DE10321885A1 - Confocal imaging arrangement has an imaging component with variable diffractive power whose main plane is arranged at least approximately in the focal plane of the test objective - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of technology
Die
Durchfokussierung spielt Bekannterweise bei der konfokalen Mikroskopie
seit Marvin Minski [s. a. Patentschrift
In
der Schrift
Im Fachartikel „Nontranslational three-dimensional profilometry by chromatic confocal microscopy with dynamically configurable micromirror scanning von S. Cha, P. C. Lin, L. Zhu, P.-Ch. Sun und Y. Feinman in Applied Optics, Vol. 39, No. 16 vom 1. Juni 2000, S. 2605 bis 2613 wird die Möglichkeit aufgezeigt, mittels einer Abbildungsstufe mit einer diffraktiven Linse eine chromatische Längsaberration zu erzielen. Diese brechkraftvariable Anordnung ändert jedoch auch den Maßstab der Abbildung vom Objekt auf die Kamera. Dies ist für die messtechnische Applikation in der Regel nicht akzeptabel. Weiterhin ist im Fachartikel „3D Micro-inspection goes DMD" von F. Bitte, G. Dussler und T. Pfeiffer in der Fachzeitschrift Optics and Lasers in Engineering 36 (2001) 155–167 eine Möglichkeit dargestellt, das konfokale Prinzip mittels DMDs zur Erzeugung von gesteuerten Lichtquellpunkten in einem Array anzuwenden. Jedoch beträgt hierbei die Zeit für die dreidimensionale Vermessung beim Stand der Technik noch einige Minuten.in the Technical article "Nontranslational three-dimensional profilometry by chromatic confocal microscopy with dynamically configurable micromirror scanning by S. Cha, P. C. Lin, L. Zhu, P.-Ch. Sun and Y. Feinman in Applied Optics, Vol. 39, No. 16 from June 1, 2000, pp. 2605 to 2613 becomes the possibility demonstrated by means of an imaging level with a diffractive Lens has a chromatic longitudinal aberration to achieve. However, this variable power arrangement also changes the scale of the Image from the object to the camera. This is for the metrological application usually not acceptable. Furthermore, the article "3D Micro-inspection goes DMD "by F. Please, G. Dussler and T. Pfeiffer in the journal Optics and Lasers in Engineering 36 (2001) 155-167 a possibility presented the confocal principle using DMDs to generate controlled Apply light source points in an array. However, here the time for the three-dimensional measurement in the prior art still a few Minutes.
Im Fachaufsatz „Twisted nematic liquid-crystal pixelated active lens" von Vincent Laude in Optics Communications vom 15. Juli 1998, S. 135 bis 152, wird auf die vielfältigen Möglichkeiten hingewiesen, durch Operationen in der Pupille mit elektronisch gesteuerten Arrays, hier LCDs, beispielsweise die Fokussierung in einem Abbildungssystem zu beeinflussen, also zu fokussieren. Bei den dargestellten Arbeiten befindet sich das LCD in der Pupillenebene des Abbildungssystems. Jedoch ändert sich durch diese Operationen in der Pupille zur Fokussierung auch die Brennweite des gesamten Abbildungssystems. Die unerwünschte Folge ist hierbei die Veränderung des Abbildungsmaßstabes der Abbildung bei einer derartigen Fokussierung. Weiterhin ändern sich die Richtungen der Lichtstrahlen im Feld bei der so beeinflussten Abbildung, beispielsweise bei der Abbildung eines Messobjektes auf eine Kamera. Dies kann, beispielsweise bei lichtstarken Abbildungssystemen mit großen Pupillen in Verbindung mit modernen Kameras mit integrierten Mikrolinsen-Arrays, welche am besten einen zumindest näherungsweise telezentrischen Strahlengang benötigen, ein Problem darstellen, da sich so neben der lateralen Verschmierung auch noch die Intensität in den Pixeln der Kamera beim Durchfokussieren ändern kann. Diese genannten Eigenschaften stellen besonders für die hochauflösende dreidimensionale Messtechnik eine nichtakzeptable Einschränkung dar, auch wenn ein Teil der Beeinflussungen durchaus noch numerisch kompensiert werden kann.in the Technical article "Twisted nematic liquid-crystal pixelated active lens "by Vincent Laude in Optics Communications from July 15, 1998, pp. 135 to 152, discusses the many possibilities noted by operations in the pupil with electronically controlled Arrays, here LCDs, for example focusing in an imaging system to influence, i.e. to focus. In the work shown the LCD is located in the pupil plane of the imaging system. However changes yourself focusing through these operations in the pupil as well the focal length of the entire imaging system. The unwanted consequence is the change here of the image scale the image with such a focus. Continue to change the directions of the light rays in the field so influenced Illustration, for example when imaging a measurement object a camera. This can be the case, for example, with fast imaging systems with big Pupils in connection with modern cameras with integrated microlens arrays, which is best at least approximately telecentric Need beam path, pose a problem, because in addition to the lateral smearing still the intensity can change in the pixels of the camera when focusing through. These mentioned Properties pose particularly for the high-resolution three-dimensional Measurement technology is an unacceptable limitation, even if a part the influences can still be compensated numerically.
Ziel und Aufgabe der ErfindungGoal and task the invention
Das Ziel der Erfindung besteht in einem kostengünstigen, robusten, tiefenmessenden, konfokalen Sensor zur Bestimmung des Abstandes, der Gestalt und insbesondere des zwei- oder dreidimensionalen Mikroprofils von Messobjekten, die im Messvorgang gegebenenfalls auch bewegt werden können. Darüber hinaus können in einem zu analysierenden, mikroskopisch kleinem Probenvolumen mittels konfokalem Sensor aber auch zwei- oder dreidimensionale Transparenz- oder Reflexionsprofile der Probe ermittelt werden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung muss es sich jedoch nicht in jedem Fall um einen mikroskopischen Strahlengang handeln, da mit konfokalen Anordnungen auf der Grundlage der Erfindung auch die Gestalt vergleichsweise großer Objekte optisch abgetastet werden soll.The The aim of the invention is an inexpensive, robust, depth-measuring, confocal sensor to determine the distance, shape and in particular the two- or three-dimensional micro profile of measurement objects, which can possibly also be moved in the measuring process. Furthermore can in a microscopic sample volume to be analyzed by means of a confocal sensor, but also two- or three-dimensional Transparency or reflection profiles of the sample can be determined. In the solution according to the invention must However, it is not always a microscopic beam path act as with confocal arrangements based on the invention also the shape of comparatively large objects optically scanned shall be.
Die Erfindung löst die Aufgabe, den Abstand einer Oberfläche zu messen oder die Oberfläche eines Objektes optisch, sehr schnell und vergleichsweise genau mit dem Verfahren der konfokalen Detektion, bzw. mit einem konfokalen Sensor auch in einem vergleichsweise großem Tiefenbereich abzutasten, insbesondere um das zwei- oder dreidimensionale Profil der Oberfläche zu erfassen. Es kann aber auch das zwei- oder dreidimensionale Transparenz- oder Reflexionsgradprofil eines Objektes mit der Erfindung bestimmt werden.The invention solves the problem of measuring the distance of a surface or the surface of an object optically, very quickly and comparatively precisely using the confocal De method tection, or to scan with a confocal sensor even in a comparatively large depth range, in particular to detect the two- or three-dimensional profile of the surface. However, the two- or three-dimensional transparency or reflectance profile of an object can also be determined with the invention.
Beschreibung der Erfindungdescription the invention
Es wird davon ausgegangen, dass bei einer konfokalen Anordnung mit brechkraftvariabler, abbildender Komponente dem zu prüfenden Objekt in allen hier betrachteten Fällen, ein Prüfobjektiv zugeordnet ist.It it is assumed that with a confocal arrangement with Power-variable, imaging component of the object to be inspected in all cases considered here, a test lens assigned.
Die Brechkraft stellt ganz allgemein den reziproken Wert der Brennweite eines Abbildungssystems dar und kann hier somit auch für diffraktive und spiegelnde, abbildende Komponenten verwendet werden.The Refractive power generally represents the reciprocal of the focal length of an imaging system and can therefore also be used for diffractive and reflective, imaging components are used.
