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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine konfokale dreidimensionale Messvorrichtung und eine zugehörige Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern.
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Technischer Hintergrund
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Herkömmliche optische Mikroskope können wegen der optischen Beugungsgrenze nur eine theoretische Auflösung im Bereich der Wellenlänge einer Lichtquelle bieten, die in der Regel einige hundert Nanometer beträgt. Im Laufe der Entwicklung der modernen Nanotechnik werden höhere Anforderungen an die Auflösung einer Messvorrichtung gestellt. Rasterelektronenmikroskope und Rastertunnelmikroskope können zwar eine sehr hohe Auflösung in der Größenordnung von 0,01 nm erreichen, zeigen jedoch eine gewisse Begrenztheit in der Verwendung. Sie haben also einen geringen Messbereich, müssen in einer Vakuumumgebung betrieben werden und können die jeweilige lebende Zellprobe zerstören. Konfokale Mikroskope finden aufgrund ihres einzigartigen optischen Tomographievermögens, ihrer hohen lateralen Auflösung und ihrer Fähigkeit zur dreidimensionalen Messung der Oberfläche und des Innenaufbaus einer lebenen Zelle breite Anwendung in den Bereichen Biomedizin, Präzisionsmessung, Werkstoffkunde usw.. In den letzten Jahren erfahren konfokale Mikroskope dank einer Reihe von Innovationen an ihren wesentlichen Bauteilen eine ständige Weiterentwicklung sowohl im Hinblick auf die Bildgebungsqualität, die Auflösung, die Messgeschwindigkeit und das Automatisierungsniveau als auch in der Gesamtleistung.
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Die jetzigen konfokalen Mikroskope sind hauptsächlich als konfokales Laserrastermikroskop oder als Spinning-Disk-Konfokalmikroskop ausgeführt. Dabei erlauben Spinning-Disk-Konfokalmikroskope die Verwendung von Laser oder Weißlicht als Lichtquelle, zeichnen sich durch mehrere Kanäle und hohe Abtastgeschwindigkeit aus und ermöglichen eine schnelle räumlich-zeitliche Bildgebung lebender Zellen. Sie weisen als Kernbauteil eine ein Stiftloch-Array aufweisende Nipkow-Abtastscheibe auf, deren Stiftlöcher entlang einer archimedischen Spirale gleichmäßig angeordnet sind. Bei der Messung wird durch Drehen der Abtastscheibe eine Bilderfassung in ein und derselben Brennebene realisiert. Bei herkömmlichen Spinning-Disk-Konfokalmikroskopen sind die konfokalen Stiftlöcher in der Drehscheibe nur in einer einzigen Größe ausgeführt, deren optimaler Parameter oft in Abhängigkeit von einem Objektiv mit maximaler Vergrößerung ausgelegt ist, so dass beim Einsatz schwach vergrößernder Objektive die optimale Konfokalität nur schwer realisierbar ist. Andererseits haben Objektive mit starker Vergrößerung ein kleines Sichtfeld, das nur einen begrenzten Beobachtungsbereich bietet.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von den oben erwähnten Nachteilen des Stands der Technik stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine konfokale dreidimensionale Messvorrichtung und eine zugehörige Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern bereitzustellen, mit denen die Messauflösung und die Genauigkeit erhöht werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung eine Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern in einer konfokalen dreidimensionalen Messvorrichtung bereit, die eine kreisförmige Basisscheibe umfasst, auf der mindestens ein ringförmiges Abtastband vorgesehen ist, in dem mehrere Gruppen von Lichtdurchtrittslöchern verteilt sind, welche Gruppen von Lichtdurchtrittslöchern um den Mittelpunkt der kreisförmigen Basisscheibe spiralsymmetrisch angeordnet sind, wobei Lichtdurchtrittslöcher aus verschiedenen Gruppen von Lichtdurchtrittslöchern entlang verschiedenen archimedischen Spiralen verteilt sind und die nicht von den Lichtdurchtrittslöchern belegten Bereiche des Abtastbands lichtundurchlässig sind.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass auf der kreisförmigen Basisscheibe mehrere Abtastbänder vorgesehen sind, wobei sich die Lichtdurchtrittslöcher aus verschiedenen Abtastbändern sowohl durch die Gruppenanzahl als auch durch den Durchmesser voneinander unterscheiden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die kreisförmige Basisscheibe einen aus einem lichtdurchlässigen Material angefertigten Grundkörper und einen auf der Oberfläche des Grundkörpers aufgebrachten Lichtsperrfilm umfasst.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die kreisförmige Basisscheibe aus einem lichtundurchlässigen Material angefertigt ist.
