DE102020200214A1

DE102020200214A1 - Konfokale Messvorrichtung zur 3D-Vermessung einer Objektoberfläche

Info

Publication number: DE102020200214A1
Application number: DE102020200214.2A
Authority: DE
Inventors: Korbinian Prause; Michael Layh
Original assignee: Hochschule Fuer Angewandte Wissenschaften Kempten Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Hochschule Fuer Angewandte Wss Kempten Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Hochschule Fuer Angewandte Wissenschaften Kempten Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Hochschule Fuer Angewandte Wss Kempten Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2020-01-09
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2021-07-15
Also published as: CN114945800B; CN114945800A; US12235094B2; US20230003514A1; WO2021140052A1; EP4088086A1

Abstract

Eine konfokale Messvorrichtung (1) dient zur 3D-Vermessung einer Objektoberfläche (2). Die Messvorrichtung (1) hat eine Lichtquelle (4) für Messlicht (5, 5A, 5B), ein Linsenarray (12) mit einer Vielzahl von Arraylinsen (13), ein chromatisches Teleskop (14), eine Multiplexer-Optik (11), eine Kollimationsoptik (8) und eine ortsaufgelöste Detektionseinrichtung (24). Das chromatische Teleskop (14) bildet eine Objektebene (16) in eine Anordnungsebene (15) des Linsenarrays (12) ab. Die Multiplexer-Optik (11) ist im Abstand einer Summe einer Brennweite (fAL) der Arraylinsen (13) einerseits und einer Brennweite (fMO) der Multiplexer-Optik (11) im Strahlengang des Messlichts (5), das von der Objektebene (16) ausgeht, nach dem Linsenarray (12) angeordnet. Eine einzelne Lochblende (10) ist im Abstand der Brennweite (fMO) der Multiplexer-Optik (11) im Strahlengang des Messlichts (5) nach der Multiplexer-Optik (11) angeordnet. Die Kollimationsoptik (8) ist der Lochblende (10) im Strahlengang des von der Objektebene (16) ausgehenden Messlichts (5) nachgeordnet. Die Detektionseinrichtung (24) ist der Kollimationsoptik (8) im Strahlengang des von der Objektebene (16) ausgehenden Messlichts (5, 5A, 5B) nachgeordnet. Es resultiert eine konfokale Messvorrichtung, deren Aufbau bei gleichzeitig hohem Messdurchsatz vereinfacht ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine konfokale Messvorrichtung zur 3D-Vermessung einer Objektoberfläche.
Konfokale Messvorrichtungen zur Objektvermessung sind bekannt aus der WO 2014/180 642 A1 , der DE 10 2005 043 627 A1 , der DE 10 2006 007 170 A1 , der DE 10 2007 019 267 A1 , der WO 2016/193 037 A1 , dem Fachartikel von Zint et al., Journal of Medical Imaging 6(3), 033502, 2019, dem Fachartikel von Kim et al., Optics Express, Vol. 21, Nr. 5, 6286 bis 6294, 2013 und der KR 10-1368486 A.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine konfokale Messvorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass deren Aufbau bei gleichzeitig hohem Messdurchsatz vereinfacht ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine konfokale Messvorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Die erfindungsgemäße Multiplexer-Optik vermeidet die Notwendigkeit eines aufwendig zu justierenden Blenden-Arrays. Gleichzeitig ist die Möglichkeit einer hohen Ortsauflösung und einer parallelen Multikanal-Messung über das Linsenarray und die ortsaufgelöste Detektionseinrichtung gegeben. Die einzelne Lochblende dient als Multiplexer zur Raumfilterung der Strahlengänge aller den jeweiligen Arraylinsen zugeordneten Einzelkanäle des Messlicht-Strahlengangs, der von der Objektoberfläche ausgeht. Eine Array-Filterung über ein Blenden-Array, die aufwendig justiert werden müsste, entfällt. Die Multiplexer-Optik kann als einzelne Multiplexer-Linse ausgeführt sein. Die Kollimationsoptik kann als einzelne Kollimationslinse ausgeführt sein.
Ein telezentrischer Strahlverlauf im chromatischen Teleskop nach Anspruch 2 verringert die Anforderungen an eine Positionierung einer Blende des chromatischen Teleskops. Maßstabsfehler bei der 3D-Vermessung der Objektoberfläche können vermieden werden.
Ein Detektionsarray nach Anspruch 3 ermöglicht eine Multikanalmessung. Das Detektionsarray kann als CCD- oder als CMOS-Array ausgeführt sein.
Die Ausführung der Detektionseinrichtung nach Anspruch 4 vergrößert die Freiheitsgrade der Datenerfassung sowie der Datenauswertung.
Ein Farbverlaufsfilter nach Anspruch 5 ermöglicht eine Datenauswertung, die für eine Einkanalmessung beschrieben ist im Fachartikel von Kim et al. „Chromatic confocal microskopy with a novel wavelength detection method using transmittance“, Optics Express, Vol. 21, Nr. 5, Seiten 6286 bis 6294, 2013 oder in der KR 10-1368486 A. Diese Auswertetechnik kann auf die pixelweisen Kanäle der Detektionseinrichtung mit den Detektionsarrays übertragen werden, so dass die einzelnen Kanäle parallel ausgewertet werden können.
Eine Anpassung des Rasterabstandes nach Anspruch 6 optimiert eine Ortsauflösung der konfokalen Messvorrichtung. Die Anpassung des Rasterabstandes kann so gewählt werden, dass jeder Arraylinse genau ein Detektorpixel zugeordnet ist. Alternativ kann die Rasterabstands-Anpassung auch so erfolgen, dass genau einer Arraylinse eine Mehrzahl von Detektorpixeln zugeordnet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

