WO2009024344A1 - Optical microprobe - Google Patents

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WO2009024344A1
WO2009024344A1 PCT/EP2008/006885 EP2008006885W WO2009024344A1 WO 2009024344 A1 WO2009024344 A1 WO 2009024344A1 EP 2008006885 W EP2008006885 W EP 2008006885W WO 2009024344 A1 WO2009024344 A1 WO 2009024344A1
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WO
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optical
light
exit surface
rod
optical fiber
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/006885
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German (de)
French (fr)
Inventor
Peter Lehmann
Original Assignee
Carl Mahr Holding Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Mahr Holding Gmbh filed Critical Carl Mahr Holding Gmbh
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers
    • G01B9/0209Low-coherence interferometers
    • G01B9/02091Tomographic interferometers, e.g. based on optical coherence
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2441Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using interferometry
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers
    • G01B9/02049Interferometers characterised by particular mechanical design details
    • G01B9/0205Interferometers characterised by particular mechanical design details of probe head

Definitions

  • the invention relates to an optical microprobe for focusing a light beam onto a measurement object.
  • Optical microprobes are components of optical sensor systems. They are brought to a test object and detect with high precision distance changes between the probe and the test object.
  • DE 103 17 826 A1 discloses a method and a device for the interferometric measurement of distances, topographies or depth profiles.
  • an interferometric arrangement is provided with an interferometer unit, which is connected via a fiber-optic device both to a light source and to an optical microprobe.
  • Light is guided to a measuring object via the microprobe and received back by it.
  • the light is then supplied to the interferometer to perform the desired measurement.
  • For measurement is preferably aroundkohstedtes Light used.
  • the interferometric distance measurement is also known from DE 198 08 273 Al.
  • An interferometer set up for this purpose is connected via a fiber optic device to optical probes which contain both a measurement light path and a reference light path.
  • optical probes which contain both a measurement light path and a reference light path.
  • short-coherent light is preferably used here as well.
  • this document gives little explanation.
  • No. 6,564,087 B1 describes optical probes in which lenses and prism elements for beam shaping and deflection are brought onto an optical fiber, so that the fiber leaves a focused light beam.
  • the end surfaces from which the light emerges are either flat or convex.
  • the optical measurement if the measuring beam is focused with respect to the optical axis at as large an angle as possible, ie with the largest possible numerical aperture N A. This should be as large as possible 0.1.
  • N A the largest possible numerical aperture
  • high spatial resolutions and a high insensitivity to local inclinations of the surface of the measurement object can be achieved.
  • a large distance between the optical probe and the measurement object is often required. These requirements can only be met to a very limited extent with the optical microphones known today.
  • Most of the prior art probes have a low numerical aperture (less than 0.1).
  • microprobe should be manufactured and assembled with the least possible effort.
  • microprobe according to claim 1 This object is achieved by the microprobe according to claim 1 as well as by the microprobe according to claim 2.
  • the microprobe according to the invention carry both the actual measuring beam, which is directed to the object to be measured and is reflected by this, as well as a reference beam, which is superimposed on the measuring beam and interferes with this.
  • the system proves to be particularly robust because the measuring and the reference beam are guided largely together and the distances covered by either only the measuring beam or only the reference beam are kept short.
  • the measuring beam passes to and from the surface of the object, the reference beam passes to the light exit surface and is reflected back into the probe.
  • the dispersion difference between the measuring beam and the reference beam is low and negligible or at least tolerable even with white light interferometry.
  • the microprobe according to the invention allows the achievement of large numerical apertures (e.g., ⁇ 0.1).
  • the optical microprobe is insensitive to local inclinations of the surface of the measurement object.
  • the optical microprobe according to the invention also allows easy adjustment of the intensity of the measuring beam in relation to or compared to the intensity of the reference beam. For this purpose, it suffices, for example, to design the reflection properties of the light exit surface appropriately.
  • the probe according to the invention can be manufactured and assembled in a simple manner with little effort, because of the exclusive use of simple optical elements which can be connected directly to one another. This results in a mechanically robust unit.
  • the light exit surface of the optical probe is concave becomes. This is achieved, for example, by placing a glass rod with a concavely curved light exit surface between the GRIN lens (gradient index lens), GRIN fiber or any other condensing lens and the object surface.
  • the light exit surface may alternatively also be arranged directly on the converging lens, the GRIN lens or the GRIN fiber and may also be concave.