Das dem Objekt zugeordnete Prüfobjektiv kann ein Mikroskopobjektiv sein und dient dabei sowohl der Beleuchtung der Objektoberfläche als auch der Abbildung derselben. Das Prüfobjektiv kann aber auch als ein Objektiv für die makroskopische Abbildung ausgebildet sein. Weiterhin kann in bekannter Weise im Strahlengang der konfokalen Anordnung dem Prüfobjektiv ein Tubusobjektiv vorgeordnet sein. Dabei muss es sich jedoch hierbei nicht um ein Objektiv handeln, welches nach Unendlich korrigiert ist. Im Extremfall kann das Tubusobjektiv in der erfindungsgemäßen konfokalen Anordnung sogar völlig fehlen. Diesem Tubusobjektiv kann eine monochromatische oder im Fall eines chromatisch-konfokalen Verfahrens eine spektral breitbandige Quelle elektromagnetischer Strahlung vorgeordnet sein. Diese Quelle, meist eine Lichtquelle im sichtbaren Spektralbereich, kann eine Spektralverteilung mit mindestens drei unterschiedlichen Spektralbereichen aufweisen. Diese Bereiche können im Grenzfall durch drei einzelne Wellenlängen einer Laserlichtquelle dargestellt sein. Andererseits kann die Lichtquelle aber auch zumindest näherungsweise als ein Weißlicht-Strahler ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass die Lichtquelle selbst in bekannter Weise zeitsequenziell in der Wellenlänge durchstimmbar ausgeführt ist, beispielsweise als Ti:Sapphir Laser. Eine Weißlichtquelle kann aber auch im Zusammenwirken mit einem nachgeordneten Monochromator ausgebildet sein, wodurch das zeitsequenzielle Durchstimmen möglich ist.The test lens assigned to the object can be a microscope lens and serves both for lighting the object surface as well as the image of the same. The test lens can also be used as a lens for the macroscopic image should be formed. Furthermore, in the test lens in a known manner in the beam path of the confocal arrangement be preceded by a tube lens. However, it must be here not a lens that corrects to infinity is. In extreme cases, the tube lens can be confocal in the invention Arrangement is even completely absent. This tube lens can be a monochromatic or in the case of a chromatic-confocal method a spectrally broadband source be arranged upstream of electromagnetic radiation. This source, mostly a light source in the visible spectral range can have a spectral distribution with at least three different spectral ranges. This Areas can in the limit case by three individual wavelengths of a laser light source be shown. On the other hand, the light source can at least approximately designed as a white light emitter his. It is also possible, that the light source itself is sequenced in a known manner wavelength tunable is, for example as a Ti: Sapphir laser. A white light source can also be used in conjunction with a downstream monochromator be formed, whereby the time sequential tuning is possible.
Im Strahlengang ist zur Realisierung des konfokalen Prinzips ein in bekannter Weise die Lichtstrahlenbündel begrenzendes System angeordnet, vorzugsweise ein feststehendes Mikrolinsen-Array mit einer in einer nachfolgenden Abbildungsstufe angeordneten Blende. Dieses Mikrolinsen-Array erzeugt eine Anzahl von Lichtquellpunkten, vorzugsweise in mindestens einer einzigen Linie, vorzugsweise in mehreren Linien oder vorzugsweise in einer Array-Anordnung. Wird anstelle eines Mikrolinsen-Arrays nur eine einzelne Mikrolinse verwendet, entsteht nur ein einzelner Lichtquellenpunkt und somit auch nur ein einzelner Abtastpunkt. Es können aber auch grundsätzlich beliebige Figuren von Lichtquellpunkten ausgebildet werden.in the Beam path is an in to realize the confocal principle known system arranged the light beam limiting system, preferably with a fixed microlens array an aperture arranged in a subsequent imaging stage. This microlens array generates a number of light source points, preferably at least a single line, preferably in several lines or preferably in an array arrangement. Will instead of a microlens array If only a single microlens is used, only a single one is created Light source point and therefore only a single scanning point. But it can also basically arbitrary figures of light source points are formed.
Dem Prüfobjektiv ist in Lichtrichtung für die Beleuchtung eine brechkraftvariable, abbildende Komponente vorgeordnet. Diese Komponente soll, lateral betrachtet, stets die Wirkung eines einzelnen optischen Systems aufweisen, also vorzugsweise nur eine einzige optische Achse besitzen und somit also selbst in der Regel kein Array darstellen. Die brechkraftvariable, abbildende Komponente besitzt zumindest im Bereich ihrer optischen Achse zumindest näherungsweise eine einzige oder, wenn optische Bauelemente mit einer größeren Mittendicke eingesetzt sind, eine erste und auch eine zweite Hauptebene. Dabei ist diese Komponente vorzugsweise zentriert zum Prüfobjektiv. Diese brechkraftvariable, abbildende Komponente kann auch mindestens eine einzige diffraktive Subkomponente beinhalten. Die erste und die zweite Hauptfläche dieser brechkraftvariablen, abbildenden Komponente stellen also zumindest näherungsweise die beiden Hauptebenen eines optischen Abbildungssystems dar. Diese Hauptebenen können bei einem dünnen System auch zumindest näherungsweise in einer einzigen Ebene zusammenfallen. Erfinderisch ist hierbei, dass eine der Hauptebenen oder die gemeinsame Hauptebene der brechkraftvariablen, abbildenden Komponente zumindest näherungsweise in der dem Objekt abgewandten Brennebene des Prüfobjektivs oder in einer zu dieser Brennebene optisch konjugierten Ebene angeordnet ist, wobei diese Ebene außerdem auch noch die Pupillenebene des Gesamtsystems für die Objektbeleuchtung und Objektabbildung in der konfokalen Anordnung darstellt.the Prüfobjektiv is in the direction of light for the lighting is preceded by a variable, imaging component. Viewed laterally, this component should always have the effect of a have individual optical systems, so preferably only one have only one optical axis and therefore usually itself do not represent an array. The refractive power, imaging component has at least approximately in the area of its optical axis a single one or if optical components with a larger center thickness are used are a first and a second main level. Here is this Component preferably centered on the test lens. This refractive power variable, imaging component can also have at least one single diffractive Include subcomponent. The first and second major surfaces of this power variable, imaging component are at least approximately the two main planes of an optical imaging system. These main levels can be at a thin system also at least approximately collapse in a single plane. It is inventive here that one of the main planes or the common main plane of the power variable, imaging component at least approximately in the object facing focal plane of the test lens or arranged in a plane optically conjugate to this focal plane is, this level also also the pupil level of the overall system for object lighting and Representing the object image in the confocal arrangement.
Genau diese hier beschriebenen Merkmale führen nun dazu, dass bei einer Veränderung der Brechkraft dieser brechkraftvariablen, abbildenden Komponente sich eine Tiefenverschiebung der durch das Prüfobjektiv erzeugten Bilder der Lichtquellpunkte im Objektraum ergibt. Dabei, und das ist das besonders Vorteilhafte, bleibt der Schwerstrahl im Objektraum in seiner Lage zumindest näherungsweise unverändert. Da die dem Objekt abgewandte Brennebene des Prüfobjektivs auch die Pupillenebene sein soll, sind die Schwerstrahlen im Objektraum stets zumindest näherungsweise telezentrisch ausgebildet. So bleibt der Abbildungsmaßstab der konfokalen Anordnung auch bei einer Variation der Brechkraft der brechkraftvariablen, abbildenden Komponente konstant.I agree these features described here now lead to a change the refractive power of this refractive power variable, imaging component there is a depth shift of the images generated by the test lens the light source points in the object space results. Here, and that's it Particularly advantageous, the heavy beam remains in the object space its position, at least approximately unchanged. There the focal plane of the test lens facing away from the object may also be the pupil plane the heavy beams in the object space are always at least approximately telecentrically trained. So the image scale remains the confocal arrangement even with a variation in the refractive power of the refractive power variable, imaging component constant.
Dabei ist es für diese Erfindung völlig nebensächlich, ob sich die Veränderung der Brechkraft der brechkraftvariablen, abbildenden Komponente über der Lichtwellenlänge ändert, das System also chromatisch ausgebildet ist, oder in anderer Weise die Brechkraft dieser Komponente verändert wird, beispielsweise durch eine vorbestimmte Steuerung.there is it for this invention completely secondary, whether the change the refractive power of the refractive power variable, imaging component over the Light wavelength changes that System is therefore chromatic, or in another way the refractive power changed this component is, for example, by a predetermined control.