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Entsprechend der erfindungsgemäßen Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern in einer konfokalen dreidimensionalen Messvorrichtung stellt die Erfindung ferner eine konfokale dreidimensionale Messvorrichtung bereit, die Folgendes umfasst:
- ein Lichtquellenmodul, einen Teilerspiegel, ein Bilderfassungsmodul, ein konfokales Abtastmodul, ein Mikroskopobjektiv und eine dreidimensionale Bewegungsplattform.
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Die dreidimensionale Bewegungsplattform dient zum Tragen einer zu prüfenden Probe.
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Das konfokale Abtastmodul umfasst eine Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern gemäß den oben beschriebenen Ausgestaltungen oder gemäß einer der bevorzugten Ausgestaltungen, eine erste Linse und eine zweite Linse, wobei die erste Linse zwischen dem Teilerspiegel und der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern und die zweite Linse zwischen der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern und dem Mikroskopobjektiv angeordnet ist. Die Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern wird durch einen Drehantrieb drehangetrieben.
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Der Teilerspiegel empfängt von dem Lichtquellenmodul abgegebene Lichtstrahlen und reflektiert einen Teil davon in Richtung der ersten Linse, so dass die Lichtstrahlen der Reihe nach durch die erste Linse, die Lichtdurchtrittslöcher in der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern, die zweite Linse und das Mikroskopobjektiv hindurchtreten und danach auf die zu prüfende Probe auf der dreidimensionalen Bewegungsplattform auftreffen. Nach der Reflektion an der Probe treten die Lichtstrahlen der Reihe nach durch das Mikroskopobjektiv, die zweite Linse, die Lichtdurchtrittslöcher in der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern, die erste Linse und den Teilerspiegel hindurch und gelangen daraufhin in das Bilderfassungsmodul.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die erste Linse und die zweite Linse koaxial angeordnet sind und die Achse der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern bezüglich der Achse der ersten Linse schräg gestellt ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern zusätzlich durch einen Linearantrieb so angetrieben wird, dass sie sich an die Achse der ersten Linse annähern oder davon entfernen kann.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Bilderfassungsmodul eine CCD-Kamera und eine dritte Linse umfasst, wobei die durch den Teilerspiegel in das Bilderfassungsmodul eintretenden Lichtstrahlen nach Passieren der dritten Linse in der CCD-Kamera zusammentreffen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Lichtquellenmodul eine Lichtquelle und eine vierte Linse umfasst, wobei das von der Lichtquelle ausgehende Licht durch die vierte Linse in paralleles Licht umgewandelt wird, das dann zum Teilerspiegel hin läuft.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Mikroskopobjektiv ein achromatisches Objektiv, ein semiapochromatisches Objektiv oder ein apochromatisches Objektiv ist.
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Wie oben erwähnt wurde, bieten die erfindungsgemäße konfokale dreidimensionale Messvorrichtung und die zugehörige Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern folgende vorteilhafte Wirkungen: Dadurch, dass auf der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern mindestens ein ringförmiges Abtastband vorgesehen ist, wobei Durchtrittslöcher aus unterschiedlichen Abtastbändern unterschiedliche Durchmesser haben, kann in Abhängigkeit von der Vergrößerung des Mikroskopobjektivs ein Abtastband mit einen geeigneten Durchmesser aufweisenden Lichtdurchtrittslöchern ausgewählt werden, um die Lichtstrahlen zu filtern und zu fokussieren. Dadurch werden die Lichtdurchtrittslöcher mit einem geeigneten Durchmesser in Betrieb genommen, um die Auflösung und die Genauigkeit der Messvorrichtung zu optimieren. Daraus ergibt sich, dass mit der erfindungsgemäßen Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern in einer konfokalen dreidimensionalen Messvorrichtung die Messauflösung und die Genauigkeit erhöht werden können. Dies ist selbstverständlich auch bei der erfindungsgemäßen konfokalen dreidimensionalen Messvorrichtung der Fall, was hier keiner näheren Erläuterung bedarf.
