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Die Erfindung betrifft eine chromatisch konfokale Messeinrichtung.
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Chromatisch konfokale Messeinrichtungen werden beispielsweise verwendet, um Objekte zu vermessen. Beispielsweise kann eine Oberfläche eines Objekts vermessen werden, wodurch beispielsweise eine Höhe oder eine Unebenheit begutachtet werden kann. Beispielsweise kann es sich dabei um ein ebenes oder flaches Objekt handeln.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine im Vergleich dazu beispielsweise alternative oder verbesserte Ausführung einer Messeinrichtung vorzusehen. Dies wird erfindungsgemäß durch eine chromatisch konfokale Messeinrichtung gemäß Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind beispielsweise in den Unteransprüchen beansprucht. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme in die Beschreibung mit aufgenommen.
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Die Erfindung betrifft eine chromatisch konfokale Messeinrichtung. Die Messeinrichtung weist eine Lichtquelle auf, welche Licht mehrerer unterschiedlicher Wellenlängen und/oder mit einem kontinuierlichen Spektrum von Wellenlängen emittiert. Die Messeinrichtung weist eine erste konfokale Blende auf, durch welche Licht der Lichtquelle an einer Mehrzahl von Durchtrittspunkten an verschiedenen Feldpunkten tritt. Die Messeinrichtung weist weiter eine zweite konfokale Blende auf.
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Die Messeinrichtung weist eine Beleuchtungs-Abbildungsoptik auf, umfassend mindestens ein erstes Prisma (Dispersionsprisma), welches das Licht wellenlängenabhängig bricht und damit aufspaltet. Beispielsweise wird Licht kürzerer Wellenlängen stärker gebrochen, und somit abgelenkt, als Licht längerer Wellenlängen. Die Ausfallsrichtung aus dem ersten Prisma unterscheidet sich somit in Ablenkungsrichtung nach Wellenlängen. Die Beleuchtungs-Abbildungsoptik umfasst auch ein erstes Linsensystem mit mindestens einer ersten Linse, welche vom ersten Prisma räumlich getrennt ist, wobei das erste Linsensystem Licht von dem ersten Prisma empfängt und die effektive Brennweite des ersten Linsensystems sich für verschiedene Wellenlängen unterscheidet, so dass die Beleuchtungs-Abbildungsoptik derart ausgebildet ist, dass Foki unterschiedlicher Wellenlängen an unterschiedlichen Orten gebildet werden, wobei die Orte entlang eines Flächensegments liegen, welches einen spitzen Winkel zur Mittenachse des ersten Linsensystems bildet.
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Die Messeinrichtung ist dazu eingerichtet, ein Objekt zu vermessen, welches das Liniensegment schneidet und zumindest einen Teil des Lichts reflektiert.
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Da die erste konfokale Blende über mehrere Durchtrittspunkte des Lichts verfügt, beispielsweise durch eine schlitzförmige Öffnung der ersten konfokalen Blende, welche als Reihe unendlich vieler unmittelbar benachbarter Punkte angesehen werden kann, so werden für jeden Durchtrittspunkt jeweils Fokuspunkte unterschiedlicher Wellenlängen entlang eines entsprechenden Liniensegments gebildet. Die Vielzahl unmittelbar benachbarter Liniensegmente von Fokuspunkten bilden ein Flächensegment. Die Fokuspunkte gleicher Wellenlänge aber unterschiedlicher Durchtrittspunkte durch die Blende bilden Fokuslinien auf dem Flächensegment quer zu den Liniensegmenten. Eine derartige Ausführung kann insbesondere als Liniensensor bezeichnet werden. Ein Liniensensor zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die erste konfokale Blende eine schlitzförmige Öffnung aufweist und/oder eine Vielzahl von Durchtrittspunkten durch die erste konfokale Blende vorgesehen sind.
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Die Messeinrichtung weist eine Detektions-Abbildungsoptik auf. Die Detektions-Abbildungsoptik ist dazu eingerichtet, von dem Objekt reflektiertes Licht ausschließlich aus Richtungen zu empfangen, welche sich von Richtungen, aus der das Beleuchtungslicht auf das Objekt einfällt, unterscheiden, wobei die Detektions-Abbildungsoptik dazu eingerichtet ist, die Foki aller Wellenlängen auf die zweite konfokale Blende abzubilden.
