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Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Abbildungssystem zur Abbildung und Vermessung eines Objektes. Das optische Abbildungssystem ist zum einen als ein Interferometer zum Vermessen einer Oberfläche des Objektes ausgebildet. Das optische Abbildungssystem ist zum anderen bevorzugt als ein Koordinatenmessgerät und zum Vermessen des Objektes ausgebildet. Das Objekt kann mit dem optischen Abbildungssystem optisch abgebildet werden. Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Abbilden und Vermessen eines Objektes mit dem erfindungsgemäßen optischen Abbildungssystem.
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Die
DE 10 2007 020 860 A1 zeigt ein flächenhaft messendes X-Y-Messsystem mit einem hoch auflösenden Z-scannenden Weißlichtinterferometer. Das abbildende Messsystem wird als ein Monitorsystem für das Weißlichtinterferometer genutzt. Es soll ein flächenhafter Z-Höhenscan des Weißlichtinterferometers ohne mechanische Bewegung der Achsen des Koordinatenmessgerätes möglich sein. Zur räumlichen Winkelmessung werden ausschließlich die Z-Höhenmesswerte des Weißlichtinterferometers herangezogen. Ein Nachteil dieses Messsystems besteht darin, dass der Versatz der beiden Sensoren nur ein geringes Messvolumen erlaubt.
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Die
US 2005/0206889 A1 zeigt ein Inspektionssystem zum Inspizieren einer Oberfläche einer optischen Probe. Das Inspektionssystem umfasst eine optische Testvorrichtung mit einem Hauptkörper und einer optischen Achse. Ein optisches Abbildungssystem in dem Hauptkörper weist Abbildungskomponenten zum Erfassen eines mikroskopischen Bildes sowie zum Erfassen mindestens eines Interferenzstreifenbildes der Oberfläche der optischen Probe auf. Ein Translationsmechanismus im Hauptkörper dient dazu, eine lineare Bewegung des optischen Abbildungssystems entlang der optischen Achse zu ermöglichen und um eine außeraxiale Bewegung des optischen Abbildungssystems zu verhindern.
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In der
US 8,902,431 B2 ist ein System beschrieben, welches ein Interferenzmikroskop zur Abbildung eines Testobjektes auf eine Bildebene umfasst. Testlicht vom Testobjekt wird mit Referenzlicht von einem Referenzobjekt kombiniert, um ein Interferenzmuster in der Bildebene zu bilden. Das Testlicht und das Referenzlicht werden von einer gemeinsamen Breitbandlichtquelle abgeleitet. Eine Scanstufe dient dazu, eine optische Wegdifferenz zwischen dem Testlicht und dem Referenzlicht zu scannen. Ein Multielement-Detektor in der Bildebene soll das Interferenzmuster für jedes einer Reihe von optischen Wegdifferenz-Inkrementen aufzeichnen.
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Aus der
US 5,459,564 ist eine Inspektions- und Messvorrichtung zur Vermessung einer Endfläche einer optischen Faser bekannt. Die Messvorrichtung umfasst ein Interferometer mit einem parfokalen, parzentralen Zoom-Objektiv. Die optische Faser wird auf einem xyz-Tisch so positioniert, dass deren Endfläche im Fokus steht und die Faser in der optischen Achse des Interferometers ausgerichtet ist, was aufwändig ist und daher ein Nachteil dieser Lösung ist. Das Interferometer wird so eingestellt, dass ein Streifenmuster angezeigt wird, welches aus der Interferenz eines Teststrahls mit einem Referenzstrahl resultiert.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, den Aufwand für eine sowohl auf optischen Abbildungen als auch auf Interferogrammen basierte Vermessung von Objekten zu senken.
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Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Abbildungssystem gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.
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Das erfindungsgemäße optische Abbildungssystem dient zur optischen Abbildung und zur optischen Vermessung eines Objektes. Das Abbildungssystem ist in einem Abbildungsmodus betreibbar, in welchem das Objekt optisch abgebildet wird, um es insbesondere vergrößert auf einer Anzeige betrachten zu können oder um es auszumessen, sodass das Abbildungssystem ein Koordinatenmessgerät darstellt. Das Abbildungssystem ist zudem in einem Interferometermodus als ein Interferometer betreibbar, sodass insbesondere eine Oberfläche des Objektes vermessen werden kann, um beispielsweise eine Rauheit der Oberfläche zu bestimmen. Das optische Abbildungssystem ist zwischen diesen beiden Modi umschaltbar. Das optische Abbildungssystem vereint insoweit ein abbildendes Messsystem und ein Interferometer.
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Das optische Abbildungssystem weist eine auf das zu vermessende Objekt zu richtende abbildende erste Optik auf, welche bevorzugt in einer ersten optischen Achse liegt. Die erste Optik ist bevorzugt durch eine Linse, durch eine Linsengruppe oder durch ein Objektiv gebildet. Die erste Optik dient sowohl der optische Abbildung des Objektes als auch der Erzeugung eines Interferogramms. Ein Teststrahl, welcher zur Erzeugung des Interferogramms benötigt wird, tritt in beiden Richtungen durch die erste Optik.
