EP4356066A1 - Einrichtung zur leitung von spektral zu analysierendem messlicht und verfahren zur herstellung einer solchen einrichtung sowie vorrichtung zur abstands- und dickenmessung - Google Patents

Einrichtung zur leitung von spektral zu analysierendem messlicht und verfahren zur herstellung einer solchen einrichtung sowie vorrichtung zur abstands- und dickenmessung

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Publication number
EP4356066A1
EP4356066A1 EP23754137.0A EP23754137A EP4356066A1 EP 4356066 A1 EP4356066 A1 EP 4356066A1 EP 23754137 A EP23754137 A EP 23754137A EP 4356066 A1 EP4356066 A1 EP 4356066A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
aperture
optical waveguide
detector
aperture opening
exit end
Prior art date
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Pending
Application number
EP23754137.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Meja
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Micro Epsilon Optronic GmbH
Original Assignee
Micro Epsilon Optronic GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Micro Epsilon Optronic GmbH filed Critical Micro Epsilon Optronic GmbH
Publication of EP4356066A1 publication Critical patent/EP4356066A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0608—Height gauges
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0005—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/262—Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2210/00—Aspects not specifically covered by any group under G01B, e.g. of wheel alignment, caliper-like sensors
    • G01B2210/50—Using chromatic effects to achieve wavelength-dependent depth resolution

Definitions

  • Measuring light in a distance and/or thickness measuring system in particular in a confocal chromatic or interferometric distance and/or thickness measuring system, with an optical waveguide, the optical waveguide having an exit end for the measuring light, preferably held by a ferrule.
  • the invention further relates to a device for distance and/or thickness measurement, in particular for interferometric and/or confocal chromatic distance and/or thickness measurement.
  • the invention further relates to a method for producing a device according to the invention.
  • Both confocal-chromatic and interferometric distance and thickness measuring systems are known from the prior art, in which the measuring light to be spectrally analyzed is coupled into a spectrometer using multimodal optical waveguides.
  • the end of the usually circular fibers also takes on the function of a (point) diaphragm for the light that is divergently coupled out of the fiber.
  • the spectral image of this fiber end, modified with a dispersive optical element, is ultimately imaged on a line or multi-line detector.
  • the active areas (pixels) of the detectors are usually square and, in the case of particularly sensitive line detectors, also rectangular, in which case the height of the individual active cell is greater than the distance between the pixels, also known as the pixel pitch.
  • Such measuring systems are under the constant requirement to increase the measuring speed and the distance resolution as well as for Layer thickness measurements also provide a high resolution of the distances between two or more layers at the same time.
  • it is therefore important to provide as much measuring light as possible with a good signal-to-noise ratio to increase speed.
  • the pixel-related peak width in the spectrogram is initially of little interest.
  • the pixel-related width of the individual measurement peaks must be reduced in order to delay signal superimposition as much as possible by reducing the distance due to the steep signal edges. The reason lies in the summation of the individual peaks when superimposed, which ultimately leads to a merging of the individual signals and the associated analytical inseparability.
  • a narrower peak means that the degree of modulation of high frequencies is higher and the distance resolution is also significantly improved.
  • the optical measuring device comprises a measuring head with imaging optics and an evaluation unit, the measuring head being connected to the evaluation unit by two light-conducting fibers.
  • the evaluation unit includes a light source, the light of which is guided into the measuring head through the first light-conducting fiber. Light reflected from the measurement object is directed back through the measuring head and into a second light-conducting fiber by means of a beam splitter, such that traveling and returning light are separated, with the fiber ends being in mutually conjugate positions.
  • the present invention is therefore based on the object of designing and developing a device for conducting measuring light to be spectrally analyzed in such a way that as much measuring light as possible with a good signal-to-noise ratio is provided using structurally simple means. Furthermore, a method for producing such a device should be specified. Furthermore, an improved device for distance and/or thickness measurement is to be specified.
  • the device in question is for conducting measuring light to be spectrally analyzed in a distance and/or thickness measuring system, in particular in a confocal chromatic or interferometric distance and/or thickness measuring system, with an optical waveguide, the optical waveguide being a, preferably one Ferrule held, exit end for the measuring light, characterized in that a diaphragm with an aperture opening is arranged on the exit end.
  • a device for distance and/or thickness measurement in particular for interferometric and/or confocal-chromatic distance and/or thickness measurement, is claimed, with a device for conducting measuring light according to one of claims 1 to 12 and a spectrometer having a detector for evaluating the measuring light, the exit end of the optical waveguide, which has the aperture with the aperture opening, being arranged in and/or on the spectrometer.
  • the device according to the invention achieves a significant increase in light output, since the diameter of the optical waveguide, in particular a fiber diameter, while maintaining the same spectral
  • the selectivity is significantly increased and a significantly larger amount of light can be processed in the measuring system. This is ultimately reflected in a significant increase in the possible measurement frequency, even on materials with low reflectivity. This is particularly important when used in a device with a rectangular detector row geometry with pixel aspect ratios (PAR) well below 1, so that the device according to the invention can advantageously have such a detector.
  • PAR pixel aspect ratios
  • Another advantage is that a higher selectivity can be achieved compared to a system with unglazed optical fiber.
  • the selectivity of a detector refers to the ability to clearly distinguish two closely spaced maxima of a continuous spectrum by means of a spatially discrete scanning.
  • a significantly higher selectivity can be achieved in the spectrometer, since the width of the light source image can be adapted to the aspect ratio of the line due to the glare, particularly from the side.
  • increasing the selectivity in an otherwise identical system ultimately means an improvement in the distance resolution.
  • the cover can be applied directly to the end of the appearance or arranged on it in any way.
  • Another advantage is the variable light output, since by adjusting the size of the aperture - in addition to changing the light source intensity - it is possible to respond to different light outputs required for special measuring tasks. All that is required here is the use of an optical fiber with a different aperture geometry.
  • the teaching according to the invention is characterized by a particularly easy positioning of the aperture opening.
  • the positioning of the aperture relative to the optical waveguide, in particular in relation to a fiber core can be achieved by an easily automated method with a very high repeatability, in particular if the exit end of the optical waveguide or the fiber is embedded in a ferrule, which preferably has a center position tolerance of ⁇ 1 pm.
  • the exit end of the optical waveguide or fiber it is conceivable and advantageous for the exit end of the optical waveguide or fiber to have a circular cross section.
  • Another advantage is that by arranging the glare at the exit end of the optical waveguide, it is suitable for being arranged not in a measuring head, but in a spectrometer. Such a construction is realized by the device according to the invention.
  • this has the further advantage that the aperture has no influence on the projection of the measuring light onto the measurement object, but only on the projection of the light, in particular spectrally decomposed, onto the detector or a detector line.
  • the aperture therefore only improves the spectral resolution.
  • the aperture opening is advantageously designed as a slot.
  • the effective opening has an elongated, narrow geometry.
