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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur konfokal-chromatischen, vorzugsweise eindimensionalen, Abstands- und/oder Dickenmessung, mit einer Beleuchtungsblende, einer Empfangsblende und einer konfokal-chromatischen Optik.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur konfokal-chromatischen, vorzugsweise eindimensionalen, Abstands- und/oder Dickenmessung.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur konfokal-chromatischen, vorzugsweise eindimensionalen, Abstands- und/oder Dickenmessung.
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Das konfokal-chromatische Messverfahren wird aufgrund der Vorzüge der guten räumlichen Trennbarkeit von Messkopf und der in der Regel kombinierten Sende-/Empfangs-/Auswerteeinheit gerne in explosionsgefährdeten Bereichen, Nassbereichen, Hochvakuumumgebungen oder Bereichen mit geringen Platzverhältnissen eingesetzt. Der Grundaufbau eines üblichen konfokal-chromatischen Messkopfs weist eine Beleuchtungsblende und eine konfokal-chromatische Optik auf. Aufgrund der Dispersion der konfokal-chromatischen Optik weisen die unterschiedlichen Wellenlängen des Messlichtes voneinander abweichende Fokuspunkte auf. Die optische Achse der konfokal-chromatischen Optik ist dabei kollinear mit der Messachse, auf der die Fokuspunkteschar liegt. Das von dem Messobjekt reflektierte Detektionslicht wird über die gleiche konfokal-chromatische Optik auf eine als Konfokalblende wirkende Empfangsblende abgebildet und mit einem Spektrometer die dominante Wellenlänge des reflektierten Detektionslichtes bestimmt. Unter Berücksichtigung der Fokusweiten der einzelnen Wellenlängen kann aus der dominanten Wellenlänge der Abstand des Messobjektes bestimmt werden.
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Dabei besteht jedoch das Problem, dass bei rauen Oberflächen und vorrangig diffus streuenden Materialien zahlreiche Messunsicherheiten auftreten, die sich in einem störenden, ortsabhängigen „Rauschen“ widerspiegeln.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und eine Vorrichtung zur konfokal-chromatischen Abstands- und/oder Dickenmessung derart auszugestalten und weiterzubilden, dass mit konstruktiv einfachen Mitteln eine verbesserte Messung ermöglicht ist. Des Weiteren soll ein verbessertes Verfahren zur konfokal-chromatischen Abstands- und/oder Dickenmessung angegeben werden.
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Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe in Bezug auf die Einrichtung durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Damit ist eine Einrichtung zur konfokal-chromatischen, vorzugsweise eindimensionalen, Abstands- und/oder Dickenmessung, angegeben, mit einer Beleuchtungsblende und einer konfokal-chromatischen Optik, wobei zwischen der Beleuchtungsblende und der konfokal-chromatischen Optik eine optische Einrichtung angeordnet ist, wobei die optische Einrichtung aus der Beleuchtungsblende austretendes Messlicht in mehrere Messlicht-Teilstrahlenbündel aufteilt, wobei die Messlicht-Teilstrahlenbündel nach dem Passieren der konfokal-chromatischen Optik an lateral versetzten Messpunkten auf das Messobjekt treffen, wobei von den Messpunkten reflektierte Detektionslicht-Teilstrahlenbündel über die konfokal-chromatische Optik und die optische Einrichtung auf eine Empfangsblende fallen, und wobei nach dem Passieren der Empfangsblende ein gemeinsames Detektionslicht-Strahlenbündel vorliegt.
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In Bezug auf die Vorrichtung wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 15 gelöst. Damit ist eine Vorrichtung zur konfokal-chromatischen, vorzugsweise eindimensionalen, Abstands- und/oder Dickenmessung angegeben, mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, einer, insbesondere polychromatischen, Lichtquelle zur Emission von Messlicht, einem Spektrometer und einer Auswerteeinrichtung. Der Detektor kann dabei eine Detektorzeile aufweisen. Des Weiteren kann eine Koppelstelle zur Trennung des Hin- und Rückweges für die weiteren Baugruppen angeordnet sein.
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In Bezug auf das Verfahren wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 16 gelöst. Damit ist ein Verfahren zur konfokal-chromatischen, vorzugsweise eindimensionalen, Abstands- und/oder Dickenmessung, insbesondere mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 oder mit einer Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei Messlicht einer, insbesondere polychromatischen, Lichtquelle über eine Beleuchtungsblende auf eine optische Einrichtung geleitet wird, wobei das Messlicht von der optischen Einrichtung in mehrere Messlicht-Teilstrahlenbündel aufgeteilt und auf eine konfokal-chromatische Optik geleitet wird, wobei die aus der konfokal-chromatischen Optik austretenden Messlicht-Teilstrahlenbündel an lateral versetzten Messpunkten auf das Messobjekt treffen, wobei von den Messpunkten reflektierte Detektionslicht-Teilstrahlenbündel über die konfokal-chromatische Optik und die optische Einrichtung auf eine Empfangsblende fallen, wobei nach dem Passieren der Empfangsblende ein gemeinsames Detektionslicht-Strahlenbündel einem Spektrometer zugeführt wird und wobei ein summiertes, spektral codiertes Messsignal der Messpunkte erzeugt wird.
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In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass, wenn das Messobjekt konfokal-chromatisch an mehreren Messpunkten zugleich vermessen wird, über eine optische Mittelwertbildung lokale Messwertstörungen reduziert werden. Insbesondere kann die Auswertung nur eines summierten Messsignals auf einem einzigen Detektor bzw. Spektrometer erfolgen. Des Weiteren ist die Anordnung einer einzigen konfokal-chromatischen Optik ausreichend.