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Das optische Abbildungssystem weist einen ersten optischen Strahlteiler auf, welcher zur Teilung in einen ersten Teilstrahlengang und in einen zweiten Teilstrahlengang dient. Der erste optische Strahlteiler liegt bevorzugt in der ersten optischen Achse. Die erste Optik ist bevorzugt zwischen dem Objekt und dem ersten optischen Strahlteiler angeordnet. Im ersten Teilstrahlengang ist ein aktuierbarer erster Spiegel angeordnet. Durch dessen Aktuierbarkeit ist der erste Spiegel mechanisch verstellbar, wobei diese Verstellbarkeit elektrisch steuerbar ist. Somit ist die Funktion des ersten Spiegels im ersten Teilstrahlengang elektronisch steuerbar. Im zweiten Teilstrahlengang ist ein Bildwandler angeordnet, sodass das Objekt über den ersten Strahlteiler auf dem Bildwandler abbildbar ist. Zudem ist das Interferogramm auf dem Bildwandler abbildbar. Der Bildwandler wandelt das abgebildete Bild bzw. Interferogramm in ein elektronisches Signal. Der Bildwandler kann auch als Bildsensor bezeichnet werden und ist beispielsweise durch ein CCD oder durch einen CMOS-Bildsensor gebildet. Der erste Teilstrahlengang liegt bevorzugt in der ersten optischen Achse. Der zweite Teilstrahlengang ist bevorzugt senkrecht zu der ersten optischen Achse ausgerichtet.
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Das optische Abbildungssystem umfasst eine Beleuchtungseinheit mit einer Lichtquelle zur Erzeugung von kohärentem Licht. Das Licht dient insbesondere zur Erzeugung eines Interferogramms zum Vermessen des Objektes. Das Licht dient insbesondere auch zum Beleuchten des Objektes, damit dieses auf dem Bildwandler abgebildet werden kann. Ein Lichtaustrittsstrahlengang der Beleuchtungseinheit ist auf den ersten Strahlteiler gerichtet, sodass ein aus dem kohärenten Licht der Lichtquelle erzeugbarer Teststrahl vom ersten Strahlteiler über das zu vermessende Objekt und über den aktuierbaren ersten Spiegel zum Bildwandler reflektiert wird. Hierfür tritt der Teststrahl aus dem Lichtaustrittsstrahlengang der Beleuchtungseinheit in den ersten Strahlteiler ein und wird vom ersten Strahlteiler durch die erste Optik zum Objekt gerichtet, von welchem der Teststrahl reflektiert wird. Der Teststrahl wird also von dem ersten Strahlteiler in die erste optische Achse gelenkt. Der vom Objekt reflektierte Teststrahl passiert erneut die erste Optik und den ersten Strahlteiler, wodurch er auf den aktuierbaren ersten Spiegel trifft, von welchem er zurück zum ersten Strahlteiler reflektiert wird. Der Teststrahl tritt erneut in den ersten Strahlteiler ein und wird nun auf den Bildwandler gerichtet. Der Lichtaustrittsstrahlengang der Beleuchtungseinheit ist auf den ersten Strahlteiler gerichtet, sodass ein aus dem kohärenten Licht der Lichtquelle erzeugbarer Referenzstrahl auf den Bildwandler gerichtet ist. Der Referenzstrahl passiert den ersten Strahlteiler ein einziges Mal und wird direkt auf den Bildwandler gerichtet, ohne vom Objekt oder vom aktuierbaren ersten Spiegel reflektiert zu werden. Der Lichtaustrittsstrahlengang und der zweite Teilstrahlengang liegen bevorzugt gemeinsam in einer zweiten optischen Achse, welche bevorzugt senkrecht zu der ersten optischen Achse ausgerichtet ist. Somit verlässt der Referenzstrahl nach dem Eintritt in den Lichtaustrittsstrahlengang die zweite optische Achse nicht.