  • the elongated sides of the aperture opening can extend at least substantially parallel to one another in a further advantageous manner. This makes it possible to adapt the image of the optical waveguide to the geometry of the pixels of a downstream detector.
  • a slot-shaped aperture allows the active area of a line or multi-line detector to be better utilized.
  • the aperture opening can have a shape other than a rectangle, in particular cushion-shaped, barrel-shaped, lens-shaped or oval.
  • the aperture opening can be ideally adapted to a detector, so that an improved signal-to-noise ratio can be achieved.
  • perforation openings could be formed on the panel.
  • Such a perforation can in particular be implemented as a microperforation and generally has the advantage that the edge sharpness of the aperture image on the detector can be varied and the expression of the peak tip can therefore be adapted to the requirements of the measuring system.
  • Such an effect could also can be achieved in that the aperture is designed to be partially transparent at least in the edge region of the aperture opening.
  • the aperture opening can have a chamfered edge at least in some areas. If the material of the aperture is not optically completely dense or partially transparent, a softer edge can be achieved in this way when the aperture is imaged on the detector. This achieves a similarly advantageous effect as with a cover that is made of a partially transparent material.
  • the diaphragm can be formed by a coating applied to the exit end and partially transparent or non-transparent to the measuring light, for example made of a lacquer.
  • the coating may be partially removed by microablation, laser ablation or mechanically to thereby form the aperture.
  • the partially transparent or non-transparent coating is printed on the exit end. The shape of the aperture opening and possibly further configurations such as a perforation can therefore already be created by the printed image.
  • the aperture can be formed by a chrome coating printed on the outlet end.
  • a photochemical lacquer can be applied to the chrome coating, which has been specifically exposed through a mask corresponding to the aperture or the aperture opening and possibly other configurations and the aperture opening has been etched clear.
  • the aperture opening can extend at least partially over a fiber core and at least partially over a fiber cladding of the optical waveguide.
  • the optical waveguide can have a multimode fiber, preferably a gradient index fiber or a step index fiber.
  • a fiber is ideally suited for conducting light to be analyzed spectrally.
  • the optical waveguide and/or the aperture can be aligned in such a way that the blinded measurement light hits the detector at an angle to an extension direction of a detector pixel.
  • the image of the exit end of the optical waveguide can be rotated in relation to the detector pixel(s) in order to thereby improve the intensity profile detected by the detector pixels. This makes it possible to achieve a particularly effective adaptation to the detector, particularly for special measurement tasks.
  • the device according to the invention and the device according to the invention can also have a procedural characteristic.
  • the corresponding features and associated advantages can explicitly be part of the method according to the invention.
  • the features and advantages described in relation to the method according to the invention can also be part of the device according to the invention and the device according to the invention.
  • the teaching according to the invention relates to the, in particular direct, application of a diaphragm to the exit end of an, in particular ground, multimodal, optical waveguide, which is preferably held by a ferrule.
  • the diaphragm can be applied to the exit end with high precision and high repeatability.
  • a partially transparent or non-transparent coating is first applied to the exit end and the aperture opening is then exposed using the laser ablation process.
  • the process can be used very flexibly, as no masks are required.
  • the previously applied layer can also be made locally partially transparent by gradual removal or microperforation in order to thereby influence the drop in intensity in the edge region of the aperture or the aperture opening for the imaging.
  • the aperture can be printed on the exit end.
  • the optical waveguide is surrounded by a ferrule, extremely precise positioning can be achieved through printing and the printing technology is characterized as a very flexible process.
  • a lithography process can be used to produce the aperture.
  • a chrome layer is applied to the exit end, a photochemical lacquer applied to it is partially exposed through a mask and the aperture opening is etched free.
  • an individual aperture shape can be achieved.
  • the challenge when designing a detector or spectrometer lies in the fact that in this extremely dynamic market segment few components meet a standard. For example, there are rarely line detectors with identical pixel pitch and pixel aspect on the market, with the result that every component discontinuation or change involves complex and cost-intensive changes to the optical design. Due to the very easy adaptability of the aperture geometry, for example through the Laser ablation process can react flexibly to minor changes to a limited extent and, for example, different diameters of optical fibers and lines with different pixel pitches as well as different pixel heights can be adapted very individually to one another without having to fundamentally change the optical design.
  • the aperture can be applied directly to the exit end of an optical waveguide, for example a fiber, it is firstly possible to design the aperture shape as desired (oval, rectangular, cushion-shaped, ...) and secondly, the The thickness or microstructure of the applied layer can be influenced, for example to reduce the edge sharpness of the image.
  • This has the advantage that the intensity peak in the spectrogram can be very slim, but cannot result in the error situation of undersampling through the line.
  • Another advantage of a directly applied aperture is the possibility of adjusting, for example twisting, a - preferably slot-shaped - aperture opening on the exit end in its alignment with the detector line, and thus also influencing the edge sharpness of the image with fine adjustment.
  • the application of the aperture to the exit end is particularly advantageous, as dynamic force and temperature influences in particular cannot affect the exact aperture positioning, in contrast to a separately arranged aperture.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the image of an exit end on a line detector with an elongated pixel arrangement and the associated continuous intensity profile depending on the pixel position
  • Fig. 2 is a schematic representation of the image of a further exit end on a line detector with an elongated Pixel arrangement and the associated continuous
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the image of a further exit end on a line detector with an elongated pixel arrangement and the associated continuous intensity profile depending on the pixel position
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the image of a further exit end on a line detector with an elongated pixel arrangement and the associated continuous intensity profile depending on the pixel position
  • FIG. 5 is a schematic representation of an exemplary embodiment of the exit end of the light guide of a device according to the invention
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment of the exit end of the light guide of a device according to the invention
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment of the exit end of the light guide of a device according to the invention
  • FIG. 8 is a schematic representation of a further exemplary embodiment of the exit end of the light guide of a device according to the invention.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment of the exit end of the light guide of a device according to the invention
  • Fig. 10 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a device according to the invention.
  • the intensity profiles 10 are shown in a continuous form and not in a step profile corresponding to the discrete scanning.
  • the “natural” point aperture of the optical waveguide 11 is blinded with an additional aperture 1 in order to bring the image of the optical waveguide 11 closer to the pixel geometry.
  • Such a glare with the associated intensity profile 10 is shown as an example in FIG. This also makes it clear that, with a suitable design through the side glare, the intensity of the peak maximum, which is crucial for the exposure time, remains unchanged and the light losses caused by aperture 1 only serve to intentionally slim down the peak foot.
  • Figure 1 shows the idealized profile of a gradient index fiber.
  • the point spread function has a Gaussian-like distribution and extends over a large number of indicated elongated detector pixels 9. This profile is much too wide for use in the spectrometer of a confocal chromatic or interferometric distance measuring device, since two or more distances that are close together form an inseparable superimposition of the would generate separate measurement peaks.
  • the ideal width of an aperture 4 depends on the model-specific pixel pitch of the line detector 7 and the ratio of active to inactive areas as well as the specific requirement for the spectral resolution.