Wenn es keine gemeinsame Hauptebene der brechkraftvariablen, abbildenden Komponente gibt, ist vorzugsweise die andere Hauptebene der brechkraftvariablen, abbildenden Komponente zumindest näherungsweise in der Brennebene des Tubusobjektivs positioniert, welche dem Prüfobjektiv zugeordnet ist. Dann besteht vorteilhafterweise auch im Raum der Lichtquellpunkte effektiv ein telezentrischer Strahlengang, da nur der telezentrische Teil der Lichtbündel weiter verwendet wird. Die brechkraftvariable, abbildende Komponente kann aber vorzugsweise auch so dünn ausgeführt sein, dass zumindest näherungsweise dadurch nur eine einzige Hauptebene besteht und diese Hauptebene mit den beiden koplanaren Brennebenen von Tubusobjektiv und Prüfobjektiv oder in einer zu diesen Brennebenen optisch konjugierten Ebene in einer gemeinsamen Ebene zusammenfällt.If there is no common main plane of the refractive power, imaging Component there is preferably the other main plane of the power variable, imaging component at least approximately in the focal plane of the tube lens, which is assigned to the test lens. Then advantageously also exists effectively in the area of the light source points a telecentric beam path, since only the telecentric part the beam of light continues to be used. The refractive power, imaging component but can preferably also be as thin accomplished be that at least approximately so there is only one main level and this main level with the two coplanar focal planes of the tube lens and the test lens or in a plane optically conjugate to these focal planes in coincides at a common level.
Dabei kann die brechkraftvariable, abbildende Komponente unter bestimmten Bedingungen auch die Brechkraft null aufweisen.there can the refractive power variable, imaging component under certain Conditions also have zero refractive power.
Erstens kann sich erfindungsgemäß die Brechkraft der brechkraftvariablen, abbildenden Komponente also in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichtes ändern. Dann ist die brechkraftvariable, abbildende Komponente ein chromatisches System, welches mit einer Lichtquelle mit mehreren Lichtwellenlängen benutzt wird. Vorzugsweise besteht diese chromatische, brechkraftvariable, abbildende Komponente aus zwei Subkomponenten. Diese weisen vorzugsweise bei einer zumindest näherungsweise mittleren Wellenlänge im verwendeten Spektrum der Lichtquelle die im Betrag zumindest näherungsweise gleiche, jedoch in der Wirkung umgekehrte Brechkraft auf, so dass von einer Subkomponente ein Lichtstrahlenbündel gesammelt und von der anderen gestreut wird. Vorzugsweise ist dabei mindestens eine dieser Subkomponenten chromatisch ausgebildet. Dabei können auch beide Subkomponenten mit zumindest teilweise diffraktiv wirkenden Mikrostrukturen ausgebildet sein. Es kann aber auch eine diffraktive Mikrostruktur ausgebildet sein, die zumindest in einem spektralen Bereich – also mindestens für einige ausgewählte Lichtwellenlängen – achromatische Eigenschaften aufweist. Diese beiden diffraktiven Subkomponenten stehen sich mit ihren diffraktiven Strukturen dabei vorzugsweise direkt gegenüber, sind also beispielsweise nur in einem Abstand von wenigen Lichtwellenlängen voneinander entfernt.First According to the invention, the refractive power of the refractive power variable, imaging component depending on the wavelength of the light change. Then the refractive power variable imaging component is a chromatic one System that uses a light source with multiple light wavelengths becomes. This chromatic, refractive power variable, imaging preferably exists Component from two subcomponents. These preferably exhibit at least approximately medium wavelength in the spectrum of the light source used, at least approximately in magnitude same, but reversed refractive power, so that from a sub-component a light beam is collected and from the is scattered to others. At least one of these is preferably Subcomponents formed chromatically. Both subcomponents can also be used formed with at least partially diffractive microstructures his. However, a diffractive microstructure can also be formed be at least in a spectral range - at least for some selected Light wavelengths - achromatic Has properties. These two diffractive subcomponents are preferred with their diffractive structures directly opposite, are, for example, only at a distance of a few light wavelengths from each other.
So ist dann diese chromatische brechkraftvariable, abbildende Komponente vorzugsweise diffraktiv oder zumindest teilweise diffraktiv ausgebildet. Es können aber auch beide Subkomponenten dieser brechkraftvariablen abbildenden Komponente chromatisch ausgebildet sein. Gegebenenfalls kann hier auch eine Ausbildung derselben mit entgegengesetzter chromatischer Charakteristik bestehen. Die zweite Subkomponente kann refraktiv ausgebildet sein, kann also als eine vorzugsweise dünne Linse oder als eine Linsengruppe ausgebildet sein.So is then this chromatic refractive power variable, imaging component preferably diffractive or at least partially diffractive. It can but also imaging both subcomponents of this refractive power variable Component be formed chromatically. If necessary, here too a formation of the same with opposite chromatic characteristics consist. The second subcomponent can be refractive so as a preferably thin Lens or be formed as a lens group.
Vorzugsweise ist die brechkraftvariable, abbildende, chromatische Komponente in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge also gleichzeitig eine fokussierende, eine mit der Brechkraft null oder eine das Lichtbündel divergierende Komponente. In jedem Fall stellt diese Komponente so ein abbildendes System mit variabler Brechkraft dar. Außerdem ist diese brechkraftvariable, abbildende Komponente vorzugsweise rotationssymmetrisch. Dies betrifft dann sowohl ihre geometrische Form als auch ihre optische Funktion. Dabei kann diese Komponente eine kreisringförmige Wirkfläche, also eine kreisringförmige Pupillenfläche, beispielsweise durch eine Mittenabschattung aufweisen. Vorzugsweise ist die brechkraftvariable, abbildende, chromatische Komponente zur optischen Achse des Prüfobjektivs zentriert.Preferably is the refractive power variable, imaging, chromatic component in dependence of the light wavelength So at the same time a focusing one with zero refractive power or one the light beam divergent component. In any case, this component represents such an imaging system with variable refractive power. In addition, this refractive power variable, imaging component preferably rotationally symmetrical. This affects both their geometric shape and their optical function. This component can have an annular active surface, ie an annular pupil surface, for example due to central shading. The refractive power variable is preferably imaging, chromatic component to the optical axis of the test objective centered.
Durch die kreisringförmige Wirkfläche dieser Komponente oder der zum Aufbau verwendeten Subkomponenten können in einem konfokalen Aufbau auch Objektive eingesetzt werden, die in der Mitte also auf der optischen Achse, nicht oder nicht hinreichend gut korrigiert sind und so nur eine kreisringförmige Fläche in der Pupille besitzen. Die Mittenabschattung des Prüfobjektivs soll dabei mindestens 2% der gesamten Pupillenfläche desselben ausmachen. Das Zulassen einer nicht korrigierten Mitte führt bei einem Objektiv in der Regel zu einem großen Preisvorteil gegenüber den in der gesamten Pupille korrigierten Objektiven. Dies gilt vor allem für Prüfobjektive mit vergleichsweise großem Arbeitsabstand.By the circular effective area this component or the subcomponents used for construction can In a confocal setup, lenses are also used that So in the middle on the optical axis, not or not sufficiently are well corrected and thus only have an annular surface in the pupil. The center shading of the test lens should make up at least 2% of the total area of the pupil. The Allowing an uncorrected center results in a lens in the Usually at a great price advantage across from the lenses corrected throughout the pupil. This applies before everything for test objectives with a comparatively large one Working distance.