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Da der Lichtaustrittsstrahlengang der Beleuchtungseinheit auf den ersten Strahlteiler gerichtet ist, sodass der aus dem kohärenten Licht der Lichtquelle erzeugbare Teststrahl und der aus dem kohärenten Licht der Lichtquelle erzeugbare Referenzstrahl gemäß den obigen Erläuterungen verlaufen, wird ein durch eine Oberfläche des Objektes bewirktes Interferogramm auf dem Bildwandler abgebildet. Mithilfe des Interferogramms kann die Oberfläche des Objektes vermessen werden, um beispielsweise eine Rauheit der Oberfläche des Objektes zu bestimmen.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen optischen Abbildungssystems besteht darin, dass der aktuierbare erste Spiegel während einer interferometrischen Messung aktuiert werden kann, um eine Phase des vom aktuierbaren ersten Spiegel reflektierten Lichtstrahles zu verschieben, wodurch ein quantitatives Maß einer Oberfläche des Objektes gemessen werden kann. Es kann insbesondere die Phase zwischen dem Teststrahl und dem Referenzstrahl verschoben werden, d. h. ein Phasenschieben vorgenommen werden, wodurch mehrere Interferogramme mit unterschiedlichen aber bekannten Phasenlagen zwischen dem Teststrahl und dem Referenzstrahl erzeugbar sind. Durch die Verschiebung der Phase zwischen dem Teststrahl und dem Referenzstrahl kann das auf dem Bildwandler abgebildete Interferogramm ausgewertet werden.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Abbildungssystems besteht darin, dass der aktuierbare erste Spiegel während einer optischen Abbildung des Objektes auf dem Bildwandler aktuiert werden kann, um die Abbildung des Objektes auf dem Bildwandler zu fokussieren.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Abbildungssystems besteht darin, dass es aufgrund der Integration der für die interferometrische Messung benötigten Komponenten kompakt ausgeführt werden kann und ein großes Messvolumen ermöglicht wird.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Abbildungssystems besteht darin, dass es einen schnellen und aufwandsarmem Wechsel zwischen den beiden Modi ermöglicht.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen ist eine Sensoreinheit ausgebildet, welche zumindest die erste Optik, den ersten Strahlteiler, den aktuierbaren ersten Spiegel und den Bildwandler umfasst. Die Beleuchtungseinheit ist lösbar an der Sensoreinheit befestigt, sodass die Beleuchtungseinheit ausgetauscht werden kann. Im Betrieb sind die Beleuchtungseinheit und die Sensoreinheit fest miteinander verbunden.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen ist eine Position des ersten Spiegels aktuierbar, sodass eine Weglänge des Teststrahles durch ein Aktuieren des ersten Spiegels veränderbar ist und gegebenenfalls eine Weglänge eines das Objekt auf dem Bildwandler abbildenden Strahlenganges veränderbar ist. Jedenfalls kann dadurch die Weglänge des Teststrahles durch ein elektronisches Ansteuern des ersten Spiegels verändert werden. Es ist insbesondere eine Position des ersten Spiegels entlang des ersten Teilstrahlenganges des ersten Strahlteilers aktuierbar. Somit ist ein Abstand des ersten Spiegels zum ersten Strahlteiler aktuierbar. Es ist insbesondere eine Position des ersten Spiegels auf der ersten optischen Achse aktuierbar. Bevorzugt ist der erste Spiegel ausschließlich in einer einzigen Richtung translatorisch aktuierbar, nämlich in der Richtung des ersten Teilstrahlenganges des ersten Strahlteilers bzw. der ersten optischen Achse. Insoweit weist der erste Spiegel bevorzugt einen einzigen Freiheitsgrad auf. Der erste Spiegel ist bevorzugt plan.
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Der erste Spiegel ist bevorzugt in einer sehr kleinen Schrittweite aktuierbar. Die Schrittweite beträgt bevorzugt höchstens 10 µm und weiter bevorzugt höchstens 1 pm. Somit ist die Weglänge des Teststrahles in sehr kleinen Schritten veränderbar.
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Der aktuierbare erste Spiegel ist bevorzugt durch ein Mikrosystem mit beweglichen Mikrospiegeln gebildet. Derartige Mikrosysteme werden auch als Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) aktuierte Spiegel oder als Micro-Mirror Array Lens System (MALS) bezeichnet. Die Mikrospiegel weisen bevorzugt einen einzigen Freiheitsgrad auf, welcher eine Translation entlang des ersten Teilstrahlenganges ermöglicht. Die Mikrospiegel sind bevorzugt in einer Ebene angeordnet.
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Bevorzugt sind jeweils eine Position und/oder eine Ausrichtung der einzelnen beweglichen Mikrospiegel aktuierbar, um eine optische Abbildung des Objektes auf dem Bildwandler zu fokussieren. In einer einfachen Ausführungsform ist jeweils die Position der einzelnen beweglichen Mikrospiegel entlang des das Objekt auf dem Bildwandler abbildenden Strahlenganges aktuierbar, um die Weglänge dieses Strahlenganges zu verändern und auf diese Weise die Abbildung zu fokussieren. Bevorzugt ist jedoch auch jeweils die Ausrichtung der einzelnen beweglichen Mikrospiegel aktuierbar, um so den ersten Spiegel in seiner Gesamtheit zu formen und auf diese Weise die optische Abbildung des Objektes auf dem Bildwandler zu fokussieren.
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Alternativ bevorzugt zu der Ausführung als MEMS bzw. MALS umfasst der aktuierbare erste Spiegel einen Aktuator, welcher bevorzugt durch einen Piezoantrieb oder durch einen elektromagnetischen Antrieb gebildet ist, wodurch der erste Spiegel aktuiert werden kann.
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Das optische Abbildungssystem umfasst bevorzugt weiterhin eine abbildende zweite Optik zwischen dem ersten Strahlteiler und dem Bildwandler, welche zur Abbildung auf dem Bildwandler ausgebildet ist. Die zweite Optik ist bevorzugt durch eine Linse, durch eine Linsengruppe oder durch ein Objektiv gebildet. Die zweite Optik dient sowohl der optische Abbildung des Objektes als auch der Abbildung des Interferogramms. Die zweite Optik bildet bevorzugt eine Komponente der Sensoreinheit.