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Figurenliste
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Es zeigen
- 1 eine Draufsicht auf eine Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern,
- 2-1 eine Prinzipdarstellung von Lichtdurchtrittslöchern in einem fokussierenden Betriebszustand,
- 2-2 eine Prinzipdarstellung von Lichtdurchtrittslöchern in einem defokussierenden Betriebszustand,
- 3 in schematischer Darstellung die Bewegungsbahnen der Lichtdurchtrittslöcher beim Drehen der Nipkow-Scheibe,
- 4 den schematischen Aufbau einer konfokalen dreidimensionalen Messvorrichtung,
- 5 den schematischen Aufbau eines konfokalen Abtastmoduls,
- 6 den schematischen Aufbau eines Bilderfassungsmoduls,
- 7 den schematischen Aufbau eines Lichtquellenmoduls,
- 8-1 den schematischen Aufbau eines achromatischen Objektivs,
- 8-2 den schematischen Aufbau eines semiapochromatischen Objektivs und
- 8-3 den schematischen Aufbau eines apochromatischen Objektivs.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Konfokales Abtastmodul
- 11
- Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern
- 111
- Lichtdurchtrittsloch
- 111a
- Lichtdurchtrittsloch mit einem geringeren Lochdurchmesser
- 111b
- Lichtdurchtrittsloch mit einem größeren Lochdurchmesser
- 112
- Archimedische Spirale
- 113
- Montageloch
- 114
- Messfleck
- 115
- Lichtsperrfilm
- 116
- Quarzglas
- 12
- Drehantrieb
- 13
- Motor-Befestigungsbasis
- 14
- Linearantrieb
- 15
- Erste Linse
- 16
- Zweite Linse
- 2
- Bilderfassungsmodul
- 21
- CCD-Kamera
- 22
- Kamera-Datenleitung
- 23
- Dritte Linse
- 3
- Lichtquellenmodul
- 31
- Lichtquelle
- 32
- Netzleitung
- 33
- Vierte Linse
- 34
- Blende
- 4
- Teilerspiegel
- 5
- Mikroskopobjektiv
- 51
- Duplet
- 52
- Vorderseitige Linse
- 53
- Triplett
- 54
- Meniskuslinse
- 6
- Zu prüfende Probe
- 7
- Dreidimensionale Bewegungsplattform
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Konkrete Ausführungsformen
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Im Folgenden werden die Ausführungsformen der Erfindung anhand spezifischer konkreter Ausführungsbeispiele beschrieben. Aus den Offenbarungen in der vorliegenden Beschreibung sind weitere Vorteile und Wirkungen der Erfindung für die Fachleute auf diesem Gebiet leicht ableitbar.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die in den der vorliegenden Beschreibung beigefügten Zeichnungen dargestellten Strukturen, Verhältnisse, Größen usw. keine Einschränkung der möglichen Ausführungen der Erfindung darstellen, sondern lediglich zum besseren Verständnis der Offenbarungen in der Beschreibung dienen und daher keine technisch wesentliche Bedeutung besitzen. Jede strukturelle Modifikation, Verhältnisänderung oder Größeneinstellung, soweit sie die Wirkungen und die Aufgabe der Erfindung nicht beeinflusst, fällt in die Offenbarung der Erfindung. Überdies stellen auch die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, links, rechts, mittig, sowie der unbestimmte Artikel „ein“ keine Einschränkung der möglichen Ausführungen der Erfindung dar, sondern dienen lediglich zum besseren Verständnis und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
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Wie in 1 dargestellt ist, stellt die Erfindung eine Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern in einer konfokalen dreidimensionalen Messvorrichtung bereit, die eine kreisförmige Basisscheibe umfasst, auf der mindestens ein ringförmiges Abtastband vorgesehen ist, in dem mehrere Gruppen von Lichtdurchtrittslöchern 111 verteilt sind, wobei die einzelnen Gruppen von Lichtdurchtrittslöchern 111 um den Mittelpunkt der kreisförmigen Basisscheibe spiralsymmetrisch angeordnet sind. Dabei sind Lichtdurchtrittslöcher 111 aus verschiedenen Gruppen von Lichtdurchtrittslöchern 111 entlang verschiedenen archimedischen Spiralen 112 verteilt. Die nicht von den Lichtdurchtrittslöchern 111 belegten Bereiche des Abtastbands sind lichtundurchlässig.