1 schematisch eine konfokale Messvorrichtung zur 3D-Vermessung einer Objektoberfläche; und
2 ein Lichtfeld-Diagramm, bei dem zur Verdeutlichung der Wirkung einer rasterförmigen Beleuchtung des zu vermessenden Objekts ein Beleuchtungswinkel (NA) von Messlicht, das von einem Messpunkt auf der Objektoberfläche ausgeht, in Abhängigkeit von einem Abstand x eines Messpunktes zu einer optischen Achse der Messvorrichtung dargestellt ist.

Eine konfokale Messvorrichtung 1 dient zur 3D-Vermessung einer Oberfläche 2 eines Objekts 3.
Eine Lichtquelle 4 der Messvorrichtung 1 erzeugt Messlicht 5. Dargestellt sind in der 1 beispielhafte Einzelstrahlen des Messlichts 5 zur Verdeutlichung eines Strahlengangs durch die Messvorrichtung 1. Die Lichtquelle 4 ist als Punkt-Lichtquelle ausgeführt und kann durch ein Austrittsende einer Lichtleitfaser gebildet sein. Das Messlicht 5 ist breitbandig und kann beispielsweise Weißlicht mit Wellenlängen im Bereich zwischen 400 nm und 750 nm sein. Auch andere Wellenlängen-Bandbereiche im UV-, VIS-, NIR- und/oder im IR-Bereich sind je nach Lichtquelle bzw. je nach nachfolgender Aufbereitung des Messlichts 5 möglich.
Zur Erleichterung von Lagebeziehungen wird nachfolgend ein kartesisches xyz-Koordinatensystem verwendet. Die x-Achse verläuft in der 1 nach oben und senkrecht zum Strahlengang eines Hauptstrahls des Messlichts zwischen der Lichtquelle 4 und dem Objekt 3. Die y-Achse verläuft senkrecht zur Zeichenebene der 1 auf den Betrachter zu. Die z-Achse verläuft in der 1 nach rechts parallel zur Richtung des Hauptstrahls zwischen der Lichtquelle 4 und dem Objekt 3.
Das Messlicht 5 wird zunächst über eine Kollimationslinse 6, die wie weitere Linsen im Strahlengang der Messvorrichtung 1 in der 1 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist, kollimiert und durchtritt einen nicht polarisierenden Strahlteiler 7. Anschließend wird das Messlicht 5 über eine Fokussierlinse 8 fokussiert, so dass ein Fokus in einer Fokalebene 9 resultiert. Am Ort des Fokus ist in der Fokalebene 9 eine Lochblende 10 angeordnet, die die Funktion eines Raumfilters haben kann.
Nach Durchtritt durch die Lochblende 10 wird das Messlicht 5 von einer weiteren Kollimationslinse 11 kollimiert. Das hierdurch kollimierte Messlicht 5 durchtritt ein Linsenarray 12 mit einer Vielzahl von Arraylinsen 13, die zeilen- und spaltenweise in der xy-Ebene angeordnet sind und von denen in der 1 schematisch fünf Arraylinsen 13 dargestellt sind.
Die Arraylinsen 13 sind als Kissenlinsen mit einer Einzellinsengröße (xy-Erstreckung) von 350 µm x 350 µm ausgeführt. Die Arraylinsen 13 sind dicht gepackt in der xy-Ebene angeordnet. Ein Abstand benachbarter Arraylinsen 13 beträgt daher ebenfalls 350 µm. Die Arraylinsen 13 haben jeweils eine Brennweite von 1,59 mm. Ein „Pixel" des Linsenarrays hat also eine typische Erstreckung von 350 µm. Alternativ kann ein derartiges Pixel auch eine andere Erstreckung im Bereich zwischen 10 µm und 1.000 µm, beispielsweise im Bereich zwischen 50 µm und 500 µm haben. Das gesamte Linsenarray 12 hat in der xy-Ebene eine Erstreckung von 10 mm x 10 mm. Insgesamt liegen also etwa 900 Arraylinsen 13 vor. Die Anzahl der Arraylinsenden 13 kann bei alternativen Gestaltungen des Linsenarrays 12 auch deutlich größer sein und kann beispielsweise bis zu 1.000, bis zu 5.000, bis zu 10.000, bis zu 100.000 oder auch bis zu 1.000.000 Arraylinsen 13 aufweisen.
Das Linsenarray 12 kann unter Nutzung von Techniken hergestellt sein, die offenbart sind in den Fachartikeln von Gissibl et al., Nature Photonics, Vol. 10, Seiten 554 bis 561, 2016, sowie Nature Communications, 7:11763, DOI: 10.1038/necommsll763.