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Die erste Optik, die zweite Optik und der erste Strahlteiler bilden bevorzugt eine telezentrische abbildende Optikgruppe. Die Optikgruppe ist bevorzugt als ein 4F-Aufbau ausgebildet.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der erste Strahlteiler durch einen ersten Polarisationsstrahlteiler gebildet. Das Abbildungssystem umfasst weiterhin eine erste optische Verzögerungsplatte zwischen dem ersten Polarisationsstrahlteiler und dem aktuierbaren ersten Spiegel. Der erste Teilstrahlengang verläuft durch die erste Verzögerungsplatte; d. h. die erste Verzögerungsplatte liegt im ersten Teilstrahlengang. Die erste Verzögerungsplatte ist bevorzugt durch eine erste λ/4-Platte gebildet. Bevorzugt ist eine zweite optische Verzögerungsplatte zwischen dem abzubildenden Objekt und dem ersten Polarisationsstrahlteiler angeordnet. Die zweite Verzögerungsplatte liegt in der ersten optischen Achse. Die zweite Verzögerungsplatte ist bevorzugt zwischen dem abzubildenden Objekt und der ersten Optik angeordnet. Die zweite Verzögerungsplatte ist bevorzugt durch eine zweite λ/4-Platte gebildet. Die erste Verzögerungsplatte und die zweite Verzögerungsplatte bilden bevorzugt Komponenten der Sensoreinheit. Die zweite Verzögerungsplatte ist bevorzugt in einer Öffnung der Sensoreinheit angeordnet, welche auf das zu vermessende Objekt zu richten ist.
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Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen ist der erste Strahlteiler durch einen ersten Neutralstrahlteiler gebildet.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen ist ein erster Polarisator zwischen dem ersten Strahlteiler und dem Bildwandler angeordnet. Der erste Polarisator dient dazu, den Referenzstrahl und den Teststrahl auf eine gemeinsame Polarisationsrichtung zu bringen, um auf dem Bildwandler ein Interferogramm zu erzeugen. Der erste Polarisator liegt im zweiten Teilstrahlengang und bevorzugt in der zweiten optischen Achse. Der erste Polarisator ist bevorzugt durch einen ersten 45°-Polarisator gebildet. Der erste Polarisator bildet bevorzugt eine Komponente der Sensoreinheit.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Beleuchtungseinheit eine senkrecht zum Lichtaustrittsstrahlengang verschiebbare Linse, welche im Lichtaustrittsstrahlengang angeordnet ist. Die verschiebbare Linse dient zur Anpassung eines Einfallswinkels des Teststrahles in einer Ebene des Objektes; nämlich zur Gewährleistung eines senkrechten Einfallens des Teststrahles auf das Objekt, sodass Verkippungen des Objektes ausgeglichen werden können. Die verschiebbare Linse ist bevorzugt aktuierbar, um mögliche Verkippungen des Objektes aufwandsarm und schnell ausgleichen zu können.
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Die Beleuchtungseinheit umfasst bevorzugt einen Kollimator zur Kollimation des von der Lichtquelle erzeugten Lichtes. Der Kollimator dient zur Erzeugung eines parallelen Strahlenganges des von der Lichtquelle erzeugten Lichtes. Der Kollimator umfasst bevorzugt eine Sammellinse.
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Die Beleuchtungseinheit umfasst bevorzugt einen zweiten Polarisator zur Polarisation des von der Lichtquelle erzeugten Lichtes. Der Kollimator ist bevorzugt zwischen der Lichtquelle und dem zweiten Polarisator angeordnet.