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Wie den 2-1, 2-2 und 4 zu entnehmen ist, dient die erfindungsgemäße Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 in einer konfokalen dreidimensionalen Messvorrichtung zum Filtern und Zusammenbringen auf ein Mikroskopobjektiv 5 gerichteter oder von dem Mikroskopobjektiv 5 zurückkehrender Lichtstrahlen. Dadurch, dass auf der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 mindestens ein ringförmiges Abtastband vorgesehen ist, wobei Durchtrittslöcher aus unterschiedlichen Abtastbändern unterschiedliche Durchmesser haben, kann in Abhängigkeit von der Vergrößerung des Mikroskopobjektivs 5 ein Abtastband mit einen geeigneten Durchmesser aufweisenden Lichtdurchtrittslöchern 111 ausgewählt werden, um die Lichtstrahlen zu filtern und zu fokussieren. Dadurch werden die Lichtdurchtrittslöcher 111 mit einem geeigneten Durchmesser in Betrieb genommen, um die Auflösung und die Genauigkeit der Messvorrichtung zu optimieren. Daraus ergibt sich, dass mit der erfindungsgemäßen Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern in einer konfokalen dreidimensionalen Messvorrichtung die Messauflösung und die Genauigkeit erhöht werden können.
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Um verschiedenen Vergrößerungen des Mikroskopobjektivs 5 gerecht zu werden, sind bei der erfindungsgemäßen Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern in einer konfokalen dreidimensionalen Messvorrichtung auf der kreisförmigen Basisscheibe, wie in 1 erkennbar, mehrere Abtastbänder vorgesehen, von denen jedes mehrere um die Achse der kreisförmigen Basisscheibe rotationssymmetrisch angeordnete Gruppen von Lichtdurchtrittslöchern 111 umfasst, wobei sich die Mittelpunkte der einzelnen Lichtdurchtrittslöcher 111 in derselben Gruppe von Lichtdurchtrittslöchern 111 auf ein und demselben archimedischen Spiralenabschnitt befinden und die archimedischen Spiralen, in denen sich die einzelnen archimedischen Spiralenabschnitte befinden, durch den Mittelpunkt der kreisförmigen Basisscheibe verlaufen. Aus 1 wird ersichtlich, dass sich die Lichtdurchtrittslöcher 111 aus verschiedenen Abtastbändern durch die Gruppenanzahl und den Durchmesser voneinander unterscheiden. In demselben Abtastband sind der Durchmesser der einzelnen Lichtdurchtrittslöcher 111 und der Abstand zwischen benachbarten Lichtdurchtrittslöchern 111 an die diesem Abtastband zugeordnete Vergrößerung des Mikroskopobjektivs 5 angepasst. Der Durchmesser der einzelnen Lichtdurchtrittslöcher 111 und der Abstand zwischen benachbarten Lichtdurchtrittslöchern 111 sollen so dimensioniert sein, dass die Messvorrichtung bei der ihr zugeordneten Vergrößerung des Mikroskopobjektivs 5 die optimale Auflösung und Genauigkeit besitzt.
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Bei der erfindungsgemäßen Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern in einer konfokalen dreidimensionalen Messvorrichtung sind die nicht von den Lichtdurchtrittslöchern 111 belegten Bereiche eines Abtastbands lichtundurchlässig. Um die Herstellung der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 zu vereinfachen, umfasst die kreisförmige Basisscheibe in einer bevorzugten Ausführungsform einen aus einem lichtdurchlässigen Material angefertigten Grundkörper und einen auf der Oberfläche des Grundkörpers aufgebrachten Lichtsperrfilm 115. Hierbei kann der Grundkörper der kreisförmigen Basisscheibe aus einem Quarzglas 116 hergestellt werden, das durch die MEMS-Technik bearbeitet wird. Nach einer Einebnung und einem chemisch-mechanischen Polieren des Quarzglases 116 wird dieses zuerst mit Calciumcarbonat und dann physikalisch gereinigt. Durch plasmachemische Gasphasenabscheidung wird auf dem Quarzglas 116 ein dünner Siliziumfilm als Lichtsperrfilm 115 abgeschieden, auf dem anschließend durch Schleuderbeschichtung, Lithografie, Entwicklung ein gewünschtes Muster erzeugt wird, um dann unter Verwendung eines Fotolacks als Schutzfilms durch chemisches Ätzen oder Trockenätzen Lichtdurchtrittslöcher 111 zu erzeugen. Die kreisförmige Basisscheibe kann auch aus einem lichtundurchlässigen Material, z.B. einem lichtundurchlässigen metallischen oder nichtmetallischen Blech, angefertigt sein, in dem durch Laserbohren oder andere Bohrverfahren die in 1 gezeigten Lichtdurchtrittslöcher 111 mit unterschiedlichen Lochdurchmessern erzeugt werden, die ein Abtastband R1 und ein Abtastband R2 sowie Montagelöcher 113 bilden. Um die Nipkow-Scheibe vor äußeren Einflüssen und Temperaturschwankungen zu schützen, soll das gewählte Grundkörpermaterial eine hohe Steifigkeit, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ein gutes Lichtsperrverhalten aufweisen.