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Die chromatisch konfokale Messeinrichtung weist ferner einen Detektor, insbesondere ein Spektrometer, auf, welcher dazu eingerichtet ist, eine Intensität des durch die zweite konfokale Blende tretenden Lichts zu erfassen.
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Erfindungsgemäß umfasst die Beleuchtungs-Abbildungsoptik ein zweites Prisma, dessen Ablenkungsrichtung entgegengesetzt zur Ablenkungsrichtung des ersten Prismas ist. Unter Ablenkungsrichtung wird dabei die Richtung des Winkels zwischen einfallendem und ausfallendem Mittenstrahl der Mittenwellenlänge verstanden
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Es stellt sich heraus, dass bei Liniensensoren mit einem einzigen Prisma, welches zur Aufspaltung der Wellenlängen dient, die Einfallsrichtungen des Lichtes in das Prisma vom Durchtrittsort durch die erste Blende abhängen. Insbesondere wenn die Optik so ausgelegt ist, dass das Licht kollimiert oder nahezu kollimiert durch das erste Prisma tritt, so entsprechen verschiedene Feldpunkte am Ort der ersten Blende verschiedenen Strahlrichtungen am Ort des Prismas. Licht, welches nahe der Mitte der ersten Blende durch diese hindurchgetreten ist, wird unter einem ersten Winkel α1 auf die erste Fläche des Prismas treffen, während Licht, welches an dem von der Mitte am weitesten entfernten Punkt durch die erste Blende getreten ist, unter einem verschiedenen Winkel α2 auf die erste Fläche des Prismas trifft. Da die Brechungseigenschaften und der Ablenkwinkel des Prismas vom Eintrittswinkel abhängig sind, so wird Licht, welches von unterschiedlichen Durchtrittspunkten durch die erste Blende stammt, unterschiedlich stark abgelenkt und unterschiedlich stark aufgespalten. Dieser Effekt führt zu einer Durchbiegung der Fokuslinien am Ort des Messobjektes.
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Eine solche Durchbiegung ist unerwünscht, da sie zu Fehlern entlang verschiedenen Orten der Messlinie führt. So wird beispielsweise ein perfekt planes Objekt ohne Berücksichtigung des Effekts bei einer Messung fälschlicherweise als durchgebogen wahrgenommen. Der Effekt muss daher korrigiert werden, entweder im Spektrometer durch geeignete Auslegung der optischen Komponenten derart, dass die Durchbiegung kompensiert wird, oder durch Kompensation der Messwerte in der Auswertung. Letzteres ist nachteilig, da die Auswertung von mehr Detektorzeilen und mehr Rechenleistung benötigt wird, wodurch die Auswertung verlangsamt wird.
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Die Verwendung eines Prismas als dispersives Objekt im Abbildungsarm verursacht eine „Durchbiegung“ der Messlinie auf dem Objekt. Da die Strahlen am Feldrand unter einem anderen Winkel durchs Prisma laufen als die in der Mitte, werden sie stärker abgelenkt und der Fokus liegt daher höher über dem Messobjekt. Diese Durchbiegung kann durch geeignete Wahl des Prismas im Spektrometer weitgehend rückgängig gemacht werden, so dass ein ebenes Messobjekt auf dem Matrixdetektor als gerade Linie abgebildet wird. Dieses Vorgehen führt zu guten Ergebnissen, hat jedoch gewisse Nachteile, wie beispielsweise ein hohes Gewicht und große Ausdehnung sowie hoher Preis des Prismenspektrometers.
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Es wurde nunmehr erkannt, dass der Effekt der Durchbiegung durch ein weiteres (zweites) Prisma in der Beleuchtungs-Abbildungsoptik weitgehend kompensiert werden kann. Das zweite Prisma ist dabei vorzugsweise entgegen dem ersten Prisma angeordnet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird durch ein zweites, vorzugsweise weitgehend dispersionsfreies Prisma in der Abbildungsoptik der Effekt der Durchbiegung ausgeglichen. Wenn man in jedem Arm zusätzlich zum Dispersionsprisma noch ein „dispersionsfreies“ Prisma einbaut, kann man die Felddurchbiegung weitestgehend beheben. D.h. man erhält am Objekt gerade Linien (statt durchgebogener Linien wie im Stand der Technik). Die „Rückbiegung“ der Linie, die alternativ im Spektrometer mittels des dortigen Prismas erfolgt, wird hier also in die beiden Arme verlagert.