Ein im Strahlengang des Messlichts 5 im Linsenarray 12 nachgeordnetes hyperchromatisches Objektiv 14 als Beispiel für ein chromatisches Teleskop bildet eine Anordnungsebene 15 der Arraylinsen 13 des Linsenarrays 12 in eine Objektebene 16 ab, in der die Oberfläche 2 des Objekts 3 angeordnet ist.
Bestandteile des chromatischen Teleskops 14 sind zwei Teleskoplinsen 17, 18 mit einer zwischenliegenden telezentrischen Blende 19. Letztere ist in einer Pupillenebene 19a des chromatischen Teleskops 14 angeordnet.
Eine Brennweite des hyperchromatischen Objektivs 14 ist stark von der Wellenlänge des Messlichts 5 abhängig. Zum Stand der Technik entsprechender hyperchromatischer Objektive und Hyperchromaten wird verwiesen auf einen Fachartikel aus der Zeitschrift Optolines, Nr. 23, Seiten 14 bis 17, 2010.
Das von der Oberfläche 2 reflektierte Messlicht durchtritt wiederum das hyperchromatische Objektiv 14 und das Linsenarray 12 und anschließend die dann als Fokussierlinse wirkende Kollimationslinse 11. Über die Lochblende 10 findet dann abhängig von der Strukturhöhe des Objekts 3 auf der Oberfläche 2 und der jeweiligen Wellenlänge des Messlichts 5 eine Auswahl durchgelassener Anteile des Messlichts 5 statt.
Das Linsenarray 12, die Lochblende 10 und die zwischenliegende Linse 11 sind Bestandteile eines Lochblenden-Multiplexers 20. Die Linse 11 dieses Lochblenden-Multiplexers 20 ist eine Multiplexer-Optik. Diese Multiplexer-Optik 11 ist im Abstand einer Summe einer Brennweite f_AL der Arraylinsen 13 und einer Brennweite f_MO der Multiplexer-Optik 11 selbst angeordnet. Diese Summen-Abstandsbeziehung muss nicht exakt eingehalten werden, sondern es ist eine Abweichung beispielsweise im Bereich von 20 % zwischen dem Abstand der Multiplexer-Optik 11 und dem Linsenarray 12 einerseits und der Summe der Brennweiten f_AL und f_MO andererseits zulässig. Im Strahlengang des Messlichts 5, das von der Oberfläche 2 des Objekts 3, das also von der Objektebene 16 ausgeht, ist die Multiplex-Optik 11 nach dem Linsenarray 12 angeordnet.
Ein Strahlverlauf innerhalb des chromatischen Teleskops 14 ist telezentrisch. Hauptstrahlen, die von Objektpunkten der Oberfläche 2 des Objekts 3 ausgehen, verlaufen also zwischen der Objektebene 16 und der Linse 18 parallel zueinander. Entsprechendes gilt für den Verlauf der Hauptstrahlen zwischen der Teleskoplinse 17 und dem Linsenarray 12.
Die Lochblende 10 ist wiederum im Abstand der Brennweite f_MO der Multiplexer-Optik 11 nach dieser angeordnet.
Die Linse 8 zwischen dem Strahlteiler 7 und der Lochblende 10 stellt eine Kollimationsoptik dar, die der Lochblende 10 im Strahlengang des von der Objektebene 16 ausgehenden Messlichts 5 nachgeordnet ist.
Die Lochblende 10 dient als Multiplexer zur Raumfilterung der Strahlengänge aller den jeweiligen Arraylinsen 13 zugeordneten Einzelkanäle des Messlicht-Strahlengangs. Eine Raumfilterung in Form eines Lochblenden-Arrays, die aufwendig justiert werden müsste, entfällt.
Vom Strahlteiler 7 reflektiertes Messlicht 5, welches wiederum von der Lochblende 10 durchgelassen wurde, wird über einen Faltspiegel 21 und einen weiteren nicht polarisierenden Strahlteiler 22 geführt und von diesem Strahlteiler 22 in zwei Messlicht-Teilstrahlen 5A und 5B aufgeteilt. Je nach Auslegung des Strahlengangs in der Messvorrichtung 1 kann auf den Faltspiegel 21 auch verzichtet werden. Der vom Strahlteiler 22 reflektierte Messlicht-Teilstrahl 5A trifft auf ein erstes Detektorarray 23 einer ortsaufgelösten Detektionseinrichtung 24. Der vom Strahlteiler 22 durchgelassene Messlicht-Teilstrahl 5B durchtritt zunächst einen linearen Farbfilter 25 und trifft anschließend auf ein weiteres Detektorarray 26 der Detektionseinrichtung 24.
