DE10356416A1

DE10356416A1 - Verfahren und Anordnung zur simultanen, multifokalen, optischen Abbildung

Info

Publication number: DE10356416A1
Application number: DE2003156416
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Körner; Wolfgang Prof. Dr. Osten
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2003-11-24
Filing date: 2003-11-24
Publication date: 2005-06-23

Abstract

Durch Lichtbeugung in mehreren Ordnungen mittels zu einem Objektiv deutlich dezentrierter, multifokaler Zonenlinse, die zumindest näherungsweise in der Brennebene des Objektivs angeordnet ist, werden bei einer optischen Abbildung Bilder von mehreren, lateral separat angeordneten Elementen oder Matrizen im Array-Raum in jeweils unterschiedlichen Tiefen im Objektraum erzeugt. Dabei befindet sich der Hauptpunkt der dezentrierten, multifokalen, diffraktiven Linse in der Regel außerhalb des genutzten Bereiches derselben. Bei der Abbildung von mehreren im Array-Raum lateral nebeneinander angeordneten Elementen oder Matrizen entsteht so im Objektraum ein Bilderstapel mit übereinander angeordneten Bildern dieser Elemente oder Matrizen, so dass eine dreidimensionale Erfassung von Objekten, auch durch konfokale Technik, möglich ist. Andererseits können mittels merklich dezentrierter, multifokaler, diffraktiver Linse in einem optischen Abbildungssystem Objektpunkte aus unterschiedlichen Tiefen, die im Objektraum auf einem gemeinsamen Abbildungsstrahl liegen, im Array-Raum lateral separiert werden, so dass eine tiefenscharfe Aufnahme eines volumenhaften Objektes mit lateral separierten Detektorelementen möglich ist.

Description

Das simultane und außerdem scharfe Abbilden von Objekten oder Objektdetails aus unterschiedlichen Tiefen des Objektraumes stellt eine – unabhängig von der betrachteten Vergrößerung der optischen Abbildung – bisher nicht immer zufriedenstellend gelöste Aufgabe sowohl für technische als auch biologische Objekte dar, s. a. E. Dowski und Th. Cathey: Extended depth of field through wave-front coding in Appl. Optics, 10. April 1995, S. 1859-1866. Die so gewonnenen Bilddaten sind in der Regel etwas verrauscht.

Diese Situation besteht für die Abbildung bei der Mikroskopie, der Makroskopie, der Digitalfotografie, der ein-, zwei- oder dreidimensionalen, konfokalen Mikroskopie, der ein-, zwei- oder dreidimensionalen, konfokalen Makroskopie, der 1D-, 2D- oder 3D-Tiefen-Detektion, der mikroskopischen Vibrometrie und auch bei der Doppelpuls- und Multipuls-Vibrometrie, bei der Lichtlaufzeitmessung sowie bei der optischen Schichtdickenmessung.

Außerdem stellt das Erzeugen von beugungsbegrenzten Lichtfiguren zur Objektmanipulation in unterschiedlichen Tiefen des Objektraumes eine ebenfalls bisher nicht immer optimal gelöste Aufgabe dar.

Das bekannte chromatisch-konfokale Prinzip nutzt beispielsweise zur 3D-Detektion von Objekten in unterschiedlichen Tiefen die Abhängigkeit der Brechkraft von Komponenten eines Abbildungssystems von der Wellenlänge. Ein Nachteil ist, dass für die hochdynamische Detektion sehr lichtstarke weiße oder mehrfarbige Lichtquellen verwendet werden müssen. Die genaue chromatische Auswertung erfordert außerdem i. d. R. ein Spektrometer.

Die im Lasermagazin 1/2003, S. 61, 2, dargestellte, konfokale Anordnung zur Keyhole-Tiefenmessung verwendet ein unter 45° schwingendes Pentaprisma. Von Nachteil ist hierbei, dass die Bewegung des Pentaprismas die Dynamik der konfokalen Tiefen-Messanordnung begrenzen kann.

Das Ziel ist zum einen eine robuste und dennoch genau messende, kostengünstige Anordnung zur zuverlässigen und hochdynamischen 1D-, 2D- oder 3D-Tiefen-Detektion, welche die beschriebenen Nachteile beim Stand der Technik vermeidet. Andererseits sollen simultan mehrere tiefenscharfe Bilder aus verschiedenen Tiefen des Objektraumes von Objekten aufgenommen werden können und/oder tiefenscharfe Bilder in verschiedenen Tiefen des Objektraumes durch optische Abbildung, beispielsweise von Pinholes oder Foki von Mikrolinsen, simultan erzeugt werden. Dabei soll die erreichbare laterale Auflösung zumindest näherungsweise der mit voller Pupille erreichbaren entsprechen.

Die Aufgabe besteht also zum einen darin, Objekte schnell und mit großer Genauigkeit in einem ausgedehnten Tiefenmessbereich zu erfassen oder simultan Bildinformationen aus verschiedenen Tiefen des Objektraumes zu gewinnen oder auch simultan Bildinformationen, bzw. Lichtmuster, in verschiedenen Tiefen des Objektraumes zu erzeugen.

Andererseits soll die Aufgabe gelöst werden, insbesondere an hochdynamisch bewegten Objekten das 2D- oder 3D-Profil oder die Tiefenposition zu bestimmen.

Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß weist eine optische Anordnung zur Abbildung bei der ein-, zwei- oder dreidimensionalen, konfokalen Mikroskopie, der ein-, zwei- oder dreidimensionalen, konfokalen Makroskopie, der 3D-Videometrie, der flächenhaften Streifentriangulation, der tiefenscharfen Mikroskopie, der tiefenscharfen Makroskopie, der Keyhole-Tiefen-Detektion, der tiefenscharfen Digitalfotografie, der mikroskopischen Vibrometrie, bei der Doppelpuls- und Multipuls-Vibrometrie, bei der Lichtlaufzeitmessung, der Schichtdickenmessung sowie bei der optischen Objektmanipulation ein Abbildungssystem auf. Diesem ist auf der einen Seite der Array-Raum zugeordnet, d. h. der Raum wo auch die Detektion erfolgt. Auf der anderen Seite ist das Abbildungssystem dem Objektraum zugewandt. Das Abbildungssystem ist mindestens mit einem Array-Objektiv, das bekannterweise auch eine Brennebene in der dem Array-Raum abgewandten Seite aufweist, und mit einer optischen Achse ausgebildet. Es kann dem Array-Objektiv mindestens noch ein weiteres Objektiv, hier als Objekt-Objektiv bezeichnet, zugeordnet sein, um zusammen mit dem Array-Objektiv ein afokales Abbildungssystem zu bilden. Diese Anordnung weist im Array-Raum mindestens eine Zeile oder mindestens eine Matrix mit mindestens zwei, sich in verschiedenen lateralen Positionen befindenden, lichtdetektierenden und/oder lichtemittierenden oder auch beleuchteten Elementen oder Submatrizen mit lichtdetektierenden und/oder lichtemittierenden oder auch beleuchteten Elementen auf.

