DE10220824A1 - Optische Messvorrichtung - Google Patents
Optische MessvorrichtungInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Messvorrichtung (1) zur Formvermessung einer insbesondere rauhen Oberfläche eines Messobjektes (O), die eine mindestens eine Lichtquelle (LG), eine Beleuchtungsoptik, eine Messoptik und mindestens eine Detektionseinheit umfassende Einrichtung zum Bestimmen der Intensitätsverteilung einer von der Oberfläche reflektierten Messstrahlung in Abhängigkeit einer Fokuslage relativ zur Objektoberfläche aufweist. Eine einfache Messung auch an schwer zugänglichen Stellen des Messobjekts wird dadurch ermöglicht, dass die Messoptik eine optische Sonde zum Erzeugen mindestens eines Zwischenbildes (ZW) eines betrachteten Oberflächenbereichs aufweist (Fig. 1).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Messvorrichtung zur Formver
messung einer insbesondere rauhen Oberfläche eines Messobjekts, die eine
mindestens eine Lichtquelle, eine Beleuchtungsoptik, eine Messoptik und
mindestens eine Detektionseinheit mit einem Detektionselement umfassende
Einrichtung aufweist, zur Erzeugung eines Fokus auf der Oberfläche, zur
Abbildung des von der Oberfläche reflektierten Fokus mittels der Messoptik auf
das Detektionselement und zur Bestimmung der Intensitätsverteilung des abge
bildeten Fokus auf dem Detektionselement derart, dass die Intensitätsverteilung
eine Abhängigkeit aufweist von der Fokuslage der Messoptik relativ zur Ober
fläche und aus der Bestimmung einer oder mehrerer unterschiedlicher Intensi
tätsverteilungen die Lage oder Form des betrachteten Oberflächenbereiches über
eine Signalauswertung bestimmbar ist.
Bei einer derartigen, als konfokales Mikroskop bekannten, optischen Mess
vorrichtung wird ein Messobjekt z. B. mit einem Lichtfleck durch ein Mikro
skopobjektiv beleuchtet. Der Lichtfleck befindet sich in der Brennebene
(Fokusebene) des Mikroskopobjektivs. Diese Ebene, die sogenannte Fokusebene
des Mikroskopobjektivs wird wieder durch das Mikroskopobjektiv in eine Bild
ebene abgebildet, in der sich eine Blende (Pinhole) befindet. Hinter dieser
Detektionsblende befindet sich eine Fotodiode bzw. ein Bildaufnehmer.
Zur 3D-Messung wird die Objektoberfläche in der Tiefenachse (z-Achse) durch
die Fokusebene bewegt (gescannt). Liegt die Objektoberfläche in der Fokusebene,
so wird der Lichtfleck scharf auf die Detektionsblende abgebildet und die Foto
diode misst ein hohes Intensitätssignal. Ist die Oberfläche dagegen außerhalb
der Fokusebene, ist der Lichtfleck unscharf auf die Detektionsblende abgebildet,
und die Fotodiode misst ein schwaches Intensitätssignal. Um das Messobjekt
zur 3D-Messung durch die Fokusebene zu bewegen, haben sich verschiedene
Verfahren etabliert. Beispielsweise wird in einem kommerziellen konfokalen
Mikroskop der Prüfling auf eine Piezoeinheit gelegt, der die Tiefenabtastung
durchführt, oder es führen bestimmte Komponenten zusammen mit dem Mikroskop
objektiv die Tiefenabtastung durch. Bisher wird die konfokale Mikroskopie
vorwiegend zur Vermessung flacher Objekte oder im biologischen Bereich ein
gesetzt, wie in Paddock S. W., "Confocal Laser Scanning Microscopy", Bio
Techniques; Vol 27, No. 5, P. 992-1004, Nov. 1999 gezeigt.
Eine weitere derartige Messvorrichtung ist als Autofokussystem ausgestaltet.
Hierbei wird ähnlich wie bei dem genannten konfokalen Mikroskop das Mess
objekt in dem betrachteten Bereich mit einem Lichtfleck über eine Beleuchtungs
optik und eine Messoptik beleuchtet. Die Fokusebene wird wieder über die
Messoptik der Detektionseinheit zugeführt, in der eine astigmatische Optik zum
Erzeugen einer Abbildung auf dem Bildaufnehmer angeordnet ist. Die Abbildung
weist in Abhängigkeit von der Lage des betrachteten Bereichs relativ zur
Fokusebene unterschiedliche örtliche Verteilungsmuster der Intensität auf, aus
denen mit einem örtlich auflösenden Bildaufnehmer die Lage des betrachteten
Bereichs bestimmbar ist. Bisher werden derartige Autofokussysteme in Kameras
zur automatischen Scharfeinstellung oder als Abstandssensoren in CD-Abspiel
geräten verwendet. Zum Aufbau eines Autofokussystems wird auf Naumann/Schröder:
Bauelemente der Optik, Carl Hanser Verlag München Wien, 6. Aufl.
S. 349 und auf Isailovi: Videodisc and optical memory systems. Prentice-Hall
Inc., 1985 verwiesen.
Wird das Messobjekt mit einem Lichtfleck beleuchtet, muss es noch in xy-
Richtung abgetastet (gescannt) werden. Dafür haben sich nach dem Stand der
Technik ebenfalls verschiedene Techniken etabliert, z. B. Strahlumlenkung mittels
Schwingspiegel, relatives Verfahren des Objektes zum Messsystem in xy-Rich
tung etc. Durch die Verwendung einer Nipkow-Scheibe und einer CCD-Kamera
kann die Objektoberfläche ebenfalls flächenhaft gemessen werden.
Eine alternative Messvorrichtung ist als Foucault-Laser ausgebildet. Hierbei wird
durch einen Laser ein paralleler Lichtstrahl erzeugt. Dieser Strahl wird über eine
Optik fokussiert (Objektivoptik). Es wird im Beleuchtungslichtweg eine Blende
(Foucault-Schneide) benutzt, so dass sich der Laserstrahl nicht durch die
gesamte Öffnung der Objektivoptik hindurch ausbreiten kann. Das fokussierte
Licht wird vom Objekt zurückreflektiert und kann nun im Detektionslichtweg
durch die volle Öffnung der Objektivoptik hindurch zurück laufen. Über einen
Strahlteiler, der sich zwischen der Objektivoptik und der Foucault-Schneide
befindet, wird das zurückreflektierte Licht über eine zweite Optik (Detek
tionsoptik) auf einen örtlich auflösenden Bildaufnehmer abgebildet. Durch die
Verwendung der Foucault-Schneide im Beleuchtungslichtweg weist die Abbil
dung des Fokus von der Objektoberfläche in Abhängigkeit von der Lage des
betrachteten Bereiches der Objektoberfläche relativ zur Fokusebene der Ob
jektivoptik unterschiedliche Verteilungsmuster der Intensität auf. Aus dieser
unterschiedlichen örtlichen Verteilung der Intensität, die mittels des Bild
aufnehmers (z. B. CCD-Kamera, 4-Quadranten-Diode, Differenz-Diode, etc.) fest
gestellt und ausgewertet wird, ist die Lage des betrachteten Bereiches der
Oberfläche bestimmbar. Da das Objekt nur mit einem Lichtfleck beleuchtet wird,
muss es noch in xy-Richtung abgescannt werden. Dafür haben sich nach dem
Stand der Technik verschiedene Techniken etabliert (z. B. relatives Verfahren des
Objekts zum Lichtstrahl, Strahlumlenkung mittels Schwingspiegel, etc.).
Sollen Messungen z. B. in engen Hohlräumen vorgenommen werden, so ergeben
sich mit einem konfokalen Mikroskop Schwierigkeiten.
