WO2017202925A1 - Verfahren und vorrichtung zur optischen analyse eines prüflings - Google Patents

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WO2017202925A1
WO2017202925A1 PCT/EP2017/062564 EP2017062564W WO2017202925A1 WO 2017202925 A1 WO2017202925 A1 WO 2017202925A1 EP 2017062564 W EP2017062564 W EP 2017062564W WO 2017202925 A1 WO2017202925 A1 WO 2017202925A1
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WO
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test
beams
illumination device
detector
detection surface
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PCT/EP2017/062564
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Inventor
Thomas Henning
Friedrich Fleischmann
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Hochschule Bremen
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0242—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations
    • G01M11/025—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations by determining the shape of the object to be tested
    • 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
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G—PHYSICS
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    • G01M11/0242—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations
    • G01M11/0257—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations by analyzing the image formed by the object to be tested

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for optical analysis of a test object.
  • the publication DE 10 2007 003 681 A1 describes a method for analyzing an optical device in which a test beam passes through the optical device and the beam path of the test beam is determined via its impact positions in a plurality of detection planes. For this purpose, a two-dimensional intensity sensor is moved into the respective detection planes. In this case, the surface of the optical device can be scanned by means of the test beam and thereby properties of the optical device are determined, such as the quality of the image by analyzing the shape of the wavefront after passing through the optical device.
  • Document DE 10 2013 219 440 A1 discloses a device for the optical analysis of a test object with a beam source for generating a test beam.
  • a beam splitter for splitting the test beam after passing the test specimen to be analyzed into a plurality of sub-beams.
  • the impact position of the partial beams is detected on a detection surface.
  • the beam path of the test beam can be determined in only one detection plane.
  • a disadvantage of this device is that the impact positions of the partial beams produced are far apart, so that caused by the DUT greater deflections of the partial beams with conventional detectors can not be detected for lack of sufficiently large detection surface. The acceptance angle at which deflections of test beams can be detected is thus small.
  • the object of the invention is to provide a method and a device with which the optical analysis of a test object with good local resolution can be carried out.
  • a test object is optically analyzed.
  • a lighting device generates a plurality of test beams from a set of test beams, wherein the set of test beams comprises at least a part (eg all) of the test beams that can be generated by the lighting device.
  • These test beams are directed onto the test specimen to be analyzed by the illumination device.
  • the plurality of test beams comprise all test beams of the set of test beams.
  • the test beams of the set of test beams are not parallel in a local coordinate system of the illumination device. In other words, the test beams can run obliquely to each other and thereby meet at a point or they can be arranged skewed to each other.
  • the local coordinate system of the illumination device is a co-ordinate ordinate system, which moves if the lighting device changes its position. In this sense, the lighting device in the local coordinate system is always stationary.
  • the term test beam is to be understood to mean that it is always the same test beam, provided that it has the same position in the local coordinate system of the illumination device, irrespective of which (global) position the illumination device is, and independently whether the test beam is generated one or more times.
  • a respective measurement position relates to a relative arrangement of the illumination device and the specimen to each other.
  • the plurality of measurement positions are adjusted by moving the illumination device and / or the specimen against each other.
  • the multiple measurement positions can also be adjusted by rotation of the illumination device and / or the test object.
  • the illumination device In a respective measurement position of the plurality of measurement positions, the illumination device generates at least one of the test beams from the set of test beams and directs them to the test object.
  • the term measurement position is to be understood such that identical measurement positions, which are taken at different times, represent a single measurement position within the meaning of the invention.
  • test beams are detected in respective measurement positions of the several measurement positions after passing the test object in their presence by the impingement of the test beam (s) after passing the test specimen or the impingement of one or more beams resulting from the one or more beams
  • Test beams emerge after passing the test object is detected spatially resolved on at least one detection surface of the detector.
  • test beams are always detected by the detector when a corresponding impact of the test beam (s) or rays emerging therefrom is detected. can be done. This does not have to be the case in every measuring position, since under certain circumstances no test beam hits the detection surface in the respective measuring position.
  • at least one test beam can be detected in each measuring position.
  • the term "passing the test piece” covers both the passage of the test beam through the test object and the reflection of the test beam on the test object, making the method suitable for the analysis of both reflecting test specimens and transmitting test specimens.
  • the at least one detection surface is preferably planar, in particular the at least one detection surface is a single (continuous) detection surface Alternatively, the detection surface may comprise a plurality of detection surfaces arranged in the same plane ,
  • the beam paths of at least part of the detected test beams and, therefrom, one or more optical properties of the test object are determined in the method according to the invention from the spatially resolved detections of the detector.
  • the optical properties may be e.g. refer to the shape of the surface of the specimen or the shape of the wavefront after passing the specimen, as will be explained below.
  • the method according to the invention has the advantage that the use of a plurality of non-parallel test beams increases the probability that at least one test beam will fall on the detection surface of the detector even with larger deflections of certain test beams by the test object. If necessary, it can also be ensured by suitable design that a test beam can be detected in each measuring position.
  • the test object can thus be measured with an improved resolution, since measurement values in the form of spatially resolved detections of the detector exist for more measurement positions.
  • the angle between the test beams of each pair of test beams from the set of test beams lies in the local coordinate system of the illumination device, the angle between the test beams of each pair of test beams from the set of test beams between 10 ° and 110 °, in particular between 30 ° and 100 ° and preferably between 45 ° and 95 ° particularly preferred at 90 °.
  • the illumination device and the detector form an assembly, wherein the actuator and the device under test are moved relative to each other. In other words, the detector moves with the movement of the illumination device.
  • the illumination device generates in each case at least one part and in particular all of the several measurement positions a plurality of test beams and preferably all test beams of the quantity of test beams. These test beams are again directed to the test object. This increases the probability that at least one test beam can be detected by the detector.
  • the illumination device generates in each currently set measuring position of at least one part and in particular all of the several measuring positions a plurality of test beams and preferably all test beams of the set of test beams and directs these test beams onto the test object.
  • a plurality of measuring passes respective measuring positions of at least one part and in particular all of the several measuring positions are set once.
  • the illumination device always directs the same (individual) test beam in a respective measurement run and different test beams on the test object in different measuring processes.
  • the lighting device in a subset of the plurality of measuring positions directs a subset of the test steel of the quantity of test beams and in a different subset of a plurality of measurement positions another subset of the strigstahlen the amount of test beams on the test specimen, wherein the measurement position or measurement positions of a subset of the plurality of measurement positions are at least partially different from the measurement position or the measurement positions of the other subset of the plurality of measurement positions and wherein the test beam or Test beams of a subset of the test beams are at least partially different from the test beam or the test beams of the other subset of the test beams.
  • This variant is used in particular if it is known in advance in which measurement positions certain test beams can be detected by the detector with a higher probability.
  • the illumination device directs in each currently set measurement position of at least one part and in particular all of the several measurement positions successively different test beams on the test specimen until such a test beam (if any) is found, after passing the test specimen the at least one detection surface of the detector impinges or from which emerge one or more jets which impinge on the at least one detection surface.
  • the illumination device is arranged with respect to the at least one detection surface of the detector such that the test beams of the set of test beams are positioned symmetrically about the at least one detection surface. In other words, the test beams are arranged at equal angular intervals around the at least one detection surface.
  • the at least one detection surface can be arranged in a plurality of different positions in the detector, wherein these positions are preferably positions that are offset from one another in the direction perpendicular to the at least one detection surface.
  • the impact of the test beam (s) after passing through the test object is localized. solves on the detected at least one detection surface in at least two different positions of the at least one detection surface. By detecting in different positions of the detection surface, the beam path of the respective test beam can be derived.
  • a beam splitter is arranged in front of the at least one detection surface of the detector, the test beams after passing the specimen each divided into a plurality of partial beams by means of a number of beam-splitting surfaces, wherein a respective beam splitting surface a beam splitting by reflection and transmission of one falling beam causes.
  • the plurality of partial beams After passing through the beam splitter, the plurality of partial beams impinge on the at least one detection surface and are detected there.
  • the beam splitter is further configured such that the partial beams cover different optical path lengths until they hit the at least one detection surface.
  • a respective beam-splitting surface is a continuous (i.e., non-height-discontinuous) surface which is preferably formed of a one-piece material.
  • the beam-splitting surfaces may be e.g. consist of known dielectric materials.
  • a beam splitter can be used, which is described in the document DE 10 2013 219 440 AI.
  • the above beam splitter is configured such that all detected partial beams leave the beam splitter via the same beam-splitting surface and then impinge on the at least one detection surface.
  • the beam splitter is thus configured and in this sense also arranged such that all detected sub-beams emerge from the beam splitter via the same beam-splitting surface.
  • the use of a single beam splitting surface over which all (subsequently) detected partial beams emerge and at which also reflections of the partial beams take place can reduce the mutual distance of the partial beams on the at least one detection surface. As a result, the acceptance angle is increased during the detection of the test beams. Furthermore, the method can be realized with a compact beam splitter.
  • the above beam splitter is designed such that in each case a plurality of reflections are involved in the generation of one or more of the detected sub-beams at the beam-splitting surfaces. Thereby, the detection of a large number of partial beams can be achieved with a single detector.
  • the above beam splitter is designed in such a way that test beams enter the beam splitter via the same beam-splitting surface after passing through the test object.
  • the term "entry into the beam splitter" is to be understood as meaning the first-time impact of the respective test beam on the corresponding beam-splitting surface after passing through the test object.
  • the method can be realized with a particularly compact beam splitter.
  • the at least one detection surface is arranged on the beam-splitting surface, via which the detected partial beams leave the beam splitter.
  • the at least one detection surface bears against this beam-dividing surface.
  • the above beam splitter comprises a body of transparent (ie, at least partially transparent) material for the test beams and the partial beams, the beam-splitting surfaces being formed on two opposite boundary surfaces of the body, for example by means of a dielectric coating known per se Material.