Erfindungsgemäß ist zumindest näherungsweise in der Brennebene auf der dem Array-Raum abgewandten Seite des Array-Objektivs oder in einer zu dieser Brennebene konjugierten Ebene mindestens ein weiteres optisches Element angeordnet. Dieses optische Element ist als diffraktiv-optisches Element (DOE) ausgebildet, welches Strahlenbündel zu lichtdetektierenden und/oder von lichtemittierenden Elementen im Array-Raum, die sich im Array-Raum in verschiedenen lateralen Positionen befinden, durch Lichtbeugung in verschiedenen Ordnungen so vereinigt und/oder teilt, so dass jedes optisch konjugierte Bild der lateral separierten Elemente im Array-Raum eine eigene Tiefenposition im Objektraum aufweist. So sind optisch konjugierte Bilder von Elementen, die sich im Array-Raum in verschiedenen lateralen Positionen befinden, im Objektraum auf einem gemeinsamen Hauptstrahl angeordnet und die zugehörigen Lichtbündel dieser Bilder auf dem gemeinsamen Hauptstrahl sind koaxial. Es kann aber auch in der Brennebene auf der dem Array-Raum abgewandten Seite des Array-Objektivs eine Kombination mehrerer diffraktiv-optischer Elemente angeordnet sein, damit die Bilder der lateral separierten Elemente im Array-Raum jeweils eine eigene Tiefenposition aufweisen. Dabei kann jedem beleuchteten Element oder jeder beleuchteten Submatrix eine eigene monochromatische Lichtquelle zugeordnet sein. Dabei können sich die Elemente oder die Submatrizen auch in unterschiedlichen Tiefen des Array-Raumes befinden, also einen unterschiedlichen Abstand vom Array-Objektiv aufweisen.

Weiterhin befinden sich vorzugsweise in der bereits beschriebenen Anordnung die lichtdetektierenden und/oder lichtemittierenden oder auch beleuchteten Elemente im Array-Raum in einer gemeinsamen Ebene. Das diffraktiv-optische Element (DOE) ist in der Brennebene auf der dem Array-Raum abgewendeten Seites des Array-Raumes vorzugsweise als ein multifokales Abbildungssystem ausgebildet, besitzt also gleichzeitig verschiedene diskrete Brechkräfte, mindestens zwei, und ist in Bezug auf die optische Achse des Array-Objektivs deutlich dezentriert angeordnet. Die Brechkraft des dezentrierten, multifokalen Abbildungssystems kann dabei in der ersten Beugungsordnung im Betrag vorzugsweise ein Zehntel bis ein Tausendstel der Brechkraft des Objekt-Objektivs betragen, wobei Werte um ein Hundertstel der Brechkraft bei einem langbrennweitigen Fokussierobjektiv typisch sein können. Die Dezentrierung des dezentrierten, multifokalen Abbildungssystems beträgt dabei im Betrag vorzugsweise – je nach Ausbildung der Anordnung – ein Zehntel bis das Einhundertfache der Brennweite des Objekt-Objektivs. Typische Werte der Dezentrierung liegen vorzugsweise im Bereich vom Einfachen bis zum Zehnfachen der Brennweite des Objekt-Objektivs. So befindet sich der Hauptpunkt des dezentrierten, multifokalen Abbildungssystems vorzugsweise außerhalb des genutzten Bereiches desselben.

Dieses multifokale Abbildungssystem, welches als diffraktiv-optisches Element ausgebildet ist, beugt Licht in unterschiedlichen Ordnungen, so dass Strahlenbündel, die lichtdetektierenden und/oder lichtemittierenden oder auch beleuchteten Elemente im Array-Raum, die sich in verschiedenen lateralen Positionen befindenden, zugeordnet sind, durch Lichtbeugung vereinigt und/oder geteilt werden. Dabei werden die Strahlenbündel vorzugsweise unterschiedlich stark fokussiert. So weist im Objektraum jedes optisch konjugierte Bild dieser Elemente des Array-Raums eine eigene Tiefenposition auf und optisch konjugierte Bilder von Elementen, die sich im Array-Raum in verschiedenen lateralen Positionen befinden, sind im Objektraum zumindest näherungsweise auf einem gemeinsamen Hauptstrahl angeordnet. Allgemein gilt: Die Strahlenbündel von Elementen in verschiedenen lateralen Positionen werden vereinigt, wenn das hier vorzugsweise monochromatische Licht sich von den Elementen des Array-Raumes zum Objektraum hin ausbreitet. Dies ist z. B. der Fall bei der 1D-, 2D- oder 3D-Konfokalmikroskopie oder -Makroskopie. Bei dieser werden, wenn sich das Licht vom Objektraum anschließend wieder in den Array-Raum ausbreitet, die Strahlenbündel am dezentrierten, multifokalen Abbildungssystem geteilt, so dass mehrere, lateral angeordnete Elemente oder Matrizen im Array-Raum beleuchtet werden. Das dezentrierte, multifokale Abbildungssystem wird in diesem Fall also zweimal und in jeweils unterschiedlicher Richtung durchlaufen.

Bei der Digitalfotografie können die Strahlenbündel am dezentrierten, multifokalen diffraktiven Abbildungssystem geteilt werden, wenn sich das Licht von beleuchteten Objektpunkten im Objektraum zum Array-Raum hin ausbreitet. So kann das Licht von Objektpunkten verschiedener Tiefe, die sich im Objektraum auf einem gemeinsamen Abbildungsstrahl befinden, im Array-Raum auf mehrere, lateral separierte Elemente verteilt werden.