  • the optical fiber is used to illuminate the GRIN lens or converging lens. Between the optical fiber and the converging lens or GRIN lens, the light beam emerging from the optical fiber is fanned out.
  • a distance between the optical fiber and the condenser lens or GRIN lens or alternatively a rod made of optically transparent and homgenous material, for example a glass rod can be used.
  • the optical axis of the optical fiber merges into the cylinder axis of the glass rod.
  • the light emerging from the fiber core can initially spread divergently in the glass rod.
  • the core cross section of the optical fiber thus assumes the function of an optical diaphragm through which light reflected at the measurement object can only pass when it is focused on the fiber core and the angle with respect to the optical axis within the acceptance angle caused by the numerical aperture of the fiber lies.
  • the cylindrical GRIN lens is attached to the glass rod so that the cylinder axes of the glass rod and the GRIN lens coincide.
  • the GRIN lens first collimates the light beam and then focuses it to produce a convergent cone of light that leaves the GRIN lens.
  • the light cone is guided via a concave light exit surface directly or alternatively via a cylindrical or conical glass rod in the direction of the measurement object.
  • the concave light exit surface is then attached to the glass rod.
  • At a defined distance to The light cone then exits the measuring object from the glass rod and converges as a convergent spherical wave to form a focal point which corresponds to the measuring point on the measuring object.
  • the individual light beams of the light cone converging towards the measurement object are perpendicular to the light exit surface and are therefore not broken.
  • the wavefronts of the converging spherical wave thus extend parallel to the concave exit surface. This creates by (partial) reflection at this light exit surface, a defined reference beam whose light is coupled back into the fiber core.
  • the emerging portion of the light passes through the concave light exit surface without the individual light beams being deflected.
  • the light rays run back to the light exit surface and apart as a divergent spherical wave. They recede at least partially through the concave spherical segment surface formed by the light exit window, are guided through the optical system to the fiber core and coupled into the fiber.
  • the element arranged between the GRIN lens and the measurement object may be a glass rod, which may be, for example, cylindrical or frusto-conical. Also parts of the GRIN lens can be frusto-conical.
  • the optical element arranged between the GRIN lens and the measurement object ie for example the glass cylinder or the glass cone
  • the optical element arranged between the GRIN lens and the measurement object ie for example the glass cylinder or the glass cone
  • the light exit surface lies at a point at which the light cone is already focused so far that can be dispensed with the concave configuration of the light exit surface.
  • This condition exists when the light path occupied by the element occupies at least 80%, better 90%, of the distance between the condenser lens and the focal point.
  • the light dispersion between the light exit window and the object surface is so small that it hardly acts disturbing.
  • the arrangement of the optical element between the GRIN lens and the measurement object is not mandatory.
  • the .Element can be dispensed with. The light then emerges directly from the GRIN lens, the end face of which is machined to create a concave spherical surface.
  • the GRIN lens can be replaced with a GRIN fiber of correspondingly smaller diameter.
  • the glass fiber and GRIN fiber or GRIN lens element for Lichtauffumbletation which may have the form of a glass rod, for example, is omitted.
  • the light exit surface can be provided directly on the GRIN fiber.
  • the glass rod or the glass cylinder and a deflection prism can be integrated, for example in the form of a light-reflecting (border) surface, so that the optical axis of the exiting light beam a defined non-zero angle with the optical axis of the optical fiber includes.
  • optical elements, lenses and other components of the optical microprobe can be made of glass, transparent plastic or other suitable material.
  • the optical microprobe according to the invention is particularly suitable for use in interferometric measuring devices or in confocal measuring devices. They are particularly suitable for operation with short-coherent light, e.g. white or colored light, in the visible or invisible wavelength range.
  • the light reflection which otherwise occurs at the light exit surface and which is used to generate a reference light beam during interferometric operation can be prevented by providing the light exit surface with a suitable coating, for example.
  • FIG. 1 shows a measuring device with optical microprobe in a schematic representation and Figures 2 to 8 modified embodiments of the optical microprobe of Figure 1 in each case in a schematic representation.
  • Figure 1 illustrates a measuring device 1, e.g. is designed as an interferometric measuring device. It has a measuring module 2 which contains one or more light sources, one or more interferometers and optionally an evaluation device.
