

Besonders vorteilhaft ist bei der hier vorgestellten Kondensoreinheit 100 neben der guten Einstellung einer homogenen Lichtverteilung ferner auch eine einfache Bauweise und ein geringer bzw. fehlender Justieraufwand. Es kann dabei eine Kondensoreinheit 100 bereitgestellt werden, die eine geringe numerische Apertur (NA_ill <0.1, was einem Divergenzwinkel ± 5,7° entspricht), einen großen Durchmesser D der beleuchteten Fläche (Messfeld im Bereich des Messobjekts 110) bei gleichzeitig geringer Bauhöhe b der Kondensoreinheit 100 und großen Beleuchtungsfläche aufweist.
Der hier vorgestellte Ansatz kann für mehrere unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise für eine angepasste Beleuchtung für telezentrische Messobjektive oder für kompakte Messmikroskope mit kleiner Apertur.
In der nachfolgenden Beschreibung werden besonders günstige Ausführungsbeispiele der Kondensoreinheit 100 nochmals erläutert, wobei auf die Anordnung des Abschwächungselementes 300 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet wurde; es wird jedoch hier angemerkt, dass das Abschwächungselementes 300 sowohl zwischen der Lichtquelle 120 und dem optischen Element 125 als auch im Strahlengang nach dem optischen Element 125 angeordnet sein kann, wie es bereits zuvor beschrieben wurde.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Abbildungsvorrichtung 10, bei der eine telezentrische Beleuchtung parallel zur optischen Achse bzw. den optischen Pfad 130 (durch Justage der Lichtquelle 120 in der Fokalebene der Fokussierlinse als optischem Element 125 orthogonal und symmetrisch zur optischen Achse 130 vorgesehen ist.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Abbildungsvorrichtung 10, bei der eine telezentrische Beleuchtung, nicht parallel (d. h. schräg) zur optischen Achse 130 (beispielsweise durch orthogonale Verschiebung der Lichtquelle 120 bzw. des Emitters oder der Fokussierlinse als optischem Element 125 zur optischen Achse 130 erfolgt.
9 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Abbildungsvorrichtung 10, bei der eine nicht-telezentrische Beleuchtung (beispielsweise durch eine axiale Defokussierung der Lichtquelle 120 bzw. des Emitters oder der Fokussierlinse als optischem Element 125. Dies ermöglicht die Anpassung der Kondensoreinheit 100 auch auf nicht-telezentrische Abbildungsobjektive 115.
10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 1000 zum Aufnehmen eines Schattenrisses wenigstens eines Messobjekts in einem Messfeld unter Verwendung einer Abbildungsvorrichtung gemäß einer hier vorgestellten Variante, wobei das Verfahren 1000 einen Schritt 1010 des Erzeugens eines Beleuchtungslichts mit der Kondensoreinheit 100 und des Beleuchtens des Messobjekts mit dem Beleuchtungslicht aufweist, Ferner umfasst das Verfahren 1000 einen Schritt 1020 des Abbildens des Schattens des Messobjekts auf einen Bildsensor mittels einer Abbildungsvorrichtung. Schließlich umfasst das Verfahren 1000 einen Schritt 1030 des Aufnehmens des Schattenrisses des Messobjekts mit dem Bildsensor.