  • the transparent material can be, for example, glass or else a plastic, for example PMMA (polymethyl acrylate) or PC (polycarbonate).
  • the beam splitter is particularly simple. Nevertheless, if necessary, the beam splitter can also be realized in other ways, for example by two opposite and preferably parallel plates or another resonator.
  • the beam-splitting surfaces of the above beam splitter are plane surfaces.
  • the beam-splitting surfaces can run parallel to one another or, if appropriate, also at an angle to one another.
  • the evaluation unit determines a respective beam path of a test beam after passing through the test specimen by determining the angle of incidence of the test beam on one of the beam-splitting surfaces of the beam splitter, wherein the angle of incidence of one or more distances between the impact positions of the partial beams on the at least one detection surface is determined.
  • the beam-splitting surface, for which the angle of incidence is determined corresponds to a beam-splitting surface. via which the corresponding test beam enters the beam splitter.
  • the evaluation unit determines the shape of at least one surface of the test object and / or the optical wavefront after passing through the test object and / or sizes which depend on the shape of the at least one surface or on the optical wavefront (eg the gradient field of the wavefront).
  • Such properties can be determined by methods known per se from the beam paths of the test beams. For example, a zonal or modal integration can be carried out or the methods described in the document DE 10 2007 003 681 A1 (eg Zernike polynomials) can be used.
  • the evaluation unit determines as properties of the test specimen the shape of a plurality of surfaces of the test specimen and / or sizes which depend on the shape of the plurality of surfaces, for which purpose a plurality of beam profiles of the same test beam are determined in a respective measurement position. These multiple beam paths differ in that the test beam was reflected on each other surface of the multiple surfaces.
  • This variant of the invention has the advantage that two surfaces of the test object can be measured in parallel.
  • the test beams pass through the beam splitter before passing through the test object and, after passing through the test object, enter the beam splitter again, in which case the splitter tion of the respective test beam is used in several sub-beams for determining the beam path of the test beam. Nonetheless, the test beam can also enter the beam splitter for the first time after passing the test specimen.
  • the invention relates to a device for optical analysis of a test specimen.
  • This apparatus comprises an illumination device which, during operation of the device, generates a plurality of test beams from a set of test beams which comprise at least a portion (eg all) of the test beams generatable by the illumination device and directs them to the test beam, the test beams corresponding to the quantity of test beams in a local coordinate system of the illumination device non-parallel to each other.
  • the device further comprises an actuator to set a plurality of measurement positions by changing the position of the illumination device and / or the position of the specimen, the illumination device generates in a respective measurement position of the plurality of measurement positions at least one of the test beams from the set of test beams and directed to the test beam ,
  • the illumination device and the actuator system in the device are controllable such that the above generation and alignment of the test beams is achieved.
  • a detector is further provided to detect one or more test beams in respective measurement positions of the plurality of measurement positions after passing the test specimen by the impact of the test beam (s) after passing of the test object or the impact of one or more beams, which emerge from the test beam (s) after passing through the test object, is detected in a spatially resolved manner on at least one detection surface of the detector.
  • the device further includes an evaluation unit in order to determine from the spatially resolved detections of the detector the beam paths of at least part of the detected test beams and, therefrom, one or more optical properties of the test object.
  • the device according to the invention is preferably designed such that one or more preferred variants of the method according to the invention can be carried out with the device. If variants of the method according to the invention relate to specific components of the device, such as the illumination device, the detector or the beam splitter, these components are designed in such a way that the relevant variant of the method can be carried out with the respective components.
  • Fig. 1 is a schematic perspective view of a first embodiment of an apparatus for carrying out the method according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic perspective view of a second embodiment of an apparatus for carrying out the method according to the invention
  • FIG. 3 is a side sectional view of a third embodiment of an apparatus for carrying out the method according to the invention
  • 4 shows a plan view of the detection surface of the detector from FIG. 3 with corresponding impact positions of partial beams
  • FIG. 5 is a sectional view illustrating the detection of multiple surface shapes according to a variant of the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic perspective view of a first embodiment of an apparatus for performing the method according to the invention.
  • the device comprises an illumination device 1, which consists of four obliquely arranged beam sources 100, which are stationary in the illumination device.
  • the beam sources may be, for example, laser sources.
  • the individual beam sources 100 generate a total of four test beams PI, P2, P3 and P4, which are directed onto the surface O of a device under test 2, wherein the device under test is arranged in a predetermined measurement plane ME.
  • the aim is to determine the shape of the surface O, i. Three-dimensional coordinates of surface positions in the global Cartesian coordinate system K, to determine.
  • the illumination device 1 is arranged with the beam sources 100 via a (not shown) actuators in a plurality of different measuring positions, wherein the measuring position of FIG. 1 is designated by MP.
  • Each measuring position is characterized by a different arrangement of the illumination device 1 relative to the specimen 2.
  • the different measuring positions are set by moving the lighting device 1 parallel to the measuring plane ME.
  • a detector 5 with a corresponding detection surface 5a is provided in the device of FIG. 1, wherein the detection surface is designed, for example, as a CCD sensor.
  • This detection surface can be arranged in the detector 5 in at least two different positions, which are offset from one another perpendicular to the detection surface.
  • the detector 5 is connected to an evaluation unit 6 (eg a computer) via a data line 7.
  • the arrangement of Fig. 1 may also be arranged within a hollow body, which may be configured, for example, hemispherical.
  • the individual test beams PI to P4 are not parallel to one another, wherein they can meet at one point and, if appropriate, can also be skewed relative to one another.
  • the test beams are arranged such that they meet at a point which is, for example, in the measurement plane ME. Due to the non-parallel arrangement of the test beams, these pairs have an angle to each other, which is smaller than 180 °.
  • the test beams PI to P4 are successively directed onto the surface successively by switching on the corresponding beam source 100. About the order of turning on the test beams is encoded which of the test beams is currently activated.
  • the coding of the different test beams can also take place in a different way than by the time sequence of their activation, eg via different physical states of the individual test beams (eg wavelength, polarization) or by modulation of the test beams in order to transmit a binary code, for example.
  • the impact position of this test beam on the detection surface 5a after reflection on the surface O of the device under test 2 is detected.
  • such an impact position is designated by AP.
  • test beams may be the case that the reflected test beam is no longer in the capture range of the detector, ie the deflection of the test beam is such that it no longer falls on the detection surface 5 a.
  • the deflection of the test beam is such that it no longer falls on the detection surface 5 a.
  • the arrangement of the test beams is such that for each measuring position the impact of at least one test beam on the detection surface 5 a can be detected.
  • the impact position of a corresponding reflected test beam is determined in the two offset positions of the detection surface 5 a. From this, the course of the test beam in the form of its angle of incidence on the detection surface is determined in a manner known per se. The determination of the angle of incidence is explained by way of example with reference to the embodiment of FIG. From the known angle of the test beam, the inclination of the surface normal at the surface position at which the test beam was reflected can be determined from the known position of the measuring plane ME and the likewise known direction of the test beam when leaving the corresponding beam source 100.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of an apparatus for carrying out the method according to the invention.
  • This device differs from the device of FIG. 1 in that a single beam source 100 is used to produce the obliquely arranged test beams PI to P3.
  • the beam of this beam source is via an array 4 of several adjacent prisms in three oblique sub-beams PI, P2 and P3 disassembled. These partial beams then represent the test beams, which are directed onto the surface O of the test piece 2.
  • the measurement of the surface of the specimens 2 takes place in Fig. 2 in the same manner as in Fig. 1, but only three instead of four test beams are used.
  • FIG. 3 shows a schematic side sectional view of a third embodiment of an apparatus for carrying out the method according to the invention.
  • This embodiment differs from the embodiments of FIGS. 1 and 2 in that instead of the impact of a reflected test beam on the detection surface 5 a, the impact of five partial beams T 1 to T 5 is detected, which emerge from the reflected test beam by beam splitting ,
  • a beam splitter 3 of transparent material is used with a thickness d, wherein on the top and the bottom of the beam splitter beam-splitting surfaces 3a and 3b, for example, from a coating of dielectric material, are provided.
  • the beam splitter 3 is arranged in front of the detection surface 5a of the detector 5, wherein the detector is in turn connected via a data line 7 to an evaluation unit 6.
  • a lighting device 1 with a plurality of beam sources 100 is used, two such beam sources being provided.
  • the beam sources send the two test beams PI and P2 at different angles to the test piece 2 to ensure that at least one of the test beams is incident on the beam splitter, so that partial beams Tl to T5 can be detected in a spatially resolved manner.
  • the detection of a test beam or corresponding partial beams is explained below on the basis of the test beam PI and runs analogously for the test beam P2.
  • the test beam PI initially falls on the surface of the specimen 2. There, it is reflected and then passes to the lower beam-splitting surface 3b.
  • the portion of the test beam transmitted via the beam-dividing surface 3b passes through the beam splitter and is transmitted to the beam-splitting surface 3a in the transmitted partial beam.
  • beam Tl and a reflected sub-beam split The transmitted partial beam Tl reaches the detection surface 5a of the detector 5.
  • the partial beam reflected at the surface 3a is then successively split again at the surfaces 3b and 3a into transmitted and reflected portions, whereby partial beams T2, T3, T4 and T5 are generated emerging from the beam splitting surface 3 a and detected on the detection surface 5a.
  • the distances ⁇ shown between the partial beams Tl to T5 are the same size.
  • the individual partial beams differ in their number of reflections on the beam-splitting surface 3b.
  • the partial beam Tl was not reflected at the reflection surface 3b at all, whereas the partial beam T2 emerges from a reflection, the partial beam T3 from two reflections, the partial beam T4 from three reflections and the partial beam T5 from four reflections at the beam-splitting surface 3b.
  • 4 shows, by way of example, a plan view of the detection surface 5a of the detector from FIG. 3.