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Die Beleuchtungseinheit umfasst bevorzugt einen Polarisationsrotator zur Rotation einer Polarisationsebene des von der Lichtquelle erzeugten und vom zweiten Polarisator polarisierten Lichtes. Hierdurch kann u. a. eine Anpassung einer Intensität des Teststrahles an eine Intensität eines Beleuchtungsstrahles vorgenommen werden.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Beleuchtungseinheit weiterhin einen Weglängenkompensator zum Einstellen einer Weglänge des aus dem kohärenten Licht der Lichtquelle erzeugten Referenzstrahles. Mit dem Weglängenkompensator kann die Weglänge des Referenzstrahles geändert werden, um diese an eine Weglänge des Teststrahles anzupassen. Der Teststrahl verläuft im Gegensatz zum Referenzstrahl über das zu vermessende Objekt und über den aktuierbaren ersten Spiegel. Mit dem Weglängenkompensator kann dieser Unterschied kompensiert werden, sodass im Ergebnis die Weglänge des Referenzstrahles der Weglänge des Teststrahles gleicht. Der Referenzstrahl verläuft von der Lichtquelle über den Weglängenkompensator zum ersten Strahlteiler. Der Weglängenkompensator umfasst einen zweiten Strahlteiler zur Teilung des von der Lichtquelle emittierten kohärenten Lichtes in einen dritten Teilstrahlengang und in einen vierten Teilstrahlengang. Der Weglängenkompensator umfasst zudem einen im dritten Teilstrahlengang angeordneten verstellbaren zweiten Spiegel und einen im vierten Teilstrahlengang angeordneten dritten Spiegel. Der dritte Spiegel ist bevorzugt fest angeordnet. Der Referenzstrahl verläuft über den zweiten Spiegel und über den dritten Spiegel. Da der zweite Spiegel verstellbar ist, ist dadurch die Weglänge des Referenzstrahles einstellbar. Der zweite Spiegel ist bevorzugt entlang des dritten Teilstrahlenganges verschiebbar. Der zweite Spiegel und der dritte Spiegel sind bevorzugt plan. Der zweite Spiegel kann manuell verstellbar oder aktuierbar ausgeführt sein. Eine Verstellung des zweiten Spiegels ist insbesondere nur vor einer Vermessung des Objektes erforderlich.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der zweite Strahlteiler durch einen zweiten Polarisationsstrahlteiler gebildet. Die Beleuchtungseinheit umfasst weiterhin eine dritte optische Verzögerungsplatte zwischen dem zweiten Polarisationsstrahlteiler und dem verstellbaren zweiten Spiegel. Der dritte Teilstrahlengang verläuft durch die dritte Verzögerungsplatte; d. h. die dritte Verzögerungsplatte liegt im dritten Teilstrahlengang. Die dritte Verzögerungsplatte ist bevorzugt durch eine dritte λ/4-Platte gebildet. Bevorzugt ist eine vierte optische Verzögerungsplatte zwischen dem ersten Polarisationsstrahlteiler und dem dritten Spiegel angeordnet. Der vierte Teilstrahlengang verläuft durch die vierte Verzögerungsplatte; d. h. die vierte Verzögerungsplatte liegt im vierten Teilstrahlengang. Die vierte Verzögerungsplatte ist bevorzugt durch eine vierte λ/4-Platte gebildet.
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Bei alternativ bevorzugten Ausführungsformen ist der zweite Strahlteiler durch einen zweiten Neutralstrahlteiler gebildet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Abbilden und zum Vermessen eines Objektes mit dem erfindungsgemäßen optischen Abbildungssystem. Das erfindungsgemäße Verfahren dient bevorzugt zum Abbilden und zum Vermessen eines Objektes mit einer der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen optischen Abbildungssystems. In einem Schritt des Verfahrens wird die erste Optik auf das zu vermessende bzw. abzubildende Objekt gerichtet. Zudem wird kohärentes Licht mit der Lichtquelle erzeugt. Aus dem kohärenten Licht resultieren ein vom Objekt und vom ersten aktuierbaren Spiegel reflektierter und auf den Bildwandler gerichteter Teststrahl sowie ein auf den Bildwandler gerichteter Referenzstrahl, sodass ein durch eine Oberfläche des Objektes bewirktes Interferogramm auf dem Bildwandler abgebildet wird. Erfindungsgemäß erfolgt ein Aktuieren des aktuierbaren ersten Spiegels, um eine Weglänge des Teststrahles zu verändern, sodass eine Phase des Teststrahles gegenüber dem Referenzstrahl eingestellt wird. Dabei wird bevorzugt erfasst, welche quantitative Änderung der Phase durch das Aktuieren des aktuierbaren ersten Spiegels bewirkt wurde, was bei einer vergleichenden Auswertung eines vor dem Aktuieren auf dem Bildwandler abgebildeten Interferogramms und eines nach dem Aktuieren auf dem Bildwandler abgebildeten Interferogramms berücksichtigt wird. Das Aktuieren des aktuierbaren ersten Spiegels erfolgt während des interferometrischen Vermessens des Objektes. Insbesondere können verschiedene Höhen des Objektes vermessen werden. Bevorzugt wird das Licht der Lichtquelle auch dazu verwendet, das Objekt zu beleuchten, um es auf dem Bildwandler optisch abzubilden. Auf dem Bildwandler werden ein mindestens zweidimensionales Bild des Objektes und/oder ein durch die Oberfläche des Objektes beeinflusstes Interferogramm abgebildet. Das Bild des Objektes und/oder das Interferogramm werden vom Bildwandler in ein elektronisches Signal gewandelt, welches bevorzugt auf einer Anzeige dargestellt wird, sodass es für einen Nutzer sichtbar ist.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen werden der genannte Schritt des Erzeugens von kohärentem Licht für den Teststrahl und den Referenzstrahl zum Bewirken eines Interferogramm und der genannte Schritt des Aktuierens des aktuierbaren ersten Spiegels im Rahmen eines Interferometermodus vorgenommen. Es erfolgt bevorzugt ein Umschalten von dem Interferometermodus in einen Abbildungsmodus bzw. ein Umschalten von einem Abbildungsmodus in den Interferometermodus. Im Abbildungsmodus wird das Objekt optisch abgebildet, um es insbesondere vergrößert auf einer Anzeige betrachten zu können oder um es auszumessen. Das Umschalten erfolgt bevorzugt durch Einschalten bzw. Ausschalten der Lichtquelle oder durch ein Rotieren des oben beschriebenen Polarisationsrotators oder durch ein fortgesetztes Aktuieren des aktuierbaren ersten Spiegels, um eine Weglänge für den aus dem Licht der Lichtquelle resultierenden Teststrahl über den aktuierbaren ersten Spiegel dermaßen zu verändern, dass keine relevante Kohärenz mehr vorliegt. Alternativ bevorzugt wird das Umschalten dadurch bewirkt, dass der oben beschriebene erste Polarisator rotierbar ausgeführt ist und gedreht wird, um den Referenzstrahl zu blockieren.