  • the manufacturing and adjustment tolerances in the width of the aperture opening 4, in the numerical aperture of the optical waveguide 11 and in the optics installed in the spectrometer cause a variance in the intensity distribution of the optical waveguide 11 imaged on the detector pixels 9. Since the aperture 1 is directly connected to the exit end 12 and is also generally embedded in a round ferrule, it is possible to rotate this image of the exit end 12 in relation to the detector pixels 9 and thus influence the intensity profile 10 detected by the detector pixels 9 (see FIG. 3).
  • the rotation widens the base of the peak slightly and therefore requires more pixels for scanning, which, among other things, leads to a more reliable determination of the position of the center of gravity in the confocal measurement method.
  • the width of the peak in the area of the tip does not increase as quickly as the peak rises from the background.
  • Fig. 5 shows a diaphragm 1 with a diaphragm opening 4, which is designed as a parallel slot and is applied to the exit end 12 of an optical waveguide 11. Due to the manufacturing process, the simple parallel slot can expose not only the fiber core 2 (core) but also the fiber jacket 3 (cladding). This ensures that the full aperture available for the slot height is used.
  • Fig. 6 shows a panel 1 with a chamfer 5 on the edges of the panel opening 4. If the panel material is not completely optically sealed, such a thinned gap edge can lead to a softer edge image, a similar effect to that shown in Fig. 4 is. When forming the aperture 4 using laser ablation, the edge can also be caused by the laser beam.
  • An advantageous design of the aperture opening 4 can also have a barrel-shaped (see FIG. 7) or cushion-shaped shape (see FIG. 8). It is also possible to produce the sharpness of the edge of the aperture opening 4 or the optical tightness of the aperture 1 through a perforation 6 or microperforation, as shown in FIG. 9.
  • Fig. 10 shows an exemplary embodiment of a device according to the invention. This has a device according to the invention for introducing measuring light, as shown, for example, in Figures 1 to 9 described above. What is important here is that the exit end 12 of the optical waveguide 11, which has the aperture 1, is arranged in or on the spectrometer 13. The aperture 1 therefore has no influence on the projection of the measuring light onto the measurement object.
  • the function of the device is as follows.
  • the illuminating light is directed from a light source 14 via part of a light wave coupler and a lens 15 onto a measurement object, not shown.
  • the measuring light comes from the
  • the measurement object is coupled via the lens 15 into the optical waveguide 11 of the light wave coupler.
  • the measuring light is directed, if necessary via further optical elements, to the detector 16, which is designed as a line detector in this exemplary embodiment.
  • the optical waveguide 11 is part of a light wave coupler, which is formed from the sections light source to coupling point, coupling point to/from lens and coupling point to spectrometer (optical waveguide 11).
  • the coupling point could also be formed by a beam splitter (cube).
  • the route between the coupling point and the lens does not necessarily have to be designed, ie it is possible to eliminate the common outward and return route.
  • the optical waveguide 11 of the embodiment shown here could be designed as a fiber melt or ground fiber coupler. It is expressly pointed out that the beam path of the illuminating light and the measuring light can also be designed differently; The only essential thing is that the exit end 12 of the optical waveguide 11 is arranged on the spectrometer side.
  • train sign list cover fiber core fiber sheath aperture chamfer Perforation openings
  • Line detector Beam pattern Detector pixels

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Abstract

Eine Einrichtung zur Leitung von spektral zu analysierendem Messlicht in einem Abstands- und/oder Dickenmesssystem, insbesondere in einem konfokalchromatischen oder interferometrischen Abstands- und/oder Dickenmesssystem, mit einem Lichtwellenleiter (11), wobei der Lichtwellenleiter (11) ein, vorzugweise von einer Ferrule gehaltenes, Austrittsende (12) für das Messlicht aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Austrittsende (12) eine Blende (1) mit einer Blendenöffnung (4) angeordnet ist. Des Weiteren sind ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Einrichtung sowie eine Vorrichtung zur Abstands- und/oder Dickenmessung beschrieben.

Description

EINRICHTUNG ZUR LEITUNG VON SPEKTRAL ZU ANALYSIERENDEM MESSLICHT UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER SOLCHEN EINRICHTUNG SOWIE VORRICHTUNG ZUR ABSTANDS- UND DICKENMESSUNG
Messlicht in einem Abstands- und/oder Dickenmesssystem, insbesondere in einem konfokal-chromatischen oder interferometrischen Abstands- und/oder Dickenmesssystem, mit einem Lichtwellenleiter, wobei der Lichtwellenleiter ein, vorzugweise von einer Ferrule gehaltenes, Austrittsende für das Messlicht aufweist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Abstands- und/oder Dickenmessung, insbesondere zur interferometrischen und/oder konfokalchromatischen Abstands- und/oder Dickenmessung.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind sowohl konfokal-chromatische wie auch interferometrische Abstands- und Dickenmesssysteme bekannt, bei denen das spektral zu analysierende Messlicht mittels multimodaler Lichtwellenleiter in ein Spektrometer eingekoppelt wird. Dabei übernimmt das Ende der üblicherweise kreisrunden Fasern zugleich die Funktion einer (Punkt-)Blende für das aus der Faser divergent auskoppelnde Licht. Das mit einem dispersiven optischen Element modifizierte spektrale Bild dieses Faserendes wird letztlich auf einem Zeilen- oder Mehrzeilendetektor abgebildet. Die aktiven Flächen (Pixel) der Detektoren sind in der Regel quadratisch und bei besonders empfindlichen Zeilendetektoren auch rechteckig, wobei in diesem Fall die Höhe der einzelnen aktiven Zelle größer ist, als der auch als Pixelpitch benannte Abstand der Pixel zueinander.
Derartige Messsysteme stehen unter der permanenten Anforderung, die Messgeschwindigkeit und die Abstandsauflösung zu erhöhen sowie für Schichtdickenmessungen auch die Abstände zwischen zwei oder mehreren Schichten zeitgleich hoch aufzulösen. Neben dem Einsatz empfindlicherer und schneller auslesbarer Detektoren gilt es daher zur Steigerung der Geschwindigkeit, möglichst viel Messlicht mit einem guten Signal-Rausch- Verhältnis bereitzustellen.
Zur Verbesserung der absoluten Abstandsauflösung für ein einzelnes Messobjekt bzw. Target bzw. eine Schicht innerhalb eines festgelegten Messbereichs genügt es bei konfokal-chromatischen Messsystemen, das zu analysierende Spektrum mit einem Sensor von höherer Pixeldichte abzutasten. Hierdurch stehen bei der Analog-Digital-Wandlung mehr Messpunkte zur Verfügung, die letztlich eine stabilere Signalanalyse und Schwerpunktbestimmung ermöglichen. Bei der Messung von nur einem Abstand ist die pixelbezogene Peakbreite im Spektrogramm zunächst wenig von Interesse. Will man jedoch bei der Dickenmessung eines Materials den Abstand von zwei dicht beieinanderliegenden Reflexen im Spektrogramm hinreichend genau auflösen, so muss die pixelbezogene Breite der einzelnen Messpeaks reduziert werden, um durch die steilen Signalflanken eine Signalüberlagerung bei Verringerung des Abstands möglichst weit hinauszuzögern. Der Grund liegt in der Summierung der Einzelpeaks bei Überlagerung, der letztlich zu einem Verschmelzen der Einzelsignale und der damit einhergehenden analytischen Untrennbarkeit führt.