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In weiter erfindungsgemäßer Weise werden die Abstände mehrerer Messpunkte innerhalb eines kleinen Bereichs absolut synchron auf optische Weise gemittelt, wobei der Erfassungsbereich innerhalb einer Fläche mit einem Durchmesser von beispielsweise wenigen zehntel bis hin zu wenigen hundertstel Millimetern liegen kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass diese einfach in ein bestehendes konfokal-chromatisches Messsystem implementierbar ist, da keine, beziehungsweise nur geringe Einflüsse auf den Systementwurf bestehen. Bei der Lichtquelle kann es sich in vorteilhafter Weise um eine Weißlicht-Quelle handeln.
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Durch die erfindungsgemäße Lehre wird anstatt der üblicherweise einen chromatisch kontinuierlich durchstimmten Fokuspunkteschar eine der Anzahl der Messlicht-Teilstrahlenbündel entsprechende Vielzahl separater Fokuspunktescharen erzeugt. Aufgrund dieser speziellen optischen Anordnung werden die chromatisch codierten Messreflexe der einzelnen Messstrahlen über den jeweiligen optischen Weg allesamt auf die Empfangsblende geworfen. Dabei können die Beleuchtungsblende und die Empfangsblende durch ein einziges bzw. gemeinsames Bauteil gebildet sein. Alternativ ist es denkbar, dass es sich bei der Empfangsblende und der Beleuchtungsblende um unterschiedliche Bauteile handelt. Bei einer solchen Ausgestaltung liegen die Empfangsblende und die Beleuchtungsblende virtuell zumindest im Wesentlichen am gleichen optischen Ort. Des Weiteren ist wesentlich, dass die Empfangsblende als Konfokalblende (Ortsfilter) dienen kann, d.h. die Empfangsblende liegt im vorderseitigen Brennpunkt der konfokal-chromatischen Optik und unterdrückt Wellenlängen, deren wellenlängenabhängiger Fokus vor oder hinter dem Messobjekt liegt.
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Bei einem ähnlichen Rückstreuverhalten der einzelnen Messpunkte, wovon bei den oben genannten, geringen lateralen Messpunktabständen ausgegangen wird, führt die Überlagerung der einzelnen Reflexe zu einem summierten, spektral codierten Intensitätssignal. Wenn die Intensitäten bei ähnlichem Rückstreuverhalten annähernd gleich hoch sind, kann man hier von einer nahezu arithmetischen Mittelung sprechen. An Messstellen mit lokal unterschiedlichen Reflexionseigenschaften, beispielsweise an harten Kanten oder Materialübergängen, die kleiner als die lateralen Messpunktabstände sind, ist die Mittelung mit intensitätsbedingt unterschiedlichen Wichtungsanteilen versehen, wodurch der Messpunkt mit bestem Reflexionsverhalten bei der optischen Mittelung betont wird.
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Ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ist für die Reproduzierbarkeit und Stabilität einer Abstandsmessung entscheidend. Bezogen auf die erfindungsgemäße Lehre bedeutet dies, dass die Form und die Richtung der vom Messobjekt reflektierten Lichtkeule in Kombination mit der numerischen Apertur des Objektivs das SNR entscheidend prägt. Dies trifft insbesondere auf raue Oberflächen mit starken lokalen Höhenunterschieden und/oder steilen Profilflanken zu. Da mit zunehmendem Winkel zwischen der Messachse und der Flächennormalen des beleuchteten Messobjektbereichs der von der konfokal-chromatischen Optik empfangbare Reflexanteil abnimmt, ist das Signal-Rausch-Verhältnis bei einer derartigen Profilmessung starken Schwankungen unterlegen. Fällt das SNR dabei unter einen festgelegten Grenzwert, wird dieser Messpunkt gar ungültig. Dieses Signalrauschen und auch die Signalausfälle können mit dieser Erfindung deutlich verbessert werden, da an mehreren eng beieinanderliegenden Messpunkten bzw. Messorten zugleich gemessen wird.
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In vorteilhafter Weise kann eine optische Aufsummierung der Einzelsignale erfolgen, so dass die Signale der Messpunkte mit einem guten SNR den stärksten Beitrag bilden, so dass diese die Signale mit einem ansonsten schlechten SNR oder gar ausfallenden Rückreflex kompensieren. Hierdurch ist die Wahrscheinlichkeit von mindestens einem guten Rückreflex um ein Vielfaches höher und damit die Ausfallrate bei Oberflächen mit unpassenden Reflexionseigenschaften entsprechend geringer. Durch die optische Mittelung schlagen zudem ungültige Messwerte nur durch ihren Beitrag zum Grundrauschen des summierten Messsignals zu Buche. Dies gibt der Mittelung eine Wichtung, die mit der Intensität des Rückreflexes eines Messortes einhergeht. Der Vorteil eines ausfallsicheren Signals geht jedoch mit einer Unsicherheit der lateralen Ortszuordnung einher, da nicht ermittelbar ist, welcher Messpunkt der eng beieinanderliegenden Messpunkte signaldominierend ist.
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Ein weiterer Vorteil der optischen Mittelung liegt in der Synchronität. Hierdurch werden verringerte Taktraten bei blockweiser mathematischer Mittelung oder ein Zeitverzug bei gleitenden Mittelungen vermieden. Da nur ein gemitteltes Intensitätsprofil aus mehreren Messspots auf dem Empfänger vorliegt, wird eine bessere Zeilenausnutzung des Detektors ermöglicht. Des Weiteren wird nur eine Zuordnungstabelle bzw. nur eine Zuordnungsfunktion von Abstand und Wellenlänge benötigt.