Wenn die einzige Hauptebene oder eine der beiden Hauptebenen der brechkraftvariablen, abbildenden Komponente in der Brennebene des Prüfobjektivs oder in einer zu dieser Brennebene optisch konjugierten Ebene liegt, besteht durch diese Komponente in einer chromatisch-konfokalen Anordnung in der Regel kein zusätzlicher chromatischer Querfehler. Da das Prüfobjektiv und das erste Tubusobjektiv ebenfalls mit geringen chromatischen Queraberrationen ausgebildet sein können, besteht so der Vorteil einer geringen chromatischen Gesamt-Queraberration in der chromatisch-konfokalen Anordnung. Dabei ist es in der Regel von Vorteil, wenn für die Mitte des Tiefenbereiches Δz im Objektraum zumindest näherungsweise plane Wellenfronten in der gemeinsamen Ebene von entsprechender Hauptebene der brechkraftvariablen, abbildenden Komponente, Pupillenebene und Brennebene des Prüfobjektivs bestehen. Dann fällt die Mitte des Tiefenbereiches zumindest näherungsweise mit der Brennebene des Prüfobjektivs im Objektraum zusammen. So kann ein Prüfobjektiv aus der großen Anzahl der nach Unendlich korrigierten Objektive im Bereich der besten Korrektur ausgewählt und verwendet werden.If the only main plane or one of the two main planes of the refractive power-variable, imaging component lies in the focal plane of the test objective or in a plane that is optically conjugated to this focal plane, this component in a chromatic-confocal arrangement generally does not result in any additional chromatic transverse error. Since the test objective and the first tube objective can also be designed with low chromatic transverse aberrations, there is the advantage of a low overall chromatic transverse aberration in the chromatic-confocal arrangement. It is generally advantageous if, for the center of the depth range Δz in the object space, at least approximately plane wave fronts in the common plane of the corresponding main plane of the refractive power variables, imaging component, pupil plane and focal plane of the test objective. Then the center of the depth range coincides at least approximately with the focal plane of the test lens in the object space. A test lens can be selected and used from the large number of lenses corrected for infinity in the area of the best correction.
Es kann hier zum Vorteil eines einstufigen Aufbaus für die brechkraftvariable, abbildende Komponente führen, wenn das Tubusobjektiv zumindest näherungsweise achromatisch ausgebildet ist. Wenn sich das von einer Lichtquelle beleuchtete Mikrolinsen-Array bei Abbildung durch das Tubusobjektiv in einer intrafokalen Position befindet, entsteht nach dem Tubusobjektiv für das Licht aller Wellenlängen ein virtuelles Bild. Erst im Zusammenwirken mit der dem Tubusobjektiv nachgeordneten, brechkraftvariablen chromatischen, abbildenden Komponente, wobei letzteres dann eine positive Brechkraft aufweist, wird das Mikrolinsen-Array dann für eine Wellenlänge, etwa in der Mitte des Spektralbereiches, nach Unendlich abgebildet. So wird ein nach Unendlich korrigiertes Prüfobjektiv bei seiner besten Korrektur benutzt. Außerdem soll dabei die Hauptebene der brechkraftvariablen, chromatischen, abbildenden Komponente mit der Brennebene des Prüfobjektivs, welche sich auf der objektabgewandten Seite des Prüfobjektivs oder in einer zu dieser Brennebene optisch konjugierten Ebene befindet, zumindest näherungsweise zusammenfallen. Die brechkraftvariable, chromatische, abbildende Komponente kann dann aus einer Fresnel-Linse oder einer diffraktiven Mikrostruktur bestehen, welche die bekannte, abbildende Wirkung einer Linse oder eines Objektivs besitzt. Bei der Fresnel-Linse oder auch bei der Mikrostruktur kann durch eine kreisringförmige Blende der Mittenbereich ausgeblendet werden. So kann das Problem mit Licht aus unerwünschten Beugungsordnungen, beispielsweise mittels weiterer nachgeordneter, kreisringförmiger Blenden, verringert werden. Dies ist besonders für die optische Abtastung von vergleichsweise kleinen Objektfeldern sehr gut anwendbar.It can be used to the advantage of a one-stage structure for the refractive power variable, imaging component, if the tube lens is at least approximately achromatic is. If the microlens array illuminated by a light source when viewed through the tube lens in an intrafocal position is created after the tube lens for the light of all wavelengths virtual image. Only in cooperation with that of the tube lens subordinate, refractive power variable chromatic, imaging component, the latter then having a positive refractive power, that is Microlens array then for a wavelength, Approximately in the middle of the spectral range, imaged to infinity. This is how a test lens corrected to infinity is at its best Correction used. Moreover the main level of the refractive power, chromatic, imaging component with the focal plane of the test lens, which is based on the side of the test lens facing away from the object or in a this focal plane is optically conjugate plane, at least approximately coincide. The refractive power variable, chromatic, imaging Component can then be made from a Fresnel lens or a diffractive one Microstructure exist, which has the known imaging effect a lens or a lens. With the Fresnel lens or even with the microstructure, you can use an annular diaphragm the center area will be hidden. So the problem with light out of unwanted Diffraction orders, for example by means of further subordinate, annular diaphragms, be reduced. This is especially for the optical scanning of comparatively small object fields very well applicable.
Dabei kann die diffraktive Mikrostruktur der Subkomponente in der brechkraftvariablen, abbildenden Komponente auch mittels einer die Gitterstruktur elektronisch steuernden Subkomponente, beispielsweise ein LCD, ein LCOS-Display (Liquid crystal on silicon display) oder auch ein DMD (Digital micro mirror device), zur elektronischen Generierung einer benötigten Abbildungsfunktion ausgebildet sein, um die elektronische Generierung einer benötigten Abbildungsfunktion hinsichtlich der lateralen Ausbildung derselben gezielt einstellbar zu machen. Dabei wird während eines Messvorganges die elektronisch eingestellte Mikrostruktur jedoch nicht verändert, ist also für diesen Zeitbereich fest eingestellt. Der konfokale Sensor arbeitet dabei chromatisch-konfokal mit statischen Subkomponenten. Die elektronische Einstellung der Gitterstruktur dient also nur der optimalen Anpassung des konfokalen Sensors an eine vorgegebene Messaufgabe. Beispielsweise kann, wenn ein großer Tiefenmessbereich benötigt wird, die Gitterkonstante des elektronisch steuerbaren Gitters im Mittel vergleichsweise klein gemacht werden, so dass die chromatische Aufspaltung in diesem Fall groß ist. Die voranstehenden Merkmale werden durch die Ansprüche 1 bis 5 erfasst.there can the diffractive microstructure of the subcomponent in the refractive power variable, imaging component also electronically by means of a lattice structure controlling subcomponent, for example an LCD, an LCOS display (Liquid crystal on silicon display) or a DMD (Digital micro mirror device), designed for the electronic generation of a required mapping function to be able to electronically generate a required mapping function to make the lateral formation of the same specifically adjustable. Doing so during the electronically adjusted microstructure during a measuring process but not changed, is for this time range fixed. The confocal sensor is working chromatic-confocal with static subcomponents. The electronic Adjusting the lattice structure is only for optimal adjustment of the confocal sensor to a given measurement task. For example can if a big one Depth measuring range required the lattice constant of the electronically controllable lattice on average can be made comparatively small, so that the chromatic splitting is large in this case. The foregoing features are set out in claims 1 to 5 recorded.
Das nachstehende Merkmal wird durch den Anspruch 6 erfasst. Zweitens ist es aber erfindungsgemäß auch möglich, die brechkraftvariable, abbildende Komponente nicht als eine chromatische, sondern vorzugsweise als ein elektronisch-steuerbares System oder als Subkomponente in diesem System aufzubauen, um so die Durchfokussierung elektronisch gesteuert zu ermöglichen. Diese brechkraftvariable, abbildende Komponente auf der Basis einer, zumindest die laterale Mikrostruktur elektronisch steuernden Komponente oder Subkomponente kann vergleichsweise kompakt aufgebaut werden. Dabei kann ein LCD, ein LCOS-Display oder auch ein DMD zur elektronischen Generierung einer benötigten Abbildungsfunktion eingesetzt werden. So kann die Brechkraft insbesondere in Abhängigkeit von der lateralen Mikrostruktur eines elektronisch-steuerbaren Arrays vorbestimmt variiert werden, so dass zumindest die Ortsfrequenzen der lateralen Mikrostruktur desselben, gezielt verändert werden können. Es ist auch möglich, mit einem einzigen LCOS-Display eine brechkraftvariable, abbildende Komponente aufzubauen. Dabei ist diesem LCOS-Display in bekannter Weise ein Strahlteiler zugeordnet. Das nachstehende Merkmal wird durch den Anspruch 6 erfasst.The the following feature is covered by claim 6. Secondly but it is also possible according to the invention that refractive power variable, imaging component not as a chromatic, but rather as an electronically controllable system or to build up as a sub-component in this system in order to focus through to allow electronically controlled. This refractive power variable, imaging component on the basis of, at least the lateral microstructure electronically controlling component or Subcomponent can be built comparatively compact. It can an LCD, an LCOS display or a DMD for electronic generation one needed Mapping function can be used. So the refractive power in particular dependent on from the lateral microstructure of an electronically controllable array can be varied in a predetermined manner so that at least the spatial frequencies the lateral microstructure of the same can be changed in a targeted manner can. It is also possible, with a single LCOS display, a refractive power variable, imaging Build component. This LCOS display is in a known manner assigned a beam splitter. The feature below is indicated by captured the claim 6.