Claims

Kondensoreinheit (100) zum Bereitstellen einer gerichteten Beleuchtung eines an einer Messobjektposition (001) positionierten Messobjekts (110), wobei die Kondensoreinheit (100) die folgenden Merkmale aufweist: - wenigstens eine Lichtquelle (120) zum Ausgeben eines Lichtbündels (105); - ein optisches Element (125) mit einer positiven Brechkraft; und - wenigstens einem in einer gemeinsamen optischen Achse (130) mit der Lichtquelle (120) und dem optischen Element (125) angeordneten Abschwächungselement (300), das eine ortsabhängige Lichtintensitätsabschwächungswirkung für das durch das Abschwächungselement (300) fallende Lichtbündel (105) aufweist, insbesondere wobei die Lichtintensitätsabschwächungswirkung von der optischen Achse (130) zu einem Rand des Abschwächungselementes (300) hin abnimmt.
Kondensoreinheit (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschwächungselement (300) plattenförmig ausgestaltet ist und/oder das Abschwächungselement (300) auf einer der Lichtquelle (120) zugewandten oder abgewandten Seite des optischen Elementes (125) angeordnet ist.
Kondensoreinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein in der optischen Achse (130) angeordnetes zweites Abschwächungselement (300), welches eine ortsabhängige Lichtintensitätsabschwächungswirkung für welches eine ortsabhängige Lichtintensitätsabschwächungswirkung für das durch das zweite Abschwächungselement (300) fallende Lichtbündel (105) aufweist, insbesondere wobei das zweite Abschwächungselement (300) plattenförmig ausgestaltet ist und/oder eine Lichtintensitätsabschwächungswirkung des zweiten Abschwächungselementes (300) von der optischen Achse (130) zu einem Rand des zweiten Abschwächungselementes hin abnimmt und/oder das Abschwächungselement (300) in der optischen Achse (130) zwischen der Lichtquelle (120) und dem optischen Element (125) und das optische Element (125) zwischen der Lichtquelle (120) und dem zweiten Abschwächungselement (300) angeordnet ist.
Kondensoreinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (125) als eine Fresnellinse ausgeformt ist.
Kondensoreinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschwächungselement (300) auf einer Lichteintrittsfläche oder einer Lichtaustrittsfläche des optischen Elements (125) angeordnet ist.
Kondensoreinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis einer Bauhöhe des optischen Elementes (125) und einer Aperturöffnung des optischen Elementes (125) kleiner als 1, insbesondere kleiner als 0,5 ist.
Kondensoreinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Abschwächungselement (300) als ein Gradientenfilter, ein absorbierender und/oder reflektierender Binärfilter, ein Streufilter mit periodisch oder statistisch-verteilt angeordneten Streuelementen, ein diffraktives oder holographisches optisches Element (125) und/oder als Teilreflektor ausgebildet ist.
Kondensoreinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (120) als zumindest eine LED-Lichtquelle (120), eine Faser-, Streu- oder Konvertierlichtquelle ausgebildet ist und/oder dass die Lichtquelle (120) eine Ausdehnung aufweist, die geringer ist als ein Fünftel der Brennweite f des optischen Elements (125).
Kondensoreinheit (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der optischen Achse (130) ein Diffusor, ein diffraktives Element und/oder ein Interferenzfilter zur Begrenzung einer Apertur der Kondensoreinheit (100) und/oder des optischen Elementes (125) vorgesehen ist.
Abbildungsvorrichtung (10) zur optischen Ausmessung des an der Messobjektposition (001) in einem Sichtfeld (440) positionierbaren und/oder positionierten Messobjekts (110), wobei die Abbildungsvorrichtung (10) die folgenden Merkmale aufweist: - eine Kondensoreinheit (100) gemäß einem der vorgenannten Ansprüche zum Beleuchten des Messobjekts (110); - eine Abbildungsoptik (400, 410, 420); und - einen Bildsensor (430), wobei die Abbildungsoptik (400, 410, 420) ausgebildet ist, um das Messobjekt (110) auf den Bildsensor (430) abzubilden und zumindest das Abschwächungselement (300) ausgebildet ist, um das dem Sichtfeld (440) zugeordnete Bildfeld (450) auf dem Bildsensor (430) homogen zu beleuchten.
Verfahren (1000) zum Aufnehmen eines Schattenrisses wenigstens eines Messobjekts (110) an einer Messposition (001) unter Verwendung einer Abbildungsvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei das Verfahren (1000) die folgenden Schritte aufweist: - Erzeugen (1010) eines Beleuchtungslichtbündels mit der Kondensoreinheit (100) und Beleuchten des Messobjekts (110) mit dem Beleuchtungslichtbündel; - Abbilden (1020) des Schattens des Messobjekts (110) auf einen Bildsensor (430) mittels einer Abbildungsoptik, und - Aufnehmen (1030) des Schattenrisses des Messobjekts (110) mit dem Bildsensor (430).
Verfahren (1000) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der im Schritt (1020) des Abbildens ein Schatten des Messobjekts (110) objektseitig telezentrisch und/oder bildseitig telezentrisch auf den Bildsensor (430) abgebildet wird.
Verwendung eines Abschwächungselements (300), das eine ortsabhängige Lichtintensitätsabschwächungswirkung für das durch das Abschwächungselement (300) fallende Lichtbündel (105) aufweist, zum Homogenisieren der Ausleuchtung eines Bildfelds (450) auf einem Bildsensor (430) einer Abbildungsvorrichtung (10), wobei die Abbildungsvorrichtung (10) umfasst: o eine Kondensoreinheit (100) zum Bereitstellen einer kollimierten Beleuchtung eines an einer Messobjektposition (001) positionierten Messobjekts (110) in einem dem Bildfeld (450) zugeordneten Sichtfeld (440); o einer Abbildungsoptik (400, 410, 420); und o den in einer Bildebene der Abbildungsoptik (400, 410, 420) angeordneten Bildsensor (430).