Weiterhin ist in der beschriebenen optischen Anordnung vorzugsweise mindestens eine einzige Blende im Array-Raum angeordnet. Diese bewirkt, dass nur Licht passieren kann, wenn ein Objektpunkt zur Blende zumindest näherungsweise optisch konjugiert ist. Diese konfokale Blende kann gemeinsam mit einem Mikrolinsen-Array angeordnet sein. Andererseits kann auch ein Pinhole-Array oder ein Array von Spaltblenden angeordnet sein oder dem Mikrolinsen-Array ein Pinhole-Array nachgeordnet sein. Dabei kann der Pixel-Pitch der Arrays unterschiedlich gemacht sein. So kann eine Vielzahl von effektiven Blenden beste hen, bei der von jeder einzelnen im Objektraum mittels dezentriertem, multifokalen Abbildungssystem mehrere optisch konjugierte Punkte gebildet sind. Dabei kann die Blende oder das Pinhole-Array im Messvorgang vorzugsweise bewegt werden, so dass wenigstens einmal im Tiefen-Scan eine Detektion für jeden in der Fokiposition erfassten Objektpunkt erfolgt. Es können vorzugsweise auch einzelne detektierende Elemente, die vorzugsweise als Mikroelemente ausgebildet sind, die Funktion der Lichtdiskriminierung übernehmen.

Weiterhin kann bei der erfindungsgemäßen optischen Anordnung im Array-Raum vorzugsweise eine Matrix mit lateral angeordneten Submatrizen von leuchtenden und/oder detektierenden Elementen angeordnet sein, wobei im Objektraum den zwei, drei, bzw. endlich verschiedenen, diskreten Tiefenpositionen mindestens je ein Element jeder Submatrix optisch zugeordnet ist.

Weiterhin kann bei der bereits beschriebenen erfindungsgemäßen optischen Anordnung das diffraktiv-optische Element (DOE), welches als ein dezentriertes, multifokales Abbildungssystem eingesetzt wird, vorzugsweise als Phasengitter ausgebildet sein. Phasengitter, bzw. Phasenhologramme, weisen bei entsprechendem Design eine deutlich höhere Beugungseffizienz in den gewünschten Ordnungen im Vergleich zu Amplitudenhologrammen auf. Es können zur optimalen Anpassung der Lichtintensität in den einzelnen Beugungsordnungen auch mehrstufig ausgeführte Phasenhologramme eingesetzt werden.

Weiterhin kann bei der bereits beschriebenen erfindungsgemäßen optischen Anordnung das dezentrierte, multifokale Abbildungssystem durch vorzugsweise zwei diffraktiv-optische Elemente (DOE), die durch zwei zueinander gekreuzte Phasengitter dargestellt sind, ausgebildet sein, die sich zumindest näherungsweise in der Brennebene oder in optisch zueinander konjugierten Ebenen des Array-Objektivs befinden. So können im Array-Raum mehrere in einer Fläche angeordnete Elemente im Objektraum auf einem gemeinsamen Abbildungsstrahl in verschiedenen diskreten Tiefenpositionen angeordnet werden.

Weiterhin kann die bisher beschriebene optische Anordnung mit einem Phasengitter gestaltet sein, das vorzugsweise als bifokale Zonenlinse ausgebildet ist, also in der Funktion eine Linse mit zwei Brennweiten darstellt und in der optischen Anordnung dezentriert ist. So können genau zwei diskrete Tiefenstufen bei der Abbildung von Elementen des Arrayraums im Objektraum gebildet werden.

Weiterhin kann in der bisher beschriebenen optische Anordnung das diffraktiv-optische Element (DOE) vorzugsweise als trifokale Zonenlinse, einschließlich mit Beugung in der nullten Ordnung, ausgebildet sein. So können drei diskrete Tiefenstufen bei der Abbildung von Elementen des Arrayraums im Objektraum gebildet werden.

Weiterhin kann die bisher beschriebene optisch-konfokale Anordnung vorzugsweise mit einem Phasengitter vorzugsweise auch so gestaltet sein, dass das Phasengitter als ein quadrofokales oder ein pentafokales oder ein n-fokales Phasengitter, wobei n auch größer fünf sein kann, in der Art einer Zonenlinse wirkt.

Dabei ist der besonders in den höheren Beugungsordnungen auftretende Astigmatismus zu beachten. Dieser Astigmatismus kann gegebenenfalls durch das Detektorobjektiv zumindest etwas reduziert werden, beispielsweise, wenn das Array-Objektiv vorzugsweise als diffraktiv wirkende, zentrierte Zonenlinse oder auch mit diffraktiver Komponente so gestaltet ist, dass der Astigmatismus für die Gesamtabbildung reduziert wird.

Weiterhin kann bei der bereits beschriebenen erfindungsgemäßen optischen Anordnung das dezentrierte, multifokale Abbildungssystem vorzugsweise durch zwei diffraktiv-optische Elemente (DOE), die vorzugsweise jeweils als eine trifokale Zonenlinse ausgebildet sind, gebildet sein. Die Brechkraft der beiden Zonenlinsen in der ersten Beugungsordnung weist dabei einen Quotienten mit dem Betrag drei, beziehungsweise mit dem Betrag von einem Drittel auf. So ergibt sich mit diesen beiden trifokalen Zonenlinsen ein multifokales Abbildungssystem mit insgesamt neun diskreten Brechkräften. Es ist auch vorzugsweise die Kombination einer pentafokalen Zonenlinse mit einer trifokalen Zonenlinse möglich. Letztere weist dann vorzugsweise ein Drittel der Brechkraft der pentafokalen jeweils in der ersten Ordnung auf. Es ist auch die Kombination von zwei pentafokalen Zonenlinsen machbar. Dann weist die Brechkraft der beiden Zonenlinsen in der ersten Beugungsordnung vorzugsweise einen Quotienten mit dem Betrag fünf, beziehungsweise ein Fünftel auf. Die Zonenlinsen sind dabei vorzugsweise mit ihren Strukturen einander zugekehrt, wobei der Abstand derselben vorzugsweise sehr gering gemacht ist.