Im Gegensatz zu interferometrischen optischen Messvorrichtungen in engen
Hohlräumen, z. B. der Weißlichtinterferometrie, bei der ein relativ aufwendiger
Referenzarm mit nahezu identischen Eigenschaften wie der Objektarm aufgebaut
werden muss, ist der Aufbau eines konfokalen Mikroskops einfach und kosten
günstig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Messvorrichtung der
eingangs angegebenen Art bereit zu stellen, mit der auch an schlecht zugäng
lichen Stellen eines Messobjekts, z. B. in engen Hohlräumen, Oberflächenmes
sungen vorgenommen werden können.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hiernach ist
vorgesehen, dass die Messoptik eine optische Sonde zum Erzeugen mindestens
eines Zwischenbildes (ZW) eines betrachteten Oberflächenbereichs aufweist.
Durch diese Konstruktion der Messvorrichtung mit der die Zwischenabbildungs
vorrichtung aufweisenden optischen Sonde können auch z. B. in engen Hohlräu
men bzw. Kanälen Messaufgaben quantitativ, zerstörungsfrei, schnell, hoch auf
lösend, berührungslos auf einfache Weise und kostengünstig durchgeführt
werden.
Eine günstige Ausbildung besteht dabei darin, dass das Zwischenbild oder min
destens eines der Zwischenbilder im Objektstrahlengang erzeugt wird.
Alternative Konstruktionsmöglichkeiten ergeben sich dadurch, dass die optische
Sonde objektseitig von einer Objektivoptik in dem reflektierten Objektstrahl an
geordnet ist, welche als Mikroskopobjektiv ausgebildet sein kann, um z. B. eine
hohe laterale Auflösung zu erhalten, oder dass die optische Sonde eine Optik
aufweist, die als Mikroskopobjektiv ausgebildet ist. Die erste Variante eignet
sich z. B. zur Umgestaltung eines vorhandenen konfokalen Mikroskops, während
die zweite Variante insbesondere zum Neuaufbau eines konfokalen Mikroskops
geeignet ist.
Ein einfacher Aufbau wird weiterhin dadurch begünstigt, dass eine Beleuch
tungsblende vorgesehen ist und die optische Sonde die Beleuchtungsblende in
ihrer Fokusebene abbildet.
Eine einfache Erzeugung und Abtastung des Zwischenbildes ergibt sich dadurch,
dass sich im Objektstrahlengang eine bezüglich des Messobjekts starre Optikein
heit befindet, der auf ihrer von dem Messobjekt abgelegenen Seite eine bezüg
lich des Messobjektes in Richtung ihrer optischen Achse bei der Tiefenabtastung
bewegliche Optikeinheit folgt. Eine einfache Ausbildung besteht dabei darin,
dass mittels der starren Optikeinheit ein zum Messobjekt starres Zwischenbild
normal zur optischen Achse erzeugt wird und dass die bewegliche Optikeinheit
in dem reflektierten Objektstrahl hinter dem starren Zwischenbild angeordnet
und zum Abtasten desselben ausgebildet ist.
Unebene oder ungünstig orientierte Oberflächen des Messobjekts können auf
einfache Weise dadurch in ein ebenes Zwischenbild umgesetzt und abgetastet
werden, dass die starre Optikeinheit wellenfrontverformende Elemente aufweist.
Ein für die einfache Bedienung und sichere Funktionsfähigkeit günstiger Aufbau
besteht darin, dass die starre Optikeinheit ganz oder teilweise als Endoskop aus
gebildet ist.
Weiterhin ergibt sich eine günstige Ausgestaltung dadurch, dass die starre Optik
einheit Teil einer das oder ein weiteres Zwischenbild erzeugenden Optik ist.
Alternative Aufbaumöglichkeiten ergeben sich dadurch, dass die bewegliche
Optikeinheit ganz oder teilweise aus optischen Elementen besteht, die in Richtung
der optischen Achse beweglich sind und weiterhin dadurch, dass die bewegliche
Optikeinheit ganz außerhalb oder teilweise innerhalb und außerhalb oder ganz
innerhalb des Objektlichtwegs liegt.
Eine exakte Messung wird dadurch unterstützt, dass die Zwischenabbildungsvor
richtung für alle im starren Zwischenbild abgebildeten Objektpunkte den gleichen
Abbildungsmaßstab besitzt und weiterhin dadurch, dass die Zwischenabbil
dungsvorrichtung als telezentrische Abbildungsvorrichtung in 4F-Anordnung aus
gebildet ist.
Es kann ein System von konfokalen Blenden vorgesehen sein, das z. B. Loch
blenden, Spaltblenden, Spaltgitter oder eine Nipkow-Scheibe aufweist. Vorteil
haft ist z. B., dass das konfokale System von Blenden eine Beleuchtungsblende
und eine Detektionsblende aufweist, die an optisch konjugierten Orten des
Strahlengangs einer eine Lichtquelle aufweisenden Beleuchtungseinheit und einer
Detektionseinheit angeordnet sind, dass in Abhängigkeit von der Fokuslage rela
tiv zur Oberfläche unterschiedliche örtliche Intensitätsverteilungen auf dem De
tektionselement entstehen, und dass die Lage oder Form des betrachteten Ober
flächenbereiches mittels einer Signalauswerteeinheit der Detektionseinheit aus
den unterschiedlichen Intensitätsverteilungen bestimmbar ist.
Bei dem konfokalen System von Blenden besteht eine zusätzliche Maßnahme da
rin, dass die optische Sonde auch die Detektionsblende in der Fokusebene ab
bildet.
Die Messvorrichtung kann vorteilhaft mit einem Autofokussystem in der Weise
ausgebildet sein, dass die Detektionseinheit eine astigmatische Optik zum Er
zeugen einer astigmatischen Abbildung der betrachteten Objektoberfläche auf
einer Empfängerfläche der Detektionseinheit aufweist, dass die astigmatische
Optik, derart ausgebildet und angeordnet ist, dass in Abhängigkeit von der
Fokuslage relativ zu der Objektoberfläche unterschiedliche örtliche Intensitäts
verteilungen auf der Empfängerfläche entstehen, und dass die Lage oder Form
des betrachteten Oberflächenbereichs mittels einer Signalauswerteeinheit der
Detektionseinheit aus den unterschiedlichen örtlichen Intensitätsverteilungen be
stimmbar ist.
Hierbei besteht ein für eine genaue Vermessung der Objektoberfläche günstiger
Aufbau darin, dass die astigmatische Optik eine Zylinderlinse oder Toruslinse
aufweist und die Empfängerfläche eine Vierquadranten-Photodiode oder ein Bild
aufnehmer mit flächiger Anordnung von Bildaufnehmerelementen oder eine Bild
aufnehmeranordnung aus mehreren Bildaufnehmerzeilen ist und dass die Anord
nung von astigmatischer Optik und Empfängerfläche so ausgelegt ist, dass
sich für eine vor dem betrachteten Oberflächenbereich liegende Fokusebene eine
erste Orientierung der Intensitätsverteilung, hinter dem betrachteten Ober
flächenbereich liegende Fokusebene eine zweite Orientierung der Intensitäts
verteilung und in dem betrachteten Oberflächenbereich liegende Fokusebene
eine ausgeglichene Intensitätsverteilung ergeben.
Die Messvorrichtung kann vorteilhaft als Foucault-Laser in einer Weise ausge
bildet sein, dass der Beleuchtungslichtweg eine Blende enthält, die bewirkt, dass
für die Beleuchtung des Objektes nicht der gesamte Durchmesser der Objektiv
optik durchstrahlt wird, jedoch bei der Abbildung des Objektes auf den Bild
aufnehmer der gesamte Durchmesser der Objektivoptik durchstrahlt wird. Die
Abdeckung des Durchmessers ist dabei vorzugsweise asymmetrisch angeordnet.
Weiterhin ist die Blende derart angeordnet, dass in Abhängigkeit von der Fokus
lage relativ zu der Objektoberfläche unterschiedliche örtliche Intensitäts
verteilungen auf der Empfängerfläche entstehen, und dass die Lage oder Form
des betrachteten Oberflächenbereiches mittels einer Signalauswerteeinheit der
Detektionseinheit aus den unterschiedlichen örtlichen Intensitätsverteilungen
bestimmbar ist. Die Blende ist vorteilhaft als Foucault-Schneide ausgebildet.