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Weiterhin weisen eine Vielzahl von Messobjekten eine Mikrostruktur mit Spitzen- und Talbreiten auf, die größer als die üblichen Messfleckdurchmesser von konfokal-chromatischen Sensoren sind. Hierdurch kommt es zu einem topografischen Signalrauschen, dass in vielen Fällen vom Anwender der Messtechnik ungewollt ist. Durch die erfindungsgemäße Lehre wird eine synchrone optische Mehrpunktmessung ermöglicht, so dass diese extremen Spitzen und Talsohlen der Oberfläche des Messgutes egalisiert werden, was zu einem Signal mit besserem SNR führt. Mit anderen Worten wird es ermöglicht, dass die Auslegung auf eine applikative Mikrostruktur angepasst wird, d.h. Anzahl und Abstand der einzelnen Messpunkte kann ideal auf eine zu messende Mikrostruktur angepasst werden, um die optimale Mittelung zu erhalten
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Weiterhin ist die Messung von mikrostrukturellen Flanken - zum Beispiel von geschliffenen Flächen - an vorwiegend direkt reflektierenden Materialien stark fehlerbehaftet, da aufgrund zu steiler Reflexionswinkel nur wenig Licht in die Apertur des Messobjektivs fällt und dadurch das Signal-Rausch-Verhältnis entsprechend gering ausfällt. Durch die Mittelung über mehrere Messpunkte ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass der „verlorene“ Messwert einer solchen Flanke durch die gleichzeitigen Messwerte von gut ausgerichteten Plateaus der Nachbarregion ausgeglichen wird.
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Dadurch, dass mit der optischen Einrichtung aus der Einpunktblende des Messlichtes eine virtuelle Vielpunktblende generierbar ist, ist es problemlos möglich, den Faseranschluss an herkömmlichen konfokal-chromatischen Objektiven mit einem Adapter zu modifizieren. Da alle Teilsignale sich optisch überlagern, wird zudem auf dem Spektrometer nur ein Messpeak abgebildet. Im Falle der Messung an einer entsprechend großen Stufe werden sich die Teilsignale zu einem verbreiterten Signal ausbilden und damit aufgrund der Mittelung die Stufe messtechnisch verschliffen. Ist die Stufe jedoch so groß, dass es zu einer Ausbildung von zwei unterscheidbaren Peaks im Spektrogramm führt, so ist gar eine synchrone differentielle Messung möglich. Anstatt einer Stufe kann hier auch die Dicke eines transparenten Messobjektes bestimmt werden. Ansonsten lässt sich zusammenfassen, dass mit der Erfindung die Bedingung der Kompatibilität mit bestehenden Systemen voll erfüllt wird. Dadurch, dass die Erfindung mit herkömmlichen Objektiven und Spektrometern gepaart werden kann, entstehen auch nur geringe Kosten für dieses flexible Feature.
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Zur optischen Mittelung von mehreren Messorten genügt die Ergänzung einer optischen Einrichtung zwischen der Beleuchtungsblende und der zugehörigen konfokal-chromatischen Optik. Vor der Beleuchtungsblende kann die Koppelstelle für das einstrahlende Messlicht und das herausstrahlende chromatisch codierte Detektionslicht liegen. Die Beleuchtungsblende und/oder die Empfangsblende kann beispielsweise durch ein optisches Blendenelement realisiert sein. Eine solche Ausgestaltung ist von Vorteil, wenn die Koppelstelle durch einen Strahlteiler oder Strahlteilerwürfel realisiert ist. Auch ist es denkbar, dass die Beleuchtungsblende und/oder die Empfangsblende durch ein Faserende eines Lichtwellenleiters gebildet wird. Dies ist von Vorteil, wenn zwischen der Koppelstelle und der konfokal-chromatischen Optik ein Lichtwellenleiter zum Einsatz kommt, so dass dessen Faserende die Beleuchtungsblende bzw. die Empfangsblende bildet.
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Durch die optische Einrichtung, die ein oder mehrere optische Elemente aufweisen kann, wird das aus der Beleuchtungsblende austretende Messlicht in mehrere Messlicht-Teilstrahlenbündel aufgeteilt. Die Messlicht-Teilstrahlenbündel könnten dabei als divergierende Messlicht-Teilstrahlenbündel auf die konfokal-chromatische Optik einfallen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Messlicht-Teilstrahlenbündel einzeln auf eine vor der konfokal-chromatischen Optik liegenden virtuellen Fläche fokussiert werden. Die virtuelle Fläche kann in vorteilhafter Weise mit dem Fokuspunkt beziehungsweise der fokalen Ebene des konfokal-chromatischen Objektivs zusammenfällen.