Die Detektionseinrichtung 24 ist der Kollimationsoptik, also der Linse 8, im Strahlengang des von der Objektebene 16 ausgehenden Messlichts 5 nachgeordnet.
Die Lichtquelle 4, die Linsen 6 und 8 und der zwischenliegende Strahlteiler 7 sind Komponenten einer Beleuchtungseinrichtung 27 der Messvorrichtung 1.
Die Pixelauflösung der Detektorpixel der Detektionsarrays 23 und 26 ist angepasst an die Array-Anordnung der Arraylinsen 13 des Linsenarrays derart, dass jeweils eine Arraylinse 13 einem Detektorpixel zugeordnet ist. Ein Rasterabstand der Arraylinsen 13 des Linsenarrays 12 ist also an einen Rasterabstand der Detektorpixel der Detektorarrays 23 und 26 angepasst.
Teil der Messvorrichtung 1 ist zudem eine zentrale Steuereinrichtung 28, die mit den Detektorarrays 23, 26 und mit der Lichtquelle 4 in nicht dargestellter Weise in Signalverbindung steht.
2 zeigt abstrakt die orstauflösende Wirkung des Lochblenden-Multiplexers 20 mit dem Linsenarray 12 und der Lochblende 10. Dargestellt ist ein Mess-Lichtfeld als zweidimensionale Funktion. In der Dimension x, also auf der x-Achse, wird ein Abstand des jeweiligen Mess- bzw. Objektpunkts des Objekts 3, von dem das Messlicht 5 ausgeht, zu einer zentralen optischen Achse oA (vgl. 1) des Messlicht-Strahlengangs dargestellt. Auf der hierzu senkrechten Diagramm-Achse „NA“ der 2 wird ein Beleuchtungs- bzw. Strahlwinkel eines jeweiligen Messlicht-Strahls dargestellt, der von dem Objektpunkt ausgeht.
Senkrecht zur x-Achse, also räumlich lokalisiert, sind die Lichtfelder fokussierter Beleuchtungspunkte FBP am Ort von Objektpunkten dargestellt, die den jeweiligen Positionen der Arraylinsen 13 des Linsenarrays 12 entsprechen. Aufgrund der Fokussierung der fokussierten Beleuchtungspunkte FBP haben diese jeweils nur eine x-Koordinate, aber eine Strahlwinkel-Bandbreite, so dass die fokussierten Beleuchtungspunkte FBP in der Winkeldimension NA eine Bandbreite zwischen den Werten -NA₀ und +NA₀ überstreichen.
Zudem sind in der 2 defokussierte Beleuchtungspunkte DBP dargestellt, die in der x/NA-Lichtfelddarstellung nach 2 als Scherung, also als schräg verlaufende Linien, erscheinen. In der x-Dimension hat jeder defokussierte Beleuchtungspunkt DBP einen Verlauf über eine Gesamtstrecke von xo, beispielsweise von -X_0/2 bis +x_0/2.
Durch die Abstandswahl zwischen den Arraylinsen 13 des Linsenarrays 12 ist gewährleistet, dass die defokussierten Beleuchtungspunkte DBP nicht in der x-Dimension überlappen, so dass kein Übersprechen zwischen den Einzelkanälen des Strahlengangs des Linsenarrays 12 stattfindet. Es ist somit bei der ortsaufgelösten Vermessung mit der Detektionseinrichtung 24 möglich, das jeweilige gemessene Lichtsignal genau einem Objektpunkt entsprechend der Ortsauflösung des Linsenarrays 12 zuzuordnen.
Eine Auswertung farbabhängiger Intensitätsverhältnisse der Messergebnisse der beiden Detektionsarrays 23 und 26 kann zur Strukturbestimmung der Oberfläche 2 so erfolgen, wie dies beispielsweise bekannt ist aus dem Fachartikel von Kim et al. „Chromatic confocal microskopy with a novel wavelength detection method using transmittance“, Optics Express, Vol. 21, Nr. 5, Seiten 6286 bis 6294, 2013 oder aus der KR 10-1368486 A. Die dort beschriebene Einzelkanal-Auswertung kann getrennt für jeden Pixel der Detektionsarrays 23, 26 der Detektionseinrichtung 24 erfolgen, so dass das ortsaufgelöste Messergebnis der Strukturmessung der Oberfläche 2 parallel bestimmt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/180642 A1 [0002]
DE 102005043627 A1 [0002]
DE 102006007170 A1 [0002]
DE 102007019267 A1 [0002]
WO 2016/193037 A1 [0002]