Hierbei besteht ein für eine genaue Vermessung der Objektoberfläche günstiger
Aufbau darin, dass die Empfängerfläche ein Bildaufnehmer mit flächiger Anord
nung von Bildaufnehmerelementen oder eine Vierquadranten-Photodiode oder
eine Differenzdiode ist und dass die Anordnung so ausgelegt ist, dass sich für
eine vor dem betrachteten Oberflächenbereich liegende Fokusebene eine erste
Orientierung der Intensitätsverteilung, hinter dem betrachteten Oberflächen
bereich liegende Fokusebene eine zweite Orientierung der Intensitätsverteilung
und in dem betrachteten Oberflächenbereich liegende Fokusebene eine ausgegli
chene Intensitätsverteilung ergibt.
Die Zugänglichkeit ungünstig gelegener Messstellen wird dadurch verbessert,
dass die optische Sonde mindestens zwei um eine Achse quer zur optischen
Achse zueinander verschwenkbare oder quer zur optischen Achse zueinander
verschiebbare und in einer Verschwenklage oder Verschiebeposition arretierbare
Abschnitte aufweist.
Um mit derselben Messvorrichtung verschiedene Oberflächenbereiche zugleich
vermessen zu können und auch eine Lagebeziehung zwischen den verschie
denen Oberflächenbereichen herstellen zu können, besteht eine vorteilhafte Aus
bildung darin, dass die Messoptik eine Superpositionsoptik aufweist, durch die
räumlich getrennte Oberflächenbereiche des Messobjekts beleuchtet werden und
in ein Bildfeld einer gemeinsamen Zwischenbildebene oder in Bildfelder unter
schiedlicher Zwischenbildebenen als Zwischenbilder abgebildet werden.
Verschiedene Ausgestaltungen ergeben sich dabei dadurch, dass die Superposi
tionsoptik aus verschiedenen einzelnen Linsensystemen besteht, die die räumlich
getrennten Flächenbereiche entlang unterschiedlicher optischer Achsen und/oder
unterschiedlicher optischer Weglängen in die gemeinsame Zwischenbildebene
abbildet, oder dass die Superpositionsoptik eine Multifokaloptik mit einer Linse
mit mehreren Brennweiten entlang einer oder mehrerer optischer Achsen auf
weist, die die räumlich getrennten Flächenbereiche in die gemeinsame Zwischen
bildebene abbildet.
Eine weitere günstige Ausbildung zum Vermessen verschiedenen Oberflächen
bereiche besteht darin, dass mehrere Detektionseinheiten mit jeweils einer
astigmatischen Optik und jeweils einem Bildaufnehmer in abgestimmter unter
schiedlicher Bildebene vorgesehen sind.
Verschiedene Oberflächenbereiche können auf einfache Weise auch dadurch
unterschieden und vermessen werden, dass mehrere Beleuchtungslichtwege mit
mehreren Beleuchtungsblenden und/oder mit Licht unterschiedlicher Wellen
längen vorgesehen sind.
Ist vorgesehen, dass die Messoptik eine Bildebnungsoptik zum Erzeugen eines
geebneten Zwischenbildes mindestens eines unebenen Oberflächenbereichs auf
weist, so können auch unebene Flächenbereiche einfach und genau vermessen
werden. Dabei können z. B. auch umlaufende Wandbereiche eines Hohlraums
oder ringförmige Flächenbereiche mit einfachen Maßnahmen dadurch vermessen
werden, dass die Bildebnungsoptik als Rundsichtoptik ausgebildet ist.
Die Messung mittels Tiefenscan erfolgt in der Weise, dass zur Bestimmung der
Lage und Form des betrachteten Oberflächenbereiches eine relative Änderung
der Lage der Fokusebene zur Objektoberfläche in z-Richtung durchgeführt wird
entweder durch eine Bewegung des Messobjektes relativ zur Messvorrichtung
oder durch eine Bewegung der Objektivoptik mit der optischen Sonde relativ zur
Oberfläche oder durch eine Bewegung der Objektivoptik als bewegliche Optik
einheit relativ zur Oberfläche und der optischen Sonde als starre Optikeinheit.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug
nahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine optische Messvorrichtung mit einem konfokalen Mikroskop
und einer optischen Sonde mit eingezeichneten Strahlengängen in
seitlicher Ansicht,
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der optischen Messvorrichtung,
mit einer anderen beweglichen Einheit zur Tiefenabtastung,
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der optischen Messvorrichtung,
Fig. 4A und 4B ein Ausführungsbeispiel der optischen Messvorrichtung mit einer
optischen Sonde in Form eines Klapp-Endoskops in zwei verschie
denen Stellungen,
Fig. 5a), b) und c) das in den Fig. 4A und 4B gezeigte Klapp-Endoskop in vergrößerter
Ansicht von der Vorderseite, in Seitenansicht und in Seitenansicht
in Klappstellung,
Fig. 6 einen Aufbau der optischen Messvorrichtung mit einem Autofokus
system mit optischer Sonde und eingezeichneten Strahlengängen in
seitlicher Ansicht, wobei als bewegte Einheit das Messobjekt dient,
Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der optischen Messvorrichtung
mit Autofokussystem, wobei als bewegte Einheit ein Abschnitt der
Messoptik dient,
Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel der optischen Messvorrichtung
mit Autofokussystem, bei dem ein anderer Abschnitt der Messoptik
als bewegte Einheit ausgebildet ist,
Fig. 9 bis Fig. 11 weitere Ausführungsbeispiele der optischen Messvorrichtung, wo
bei die Messoptik verschiedene Sonderoptiken zum Vermessen
verschiedener Oberflächenbereiche aufweist,
Fig. 12A bis 12C weitere Ausführungsbeispiele der optischen Messvorrichtung, wo
bei die Messoptik mehrere Strahlengänge und die Detektionsein
heit mehrere Teileinheiten aufweist,
Fig. 13A bis 13C ein weiteres Ausführungsbeispiel der optischen Messvorrichtung,
wobei mehrere Messtrahlengänge mit Licht unterschiedlicher
Wellenlängen gebildet werden und die Detektionseinheit mehrere
Teileinheiten aufweist und
Fig. 14A und 14B ein Ausführungsbeispiel der optischen Messvorrichtung nach dem
Prinzip eines Foucault-Lasers, wobei unterschiedliche Abschnitte
der Messoptik als bewegte Einheit ausgebildet sind.
Nach Fig. 1 ist die optische Messvorrichtung 1 in einem Ausführungsbeispiel
nach Art eines konfokalen Mikroskops aufgebaut, das mit einer ein Zwischenbild
ZW von einem Messobjekt O erzeugenden optischen Sonde OS in Form eines
Endoskops E ergänzt ist. Zur Abtastung des Messobjekts O wird dieses in Rich
tung der optischen Achse, d. h. in z-Richtung (Tiefenrichtung) abgetastet (ge
scannt), indem das Messobjekt O in der z-Richtung bewegt wird oder indem das
Endoskop E zusammen mit bestimmten Komponenten des Mikroskopobjektivs M
bewegt wird, gemäß Fig. 2.
Das zugrundeliegende Messsystem ist ein konfokales Mikroskop mit einer Mikro
skopoptik MO. In dem konfokalen Mikroskop werden außerhalb des Fokus im
Bereich einer Fokusebene FE liegende Oberflächenstrukturen des Messobjekts O
bei der Abbildung unterdrückt. Dies wird z. B. dadurch erreicht, dass nicht das
ganze Messobjekt O gleichzeitig beleuchtet und abgebildet wird, sondern jeweils
nur ein Punkt. Dazu dienen konfokale Blenden in Form einer in einem Beleuch
tungslichtweg liegenden Beleuchtungsblende BP und einer in einem Detektions
lichtweg liegenden Detektionsblende DP an optisch konjugierten Orten des
Strahlengangs. Von außerhalb des Fokus stammende Lichtstrahlen werden durch
die Detektionsblende DP unterdrückt.