Weiterhin können die lateral angeordneten Submatrizen vorzugsweise als Mikrolinsen-Arrays oder die lateral angeordneten leuchtenden Elemente vorzugsweise als einzelne Mikrolinsen ausgebildet sein. Dies führt zur Ausbildung von Punktlichtquellen im Array-Raum bei der Beleuchtung mit näherungsweise planen Wellenfronten.

Ein optisches Verfahren zur Abbildung bei der ein-, zwei- oder dreidimensionalen, konfokalen Mikroskopie, der ein-, zwei- oder dreidimensionalen, konfokalen Makroskopie, der 3D-Videometrie, der Keyhole-Tiefen-Detektion, der mikroskopischen Vibrometrie, auch bei der Doppelpuls- und Multipuls-Vibrometrie, der Lichtlaufzeitmessung, bei der optischen Schichtdickenmessung sowie zur optischen Objektmanipulation soll auf der bereits beschriebenen Anordnung basieren. Es besteht im Array-Raum ein – der Matrix mit lateral angeordneten Submatrizen von beleuchteten, leuchtenden und/oder detektierenden Elementen oder von einzelnen leuchtenden und/oder detektierenden Elementen – nachgeordnetes Abbildungssystem, welches mindestens aus einem Array-Objektiv besteht. Dabei ist erfindungsgemäß in dessen Brennebene mindestens ein einziges diffraktiv-optisches Element (DOE) angeordnet. Dieses DOE beugt die Strahlenbündel, die von lateral angeordneten Submatrizen von leuchtenden Elementen oder von einzelnen leuchtenden und/oder detektierenden Elementen über Komponenten des Abbildungssystems auf dieses diffraktiv-optische Element (DOE) geneigt gelangen, in jeweils einer Ordnung zur optischen Achse hin. Dies erfolgt so, dass die Winkel der Hauptstrahlen der Lichtbündel zur optischen Achse des Abbildungssystems von Mittelpunkten der Submatrizen oder von einzelnen leuchtenden Elementen nach dem diffraktiv-optischen Element (DOE) durch die Lichtbeugung im Betrag verkleinert werden und so im Idealfall diese Hauptstrahlen zumindest näherungsweise koaxial zur optischen Achse des Abbildungssystems verlaufen können und Strahlenbündel mit eindeutig nicht koaxialen Hauptstrahlen, d. h. ungebeugte oder in einer für die Koaxialität ungeeigneten Ordnung gebeugte, Strahlenbündel ausgeblendet werden. So bilden im weiteren Strahlengang Bilder von einzelnen, im Array-Raum lateral angeordneten Submatrizen im Objektraum einen vertikal angeordneten Stapel von Bildern dieser Matrizen.

Mit einer Abbildungsstufe dieser Funktionalität können Bilder einzelner Punkte oder Bilder von Objektpunkten jeweils längs eines bestimmten Abbildungsstrahls oder Bilder von Objektbereichen aus unterschiedlichen Tiefen, wobei hier das Licht aus dem Objektraum auf das diffraktiv-optische Element trifft, nach Passieren des diffraktiv-optischen Elements (DOE) im Abbildungssystem im Array-Raum lateral separiert werden. So ist eine tiefenscharfe Aufnahme eines Objektes im Single-shot-Modus einer Bildaufnahme möglich. Dabei können sich diese Bilder vorzugsweise in einer gemeinsamen Ebene befinden, so dass ein einziger lateral aufgeteilter Kamera-Chip zur Detektion von allen Objektpunkten verschiedener Tiefe genutzt werden kann. Dieser Kamera-Chip kann eine vergleichsweise große Pixelzahl aufweisen und kann real oder virtuell in einzelne Submatrizen aufgeteilt sein.

Dabei können die mittleren Tiefenpositionen von Submatrizen oder von einzelnen Elementen im Array-Raum vorzugsweise unterschiedlich gemacht sein und somit die Bilder der lateral angeordneten Submatrizen von leuchtenden Elementen oder die Bilder der einzelnen leuchtenden Elemente nach dem Passieren von weiteren Komponenten nach dem Array-Objektiv in jeweils unterschiedlichen Tiefen im Objektraum entstehen und so einen Bilderstapel bilden. Die diffraktive Struktur kann dann ein Liniengitter darstellen.

Weiterhin kann bei dem optischen Verfahren das diffraktiv-optische Element (DOE) vorzugsweise als Zonenlinse ausgebildet sein. Es stellt außerdem ein – in Bezug auf die optische Achse des Array-Objektivs – dezentriertes, vorzugsweise multifokales Abbildungssystem mit verschiedenen diskreten Brechkräften dar, welches eine Lichtbeugung in unterschiedlichen Beugungsordnungen bewirkt, und so mehrere, mindestens zwei diskrete Lichtbündel gebildet werden, die auf dem Weg zum Objektraum unterschiedlich fokussiert werden, so dass gleichzeitig konvergierende und divergierende Lichtbündel gebildet werden, die zumindest näherungsweise zur optischen Achse des Array-Objektivs koaxial sind. Dadurch können Strahlenbündel von Elementen der lateral angeordneten Submatrizen oder die Strahlenbündel der einzelnen leuchtenden und/oder detektierenden Elemente unterschiedlich fokussiert werden, so dass im Objektraum, also im Arbeitsvolumen der Anordnung, ein vertikal angeordneter Bilderstapel gebildet werden kann und so die einzelnen Bilder des Bilderstapels in jeweils unterschiedlichen Tiefen entstehen.

Weiterhin kann bei dem optischen Verfahren zur Abbildung bei der ein-, zwei- oder dreidimensionalen, konfokalen Mikroskopie oder der ein-, zwei- oder dreidimensionalen, konfokalen Makroskopie, das Licht – gemäß dem konfokalen Prinzip – vom jeweiligen Objekt auf dem gleichen Weg in die Anordnung zurück gelangt und dabei das Licht in der Anordnung mittels Strahlenteilung ausgekoppelt wird und auf einen Punkt-, einen Zeilen- oder Matrixempfänger gelangt. Die Lichtmuster auf dem Matrixempfänger werden vorzugsweise so ausgewertet, dass Signalwerte von Pixeln aus verschiedenen Submatrizen, wobei die Bilder dieser Pixel dabei im Objektraum einem gemeinsamen Hauptstrahl zugeordnet sind, nun jeweils einem einzigen Signalverlauf zugeordnet werden. Die Signalauswertung kann vorzugsweise mit den Methoden der konfokalen Technik erfolgen.