Claims

Konfokale Messvorrichtung (1) zur 3D-Vermessung einer Objektoberfläche (2), - mit einer Lichtquelle (4) für Messlicht (5, 5A, 5B), - mit einem Linsenarray (12) mit einer Vielzahl von Arraylinsen (13), - mit einem chromatischen Teleskop (14), welches eine Objektebene (16) in eine Anordnungsebene (15) des Linsenarrays (12) abbildet, - mit einer Multiplexer-Optik (11), die im Abstand einer Summe einer Brennweite (f_AL) der Arraylinsen (13) einerseits und einer Brennweite (f_MO) der Multiplexer-Optik (11) im Strahlengang des Messlichts (5), welches von der Objektebene (16) ausgeht, nach dem Linsenarray (12) angeordnet ist, - mit einer einzelnen Lochblende (10), die im Abstand der Brennweite (f_MO) der Multiplexer-Optik (11) im Strahlengang des Messlichts (5), welches von der Objektebene (16) ausgeht, nach der Multiplexer-Optik (11) angeordnet ist; - mit einer Kollimationsoptik (8), die der Lochblende (10) im Strahlengang des von der Objektebene (16) ausgehenden Messlichts (5) nachgeordnet ist, - mit einer ortsaufgelösten Detektionseinrichtung (24), die der Kollimationsoptik (8) im Strahlengang des von der Objektebene (16) ausgehenden Messlichts (5, 5A, 5B) nachgeordnet ist.
Konfokale Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlverlauf des Messlichts (5) im chromatischen Teleskop (14) telezentrisch ist.
Konfokale Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (24) mindestens ein Detektionsarray (23, 26) mit Detektorpixeln aufweist.
Konfokale Messvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (24) einen Strahlteiler (22) und zwei voneinander unabhängige Detektionsarrays (23, 26) aufweist, die jeweils in einem Teil-Strahlengang des Messlichts (5A, 5B) nach dem Strahlteiler (22) angeordnet sind.
Konfokale Messvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch mindestens einen Farbverlaufsfilter (25) in einem der beiden Teil-Strahlgänge (5A, 5B) der Detektionseinrichtung (24).
Konfokale Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rasterabstand der Arraylinsen (13) des Linsenarrays (12) an einen Rasterabstand der Detektorpixel des mindestens einen Detektionsarrays (23, 26) angepasst ist.