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Als großen Vorteil bringt dies mit sich, dass man ein Gitterspektrometer nutzen kann, was eine kompaktere Bauweise erlaubt. Eine plane Linie auf dem Objekt wird in diesem Konzept auch auf eine gerade Linie im Gitterspektrometer abgebildet (statt auf eine durchgebogene Linie). Das reduziert die Anzahl der Detektorzeilen, die benötigt werden und erhöht somit die Messrate.
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Bevorzugt ist das zweite Prisma so ausgelegt, dass die Summe der Ablenkungswinkel der beiden Prismen für eine Wellenlänge λ0 für alle Feldpunkte näherungsweise konstant ist.
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Wird beispielsweise ein aus der Feldmitte kommendes Licht einer Wellenlänge λ0, beispielsweise grünes Licht, welches unter einem Winkel α1 auf das erste Prisma trifft, durch dieses um einen Winkel β1 abgelenkt und durch das zweite Prisma um einen Winkel -δ1, so wird es insgesamt um einen Winkel σ1 = β1 + (-δ1) abgelenkt. Dementsprechend wird Licht aus einem anderen Durchtrittspunkt, beispielsweise einem Endpunkt einer Schlitzblende, um einen Winkel σ2 = β2 + (-δ2). So ist Ziel dieser Ausführungsform, dass sich σ1 und σ2 so wenig wie möglich unterscheiden.
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Besonders bevorzugt ist dies für jede Wellenlänge der Fall. So unterscheiden sich zwar die Ablenkungswinkel und damit die Höhenlagen der Foki gattungsgemäß zwischen Wellenlängen, für eine konstante Wellenlänge ist die Ablenkung aber für alle Feldpunkte annähernd konstant.
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Designtechnisch ist es unter Umständen nicht möglich, perfekt konstante Werte zu erhalten. Eine Reduzierung der Abweichungen gegenüber einem Gerät mit nur einem Prisma ist jedoch bereits eine lohnenswerte Verbesserung.
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Um die Kompensation zu erreichen, ohne die gewünschte Aufspaltung zwischen verschiedenen Wellenlängen zunichtezumachen, werden vorteilhafterweise für das erste Prisma und zweite Prisma verschiedene Glassorten eingesetzt. Es unterscheidet sich die Glassorte, aus der das zweite Prisma gefertigt ist, von der Glassorte, aus der das erste Prisma gefertigt ist. Insbesondere besitzt die Glassorte des ersten Prismas eine größere Dispersion.
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Vorteilhafterweise wird das erste Prisma aus einer Glassorte mit einer relativ niedrigen Abbe-Zahl gefertigt. Diese Glassorten zeichnen sich dadurch aus, dass die Dispersion hoch ist, d.h. die Ablenkung hängt stärker von der Wellenlänge ab und die Aufspaltung ist damit groß.
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Das zweite Prisma kann beispielsweise aus einem Flint- oder Kronglas gefertigt werden. Solche Gläser besitzen eine höhere Abbe-Zahl und damit einer geringere Dispersion/Aufspaltung. Sie sind außerdem kostengünstiger.
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Durch eine geschickte Kombination von Glassorten und Prismenwinkeln kann somit eine farbabhängige Aufspaltung erreicht werden und die Feldabhängigkeit gleichzeitig weitgehend unterdrückt werden. Eine geeignete Wahl erfolgt bspw. über gängige Simulationsprogramme für Optikdesign.
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Bevorzugt ist das zweite Prisma im Strahlengang von der Lichtquelle zum Objekt vor dem ersten Prisma angeordnet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Detektions-Abbildungsoptik ein zweites Linsensystem mit mindestens einer zweiten Linse und ein drittes Prisma auf, welche vorzugsweise voneinander räumlich getrennt sind. Das zweite Linsensystem kann insbesondere vom Objekt reflektiertes Licht empfangen und die effektive Brennweite des zweiten Linsensystems kann sich für verschiedene Wellenlängen unterscheiden.