Bei Verwendung eines DMDs als brechkraftvariable, abbildende Komponente ist diesem vorzugsweise ein Objektiv mit einer dezentrierten, kreisförmigen Pupillenfläche und diesem vorzugsweise wiederum ein Mikrolinsen-Array mit dezentrierten Mikrolinsen vorgeordnet, um die Lichtenergie der vorgeordneten Lichtquelle optimal auszunutzen.at Use of a DMD as a refractive power variable, imaging component this is preferably a lens with a decentered, circular pupil surface and this in turn preferably a microlens array with decentered ones Microlenses upstream to the light energy of the upstream light source optimal use.
Folgendes Merkmal ist durch den Verfahrensanspruch 7 abgedeckt: Bei einer konfokalen Anordnung mit brechkraftvariabler, abbildender Komponente mit einem Prüfobjektiv und mit einem Tubusobjektiv, mit einer Lichtquelle kann diese Komponente auch als eine elektronisch-steuerbare Komponente ausgebildet sein, so dass die Brechkraft derselben in Abhängigkeit von einer elektronischen Steuerung geändert werden kann und erfindungsgemäß die Hauptebene dieser Komponente zumindest näherungsweise in der dem Objekt abgewandten Brennebene des Prüfobjektivs oder in einer zu dieser Brennebene optisch konjugierten Ebene angeordnet ist, wobei diese Ebene gleichzeitig zumindest näherungsweise auch die Pupillenebene des Gesamtsystems für die Objektbeleuchtung und Objektabbildung darstellt.The following feature is covered by method claim 7: In the case of a confocal arrangement with a refractive power-variable, imaging component with a test objective and with a tube objective, with a light source, this component can also be designed as an electronically controllable component, so that the refractive power thereof depends on an electronic control can be changed and, according to the invention, the main plane of this component is arranged at least approximately in the focal plane of the test lens facing away from the object or in a plane optically conjugate to this focal plane, this plane simultaneously at least approximately also the pupil plane of the overall system for the Representing object lighting and object illustration.
Die nachstehenden Merkmale werden durch die Ansprüche 8 bis 11 erfasst. Eine konfokale Anordnung mit brechkraftvariabler, abbildender Komponente besteht aus einem Prüfobjektiv, in der Regel aus einem Tubusobjektiv und aus einer Lichtquelle, wobei die brechkraftvariable, abbildende Komponente auch mindestens eine diffraktive Komponente aufweist. Diese ist als eine elektronisch-steuerbare, diffraktive Komponente ausgebildet, welche als Amplituden- oder als Phasengitter ausgebildet ist und die Wirkung einer Einzellinse, eines Objektivs oder eines Spiegels nachbildet, also vorzugsweise nur eine einzige optische Achse besitzt. So kann die Brechkraft insbesondere in Abhängigkeit von der lateralen Mikrostruktur eines elektronisch-steuerbaren Arrays sehr schnell geändert werden. Dabei ist die Hauptebene der elektronisch-steuerbaren, diffraktiven Komponente zumindest näherungsweise in der dem Objekt abgewandten Brennebene des Prüfobjektivs oder in einer zu dieser Brennebene optisch konjugierten Ebene angeordnet, wobei diese Ebene gleichzeitig zumindest näherungsweise auch die Pupillenebene des Gesamtsystems für die Objektbeleuchtung und Objektabbildung darstellt. Genau diese beschriebenen Merkmale führen nun dazu, dass dann bei einer Veränderung der Brechkraft der brechkraftvariablen, abbildenden Komponente sich die gewünschte Tiefenverschiebung der Bilder der Lichtquellpunkte im Objektraum zur optischen Abtastung des Objektes ergibt, wobei, und das ist das besonders Vorteilhafte, der Schwerstrahl in seiner Lage zumindest näherungsweise unverändert bleibt. Da diese Ebene sowohl die Pupillen- als auch die Brennebene darstellt, sind die Schwerstrahlen zumindest näherungsweise stets telezentrisch. Dies stellt eine optimale technische Funktionalität für die dreidimensionale optische Abtastung eines Objektes in der Tiefe dar.The the following features are covered by claims 8 to 11. A confocal arrangement with refractive power variable, imaging component consists of a test lens, usually from a tube lens and from a light source, whereby the refractive power variable imaging component also at least one has diffractive component. This is considered an electronically controllable, diffractive Component formed, which as an amplitude or as a phase grating is formed and the effect of a single lens, a lens or a mirror, so preferably only a single one has optical axis. So the refractive power can be dependent in particular very much of the lateral microstructure of an electronically controllable array changed quickly become. The main level is the electronically controllable, diffractive Component at least approximately in the focal plane of the test lens facing away from the object or in a closed this focal plane arranged optically conjugate, this Level at least approximately at the same time also the pupil level of the overall system for object lighting and Represents object illustration. Exactly these described features now lead to that then when there is a change the refractive power of the refractive power variable, imaging component itself the desired depth shift the images of the light source points in the object space for optical scanning of the object results, whereby, and this is the particularly advantageous, the Heavy beam remains at least approximately unchanged in its position. Since this plane represents both the pupil and the focal plane, the heavy beams at least almost always telecentric. This represents an optimal technical functionality for the three-dimensional optical scanning of an object in depth.
Weiterhin ist bei der konfokalen Anordnung mit brechkraftvariabler, abbildender Komponente der elektronisch-steuerbaren, diffraktiven Subkomponente vorzugsweise mindestens eine passive, diffraktive Subkomponente mit zumindest näherungsweise im Betrag gleicher und in der Wirkung entgegengesetzter Brechkraft zugeordnet. In diesem Fall kann auch ein nach Unendlich korrigiertes Tubusobjektiv verwendet werden.Farther is more confusing in the confocal arrangement with refractive power variable Component of the electronically controllable, diffractive sub-component preferably at least one passive, diffractive subcomponent with at least approximately the same refractive power and the opposite effect assigned. In this case, an infinity corrected can also be used Tube lens can be used.