Eine Lichtquelle LQ z. B. in Form einer kohärenten Laserdiode oder einer inkohä
renten Weisslichtquelle wird z. B. mittels einer Linse L1 auf die Beleuchtungs
blende BP fokussiert. Über einen Strahlteiler ST und durch das Mikroskopobjek
tiv MO sowie durch das Endoskop E wird das Messobjekt O mit einem Lichtfleck
beleuchtet (Bild der Beleuchtungsblende BP). Der Lichtfleck befindet sich in der
Fokusebene FE des Endoskops E. Die Fokusebene FE des Endoskops E wird wie
der mit dem Endoskop E der optischen Sonde OS in eine Zwischenbildebene als
ein Zwischenbild ZW abgebildet. Das Zwischenbild ZW wird mittels des Mikro
skopobjektivs MO über den Strahlteiler ST in eine Bildebene abgebildet, in der
sich die Detektionsblende DP befindet. Der Lichtfleck in der Fokusebene FE wird
dadurch über das Zwischenbild ZW auf die Detektionsblende DP abgebildet, hin
ter der sich eine Fotodiode bzw. ein Bildaufnehmer BA z. B. einer CCD-Kamera
befindet.
Zur 3D-Messung wird gemäß Fig. 1 die Objektoberfläche in der Tiefenrichtung
(z-Achse) durch Bewegen der (strichpunktiert dargestellten) bewegten Einheit BE
in Form des Messobjekts O abgetastet (Tiefenscan). In dem in Fig. 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel umfasst die (strichpunktiert dargestellte) bewegte Einheit
(BE) Komponenten des Mikroskopobjektivs MO sowie die optische Sonde mit
dem Endoskop E. Durch Bewegen der bewegten Einheit BE in z-Richtung (Tiefen
richtung) wird die Objektoberfläche abgetastet. Ist die Objektoberfläche in der
Fokusebene FE, so wird der Lichtfleck über das Zwischenbild ZW scharf auf die
Detektionsblende DP abgebildet, so dass der Bildaufnehmer BA ein hohes Inten
sitätssignal misst. Liegt die Oberfläche dagegen außerhalb der Fokusebene FE,
wird der Lichtfleck unscharf auf die Detektionsebene abgebildet und der Bild
aufnehmer BA misst ein schwaches Intensitätssignal. Das Intensitätssignal des
Bildaufnehmers BA zeigt ein Maximum, wenn die Objektoberfläche sich in der
Fokusebene FE befindet. Die Detektion des Intensitätsmaximums liefert die Tie
feninformation des Messpunktes. Zum Abtasten der gesamten zu messenden
Oberfläche wird das Messobjekt noch in xy-Richtung abgetastet, wozu beispiels
weise die eingangs genannten Techniken verwendet werden können.
Für die Zwischenbildabtastung besitzt das Endoskop E keine mechanisch starre
Verbindung zum eigentlichen Mikroskopobjektiv MO. Gemäß dem in Fig. 3 ge
zeigten Ausführungsbeispiel ist die Endoskopoptik E starr mit dem Messobjekt O
verbunden und erzeugt ein relativ zu dem Messobjekt O starres Zwischenbild
ZW. Für die Tiefenabtastung wird das starre Zwischenbild ZW durch die Fokus
ebene FE des bewegten Mikroskopobjektivs MO als bewegte Einheit BE durch
fokussiert und auf diese Weise analog dem tatsächlichen Messobjekt O abge
tastet.
Die Endoskopoptik E ist vorzugsweise eine Optik in 4F-Anordnung mit gleichem
Abbildungsmaßstab (z. B. β = 1) für alle Objektpunkte.
In den Fig. 4A, 4B, 5a), 5b) und 5c) ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die
optische Messvorrichtung 1 gezeigt, wobei das Endoskop E als Klapp-Endoskop
KE ausgebildet ist. Das Klapp-Endoskop KE besitzt zwei um eine senkrecht zur
optischen Achse verlaufende Drehachse DA verschwenkbare Abschnitte und
enthält in seinem Innern einen Ablenkspiegel, der den Strahl im Innern des
Klapp-Endoskops KE entsprechend der Klappstellung ablenkt und durch die Ab
bildungselemente leitet. Mittels einer Feder F in Form einer Druckfeder schwenkt
der in der Zeichnung untere Abschnitt des Klapp-Endoskops KE nach Durchfüh
ren durch einen schmalen Kanal in das Innere des Messobjekts O automatisch
entsprechend der zu vermessenden inneren Objektoberfläche ein. Das Klapp-
Endoskop KE kann dabei so ausgebildet sein, dass der Schwenkwinkel α einstellbar
ist.
Die beiden Abschnitte des Klapp-Endoskops KE sind durch zwei Tuben mit ent
sprechend der Klappstellung zueinander gerichteten Tubusachsen realisiert und
mit einem Gelenk an der Drehachse DA miteinander verbunden. Die Endoskop
optik ist auf beide Tuben verteilt (z. B. Objektivlinse in dem einen und Okularlinse
in dem anderen Tubus). Die beiden Tuben sind mechanisch so gefertigt, dass die
beiden Tubusachsen sowohl unter 0° (eingeklappter Zustand) als auch unter den
mindestens einen festen Schwenkwinkel α (ausgeklappter Zustand) zueinander
orientiert sein können. Im eingeklappten Zustand ist die Feder F gespannt, im
ausgeklappten Zustand ist sie entspannt. Als optische Ablenkelemente in dem
Endoskop können anstelle des Spiegels auch Prismen oder Gitter vorgesehen
sein. Als Führung beim Einführen des Endoskops in das Innere des Messobjekts
O kann eine Bohrung in dem Messobjekt O selbst oder aber eine eigene Führung
dienen. Wie Fig. 4B zeigt, liegt das Gelenk bei eingeführtem Endoskop E im
Innern des Messobjekts O frei. Im ausgeklappten Zustand wird die Objektober
fläche durch das Klapp-Endoskop KE mit dem Lichtfleck beleuchtet und dieser
über das Zwischenbild ZW auf den Bildaufnehmer BA abgebildet. Durch die Ab
tastung des Zwischenbilds wird eine einfache Abtastung der Objektoberfläche
ermöglicht.
Die bisher beschriebene optische Messvorrichtung mit dem als konfokales
Mikroskop ausgebildeten Messsystem kann in seiner Messoptik des Weiteren
auch mit einer Sonderoptik ausgestattet sein, wie sie in den Fig. 9, 10A, 10B
und 11 im Zusammenhang mit einem nachfolgend noch näher beschriebenen
Autofokussystem gezeigt sind, und in weiteren Abwandlungen können auch
mehrere Strahlengänge und zugeordnete Detektionseinheiten bzw. auch unter
schiedliche Beleuchtungseinheiten BL eingesetzt werden, wie in den Fig. 12A bis
12C bzw. 13A bis 13C ebenfalls im Zusammenhang mit einem Autofokussystem
gezeigt.
Bei dem Autofokussystem, mit dem die optische Messvorrichtung 1 gemäß den
in den Fig. 6 bis 13C gezeigten Ausführungsbeispielen ausgestattet ist, ist im
Gegensatz zu dem konfokalen System zwischen dem Strahlteiler FT und dem
Bildaufnehmer BA eine astigmatische Optik AO angeordnet. Wie in Fig. 6 und
den folgenden Figuren gezeigt, wird die betrachtete Objektoberfläche über die
Beleuchtungsblende BP und die Mikroskopoptik MO punktartig beleuchtet. Die
Detektion erfolgt über den Strahlteiler ST, die astigmatische Optik AO und den
Bildaufnehmer BA, der mit mehreren Fotoelementen zur Flächenauflösung der
auf ihm erzeugten Abbildung z. B. als Vierquadranten-Fotoempfänger CCD-Emp
fängeranordnung oder eine Anordnung aus mehreren Zeilen von Fotoelementen
ausgebildet ist. Der Lichtfleck auf der betrachteten Objektoberfläche wird über
das Mikroskopobjektiv MO, den Strahlteiler ST und die astigmatische Optik AO
auf den Bildaufnehmer BA abgebildet, wobei sich zwei zueinander senkrechte
Brennlinien in unterschiedlichen Distanzen von der astigmatischen Optik mit
einem dazwischenliegenden Zerstreuungskreis bilden. Beispielsweise ist als
astigmatische Optik AO eine Zylinderlinse oder Toruslinse vorgesehen, die so
ausgelegt ist, dass für oberhalb der Fokusebene FE liegende Oberflächen
bereiche vorwiegend die in Y-Richtung orientierten Fotoelemente, beispielsweise
N und S einer Vierquadranten-Fotodiode, für unterhalb der Fokusebene FE lie
gende Oberflächenbereiche vorwiegend die in x-Richtung liegenden Fotoele
mente O und W und für in der Fokusebene FE liegende Oberflächenbereiche alle
Fotoelemente gleichmäßig beleuchtet werden. Die Einzelsignale können zu dem
Auswertesignal N + S - O - W zusammengefasst werden, welches in der Fokus
ebene FE ~ 0 wird.