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In vorteilhafter Weise kann die optische Einrichtung mindestens ein optisches Element aufweisen, insbesondere ein refraktives optisches Element und/oder ein Diffraktives Optisches Element (DOE) und/oder ein Meta Optisches Element (MOE). Im Konkreten könnte es sich bei dem optischen Element um ein Dachkantprisma und/oder eine Mikrolinsenanordnung und/oder eine optische Pyramide, vorzugsweise eine regelmäßige Pyramide oder eine gerade quadratische Pyramide, handeln. Bei einer Ausgestaltung der optischen Einrichtung, die ein Messlicht-Teilstrahlenbündel ohne Zwischenfoki erzeugt, könnte das Messlicht mittels eines Dachkantprismas oder einer geraden regelmäßigen, vorzugsweise einer geraden quadratischen Pyramide in mehrere Messlicht-Teilstrahlenbündel aufgeteilt werden. Diese Messlicht-Teilstrahlenbündel passieren anschließend die konfokal-chromatische Optik und werden mit dem chromatischen Längsfehler beaufschlagt, durch den die Abstandsmessung erst ermöglicht wird. Im Unterschied zum bestimmungsgemäßen Gebrauch treffen diese Messlicht-Teilstrahlenbündel jedoch unter einem abweichenden Einfallswinkel auf die erste Objektivfläche. Dies führt letztlich dazu, dass die durch die konfokal-chromatische Optik verursachten chromatischen Fokuspunktescharen außerhalb der Messachse verlaufen und somit mehrere Messachsen bilden. Der Grund liegt hier in dem durch die Ablenkung provozierten veränderten Einfallswinkel der Messlicht-Teilstrahlenbündel auf die konfokal-chromatische Optik, da durch die schrägen Flächen der virtuelle Quellpunkt der Messlicht-Teilstrahlenbündel von der Achse weg verschoben ist. Da durch die Strahlablenkung eine größere Numerische Apertur der Lichtquelle von der konfokal-chromatischen Optik eingefangen und auf die Messstellen verteilt wird, ist die Summe der Fokusflächen größer als die der konfokal-chromatischen Optik in ihrer Verwendung für einen einzelnen Messpunkt. Hierdurch ist die konfokal-chromatische Optik in Kombination mit dem optischen Element gegebenenfalls etwas lichtstärker, als das ursprüngliche Objektiv, falls das ursprüngliche Objektiv nämlich nicht die maximale Apertur der Konfokalblende nutzt.
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In weiter vorteilhafter Weise kann das optische Element mit einem zweiten optischen Element ergänzt sein, beispielsweise einer Sammellinse oder einer Zerstreuungslinse. Dabei ist es denkbar und von Vorteil, dass das zweite optische Element einteilig mit dem optischen Element ausgebildet ist oder stoffschlüssig an dem optischen Element angeordnet ist oder auf das optische Element aufgedruckt ist. Alternativ ist es denkbar, dass das zweite optische Element in einer optischen Fläche des optischen Elements integriert ist. Beispielsweise kann eine der Lichtquelle zugewandte optische Fläche des optischen Elements plan ausgebildet sein und eine der Lichtquelle abgewandte optische Fläche die Funktion des optischen Elements und des zweiten optischen Elements im Sinne einer komplexen Freiformfläche erfüllen. Durch diese konstruktiven Maßnahmen ist es möglich, die eingefangene Numerische Apertur der Beleuchtungsblende wie auch die laterale Position und Messfleckform anzupassen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann durch die optische Einrichtung, insbesondere durch eine erste optische Fläche eines optischen Elements, das divergente Licht der Eintrittsblende zunächst nahezu kollimiert werden. Weiterhin ist es denkbar, dass durch eine Mikrolinsenanordnung, d.h. mehrere eng beieinanderliegende Mikrolinsen, die kollimierte Gesamtapertur nahezu vollständig in mehrere Subaperturen aufgeteilt wird und jeweils auf eine gemeinsame virtuelle Fläche refokussiert wird. Je nach Ausgestaltung der konfokal-chromatischen Optik und der Messfläche kann diese Fokalfläche auch gegebenenfalls gebogen sein. Eine solche Anordnung kann als Aufteilung einer Primärlichtquelle in mehrere Sekundärlichtquellen verstanden werden, wobei es sich hierbei um die Abbildung der Empfangsblende handelt. Somit sind die Größe der Sekundärlichtfläche sowie die Apertur des Sekundärlichts von der Strahlformung des optischen Elements abhängig. Der Vorteil einer solchen Aufteilung einer Primärlichtquelle in mehrere Sekundärlichtquellen mit der vorgeschlagenen Konstruktion liegt darin, dass die Erweiterung in einem System ohne nötige Rückwirkungen in Richtung der Lichtquelle bleibt, da die Strahlungsleistung der Primärlichtquelle nahezu verlustfrei auf die Sekundärlichtquellen aufgeteilt wird. Zur Verbesserung der Abstandsauflösung eines Messsystems ist neben einer Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses auch die Verschmälerung der Messpeakbreite im Spektrogramm sehr wirkungsvoll. Bei der Aufteilung der Apertur der Primärlichtquelle in Subaperturen und deren separate Fokussierung auf eine Fläche von virtuellen Sekundärlichtquellen, wie dies voranstehen beschrieben ist, kommt es dazu, dass die virtuellen Sekundärlichtquellen eine im Vergleich zur Primärlichtquelle kleinere Ausdehnung bzw. Spotgröße haben.
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Um Intensitätsabfälle im Randbereich bei der Beleuchtung der konfokal-chromatischen Optik auszuschließen, kann deren Optikdesign derart ausgelegt werden, dass sie nur einen Teilbereich der theoretisch zur Verfügung stehende Apertur des Beleuchtungsstrahlbündels verwerten. Da bei der Nutzung einer Mikrolinsenanordnung in der optischen Einrichtung aus der Primärlichtquelle mehrere Sekundärlichtquellen gebildet werden, können verschiedene Parameter verändert werden. So ist es beispielsweise möglich, einen höheren Anteil der Numerischen Apertur der Primärlichtquelle zu nutzen, wodurch letztlich bei Verwendung der gleichen konfokal-chromatischen Optik diese in Summe lichtstärker würde. Alternativ können die Numerischen Aperturen der Messlicht-Teilstrahlenbündel von der für die konfokal-chromatische Optik vorgesehenen Numerischen Apertur variiert werden. Hiermit können letztlich die Zielparameter der Messpunkte noch variiert werden, wodurch die optische Einrichtung eine zusätzliche Flexibilität bei der Anpassung an die Messaufgabe ermöglicht.