In einer konfokalen Anordnung mit brechkraftvariabler, abbildender Komponente zur Bestimmung des Abstandes beziehungsweise des zwei- oder des dreidimensionalen Profils der Oberfläche eines Objektes kann die elektronisch-steuerbare diffraktive Subkomponente in der Wirkung als ein vergleichsweise stark dezentriertes Abbildungssystem ausgebildet sein. Um dies zu erreichen, sind die Mikrostrukturen auf der diffraktiven Subkomponente vorzugsweise nur vergleichsweise schwach gekrümmt, so dass sich der Hauptpunkt des effektiven Abbildungssystems vorzugsweise außerhalb der Wirkungsfläche dieser Subkomponente befindet. Das beleuchtende Lichtbündel fällt dabei vorzugsweise unter einem Einfallswinkel von einigen Grad auf diese diffraktive Subkomponente und verlässt diese Subkomponente durch Lichtbeugung mit einem Hauptstrahl etwa senkrecht zur Wirkfläche in Richtung Prüfobjektiv, wobei das Bündel mittels elektronisch-steuerbarer, diffraktive Subkomponente also elektronisch gesteuert fokussiert oder divergiert wird, um die Bilder der Lichtquellenpunkte im Objektraum in der Tiefe zur konfokalen Abtastung verschieben zu können. Zur Einkopplung des Lichtbündels ist dieser elektronisch-steuerbaren diffraktiven Subkomponente vorzugsweise eine weitere diffraktive, jedoch statisch arbeitende Subkomponente zugeordnet ist, wobei die Mikrostruktur der diffraktiven, statisch arbeitenden Subkomponente im Feld eine vorzugsweise konstante Ortsfrequenz aufweist, welche zumindest näherungsweise jener der mittleren elektronisch-steuerbaren, diffraktiven Subkomponente entspricht. Diese ist zur elektronisch-steuerbaren, diffraktiven Subkomponente vorzugsweise zumindest näherungsweise parallel angeordnet. Die statisch arbeitende Subkomponente kann aber vorzugsweise auch elektronisch-steuerbar ausgebildet sein. Bei etwa gleichen Gitterkonstanten der beiden Subkomponenten ergibt sich für die Hauptstrahlen auf dem Weg von statischer zu gesteuerter Subkomponente eine Zick-Zack-Struktur mit zueinander parallelem Ein- und Ausgangs-Bündelhauptstrahlen. So ergibt sich eine Kompensationswirkung bei den zum Hauptstrahl geneigten Strahlen im Bündel. Dabei kann vorzugsweise die diffraktive, statisch arbeitende Subkomponente auch als geblaztes Gitter ausgebildet sein, wobei dessen Mikrostruktur im Feld eine konstante Ortsfrequenz aufweist. Dies führt bei einer einzelnen Lichtwellenlänge und einer angepassten Mikrostruktur zu einem hohen Beugungswirkungsgrad.In a confocal arrangement with refractive power variable, imaging Component for determining the distance or the two or the three-dimensional profile of the surface of an object can electronically controllable diffractive subcomponent in action designed as a comparatively strongly decentered imaging system his. To achieve this, the microstructures are on the diffractive Subcomponent preferably only comparatively slightly curved, see above that the main point of the effective imaging system is preferred outside the effective area this subcomponent. The illuminating beam of light falls preferably at an angle of incidence of a few degrees diffractive sub-component and leaves this sub-component through Diffraction of light with a main beam approximately perpendicular to the active surface in the direction Prüfobjektiv, being the bundle by means of electronically controllable, diffractive subcomponents, ie electronically is focused or diverged to control the images of the light source points shift in depth in the object space for confocal scanning to be able to. For coupling the light beam this electronically controllable diffractive subcomponent is preferred another diffractive, but static working sub-component is assigned, the microstructure being diffractive, static working sub-component in the field preferably a constant spatial frequency which, at least approximately that of the middle electronically controllable, diffractive subcomponent equivalent. This is the electronically controllable, diffractive sub-component preferably at least approximately arranged in parallel. The static working subcomponent can but preferably also be designed to be electronically controllable. At about the same lattice constants of the two subcomponents result for the Main rays on the way from static to controlled subcomponent one Zigzag structure with parallel input and output bundle main beams. So it turns out a compensating effect for the beams inclined to the main beam in a bundle. The diffractive, statically operating subcomponent can preferably be used also be designed as a blazed grid, the microstructure of which has a constant spatial frequency in the field. This leads to a single wavelength of light and an adapted microstructure for high diffraction efficiency.
Weiterhin weist bei der konfokalen Anordnung mit brechkraftvariabler, abbildender Komponente die brechkraftvariable, abbildende Komponente vorzugsweise eine kreisringförmige Wirkfläche auf, so dass der Mittenbereich abgeschattet ist.Farther shows in the confocal arrangement with refractive power variable, imaging Component preferably the refractive power variable, imaging component an annular Effective area on, so that the middle area is shaded.
Folgendes Merkmal ist durch den Verfahrensanspruch 12 abgedeckt. Bei dem konfokalen Verfahren mit einer brechkraftvariablen, abbildenden Komponente, einem Prüfobjektiv und in der Regel auch mit auch einem Tubusobjektiv und einer Lichtquelle, wobei die brechkraftvariable, abbildende Komponente auch mindestens eine diffraktive Komponente aufweisen kann, sind vorzugsweise das Tubusobjektiv und die elektronisch-steuerbare, diffraktive Komponente so aufeinander abgestimmt, dass Licht von einem jedem Quellpunkt vor dem Tubusobjektiv die elektronisch-steuerbare, diffraktive Komponente in Form von Planwellen in Richtung Prüfobjektiv verlässt. Dies soll zumindest näherungsweise für eine mittlere, von der elektronisch-steuerbaren diffraktiven Komponente optisch gut einstellbare Ortsfrequenz erfolgen. Dabei wird also durch die Brechkraft der elektronisch-steuerbaren, diffraktiven Komponente im Zusammenwirken mit dem Tubusobjektiv eine Abbildung der Lichtquellpunkte nach Unendlich bewirkt. In Bezug auf das Tubusobjektiv besteht beispielsweise eine intrafokale Lage der Lichtquellpunkte. Durch die elektronisch-steuerbare, diffraktive Komponente wird die Brechkraft des Doppel-Systems, bestehend aus Tubusobjektiv und elektronisch-steuerbarer, diffraktiver Komponente, so erhöht, dass die Lichtquellpunkte nun in der effektiven Brennebene dieses Doppel-Systems liegen, also durch das Doppelsystem nach Unendlich abgebildet werden. Auch eine extrafokale Lage der Lichtquellpunkte kann durch Ausnutzung der lichtstreuenden Wirkung einer elektronisch-steuerbaren, diffraktiven Komponente verwendet werden. Dabei wird – wie bereits dargestellt – in der dem Objekt abgewandten Brennebene des Prüfobjektivs gleichzeitig und zumindest näherungsweise auch die Pupillenfunktion des Gesamtsystems für die Objektbeleuchtung und -abbildung realisiert. Dieses Verfahren ermöglicht so die Verschiebung von Bildern von Lichtquellpunktes entlang von Schwerstrahlen, die wegen der zumindest näherungsweisen Pupillenlage in der dem Objekt abgewandten Brennebene des Prüfobjektivs zumindest näherungsweise telezentrisch sind, über einen vergleichsweise großen Tiefenbereich. Dies ist für sehr viele messtechnische Applikationen der konfokalen Technik sehr vorteilhaft.The following feature is covered by method claim 12. In the confocal method with a refractive power-variable, imaging component, a test objective and generally also also with a tube objective and a light source, wherein the refractive power-variable, imaging component can also have at least one diffractive component, the tube objective and the electronically controllable, diffractive components matched to one another so that light from each source point in front of the tube lens is the electronically controllable, diffractive component in the form of plane waves in the direction of the test object tiv leaves. This should be done at least approximately for a medium spatial frequency that is optically easily adjustable by the electronically controllable diffractive component. Thus, the refractive power of the electronically controllable, diffractive component in cooperation with the tube lens produces an image of the light source points to infinity. With regard to the tube lens, for example, there is an intrafocal position of the light source points. The refractive power of the double system, consisting of a tube lens and an electronically controllable, diffractive component, is increased by the electronically controllable, diffractive component so that the light source points are now in the effective focal plane of this double system, i.e. by the double system towards infinity be mapped. An extrafocal position of the light source points can also be used by utilizing the light-scattering effect of an electronically controllable, diffractive component. As already shown, the pupil function of the overall system for object illumination and imaging is realized simultaneously and at least approximately in the focal plane of the test objective facing away from the object. This method thus enables images of the light source point to be shifted along heavy beams which are at least approximately telecentric over a comparatively large depth range because of the at least approximate pupil position in the focal plane of the test objective facing away from the object. This is very advantageous for a large number of measurement applications in confocal technology.