  • the two-dimensional positions on the detection surface are described by the local Cartesian coordinate system with the x_s and y_s axes. If n partial beams fall on the detector, they strike the detection surface 5 a in mutually offset, uniformly spaced positions PO 1, PO 2, PO 3, POn. As already mentioned, the uniform spacing of the impact positions results from the fact that the two beam-splitting surfaces 3a and 3b run parallel. For non-parallel surfaces, the distance between the individual landing positions is not constant.
  • the determination of the impact positions PO1 to POn preferably proceeds in such a way that the intensity distribution of the incident partial beams is measured by the detection surface 5a and the center of gravity of this intensity distribution is determined. This center of gravity is equated with the corresponding impact position.
  • the determination of the impact positions can be effected by a digital or analog electronics of the detector 5 or, if appropriate, also be carried out by the evaluation unit 6.
  • the embodiment shown in FIG. 3 has the advantage that the detection surface 5 a does not have to be arranged in different positions to determine the beam paths of the test beams, since impact positions of the test beam in mutually offset detection planes are simulated over the different optical path lengths of the partial beams , Furthermore, in a preferred modification of the embodiment of FIG. 3, the detection surface 5a lies on the beam-splitting surface 3a, as a result of which a particularly compact design is achieved.
  • the determination of the angle of incidence ⁇ of the test beam PI on the beam-splitting surface 3b is explained below by way of example with reference to FIG. The following explanations are analogously applicable to other arrangements and embodiments of beam splitters by adapting the corresponding calculation rules. The appropriate adaptation of the calculation rules lies within the scope of expert action.
  • the impact positions of the individual partial beams on the detection surface 5a are first determined. From this, the distance ⁇ between the individual adjacent partial beams is calculated. Due to the parallelism of the surfaces 3a and 3b, these distances differ only slightly. Since several such distances are determined in the embodiment of FIG. 3, the mean value of these distances is further calculated, whereby corresponding errors in the distance determination are kept small. Based on the law of reflection, the following relationship between the angle of incidence ⁇ and the distance ⁇ between adjacent partial beams results:
  • the parameter d is the thickness of the beam splitter 3 and the parameter n corresponds to the refractive index of the material of the beam splitter. With the above formula can thus the Incident angle are determined at which the test beam PI was reflected.
  • the inclination of the surface normal at the corresponding surface position can be determined from the known position of the measuring plane ME and the likewise known direction of the test beam when exiting the beam source.
  • zona- 1er or modal integration results from this inclination, the shape of the surface of the specimen.
  • the distances ⁇ between the sub-beams change.
  • a function can be set up depending on the measured change in the distances ⁇ . This function depends not only on the change in the distances but also on the relative inclination of the surface 3a to the surface 3b, the angle of incidence, the refractive index n and the thickness d. Since the relative inclination, the refractive index n and the thickness d are known and the change in the distance ⁇ is measured, the angle of incidence ⁇ can be determined via this function.
  • Fig. 5 shows a modified embodiment of a device according to the invention.
  • the illumination device and the evaluation unit have been omitted.
  • the beam paths are shown schematically and do not always correspond to the actual physical laws.
  • a specimen 2 is measured, which consists of transparent material and the upper surface Ol and the lower surface 02 encompassed.
  • the upper surface Ol is in this case beam-splitting, whereas the lower surface 02 is an at least partially reflecting surface.
  • test beams PI and P2 are used.
  • the test beam PI results from the test beam PI by reflection on the surface Ol, which is detected on the detection surface 5a at the position POl.
  • the part P21 of the test beam P2 reflected on the surface Ol is deflected so much that it does not fall on the detection surface 5a.
  • the further beam PI 2, P 13 and PI 4 result from the test beam PI through transmission or reflection at the surfaces O1 and O2.
  • the test beam P14 is finally detected at the position P02 on the detection surface 5a.
  • the embodiments described above have a number of advantages.
  • the use of several non-parallel test beams during the measurement of a test object ensures that, in most measurement positions, one of the test beams also falls on the detection surface after passing the test object.
  • the number of measurement positions for which no course of the test beam can be detected significantly reduced.
  • the number of measured values is increased, thereby improving the accuracy or spatial resolution of the measurement.
  • Another significant advantage is that the dynamic range is increased in the detection of surface gradients.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Analyse eines Prüflings (2), bei dem eine Beleuchtungseinrichtung (1) mehrere Prüfstrahlen (P1, P2, P3, P4) aus einer Menge von Prüfstrahlen (P1, P2, P3, P4), welche zumindest einen Teil der durch die Beleuchtungseinrichtung (1) generierbaren Prüfstrahlen (P1, P2, P3, P4) umfasst, generiert und auf den Prüfling (2) richtet, wobei die Prüfstrahlen (P1, P2, P3, P4) der Menge von Prüfstrahlen (P1, P2, P3, P4) in einem lokalen Koordinatensystem der Beleuchtungseinrichtung (1) nicht-parallel zueinander verlaufen. Mittels einer Aktorik werden mehrere Messpositionen (MP) durch Veränderung der Position der Beleuchtungseinrichtung (1) und/oder der Position des Prüflings (2) eingestellt, wobei die Beleuchtungseinrichtung (1) in einer jeweiligen Messposition (MP) zumindest einen der Prüfstrahlen (P1, P2, P3, P4) aus der Menge von Prüfstrahlen (P1, P2, P3, P4) generiert und auf den Prüfling (2) richtet. Ferner werden mit einem Detektor (5) in jeweiligen Messpositionen (MP) ein oder mehrere Prüfstrahlen (P1, P2, P3, P4) nach Passieren des Prüflings (2) bei deren Vorhandensein erfasst, indem das Auftreffen des oder der Prüfstrahlen (P1, P2, P3, P4) nach Passieren des Prüflings (2) oder das Auftreffen von einem oder mehreren Strahlen (T1, T2,..., T5), welche aus dem oder den Prüfstrahlen (P1, P2, P3, P4) nach Passieren des Prüflings (2) hervorgehen, auf zumindest einer Detektionsfläche (5a) des Detektors (5) ortsaufgelöst detektiert werden. Mittels einer Auswerteeinheit (6) werden aus den ortsaufgelösten Detektionen des Detektors (5) die Strahlverläufe zumindest eines Teils der erfassten Prüfstrahlen (P1, P2, P3, P4) und hieraus eine oder mehrere optische Eigenschaften des Prüflings (2) ermittelt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur optischen Analyse eines Prüflings
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Analyse eines Prüflings.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur optischen Analyse von Werkstoffen bzw. optischen Komponenten bekannt. In der Druckschrift DE 10 2007 003 681 AI ist ein Verfahren zur Analyse einer optischen Einrichtung beschrieben, bei dem ein Prüfstrahl die optische Einrichtung passiert und der Strahlverlauf des Prüfstrahls über dessen Auftreffpositionen in mehreren Detektionsebenen bestimmt wird. Hierzu wird ein flächiger Intensitätssensor in die jeweiligen Detektionsebenen verschoben. Dabei kann die Oberfläche der optischen Einrichtung mittels des Prüfstrahls abgerastert werden und hierdurch Eigenschaften der optischen Einrichtung bestimmt werden, wie z.B. die Qualität der Abbildung durch Analyse der Form der Wellenfront nach Passieren der optischen Einrichtung. Die Druckschrift DE 10 2013 219 440 AI offenbart eine Vorrichtung zur optischen Analyse eines Prüflings mit einer Strahlquelle zur Generierung eines Prüfstrahls so- wie einen Strahlteiler zum Aufteilen des Prüfstrahls nach Passieren des zu analysierenden Prüflings in mehrere Teilstrahlen. Mittels eines Detektors wird die Auftreffposition der Teilstrahlen auf eine Detektionsfläche erfasst. Durch die Verwendung eines Strahlteilers, mit dem verschiedene optische Weglängen der Teilstrahlen zwi- sehen Prüfling und Detektionsfläche erreicht werden, kann der Strahlverlauf des Prüfstrahls in lediglich einer Detektionsebene bestimmt werden. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, dass die Auftreffpositionen der erzeugten Teilstrahlen weit auseinander liegen, so dass durch den Prüfling verursachte größere Ablenkungen der Teilstrahlen mit herkömmlichen Detektoren mangels ausreichend großer Detektionsflä- che nicht erfasst werden können. Der Akzeptanzwinkel, in dem Ablenkungen von Prüfstrahlen detektiert werden können, ist somit klein.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen die optische Analyse eines Prüflings mit guter örtlicher Auflösung durchge- führt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 16 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Prüfling optisch analysiert. Hierzu erzeugt eine Beleuchtungseinrichtung mehrere Prüfstrahlen aus einer Menge von Prüfstrahlen, wobei die Menge von Prüfstrahlen zumindest einen Teil (z.B. alle) der durch die Beleuchtungseinrichtung generierbaren Prüfstrahlen umfasst. Diese Prüf- strahlen werden auf den zu analysierenden Prüfling durch die Beleuchtungseinrichtung gerichtet. Vorzugsweise umfassen die mehreren Prüfstrahlen alle Prüfstrahlen der Menge von Prüfstrahlen. Die Prüfstrahlen der Menge von Prüfstrahlen verlaufen dabei in einem lokalen Koordinatensystem der Beleuchtungseinrichtung nichtparallel. Mit anderen Worten können die Prüfstrahlen schräg zueinander verlaufen und sich dabei in einem Punkt treffen oder sie können windschief zueinander angeordnet sein. Das lokale Koordinatensystem der Beleuchtungseinrichtung ist ein Ko- ordinatensystem, das sich mitbewegt, falls die Beleuchtungseinrichtung ihre Position verändert. In diesem Sinne ist die Beleuchtungseinrichtung im lokalen Koordinatensystem immer ortsfest. Der Begriff des Prüfstrahls ist derart zu verstehen, dass es sich immer um den gleichen Prüfstrahl handelt, sofern dieser die gleiche Lage im lokalen Koordinatensystem der Beleuchtungseinrichtung hat, und zwar unabhängig davon, an welcher (globalen) Position sich die Beleuchtungseinrichtung befindet, und unabhängig davon, ob der Prüfstrahl ein oder mehrere Male generiert wird.