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Aufgrund der geschickten Anordnung von Mikrolinsen über die gesamte Fläche der Faser-Apertur, ist es möglich, nahezu den gesamten Lichtstrom des Messlichtes zum Messobjekt zu leiten. Obwohl die Einzelintensitäten der vielen Messflecken nur jeweils einen entsprechenden Bruchteil der Intensität einer herkömmlichen Einrichtung aufweisen, hat das Gesamtsignal nach der Rekombination der Einzelkanäle eine ähnlich hohe Signalstärke, wie bei einer herkömmlichen Einrichtung bzw. einem herkömmlichen Messkopf.
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In besonders vorteilhafter Weise kann der laterale Abstand der Messspotachsen durch geringfügige Änderungen an diesem vom Messobjektiv ansonsten unabhängigen optischen Element variiert werden, was aufgrund der aufkommenden additiven Linsenfertigung von besonderem Vorteil sein kann.
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Da das gegenseitige Übersprechen der einzelnen Messkanäle zu einer Verbreiterung des summierten Messsignalpeaks führt, ist es vorteilhaft, die laterale Auflösung (x-Richtung) wie auch die Tiefenauflösung (z-Richtung) zu verbessern. Hierzu kann in vorteilhafter Weise eine Beblendung des Mittenbereichs eines fokussierten Strahls genutzt werden. Dabei macht man sich zu Nutze, dass im Fokus die Schärfentiefe der Randbündel aufgrund eines stumpfen Einfallswinkels deutlich geringer ist, als die Schärfentiefe der achsennahen Strahlenbündel. Durch die Beblendung dieser achsennahen Strahlenbündel erreicht man so eine deutlich kürzere Schärfentiefe mit den Kosten einer geringeren Lichtstärke. Je geringer die Schärfentiefe, desto höher ist die erreichbare Trennschärfe in der Fokuspunkteschar, was sich durch einen deutlich schlankeren Peak im Spektrogramm bemerkbar macht. In vorteilhafter Weise kann somit durch die optische Einrichtung eine Beblendung achsennaher Messlicht-Teilstrahlen des Messlicht-Teilstrahlenbündels erfolgen. Die Mittenbeblendung der Messlicht-Teilstrahlenbündel könnte erreicht werden, indem die optische Einrichtung bzw. ein oder mehrere optische Elemente der optischen Einrichtung an den entscheidenden Stellen mit einer intransparenten Schicht, beispielsweise mit Chrom oder einem Lack, maskiert werden. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere von Vorteil, wenn in der optischen Einrichtung eine Mikrolinsenanordnung vorgesehen ist.
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Weiterhin ist es denkbar, die achsennahen Messlicht-Teilstrahlenbündel in die Randzonen der konfokal-chromatischen Optik bzw. außerhalb dieser abzulenken, so dass diese nach dem Prinzip einer Strahlfalle für die Abbildung unterdrückt werden. Somit wird ebenfalls eine Mittenbeblendung realisiert. Hierzu kann eine fokussierende Linse der optischen Einrichtung in der achsennahen Kernzone eine strahlumlenkende Oberfläche aufweisen bzw. von dieser unterbrochen sein. Hierfür kann eine von der der klassischen Optik abweichende komplexe Oberflächenstruktur erforderlich sein. Alternativ kann diese partielle Strahllenkung auch durch die besonderen Gestaltungsmöglichkeiten von Diffraktiven Optischen Elementen (DOE) oder auch von Meta Optischen Elementen (MOE) erreicht werden. Auch könnte eine ringförmige Linse oder lediglich Segmente einer ringförmigen Linse in der optischen Einrichtung zur Erzeugung einer Mittenbeblendung vorgesehen sein.
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In besonders vorteilhafter Weise kann die optische Einrichtung ein optisches Element mit mehreren Linsenfragmenten aufweisen, wobei in einem Mittenbereich liegende Mitten-Linsenfragmente und in einem Randbereich liegende Rand-Linsenfragmente angeordnet sind und wobei die Mitten-Linsenfragmente jeweils das auf sie treffende Messlicht derart ablenken, dass es mit dem von einem Rand-Linsenfragment abgelenkten Messlicht überlagert ist und ein gemeinsames Messlicht-Teilstrahlenbündel bildet. Dies hat den Vorteil, dass im Gegensatz zu einer Mittenbeblendung eine große Lichtmenge aus der jeweils beblendeten oder abgelenkten Mittenzone genutzt werden kann. Mit anderen Worten ist eine geschickte Verschachtelung beziehungsweise Durchdringung von Linsenfragmenten realisierbar, um das Licht der ungenutzten Linsenzonen für die Abbildung in benachbarte Bereiche zu nutzen. Die Grundrisse der ineinander verschachtelten Linsenfragmente können dabei regelmäßige, aber auch unregelmäßige Muster annehmen. In einer Ausgestaltungsvariante können durch Variationen der Anzahl oder Größe der zu einem Fokuspunkt zugehörigen Segmentflächen beispielsweise eine Intensitätswichtung der virtuellen Sekundärlichtquellen erfolgen. Grundsätzlich ist bei der Anordnung der Linsenfragmente von Vorteil, dass die Verteilung der Lichtbündel, die zusammen die Sekundärlichtquellen in der virtuellen Ebene bilden, räumlich ausgewogen ist und einer Symmetrie folgt. Dadurch wird einer unterschiedlichen Verkippungscharakteristik der einzelnen Messachsen entgegengewirkt und damit einer verkippungsabhängigen Intensitätswichtung und damit einer unterschiedlichen Wichtung bei der optischen Mittelwertbildung auf den einzelnen Messachsen bei einem zusammenhängenden Beleuchtungs- und Abbildungstrahlengang vorgebeugt.