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In der Beleuchtungs-Abbildungsoptik wird ein Lichtstrahl, welcher typischerweise mehrere Wellenlängen in sich vereint, durch das Prisma aufgespalten, indem das Licht wellenlängenabhängig abgelenkt wird, wobei wie bereits erwähnt im Zusammenspiel mit dem ersten Linsensystem Foki unterschiedlicher Wellenlängen an unterschiedlichen Orten gebildet werden. Bei der Detektions-Abbildungsoptik wäre eine entsprechende aufspaltende Wirkung dann gegeben, wenn ein im Vergleich zum hier relevanten Strahlengang inverser Strahlengang verwendet würde. Ein solcher Strahlengang könnte beispielsweise vom Detektor zurück zur Lichtquelle verlaufen. Beim Strahlengang, welcher für die hier relevante Messeinrichtung vorgesehen wird, hat das dritte Prisma im Detektions-Strahlengang typischerweise eine Funktion, für genau diejenigen Strahlen und Wellenlängen, deren Fokus mit einer reflektierenden Oberfläche des gemessenen Objektes koinzidiert, die wellenlängenabhängige Ablenkung rückgängig zu machen. Jeder Fokuspunkt, welcher auf einer solchen reflektierenden Oberfläche liegt, wird also wieder auf einen festgelegten Punkt der zweiten konfokalen Blende abgebildet. Bei mehreren reflektierenden Oberflächen werden alle Fokuspunkte auf dem Objekt, die einem Durchtrittspunkt durch die erste konfokale Blende entsprechen, wieder auf einen gemeinsamen Punkt auf der zweiten konfokalen Blende abgebildet. Für alle anderen Strahlen und Wellenlängen, welche abseits ihres Fokuspunktes vom Objekt reflektiert werden und somit unter einem abweichenden Winkel einfallen, wird die wellenlängenabhängige Aufspaltung hingegen durch das dritte Prisma verstärkt.
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Das erste Prisma ist Bestandteil der Beleuchtungs-Abbildungsoptik und wird vom Licht der Lichtquelle angestrahlt. Hier erfolgt dann ein Aufspalten in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Wellenlängen. Durch die Wellenlängenabhängigkeit des ersten Linsensystems wird dann erreicht, dass die Foki unterschiedlicher Wellenlängen an unterschiedlichen Orten gebildet werden. Die Orte liegen dabei insbesondere entlang des bereits erwähnten Flächensegments, wobei das Flächensegments typischerweise entlang einer ebenen Fläche ausgebildet ist. Das Flächensegments kann beispielsweise quer zu einer Oberfläche des Objekts und/oder senkrecht zur Erdoberfläche ausgerichtet sein, letzteres beispielsweise wenn die Messeinrichtung entsprechend ausgerichtet ist, dass das Flächensegments senkrecht zur Erdoberfläche ausgerichtet ist. Auch andere Winkel zur Oberfläche des Objekts und/oder zur Erdoberfläche sind jedoch möglich. Leichte Abweichungen der Foki zum Flächensegments, welche beispielsweise auf unvermeidlichen Toleranzen basieren, werden nicht als Abweichung von der hierin beanspruchten Ausführung betrachtet.
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Unter einem Fokussieren auf die zweite konfokale Blende kann insbesondere ein Fokussieren auf einen Schlitz oder eine Öffnung der zweiten konfokalen Blende verstanden werden.
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Der Detektor kann insbesondere dasjenige Licht erfassen und auswerten, welches durch einen solchen Schlitz oder eine solche Öffnung in der zweiten konfokalen Blende hindurchgetreten ist, insbesondere nachdem es durch die Beleuchtungs-Abbildungsoptik gegangen ist, vom Objekt reflektiert wurde und dann durch die Detektions-Abbildungsoptik gegangen ist. Der Detektor ermöglicht insbesondere eine Messung, welche eine Auswertung erlaubt, die Rückschlüsse auf die Oberfläche oder sonstige Eigenschaften des Objekts gibt.
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Bei der Lichtquelle kann es sich beispielsweise um eine Lampe handeln, insbesondere eine Leuchtdiode oder umfassend mehrere Leuchtdioden, welche nicht nur monochromatisch ausstrahlt. Es kann vorgesehen sein, dass mehrere unterschiedliche diskrete Wellenlängen ausgestrahlt werden. Ebenso kann vorgesehen sein, dass ein kontinuierliches Spektrum von Wellenlängen ausgestrahlt wird. In beiden Fällen handelt es sich nicht um eine monochromatische Lichtquelle.