Mittels einer Aktorik werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren mehrere Mess- Positionen durch Veränderung der Position der Beleuchtungseinrichtung und/oder der Position des Prüflings eingestellt, d.h. eine jeweilige Messposition betrifft eine relative Anordnung der Beleuchtungseinrichtung und des Prüflings zueinander. Vorzugsweise werden die mehreren Messpositionen durch Verschieben der Beleuchtungseinrichtung und/oder des Prüflings gegeneinander eingestellt. Nichtsdesto trotz können die mehreren Messpositionen auch durch Rotation der Beleuchtungseinrichtung und/oder des Prüflings eingestellt werden. In einer jeweiligen Messposition der mehreren Messpositionen generiert die Beleuchtungseinrichtung zumindest einen der Prüfstrahlen aus der Menge von Prüfstrahlen und richtet diesen auf den Prüfling. Sofern nicht anders angegeben (z.B. durch die Formulierung "aktuell eingestellte Messposition"), ist der Begriff der Messposition derart zu verstehen, dass gleiche Messpositionen, welche mehrmalig zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingenommen werden, eine einzelne Messposition im Sinne der Erfindung darstellen.
Mit einem Detektor werden in jeweiligen Messpositionen der mehreren Messpositio- nen ein oder mehrere Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings bei deren Vorhandensein erfasst, indem das Auftreffen des oder der Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings oder das Auftreffen von einem oder mehreren Strahlen, welche aus dem oder den Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings hervorgehen, auf zumindest einer Detektionsfläche des Detektors ortsaufgelöst detektiert wird. Mit anderen Worten werden Prüfstrahlen durch den Detektor immer dann erfasst, wenn ein entsprechendes Auftreffen des oder der Prüfstrahlen bzw. daraus hervorgehender Strahlen detek- tiert werden kann. Dies muss nicht in jeder Messposition der Fall sein, da unter Umständen kein Prüfstrahl in der jeweiligen Messposition auf die Detektionsfläche trifft. Vorzugsweise kann jedoch in jeder Messposition zumindest ein Prüfstrahl erfasst werden.
Unter den Begriff „Passieren des Prüflings" fällt sowohl das Hindurchgehen des Prüfstrahls durch den Prüfling als auch die Reflexion des Prüfstrahls am Prüfling. Das Verfahren eignet sich somit zur Analyse von sowohl reflektierenden Prüflingen als auch transmittierenden Prüflingen. Reflektierende Prüflinge sind dabei gerichtet reflektierende Objekte, welche den Prüfstrahl gerichtet ablenken und nicht (ausschließlich) streuen. Die zumindest eine Detektionsfläche ist vorzugsweise eben bzw. plan. Insbesondere ist die zumindest eine Detektionsfläche eine einzelne (durchgehende) Detektionsfläche. Alternativ kann die Detektionsfläche auch mehrere, in der gleichen Ebene angeordnete Detektionsflächen umfassen.
Mittels einer Auswerteeinheit werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren aus den ortsaufgelösten Detektionen des Detektors die Strahlverläufe zumindest eines Teils der erfassten Prüfstrahlen und hieraus ein oder mehrere optische Eigenschaften des Prüflings ermittelt. Die optischen Eigenschaften können sich z.B. auf die Form der Oberfläche des Prüflings oder die Form der Wellenfront nach Passieren des Prüflings beziehen, wie weiter unten erläutert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass durch die Verwendung von mehreren nicht-parallelen Prüfstrahlen die Wahrscheinlichkeit zunimmt, dass auch bei größeren Ablenkungen bestimmter Prüfstrahlen durch den Prüfling zumindest ein Prüfstrahl auf die Detektionsfläche des Detektors fällt. Durch geeignete Auslegung kann gegebenenfalls auch sichergestellt werden, dass in jeder Messposition ein Prüfstrahl erfasst werden kann. Der Prüfling kann somit mit einer verbesserten Auflösung vermessen werden, da zu mehr Messpositionen Messwerte in der Form von ortsaufgelösten Detektionen des Detektors existieren. In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt im lokalen Koordinatensystem der Beleuchtungseinrichtung der Winkel zwischen den Prüfstrahlen jedes Paars von Prüfstrahlen aus der Menge von Prüfstrahlen zwischen 10° und 110°, insbesondere zwischen 30° und 100° und vorzugsweise zwischen 45° und 95° und besonders bevorzugt bei 90°.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bilden die Beleuchtungseinrichtung und der Detektor eine Baugruppe, wobei mit der Aktorik die Baugruppe und der Prüfling relativ zueinander bewegt werden. Mit anderen Worten bewegt sich der De- tektor bei Bewegung der Beleuchtungseinrichtung mit.
Der Ablauf der Vermessung eines Prüflings kann unterschiedlich ausgestaltet sein. In einer Variante generiert die Beleuchtungseinrichtung in zumindest einem Teil und insbesondere allen der mehreren Messpositionen jeweils mehrere Prüfstrahlen und vorzugsweise alle Prüfstrahlen der Menge von Prüfstrahlen. Diese Prüfstrahlen werden wiederum auf den Prüfling gerichtet. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass zumindest ein Prüfstrahl von dem Detektor erfasst werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform generiert die Beleuchtungseinrichtung in jeder aktuell eingestellten Messposition zumindest eines Teils und insbesondere aller der mehreren Messpositionen jeweils mehrere Prüfstrahlen und vorzugsweise alle Prüfstrahlen der Menge von Prüfstrahlen und richtet diese Prüfstrahlen auf den Prüfling. Ebenso besteht die Möglichkeit, dass in mehreren Messdurchgängen jeweilige Messpositionen zumindest eines Teils und insbesondere aller der mehreren Messpositio- nen einmalig eingestellt werden. Dabei richtet die Beleuchtungseinrichtung in einem jeweiligen Messdurchgang immer den gleichen (einzelnen) Prüfstrahl und in unterschiedlichen Messvorgängen verschiedene Prüfstrahlen auf den Prüfling.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens richtet die Beleuch- tungseinrichtung in einer Teilmenge der mehreren Messpositionen eine Teilmenge der Prüfstahlen der Menge von Prüfstrahlen und in einer anderen Teilmenge der mehreren Messpositionen eine andere Teilmenge der Prüfstahlen der Menge von Prüfstrahlen auf den Prüfling, wobei die Messposition oder Messpositionen der einen Teilmenge der mehreren Messpositionen zumindest teilweise unterschiedlich von der Messposition oder den Messpositionen des anderen Teilmenge der mehreren Mess- Positionen sind und wobei der Prüfstrahl oder die Prüfstrahlen der einen Teilmenge der Prüfstrahlen zumindest teilweise unterschiedlich von dem Prüfstrahl oder den Prüfstrahlen der anderen Teilmenge der Prüfstrahlen sind. Diese Variante kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn vorab bekannt ist, in welchen Messpositionen bestimmte Prüfstrahlen mit höherer Wahrscheinlichkeit durch den Detektor erfasst werden können.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens richtet die Beleuchtungseinrichtung in jeder aktuell eingestellten Messposition zumindest eines Teils und insbesondere aller der mehreren Messpositionen nacheinander unterschiedliche Prüfstrahlen solange auf den Prüfling, bis ein solcher Prüfstrahl (sofern überhaupt vorhanden) gefunden wird, der nach Passieren des Prüflings auf der zumindest einen Detektionsfläche des Detektors auftrifft oder aus dem ein oder mehrere Strahlen hervorgehen, welche auf der zumindest einen Detektionsfläche auftreffen. In einer weiteren bevorzugten Variante ist die Beleuchtungseinrichtung derart in Bezug auf die zumindest eine Detektionsfläche des Detektors angeordnet, dass die Prüfstrahlen der Menge von Prüfstrahlen symmetrisch um die zumindest eine Detektionsfläche positioniert sind. Mit anderen Worten sind die Prüfstrahlen mit gleichen Winkelabständen um die zumindest eine Detektionsfläche herum angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die zumindest eine Detektionsfläche in mehreren unterschiedlichen Positionen im Detektor angeordnet werden, wobei diese Positionen vorzugsweise Positionen sind, die in Richtung senkrecht zu der zumindest einen Detektionsfläche zueinander versetzt sind. Dabei wird zur Erfassung des oder der Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings das Auftreffen des oder der Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings ortsaufge- löst auf der zumindest einen Detektionsfläche in zumindest zwei unterschiedlichen Positionen der zumindest einen Detektionsfläche detektiert. Durch die Detektion in unterschiedlichen Positionen der Detektionsfläche kann der Strahlverlauf des jeweiligen Prüfstrahls abgeleitet werden.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform ist vor der zumindest einen Detektionsfläche des Detektors ein Strahlteiler angeordnet, der Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings jeweils in mehrere Teilstrahlen mittels einer Anzahl von strahlteilenden Flächen aufteilt, wobei eine jeweilige strahlteilende Fläche eine Strahlteilung durch Reflexion und Transmission eines darauf fallenden Strahls bewirkt. Die mehreren Teilstrahlen treffen nach Passieren des Strahlteilers auf der zumindest einen Detektionsfläche auf und werden dort detektiert. Dabei existiert für jede strahlteilende Fläche zumindest ein detektierter Teilstrahl, an dessen Erzeugung zumindest eine Reflexion an der jeweiligen strahlteilenden Fläche beteiligt ist. Der Strahlteiler ist ferner derart ausgestaltet, dass die Teilstrahlen unterschiedliche optische Weglängen bis zum Auftreffen auf die zumindest eine Detektionsfläche zurücklegen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden durch den Strahlteiler drei oder mehr und insbesondere vier oder fünf oder mehr Teilstrahlen erzeugt. Die obigen Teilstrahlen stellen Ausführungsformen von Strahlen im Sinne von Anspruch 1 dar, welche aus dem oder den Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings hervorgehen. Eine jeweilige strahlteilende Fläche stellt eine kontinuierlich (d.h. ohne Höhensprünge) verlaufende Fläche dar, welche vorzugsweise aus einem einstückigen Material gebildet ist. Die strahlteilenden Flächen können z.B. aus bekannten die- lektrischen Materialien bestehen. In einer Variante kann z.B. ein Strahlteiler verwendet werden, der in der Druckschrift DE 10 2013 219 440 AI beschrieben ist.