Andererseits kann die Lichtverteilung der Strahlenbündel im Array-Raum aber vorzugsweise auch mittels Lateral-shear-Interferenz unter Verwendung shearerzeugender Mittel im Strahlengang jeweils in einer einzigen Ebene ausgewertet werden.

Des Weiteren können bei dem beschriebenen optischen Verfahren zur Abbildung bei der optischen Objektmanipulation Bilder von lateral angeordneten Submatrizen von steuerbaren leuchtenden Elementen im Bildstapel eine beliebige offene oder geschlossene Lichtfigur im Objektraum erzeugen. So kann im Objektraum durch den so erzeugten Bilderstapel beispielsweise mit jeweils geschlossenen oder partiell geöffneten Lichtfiguren ein von Licht umschlossener Probenraum gebildet werden. Dieser kann beispielsweise durch die Steuerung der Elemente der Submatrizen in seinem Volumen und in seiner Position verändert werden.

Weiterhin kann das Licht vorzugsweise über Lichtwellenleiter der Anordnung zugeführt werden und das Licht auf dem Weg vom Objekt zum Array-Objektiv im Array-Raum über mehrere Lichtwellenleiter zur Detektion gebracht werden. Dabei kann jedem Lichtwellenleiter genau ein Teilstrahlenbündel einer Beugungsordnung zugeordnet sein. Die Lichtwellenleiter können dabei auch als konfokale Blenden wirken. Dadurch ergibt sich eine sehr kompakte Anordnung.

Grundsätzlich ermöglichen die dargestellten Merkmale bei einer optischen Abbildung die Bildung von optisch zueinander konjugierten Punkten, die einerseits im Array-Raum lateral und andererseits im Objektraum in der Tiefe separiert sind. Dabei kann die Applikation der Erfindung sehr vielfältig sein.

Die Erfindung wird nachstehend als ein Verfahren und eine Anordnung vorzugsweise zur hochdynamischen, eindimensionalen Tiefen-Detektion, beispielsweise zur optischen Abtastung von Präzisionsformen, in Grundzügen dargestellt. Für diese Anordnung wird vorzugsweise als Lichtquelle ein Laser im blauen Spektralbereich, z. B. um 430 nm Wellenlänge verwendet, da hier ein Aperturwinkel von etwa 1,5° schon einen Tiefenschärfebereich oberhalb 0,6 mm ermöglicht, wobei der Fokusfleck nur etwa 20 μm beträgt.

Es können vorzugsweise aber auch mehrere Laser als Lichtquellen verwendet werden. Diese können sich in der Wellenlänge nur soweit unterscheiden, dass diese durch Schmalbandfilter noch getrennt werden können, so dass das Licht eines zweiten Lasers nicht in den Detektionskanal, der beispielsweise einem ersten Laser zugeordnet ist, Eingang findet. Es kann eine Trennung des Lichtes verschiedener Wellenlänge auch durch ein Spektrometer erfolgen.

Das Licht des Lasers wird eingekoppelt und gelangt auf eine Festkörper-Objektoberfläche, bzw. auf ein Medium mit Reflexionseigenschaften und bildet dort mittels Objektobjektiv – jedoch stets in dessen Tiefenschärfebereich – zumindest näherungsweise einen Fokuspunkt.

Es können zur Vergrößerung des Tiefenmessbereiches vorzugsweise mehrere Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen gleichzeitig verwendet werden, z. B. drei, deren Wellenfronten so geformt sind, dass diese Laser Foki in unterschiedlichen Tiefen des Objektraumes ausbilden.

Das Licht wird von der Festkörper-Objektoberfläche, bzw. dem Medium mit Reflexionseigenschaften anschließend reflektiert und erfährt zumindest näherungsweise eine Kollimierung des Strahlenbündels mittels Objektobjektiv. Eine Teilung der Amplitude des Lichtes erfolgt erfindungsgemäß mittels eines dem Objektobjektiv nachgeordneten diffraktiven, multifokalen und zum Objektobjektiv stark dezentrierten Abbildungssystems in der zumindest näherungsweise gemeinsamen Fokal- und Pupillenebene von Objektobjektiv und dem Array-Objektiv. Das Abbildungssystem kann dabei vorzugsweise als Zonenlinse in der Art eines Phasen-Hologramms ausgebildet sein. Die durch Diffraktion nullter bis +/–n-ter Ordnung nach dem multifokalen, dezentrierten Abbildungssystem entstehenden Teilstrahlenbündel können durch das folgende Array-Objektiv auf eine durchgehende Spaltblende oder eine Pinhole-Zeile mit nachfolgendem positionssensitiven Detektor, oder einer CMOS-Zeilensensor oder auf eine nur in Teilbereichen ausgelesene CMOS-Kamera gelenkt werden, wobei die entstandenen Teilstrahlenbündel Foki in unterschiedlicher Tiefe und unterschiedlicher lateraler Position vorzugsweise entlang einer Linie ausbilden, welche die optische Achse des Array-Objektivs vorzugsweise schneidet. Es kann auch eine längliche Blendenanordnung mit mehreren parallel zueinander stehenden Spaltblenden mit Vorteil eingesetzt werden. Der Messeffekt basiert hier also auf der simultanen Detektion von mehreren Foki mit jeweils unterschiedlicher Fokussierung in einer Ebene mittels einer oder mehrerer Blenden und nachgeordnetem Detektor, wobei diese Blende oder Blenden vorzugsweise senkrecht zur Achse des Array-Objektivs angeordnet sind. Die unterschiedliche Fokussierung der Teilstrahlenbündel wird durch die verschiedenen positiven und negativen diskreten Brechkräfte des multifokalen, dezentrierten diffraktiven Abbildungssystems verursacht. Die Blendenanordnung kann vorzugsweise im Messvorgang in axialer Richtung etwas bewegt werden, damit auf jede Einzelblende zumindest einmal im Tiefen-Scan ein scharfer Fokuspunkt trifft. Es ist auch möglich, dass im Strahlengang keine Blende angeordnet ist. In diesem Fall kann vorzugsweise mittels einzelner vorbestimmter Pixel oder Pixelgruppen einer Detektorzeile oder Matrix detektiert werden.