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Ein kontinuierliches Spektrum kann insbesondere über einen gewissen Bereich von Wellenlängen derart ausgebildet sein, dass zu jeder Wellenlänge innerhalb dieses Bereichs eine nicht verschwindende Intensität vorhanden ist, welche beispielsweise mittels eines Spektrometers messbar ist.
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Unter einer Blende wird grundsätzlich ein Objekt verstanden, welches sich über eine gewisse Fläche erstreckt und eine oder mehrere Öffnungen und/oder einen oder mehrere Schlitze hat, durch welche Licht hindurchtreten kann. Die erste konfokale Blende ist typischerweise optisch unmittelbar nach der Lichtquelle angeordnet. Das Licht der Lichtquelle tritt dabei typischerweise durch eine Öffnung in der ersten konfokalen Blende. Ebenso weist die zweite konfokale Blende typischerweise eine Öffnung auf, durch welche Licht von der Detektions-Abbildungsoptik zum Detektor gelangt.
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Das Flächensegment ist typischerweise dasjenige Segment, in welchem tatsächlich Fokuspunkte aufgrund des Wellenlängenspektrums bzw. der emittierten Wellenlängen der Lichtquelle und der Beleuchtungs-Abbildungsoptik vorhanden sind. Wenn das Objekt dieses Flächensegment schneidet, werden somit mindestens ein Fokuspunkt einer bestimmten Wellenlänge auf der Oberfläche des Objekts liegen, und es ist davon auszugehen, dass eben bei einer solchen Wellenlänge eine besonders hohe und präzise Reflexion am Objekt erfolgt. Dies ermöglicht letztlich eine Bestimmung, welche Wellenlänge einen Fokuspunkt hat, welcher auf der Oberfläche des Objekts angeordnet ist, was wiederum eine Vermessung des Objekts ermöglicht. Das Vorliegen eines ganzen Flächensegments von Fokuspunkten führt zu einer Schnittlinie zwischen Objekt und Flächensegment. Alle Fokuspunkte entlang der Schnittlinie können je ausgewertet werden und ermöglichen eine Höhenbestimmung aller Punkte entlang der Linie. Das Flächensegment kann vorzugsweise eben sein, es kann jedoch auch gebogen sein oder eine komplexere Form haben.
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Die Brennweite des ersten Linsensystems für eine erste Wellenlänge der Lichtquelle kann sich insbesondere von der Brennweite des ersten Linsensystems für eine zweite Wellenlängen der Lichtquelle um einen Betrag df unterscheiden. Der Quotient aus df und der Brennweite des ersten Linsensystems für eine zwischen der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge befindliche Wellenlänge kann insbesondere mehr als 5 % betragen. Dies wird für typische Anwendungen als ausreichende Aberration betrachtet, welche für eine geeignete Anordnung der Fokuspunkte sorgt. Insbesondere können hierbei Wellenlängen innerhalb des Spektrums der Lichtquelle betrachtet werden. Insbesondere können diese zwischen einer größten Wellenlänge und einer kleinsten Wellenlänge, welche die Lichtquelle emittiert, angeordnet sein.
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Insbesondere kann die longitudinale Aufspaltung der Fokuspunkt-Lagen mindestens 0,1-mal die laterale Aufspaltung der Fokuspunkt-Lagen betragen. Die longitudinale Aufspaltung, welche insbesondere entlang einer optischen Achse des ersten Linsensystems der Beleuchtungs-Anregungsoptik gemessen werden kann, kann insbesondere kleiner sein als die laterale Aufspaltung, welche quer zur optischen Achse gemessen wird. Insbesondere kann die optische Achse einen Winkel von mindestens 20° oder höchstens 45° zu einer typischen Probenoberfläche einnehmen.
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Das erste Linsensystem kann insbesondere mindestens eine Linse mit einer Abbe-Zahl kleiner 40 umfassen. Derartige Linsen haben sich für die hier relevante Anwendung als vorteilhaft erwiesen.
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Das Liniensegment, welches durch die Fokuspunkt-Lagen der unterschiedlichen Wellenlängen geht, kann insbesondere einen Winkel kleiner als 60° und/oder größer als 30°, oder von 45°, zu einer Mittenachse des ersten Linsensystems aufweisen. Somit erfolgt ein Schrägeinfall des Lichts auf eine Oberfläche des Objekts, so dass das Licht auch wieder schräg reflektiert wird.