Mit der soeben beschriebenen Ausführungsform wird über die verschiedenen optischen Weglängen der Teilstrahlen eine Detektion in mehreren unterschiedlichen De- tektionsebenen simuliert. Demzufolge muss die zumindest eine Detektionsfläche bei Erfassung des Prüfstrahls nicht in verschiedenen Positionen angeordnet werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der obige Strahlteiler derart ausgestaltet, dass alle detektierten Teilstrahlen über die gleiche strahlteilende Fläche den Strahlteiler verlassen und anschließend auf der zumindest einen Detektionsfläche auftreffen. Der Strahlteiler ist somit derart ausgestaltet und in diesem Sinne auch derart angeordnet, dass alle detektierten Teilstrahlen über die gleiche strahlteilende Fläche aus dem Strahlteiler austreten. Der obige Begriff des "Verlassens des Strahlteilers" ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass ein Teilstrahl, der den Strahlteiler verlässt, vor seiner Detektion nicht nochmals in den Strahlteiler eintritt.
Mit der soeben beschriebenen Ausführungsform kann durch die Verwendung einer einzelnen strahlteilenden Fläche, über welche alle (nachfolgend) detektierten Teilstrahlen austreten und an der auch Reflexionen der Teilstrahlen erfolgen, der gegenseitige Abstand der Teilstrahlen auf der zumindest einen Detektionsfläche verringert werden. Hierdurch wird der Akzeptanzwinkel bei der Erfassung der Prüfstrahlen erhöht. Ferner kann das Verfahren mit einem kompakt aufgebauten Strahlteiler realisiert werden.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der obige Strahlteiler derart ausgestaltet, dass an der Erzeugung eines oder mehrerer der detektierten Teilstrahlen jeweils mehrere Reflexionen an den strahlteilenden Flächen beteiligt sind. Hierdurch kann die Detektion einer großen Anzahl von Teilstrahlen mit einem einzelnen Detektor erreicht werden. In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der obige Strahlteiler derart ausgestaltet, dass Prüfstahlen nach Passieren des Prüflings über die gleiche strahlteilende Fläche in den Strahlteiler eintreten. Unter "Eintritt in den Strahlteiler" ist dabei das erstmalige Auftreffen des jeweiligen Prüfstrahls auf der entsprechenden strahlteilenden Fläche nach Passieren des Prüflings zu verstehen. Mit dieser Ausfüh- rungsform kann das Verfahren mit einem besonders kompakten Strahlteiler realisiert werden. In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform ist im obigen Strahlteiler die zumindest eine Detektionsfläche an der strahlteilenden Fläche angeordnet, über welche die detektierten Teilstrahlen den Strahlteiler verlassen. Vorzugsweise liegt die zumindest eine Detektionsfläche an dieser strahlteilenden Fläche an. Hierdurch wird das erfindungsgemäße Verfahren mit einem besonders kompakten Aufbau und einem großen Akzeptanzwinkel realisiert.
In einer weiteren bevorzugten Variante umfasst der obige Strahlteiler einen Körper aus für die Prüfstrahlen und die Teilstrahlen transparentem (d.h. zumindest teilweise durchlässigem) Material, wobei an zwei gegenüber liegenden Grenzflächen des Körpers die strahlteilenden Flächen ausgebildet sind, z.B. mittels einer an sich bekannten Beschichtung aus dielektrischem Material. Das transparente Material kann z.B. Glas oder auch ein Kunststoff, wie z.B. PMMA (Polymethylacrylat) oder PC (Polycarbo- nat), sein. Gemäß dieser Ausführungsform ist der Strahlteiler besonders einfach aufgebaut. Nichtsdestotrotz kann der Strahlteiler ggf. auch auf andere Weise realisiert werden, z.B. durch zwei gegenüber liegende und vorzugsweise parallel verlaufende Platten oder einen anderweitigen Resonator. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die strahlteilenden Flächen des obigen Strahlteilers ebene bzw. plane Flächen. Alternativ oder zusätzlich können die strahlteilenden Flächen parallel zueinander oder gegebenenfalls auch schräg zueinander verlaufen. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt die Auswerteeinheit einen jeweiligen Strahlverlauf eines Prüfstrahls nach Passieren des Prüflings durch Ermittlung des Einfallswinkels des Prüfstrahls an einer der strahlteilenden Flächen des Strahlteilers, wobei der Einfallswinkel aus einem oder mehreren Abständen zwischen den Auftreffpositionen der Teilstrahlen auf der zu- mindest einen Detektionsfläche ermittelt wird. Vorzugsweise entspricht die strahlteilende Fläche, für welche der Einfallswinkel ermittelt wird, einer strahlteilenden Flä- che, über die der entsprechende Prüfstrahl in den Strahlteiler eintritt. Ein entsprechender Zusammenhang zwischen dem Einfallswinkel des Prüfstrahls und den Abständen der Auftreffpositionen ist an sich bekannt bzw. kann durch den Fachmann im Rahmen seines Fachwissens abgeleitet werden. In der speziellen Beschreibung wird dieser Zusammenhang für eine Ausgestaltung des Strahlteilers angegeben. Anstatt der Bestimmung des Einfallswinkels an einer strahlleitenden Fläche kann auch der Einfallswinkel auf die zumindest eine Detektionsfläche bestimmt werden, z.B. wenn in dem Verfahren kein Strahlteiler zum Einsatz kommt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bestimmt die Auswerteeinheit als Eigenschaften des Prüflings die Form zumindest einer Oberfläche des Prüflings und/oder die optische Wellenfront nach Passieren des Prüflings und/oder Größen, welche von der Form der zumindest einen Oberfläche oder von der optischen Wellenfront abhängen (z.B. das Gradientenfeld der Wellenfront). Solche Eigenschaften können mit an sich bekannten Verfahren aus den Strahlverläufen der Prüfstrahlen ermittelt werden. Zum Beispiel kann eine zonale bzw. modale Integration durchgeführt werden oder es können die in der Druckschrift DE 10 2007 003 681 AI beschriebenen Methoden (z.B. Zernike-Polynome) verwendet werden. In einer Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform bestimmt die Auswerteeinheit als Eigenschaften des Prüflings die Form mehrerer Oberflächen des Prüflings und/oder Größen, welche von der Form der mehreren Oberflächen abhängen, wobei hierfür mehrere Strahl Verläufe des gleichen Prüfstrahls in einer jeweiligen Messposition bestimmt werden. Diese mehreren Strahlverläufe unterscheiden sich darin, dass der Prüfstrahl an jeweils einer anderen Oberfläche der mehreren Oberflächen reflektiert wurde. Diese Variante der Erfindung hat den Vorteil, dass parallel zwei Oberflächen des Prüflings vermessen werden können.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens durchläuft zumindest ein Teil der Prüfstrahlen den Strahlteiler vor dem Passieren des Prüflings und tritt nach Passieren des Prüflings wieder in den Strahlteiler ein, wobei dann die Auftei- lung des jeweiligen Prüfstrahls in mehrere Teilstrahlen zur Bestimmung des Strahlverlaufs des Prüfstrahls genutzt wird. Nichtsdestotrotz kann der Prüfstrahl in den Strahlteiler auch erstmalig nach Passieren des Prüflings eintreten. Der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Detektor kann auf unterschiedlichen Technologien beruhen. Insbesondere kann er einen CCD-Sensor und/oder einen CMOS-Sensor und/oder einen PSD-Sensor (PSD = Position Sensitive Device) umfassen. PSD-Sensoren umfassen z.B. Photodioden bzw. 4-Quadranten-Photodioden. All diese Sensorarten sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden deshalb nicht näher im Detail erläutert.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur optischen Analyse eines Prüflings. Diese Vorrichtung umfasst eine Beleuchtungseinrichtung, welche im Betrieb der Vorrichtung mehrere Prüfstrahlen aus einer Menge von Prüfstrahlen, welche zumindest einen Teil (z.B. alle) der durch die Beleuchtungseinrichtung generierbaren Prüfstrahlen umfasst, generiert und auf den Prüfstrahl richtet, wobei die Prüfstrahlen der Menge von Prüfstrahlen in einem lokalen Koordinatensystem der Beleuchtungseinrichtung nicht-parallel zueinander verlaufen.
Die Vorrichtung umfasst ferner eine Aktorik, um mehrere Messpositionen durch Veränderung der Position der Beleuchtungseinrichtung und/oder der Position des Prüflings einzustellen, wobei die Beleuchtungseinrichtung in einer jeweiligen Messposition der mehreren Messpositionen zumindest einen der Prüfstrahlen aus der Menge der Prüfstrahlen generiert und auf den Prüfstrahl richtet. Mit anderen Worten sind die Beleuchtungseinrichtung und die Aktorik in der Vorrichtung derart steuerbar, dass die obige Generierung und Ausrichtung der Prüfstrahlen erreicht wird.