  • the light sources preferably produce broadband white or less broadband colored light. It is also possible to provide narrow-band light sources or light sources with a line spectrum or a single spectral line.
  • the optical microprobe 4 serves to focus a light beam 5 on a measurement object 6 or its surface.
  • the microprobe 4 includes an optical path 8, a converging lens 9 and an optical element 10, on which a concavely curved light exit surface 11 is formed.
  • This is preferably a spherical surface or spherical segment surface whose center of curvature coincides with a focal point 12 of the microprobe 4.
  • the end 7 of the optical fiber, the light path 8, the converging lens 9 and the element 10 have matching and adjoining optical axes 13, 14, 15, 16. The resulting common optical axis passes through the focal point 12.
  • the light path 8 is used for fanning the emerging from the optical fiber 3 light beam.
  • the light path 8 may be formed by a suitable optical element such as a cylinder or rod 17 made of optically homogeneous transparent material such as glass or plastic, a truncated cone made of the same material, or the like.
  • a suitable optical element such as a cylinder or rod 17 made of optically homogeneous transparent material such as glass or plastic, a truncated cone made of the same material, or the like.
  • a preferably flat surface 18 of the rod 17 connects to the optical fiber. 3 at.
  • With an opposite also preferably flat surface 19 of the rod 17 connects to the converging lens 9 at.
  • the condenser lens 9 is preferably a GRIN lens 20 with e.g. Sectionally cylindrical and partially conical outer circumference.
  • the GRIN lens 20 can abut directly against the surface 19 with a flat connection surface 21.
  • the GRIN lens 20 serves as a converging lens for focusing the fanned out light beam 22 emitted by the rod 17.
  • the GRIN lens 20 has a preferably planar, the connecting surface 21 opposite another surface 23, to which the element 10 with a preferably turn flat surface, preferably immediately followed.
  • the element 10 may be a rod 24 made of optically transparent homogeneous material, which may be larger or, as shown, of lesser length, in which it becomes almost disc-shaped due to its shortness.
  • the light exit surface 11 is formed on the rod 24, the light exit surface 11 is formed.
  • the glass rod 24 allows the light bundle 25 focused by the GRIN lens 20 to pass uninterrupted to the focal point 12.
  • the light exit surface 11 reflects a defined portion of the light in the described light path, i. the GRIN lens 20, the rod 17 and the optical fiber 3 back.
  • the light exit surface 11 may be designed as a partially transmissive mirror. It can be used for this purpose, the natural reflection properties of the light exit surface.
  • a light-reflecting coating for example in the form of a metal vapor coating, can be provided which completely or partially covers the light exit surface 11.
  • optical microprobe 4 described so far works tet as follows:
  • the microprobe 4 receives via the optical fiber 3 light, which out of the almost punctiform end face of the optical fiber 3 and into the rod 17 passes. It forms the cone-shaped light beam 22 with divergent marginal rays.
  • the GRIN lens 20 refocuses the light beam with marginal rays converging toward the focal point 12.
  • the light beam passes through the rod 24.
  • At the light exit surface 22 it splits into measuring and reference beam.
  • the serving as a measuring beam parts exits and runs convergent to the focal point 12. It is due to the (from the point of view of the focal point 12) concave shape little or not broken.
  • the focal point 12 reflects parts of the light, which run away from the focal point 12 as a divergent spherical wave and strike the light exit surface 11, which is substantially parallel to the wavefront. This is thus the light entry surface.
  • the measuring light beam merges with the reference light beam reflected by the light exit surface 11 and together travel back through the GRIN lens and the rod 17 and the optical fiber 3 to the measuring module 2. There, the path differences between measuring light beam and reference light beam, if necessary, corrected and a resulting interference pattern can be evaluated.
  • the introduced measuring device 1 is suitable not only for interference optical measurement of the surface of the measuring object 6 but also for confocal microscopy or distance measurement. This can be done with almost non-reflective light exit surface 11. If the light exit surface 11 has certain reflection properties, for example in order to enable a mode switchover, this interferes little or not.
  • the measuring module 2 measures the intensity of the light reflected from the surface of the measuring object 6 and picked up by the microprobe 4. The strength is maximum when the surface of the measuring object 6 is located exactly in the focal point 12. A change in the distance between the micro-optical probe 4 and the measurement object 6 allows the determination of the brightness maximum and thus the height of the surface of the measurement object 6 in the intensity maximum.