Bei der interferometrischen Messmethode führt ein schmalerer Peak dazu, dass der Modulationsgrad von hohen Frequenzen höher und so die Abstandsauflösung ebenfalls deutlich verbessert wird.
Um eine Auflösungsverbesserung des Abstands zweier dicht hintereinanderliegender Reflexe zu erreichen, müsste nach dieser Erkenntnis das Abbild der Faser auf der Spektrometerzeile verkleinert werden. Dies kann durch die Verwendung einer kleineren Faser erreicht werden. Jedoch geht diese Art der Verbesserung der spektralen Schärfe mit einem deutlichen Intensitätsverlust des Messlichts einher, da das andere Faserende auf der Lichtquellenseite weniger Licht einfangen kann. Dies führt letztlich zu längeren Belichtungszeiten und den daraus folgenden geringeren Messfrequenzen. Eine andere Möglichkeit, den Strahldurchmesser auf der Zeile ohne große Lichteinbußen zu verringern, liegt in einer verkleinernden Abbildung des Faserendes auf die Detektorzeile durch eine entsprechende Auslegung der ohnehin notwendigen Optik. Diese Möglichkeit ist jedoch unvorteilhaft, da aufgrund der höheren Anforderungen an die Korrektur der Abbildungsfehler dieser Optik, insbesondere für die höheren Feldwinkel eines notwendigerweise stärker dispergierenden spektral zerlegenden Elementes, die Nachteile deutlich überwiegen. Hierzu zählen ein erhöhter Platzbedarf und ein erhöhtes Gewicht durch die komplexeren Optiken sowie deutlich höhere Kosten zur Herstellung dieser Optiken.
Eine zunächst vielversprechend erscheinende Lösung wäre die Verjüngung des in dem Spektrometer endenden Faserendes durch einen Faserziehvorgang unter Wärmeeinfluss. Genauer betrachtet wird jedoch bei gleichbleibender Lichtquelle hier nur ein geringerer Raumwinkel von der Lichtquellenseite an die Detektorfläche übertragen. Dadurch wird zwar der Lichtfleck kleiner, aber zugleich verringert sich auch dessen Gesamtintensität, da nur ein kleinerer Bereich der Lichtquelle erfasst wird. Letztlich geht auch hier die Verringerung der Peakbreite mit einem nachteiligen Intensitätsverlust einher.
Des Weiteren wird lediglich beispielhaft auf das Dokument WO 2021/255584 A1 verwiesen. Darin ist eine optische Messvorrichtung zur Messung von Abständen und/oder Dicken eines Messobjekts beschrieben. Die optische Messvorrichtung umfasst einen Messkopf mit einer Abbildungsoptik und eine Auswerteinheit, wobei der Messkopf mit der Auswerteeinheit durch zwei lichtleitende Fasern verbunden ist. Die Auswerteeinheit umfasst eine Lichtquelle, deren Licht durch die erste lichtleitende Faser in den Messkopf geleitet wird. Vom Messobjekt reflektiertes Licht wird zurück durch den Messkopf und mittels eines Strahlteilers in eine zweite lichtleitende Faser geleitet, derart, dass hin- und rücklaufendes Licht getrennt sind, wobei sich die Faserenden in zueinander konjugierten Positionen befinden. Des Weiteren ist vor den dem Messobjekt zugewandten Enden der lichtleitenden Fasern jeweils eine separate Blendenanordnung ausgebildet. Diese Blendenanordnungen müssen äußerst präzise in allen drei Raumrichtungen positioniert und anschließend fixiert werden. Daher ist die Justage äußerst aufwändig und die mechanische wie thermische Stabilität aufgrund der zu verbindenden Einzelkomponenten gering.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Leitung von spektral zu analysierendem Messlicht derart auszugestalten und weiterzubilden, dass mit konstruktiv einfachen Mitteln möglichst viel Messlicht mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis bereitgestellt wird. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Einrichtung angegeben werden. Des Weiteren soll eine verbesserte Vorrichtung zur Abstands- und/oder Dickenmessung angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Danach ist die in Rede stehende Einrichtung zur Leitung von spektral zu analysierendem Messlicht in einem Abstands- und/oder Dickenmesssystem, insbesondere in einem konfokal-chromatischen oder interferometrischen Abstands- und/oder Dickenmesssystem, mit einem Lichtwellenleiter, wobei der Lichtwellenleiter ein, vorzugweise von einer Ferrule gehaltenes, Austrittsende für das Messlicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Austrittsende eine Blende mit einer Blendenöffnung angeordnet ist.
In Bezug auf die Vorrichtung wird die zugrundeliegende Aufgabe durch die Merkmale des nebengeordneten Anspruchs 13 gelöst. Damit ist eine Vorrichtung zur Abstands- und/oder Dickenmessung, insbesondere zur interferometrischen und/oder konfokal-chromatischen Abstands- und/oder Dickenmessung, beansprucht, mit einer Einrichtung zur Leitung von Messlicht nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und einem einen Detektor aufweisenden Spektrometer zur Auswertung des Messlichts, wobei das Austrittsende des Lichtwellenleiters, das die Blende mit der Blendenöffnung aufweist, in und/oder an dem Spektrometer angeordnet ist.
Durch die erfindungsgemäße Einrichtung wird eine bedeutende Lichtleistungssteigerung erreicht, da der Durchmesser des Lichtwellenleiters, insbesondere ein Faserdurchmesser, unter Beibehaltung der gleichen spektralen Trennschärfe bedeutend vergrößert und so eine deutlich größere Lichtmenge im Messsystem verarbeitet werden kann. Dies zeigt sich letztlich in einer bedeutenden Steigerung der möglichen Messfrequenz auch auf Materialien mit geringer Reflektivität. Ganz besonders kommt dies bei einer Verwendung in einer Vorrichtung mit einer rechteckigen Detektorzeilengeometrie mit Pixelaspektverhältnissen (PAR) deutlich unter 1 zum Tragen, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise einen solchen Detektor aufweisen kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass eine höhere Trennschärfe im Vergleich mit einem System mit unbeblendetem Lichtwellenleiter erzielbar ist. Die Trennschärfe eines Detektors, insbesondere eines Spektrometers, bezeichnet die Fähigkeit, zwei eng beieinanderliegende Maxima eines kontinuierlichen Spektrums mittels einer räumlich diskreten Abtastung eindeutig zu unterscheiden. In erfindungsgemäßer Weise, kann eine bedeutend höhere Trennschärfe im Spektrometer erreicht werden, da durch die, insbesondere seitliche, Beblendung die Breite des Lichtquellenabbilds an das Aspektverhältnis der Zeile angepasst werden kann. Bei Abstandsmesssystemen bedeutet die Erhöhung der Trennschärfe in einem ansonsten gleichen System letztlich eine Verbesserung der Abstandsauflösung. Die Blende kann unmittelbar auf das Auftrittsende aufgebracht bzw. auf beliebige Weise auf diesem angeordnet sein. Ein weiterer Vorteil besteht in der variablen Lichtleistung, da durch eine Anpassung der Größe der Blendenöffnung - neben einer Änderung der Lichtquellenintensität - auf unterschiedliche erforderliche Lichtleistungen für besondere Messaufgaben reagiert werden kann. Hier genügt lediglich der Einsatz eines Lichtwellenleiters mit anderer Blendengeometrie.