In der Vorrichtung ist ferner ein Detektor vorgesehen, um in jeweiligen Messpositio- nen der mehreren Messpositionen ein oder mehrere Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings zu erfassen, indem das Auftreffen des oder der Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings oder das Auftreffen von einem oder mehreren Strahlen, welche aus dem oder den Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings hervorgehen, auf zumindest einer Detektionsfläche des Detektors ortsaufgelöst detektiert wird. Die Vorrichtung beinhaltet darüber hinaus eine Auswerteeinheit, um aus den ortsaufgelösten Detektionen des Detektors die Strahlverläufe zumindest eines Teils der er- fassten Prüfstrahlen und hieraus eine oder mehrere optische Eigenschaften des Prüflings zu ermitteln. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass eine oder mehrere bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Vorrichtung durchführbar sind. Sofern sich Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens auf bestimmte Komponenten der Vorrichtung, wie z.B. die Beleuchtungseinrichtung, den Detektor oder den Strahlteiler, beziehen, sind diese Komponenten der- art ausgestaltet, dass die diesbezügliche Variante des Verfahrens mit den jeweiligen Komponenten ausgeführt werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 eine schematische perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 3 eine seitliche Schnittansicht einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 4 eine Draufsicht auf die Detektionsfläche des Detektors aus Fig. 3 mit entsprechenden Auftreffpositionen von Teilstrahlen; und Fig. 5 eine Schnittansicht, welche die Ermittlung von mehreren Oberflächenformen gemäß einer Variante der Erfindung verdeutlicht.
Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung umfasst eine Beleuchtungseinrichtung 1, welche aus vier schräg zueinander angeordneten Strahlquellen 100 besteht, welche in der Beleuchtungseinrichtung ortsfest sind. Die Strahlquellen können beispielsweise Laserquellen sein. Die einzelnen Strahlquellen 100 erzeugen insgesamt vier Prüfstrahlen PI, P2, P3 und P4, die auf die Oberfläche O eines Prüflings 2 gerichtet werden, wobei der Prüfling in einer vorbestimmten Messebene ME angeordnet ist. Ziel ist es dabei, die Form der Oberfläche O, d.h. dreidimensionale Koordinaten von Oberflächenpositionen in dem globalen kartesischen Koordinatensystem K, zu ermitteln.
Im Rahmen der Analyse des Prüflings 2 wird die Beleuchtungseinrichtung 1 mit den Strahlquellen 100 über eine (nicht gezeigte) Aktorik in mehrere unterschiedliche Messpositionen angeordnet, wobei die Messposition der Fig. 1 mit MP bezeichnet ist. Jede Messposition zeichnet sich durch eine andere Anordnung der Beleuchtungseinrichtung 1 relativ zu dem Prüfling 2 aus. In der hier beschriebenen Ausführungsform werden die unterschiedlichen Messpositionen durch Verschieben der Beleuch- tungseinrichtung 1 parallel zur Messebene ME eingestellt.
Neben der Beleuchtungseinrichtung 1 ist in der Vorrichtung der Fig. 1 ein Detektor 5 mit einer entsprechenden Detektionsfläche 5 a vorgesehen, wobei die Detektionsfläche beispielsweise als CCD-Sensor ausgestaltet ist. Diese Detektionsfläche ist in dem Detektor 5 in zumindest zwei unterschiedlichen Positionen anordenbar, welche senkrecht zur Detektionsfläche versetzt zueinander sind. Darüber hinaus ist der Detektor 5 mit einer Auswerteeinheit 6 (z.B. einem Computer) über eine Datenleitung 7 verbunden. Der Detektor 5 bildet zusammen mit der Beleuchtungseinrichtung 1 bzw. deren Strahlquellen 100 eine Baugruppe, so dass bei Bewegung der Beleuchtungseinrichtung auch der Detektor mitbewegt wird. Gegebenenfalls kann die Anordnung der Fig. 1 auch innerhalb eines Hohlkörpers angeordnet sein, der z.B. halbkugelförmig ausgestaltet sein kann.
Die einzelnen Prüfstrahlen PI bis P4 sind nicht-parallel zueinander, wobei sie sich in einem Punkt treffen können und gegebenenfalls auch windschief zueinander liegen können. In Fig. 1 sind die Prüfstrahlen derart angeordnet, dass sie sich an einem Punkt treffen, der beispielweise in der Messebene ME liegt. Aufgrund der nichtparallelen Anordnung der Prüfstrahlen weisen diese paarweise einen Winkel zueinander auf, der kleiner 180° ist. Im Rahmen eines Messvorgangs an einer entsprechenden Messposition werden in Fig. 1 die Prüfstrahlen PI bis P4 sukzessive nacheinander durch Anschalten der entsprechenden Strahlquelle 100 auf die Oberfläche gerichtet. Über die Reihenfolge des Anschaltens der Prüfstrahlen wird dabei codiert, welcher der Prüfstrahlen gerade aktiviert ist. Die Codierung der unterschiedlichen Prüfstrahlen kann gegebenenfalls auch auf andere Weise als durch die zeitliche Reihenfolge ihrer Aktivierung erfolgen, z.B. über unterschiedliche physikalische Zustände der einzelnen Prüfstrahlen (z.B. Wellenlänge, Polarisation) oder mittels einer Modulation der Prüfstrahlen, um darin z.B. einen binären Code zu übertragen. In der Ausführungsform der Fig. 1 wird für jeden der aktivierten Prüfstrahlen PI bis P4 die Auftreffposition dieses Prüfstrahls auf der Detektionsfläche 5a nach Reflexion auf der Oberfläche O des Prüflings 2 detektiert. Beispielhaft ist in Fig. 1 eine solche Auftreffposition mit AP bezeichnet. Für bestimmte Prüfstrahlen kann dabei der Fall auftreten, dass der reflektierte Prüfstrahl nicht mehr im Einfangbereich des Detektors liegt, d.h. die Ablenkung des Prüfstrahls ist derart, dass er nicht mehr auf die Detektionsfläche 5 a fällt. Erfindungswesentlich ist nunmehr, dass durch die Verwendung von mehreren Prüfstrahlen, die in unterschiedlichen Richtungen auf die Messebene ME gerichtet werden, meistens zumindest ein Prüfstrahl gefunden wird, der auf die Detektionsfläche fällt. Somit sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass überhaupt keine Auftreffposition eines an der Oberfläche O reflektierten Prüfstrahls durch die Detekti- ons fläche 5 a erfasst werden kann.
In der Ausführungsform der Fig. 1 ist die Anordnung der Prüfstrahlen derart, dass für jede Messposition das Auftreffen zumindest eines Prüfstrahls auf der Detektionsfläche 5 a erfasst werden kann. Die Auftreffposition eines entsprechenden reflektierten Prüfstrahls wird dabei in den beiden versetzten Positionen der Detektionsfläche 5 a bestimmt. Hieraus wird in an sich bekannter Weise der Verlauf des Prüfstrahls in der Form seines Einfallswinkels auf die Detektionsfläche bestimmt. Die Bestimmung des Einfallswinkels wird beispielhaft anhand der Ausführungsform der Fig. 3 erläutert. Über den Einfallswinkel des Prüfstrahls lässt sich aus der bekannten Lage der Messebene ME und der ebenfalls bekannten Richtung des Prüfstrahls beim Verlassen der entsprechenden Strahlquelle 100 die Neigung der Flächennormalen an der Oberflächenposition bestimmen, an welcher der Prüfstrahl reflektiert wurde. Über die Detek- tion von Prüfstrahlen, welche in unterschiedlichen Messpositionen reflektiert wur- den, wird dann mit einem an sich bekannten Rekonstruktionsalgorithmus über zonale oder modale Integration die Form der Oberfläche O rekonstruiert. Der Rekonstruktionsalgorithmus läuft dabei in der Auswerteeinheit 6 ab, welche die Auftreffpositio- nen der entsprechenden Prüfstrahlen in den einzelnen Messpositionen verarbeitet. Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Aus Übersichtlichkeitsgründen wurden dabei der Detektor und die Auswerteeinheit weggelassen. Diese Vorrichtung unterscheidet sich gegenüber der Vorrichtung der Fig. 1 darin, dass zur Erzeugung der schräg zueinander angeordneten Prüfstrahlen PI bis P3 eine einzelne Strahlquelle 100 verwendet wird. Der Strahl dieser Strahlquelle wird dabei über eine Anordnung 4 aus mehreren einander angrenzenden Prismen in drei schräg verlaufende Teilstrahlen PI, P2 und P3 zerlegt. Diese Teilstrahlen stellen dann die Prüfstrahlen dar, welche auf die Oberfläche O des Prüflings 2 gerichtet werden. Die Vermessung der Oberfläche der Prüflings 2 erfolgt in Fig. 2 in gleicher Weise wie in Fig. 1, wobei jedoch nur drei anstatt von vier Prüfstrahlen verwendet werden.
Fig. 3 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den Ausführungsformen der Fig. 1 und Fig. 2 darin, dass anstatt des Auftreffens eines reflektierten Prüfstrahls auf der Detektions- fläche 5 a das Auftreffen von fünf Teilstrahlen Tl bis T5 detektiert wird, welche aus dem reflektierten Prüfstrahl durch Strahlteilung hervorgehen. Hierfür wird ein Strahlteiler 3 aus transparentem Material mit einer Dicke d verwendet, wobei auf der Oberseite und der Unterseite des Strahlteilers strahlteilende Flächen 3a und 3b, beispielsweise aus einer Beschichtung aus dielektrischem Material, vorgesehen sind. Der Strahlteiler 3 ist vor der Detektionsf äche 5a des Detektors 5 angeordnet, wobei der Detektor wiederum über eine Datenleitung 7 an eine Auswerteeinheit 6 angeschlossen ist.
In der Ausführungsform der Fig. 3 wird wiederum eine Beleuchtungseinrichtung 1 mit mehreren Strahlquellen 100 verwendet, wobei zwei solcher Strahlquellen vorgesehen sind. Die Strahlquellen senden die beiden Prüfstrahlen PI und P2 in verschiedenen Winkeln auf den Prüfling 2, um sicherzustellen, dass zumindest einer der Prüfstrahlen auf den Strahlteiler trifft, so dass Teilstrahlen Tl bis T5 ortsaufgelöst detektiert werden können. Die Detektion eines Prüfstrahls bzw. entsprechender Teil- strahlen wird nachfolgend anhand des Prüfstrahls PI erläutert und läuft für den Prüfstrahl P2 analog ab.