Zur dreidimensionalen Messung wird auch hierbei die Objektoberfläche in der
Tiefenachse (z-Achse) durch die Fokusebene FE gescannt. Ist der betrachtete
Oberflächenbereich in der Fokusebene FE, so wird der Lichtpunkt der Oberfläche
als Unschärfekreis auf den Bildaufnehmer BA bzw. die Vierquadranten-Fotodiode
abgebildet, das Auswertesignal wird Null. Liegt der betrachtete Oberflächen
bereich dagegen außerhalb der Fokusebene FE, wird das Auswertesignal je nach
Richtung der Defokussierung positiv oder negativ.
Entsprechend den Fig. 1, 2 und 3 können zur Abtastung in Tiefenrichtung das
Objekt O, der Abschnitt der Messoptik mit der optischen Sonde und der Mikroskop
optik MO oder nur die Mikroskopoptik MO bewegt werden. Beispielsweise
kann das Messobjekt in Form des Prüflings auf eine Piezoanordnung gelegt und
damit der Tiefenscan durchgeführt werden.
Wird das Messobjekt O mit einem Lichtfleck beleuchtet, so muss es noch in xy-
Richtung abgetastet werden, wofür aus dem Stand der Technik bekannte Vorge
hensweisen, z. B. eine Strahlumlenkung mittels Schwingspiegel, angewendet
werden können.
Wie auch bereits im Zusammenhang mit dem konfokalen Messsystem vorste
hend beschrieben, weist die Messoptik in dem Objektstrahlengang eine Optik
auf, die ein Zwischenbild erzeugt. In den Fig. 6 bis 8 ist dazu eine als Endoskop
E ausgebildete optische Sonde OS vorgesehen, während beispielsweise in den
Fig. 9 bis 11 verschiedene Sonderoptiken gezeigt sind.
Auch bei dem Aufbau mit dem Autofokussystem kann eine Abtastung des Zwi
schenbilds ZW entsprechend der Beschreibung im Zusammenhang mit dem kon
fokalen Messsystem vorgenommen werden, wie beispielsweise die Fig. 8, 9,
10A, 10B, 11 und 12A bis 12C zeigen. Für die Zwischenbildabtastung besitzt
das Endoskop E keine mechanisch starre Verbindung zu dem eigentlichen Mikro
skopobjektiv MO. Dagegen kann die Endoskopoptik starr mit dem Messobjekt
O verbunden sein und erzeugt dann ein relativ zu dem Objekt starres Zwi
schenbild, wie z. B. gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8. Für den Tie
fenscan kann die Mikroskopoptik MO das Zwischenbild ZW durch fokussieren
und die Optik des Endoskops E ist vorzugsweise eine 4F-Anordnung mit glei
chem Abbildungsmaßstab (z. B. β = 1) für alle Objektpunkte.
Fig. 9 zeigt die Anordnung einer Sonderoptik SO in Form einer Superposi
tionsoptik, die als multifokale Optik MF, nämlich eine Bifokaloptik ausgebildet
ist. Mit der Beleuchtung durch die sich im Objektstrahlengang befindende
Bifokaloptik MF werden unterschiedliche, räumlich getrennte Flächen des Objekts
beleuchtet. Die getrennten Oberflächenbereiche werden in ein Bildfeld abge
bildet, vorteilhafterweise nahezu in eine gemeinsame Bildfläche. Es entsteht
dann ein gemeinsames Bild. Das gemeinsame Bild kann direkt oder über eine
oder mehrere Zwischenabbildungen (gemeinsames Zwischenbild ZW) astigma
tisch in die Ebene des Bildaufnehmers BA in Form der Vierquadranten-Fotodiode
abgebildet werden. Die multifokale Optik MF bzw. die Bifokaloptik weist eine
Linse mit mehreren Brennweiten entlang einer oder mehrerer optischer Achsen
auf. Mit weiteren Linsen kann die Multifokaloptik zu einer telezentrischen Anord
nung kombiniert werden, um z. B. die gleichzeitige Aufnahme zweier nahezu pa
ralleler Flächen, die sich übereinander befinden, zu verwirklichen. Der Tiefen
scan erfolgt, wie vorstehend beschrieben.
Die Superpositionsoptik kann gemäß den Fig. 10A, 10B alternativ auch aus
verschiedenen einzelnen Linsensystemen bestehen, die unterschiedliche Flächen
entlang unterschiedlicher optischer Achsen und mit unterschiedlichen optischen
Weglängen in eine gemeinsame Zwischenbildebene ZW oder verschiedene Zwi
schenbildebenen ZW1, ZW2 abbilden.
Die Fig. 12A bis 12C zeigen die optische Messvorrichtung 1 mit einer aus zwei
Teileinheiten gebildeten Detektionseinheit, die jeweils einen Bildaufnehmer BA1,
BA2 und jeweils eine astigmatische Optik AO1, AO2 aufweisen, um mehere
Oberflächenbereiche gleichzeitig zu beobachten, deren Bilder in unterschied
lichen Bildebenen liegen. Die Flächen in den unterschiedlichen Bildebenen
können mit den Teileinheiten gleichzeitig gemessen werden, wobei die Bild
aufnehmer BA1, BA2 in unterschiedlichen Bildebenen angeordnet sind. Die un
terschiedlichen Flächen können über mindestens eine Zwischenabbildung auf die
Bildaufnehmer BA1, BA2 abgebildet werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn in
jeder Bildebene jeweils ein scharfer Lichtfleck erzeugt wird. Dies kann über die
Sonderoptik SO selbst erfolgen, durch die Verwendung mehrerer entsprechender
Beleuchtungsblenden BP1, BP2 entsprechend Fig. 13A oder über eine Beleuch
tungseinheit BL mit mehreren Lichtleitfasern gemäß Fig. 13B, wobei zum Ein
koppeln des Lichts in den Messstrahlengang ein Strahlteiler ST3 und zum Aus
koppeln in die Teileinheiten zu den beiden Bildaufnehmern BA1, BA2 zwei wei
tere Strahlteiler ST1, ST2 vorgesehen sind. Ferner kann ein scharfer Lichtfleck
in jeder Bildebene auch gemäß Fig. 13C durch die Verwendung von Licht unter
schiedlicher Wellenlängen erreicht werden. Der Tiefenscan erfolgt wiederum wie
im Zusammenhang mit den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschrieben.
Eine weitere Sonderoptik SO besteht in einer Rundsichtoptik RO nach Fig. 11.
Dabei ist die Rundsichtoptik zum Abtasten unebener Oberflächenbereiche als
Bildebnungsoptik ausgebildet, mit der eine Abbildung in ein ebenes Zwischenbild
ZW erfolgt. Auf diese Weise können insbesondere auch schräg zur optischen
Achse orientierte Oberflächenbereiche in einem Hohlraum beobachtet und ver
messen werden. Mit der Ausbildung als Rundsichtoptik kann z. B. ein um 360°
umlaufender radialsymmetrischer Oberflächenbereich erfasst werden. Die Be
leuchtung des Messobjekts O erfolgt durch die Bildebnungsoptik bzw. die
Rundsichtoptik hindurch. Durch die Rundsichtoptik wird z. B. ein ringförmiger
Ausschnitt (360° umlaufend) der Oberfläche abgebildet. Die Objektoberfläche
kann durch die Rundsichtoptik RO in eine Ebene abgebildet werden, wobei dann
das geebnete Bild entsteht. Das geebnete Zwischenbild kann direkt in die De
tektionseinheit abgebildet werden oder über Zwischenabbildungen.