Zusätzlich zeichnet sich die erfindungsgemäße Lehre durch eine besonders einfache Positionierbarkeit der Blendenöffnung aus. Die Positionierung der Blendenöffnung gegenüber dem Lichtwellenleiter, insbesondere im Bezug zu einem Faserkern, ist durch ein leicht automatisierbares Verfahren mit einer sehr hohen Wiederholgenauigkeit erreichbar, insbesondere, wenn das Austrittsende des Lichtwellenleiters bzw. der Faser in einer Ferrule eingelassen ist, die vorzugsweise eine Mittenpositionstoleranz von < 1 pm aufweist. Des Weiteren ist es denkbar und von Vorteil, dass das Austrittsende des Lichtwellenleiters bzw. der Faser einen kreisrunden Querschnitt aufweist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Anordnung der Beblendung an dem Austrittsende des Lichtwellenleiters, dieser dazu geeignet ist, nicht in einem Messkopf, sondern in einem Spektrometer angeordnet zu werden. Eine solche Konstruktion ist durch die erfindungsgemäße Vorrichtung realisiert. Dies hat gegenüber einer messkopfseitigen Anordnung der Beblendung den weiteren Vorteil, dass die Blende keinen Einfluss auf die Projektion des Messlichtes auf das Messobjekt hat, sondern ausschließlich auf die Projektion des, insbesondere spektral zerlegten, Lichtes auf den Detektor bzw. eine Detektorzeile. Somit wird durch die Blende lediglich die spektrale Auflösung verbessert.
In vorteilhafter Weise ist die Blendenöffnung als Schlitz ausgebildet. Mit anderen Worten weist die effektive Öffnung eine längliche, schmale Geometrie auf. Die länglichen Seiten der Blendenöffnung können in weiter vorteilhafter Weise zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Dadurch ist es möglich, das Bild des Lichtwellenleiters an die Geometrie der Pixel eines nachgeordneten Detektors anzugleichen. In weiter vorteilhafter Weise kann der Detektor der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Zeilendetektor oder als Mehrzeilendetektor ausgebildet sein. Ein solcher Detektor kann quadratische oder rechteckige Pixel aufweisen, insbesondere mit einem Pixelaspektverhältnis (pixel aspect ratio) PAR = xp/yp = Pixelbreite I Pixelhöhe im Bereich von 1/40 bis 1/20. Durch eine schlitzförmige Blendenöffnung ist der aktive Bereich eines Zeilen- oder Mehrzeilendetektors besser ausnutzbar.
In weiter vorteilhafter Weise kann die Blendenöffnung eine von einem Rechteck abweichende Form aufweisen, insbesondere kissenförmig, tonnenförmig, linsenförmig oder oval ausgebildet sein. Durch eine Ausgestaltung kann die Blendenöffnung in idealer Weise an einen Detektor angepasst werden, so dass ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis erzielbar ist. Alternativ oder zusätzlich könnten an der Blende Perforationsöffnungen ausgebildet sein. Eine solche Perforation kann insbesondere als Mikroperforation realisiert sein und hat generell den Vorteil, dass hiermit die Kantenschärfe der Blendenabbildung auf dem Detektor variiert und damit die Ausprägung der Peakspitze an die Erfordernisse des Messsystems angepasst werden kann. Ein solcher Effekt könnte auch dadurch erzielt werden, dass die Blende zumindest im Randbereich der Blendenöffnung teiltransparent ausgebildet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Blendenöffnung zumindest bereichsweise eine gefaste Kante aufweisen. Falls das Material der Blende zudem optisch nicht vollständig dicht bzw. teiltransparent ist, kann auf diese Weise ein weicherer Kantenverlauf bei der Abbildung der Blende auf den Detektor erreicht werden. Dadurch wird ein ähnlich vorteilhafter Effekt erzielt, wie mit einer Blende, die aus einem teiltransparenten Material gebildet ist.
In vorteilhafter Weise kann die Blende durch eine auf das Austrittsende aufgebrachte und für das Messlicht teilweise transparente oder intransparente Beschichtung, beispielsweise aus einem Lack, ausgebildet sein. Dadurch ist auf besonders einfache Weise eine effektive Beblendung ermöglicht. Die Beschichtung kann mittels Mikroablation, Laserablation oder mechanisch teilweise entfernt sein, um dadurch die Blendenöffnung auszubilden. Des Weiteren ist es denkbar, dass die teilweise transparente oder intransparente Beschichtung auf das Austrittsende aufgedruckt ist. Somit können die Form der Blendenöffnung und ggf. weitere Ausgestaltungen wie eine Perforation, bereits durch das Druckbild erzeugt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Blende durch eine auf das Austrittsende aufgedruckte Chrombeschichtung ausgebildet sein. Auf die Chrombeschichtung kann ein fotochemischer Lack aufgebracht sein, der durch eine Maske entsprechend der Blende bzw. der Blendenöffnung sowie ggf. weiterer Ausgestaltungen gezielt belichtet worden ist und die Blendenöffnung freigeäzt ist.
In weiter vorteilhafter Weise kann sich die Blendenöffnung zumindest teilweise über einen Faserkern und zumindest teilweise über einen Fasermantel des Lichtwellenleiters erstrecken.
In besonders vorteilhafter Weise kann der Lichtwellenleiter eine Multimode-Faser, vorzugsweise eine Gradientenindexfaser oder eine Stufenindexfaser, aufweisen. Eine solche Faser eignet sich in hervorragender Weise zur Leitung von spektral zu analysierendem Licht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann/können der Lichtwellenleiter und/oder die Blende derart ausgerichtet sein, dass das beblendete Messlicht schräg zu einer Erstreckungsrichtung eines Detektorpixels auf den Detektor trifft. Mit anderen Worten kann das Abbild des Austrittsendes des Lichtwellenleiters im Bezug zu dem bzw. den Detektorpixel(n) verdreht sein, um damit das von den Detektorpixeln detektierte Intensitätsprofil zu verbessern. Dadurch ist insbesondere bei speziellen Messaufgaben eine besonders effektive Anpassung an den Detektor realisierbar.