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Die erläuterte Durchdringung von Mikrolinsenfragmenten ist auch bei einer optischen Einrichtung realisierbar, die ein divergentes Messlicht-Teilstrahlenbündel erzeugt. Trotz der offenbaren Vorteile dieser Ausgestaltungsvariante gibt es je nach Zielparametern auch Einschränkungen, wodurch eine der anderen Ausgestaltungen vorteilhafter sein kann.
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Insgesamt bietet die virtuelle Beblendung des achsennahen Mittenstrahlbündels gleich zwei Vorteile. Zum einen wird der von der Primärlichtquelle angebotene Raumwinkel durch die nebeneinander angeordneten kleinen Mikrolinsen nicht in kleinere Raumwinkel segmentiert, sondern durch eine Verschachtelung der Linsenfragmente von wesentlich größeren, sich theoretisch überschneidenden Linsen jeweils der nahezu vollständige angebotene Raumwinkel ausgenutzt. Hierdurch ist die Numerische Apertur der virtuellen Sekundärlichtquellen unwesentlich kleiner als die der Primärlichtquelle. Dies zeigt sich in einem bereits schmalen Messpeak im Spektrogramm. Zum anderen wird durch diese Verschachtelung der Fragmente der großen Linsen jeweils die Mittenzone eines jeden Strahlenbündels ausgespart. Dabei ist erkannt worden, dass die durchschnittliche Numerische Apertur eines mittenbeblendeten Strahlenbündels bedeutend höher ist, als die eines unbeblendeten Strahlenbündels. Hieraus folgen eine deutlich geringere Schärfentiefe und damit eine höhere chromatische Trennschärfe mit der Folge eines deutlich schmaleren Messpeaks. Somit ist das durchdrungende Mikrolinsenarray von großem Vorteil für die Abstandsauflösung.
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Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass die Merkmale zu der erfindungsgemäßen Einrichtung und der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch eine verfahrensmäßige Ausprägung haben können. Eine Kombination dieser Merkmale mit den den Verfahrensanspruch betreffenden Merkmalen ist nicht nur möglich, sondern von Vorteil. Ebenso können die Merkmale zu dem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine konstruktive Ausprägung aufweisen. Eine Kombination dieser Merkmale mit den den Einrichtungsanspruch und/oder den Vorrichtungsanspruch betreffenden Merkmalen ist nicht nur möglich, sondern von Vorteil.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
- 1 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 2 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 3 in einer schematischen Darstellung eine Einrichtung gemäß dem Stand der Technik,
- 4 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
- 5 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
- 6 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
- 7 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
- 8 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
- 9 Spektrogramme einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Wellenlänge gegenüber der Intensität aufgetragen ist,
- 10 Spektrogramme einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Wellenlänge gegenüber der Intensität aufgetragen ist,
- 11 Spektrogramme einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Wellenlänge gegenüber der Intensität aufgetragen ist,
- 12 Spektrogramme einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Wellenlänge gegenüber der Intensität aufgetragen ist,
- 13 ein Ausführungsbeispiel einer optischen Einrichtung,
- 14a, b jeweils ein Ausführungsbeispiel einer optischen Einrichtung,
- 15a, b, c jeweils Ausführungsbeispiel zur Anordnung von quadratischen Linsenfragmenten, und
- 16a, b jeweils ein Ausführungsbeispiel einer optischen Einrichtung
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese weist eine Lichtquelle 20 auf, die Messlicht emittiert, das von einem optischen Koppelelement 22, beispielsweise einem Strahlteiler oder einem Strahlteilerwürfel oder einem Lichtfaserkoppler, auf eine Beleuchtungsblende 10, beispielsweise ein optisches Blendenelement, geleitet wird. Die Beleuchtungsblende 10 dient hierbei auch als Empfangsblende 28. Dabei kann auch ein Lichtwellenleiter 23 vorgesehen sein, wobei dessen freies Ende die Beleuchtungs-/Empfangsblende 10, 28 realisieren kann, so dass es nicht notwendig ist, ein optisches Blendenelement vorzusehen.
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Des Weiteren ist eine optische Einrichtung 21 angeordnet, die das Messlicht in mehrere Messlicht-Teilstrahlenbündel 3, 4 aufteilt, die auf eine konfokal-chromatische Optik 1 fallen, so dass mehrere Messlicht-Teilstrahlenbündel 3, 4 an unterschiedlichen Messpunkten auf das Messobjekt 24 fallen. Die von dem Messobjekt 24 reflektierten Detektionslicht-Strahlenbündel werden durch die konfokal-chromatische Optik 1, die optische Einrichtung 21 und die Empfangsblende 28 sowie ggf. dem Lichtleiter 23 auf das optische Koppelelement 22 und von diesem auf das Spektrometer 25 geleitet. Das Spektrometer 25 weist dabei vorzugsweise lediglich eine einzige Messzeile auf. Die Signale des Spektrometers 25 werden durch eine Auswerteeinheit 26 ausgewertet. Des Weiteren ist ein Controller 27 zur Steuerung der einzelnen Komponenten vorgesehen.