Auch kann das beschriebene Autofokussystem in Verbindung mit dem in den
Fig. 4A bis 5C gezeigten und vorstehend beschriebenen Klappendoskop KE
verwendet werden.
Das konfokale Messsystem nach den Fig. 1 bis 3 kann andererseits auch mit
den in den Fig. 9 bis 13C gezeigten Sonderoptiken oder den Detektionseinheiten
aus mehreren Teileinheiten, wobei dann die astigmatischen Optiken AO1, AO2
durch entsprechende Detektionsblenden ersetzt werden, oder auch in Verbin
dung mit mehreren Beleuchtungswegen oder Licht unterschiedlicher Wellen
längen, λ1, λ2 eingesetzt werden.
Bei der Messvorrichtung nach dem Prinzip des Foucault-Lasers, mit dem die
optische Messvorrichtung 1 gemäß den in Fig. 14A und 14B gezeigten Ausfüh
rungsbeispielen ausgestattet ist, ist im Gegensatz zu den bisherigen Mess
systemen im Beleuchtungslichtweg vor dem Strahlteiler ST eine Blende (Foucault-
Schneide) angeordnet. Das Mikroskopobjektiv MO ist als Objektivoptik OO
ausgebildet. Wie in Fig. 14A und 14B gezeigt, wird die betrachtete Objekt
oberfläche über die Beleuchtungsblende BP, die Foucault-Schneide FS, die
Objektivoptik OO und das Endoskop punktartig beleuchtet. Durch die Foucault-
Schneide erfolgt die Beleuchtung aber nicht unter voller Ausnutzung der ganzen
Querschnittsfläche der Objektivoptik OO, sondern nur über einen Ausschnitt, der
vorzugsweise nicht symmetrisch zur optischen Achse ist. Die Detektion erfolgt
über das Endoskop E, die Objektivoptik OO, den Strahlteiler ST, und eine wei
tere Optik L3 und den Bildaufnehmer BA, der mit mehreren Fotoelementen zur
Flächenauflösung der auf ihm erzeugten Abbildung, z. B. CCD-Empfänger, Diffe
renzdiode, ausgebildet ist. Die Abbildung des Objektes auf den Bildaufnehmer
erfolgt dabei unter voller Ausnutzung der ganzen Querschnittsfläche der Ob
jektivoptik. Durch eine solche Anordnung der Foucault-Schneide ergeben sich je
nach Lage der Objektoberfläche zur Fokusebene unterschiedliche Intensitätsver
teilungen auf dem Bildaufnehmer.
Ist der betrachtete Oberflächenbereich in der Fokusebene, so wird der Licht
punkt der Oberfläche symmetrisch auf den Bildaufnehmer bzw. die Differenz
diode abgebildet. Liegt der betrachtete Oberflächenbereich dagegen außerhalb
der Fokusebene, wird der Lichtpunkt assymetrisch abgebildet. Räumlich tritt in
der Intensitätsverteilung eine Differenz auf. Aus der Differenz ist die Lage des
Oberflächenbereiches bestimmbar.
Zur dreidimensionalen Messung wird auch hierbei die Objektoberfläche in der
Tiefenachse (z-Achse) durch die Fokusebene gescannt. Entsprechend den Fig.
14A und 14B können zur Abastung in Tiefenrichtung das Objekt O, der Ab
schnitt der Messoptik mit der optischen Sonde und der Objektivoptik OO oder
nur die Objektivoptik OO bewegt werden.
Wird das Messobjekt O mit einem Lichtfleck beleuchtet, so muss es noch in xy-
Richtung abgetastet werden, wofür aus dem Stand der Technik bekannte Vorge
hensweisen, z. B. Strahlumlenkung mittels Schwingspiegel, relatives Verfahren
des Objektes zum Messsystem in xy, etc., angewendet werden können.
Claims (29)
1. Optische Messvorrichtung (1) zur Formvermessung einer insbesondere
rauhen Oberfläche eines Messobjekts (O), die eine mindestens eine Licht
quelle (LQ), eine Beleuchtungsoptik, eine Messoptik und mindestens eine
Detektionseinheit mit einem Detektionselement umfassende Einrichtung
aufweist, zur Erzeugung eines Fokus auf der Oberfläche, zur Abbildung
des von der Oberfläche reflektierten Fokus mittels der Messoptik auf das
Detektionselement und zur Bestimmung der Intensitätsverteilung des ab
gebildeten Fokus auf dem Detektionselement derart, dass die Intensitäts
verteilung eine Abhängigkeit aufweist von der Fokuslage der Messoptik
relativ zur Oberfläche und aus der Bestimmung einer oder mehrerer unter
schiedlicher Intensitätsverteilungen die Lage oder Form des betrachteten
Oberflächenbereiches über eine Signalauswertung bestimmbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messoptik eine optische Sonde zum Erzeugen mindestens eines
Zwischenbildes (ZW) eines betrachteten Oberflächenbereichs aufweist.
2. Messvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zwischenbild (ZW) oder mindestens eines der Zwischenbilder
(ZW) im Objektstrahlengang erzeugt wird.
3. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optische Sonde (OS) objektseitig von einer Objektivoptik (OO)
angeordnet ist.
4. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optische Sonde (OS) eine Optik aufweist, die als Mikroskop
objektiv (MO) ausgebildet ist.
5. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Beleuchtungsblende (BP) vorgesehen ist und die optische Sonde
(OS) die Beleuchtungsblende (BP) in ihrer Fokusebene (FE) abbildet.
6. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich im Objektstrahlengang eine bezüglich des Messobjekts (O) starre
Optikeinheit (OST) befindet, der auf ihrer von dem Messobjekt (O) abge
legenen Seite eine bezüglich des Messobjektes (O) in Richtung ihrer opti
schen Achse bewegliche Optikeinheit (OBW) folgt.
7. Messvorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass mittels der starren Optikeinheit (OST) ein zum Messobjekt (O) starres Zwischenbild (ZW) normal zur optischen Achse erzeugt wird und
dass die bewegliche Optikeinheit (OBW) in dem reflektierten Objektstrahl hinter dem starren Zwischenbild (ZW) angeordnet und zum Abtasten desselben ausgebildet ist.
dass mittels der starren Optikeinheit (OST) ein zum Messobjekt (O) starres Zwischenbild (ZW) normal zur optischen Achse erzeugt wird und
dass die bewegliche Optikeinheit (OBW) in dem reflektierten Objektstrahl hinter dem starren Zwischenbild (ZW) angeordnet und zum Abtasten desselben ausgebildet ist.
8. Messvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die starre Optikeinheit (OST) wellenfrontverformende Elemente auf
weist.
9. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die starre Optikeinheit (OST) ganz oder teilweise als Endoskop (E)
ausgebildet ist.
10. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die starre Optikeinheit (OST) Teil einer das oder ein weiteres
Zwischenbild (ZW) erzeugenden Optik ist.
11. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die bewegliche Optikeinheit (OBW) ganz oder teilweise aus opti
schen Elementen besteht, die in Richtung der optischen Achse beweglich
sind.
12. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die bewegliche Optikeinheit (OBW) ganz außerhalb oder teilweise
innerhalb und außerhalb oder ganz innerhalb des Objektlichtwegs liegt.
13. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zwischenabbildungsvorrichtung für alle im starren Zwischenbild
abgebildeten Objektpunkte den gleichen Abbildungsmaßstab besitzt.
14. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zwischenabbildungsvorrichtung als telezentrische Abbildungs
vorrichtung in 4F-Anordnung ausgebildet ist.