In Bezug auf das Verfahren wird die zugrundeliegende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 16 gelöst. Damit ist ein Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 angegeben, wobei auf das Austrittsende des Lichtwellenleiters eine teilweise transparente oder intransparente Beschichtung aufgebracht wird und wobei die Blendenöffnung durch teilweise Entfernung der Beschichtung erzeugt wird.
Zunächst wird darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Einrichtung und die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine verfahrensmäßige Ausprägung aufweisen können. Die entsprechenden Merkmale und damit einhergehenden Vorteile können ausdrücklich Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens sein. Des Weiteren können die in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Merkmale und Vorteile auch Teil der erfindungsgemäßen Einrichtung sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung sein.
Die erfindungsgemäße Lehre betrifft die, insbesondere direkte, Applizierung einer Blende auf das, vorzugsweise von einer Ferrule gehaltene, Austrittsende eines, insbesondere geschliffenen multimodalen, Lichtwellenleiters. Insbesondere wenn der Lichtwellenleiter von einer zentriergenauen Ferrule umgeben ist, kann die Blende hochpräzise auf das Austrittsende mit hoher Wiederholgenauigkeit aufgebracht werden. Dazu sind verschiedene Methoden möglich. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zunächst eine teilweise transparente oder intransparente Beschichtung auf das Austrittsende aufgebracht und die Blendenöffnung anschließend im Laserablationsverfahren freigelegt. Hier ist von großem Vorteil, dass das Verfahren sehr flexibel angewendet werden kann, da keine Masken hierfür erforderlich sind. Zudem kann die zuvor aufgebrachte Schicht auch durch ein stufenweises Abtragen oder eine Mikroperforation lokal teiltransparent gestaltet werden, um hiermit den Intensitätsabfall im Randbereich der Blende bzw. der Blendenöffnung für die Abbildung zu beeinflussen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Blende auf das Austrittsende aufgedruckt werden. Insbesondere wenn der Lichtwellenleiter von eine Ferrule umgeben ist, kann eine äußerst präzise Positionierung durch den Druck erfolgen und wobei sich die Drucktechnologie als sehr flexibles Verfahren auszeichnet.
In weiter vorteilhafter Weise kann zur Erzeugung der Blende ein Lithografieverfahren genutzt werden. Dabei wird zunächst eine Chromschicht auf das Austrittsende aufgebracht, ein darauf aufgetragener fotochemischer Lack durch eine Maske teilweise belichtet und die Blendenöffnung freigeätzt. Auch hier ist eine individuelle Blendenform erreichbar.
Insgesamt können durch die erfindungsgemäße Lehre bzw. einzelne der voranstehend beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen folgende Vorteile erzielt werden:
- Flexiblere Komponentenwahl: Die Herausforderung beim Design eines Detektors bzw. Spektrometers liegt in der Tatsache, dass in diesem äußerst dynamischen Marktsegment wenige Komponenten einer Norm entsprechen. So gibt es beispielsweise selten Zeilendetektoren mit identischem Pixelpitch und Pixelaspekt am Markt, mit der Folge, dass mit jeder Komponentenabkündigung oder -änderung aufwändige und kostenintensive Änderung am Optikdesign einhergehen. Aufgrund der sehr einfachen Anpassbarkeit der Blendengeometrie, beispielsweise durch das Laserablationsverfahren, kann in begrenztem Maße auf geringfügige Änderungen flexibel reagiert werden und können beispielsweise verschiedene Durchmesser von Lichtwellenleitern und Zeilen mit unterschiedlichem Pixelpitch wie auch unterschiedlicher Pixelhöhe sehr individuell aufeinander angepasst werden, ohne das Optikdesign grundlegend ändern zu müssen.
- Feinjustage der Flankensteilheit: Da die Blende auf das Austrittsende eines Lichtwellenleiters, beispielsweise einer Faser, direkt aufgebracht werden kann, ist es erstens möglich, die Form der Blendenöffnung beliebig zu gestalten (oval, rechteckig, kissenförmig, ...) und zweitens kann die aufgetragene Schicht in der Dicke oder der Mikrostruktur beeinflusst werden, um so beispielsweise die Randschärfe der Abbildung zu reduzieren. Dies hat den Vorteil, dass der Intensitätspeak im Spektrogramm zwar sehr schlank sein kann, aber nicht in die Fehlersituation einer Unterabtastung durch die Zeile geraten kann. Ein weiterer Vorteil einer direkt aufgetragenen Blende ist die Möglichkeit, eine - vorzugsweise schlitzförmige - Blendenöffnung auf das Austrittsende in seiner Ausrichtung zur Detektorzeile einzustellen, beispielsweise zu verdrehen, und so ebenfalls die Randschärfe der Abbildung mit Feinjustage zu beeinflussen.
- Einfaches Optikdesign: Da aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre auf eine bedeutende Verkleinerung des optischen Abbildungsmaßstabs verzichtet werden kann, werden nennenswerte Kosten, Raum- und Gewichtssteigerungen eingespart. Zudem ergeben sich mit einer flexibel ausgestaltbaren Blende mehr Freiheiten beim Optikdesign beziehungsweise die Möglichkeit, andere Parameter zu optimieren.
- Höhere Flexibilität: Durch die einfache Herstellung der Blende, insbesondere durch Laserablation, ist es möglich, äußerst flexibel auf verschiedene Anforderungen an die Blende, beispielsweise die Form der Blendenöffnung, zu reagieren. So können Änderungen an weiteren Elementen der Vorrichtung, beispielsweise an einem Dispersionselement, an der Apertur des Lichtwellenleiters oder dem Durchmesser des Lichtwellenleiters oder zeilenseitig auch an der Pixelhöhe oder dem Pixelpitch des Detektors eine Anpassung der Blende erfordern. Ebenso können gegebenenfalls auch besondere Formen wie eine kissenförmige Gestalt der Blendenöffnung unkompliziert erzeugt werden.
- Bessere Stabilität: Im Hinblick auf eine Langzeitstabilität ist die Applikation der Blende auf das Austrittsende von besonderem Vorteil, da insbesondere dynamische Kraft- und Temperatureinflüsse die exakte Blendenpositionierung im Gegensatz zu einer separat angeordneten Blende nicht beeinträchtigen können.