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Entsprechend der erfindungsgemäßen Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern in einer konfokalen dreidimensionalen Messvorrichtung stellt die Erfindung des Weiteren eine konfokale dreidimensionale Messvorrichtung bereit, die Folgendes umfasst:
- ein Lichtquellen(31)modul 3, einen Teilerspiegel 4, ein Bilderfassungsmodul 2, ein konfokales Abtastmodul 1, ein Mikroskopobjektiv 5 und eine dreidimensionale Bewegungsplattform 7.
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Die dreidimensionale Bewegungsplattform 7 dient zum Tragen einer zu prüfenden Probe 6.
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Wie in 5 dargestellt ist, umfasst das konfokale Abtastmodul 1 eine Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 gemäß den oben beschriebenen Ausgestaltungen oder gemäß einer der bevorzugten Ausgestaltungen, eine erste Linse 15 und eine zweite Linse 16, wobei die erste Linse 15 zwischen dem Teilerspiegel 4 und der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern und die zweite Linse 16 zwischen der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern und dem Mikroskopobjektiv 5 angeordnet ist. Die Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 wird durch einen Drehantrieb 12 drehangetrieben.
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Der Teilerspiegel 4 empfängt von dem Lichtquellen(31)modul 3 abgegebene Lichtstrahlen und reflektiert einen Teil davon in Richtung der ersten Linse 15, so dass die Lichtstrahlen der Reihe nach durch die erste Linse 15, die Lichtdurchtrittslöcher 111 in der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern, die zweite Linse 16 und das Mikroskopobjektiv 5 hindurchtreten und danach auf die zu prüfende Probe 6 auf der dreidimensionalen Bewegungsplattform 7 auftreffen. Nach der Reflektion an der Probe treten die Lichtstrahlen der Reihe nach durch das Mikroskopobjektiv 5, die zweite Linse 16, die Lichtdurchtrittslöcher 111 in der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern, die erste Linse 15 und den Teilerspiegel 4 hindurch und gelangen daraufhin in das Bilderfassungsmodul 2.
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Wie aus 1 zu ersehen ist, bilden die Lichtdurchtrittslöcher mit einem geringeren Lochdurchmesser 111a auf der kreisförmigen Basisscheibe das Abtastband R1 und die Lichtdurchtrittslöcher mit einem größeren Lochdurchmesser 111b auf der kreisförmigen Basisscheibe das Abtastband R2, wobei die Lichtdurchtrittslöcher 111 in dem Abtastband R1 und dem Abtastband R2 auf archimedischen Spiralen 112 gleichmäßig angeordnet und jeweils in Form eines Umfangsarrays in dem jeweiligen Abtastband verteilt sind. Es können in Abhängigkeit von den verfügbaren Vergrößerungsparametern des Mikroskopobjektivs 5 Abtastbänder mit mehr Durchmessern der Lichtdurchtrittslöcher 111 gestaltet werden, um an mehr Vergrößerungen des Mikroskopobjektivs 5 angepasst zu sein. Die Anzahl der Abtastbänder kann zwei, drei oder mehr sein. Der Durchmesser der Lichtdurchtrittslöcher 111 beträgt in der Regel 25 Mikrometer, 50 Mikrometer oder ist in der gleichen Größenordnung dimensioniert. Es wird in Abhängigkeit von dem Durchmesser der Lichtdurchtrittslöcher 111 und den Parametern des jeweils gestalteten konfokalen Systems ein optimaler Abstand zwischen benachbarten Lichtdurchtrittslöchern 111 vorgesehen. In der kreisförmigen Basisscheibe sind ferner zur Verbindung mit dem Drehantrieb 12 dienende Montagelöcher 113 ausgebildet. Der Drehmechanismus treibt die kreisförmige Basisscheibe zum Drehen an, wobei die Drehzahl an die Abtastfrequenz des Bilderfassungsmoduls 2 genau angepasst ist und zugleich auch noch auf die Antriebsgeschwindigkeit der dreidimensionalen Bewegungsplattform 7 in Längsrichtung abgestimmt sein muss, damit das Bilderfassungsmodul 2 kontinuierliche, vollständige Abbildungen der zu prüfenden Probe 6 erfassen kann.