Die nachstehenden Merkmale sind den Ansprüchen 13 bis 19 zugeordnet. Es wird also bei einem konfokalen Verfahren mit einer Lichtquelle und einem Prüfobjektiv mindestens das Folgende durchgeführt: Die von einem jeden Lichtquellpunkt in einer konfokalen Anordnung, beispielsweise zur Erfassung des zwei- oder dreidimensionalen Mikroprofils eines Objektes, ausgehende Wellenfront kann bereits, muss aber nicht, durch ein erstes Objektiv, in ihrem Krümmungsradius verändert werden. Dieses erste Objektiv kann hierbei ein Tubusobjektiv sein. In der Brennebene des Prüfobjektivs, welche dem Objekt abgewandt ist oder in einer zu dieser Brennebene optisch konjugierten Ebene, wobei diese Ebene auch noch die Pupillenebene des Abbildungsstrahlenganges darstellen soll, erfährt durch eine brechkraftvariable, abbildende Komponente, wobei diese ein Teil eines komplexen optischen Systems oder aber auch ein einzelnes Element sein kann, eine jede einfallende Wellenfront, weitgehend unabhängig von ihrer Ausbreitungsrichtung, eine Veränderung des Radius' der Wellenfront. Dabei soll der Radius der nach dieser Komponente entstehenden Wellenfront vorzugsweise vergleichsweise groß sein. Diese Veränderung des Radius' der Wellenfront mittels brechkraftvariabler, abbildender Komponente wird im Objektraum nach den Gesetzen der Optik stets in eine zur optischen Achse des Prüfobjektivs parallele Schiebung des jeweils zugehörigen Bildes eines Lichtquellpunktes gewandelt. So erfolgt verfahrensgemäß durch diese z-Schiebung eine optische Abtastung des Objektes in der Tiefe mit Bildern von Lichtquellpunkten in einem telezentrischen Strahlengang. Das vom Objekt rückgestreute, oder auch reflektierte Licht gelangt durch diese optische konfokale Anordnung über das bündelbegrenzende System, hier vorzugsweise ein feststehendes Mikrolinsen-Array, auf einen Detektor, in der Regel eine flächenhafte Kamera. Für konfokale Punktdetektoren sind auch Zeilen-Kameras verwendbar. Es entsteht in Abhängigkeit von der Brechkraftvariation der Komponente das bekannte konfokale Signal. Ist diese Abhängigkeit chromatisch, kann ortsaufgelöst, also in einem jeden erfassten Objektpunkt, mittels spektrometrischer Analyse das bekannte konfokale Signal in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge gewonnen werden, indem die Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge detektiert wird, die dann dem bekannten konfokalen Signal entspricht. Das konfokale Signal besteht also vollständig zu jedem beliebigen Zeitpunkt. Dies ermöglicht auch das zwei- oder dreidimensionale Abtasten schnell bewegter Objekte, wenn eine Kurzpuls-Lichtquelle, die Lichtimpulse beispielsweise mit einer Halbwertsbreite im Bereich von einer Mikrosekunde aussendet, oder eine Kamera mit einer kurzen Shutter-Zeit eingesetzt wird.The the following features are assigned to claims 13 to 19. So it gets confocal with a light source and a test lens performed at least the following: That of each light source point in a confocal arrangement, for example for the detection of the two- or three-dimensional micro profile of an object, outgoing wavefront can, but does not have to, can be changed in their radius of curvature by a first lens. This first lens can be a tube lens. In the focal plane the test lens, which faces away from the object or in a focal plane optically conjugate plane, this plane also the pupil plane of the imaging beam path, is experienced by a refractive power variable imaging component, this one Part of a complex optical system or even a single one Element, any incident wavefront, can be largely independently of their direction of propagation, a change in the radius of the wavefront. The radius of the wavefront resulting from this component should be preferably be comparatively large. This change in Radius' of the wavefront by means of a refractive power-variable, imaging component in the object space the laws of optics always in the optical axis of the test lens parallel shift of the associated image of a light source point changed. According to the method, this z-shift results in a optical scanning of the object in depth with images of light source points in a telecentric beam path. The backscattered object or even reflected light passes through this optical confocal Arrangement over that bündelbegrenzende System, here preferably a fixed microlens array a detector, usually an areal camera. For confocal Point detectors can also be used in line cameras. It arises dependent on the known confocal of the component's refractive power variation Signal. Is this dependency chromatic, can be spatially resolved, So in every detected object point, by means of spectrometric Analysis of the known confocal signal obtained as a function of the light wavelength be by the intensity distribution dependent on on the wavelength of light is detected, which then corresponds to the known confocal signal. The confocal signal therefore exists completely at any time. this makes possible also the two- or three-dimensional scanning of fast moving objects, if a short-pulse light source, the light pulses for example with a half-width in the microsecond range, or with a camera a short shutter time is used.
Die spektrometrische Analyse bei einer zeilenförmigen Abtastung des Objektes vorzugsweise mit einer konfokalen Anordnung mit mindestens einer einzigen Zeile aus Mikrolinsen kann mit einem lichtzerlegenden, chromatischen Prismenkeil oder einem Diffraktionsgitter oder einer Kombination derselben im Unendlich-Strahlengang einer afokale Abbildungsstufe, die einer monochromen Kamera vorgeordnet ist, durchgeführt werden. Diese lichtzerlegende Komponente kann auch als Geradeaus-Komponente ausgebildet sein und befindet sich am besten in oder in der Nähe der gemeinsamen inneren Brennebene dieser afokalen Abbildungsstufe. Diese Komponente ist in ihrer lichtzerlegenden Wirkung so dimensioniert, dass eine an die Größe der Fläche des monochromen Kamera-Chips angepasste laterale Aufspaltung des Lichtes erzeugt wird. So kann das Licht von der Objektoberfläche in eine geeignete Lichtverteilung lateral auf dem Kamera-Chip aufspalten werden, und es kann mit einer so ausgebildeten konfokalen Anordnung ein hinreichend großer Tiefenmessbereich entlang mindestens einer einzigen Linie auf dem Objekt erfasst werden.The spectrometric analysis with a line-shaped scanning of the object preferably with a confocal arrangement with at least one Row of microlenses can be used with a light-decomposing, chromatic Prism wedge or a diffraction grating or a combination the same in the infinity beam path of an afocal imaging level, that precedes a monochrome camera. This light-separating component can also be designed as a straight-ahead component and is best located in or near the common inner focal plane of this afocal imaging level. This component is dimensioned in its light-decomposing effect so that a to the size of the area of the monochrome Lateral splitting of the light generated by camera chips becomes. So the light from the object surface can be distributed in a suitable light laterally split on the camera chip, and it can be done with a a sufficiently large depth measuring range along at least a single line on the object.
Es können zur spektrometrischen Analyse jedoch auch Mehr-Chip-Kameras eingesetzt werden, vorzugsweise eine Vier-Chip-Kamera. Dies stellt eine Möglichkeit dar, wenn das Objekt in der Tiefe und flächig, also dreidimensional, abgetastet werden soll. Dabei kann der auszuwertende spektrale Bereich durch Strahlteilung mittels kantensteilen" Farbteiler vorzugsweise in acht Spektralkanäle aufgeteilt werden. Dabei wird vorzugsweise jedem der vier Kamera-Chips je ein Köstersprisma mit einem spektral angepassten Farbteiler mit einer Kantencharakteristik vorgeordnet. So bestehen an jedem Ausgang eines Köstersprismas je zwei parallele optische Lichtbündel, die je ein Bild übertragen und so detektiert jeder Kamera-Chip je zwei nebeneinanderliegende Bilder in einem anderen spektralen Bereich. Es sind jedoch auch Kameras mit mehr als vier Kamera-Chips anwendbar. Besonders vorteilhaft für diese Applikation sind neuentwickelte volumenhafte Kamera-Chips, die in der Tiefe spektral sensitiv arbeiten. So kann eine sehr kompakte, Anordnung aufgebaut werden.However, multi-chip cameras, preferably a four-chip camera, can also be used for spectrometric analysis. This is a possibility if the object is to be scanned in depth and over a large area, that is to say three-dimensionally. The spectral region to be evaluated can preferably be divided into eight spectral channels by beam splitting by means of edge-splitting "color splitters. In this case, each of the four camera chips is preferably preceded by a Köstersprisma with a spectrally adapted color splitter with an edge characteristic. There are two at each output of a Köstersprism parallel optical light beams that transmit one image each and so each camera chip detects two adjacent images in a different spectral range. However, cameras with more than four camera chips can also be used. Newly developed volume camera cameras are particularly advantageous for this application. Chips that work spectrally sensitive in depth, so a very compact arrangement can be built up.
Besteht diese Abhängigkeit der Brechkraft jedoch durch Diffraktion, also durch Ausbildung von diffraktiven Strukturen eines elektronisch gesteuerten Amplituden- oder Phasengitters, entsteht das bekannte konfokale Signal in Abhängigkeit von der jeweils eingestellten mittleren Gitterkonstante, bzw. der mittleren Ortsfrequenz des Phasengitters, welche über der Zeit gesteuert verändert wird, so dass das bekannte konfokale Signal letztlich auch über der Zeit entsteht. Dieser Ansatz ist jedoch mehr für die Abtastung ruhender oder weniger schnell bewegter Objekte geeignet.Consists this dependency the refractive power, however, through diffraction, i.e. through the formation of diffractive Structures of an electronically controlled amplitude or phase grating, the known confocal signal arises depending on the set one average lattice constant or the average spatial frequency of the phase grating, which about controlled in time is, so that the known confocal signal ultimately also over the Time arises. This approach, however, is more quiescent or more for scanning suitable for objects that move less quickly.