- Keine Apertureinbußen: Bei einer direkt auf das Austrittsende aufgebrachte Blende kann die zur Verfügung stehende Apertur voll genutzt werden, wenn die Beschichtung hinreichend dünn ist. Bei der Anordnung einer separaten Blende würde ein möglicher Luftspalt zwischen Faserende und Blende dazu führen, dass ein Teil der zur Verfügung stehenden Apertur durch Beschneidung der höheren Austrittswinkel ungenutzt bleibt.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die abhängigen 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
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung die Abbildung eines Austrittsendes auf einen Zeilendetektor mit länglicher Pixelanordnung sowie das dazugehörige kontinuierliche Intensitätsprofil in Abhängigkeit von der Pixelposition,
Fig. 2 in einer schematischen Darstellung die Abbildung eines weiteren Austrittsendes auf einen Zeilendetektor mit länglicher Pixelanordnung sowie das dazugehörige kontinuierliche
Intensitätsprofil in Abhängigkeit von der Pixelposition,
Fig. 3 in einer schematischen Darstellung die Abbildung eines weiteren Austrittsendes auf einen Zeilendetektor mit länglicher Pixelanordnung sowie das dazugehörige kontinuierliche Intensitätsprofil in Abhängigkeit von der Pixelposition,
Fig. 4 in einer schematischen Darstellung die Abbildung eines weiteren Austrittsendes auf einen Zeilendetektor mit länglicher Pixelanordnung sowie das dazugehörige kontinuierliche Intensitätsprofil in Abhängigkeit von der Pixelposition,
Fig. 5 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel des Austrittsendes des Lichtleiters einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
Fig. 6 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel des Austrittsendes des Lichtleiters einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
Fig. 7 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel des Austrittsendes des Lichtleiters einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
Fig. 8 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel des Austrittsendes des Lichtleiters einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
Fig. 9 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel des Austrittsendes des Lichtleiters einer erfindungsgemäßen Einrichtung, und Fig. 10 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In den Figuren 1 bis 4 sind beispielhaft die auf einen Zeilendetektor 7 fallenden Strahlbilder 8 verschiedenartiger Blenden und deren von der Zeile empfangenen Intensitätsprofile 10 gezeigt. Dabei sind die Intensitätsprofile 10 zur Vereinfachung in kontinuierlicher Form dargestellt und nicht in einem der diskreten Abtastung entsprechenden Stufenprofil.
In Fig. 1 ist ein Zeilendetektor 7 mit schmalen, hochkant nebeneinander angeordneten Detektorpixeln 9 dargestellt. Das kreisrunde Strahlbild 8 füllt hierbei nahezu die gesamte Zeilenhöhe, wodurch der Detektor 7 die gesamte zur Verfügung stehende Strahlungsmenge verarbeitet. Um nun die Peakbreite zur reduzieren, wird in erfindungsgemäßer Weise die „natürliche“ Punktblende des Lichtwellenleiters 11 mit einer zusätzlichen Blende 1 beblendet, um damit das Bild des Lichtwellenleiters 11 der Pixelgeometrie anzunähern. In Fig. 2 ist eine derartige Beblendung mit dem dazugehörigen Intensitätsprofil 10 beispielhaft dargestellt. Hierbei wird auch deutlich, dass bei geeigneter Ausführung durch die seitliche Beblendung die für die Belichtungszeit entscheidende Intensität des Peakmaximums unverändert bleibt und die durch die Blende 1 verursachten Lichtverluste nur der gewollten Verschlankung des Peakfußes dienen.
Fig. 1 zeigt das idealisierte Profil einer Gradientenindexfaser. Die Punktspreizfunktion hat hierbei eine gaußähnliche Verteilung und erstreckt sich über eine Vielzahl von angedeuteten länglichen Detektorpixeln 9. Für den Einsatz in dem Spektrometer eines konfokal-chromatischen oder interferometrischen Abstandsmessgerätes ist dieses Profil viel zu breit, da zwei oder mehrere dicht beieinanderliegende Abstände eine untrennbare Überlagerung der separaten Messpeaks erzeugen würden.
Eine Beblendung des Austrittsendes 12 des Lichtwellenleiters 11 mit einer Blende 1 , die eine schlitzförmige Blendenöffnung 4 aufweist, wie sie die Fig. 2 zeigt, würde einen sehr schmalen Messpeak erzeugen, der nur wenige Pixelflächen erreicht. Ist das Strahlprofil jedoch zu schmal, gibt es mehrere Nachteile. Zum einen ist zum Erreichen von Subpixelauflösung beim konfokalen Messverfahren die Beleuchtung mehrerer Pixel mit ausreichendem Signal-Rausch-Abstand für eine stabile Schwerpunktsbestimmung unverzichtbar. Zum anderen haben Detektorzeilen zwischen den Pixeln nicht zu unterschätzende inaktive Flächenbereiche, durch die mit Abnahme der Signalbreite das Risiko für Intensitätseinbrüche bei der Detektion wächst. Dadurch kann es beim konfokalen Verfahren im Extremfall zum Signalverlust kommen, beim interferometrischen Verfahren hingegen zur Artefaktbildung durch die Aufprägung einer zusätzlichen Oszillation auf das Messsignal.
Daher ist ideale Breite einer Blendenöffnung 4 abhängig vom modellspezifischen Pixelpitch des Zeilendetektors 7 und dem Verhältnis von aktiven zu inaktiven Flächen sowie der spezifischen Anforderung an die spektrale Auflösung. Die Herstellungs- und Justagetoleranzen bei der Breite der Blendenöffnung 4, bei der numerischen Apertur der Lichtwellenleiter 11 und bei den im Spektrometer verbauten Optiken bewirken eine Varianz der Intensitätsverteilung des auf die Detektorpixel 9 abgebildeten Lichtwellenleiters 11. Da die Blende 1 unmittelbar mit dem Austrittsende 12 verbunden und zudem in der Regel in einer runde Ferrule eingelassen ist, bietet sich die Möglichkeit, dieses Abbild des Austrittsendes 12 im Bezug zu den Detektorpixeln 9 zu verdrehen und damit das von den Detektorpixeln 9 detektierte Intensitätsprofil 10 zu beeinflussen (vgl. Fig. 3). Durch die Verdrehung wird der Fuß des Peaks etwas verbreitert und dadurch werden mehr Pixel für die Abtastung beansprucht, was u.a. zu einer sichereren Lagebestimmung des Schwerpunktes beim konfokalen Messverfahren führt. Die Breite des Peaks im Bereich der Spitze vergrößert sich dabei nicht so schnell, wie sich der Peak aus dem Untergrund heraushebt.
Eine weitere Möglichkeit, eine hinreichende Pixelzahl zur Pixelpositionsbestimmung zu verwenden, aber dennoch eine besondere Wichtung der Peakspitze zu bewirken, ist die Verwendung eines teiltransparenten Schichtmaterials für die Blende 1 (vgl. Fig. 4). Hierdurch hebt sich eine mehrere Pixel breite Glockenform aus dem Untergrund. Die exakte Positionierung bleibt durch die dennoch schmale Peakspitze vorhanden. Ein ähnlicher Effekt kann auch durch Perforationsöffnungen 6 der Blende 1 beispielsweise mit Hilfe der Laserablation erreicht werden. Durch die vorgestellten Fertigungsverfahren ist eine präzise Herstellung verschiedener Blendenformen möglich, von denen einige beispielhaft in den Figuren 5 bis 9 aufgezeigt sind.