Der Prüfstrahl PI fällt zunächst auf die Oberfläche des Prüflings 2. Dort wird er reflektiert und gelangt anschließend zu der unteren strahlteilenden Fläche 3b. Der über die strahlteilende Fläche 3b transmittierte Teil des Prüfstrahls geht durch den Strahlteiler hindurch und wird an der strahlteilenden Fläche 3 a in den transmittierten Teil- strahl Tl sowie einen reflektierten Teilstrahl aufgeteilt. Der transmittierte Teilstrahl Tl gelangt zu der Detektionsfläche 5a des Detektors 5. Der an der Fläche 3a reflektierte Teilstrahl wird dann sukzessive an den Flächen 3b und 3a wieder in transmittierte und reflektierte Anteile aufgeteilt, wodurch Teilstrahlen T2, T3, T4 und T5 erzeugt werden, die aus der strahlteilenden Fläche 3 a austreten und auf der Detektionsfläche 5a detektiert werden. Da die beiden strahlteilenden Flächen 3a und 3b parallel zueinander verlaufen, sind die dargestellten Abstände Δ zwischen den Teilstrahlen Tl bis T5 gleich groß. Die einzelnen Teilstrahlen unterscheiden sich dabei in ihrer Anzahl an Reflexionen an der strahlteilenden Fläche 3b. Mit anderen Worten wurde der Teilstrahl Tl überhaupt nicht an der Reflexionsfläche 3b reflektiert, wohingegen der Teilstrahl T2 aus einer Reflexion, der Teilstrahl T3 aus zwei Reflexionen, der Teilstrahl T4 aus drei Reflexionen und der Teilstrahl T5 aus vier Reflexionen an der strahlteilenden Fläche 3b hervorgeht. Fig. 4 zeigt beispielhaft eine Draufsicht auf die Detektionsfläche 5a des Detektors aus Fig. 3. Die zweidimensionalen Positionen auf der Detektionsfläche werden durch das lokale kartesische Koordinatensystem mit den Achse x_s und y_s beschrieben. Fallen n Teilstrahlen auf den Detektor, so treffen diese in zueinander versetzten, gleichmäßig beabstandeten Positionen POl, P02, P03, POn auf der Detektions- fläche 5 a auf. Wie bereits erwähnt, resultiert der gleichmäßige Abstand der Auftreffpositionen daraus, dass die beiden strahlteilenden Flächen 3 a und 3b parallel verlaufen. Bei nicht parallel angeordneten Flächen ist der Abstand zwischen den einzelnen Auftreffpositionen nicht konstant. Die Ermittlung der Auftreffpositionen POl bis POn läuft vorzugsweise derart ab, dass die Intensitätsverteilung der auftreffenden Teilstrahlen durch die Detektionsfläche 5a gemessen wird und der Schwerpunkt dieser Intensitätsverteilung bestimmt wird. Dieser Schwerpunkt wird mit der entsprechenden Auftreffposition gleichgesetzt. Die Ermittlung der Auftreffpositionen kann dabei durch eine digitale oder ana- löge Elektronik des Detektors 5 erfolgen bzw. gegebenenfalls auch durch die Auswerteeinheit 6 vorgenommen werden. Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass zur Bestimmung der Strahlverläufe der Prüfstrahlen die Detektionsfläche 5 a nicht in unterschiedlichen Positionen angeordnet werden muss, da über die unterschiedlichen optischen Weg- längen der Teilstrahlen Auftreffpositionen des Prüfstrahls in zueinander versetzten Detektionsebenen simuliert werden. Ferner liegt in einer bevorzugten Abwandlung der Ausführungsform der Fig. 3 die Detektionsfläche 5a auf der strahlteilenden Fläche 3 a auf, wodurch ein besonders kompakter Aufbau erreicht wird. Im Folgenden wird beispielhaft anhand von Fig. 3 die Bestimmung des Einfallswinkels α des Prüfstrahls PI auf die strahlteilende Fläche 3b erklärt. Die nachfolgenden Erläuterungen sind analog auch auf andere Anordnungen und Ausführungsformen von Strahlteilern durch Anpassung der entsprechenden Berechnungsvorschriften anwendbar. Die geeignete Anpassung der Berechnungsvorschriften liegt im Rahmen von fachmännischem Handeln.
Wie oben erläutert, werden zunächst die Auftreffpositionen der einzelnen Teilstrahlen auf der Detektionsfläche 5a ermittelt. Hieraus wird der Abstand Δ zwischen den einzelnen benachbarten Teilstrahlen berechnet. Aufgrund der Parallelität der Flächen 3a und 3b unterscheiden sich diese Abstände nur geringfügig. Da in der Ausführungsform der Fig. 3 mehrere solcher Abstände bestimmt werden, wird mit dem Mittelwert dieser Abstände weitergerechnet, wodurch entsprechende Fehler in der Abstandsbestimmung klein gehalten werden. Basierend auf dem Reflexionsgesetz ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen dem Einfallswinkel α und dem Abstand Δ zwischen benachbarten Teilstrahlen:
Figure imgf000020_0001
Der Parameter d ist die Dicke des Strahlteilers 3 und der Parameter n entspricht dem Brechungsindex des Materials des Strahlteilers. Mit obiger Formel kann somit der Einfallswinkel bestimmt werden, an welcher der Prüfstrahl PI reflektiert wurde. Hieraus lässt sich aus der bekannten Lage der Messebene ME und der ebenfalls bekannten Richtung des Prüfstrahls bei Austritt aus der Strahlquelle die Neigung der Flächennormalen an der entsprechenden Oberflächenposition bestimmen. Mittels zona- 1er bzw. modaler Integration ergibt sich aus dieser Neigung die Form der Oberfläche des Prüflings.
Bei schräg zueinander verlaufenden Flächen 3a und 3b verändern sich die Abstände Δ zwischen den Teilstrahlen. In diesem Fall kann eine Funktion in Abhängigkeit von der gemessenen Veränderung der Abstände Δ aufgestellt werden. Diese Funktion hängt neben der Veränderung der Abstände auch von der relativen Neigung der Fläche 3 a zur Fläche 3b, dem Einfallswinkel , dem Brechungsindex n sowie der Dicke d ab. Da die relative Neigung, der Brechungsindex n sowie die Dicke d bekannt sind und die Veränderung des Abstands Δ gemessen wird, kann über diese Funktion der Einfallswinkel α bestimmt werden.
Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Aus Übersichtlichkeitsgründen wurden dabei die Beleuchtungseinrichtung und die Auswerteeinheit weggelassen. Ferner sind die Strahlverläufe schematisiert darge- stellt und entsprechen nicht immer den tatsächlichen physikalischen Gesetzen. Mit der Ausführungsform der Fig. 5 wird ein Prüfling 2 vermessen, der aus transparentem Material besteht und die obere Oberfläche Ol und die untere Oberfläche 02 um- fasst. Die obere Oberfläche Ol ist dabei strahlteilend, wohingegen die untere Oberfläche 02 eine zumindest teilweise reflektierende Oberfläche ist.
Mit dem Aufbau der Fig. 5 werden gleichzeitig die Oberflächen Ol und 02 vermessen. Hierzu werden zwei Prüfstrahlen PI und P2 verwendet. Aus dem Prüfstrahl PI ergibt sich durch Reflexion an der Oberfläche Ol der Prüfstrahl PI 1, der auf der De- tektionsfläche 5a an der Position POl erfasst wird. Im Unterschied hierzu wird der an der Oberfläche Ol reflektierte Teil P21 des Prüfstrahls P2 derart stark abgelenkt, dass er nicht auf die Detektions fläche 5 a fällt. Aus dem Prüfstrahl PI resultieren durch Transmission bzw. Reflexion an den Oberflächen Ol und 02 die weiteren Strahlen PI 2, P13 und PI 4. Der Prüfstrahl P14 wird schließlich an der Position P02 auf der Detektionsf äche 5a detektiert. Demgegen- über resultieren aus dem Prüfstrahl P2 durch Transmission bzw. Reflexion an den Oberflächen Ol und 02 die weiteren Strahlen P22, P23 und P24, wobei die Auftreffposition P03 des Strahls P24 auf der Detektionsfläche 5 a erfasst wird. In dem Szenario der Fig. 5 werden somit ein an der Oberfläche Ol reflektierter Prüfstrahl und zwei an der Oberfläche 02 reflektierte Prüfstrahlen erfasst. Durch Veränderung der Messpositionen durch Verschieben der Baugruppe aus Detektor und Beleuchtungseinrichtung relativ zum Prüfling können dann die Strahlverläufe einer Vielzahl von Prüfstrahlen erfasst werden, die sowohl an der Oberfläche 01 als auch an der Oberfläche 02 reflektiert wurden. Hieraus kann dann die Form sowohl der Oberfläche 01 als auch der Oberfläche 02 bestimmt werden.
Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere gewährleistet die Verwendung von mehreren nichtparallelen Prüfstrahlen bei der Vermessung eines Prüflings, dass in den meisten Messpositionen auch einer der Prüfstrahlen nach Passieren des Prüflings auf die De- tektionsfläche fällt. Hierdurch wird die Anzahl von Messpositionen, zu denen kein Verlauf des Prüfstrahls erfasst werden kann, deutlich reduziert. Vorzugsweise kann dabei durch Verwendung einer großen Anzahl von Prüfstrahlen auch erreicht werden, dass in jeder Messposition der Verlauf eines Prüfstrahls gefunden wird. Demzufolge wird die Anzahl der Messwerte erhöht und hierdurch die Genauigkeit bzw. örtliche Auflösung der Messung verbessert. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass der dynamische Bereich bei der Erfassung der Oberflächengradienten vergrößert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur optischen Analyse eines Prüflings (2), bei dem:
eine Beleuchtungseinrichtung (1) mehrere Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) aus einer Menge von Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4), welche zumindest einen Teil der durch die Beleuchtungseinrichtung (1) generierbaren Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) umfasst, generiert und auf den Prüfling (2) richtet, wobei die Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) der Menge von Prüfstrahlen (PI , P2, P3, P4) in einem lokalen Koordinatensystem der Beleuchtungseinrichtung (1) nicht-parallel zueinander verlaufen;
mittels einer Aktorik mehrere Messpositionen (MP) durch Veränderung der Position der Beleuchtungseinrichtung (1) und/oder der Position des Prüflings (2) eingestellt werden, wobei die Beleuchtungseinrichtung (1) in einer jeweiligen Messposition (MP) zumindest einen der Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) aus der Menge von Prüfstrahlen (PI , P2, P3, P4) generiert und auf den Prüfling (2) richtet;
mit einem Detektor (5) in jeweiligen Messpositionen (MP) ein oder mehrere Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) nach Passieren des Prüflings (2) bei deren Vorhandensein erfasst werden, indem das Auftreffen des oder der Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) nach Passieren des Prüflings (2) oder das Auftreffen von einem oder mehreren Strahlen (Tl, T2, ..., T5), welche aus dem oder den Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) nach Passieren des Prüflings (2) hervorgehen, auf zumindest einer Detektionsf äche (5a) des Detektors (5) ortsaufgelöst detektiert wird;
mittels einer Auswerteeinheit (6) aus den ortsaufgelösten Detektionen des Detektors (5) die Strahlverläufe zumindest eines Teils der erfassten Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) und hieraus eine oder mehrere optische Eigenschaften des Prüflings (2) ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im lokalen Koordinatensystem der Beleuchtungseinrichtung (1) der Winkel zwischen den Prüf- strahlen (PI, P2, P3, P4) jedes Paars von Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) aus der Menge von Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) zwischen 10° und 110° liegt, insbesondere zwischen 30° und 100° und vorzugsweise zwischen 45° und 95° und besonders bevorzugt bei 90°.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (1) und der Detektor (5) eine Baugruppe bilden und mit der Aktorik die Baugruppe und der Prüfling (2) relativ zueinander bewegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (1) in zumindest einem Teil und insbesondere allen der mehreren Messpositionen (MP) jeweils mehrere Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) und vorzugsweise alle Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) der Menge von Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) generiert und auf den Prüfling (2) richtet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (1) in jeder aktuell eingestellten Messposition (MP) zumindest eines Teils und insbesondere aller der mehreren Messpositionen (MP) jeweils mehrere Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) und vorzugsweise alle Prüfstrahlen der Menge von Prüfstrahlen (PI , P2, P3, P4) generiert und auf den Prüfling (2) richtet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mehreren Messdurchgängen jeweilige Messpositionen (MP) zumindest eines Teils und insbesondere aller der mehreren Messpositionen (MP) einmalig eingestellt werden, wobei die Beleuchtungseinrichtung (1) in einem jeweiligen Messdurchgang immer den gleichen Prüfstrahl (PI, P2, P3, P4) und in unterschiedlichen Messvorgängen verschiedene Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) generiert und auf den Prüfling (2) richtet.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (1) in einer Teilmenge der mehreren Messpositionen (MP) eine Teilmenge der Prüfstahlen (PI, P2, P3, P4) der Menge von Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) und in einer anderen Teilmenge der mehreren Messpositionen (MP) eine andere Teilmenge der Prüfstahlen (PI, P2, P3, P4) der Menge von Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) generiert und auf den Prüfling (2) richtet, wobei die Messposition oder Messpositionen (MP) der einen Teilmenge der mehreren Messpositionen (MP) zumindest teilweise unterschiedlich von der Messposition oder den Messpositionen (MP) der anderen Teilmenge der mehreren Messpositionen (MP) sind und wobei der Prüfstahl oder die Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) der einen Teilmenge der Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) zumindest teilweise unterschiedlich von dem Prüfstrahl oder den Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) der anderen Teilmenge der Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) sind.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (1) in jeder aktuell eingestellten Messposition (MP) zumindest eines Teils und insbesondere aller der mehreren Messpositionen (MP) nacheinander unterschiedliche Prüfstahlen (PI, P2, P3, P4) solange auf den Prüfling (2) richtet, bis ein solcher Prüfstrahl (PI, P2, P3, P4) gefunden wird, der nach Passieren des Prüflings (2) auf der zumindest einen De- tektionsfläche (5a) des Detektors (5) auftrifft oder aus dem ein oder mehrere Strahlen (Tl, T2, ..., T5) hervorgehen, welche auf der zumindest einen Detek- tionsfläche (5 a) auftreffen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (1) derart in Bezug auf die zumindest eine Detektions fläche (5 a) des Detektors (5) angeordnet ist, dass die Prüfstahlen (PI, P2, P3, P4) der Menge von Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) symmetrisch um die zumindest eine Detektionsfläche (5a) positioniert und ausgerichtet sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Detektionsfläche (5 a) in mehreren unterschiedlichen Positionen im Detektor (5) angeordnet werden kann, wobei zur Erfassung des oder der Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) nach Passieren des Prüflings (2) das Auftreffen des oder der Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) nach Passieren des Prüflings (2) ortsaufgelöst auf der zumindest einen Detektionsfläche (5a) in zumindest zwei unterschiedlichen Positionen der zumindest einen Detektionsfläche (5 a) detektiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der zumindest einen Detektionsfläche (5 a) des Detektors (5) ein Strahlteiler (3) angeordnet ist, der Prüfstahlen (PI , P2, P3, P4) nach Passieren des Prüflings (2) jeweils in mehrere Teilstrahlen (Tl, T2, ..., T5) mittels einer Anzahl von strahlteilenden Flächen (3 a, 3b) aufteilt, wobei die mehreren Teilstrahlen (Tl , T2, ..., T5) auf der zumindest einen Detektionsfläche (5a) auftreffen und dort detektiert werden, wobei für jede strahlteilende Fläche (3a, 3b) zumindest ein detektierter Teilstrahl (Tl , T2, ..., T5) existiert, an dessen Erzeugung zumindest eine Reflexion an der jeweiligen strahlteilenden Fläche (3a, 3b) beteiligt ist, und wobei der Strahlteiler (3) derart ausgestaltet, dass die Teilstrahlen (Tl, T2, ..., T5) unterschiedliche optische Weglängen bis zum Auftreffen auf der zumindest einen Detektionsfläche (5 a) zurücklegen.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (3) derart ausgestaltet ist, dass alle detektierten Teilstrahlen (Tl, T2, ..., T5) über die gleiche strahlteilende Fläche (3a, 3b) den Strahlteiler (3) verlassen und anschließend auf der zumindest einen Detektionsfläche (5a) auftreffen, wobei an der Erzeugung eines oder mehrerer der detektierten Teilstrahlen (Tl, T2, T5) vorzugsweise jeweils mehrere Reflexionen an den strahlteilenden Flächen (3 a, 3b) beteiligt sind. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (3) einen Körper aus für die Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) und die Teilstrahlen (Tl, T2, T3, T4, T5) transparentem Material umfasst, wobei an zwei gegenüber liegenden Grenzflächen des Körpers die strahlteilenden Flächen (3 a, 3b) ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit als Eigenschaften des Prüflings (2) die Form zumindest einer Oberfläche (O, Ol, 02) des Prüflings (2) und/oder die optische Wellenfront nach Passieren des Prüflings (2) und/oder Größen bestimmt, welche von der Form der zumindest einen Oberfläche (O, Ol, 02) oder von der optischen Wellenfront abhängen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit als Eigenschaften des Prüflings (2) die Form mehrerer Oberflächen (O, Ol, 02) des Prüflings (2) und/oder Größen bestimmt, welche von der Form der mehreren Oberflächen (O, Ol , 02) abhängen, wobei hierfür mehrere Strahlverläufe des gleichen Prüfstrahls (PI, P2, P3, P4) in einer jeweiligen Messposition (MP) bestimmt werden, wobei sich die mehreren Strahlverläufe darin unterscheiden, dass der Prüfstrahl (PI , P2, P3, P4) an jeweils einer anderen Oberfläche der mehreren Oberflächen (O, Ol , 02) reflektiert wurde.
Vorrichtung zur optischen Analyse eines Prüflings (2), umfassend:
- eine Beleuchtungseinrichtung (1), welche im Betrieb der Vorrichtung mehrere Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) aus einer Menge von Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4), welche zumindest einen Teil der durch die Beleuchtungseinrichtung (1) generierbaren Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) umfasst, generiert und auf den Prüfling (2) richtet, wobei die Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) der Menge von Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) in einem lokalen Koordinatensystem der Beleuchtungseinrichtung (1) nicht-parallel zueinander verlaufen; - eine Aktorik, um mehrere Messpositionen (MP) durch Veränderung der Position der Beleuchtungseinrichtung (1) und/oder der Position des Prüflings (2) einzustellen, wobei die Beleuchtungseinrichtung (1) in einer jeweiligen Messposition (MP) zumindest einen der Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) aus der Menge von Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) generiert und auf den Prüfling (2) richtet;
- einen Detektor (5), um in jeweiligen Messpositionen (MP) ein oder mehrere Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) nach Passieren des Prüflings (2) bei deren Vorhandensein zu erfassen, indem das Auftreffen des oder der Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) nach Passieren des Prüflings (2) oder das Auftreffen von einem oder mehreren Strahlen (Tl, T2, ..., T5), welche aus dem oder den Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) nach Passieren des Prüflings (2) hervorgehen, auf zumindest einer Detektionsfläche (5a) des Detektors (5) ortsaufgelöst detektiert wird;
- eine Auswerteeinheit (6), um aus den ortsaufgelösten Detektionen des Detektors (5) die Strahlverläufe zumindest eines Teils der erfassten Prüfstrahlen (PI, P2, P3, P4) und hieraus eine oder mehrere optische Eigenschaften des Prüflings (2) zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 15 eingerichtet ist.
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