15. Optische Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein konfokales System von Blenden mit einer Beleuchtungsblende (BP) und einer Detektionsblende (DP) vorgesehen ist, die an optisch kon jugierten Orten des Strahlengangs der Beleuchtungsoptik und der Detek tionseinheit angeordnet sind,
dass in Abhängigkeit von der Fokuslage relativ zur Oberfläche unter schiedliche örtliche Intensitätsverteilungen auf dem Detektionselement entstehen, und
dass die Lage oder Form des betrachteten Oberflächenbereiches mittels einer Signalauswerteeinheit der Detektionseinheit aus den unterschied lichen Intensitätsverteilungen bestimmbar ist.
dass ein konfokales System von Blenden mit einer Beleuchtungsblende (BP) und einer Detektionsblende (DP) vorgesehen ist, die an optisch kon jugierten Orten des Strahlengangs der Beleuchtungsoptik und der Detek tionseinheit angeordnet sind,
dass in Abhängigkeit von der Fokuslage relativ zur Oberfläche unter schiedliche örtliche Intensitätsverteilungen auf dem Detektionselement entstehen, und
dass die Lage oder Form des betrachteten Oberflächenbereiches mittels einer Signalauswerteeinheit der Detektionseinheit aus den unterschied lichen Intensitätsverteilungen bestimmbar ist.
16. Messvorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optische Sonde (OS) auch die Detektionsblende (DP) in der
Fokusebene (FE) abbildet.
17. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Detektionseinheit eine astigmatische Optik (AO) zum Erzeugen einer astigmatischen Abbildung der betrachteten Objektoberfläche auf der Empfängerfläche der Detektionseinheit aufweist,
dass die astigmatische Optik (40) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass in Abhängigkeit von der Fokuslage relativ zu der Objektoberfläche unterschiedliche örtliche Intensitätsverteilungen auf der Empfängerfläche entstehen, und
dass die Lage oder Form des betrachteten Oberflächenbereichs mittels einer Signalauswerteeinheit der Detektionseinheit aus den unterschied lichen örtlichen Intensitätsverteilungen bestimmbar ist.
dass die Detektionseinheit eine astigmatische Optik (AO) zum Erzeugen einer astigmatischen Abbildung der betrachteten Objektoberfläche auf der Empfängerfläche der Detektionseinheit aufweist,
dass die astigmatische Optik (40) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass in Abhängigkeit von der Fokuslage relativ zu der Objektoberfläche unterschiedliche örtliche Intensitätsverteilungen auf der Empfängerfläche entstehen, und
dass die Lage oder Form des betrachteten Oberflächenbereichs mittels einer Signalauswerteeinheit der Detektionseinheit aus den unterschied lichen örtlichen Intensitätsverteilungen bestimmbar ist.
18. Messvorrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass die astigmatische Optik (AO) eine Zylinderlinse oder Toruslinse auf
weist und die Empfängerfläche eine Vierquadranten-Photodiode oder ein
Bildaufnehmer mit flächiger Anordnung von Bildaufnehmerelementen oder
eine Bildaufnehmeranordnung aus mehreren Bildaufnehmerzeilen ist und
dass die Anordnung von astigmatischer Optik (AO) und Empfängerfläche
so ausgelegt ist, dass sich für eine vor dem betrachteten Oberflächen
bereich liegende Fokusebene eine erste Orientierung der Intensitäts
verteilung, hinter dem betrachteten Oberflächenbereich liegende Fokus
ebene eine zweite Orientierung der Intensitätsverteilung und in dem
betrachteten Oberflächenbereich liegende Fokusebene eine ausgeglichene
Intensitätsverteilung ergeben.
19. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optische Sonde (OS) mindestens zwei um eine Achse quer zur
optischen Achse zueinander verschwenkbare oder quer zur optischen
Achse zueinander verschiebbare und in einer Verschwenklage oder Ver
schiebeposition arretierbare Abschnitte aufweist.
20. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messoptik eine Superpositionsoptik (SO) aufweist, durch die
räumlich getrennte Oberflächenbereiche des Messobjekts (O) beleuchtet
werden und in ein Bildfeld einer gemeinsamen Zwischenbildebene oder in
Bildfelder unterschiedlicher Zwischenbildebenen als Zwischenbilder (ZW,
ZW1, ZW2) abgebildet werden.
21. Messvorrichtung nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Superpositionsoptik (SO) aus verschiedenen einzelnen Linsen systemen besteht, die die räumlich getrennten Flächenbereiche entlang unterschiedlicher optischer Achsen und/oder unterschiedlicher optischer Weglängen in die gemeinsame Zwischenbildebene abbildet, oder
dass die Superpositionsoptik (SO) eine Multifokaloptik (MF) mit einer Lin se mit mehreren Brennweiten entlang einer oder mehrerer optischer Ach sen aufweist, die die räumlich getrennten Flächenbereiche in die gemein same Zwischenbildebene abbildet.
dass die Superpositionsoptik (SO) aus verschiedenen einzelnen Linsen systemen besteht, die die räumlich getrennten Flächenbereiche entlang unterschiedlicher optischer Achsen und/oder unterschiedlicher optischer Weglängen in die gemeinsame Zwischenbildebene abbildet, oder
dass die Superpositionsoptik (SO) eine Multifokaloptik (MF) mit einer Lin se mit mehreren Brennweiten entlang einer oder mehrerer optischer Ach sen aufweist, die die räumlich getrennten Flächenbereiche in die gemein same Zwischenbildebene abbildet.
22. Messvorrichtung nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Detektionseinheiten mit jeweils einer astigmatischen Optik
(AO1, AO2) und jeweils einem Bildaufnehmer (BA1, BA2) in abgestimmter
unterschiedlicher Bildebene vorgesehen sind.
23. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Beleuchtungslichtwege mit mehreren Beleuchtungsblenden
(BP1, BP2) und/oder mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen vorgesehen
sind.
24. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messoptik eine Bildebnungsoptik zum Erzeugen eines geebneten
Zwischenbildes mindestens eines unebenen Oberflächenbereichs aufweist.
25. Messvorrichtung nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bildebnungsoptik als Rundsichtoptik (RO) ausgebildet ist zum
Erfassen eines um 360° umlaufenden radialsymmetrischen Oberflächen
bereiches.
26. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 14 oder 19 bis 25,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Beleuchtungslichtweg eine Blende (FS) enthält, die bewirkt, dass für die Beleuchtung des Objektes (O) nicht der gesamte Durchmesser der Objektivoptik (OO) durchstrahlt ist, jedoch bei der Abbildung des Objektes (O) auf die Empfängerfläche der Detektionseinheit der gesamte Durch messer der Objektivoptik (OO) durchstrahlt wird,
dass die Blende (FS) dabei derart ausgebildet und angeordnet ist, dass in Abhängigkeit von der Fokuslage relativ zu der Objektoberfläche unter schiedliche örtliche Intensitätsverteilungen auf der Empfängerfläche entstehen, und
dass die Lage oder Form des betrachteten Oberflächenbereiches mittels einer Signalauswerteeinheit der Detektionseinheit aus den unterschied lichen örtlichen Intensitätsverteilungen bestimmbar ist.
dass der Beleuchtungslichtweg eine Blende (FS) enthält, die bewirkt, dass für die Beleuchtung des Objektes (O) nicht der gesamte Durchmesser der Objektivoptik (OO) durchstrahlt ist, jedoch bei der Abbildung des Objektes (O) auf die Empfängerfläche der Detektionseinheit der gesamte Durch messer der Objektivoptik (OO) durchstrahlt wird,
dass die Blende (FS) dabei derart ausgebildet und angeordnet ist, dass in Abhängigkeit von der Fokuslage relativ zu der Objektoberfläche unter schiedliche örtliche Intensitätsverteilungen auf der Empfängerfläche entstehen, und
dass die Lage oder Form des betrachteten Oberflächenbereiches mittels einer Signalauswerteeinheit der Detektionseinheit aus den unterschied lichen örtlichen Intensitätsverteilungen bestimmbar ist.
27. Messvorrichtung nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Blende als Foucault-Schneide (FS) ausgebildet ist.