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Die Beleuchtungs-Abbildungsoptik kann insbesondere eine Kollimatorlinse umfassen, welche zwischen Lichtquelle und erstem Prisma angeordnet ist. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass keine solche Kollimatorlinse vorgesehen ist oder dass die Kollimation durch eine Mehrzahl von Linsen umgesetzt wird. Auch ohne Kollimation kann die Messeinrichtung jedoch betrieben werden.
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Insbesondere kann das Licht kollimiert auf das erste Prisma treffen. Dadurch kann insbesondere eine definierte Strahlführung vor dem Prisma erreicht werden, so dass eine anschließende gezielte Fokussierung vorteilhaft möglich ist. Außerdem werden durch ein kollimiertes Durchtreten durch die Prismen Abbildungsfehler reduziert.
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Das erste Linsensystem kann insbesondere eine Mittenachse aufweisen, welche geneigt zu einer Strahlrichtung vor dem ersten Prisma ausgerichtet ist.
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Licht mit einer Wellenlänge f0 der von der Lichtquelle emittierten Wellenlängen kann insbesondere parallel zur Mittenachse des ersten Linsensystems auf das erste Linsensystem fallen. Dies kann für eine Wellenlänge f0 in dem Spektrum der Lichtquelle gelten. Vorteilhafterweise ist die Wellenlänge f0 nahe der Mitte des Spektralbereichs der Lichtquelle. Sie wird dann als Mittenwellenlänge bezeichnet. Andere Wellenlängen können typischerweise einen gewissen Winkel dazu einnehmen.
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Die erste konfokale Blende kann insbesondere eine Schlitzblende sein. Insbesondere ist unter einer Schlitzblende eine Blende mit einem Schlitz zu verstehen, welcher in einer Raumrichtung (Längsrichtung) signifikant ausgedehnter, insbesondere um mindestens eine Größenordnung bzw. einen Faktor 10 ausgedehnter, ist als in einer anderen Raumrichtung. Die beiden Raumrichtungen können insbesondere quer zueinander stehen und/oder eine Ebene der Schlitzblende definieren. Die zweite konfokale Blende ist bevorzugt als eine der ersten konfokalen Blende entsprechende Schlitzblende ausgebildet.
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Die Detektions-Abbildungsoptik kann bevorzugt ein drittes Prisma aufweisen. Es kann auch ein zweites Linsensystem umfassen. Besonders bevorzugt umfasst es auch ein viertes Prisma.
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Insbesondere kann die Detektions-Abbildungsoptik ganz oder zumindest im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur Beleuchtungs-Abbildungsoptik ausgebildet sein. In diesem Fall sind die Liniensegmente, auf denen sich die Fokuspunkte der verschiedenen Wellenlängen befinden, vorteilhafterweise entlang der Spiegelebene ausgerichtet.
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Das dritte Prisma kann insbesondere baugleich und/oder spiegelsymmetrisch zum ersten Prisma ausgeführt sein. Das zweite Linsensystem kann insbesondere baugleich zum ersten Linsensystem ausgeführt sein. Das vierte Prisma ist insbesondere baugleich zum zweiten Prisma ausgeführt. Dies erlaubt eine Strahlführung, bei der die Detektions-Abbildungsoptik für genau diejenigen Strahlen und Wellenlängen, welche auf einer reflektierenden Oberfläche des Objekts fokussiert sind, den aufspaltenden und abbildenden Effekt der Beleuchtungs-Abbildungsoptik umkehrt. Diese Strahlen werden dann an einem Ort auf der zweiten konfokalen Blende fokussiert, welcher spiegelsymmetrisch zu dem Ort auf der ersten konfokalen Blende ist, durch den die Strahlen durchgetreten waren. Dies ermöglicht eine einfache Abstimmung der Elemente aufeinander und eine gute Fokussierung auf der zweiten konfokalen Blende.
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Der Detektor kann insbesondere ein Spektrometer umfassen und kann insbesondere dazu eingerichtet sein, eine oder mehrere Wellenlängen maximaler Intensität und/oder eine oder mehrere, zu einer jeweiligen Wellenlänge korrespondierende maximale Intensität zu bestimmen. Damit können insbesondere Auswertungen in Bezug auf eine Höhe vorgenommen werden.