Die brechkraftvariable, abbildende Komponente kann auch zu unterschiedlichen Zeitpunkten eine unterschiedlich dezentrierte Linse darstellen. Im chromatischen Fall wird durch eine laterale Bewegung vorzugsweise mittels einer Schwingbewegung die optische Achse dieser Linse zur optischen Achse des Prüfobjektivs jeweils etwas ausgelenkt. So tasten die Bilder der Lichtquellpunkte das Objekt in einer noch wesentlich feineren lateralen Skala ab als durch die Abstände der Bilder der Lichtquellpunkte vorgegeben ist. So kann die laterale Auflösung der konfokalen Anordnung noch wesentlich gesteigert werden.The refractive power variable, imaging component can also be different Times represent a differently decentred lens. In the chromatic case, preference is given to lateral movement the optical axis of this lens by means of a swinging movement optical axis of the test lens each deflected a little. So feel the images of the light source points Object in a much finer lateral scale than through the distances the images of the light source points is specified. So the lateral resolution the confocal arrangement can be significantly increased.
Im Fall eines elektronisch gesteuerten Amplituden- oder Phasengitters als brechkraftvariable abbildende Komponente kann durch eine elektronische Steuerung die effektiv wirkende optische Achse dieser Komponente lateral so positioniert werden, dass die Bilder der Lichtquellpunkte auch hierbei das Objekt in einer noch feineren lateralen Skala abtasten als durch die Abstände der Bilder der Lichtquellpunkte auf dem Objekt vorgegeben ist. So kann der Krümmungsmittelpunkt der in das Prüfobjektiv eintretenden Wellenfronten vorbestimmt lateral verschoben werden, indem also die effektiv wirkende optische Achse der brechkraftvariablen, abbildenden Komponente lateral und vorbestimmt verschoben wird und damit auch die laterale Position der Bilder der Lichtquellpunkte vorbestimmt durch eine elektronische Steuerung auf dem Objekt verändert wird.in the Case of an electronically controlled amplitude or phase grating As a refractive power imaging component can be controlled by an electronic control the effective optical axis of this component laterally positioned that the images of the light source points here too scan the object on an even finer lateral scale than through the distances the images of the light source points on the object is predetermined. So can be the center of curvature the one in the test lens incoming wave fronts are predetermined laterally displaced, by thus the effective optical axis of the refractive power variable, imaging component is laterally and predetermined shifted and thus the lateral position of the images of the light source points is also predetermined is changed by an electronic control on the object.
So kann mittels einer konfokalen Anordnung ohne bewegte Komponenten, also allein mittels brechkraftvariabler, abbildender Komponente, die dann als elektronisch gesteuertes Amplituden- oder Phasengitter ausgebildet ist, der Objektraum durch die Steuerung des Ortes der Bilder der Lichtquellpunkte zwei- oder dreidimensional und mit hoher Ortsauflösung abgetastet werden. So kann auch bei einem konfokalen Verfahren elektronisch-steuerbar die effektiv wirkende optische Achse der brechkraftvariablen, abbildenden Komponente lateral positioniert werden, um das Objekt in einer noch feineren lateralen Skala abzutasten.So can be done with a confocal arrangement without moving components, so solely by means of a refractive power-variable, imaging component, which then as an electronically controlled amplitude or phase grating is formed, the object space by controlling the location of the Images of the light source points are scanned in two or three dimensions and with high spatial resolution become. So even with a confocal procedure, the electronically controllable effective optical axis of the refractive power, imaging Component laterally positioned to the object in a still scanning the finer lateral scale.
Die chromatische, brechkraftvariable, abbildende Komponente kann präzise auf die vorhandenen chromatischen Längsaberrationen der Komponenten der konfokalen Anordnung abgestimmt werden. So kann eine angepasste, chromatische Gesamt-Längs-Aberration der konfokalen Anordnung erzeugt werden, die für eine gewünschte Skala der zwei- oder dreidimensionalen Abtastung optimal geeignet ist.The chromatic, refractive power variable, imaging component can be precise on the existing chromatic longitudinal aberrations of the components of the confocal arrangement. So can an adjusted, total longitudinal chromatic aberration of the confocal Arrangement are generated for a desired one Scale of two- or three-dimensional scanning optimally suitable is.
Grundsätzlich ist es aber auch möglich, beispielsweise für die Vermessung makroskopischer Objekte in der Größenordnung von 200 mm × 200 mm × 200 mm, dass eine brechkraftvariable Anordnung als 2f1-2f2-Anordnung, bzw. als 4f-Anordnung, mit zwei Objektiven aufgebaut ist und dass die brechkraftvariable, abbildende Komponente mit mindestens einer diffraktiven Linse oder Reflektor dabei zumindest näherungsweise in der gemeinsamen inneren Brennebene angeordnet ist. Die brechkraftvariable, abbildende Komponente kann zur Durchfokussierung auch elektronisch steuerbar aufgebaut sein. Die letzte Brennebene der 2f1-2f2-Anordnung, bzw. der 4f-Anordnung, in Beleuchtungsrichtung fällt dabei zumindest näherungsweise mit der Brennebene des Prüflingsobjektivs zusammen, die dem Objekt abgewandt ist. Die Pupille ist in der inneren Brennebene der 2f1-2f2-Anordnung, bzw. der 4f-Anordnung, oder in einer zu dieser optisch konjugierten Ebene angeordnet. Möglich ist aber auch eine Anordnung der Pupillenblende in der dem Objekt zugekehrten Brennebene des Prüflingsobjektiv. Das Prüflingsobjektiv sollte im Zusammenwirken mit der 2f1-2f2-Anordnung und der brechkraftvariablen, abbildenden Komponente zumindest näherungsweise beugungsbegrenzt sein, damit sich für die makroskopische konfokale Anordnung eine hohe Tiefenauflösung ergeben kann.Basically is but it is also possible for example for the measurement of macroscopic objects in the order of magnitude of 200 mm × 200 mm × 200 mm, that a refractive power variable arrangement as a 2f1-2f2 arrangement, or as a 4f arrangement, with two lenses and that the Refractive power variable, imaging component with at least one diffractive Lens or reflector at least approximately in the common inner focal plane is arranged. The refractive power variable, imaging Component can also be controlled electronically for focusing be constructed. The last focal plane of the 2f1-2f2 arrangement, or the 4f arrangement, at least approximately in the direction of illumination with the focal plane of the test object lens together, which faces away from the object. The pupil is inside Focal plane of the 2f1-2f2 arrangement, or the 4f arrangement, or in arranged to this optically conjugate plane. Is possible but also an arrangement of the pupil diaphragm in the one facing the object Focal plane of the test object lens. The test object lens in cooperation with the 2f1-2f2 arrangement and the refractive power variable, imaging component be at least approximately diffraction limited, with it for the macroscopic confocal arrangement gives a high depth resolution can.
Nachfolgendes wird durch den Anspruch 2 abgedeckt: Einer konfokalen Anordnung, die insbesondere für makroskopische Objekte ausgebildet ist, weist eine brechkraftvariable, abbildende Komponente mit einem Prüfobjektiv auf, wobei die brechkraftvariable, abbildende Komponente auch mindestens eine diffraktive Subkomponente aufweisen kann. Erfindungsgemäß ist eine Hauptebene der brechkraftvariablen, abbildenden Komponente zumindest näherungsweise in der dem objektabgewandten Brennebene des Prüfobjektivs oder in einer zu dieser Brennebene optisch konjugierten Ebene angeordnet. Dabei stellt die dem Objekt zugewandte Brennebene des Prüfobjektivs zumindest näherungsweise die Pupillenebene des Gesamtsystems für die Objektbeleuchtung und -abbildung dar. Die Pupillenebene kann aber auch in einer zu dieser Brennebene optisch konjugierten Ebene angeordnet sein. So kann auch ein makroskopisches Objekt mit einer konfokalen Anordnung abgetastet werden. Bei dieser Anordnung besteht im Array-Raum Telezentrie und im Objektraum besteht ein zentralperspektivischer Strahlengang.The following is covered by claim 2: A confocal arrangement, which is designed in particular for macroscopic objects, has a refractive power, imaging component with a test lens, wherein the refractive power, variable imaging component can also have at least one diffractive subcomponent. According to the invention, a main level is the Refractive power variable, imaging component at least approximately in the focal plane of the test lens facing away from the object or in a plane optically conjugate to this focal plane. The focal plane of the test objective facing the object at least approximately represents the pupil plane of the overall system for object illumination and imaging. However, the pupil plane can also be arranged in a plane that is optically conjugate to this focal plane. A macroscopic object can also be scanned with a confocal arrangement. With this arrangement there is telecentricity in the array space and there is a central perspective beam path in the object space.
Beschreibung der FigurenDescription of the figures
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