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Zum Prüfen eines zu prüfenden Werkstückes mittels der erfindungsgemäßen konfokalen dreidimensionalen Messvorrichtung wird das prüfende Werkstück auf die dreidimensionale Bewegungsplattform 7 gelegt. Wie in 4 gezeigt ist, treten die vom Lichtquellen(31)modul 3 emittierten Lichtstrahlen nach ihrer Reflektion an dem Teilerspiegel 4 in das konfokale Abtastmodul 1 ein und treffen dann nach einer Konzentration durch das Mikroskopobjektiv 5 auf die Oberfläche der zu prüfenden Probe 6 auf der dreidimensionalen Bewegungsplattform 7 auf. Das an der Oberfläche der zu prüfenden Probe 6 reflektierte Licht gelangt erneut in das Mikroskopobjektiv 5 und das konfokale Abtastmodul 1. Aus 2-1, 2-2 und 4 geht hervor, dass durch die konfokale Wirkung des konfokalen Abtastmoduls 1 die außerhalb der Brennebene des Mikroskopobjektivs 5 (vgl. den Messfleck 114 in 1, der der Brennebene des Mikroskopobjektivs 5 zugeordnet ist) von der Oberfläche der zu prüfenden Probe 6 zurück reflektierten Lichtstrahlen ausgefiltert werden, während die nicht abgefilterten Lichtstrahlen durch den Teilerspiegel 4 hindurch in das Bilderfassungsmodul 2 eintreten, wobei das Bilderfassungsmodul 2 die erfassten optischen tomographischen Aufnahmen in einem Computer zur nachträglichen Verarbeitung und Rekonstruktion abspeichert. Beim Betrieb des Systems wird durch die dreidimensionale Bewegungsplattform 7 eine transversale Translation der zu prüfenden Probe 6 bewirkt, um die Position eines zu prüfenden Merkmals zu bestimmen. Anschließend nimmt die dreidimensionale Bewegungsplattform 7 die zu prüfende Probe 6 bei einer longitudinalen Bewegung mit, um zusammen mit dem konfokalen Abtastmodul 1 und dem Bilderfassungsmodul 2 eine tomographische Bildgebung zu realisieren. Dabei soll die Drehzahl der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 im konfokalen Abtastmodul 1 genau an die Abtastfrequenz einer CCD-Kamera 21 im Bilderfassungsmodul 2 angepasst sein und muss zugleich auch noch auf die Antriebsgeschwindigkeit der dreidimensionalen Bewegungsplattform 7 in Längsrichtung abgestimmt sein. Nach Abschluss der Bilderfassung der einzelnen longitudinalen Abtastschichten können die morphologischen Informationen des zu prüfenden Merkmals der Oberfläche der Probe unter Verwendung eines einschlägigen Bildrekonstruktionsalgorithmus wiederhergestellt werden. Die CCD-Kamera 21 soll eine hohe Empfindlichkeit und einen großen Dynamikbereich sowie eine kleine Pixelgröße und einen geringen Pixelabstand aufweisen, um dem System eine hohe Messauflösung zu verleihen. Gleichzeitig dazu soll sie eine hohe Zielgröße haben, um einen großen Messbereich in einem einzelnen Sichtfeld zu erzielen.
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In 4 ist zu erkennen, dass sich die Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 an einer im Bildgebungssystem mit der Brennebene der geprüften Probe konjugierten Stelle befindet, wobei die Funktionsweise der durch die Lichtdurchtrittslöcher 111 beim Zurückkehren des an der Probe reflektierten Lichts zu den Lichtdurchtrittslöchern 111 entfalteten konfokalen Wirkung in den 2-1 und 2-2 dargestellt ist. Wie sich aus 2-1 ergibt, kann das an der Brennebene des Mikroskopobjektivs 5 reflektierte Licht nach einer Konzentration durch die zweite Linse 16 durch ein Lichtdurchtrittsloch 111 hindurchtreten, um anschließend durch die erste Linse 15, den Teilerspiegel 4 und eine dritte Linse 23 hindurch in die CCD-Kamera 21 einzutreten. Hingegen wird das außerhalb der Brennebene des Mikroskopobjektivs 5 reflektierte Licht nach einer Konzentration durch die zweite Linse 16 von den lichtundurchlässigen Bereichen der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 abgesperrt und kann daher nicht in die CCD-Kamera 21 gelangen, siehe hierzu 2-2. Dies führt dazu, dass die CCD-Kamera 21 aufgrund der konfokalen Wirkung der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 lediglich in der Brennebene des Mikroskopobjektivs 5 reflektierte Signale erfassen kann. Dadurch werden Störungen durch die außerhalb der Brennebene des Mikroskopobjektivs 5 reflektierten Signale wirksam beseitigt, was zur Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses der Signale sowie zur Steigerung der Bildgebungsqualität und der Auflösung beiträgt. Bei der Messung wird die Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 durch den Drehantrieb 12 drehangetrieben. Da die Lichtdurchtrittslöcher 111 in der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 auf archimedischen Spiralen 112 angeordnet und in Form von Umfangsarrays verteilt sind, bewegen sich die Lichtdurchtrittslöcher 111 beim Drehen der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 entlang der in 3 dargestellten Bahnrichtung (in 3 steht die Pfeilrichtung für die Richtung der Bewegungsbahn eines Lichtdurchtrittsloches 111), wobei sich der Schattenbereich, auf den ein Pfeil weist, gerade von dem am Ende des Pfeils befindlichen Lichtdurchtrittsloch 111 überdecken lässt. Somit kann die CCD-Kamera 21 durch eine Belichtung mit einer an die Drehzahl der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 angepassten Frequenz ein Bild der gesamten Brennebene gewinnen.