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Insbesondere kann Licht von der Lichtquelle durch die erste konfokale Blende treten und dann auf die Beleuchtungs-Abbildungsoptik treffen, insbesondere auf eine Linse der Beleuchtungs-Abbildungsoptik oder auf ein Prisma der Beleuchtungs-Abbildungsoptik oder einen Teil davon.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
- 1: eine chromatisch konfokale Messeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
- 2: eine skizzenhafte Darstellung der Fokuslinien im Messbereich,
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1 zeigt eine chromatisch konfokale Messeinrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die Messeinrichtung 100 ist dazu ausgebildet, eine Oberfläche eines Objekts 105 zu vermessen. Insbesondere geht es dabei um die Höhe der Oberfläche entlang einer vertikalen Richtung in 1.
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Die Messeinrichtung 100 weist eine Auswerteeinrichtung 110 auf. Die Auswerteeinrichtung 110 ist dazu ausgebildet, diverse Steuerungs- und Auswertungsaufgaben auszuführen. Je nach Funktionalität kann sie auch anders bezeichnet werden.
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Die Messeinrichtung 100 weist eine Lichtquelle 120 auf. Diese emittiert ein Licht mit einem verhältnismäßig breiten Wellenlängenspektrum. Insbesondere deckt dieses vorliegend im Wesentlichen den Bereich des sichtbaren Lichts ab. Unmittelbar angrenzend an die Lichtquelle 120 ist eine erste konfokale Blende 130 ausgebildet. In dieser ist eine nicht separat dargestellte Öffnung in Form eines Schlitzes ausgebildet, durch welche das Licht der ersten Lichtquelle 120 hindurchtritt.
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Anschließend gelangt es auf eine Beleuchtungs-Abbildungsoptik 200. Diese weist eingangsseitig eine Sammellinse 220 und eine nachgeschaltete Sammellinse 225 auf. Diese beiden Linsen 220, 225 kollimieren zunächst das Licht, bevor dieses auf Prismen 215 und 210 trifft. Sie können deshalb als Kollimatorlinsen bezeichnet werden.
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Die Kombination der Prismen 215 und 210 spaltet das einfallende Licht wellenlängenabhängig auf, wodurch unterschiedliche Wellenlängen unterschiedliche Richtungen einnehmen. Das erste Prisma 210 führt dabei zu einer starken Dispersion, also zu einer wellenlängenabhängigen Aufspaltung. Jedoch führt es auch zu einer Einfallswinkel-abhängigen Ablenkung. Da der Einfall des Lichtes hier kollimiert ist, entspricht dies einer Abhängigkeit vom Feldpunkt am Ort der ersten konfokalen Blende 130. Das zweite Prisma 215 führt ebenfalls zu einer Einfallswinkel-abhängigen Ablenkung des Lichtes, der Effekt ist hier entgegengesetzt zum Effekt des ersten Prismas 210. Dadurch können sich die Effekte annähernd kompensieren. Das zweite Prisma 215 führt ebenfalls zu Dispersion, welche in diesem Beispiel ebenfalls gegenläufig zur Dispersion des ersten Prismas 210 ist. Diese Dispersion ist jedoch deutlich schwächer, so dass im Gesamteffekt eine gewünschte wellenlängenabhängige Aufspaltung resultiert.
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Optisch nachgelagert ist ein erstes Linsensystem 230, welche vorliegend aus einer Sammellinse, einer Zerstreuungslinse und wiederum einer Sammellinse gebildet ist, auf welche hier nicht näher eingegangen wird. Das erste Linsensystem 230 und die Prismen 215 und 210 sind zusammen derart ausgebildet, dass Foki abhängig von der Wellenlänge entlang eines Flächensegments 160 (hier mit einer Dimension in die Papierebene hinein zeigen gezeichnet) angeordnet sind. Das Flächensegment 160 ist eine ebene Fläche, entlang welcher die Foki für unterschiedliche Wellenlängen angeordnet sind. Da es sich in diesem Beispiel um einen Liniensensor handelt, handelt es sich bei den Foki um Fokuslinien, entsprechend der linienförmigen ersten konfokalen Blende. Jede Fokuslinie gehört zu einer Wellenlänge und besteht aus einer Mehrzahl von Fokuspunkten. Dies bedeutet, dass unterschiedliche Wellenlängen des Lichts der Lichtquelle 120 an unterschiedlichen Stellen, also Fokuspunkten, entlang des Flächensegments 160 angeordnet sind. Wenn ein solcher Fokuspunkt auf der Oberfläche des Objekts 105 angeordnet ist, wird diese Wellenlänge besonders intensiv reflektiert. Die Reflexion erfolgt dabei nach rechts auf eine Detektions-Abbildungsoptik 300.