Aus der lateralen Position des oder der näherungsweise scharfen Foki wird die Tiefenposition des zu detektierenden Mediums oder der Objektoberfläche beispielsweise mit den Methoden der Parabelapproximation errechnet. Aus der geometrisch-optischen Anordnung und der Ausbildung des diffraktiven, multifokalen und zum Array-Objektiv dezentrierten Abbildungssystems ergibt sich die Zuordnung zwischen Tiefenposition und lateraler Position des scharfen Fokus.

Bei der Anordnung zur hochdynamischen Tiefen-Detektion kann das dezentrierte, multifokale Abbildungssystem eine, vorzugsweise auch zwei oder mehrere diffraktive Zonenlinsen aufweisen. Bei zwei diffraktiven Zonenlinsen können deren Mikrostrukturen direkt zueinander gekehrt sein. Die diffraktiven Zonenlinsen können gleich oder auch unterschiedlich aufgebaut sein. So kann im einfachsten Fall ein trifokales, aber auch ein pentafokales, ein siebenfachbrennweitiges oder auch ein neunfachbrennweitiges Abbildungssystem, letzteres vorzugsweise mit zwei diffraktiven Zonenlinsen gebildet sein.

Es kann aber auch ein dezentriertes Abbildungssystem mit mehreren diffraktiven Zonenlinsen mit mehr als neun diskreten Brechkräften in der beschriebenen Weise eingesetzt werden.

Außerdem kann vorzugsweise ein elektronisch-steuerbares LCD- oder LCOS-Display einem dezentrierten Abbildungssystems mit mehreren diskreten Brechkräften direkt oder diesem indirekt in einer konjugierten Ebene – beispielsweise in der inneren Brennebene einer 4f-Abbildungsstufe – zugeordnet sein. Dieses elektronisch-steuerbare LCD- oder LCOS-Display stellt in Bezug auf das Array-Objektiv eine zentrierte Linse oder einen zentrierten Spiegel mit vorzugsweise einer einzigen Brechkraft dar, wobei die Brechkraft des elektronisch-steuerbaren LCD- oder LCOS-Displays definiert verändern kann, um bei der Abbildung zumindest in einem Teilbereich des Tiefenbereiches durchfokussieren zu können. So ist es möglich, dass bei der elektronisch-gesteuerten Fokussierung zumindest ein Fokuspunkt der lateral im Array-Raum separierten Fokuspunkte mindestens einmal im Tiefen-Scan scharf abgebildet auf ein Pinhole trifft.

Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der 1 bis 4 beschrieben. Das in 1 von einer Laserdiode 1, die zumindest näherungsweise als Punktlichtquelle ausgebildet ist, ausgehende Lichtbündel gelangt auf ein Objektiv 2, wobei die Punktlichtquelle im Fokus des Objektivs 2 steht, so dass zumindest näherungsweise eine Planwelle entsteht. Diese Planwelle tritt in den Teilerwürfel 3 ein, wird um 90° abgelenkt und gelangt auf ein sphärisches Objektobjektiv 4. Dieses wird zur Fokussierung des Strahlenbündels der Laserdiode 1 benutzt. Es bildet sich im Detail 5 auf der Werkstückoberfläche 6 ein Fokuspunkt des Bündels vom Messlaser in einem bestimmten Tiefenbereich aus. Das vom Detail 5 rückgestreute Licht der Laserdiode 1 passiert wieder das Objektobjektiv 4, den Teilerwürfel 3 und gelangt auf eine dezentrierte Zonenlinse 7, wobei die Zonenlinse 7 durch eine geeignete Mikrostrukturierung pentafokal und als Phasenhologramm ausgebildet ist. Die Anzahl der Brennweiten von fünf ergibt sich, wenn die Brechkraft null derselben mitgerechnet wird. Die Zonenlinse 7 mit dem Hauptpunkt HH'7 ist um den Betrag Δe zur optischen Achse des Objektobjektivs 4 dezentriert. In der 1 wurde die Zonenlinse 7 zur Veranschaulichung größer als für die optische Abbildung erforderlich, dargestellt. Es entstehen an der Zonenlinse 7 durch Diffraktion so Teilbündel in der +2., +1., –1., –2. und in der nullten Ordnung. Insgesamt entstehen so nach der diffraktiven Zonenlinse 7 fünf Teilbündel mit fünf unterschiedlichen Krümmungsradien. Die Brennpunkte F-7.1', F-7.2' und F+7.2' und der Hauptpunkt HH7' der Zonenlinse 7 sind symbolisch dargestellt. Typischerweise werden die Brennweiten deutlich größer als dargestellt gewählt, um den Astigmatismus der gebeugten Bündel besonders in höheren Ordnungen limitieren zu können.
Die Teilbündel konvergieren nach dem Passieren des Array-Objektivs 8. In der Brennebene desselben ist eine Spaltblende 9 angeordnet, um hier nichtfokussiertes Licht und Streulicht weitgehend zu sperren. Die Spaltbreite ist jedoch so gewählt, dass dort ein gut fokussiertes Lichtbündel diese Spaltblende 9 passieren kann. Die Detektion des Lichtes erfolgt mittels einem der Spaltblende 9 direkt nachgeordneten, eindimensional auswertenden, positionssensitiven Detektor (PSD) 10. Es bilden sich so gemäß 2 Lichtverteilungen an fünf Orten auf dem linienhaften PSD 10 aus. Es wird der Schwerpunkt der Gesamtlichtverteilung über der Länge des PSDs 10 bestimmt. Die Schwerpunktlage entspricht zumindest näherungsweise der Tiefenposition des Details 5 auf dem Messobjekt 6.
Die 2 zeigt den Signalverlauf über dem PSD 10 für die beiden Fälle mit unterschiedlicher Tiefenposition eines Details 5.
Die 3 zeigt eine Anordnung mit fünf Detektionskanälen. Die von einer Laserzeile mit den einzelnen monochromatischen Laserlichtquellen 1.1 bis 1.5 ausgehenden Bündel werden durch die Kollimatoren 2.1 bis 2.5 kollimiert und passieren den Platten-Strahlteiler 23. Anschließend gelangen die fünf Bündel auf eine Linsenzeile 11 mit fünf Mikrolinsen. Die Foki stellen leuchtende Elemente in der Brennebene eines Array-Objektivs 8 dar, die vom Objektiv 8 nach Unendlich abgebildet werden. In der Brennebene nach dem Array-Objektiv 8 befindet sich eine um den Betrag Δe dezentrierte Zonenlinse 7 mit fünf Beugungsordnungen also fünf mit diskreten Brechkräften. Diese Zonenlinse 7 ist als Phasenhologramm für fünf Beugungsordnungen, einschließlich der nullten, optimiert. Die fünf unterschiedlich geneigten Strahlenbündel, die auf die Zonenlinse 7 gelangen, werden jeweils in einer bestimmten Beugungsordnung so gebeugt, dass zumindest näherungsweise jeweils eines der Teilstrahlenbündel nach der Zonenlinse 7 koaxial verläuft. Der Brennpunkt F-7.2' der zweiten negativen Beugungsordnung, der Brennpunkt F+7.2' der zweiten positiven Beugungsordnung und der Hauptpunkt HH7' der Zonenlinse 7 sind hier symbolisch dargestellt.
Die Fokussierung der Teilstrahlenbündel ist unterschiedlich entsprechend der Beugungsordnung. Es treten neben konvergierenden Teilstrahlenbündeln auch divergierende Teilstrahlenbündel auf. Das Teilstrahlenbündel in der nullten Ordnung bleibt kollimiert. Nach dem Objektiv 13 entstehen durch Abbildung der koaxialen Teilstrahlenbündel fünf Fokuspunkte zumindest näherungsweise auf der optischen Achse der optischen Anordnung. Eine Blende 25 dient als Raumfilter und sperrt die Foki der nichtkoaxialen Teilstrahlenbündel, die an der Zonenlinse 7 ebenfalls entstehen. Eine 4f-Abbildungsstufe, bestehend aus den Objektiven 33 und 34, bildet die Kette der fünf Fokuspunkte in den Objektraum ab, wo sich das Messobjekt 6 befindet. Das vom Messobjekt 6 rückgestreute Licht passiert die Komponenten 34, 33, 25 und 13. Hier stellt das Objektiv 34 das Objekt-Objektiv dar. An der dezentrierten Zonenlinse 7 entstehen von jedem der einfallenden Teilstrahlenbündel wieder jeweils fünf Teilstrahlenbündel. Diese sind unterschiedlich fokussiert. Deshalb bilden nur ein oder zwei Teilstrahlenbündel der insgesamt 25 Teilbündel einen zumindest näherungsweise scharfen Fokuspunkt. Im dargestellten Fall ist der Fokus in der mittleren Tiefenposition scharf abgebildet. Das Licht trifft anschließend auf die zugehörige Mikrolinse der Linsenzeile 11 und wird am Platten-Strahlteiler 23 ausgekoppelt.
Dieses Teilbündel passiert eine weitere Abbildungsstufe, bestehend aus den Objektiven 14 und 16. Die Blende 15 dient zur konfokalen Diskriminierung und sperrt außerdem unerwünschtes Licht, das von unerwünschten Reflexen der Anordnung stammt.
4 zeigt wie eine CMOS-Kamera 110 das Licht in einer vorab eingestellten Region of Interest (ROI) detektiert. Aus der Gesamtlichtverteilung wird die Position des Objektpunktes O durch einen Fit durch die Lichtverteilung auf dem Kamera-Chip berechnet. Je nach der Tiefenposition des Messobjektes 6 ändert sich die Schwerpunktverteilung in der Region of Interest (ROI). Die Berechnung des Abstandes der Messoberfläche erfolgt direkt auf dem CMOS-Chip, der über eine Intelligence on Chip-Funktionalität verfügt.