Fig. 5 zeigt eine Blende 1 mit einer Blendenöffnung 4, die als paralleler Schlitz ausgebildet ist und auf das Austrittsende 12 eines Lichtwellenleiters 11 aufgebracht ist. Der einfache Parallelschlitz kann fertigungsbedingt neben dem Faserkern 2 (engl. core) auch den Fasermantel 3 (engl. cladding) freilegen. Hiermit ist gewährleistet, dass die vollständige zur Verfügung stehende Apertur für die Schlitzhöhe verwendet wird.
Fig. 6 stellt eine Blende 1 mit einer Anfasung 5 an den Kanten der Blendenöffnung 4 dar. Falls das Blendenmaterial optisch nicht vollständig dicht ist, kann ein so ausgedünnter Spaltrand zu einer weicheren Kantenabbildung führen, einem ähnlichen Effekt, wie er mit Fig. 4 dargestellt ist. Bei der Formung der Blendenöffnung 4 mittels der Laserablation kann die Kante auch durch den Laserstrahl bedingt sein.
Eine vorteilhafte Gestaltung der Blendenöffnung 4 kann auch eine tonnenförmige (vgl. Fig. 7) oder kissenförmige Form (vgl. Fig. 8) aufweisen. Auch ist es möglich, die Schärfe der Kante der Blendenöffnung 4 oder die optische Dichtheit der Blende 1 durch eine Perforation 6 bzw. Mikroperforation zu erzeugen, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist.
Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese weist eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Einleiten von Messlicht auf, wie sie beispielsweise in den voranstehend beschriebenen Figuren 1 bis 9 dargestellt ist. Wesentlich ist dabei, dass das Austrittsende 12 des Lichtwellenleiters 11 , das die Blende 1 aufweist, in bzw. an dem Spektrometer 13 angeordnet ist. Somit hat die Blende 1 keinen Einfluss auf die Projektion des Messlichtes auf das Messobjekt.
Die Funktion der Vorrichtung ist dabei wie folgt. Das Beleuchtungslicht wird von einer Lichtquelle 14 über einen Teil eines Lichtwellenkopplers und ein Objektiv 15 auf ein nicht dargestelltes Messobjekt geleitet. Das Messlicht wird von dem Messobjekt über das Objektiv 15 in den Lichtwellenleiter 11 des Lichtwellenkopplers gekoppelt. Über das in dem Spektrometer 13 angeordnete Austrittsende 12 des Lichtwellenleiters 11 wird das Messlicht ggf. über weitere optische Elemente auf den Detektor 16 geleitet, der in diesem Ausführungsbeispiel als Zeilendetektor ausgebildet ist. Der Lichtwellenleiter 11 ist im hier gezeigte Ausführungsbeispiel Teil eines Lichtwellenkopplers, der aus den Teilstrecken Lichtquelle zu Koppelstelle, Koppelstelle zu/von Objektiv und Koppelstelle zu Spektrometer (Lichtwellenleiter 11 ) gebildet ist. Die Koppelstelle könnte auch durch einen Strahlteiler(würfel) gebildet sein. Auch muss die Strecke zwischen Koppelstelle und Objektiv nicht zwangsweise ausgebildet sein, d.h. ein Wegfall der gemeinsamen Hin- und Rückstrecke ist möglich. Der Lichtwellenleiter 11 der hier dargestellte Ausführungsform könnte als Faserschmelz oder Faserschliffkoppler ausgebildet sein. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der Strahlengang des Beleuchtungslichts und des Messlichts auch anders ausgebildet sein kann; wesentlich ist lediglich, dass das Austrittsende 12 des Lichtwellenleiters 11 spektrometerseitig angeordnet ist.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
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.
zugszeichenliste Blende Faserkern Fasermantel Blendenöffnung Fase Perforationsöffnungen Zeilendetektor Strahlbild Detektorpixel Intensitätsprofil Lichtwellenleiter Austrittsende Spektrometer Lichtquelle Objektiv Detektor

Claims

A n s p r ü c h e
1. Einrichtung zur Leitung von spektral zu analysierendem Messlicht in einem Abstands- und/oder Dickenmesssystem, insbesondere in einem konfokalchromatischen oder interferometrischen Abstands- und/oder Dickenmesssystem, mit einem Lichtwellenleiter (11 ), wobei der Lichtwellenleiter (11 ) ein, vorzugweise von einer Ferrule gehaltenes, Austrittsende (12) für das Messlicht aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass auf dem Austrittsende (12) eine Blende (1) mit einer Blendenöffnung (4) angeordnet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnung (4) als, vorzugsweise paralleler, Schlitz ausgebildet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnung (4) eine von einem Rechteck abweichende Form aufweist, die insbesondere kissenförmig, tonnenförmig, linsenförmig oder oval ausgebildet ist.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Blende (1 ) Perforationsöffnungen (6) ausgebildet sind.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnung (4) zumindest bereichsweise eine gefaste Kante aufweist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (1) zumindest im Randbereich der Blendenöffnung (4) teiltransparent ausgebildet ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (1 ) durch eine auf das Austrittsende (12) aufgebrachte und für das Messlicht teilweise transparente oder intransparente Beschichtung, beispielsweise aus einem Lack, ausgebildet ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mittels Mikroablation, Laserablation oder mechanisch teilweise entfernt ist, um die Blendenöffnung (4) auszubilden.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (1 ) durch eine auf das Austrittsende (12) aufgedruckte Chrombeschichtung ausgebildet ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Chrombeschichtung ein fotochemischer Lack angeordnet ist, der teilweise belichtet ist und die Blendenöffnung (4) durch Ätzen ausgebildet ist.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Blendenöffnung (4) zumindest teilweise über einen Faserkern (2) und zumindest teilweise über einen Fasermantel (3) des Lichtwellenleiters (11 ) erstreckt.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (11 ) eine Multimode-Faser, vorzugsweise eine Gradientenindexfaser oder eine Stufenindexfaser, aufweist.
13. Vorrichtung zur Abstands- und/oder Dickenmessung, insbesondere zur interferometrischen und/oder konfokal-chromatischen Abstands- und/oder Dickenmessung, mit einer Einrichtung zur Leitung von Messlicht nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und einem einen Detektor (16) aufweisenden Spektrometer (13) zur Auswertung des Messlichts, wobei das Austrittsende (12) des Lichtwellenleiters (11 ), das die Blende (1) mit der Blendenöffnung (4) aufweist, in und/oder an dem Spektrometer (13) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor als Zeilendetektor (7) oder als Mehrzeilendetektor ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (11 ) und/oder die Blende (1 ) derart ausgerichtet ist/sind, dass das beblendete Messlicht schräg zu einer Erstreckungsrichtung eines Detektorpixels (9) des Detektors auf den Detektor trifft.
16. Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei auf das Austrittsende (12) des Lichtwellenleiters (11 ) eine für das Messlicht teilweise transparente oder intransparente Beschichtung aufgebracht wird und wobei die Blendenöffnung (4) durch teilweise Entfernung der Beschichtung erzeugt wird.
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