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Bevorzugt erfolgt auch im Abbildungsmodus ein Aktuieren des aktuierbaren ersten Spiegels, um die Position des ersten Spiegels entlang des das Objekt auf dem Bildwandler abbildenden Strahlenganges zu verändern, wodurch die Weglänge dieses Strahlenganges verändert wird und auf diese Weise die Abbildung fokussiert werden kann.
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Bei der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform, bei welcher der aktuierbare erste Spiegel durch ein Mikrosystem mit beweglichen Mikrospiegeln (MALS) gebildet ist, wird im Abbildungsmodus der aktuierbare erste Spiegel, d. h. das Mikrosystem bevorzugt aktuiert, um eine Abbildung des Objektes auf dem Bildwandler zu fokussieren. Dabei werden die beweglichen Mikrospiegel bevorzugt verkippt, sodass jeweils deren Ausrichtung verändert wird und der erste Spiegel in seiner Gesamtheit geformt wird. In einem einfachen Fall werden die beweglichen Mikrospiegel lediglich verschoben, sodass jeweils deren Position verändert wird, um die Abbildung des Objektes auf dem Bildwandler zu fokussieren.
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Bevorzugt wird die verschiebbare Linse verschoben, um zu gewährleisten, dass der Teststrahl senkrecht auf das Objekt trifft. Hierdurch können Verkippungen des Objektes ausgeglichen werden.
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Bevorzugt wird eine Polarisationsebene des vom zweiten Polarisator polarisierten Lichtes mit dem Polarisationsrotator gedreht, um eine Intensität des Teststrahles zu verändern. Dabei wird insbesondere eine relative Intensität des Teststrahles in Bezug auf den Referenzstrahl verändert.
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Bevorzugt wird vor dem Vermessen des Objektes der verstellbare zweite Spiegel des Weglängenkompensators verstellt, um eine Weglänge des Referenzstrahles an eine Weglänge des Teststrahles anzupassen.
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Weitere Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
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Die einzige Fig. zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Abbildungssystems 01 zum Abbilden und Vermessen eines Objektes 02. Das Abbildungssystem 01 umfasst eine Sensoreinheit 03 und eine Beleuchtungseinheit 04, welche lösbar an der Sensoreinheit 03 befestigt ist.
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Die Sensoreinheit 03 umfasst eine auf das Objekt 02 gerichtete abbildende erste Optik 06, welche gemeinsam mit dem Objekt 02 in einer ersten optischen Achse 07 liegt. Die Sensoreinheit 03 umfasst zudem einen in der ersten optischen Achse 07 liegenden ersten Polarisationsstrahlteiler 08 zur Teilung in einen ersten Teilstrahlengang 09 und in einen zweiten Teilstrahlengang 11. Der erste Teilstrahlengang 09 liegt in der ersten optischen Achse 07, während der zweite Teilstrahlengang 11 senkrecht zu der ersten optischen Achse 07 ausgerichtet ist und eine zweite optische Achse bildet. Die Sensoreinheit 03 umfasst zudem einen im ersten Teilstrahlengang 09 angeordneten aktuierbaren ersten Spiegel 12. Der erste Spiegel 12 ist durch ein MEMS (nicht dargestellt) aktuierbar, wodurch der erste Spiegel 12 in Schritten im Mikrometerbereich entlang des ersten Teilstrahlenganges 09 bzw. in der ersten optischen Achse 07 verschoben werden kann. Die Sensoreinheit 03 umfasst zudem einen im zweiten Teilstrahlengang 11 angeordneten Bildwandler 13, sodass das Objekt 02 bzw. ein Interferogramm auf dem Bildwandler 13 abbildbar ist. Hierzu umfasst die Sensoreinheit 03 weiterhin eine abbildende zweite Optik 14 zwischen dem ersten Polarisationsstrahlteiler 08 und dem Bildwandler 13. Die erste Optik 06, die zweite Optik 14 und der erste Polarisationsstrahlteiler 08 bilden einen 4F-Aufbau, welcher telezentrisch ausgebildet ist.