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In der erfindungsgemäßen konfokalen dreidimensionalen Messvorrichtung dient die Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 zum Ausfiltern der außerhalb der Brennebene des Mikroskopobjektivs 5 von der Oberfläche der zu prüfenden Probe 6 zurück reflektierten Lichtstrahlen. Wie 4 zeigt, sind die erste Linse 15 und die zweite Linse 16 koaxial angeordnet, wobei die Achse der ersten Linse 15 und der zweiten Linse 16 in vertikaler Richtung verläuft. Um zu vermeiden, dass die Lichtstrahlen in einem Bereich der oberen Oberfläche der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 (bei diesem Bereich handelt es sich um zwei zwischen Durchtrittslöchern liegende Stellen) von der ersten Linse 15 durch den Teilerspiegel 4 in das Bilderfassungsmodul 2 eintreten und dadurch die Bildgebung störend beeinflussen, ist die Achse der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 bezüglich der Achse der ersten Linse 15 schräg gestellt, so dass die Scheibenoberfläche der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 mit der horizontalen Richtung einen Winkel von ungefähr 15 Grad einschließt.
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Damit die Positionen der Abtastbänder auf der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 auf einfache Weise eingestellt werden können, um eine Ausrichtung verschiedener Abtastbänder auf das Mikroskopobjektiv 5 und somit eine Anpassung an verschiedene Vergrößerungen des Mikroskopobjektivs 5 zu ermöglichen, ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11, wie in 4 dargestellt, zusätzlich durch einen Linearantrieb 14 so angetrieben wird, dass sie sich an die Achse der ersten Linse 15 annähern oder davon entfernen kann. Bei dem die Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 antreibenden Drehmechanismus handelt es sich um einen Drehmotor, der auf einer Befestigungsbasis 13 angebracht ist, wobei durch den Linearantrieb 14 eine translatorische Bewegung der Befestigungsbasis 13 bewirkt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß 4 und 6 umfasst das Bilderfassungsmodul 2 die CCD-Kamera 21 und die dritte Linse 23, wobei die durch den Teilerspiegel 4 in das Bilderfassungsmodul 2 eintretenden Lichtstrahlen nach Passieren der dritten Linse 23 in der CCD-Kamera 21 zusammentreffen. Aus 4 und 7 wird ersichtlich, dass das Lichtquellen(31)modul 3 eine Lichtquelle 31 und eine vierte Linse 33 umfasst, wobei das von der Lichtquelle 31 ausgehende Licht durch die vierte Linse 33 in paralleles Licht umgewandelt wird, das dann zum Teilerspiegel 4 hin läuft.
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In der erfindungsgemäßen konfokalen dreidimensionalen Messvorrichtung dient das Mikroskopobjektiv 5 zur Vergrößerung einer innerhalb der Brennebene des Mikroskopobjektivs 5 befindlichen Abbildung der Oberfläche der zu prüfenden Probe 6. Als Mikroskopobjektiv 5 kann ein achromatisches Objektiv gemäß 8-1, ein semiapochromatisches Objektiv gemäß 8-2 oder ein apochromatisches Objektiv gemäß 8-3 eingesetzt werden. Das achromatische Objektiv besteht vor allem aus einem Duplet 51 und einer vorderseitigen Linse 52 und ist wie in 8-1 dargestellt aufgebaut. Hingegen setzen sich das semiapochromatische Objektiv und das apochromatische Objektiv im Wesentlichen aus einem Duplet 51, einer vorderseitigen Linse 52, einem Triplett 53 und einer Meniskuslinse 54 zusammen und sind jeweils wie in 8-2 bzw. in 8-3 dargestellt aufgebaut. Das apochromatische Objektiv bietet einen besseren Bildgebungseffekt als das semiapochromatische Objektiv und das achromatische Objektiv, ist jedoch mit höheren Kosten herstellbar. Bei Verwendung soll das jeweilige Objektiv entsprechend den tatsächlichen Bedürfnissen des eingerichteten Bildgebungssystems gewählt werden.