28. Messvorrichtung nach Anspruch 26 oder 27,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Empfängerfläche ein Bildaufnehmer mit flächiger Anordnung von Bildaufnehmerelementen, eine Vierquadranten-Photodiode oder eine Diffe renzdiode ist und
dass die Anordnung so ausgelegt ist, dass sich für eine vor dem be trachteten Oberflächenbereich liegende Fokusebene eine erste Orien tierung der Intensitätsverteilung, hinter dem betrachteten Oberflächen bereich liegende Fokusebene eine zweite Orientierung der Intensitäts verteilung und in dem betrachteten Oberflächenbereich liegende Fokus ebene eine ausgeglichene Intensitätsverteilung ergibt.
dass die Empfängerfläche ein Bildaufnehmer mit flächiger Anordnung von Bildaufnehmerelementen, eine Vierquadranten-Photodiode oder eine Diffe renzdiode ist und
dass die Anordnung so ausgelegt ist, dass sich für eine vor dem be trachteten Oberflächenbereich liegende Fokusebene eine erste Orien tierung der Intensitätsverteilung, hinter dem betrachteten Oberflächen bereich liegende Fokusebene eine zweite Orientierung der Intensitäts verteilung und in dem betrachteten Oberflächenbereich liegende Fokus ebene eine ausgeglichene Intensitätsverteilung ergibt.
29. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bestimmung der Lage und Form des betrachteten Oberflächen
bereiches eine relative Änderung der Lage der Fokusebene zur Objekt
oberfläche in z-Richtung durchgeführt wird entweder durch eine Bewe
gung des Messobjektes (O) relativ zur Messvorrichtung (1) oder durch
eine Bewegung der Objektivoptik mit der optischen Sonde relativ zur
Oberfläche oder durch eine Bewegung der Objektivoptik als bewegliche
Optikeinheit (OBW) relativ zur Oberfläche und der optischen Sonde (OS)
als starre Optikeinheit (OST).
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US (1) | US6940610B2 (de) |
EP (1) | EP1258766A3 (de) |
DE (1) | DE10220824B4 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102016219632A1 (de) * | 2016-10-10 | 2018-04-12 | Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh | Chromatisch konfokaler Sensor zur Bestimmung von Koordinaten mindestens eines Messobjekts |
Families Citing this family (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4209709B2 (ja) * | 2003-03-20 | 2009-01-14 | 株式会社キーエンス | 変位計 |
US20040223213A1 (en) * | 2003-04-25 | 2004-11-11 | Hiroya Fukuyama | Microscopic observing apparatus and probe microscope |
FI20031143A0 (fi) * | 2003-08-08 | 2003-08-08 | Wallac Oy | Optinen fokusointimenetelmä ja -järjestely |
US7609289B2 (en) * | 2003-09-25 | 2009-10-27 | Omnitek Partners, Llc | Methods and apparatus for capturing images with a multi-image lens |
JP2008170366A (ja) * | 2007-01-15 | 2008-07-24 | Disco Abrasive Syst Ltd | チャックテーブルに保持された被加工物の計測装置およびレーザー加工機 |
CA2697543C (en) * | 2007-08-31 | 2016-01-26 | Abb Ltd. | Web thickness measurement device |
WO2011091340A1 (en) * | 2010-01-22 | 2011-07-28 | Cornell University | Multi-focal optical component, optical system, and imaging method |
US8773526B2 (en) | 2010-12-17 | 2014-07-08 | Mitutoyo Corporation | Edge detection using structured illumination |
DE202011001808U1 (de) * | 2011-01-22 | 2012-04-27 | Sick Ag | Optoelektronischer Sensor |
US8736817B2 (en) | 2012-05-25 | 2014-05-27 | Mitutoyo Corporation | Interchangeable chromatic range sensor probe for a coordinate measuring machine |
US8817240B2 (en) | 2012-05-25 | 2014-08-26 | Mitutoyo Corporation | Interchangeable optics configuration for a chromatic range sensor optical pen |
JP2014103353A (ja) * | 2012-11-22 | 2014-06-05 | Samsung R&D Institute Japan Co Ltd | 認識装置、認識方法、実装装置及び実装方法 |
US9068822B2 (en) | 2013-07-03 | 2015-06-30 | Mitutoyo Corporation | Chromatic range sensor probe detachment sensor |
DE102016203671A1 (de) * | 2016-03-07 | 2017-09-07 | Carl Zeiss Microscopy Gmbh | Verfahren zum Bestimmen einer Höheninformationen einer Probe und Scanningmikroskop |
DE102017009804A1 (de) * | 2017-10-20 | 2019-04-25 | Vermicon Ag | Verfahren zur Bewertung von mikroskopischen Proben und Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens |
CN115665563B (zh) * | 2022-12-14 | 2023-06-27 | 深圳市中图仪器股份有限公司 | 光学测量系统及基于光学测量系统的成像方法 |
Family Cites Families (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4170398A (en) * | 1978-05-03 | 1979-10-09 | Koester Charles J | Scanning microscopic apparatus with three synchronously rotating reflecting surfaces |
EP0116753B1 (de) * | 1982-12-07 | 1987-06-24 | Secretary of State for Trade and Industry in Her Britannic Majesty's Gov. of the U.K. of Great Britain and Northern Ireland | Vorrichtung zum Fokussieren von Licht auf einer Oberfläche |
US4884881A (en) * | 1987-11-16 | 1989-12-05 | Washington University | Single aperture confocal scanning epi-illumination microscope |
US5295477A (en) * | 1992-05-08 | 1994-03-22 | Parviz Janfaza | Endoscopic operating microscope |
US5659642A (en) * | 1992-10-23 | 1997-08-19 | Optiscan Pty. Ltd. | Confocal microscope and endoscope |
CH689968A5 (de) * | 1993-07-30 | 2000-02-29 | Zeiss Carl Fa | Beobachtungs- und/oder Dokumentationseinrichtung mit vorgeschaltetem Endoskop sowie Verfahren zu deren Betrieb. |
US5532873A (en) * | 1993-09-08 | 1996-07-02 | Dixon; Arthur E. | Scanning beam laser microscope with wide range of magnification |
DE19529788B4 (de) * | 1994-08-30 | 2004-11-04 | Carl Zeiss | Zwischentubus für ein Mikroskop mit einer konfokalen Blendenscheibe |
JP3438855B2 (ja) * | 1997-01-23 | 2003-08-18 | 横河電機株式会社 | 共焦点装置 |
EP0978009B1 (de) * | 1998-02-20 | 2009-05-13 | Leica Microsystems CMS GmbH | Anordnung zum kalibrieren eines laserscanmikroskops |
FR2783330B1 (fr) * | 1998-09-15 | 2002-06-14 | Assist Publ Hopitaux De Paris | Dispositif d'observation de l'interieur d'un corps produisant une qualite d'observation perfectionnee |
JP4229498B2 (ja) * | 1998-10-02 | 2009-02-25 | オリンパス株式会社 | 共焦点顕微鏡及び共焦点顕微鏡等に用いられるリレー光学系 |
DE19853302A1 (de) * | 1998-11-19 | 2000-05-25 | Waelde Juergen | Optischer Abstandsmesser |
JP2000275027A (ja) * | 1999-03-23 | 2000-10-06 | Takaoka Electric Mfg Co Ltd | スリット共焦点顕微鏡とそれを用いた表面形状計測装置 |
TW498152B (en) * | 2000-09-11 | 2002-08-11 | Olympus Optical Co | Confocal microscope |
US6731383B2 (en) * | 2000-09-12 | 2004-05-04 | August Technology Corp. | Confocal 3D inspection system and process |
-
2002
- 2002-05-08 EP EP02010424A patent/EP1258766A3/de not_active Ceased
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102016219632A1 (de) * | 2016-10-10 | 2018-04-12 | Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh | Chromatisch konfokaler Sensor zur Bestimmung von Koordinaten mindestens eines Messobjekts |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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EP1258766A2 (de) | 2002-11-20 |
US6940610B2 (en) | 2005-09-06 |
DE10220824B4 (de) | 2010-08-05 |
US20030002054A1 (en) | 2003-01-02 |
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