Claims

Optische Anordnung zur Abbildung bei der ein-, zwei- oder dreidimensionalen, konfokalen Mikroskopie, der ein-, zwei- oder dreidimensionalen, konfokalen Makroskopie, der 3D-Videometrie, der flächenhaften Streifentriangulation, der Keyhole-Tiefen-Detektion, der tiefenscharfen Mikroskopie, der tiefenscharfen Makroskopie, der tiefenscharfen Digitalfotografie, der mikroskopischen Vibrometrie, auch bei der Doppelpuls- und Multipuls-Vibrometrie, der Lichtlaufzeitmessung, der Schichtdickenmessung sowie der optischen Objektmanipulation mit einem Abbildungssystem zwischen Array-Raum und Objektraum, wobei das Abbildungssystem mindestens ein einziges Array-Objektiv (8) mit einer Brennebene in der dem Array-Raum abgewandten Seite und eine optische Achse aufweist, und die Anordnung im Array-Raum eine Zeile oder eine Matrix mit mindestens zwei, sich in verschiedenen lateralen Positionen befindenden, lichtdetektierenden und/oder lichtemittierenden Elementen oder Submatrizen mit lichtdetektierenden und/oder lichtemittierenden oder auch beleuchteten Elementen aufweist, gekennzeichnet dadurch, dass in der Brennebene auf der dem Array-Raum abgewandten Seite des Array-Objektivs (8) oder in einer zu dieser Brennebene konjugierten Ebene mindestens ein weiteres optisches Element angeordnet ist, welches als diffraktiv-optisches Element (DOE) (7) ausgebildet ist und welches Strahlenbündel von den lichtdetektierenden und/oder lichtemittierenden Elementen im Array-Raum, die sich im Array-Raum in verschiedenen lateralen Positionen befinden, durch Lichtbeugung in verschiedenen Ordnungen vereinigt und/oder teilt.
Optische Anordnung zur Abbildung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass sich die lichtdetektierenden und/oder lichtemittierenden oder auch beleuchteten Elemente im Array-Raum in einer gemeinsamen Ebene befinden und das diffraktiv-optische Element (DOE) (7) als ein multifokales Abbildungssystem mit verschiedenen, mindestens jedoch zwei, diskreten Brechkräften ausgebildet ist und in Bezug auf die optische Achse des Array-Objektivs (8) deutlich dezentriert angeordnet ist.
Optische Anordnung zur Abbildung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens eine einzige Blende (9, 25) im Array-Raum angeordnet ist.
Optische Anordnung zur Abbildung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass im Array-Raum eine Matrix mit lateral angeordneten Submatrizen von leuchtenden und/oder detektierenden Elementen angeordnet ist, wobei im Objektraum den zwei, drei, bzw. endlich verschiedenen, diskreten Tiefenpositionen mindestens je ein Element jeder Submatrix optisch zugeordnet ist.
Optische Anordnung zur Abbildung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass das diffraktiv-optische Element (DOE) (7), das ein dezentriertes, multifokales Abbildungssystem darstellt, als ein Phasengitter ausgebildet ist.
Optische Anordnung zur Abbildung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens zwei diffraktiv-optische Elemente (DOE) (7) durch zwei zueinander gekreuzte Phasengitter dargestellt sind, die sich in zumindest näherungsweise in einer gemeinsamen Brennebene oder in zwei optisch zueinander konjugierten Ebenen des Array-Objektivs (8) befinden.
Optische Anordnung zur Abbildung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass das Phasengitter als bifokale Zonenlinse ausgebildet ist.
Optische Anordnung zur Abbildung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass das Phasengitter als trifokale Zonenlinse, einschließlich mit Beugung in der nullten Ordnung, ausgebildet ist.
Optische Anordnung zur Abbildung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass das Phasengitter als ein quadrofokales oder ein pentafokales oder ein n-fokales Phasengitter, wobei n auch größer fünf sein kann, in der Art einer Zonenlinse wirkt.
Optische Anordnung zur Abbildung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass das dezentrierte, multifokale Abbildungssystem durch zwei diffraktiv-optische Elemente (DOE), die vorzugsweise jeweils als eine trifokale Zonenlinsen ausgebildet sind, gebildet ist und die Brechkraft der beiden Zonenlinsen in der ersten Beugungsordnung dabei einen Quotienten mit dem Betrag drei, beziehungsweise mit dem Betrag von einem Drittel aufweist.
Optische Anordnung zur Abbildung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, gekennzeichnet dadurch, dass die lateral angeordneten Submatrizen als Mikrolinsen-Arrays ausgebildet sind.
Optische Anordnung zur Abbildung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, dass die lateral angeordneten, leuchtenden Elemente als einzelne Mikrolinsen ausgebildet sind.
Optisches Verfahren zur Abbildung bei der ein-, zwei- oder dreidimensionalen, konfokalen Mikroskopie, der ein-, zwei- oder dreidimensionalen, konfokalen Makroskopie, der 3D-Videometrie, der Keyhole-Tiefen-Detektion, der mikroskopischen Vibrometrie, auch bei der Doppelpuls- und Multipuls-Vibrometrie der Lichtlaufzeitmessung, bei der optischen Schichtdickenmessung sowie der optischen Objektmanipulation mit den Merkmalen des Oberbegriffs nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass im Array-Raum ein einer Matrix mit lateral angeordneten Submatrizen von leuchtenden und/oder detektierenden Elementen oder von einzelnen beleuchteten, leuchtenden und/oder detektierenden Elementen nachgeordnetes Abbildungssystem positioniert ist, welches mindestens aus einem Array-Objektiv (8) besteht, wobei in dessen Brennebene mindestens ein diffraktiv-optisches Element (DOE) (7) angeordnet ist, welche die Hauptstrahlen, die von lateral angeordneten Submatrizen von beleuchteten, leuchtenden Elementen oder von einzelnen beleuchteten, leuchtenden und/oder detektierenden Elementen nach Passieren des Array-Objektivs (8) auf diese diffraktive Struktur geneigt gelangen, in einer Ordnung zur optischen Achse hinbeugt, so dass die Winkel der Hauptstrahlen zur optischen Achse der Abbildungssystems von Mittelpunkten der Submatrizen oder von einzelnen leuchtenden Elementen nach der diffraktiven Struktur durch die Lichtbeugung verkleinert werden und so diese Hauptstrahlen zumindest näherungsweise koaxial in Bezug zur optischen Achse des Abbildungssystems verlaufen und nicht koaxiale Hauptstrahlen ausgeblendet werden und so im weiteren Strahlengang Bilder von einzelnen im Array-Raum lateral angeordneten Submatrizen im Objektraum einen vertikal angeordneten Bilderstapel bilden.
Optisches Verfahren zur Abbildung nach Anspruch 13, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere diskrete Lichtbündel durch Lichtbeugung an einer dezentrierten Zonenlinse (7) gebildet werden, die unterschiedlich fokussiert werden, so das gleichzeitig konvergierende und divergierende Lichtbündel gebildet werden, die zumindest näherungsweise zur optischen Achse des Array-Objektivs (8) koaxial sind.
Optisches Verfahren zur Abbildung bei der ein-, zwei- oder dreidimensionalen, konfokalen Mikroskopie oder der ein-, zwei- oder dreidimensionalen, konfokalen Makroskopie nach mindestens einem der Ansprüche 13 und 14, gekennzeichnet dadurch, dass das Licht – gemäß dem konfokalen Prinzip – vom jeweiligen Objekt auf dem gleichen Weg in die Anordnung zurück gelangt, dabei das Licht in der Anordnung mittels Strahlenteilung ausgekoppelt wird und auf mindestens einen Zeilen- oder Matrixempfänger gelangt, wobei die Ebene des Matrixempfängers zumindest näherungsweise zu den Submatrizen mittels optischer Abbildung optisch konjugiert ist, und die Lichtmuster auf dem Matrixempfänger so ausgewertet werden, dass Signalwerte von Pixeln aus verschiedenen Submatrizen, wobei die Bilder dieser Pixel dabei im Objektraum einem gemeinsamen Hauptstrahl zugeordnet sind, nun jeweils einem einzigen Signalverlauf zugeordnet werden und die Signalauswertung mit den Methoden der konfokalen Technik erfolgt.
Optisches Verfahren zur Abbildung bei der optischen Objektmanipulation nach mindestens einem der Ansprüche 13 und 14, gekennzeichnet dadurch, dass die Bilder der lateral angeordneten Submatrizen von leuchtenden Elementen im Bildstapel eine beliebige offene oder geschlossene Lichtfigur im Objektraum erzeugen.