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In der erfindungsgemäßen konfokalen dreidimensionalen Messvorrichtung treffen die eingestrahlten Lichtstrahlen, wie in 4 erkennbar, nach einer Konzentration durch die Linse auf das Abtastband R1 und das Abtastband R2 der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern auf und gelangen anschließend nach einer Kollimation durch die zweite Linse 16 durch die Lichtdurchtrittslöcher 111 in den Abtastbändern hindurch an die Oberfläche der geprüften Probe. Das an der Oberfläche der Probe reflektierte Licht kehrt nach einer Konzentration durch die zweite Linse 16 zu der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern zurück, wobei die in der Brennebene des Mikroskopobjektivs 5 befindlichen Lichtstrahlen nach Passieren der Lichtdurchtrittslöcher 111 auf der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern schließlich in das Bilderfassungsmodul 2 eintreten, während die außerhalb der Brennebene des Mikroskopobjektivs 5 befindlichen Lichtstrahlen beim Erreichen der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern von deren Licht absperrenden Bereichen abgesperrt werden und daher nicht in das Bilderfassungsmodul 2 gelangen können. Auf diese Weise wird das Signal-Rausch-Verhältnis des Brennebenenbilds verstärkt.
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Wie der 6 entnehmbar ist, umfasst das Bilderfassungsmodul 2 die CCD-Kamera 21, eine Kamera-Datenleitung 22 und die dritte Linse 23. Die an der Brennebene der Probe reflektierten Lichtstrahlen treffen nach einer Konzentration durch die dritte Linse 23 auf eine lichtempfindliche Anordnung der CCD-Kamera 21 auf, wobei die CCD-Kamera 21 die erfassten Bildinformationen über die Kamera-Datenleitung 22 an einen übergeordneten Computer zur Speicherung und Verarbeitung übermittelt. Die CCD-Kamera 21 soll eine hohe Empfindlichkeit, eine hohe Bildfrequenz und eine hohe Bildauflösung haben, um eine gewünschte hochauflösende Hochgeschwindigkeitsabtastung zu ermöglichen. Wie in 7 gezeigt ist, umfasst das Lichtquellen(3 1)modul 3 die Lichtquelle 31, eine Netzleitung 32, die vierte Linse 33 und eine Blende 34. Als Lichtquelle 31 kann Weißlicht oder monochromatisches Licht gewählt werden. Das von der Lichtquelle 31 abgegebene Licht tritt nach einer Kollimation durch die vierte Linse 33 durch die Blende 34 hindurch, um den Austrittslochdurchmesser einzustellen und im Randbereich befindliches Streulicht auszufiltern.
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Mit der erfindungsgemäßen konfokalen dreidimensionalen Messvorrichtung und der zugehörigen Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 wird das Vorsehen von Abtastbändern mit Lichtdurchtrittslöchern 111 mehrerer Lochdurchmesser auf einer einzigen Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 realisiert, wobei in Abhängigkeit von der ausgewählten Vergrößerung des Mikroskopobjektivs 5 ein Abtastband mit entsprechend dimensionierten Lichtdurchtrittslöchern 111 verwendet wird, um die Auflösung und die Genauigkeit des Systems zu optimieren. Durch eine Bewegung der Nipkow-Scheibe mit mehreren Lochdurchmessern 11 wird ein einfacher Wechsel zwischen den Abtastbändern ermöglicht, der leicht durchzuführen ist.
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Zusammenfassend überwindet die vorliegende Erfindung wirksam die Nachteile des Stands der Technik und besitzt einen hohen industriellen Nutzungswert.
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Bisher wurden die Grundsätze und Wirkungen der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beispielhaft beschrieben, die keine Einschränkung der Erfindung darstellen und an denen, wie den Fachleuten auf diesem Gebiet klar ist, Modifikationen oder Abänderungen vorgenommen werden können, ohne dabei den Erfindungsgedanken zu verlassen. Daher ist jede gleichwertige Modifikation oder Abänderung, die aus der Offenbarung der Erfindung ableitbar ist, ebenfalls von den Ansprüchen der Erfindung umfasst.