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Die Sensoreinheit 03 umfasst zudem eine erste λ/4-Platte 16 zwischen dem ersten Polarisationsstrahlteiler 08 und dem aktuierbaren ersten Spiegel 12. Der erste Teilstrahlengang 09 tritt durch die erste λ/4-Platte 16. Die erste λ/4-Platte 16 liegt in der ersten optischen Achse 07. Die Sensoreinheit 03 umfasst zudem eine zweite λ/4-Platte 17 zwischen dem zu vermessenden Objekt 02 und dem ersten Polarisationsstrahlteiler 08. Die zweite λ/4-Platte 17 befindet sich insbesondere zwischen dem zu vermessenden Objekt 02 und der zweiten Optik 14. Die zweite λ/4-Platte 17 befindet sich in der ersten optischen Achse 07. Die erste λ/4-Platte 16 dient dazu, eine Polarisation des den ersten Polarisationsstrahlteiler 08 passierenden Lichtes auf dem Rückweg vom ersten Spiegel 12 um 90° zu drehen, damit dieses Licht anschließend vom ersten Polarisationsstrahlteiler 08 in Richtung des Bildwandlers 13 umgelenkt wird.
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Die Sensoreinheit 03 umfasst zudem einen ersten 45°-Polarisator 18 zwischen dem ersten Polarisationsstrahlteiler 08 und dem Bildwandler 13. Der erste 45°-Polarisator 18 ist insbesondere zwischen dem ersten Polarisationsstrahlteiler 08 und der zweiten Optik 14 angeordnet.
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Zur Veranschaulichung sind eine erste Pupillenebene 19 zwischen dem aktuierbaren ersten Spiegel 12 und der ersten λ/4-Platte 16 sowie eine zweite Pupillenebene 21 vor dem ersten Polarisationsstrahlteiler 08 dargestellt. Ein Lichtaustrittsstrahlengang 24 der Beleuchtungseinheit 04 ist auf die zweite Pupillenebene 21 fokussiert und somit auch auf den ersten Polarisationsstrahlteiler 08 gerichtet.
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Die Beleuchtungseinheit 04 umfasst eine Lichtquelle 26 zur Erzeugung von kohärentem Licht. Das Licht der Lichtquelle 26 wird mit einem Kollimator 27 kollimiert und durch einen zweiten Polarisator 28 polarisiert. Eine Polarisationsebene des vom zweiten Polarisator 28 polarisierten Lichtes kann mit einem Polarisationsrotator 29 gedreht werden, wobei stattdessen auch der zweite Polarisator 28 drehbar ausgeführt sein kann. Hierdurch kann ein Intensitätsverhältnis zwischen einem den ersten Polarisationsstrahlteiler 08 transmittierenden Referenzstrahl (nicht gezeigt) und einem vom Objekt 02 reflektierten Teststrahl (nicht gezeigt) eingestellt werden, um es an eine gegebene Messaufgabe anpassen zu können.
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Die Beleuchtungseinheit 04 umfasst zudem eine senkrecht zum Lichtaustrittsstrahlengang 24 verschiebbare Linse 31. Die verschiebbare Linse 31 ist im Lichtaustrittsstrahlengang 24 angeordnet. Die verschiebbare Linse 31 ist aktuierbar. Durch das aktuierbare Verschieben der Linse 31 kann gewährleistet werden, dass der durch das kohärente Licht gebildete Teststrahl (nicht gezeigt) senkrecht auf das Objekt 02 trifft, auch wenn das Objekt 02 verkippt ist.
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Die Beleuchtungseinheit 04 umfasst weiterhin einen Weglängenkompensator 32 zum Einstellen einer Weglänge des durch das kohärente Licht der Lichtquelle gebildeten Referenzstrahles (nicht gezeigt). Der Weglängenkompensator 32 umfasst einen zweiten Polarisationsstrahlteiler 33 zur Teilung des von der Lichtquelle 26 emittierten und vom zweiten Polarisator 28 polarisierten Lichtes in einen dritten Teilstrahlengang (nicht gezeigt) und in einen vierten Teilstrahlengang (nicht gezeigt). Im dritten Teilstrahlengang sind eine dritte λ/4-Platte 34 und ein verstellbarer zweiter Spiegel 36 angeordnet. Im vierten Teilstrahlengang sind eine vierte λ/4-Platte 37 und ein ortsfester dritter Spiegel 38 angeordnet.
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Kohärentes Licht, welches von der Lichtquelle 26 erzeugt wird und vom zweiten Polarisationsstrahlteiler 33 reflektiert wird, bildet den Teststrahl (nicht gezeigt), welcher im Lichtaustrittsstrahlengang 24 durch die verschiebbare Linse 31 in die zweite Pupillenebene 21 gerichtet wird. Der Teststrahl (nicht gezeigt) trifft in den ersten Polarisationsstrahlteiler 08, von welchem er zum Objekt 02 reflektiert wird, sodass er durch die zweite λ/4-Platte 17 tritt. Der vom Objekt 02 reflektierte Teststrahl (nicht gezeigt) passiert ein zweites Mal die zweite λ/4-Platte 17, sodass er beim erneuten Eintreten in den ersten Polarisationsstrahlteiler 08 nun den ersten Polarisationsstrahlteiler 08 passiert und auf den ersten Spiegel 12 trifft, nachdem er durch die erste λ/4-Platte 16 getreten ist. Der von ersten Spiegel 12 reflektierte Teststrahl (nicht gezeigt) tritt ein zweites Mal durch die erste λ/4-Platte 16, woraufhin er erneut in den ersten Polarisationsstrahlteiler 08 eintritt, wo er aber nun wegen der gedrehten Polarisation in Richtung des Bildwandlers 13 reflektiert wird. Durch das Aktuieren des ersten Spiegels 12 wird somit die Weglänge des Teststrahles (nicht gezeigt) verändert. Da der Referenzstrahl (nicht gezeigt) nicht über den ersten Spiegel 12 verläuft, hat das Aktuieren des ersten Spiegels 12 keinen Einfluss auf die Weglänge des Referenzstrahles (nicht gezeigt). Somit führt das Aktuieren des ersten Spiegels 12 zu einem Verschieben einer zwischen dem Teststrahl (nicht gezeigt) und dem Referenzstrahl (nicht gezeigt) gegebenen Phase.