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Durch die konfokal-chromatische Optik 1 wird somit anstatt der üblicherweise einen, chromatisch kontinuierlich durchstimmten Fokuspunkteschar 7 eine der Anzahl der Messlicht-Teilstrahlenbündel 3, 4 entsprechende Vielzahl separater Fokuspunktescharen erzeugt. Die chromatisch codierten Detektionslicht-Teilstrahlenbündel werden über den jeweiligen optischen Weg allesamt auf die Beleuchtungs-/Empfangsblende 10, 28 zurückgeworfen. Aufgrund der geringen lateralen Messpunktabstände der Messlicht-Teilstrahlenbündel 3, 4 wird von einem ähnlichen Rückstreuverhalten der einzelnen Messpunkte ausgegangen und die Überlagerung der einzelnen Reflexe führt zu einem summierten, spektral codierten Intensitätssignal, so dass eine synchrone optische Mittelung vorliegt.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese entspricht im Wesentlichen der Vorrichtung gemäß 1, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die voranstehende Beschreibung dieser verwiesen wird. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die optische Einrichtung 21 derart ausgebildet ist, dass die Messlicht-Teilstrahlenbündel einzeln auf eine vor der konfokal-chromatischen Optik 1 liegenden virtuellen Fläche 13 fokussiert werden.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Einrichtung zur konfokal-chromatischen Abstands- und Dickenmessung gemäß dem Stand der Technik. Diese weist eine Beleuchtungs-/Empfangsblende 10, 28 und eine konfokal-chromatische Optik 1 auf. Des Weiteren sind die Fokuspunkte 5, 6 mit unterschiedlicher Wellenlänge dargestellt. Die optische Achse der konfokal-chromatischen Optik 1 ist dabei kollinear mit der Messachse 7, auf der die Fokuspunkteschar liegt.
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4 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einer Beleuchtungs-/Empfangsblende 10, 28, einer optischen Einrichtung 21, die ein optisches Element 11 aufweist, und einer konfokal-chromatischen Optik 1. Dabei wird die Apertur des aus der Beleuchtungsblende 10 strahlenden Lichtbündels durch das optische Element 11, in mehrere (hier: zwei) Messlicht-Teilstrahlenbündel 3, 4 aufgeteilt und durch die konfokal-chromatische Optik 1 jeweils separat chromatisch aberriert. Die entstehenden Fokuspunktescharen auf den Messachsen 8, 9 liegen nah beieinander.
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5 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einer Beleuchtungs-/Empfangsblende 10, 28, einer optischen Einrichtung 21 und einer konfokal-chromatischen Optik 1. Die optische Einrichtung 21 weist neben dem optischen Element 11 gemäß 4 ein weiteres optisches Element 12 auf, das eine weitere strahlformende Eigenschaft hat. Hiermit kann - unabhängig von der konfokal-chromatischen Optik 1 - die Lichtmenge und die Messfleckgröße beeinflusst werden.
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6 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einer Beleuchtungs-/Empfangsblende 10, 28, einer optischen Einrichtung 21 und einer konfokal-chromatischen Optik 1. Das Messlicht 15 wird mittels der als Mikrolinsenanordnung 14 realisierten optischen Einrichtung 21 in mehrere Messlicht-Teilstrahlenbündel 3 aufgeteilt und diese jeweils fokussiert. Diese Fokuspunkte liegen in einer virtuellen Fläche 13, deren Form durch die Einzellinsen eben, aber auch gewölbt sein kann. Hierdurch kann die Form der Messfläche gegebenenfalls beeinflusst werden. Die Fokuspunkte wirken wie Sekundärlichtquellen, die jeweils die gleiche Optik nutzen. Hierdurch sind die chromatischen Verläufe der einzelnen Fokuspunktescharen 8, 9 äußerst ähnlich.
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7 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einer Beleuchtungs-/Empfangsblende 10, 28, einer optischen Einrichtung 21 und einer konfokal-chromatischen Optik 1. Die optische Einrichtung 21 weist eine Mikrolinsenanordnung 18 auf. Der von der Lichtquelle 10 emittierte Messlichtstrahl wird durch eine Mikrolinsenanordnung 18 der optischen Einrichtung 21 in mehrere Strahlbündel aufgeteilt, die jeweils auf ein Linsenfragment 16 treffen. Da die Linsenfragmente 16 jeweils nur die Oberflächenkrümmung von aus dem Randbereich einer vollständigen Linse gebildeten Fragmenten haben, ist eine Besetzung der Mittenbereiche durch benachbarte Linsen möglich. Hierdurch wird der zu unterdrückende Mittenbereich einer Linse 17 für den virtuellen Fokus eines benachbarten Lichtbündels genutzt. Hierdurch sind die auf die virtuelle Fläche 13 fokussierten Messlicht-Teilstrahlenbündel 3, 4 mittenbeblendet, was durch die abgeblendete Zone 19 erkennbar ist. Wesentlich ist hierbei, dass das Licht des Mittenbereichs nicht verworfen wird, sondern für die Abbildung in benachbarte Bereiche genutzt wird, so dass die genutzte Lichtmenge des Messlichtes gegenüber einer üblichen Mittenbeblendung höher ist. Es handelt sich somit um eine virtuelle Mittenbeblendung, bei der die Teilstrahlen mittenbeblendet sind, nicht aber die Summe der Teilstrahlen. Dadurch wird einerseits die Tiefenauflösung verbessert und zugleich auch das Übersprechen der einzelnen Kanäle zueinander deutlich reduziert.