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Die Detektions-Abbildungsoptik 300 weist zunächst ein zweites Linsensystem 330 mit einer Sammellinse, einer Zerstreuungslinse und wiederum einer Sammellinse auf. Anschließend trifft das Licht auf ein drittes Prisma 310 und viertes Prisma 315. Das zweite Linsensystem 330 und die Prismen 310 und 300 sind zusammen so ausgeführt, dass die wellenlängenabhängige Ablenkung für die Wellenlängen, deren Fokuspunkte mit einer reflektierenden Oberfläche des Objekts 105 koinzidieren, rückgängig gemacht wird. Entsprechend zur Beleuchtungsseite, wird auch hier die Winkelabhängige Aufspaltung kompensiert. Nach dem vierten Prisma 315 gelangt dieses Licht auf eine weitere Sammellinse 325 und noch eine weitere Sammellinse 320, welche es auf eine nicht gezeigte Öffnung in einer zweiten konfokalen Blende 140 fokussieren.
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Nur diejenigen Wellenlängen, deren Fokuspunkt auf einer reflektierenden Oberfläche des Objekts 105 liegt, werden dabei wieder auf die Öffnung fokussiert. Alle anderen Wellenlängen werden abseits der Öffnung fokussiert und treten nicht oder nur in geringem Maße durch diese hindurch. Dadurch gelangt das Licht in ein Spektrometer 405. Dieses weist eine eingangsseitige Sammellinse 410 auf, welche das Licht auf ein Element 420 kollimiert, welches vorliegend als Gitter ausgebildet ist. Alternativ könnte auch beispielsweise ein Prisma verwendet werden. Das Element 420 nimmt wiederum eine wellenlängenabhängige Aufspaltung vor und leitet das Licht auf eine weitere Sammellinse 430 und eine nochmalige weitere Sammellinse 440. Diese fokussieren das Licht auf eine lichtsensitive Oberfläche 450, welche vorliegend als Zeilendetektor oder Matrixdetektor ausgebildet ist, so dass unterschiedliche Wellenlängen an unterschiedlichen Stellen der sensitiven Oberfläche 450 auftreffen. Mehrere Zeilen können dabei separat voneinander ausgelesen werden. Dies erlaubt die Aufnahme von Wellenlängenspektren des in das Spektrometer 405 einfallenden Lichts. Insbesondere wird der Schlitz der Schlitzblende über eine Mehrzahl von Zeilen des Matrixdetektors abgebildet, so dass jede Zeile ein Spektrum für einen unterschiedlichen Durchtrittsort entlang der Schlitzblende aufnimmt. Auf diese Weise können mehrere Punkte entlang der Objektoberfläche gleichzeitig vermessen werden.
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2 zeigt eine skizzenhafte Darstellung der Fokuslinien im Messbereich. Dabei ist hier die Ebene x-z gezeigt, wobei in 1 die orthogonal dazu liegende Ebene y-z gezeigt war. Hier gezeichnet sind Iso-Wellenlänge-Linien auf dem Flächensegment, welches den Messbereich darstellt. Jede Linie entspricht der Fokuslinie einer Wellenlänge, bzw. der Abbildung des Schlitzes der ersten konfokalen Blende 120 in einer Wellenlänge. Hier gezeigt ist nur eine Auswahl von Wellenlängen, die anderen Wellenlängen bilden kontinuierliche Übergänge dazwischen.
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In 2a sind die Fokuslinien ohne Einsatz eines zweiten Prismas 215 in der Beleuchtungs-Abbildungsoptik 200 gezeigt. Man kann eine deutliche Durchbiegung der Linien erkennen. 2b zeigt Fokuslinien für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung - hier sind die Fokuslinien jeweils gerade und senkrecht zur Aufspaltungsrichtung der Wellenlängen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018130901 A1 [0003]