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Kohärentes Licht, welches von der Lichtquelle 26 erzeugt wird und den zweiten Polarisationsstrahlteiler 33 transmittiert, bildet den Referenzstrahl (nicht gezeigt) und durchläuft den Weglängenkompensator 32. Nach dem Transmittieren durch den zweiten Polarisationsstrahlteiler 33 tritt der Referenzstrahl (nicht gezeigt) durch die vierte λ/4-Platte 37 und trifft auf den ortsfesten dritten Spiegel 38. Nachdem der Referenzstrahl (nicht gezeigt) vom ortsfesten dritten Spiegel 38 reflektiert wurde, tritt er erneut durch die vierte λ/4-Platte 37, woraufhin er vom zweiten Polarisationsstrahlteiler 33 wegen der gedrehten Polarisation zum verstellbaren zweiten Spiegel 36 gerichtet wird. Auf dem Weg zum verstellbaren zweiten Spiegel 36 tritt der Referenzstrahl (nicht gezeigt) durch die dritte λ/4-Platte 34. Nachdem der Referenzstrahl (nicht gezeigt) vom verstellbaren zweiten Spiegel 36 reflektiert wurde, tritt er erneut durch die dritte λ/4-Platte 34, woraufhin er wegen der gedrehten Polarisation den zweiten Polarisationsstrahlteiler 33 passiert und in den Lichtaustrittsstrahlengang 24 tritt. Durch die verschiebbare Linse 31 wird auch der Referenzstrahl (nicht gezeigt) in die zweite Pupillenebene 21 gerichtet, sodass er die Beleuchtungseinheit 04 verlässt und in die Sensoreinheit 03 gelangt. Da die Polarisationsebene des Referenzstrahles (nicht gezeigt) senkrecht zu der Polarisationsebene des Teststrahles (nicht gezeigt) ausgerichtet ist, transmittiert der Referenzstrahl (nicht gezeigt) den ersten Polarisationsstrahlteiler 08, woraufhin er den 45°-Polarisator 18 und die zweite Optik 14 passiert, sodass er auf den Bildwandler 13 trifft.
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Vor dem Passieren des 45°-Polarisators 18 ist die Polarisationsebene des Referenzstrahles (nicht gezeigt) senkrecht zu der Polarisationsebene des Teststrahles (nicht gezeigt) ausgerichtet. Das Passieren des 45°-Polarisators 18 führt dazu, dass der Referenzstrahl (nicht gezeigt) und der Teststrahl (nicht gezeigt) in eine gemeinsame Polarisationsebene projiziert werden, sodass der Referenzstrahl (nicht gezeigt) und der Teststrahl (nicht gezeigt) interferieren können und ein Interferogramm auf dem Bildwandler 13 erzeugen.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- optisches Abbildungssystem
- 02
- Objekt
- 03
- Sensoreinheit
- 04
- Beleuchtungseinheit
- 05
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- 06
- erste Optik
- 07
- erste optische Achse
- 08
- erster Polarisationsstrahlteiler
- 09
- erster Teilstrahlengang
- 10
- -
- 11
- zweiter Teilstrahlengang
- 12
- aktuierbarer erster Spiegel
- 13
- Bildwandler
- 14
- zweite Optik
- 15
- -
- 16
- erste λ/4-Platte
- 17
- zweite λ/4-Platte
- 18
- erster 45°-Polarisator
- 19
- erste Pupillenebene
- 20
- -
- 21
- zweite Pupillenebene
- 22
- -
- 23
- -
- 24
- Lichtaustrittsstrahlengang
- 25
- -
- 26
- Lichtquelle
- 27
- Kollimator
- 28
- zweiter Polarisator
- 29
- Polarisationsrotator
- 30
- -
- 31
- verschiebbare Linse
- 32
- Weglängenkompensator
- 33
- zweiter Polarisationsstrahlteiler
- 34
- dritte λ/4-Platte
- 35
- -
- 36
- zweiter Spiegel
- 37
- vierte λ/4-Platte
- 38
- dritter Spiegel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007020860 A1 [0002]
- US 20050206889 A1 [0003]
- US 8902431 B2 [0004]
- US 5459564 [0005]