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8 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einer Beleuchtungs-/Empfangsblende 10, 28, einer optischen Einrichtung 21, die ein optisches Element 11 aufweist, und einer konfokal-chromatischen Optik 1. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 wird Messlicht durch das optische Element 11 in diesem Beispiel in zwei Messlicht-Teilstrahlenbündel geteilt. Um die Mittenzone 19 verlustfrei zu beblenden, sind die beiden Flächen ober- und unterhalb der optischen Achse 2 im Mittenbereich 19 jeweils durch ein gegenläufiges Element unterbrochen. Der mittige Strahlteil wird durch diese gegenläufigen optischen Elemente in ein anderes Zielfeld gelenkt. Der Übersichtlichkeit halber sind nur die Strahlenbündel dargestellt, die einer gemeinsamen Messachse zugehören.
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9 zeigt Spektrogramme einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Wellenlänge (A) gegenüber der Intensität (I) aufgetragen ist. Bei der optischen Mittelung werden zwei optische Signale in einem Kanal zusammengeführt, wodurch das erste Signal a gemeinsam mit dem zweiten Signal b ein Summenspektrogramm c erzeugt. Wird der Schwerpunkt dieses Signals bestimmt, so entspricht dieser dem Mittel der Einzelsignalschwerpunkte, jedoch um die Gesamtintensität gewichtet.
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10 zeigt Spektrogramme einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im qualitativen Vergleich mit aufgetragener Signalintensität (I) über die Wellenlänge (λ).
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Das Spektrogramm a ist unter Nutzung einer optischen Einrichtung entstanden, die eine Pyramidenstruktur aufweist, wobei ein hoher Rauschpegel d und eine große Peakbreite e erkennbar ist.
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Spektrogramm a' ist unter Nutzung einer optischen Einrichtung entstanden, die eine Mikrolinsenanordnung aufweist, wobei ein verringerter Rauschpegel d und eine geringere Peakbreite e erkennbar ist.
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Spektrogramm a'' ist unter Nutzung einer optischen Einrichtung mit verschachtelten Linsensegmenten mit virtueller Mittenbeblendung entstanden.
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11 zeigt ein Spektrogramm für die Messung an einer Stufe. Ist die Stufe zu klein, führt die optische Mittelung über mehrere Messorte unweigerlich zu einem messtechnischen Verschleifen der Kante. Zur vereinfachten Veranschaulichung ist die Darstellung auf zwei Messachsen reduziert.
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12 zeigt ein Spektrogramm für die Messung an einer großen Stufe. Aufgrund eines hinreichenden Höhenunterschiedes der Einzelabstände ist eine Unterscheidung im Spektrogramm gegeben. Hier ergibt sich sogar die Möglichkeit, den Höhenunterschied einer Stufe oder die Dicke eines Objektes dauerhaft zu bestimmen.
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13 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optischen Elementes 11 einer optischen Einrichtung 21. Dieses ist als pyramidenförmiges optisches Element 11 realisiert.
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14a, b zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel eines optischen Elements 11 einer optischen Einrichtung 21. 14a zeigt im Konkreten die Fragmentierung einer Linse unter Aussparung des Mittenbereichs in einer Draufsicht. In 14b sind Fragmente aus dem Randbereich einer konvexen Linse in einer trimetrische Ansicht zu entnehmen.
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15a, b, c zeigen jeweils Ausführungsbeispiele zur Anordnung von quadratischen Linsenfragmenten. Dabei stellen jeweils vier Quadrate vier Linsenfragmente dar. Die farblich zugehörigen Kreisflächen, dies sich jeweils im Zentrum einer solchen Gruppe befinden, deuten den in der Tiefe liegenden Fokuspunkt an, der durch die Linsen erzeugt wird. Die Linsenfragmente können auch eine andere Geometrie aufweisen, beispielsweise rund oder hexagonal.
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15a betrifft ein Beispiel einer Anordnung von vier ineinander verschachtelten Linsenfragmentgruppen, mit der eine unendliche Verschachtelung möglich ist.
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15b zeigt eine lückenlose, verschachtelte Anordnungsmöglichkeit von 16 Messpunkten, die unendlich erweitert werden kann.
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15c betrifft eine dichte Verschachtelung von fünf Linsengruppen. Diese hocheffiziente Ausnutzung einer kreisrunden Apertur ist jedoch nicht verlustfrei erweiterbar.
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16a, b zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel einer optischen Einrichtung. 16a betrifft eine Mikrolinsenanordnung 16 mit vollständiger Aufteilung der Apertur. 16b betrifft eine Mikrolinsenanordnung 16 mit durchdrungener Anordnung von Linsenfragmenten.
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Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
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Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- konfokal-chromatische Optik
- 2
- optische Achse
- 3
- Messlicht-Teilstrahlenbündel
- 4
- Messlicht-Teilstrahlenbündel
- 5
- Fokuspunkt
- 6
- Fokuspunkt
- 7
- Achse der axialen Fokuspunkteschar
- 8
- Achse einer außermittigen Messpunkteschar
- 9
- Achse einer außermittigen Messpunkteschar
- 10
- Beleuchtungsblende
- 11
- optisches Element
- 12
- optisches Element
- 13
- virtuelle Fläche
- 14
- Mikrolinsenanordnung
- 15
- Primärlichtbündel
- 16
- Linsenfragment
- 17
- Linsenfragment für einen benachbarten Bereich
- 18
- Mikrolinsenanordnung
- 19
- abgeblendete Zone
- 20
- Lichtquelle
- 21
- optische Einrichtung
- 22
- optisches Koppelelement
- 23
- Lichtwellenleiter
- 24
- Messobjekt
- 25
- Spektrometer
- 26
- Auswerteeinheit
- 27
- Controller
- 28
- Empfangsblende
- a
- Spektrogramm
- b
- Spektrogramm
- c
- Summenspektrogramm
- d
- Rauschpegel
- e
- Peakbreite