  • the rod 24 or the element 10 can be dispensed with if the light exit surface 11 is attached directly to the GRIN lens 20.
  • the spherically curved light exit surface 11 takes e.g. a part of the measuring object 6 facing surface 23 of the GRIN lens 20 a.
  • the concave curved light exit surface 11 is preferably curved with a constant radius with respect to the focal point 12.
  • FIG. 3 illustrates a further modification.
  • the light path 8 is realized by a free air gap, which is enclosed by a hollow cylinder 26, for example.
  • the end 7 of the optical fiber 3 can be held by means not further illustrated.
  • the converging lens 9 is arranged. This can be designed as a GRIN lens or, as shown, as a glass body 27 with curved surfaces. Again, the light exit surface 11 may be formed by a surface of the converging lens 9.
  • Figure 4 illustrates a further modification of the invention. The peculiarity of the modification consists in the formation of the element 10.
  • Its light exit surface 11 is flat here, ie formed without spherical curvature.
  • the rod 24 occupies at least 80%, preferably 90% of the total distance between the surface of the measuring object 6 and the surface 23 of the GRIN lens 20 facing the measuring object. Due to the small distance between the reference light beam generating light exit surface 11 of the focal point 12, the dispersion and phase differences between the reference light beam and the measuring light beam are largely negligible. In other words, the refraction of the light beam 25 occurring at the light exit surface 11 is hardly effective because of the small distance to the surface of the measurement object 6. In addition, the above description applies.
  • FIG. 5 A further modification is shown in FIG. 5. This is based on the embodiment according to FIG. 4, with the difference that the rod 25 and the GRIN lens 20 have an at least partially conical lateral surface.
  • the microprobe 4 is particularly slim at its the measuring object 6 end facing. In addition, it can easily slide over bumps, body edges and the like structures of the measurement object 6.
  • its length L is greater than 90% of the focal length of the GRIN lens 20.
  • the focal length is calculated as the distance of the GRIN lens from the surface of the DUT. The distance is the distance of the surface 23 to the focal point 12.
  • FIG. 6 illustrates another embodiment, again based on the embodiment of FIG. 1,
  • the GRIN lens 20 and the rod 24 have a different from the cylindrical shape and the conical shape outer contour. They are rounded, for example.
  • the light path 8 is again formed by the hollow cylinder 26. Otherwise, the previous description applies accordingly.
  • All of the above-described embodiments of the microprobe can be designed as sideways-looking probes by arranging a mirror 28 between the surface 23 of the converging lens 9 or GRIN lens 20 and the surface of the measuring object 6. This can deflect the optical axis of the exiting light beam 25 by a defined angle deviating from zero. This is shown in FIG. 7.
  • FIG. 8 illustrates that the lower prism edge or prism end 29 of the rod or prism 24 can be dispensed with, so that the microprobe 4 can penetrate particularly deeply into blind holes and the like.
  • optical fiber 3 is optically coupled to the first cylindrical rod 17 of optically homogeneous material, wherein the first cylindrical rod 17, the GRIN lens 20 is optically coupled.
  • a second rod or prism 24 is coupled from optically homogeneous material, wherein the axes of these optical elements approximately coincide with each other and facing away from the GRIN lens 20 end face 11 of the second cylindrical rod 24 is concave and as a light exit surface, if necessary serves as a light entry surface and as a mirror for generating a reference light beam.
  • the microprobe 4 is an optical fiber 3
  • GRIN lens 20 optically coupled to the optical fiber or a GRIN fiber and a truncated cone of optically homogeneous material optically coupled to the GRIN lens or GRIN fiber, the axes of these optical elements approximately coinciding with each other and the end face of the truncated cone facing away from the GRIN lens 20 or the GRIN fiber is concave and serves as light exit surface 11 or light entry surface and light-reflecting surface for generating a reference light beam.
  • an optical fiber 7 a optically coupled to the optical fiber cylindrical rod 17 of optically homogeneous material and a visually coupled to the cylindrical rod 17 GRIN lens 20, wherein the cylindrical rod 17 facing away Face surface of the GRIN lens 20 is concave at least near the optical axis 15 and as the light exit surface eleventh serves.
  • the microprobe 4 has an optical fiber 3 and a light path 8 for fanning out the light beam emitted by the optical fiber 3, which hits a GRIN lens or GRIN fiber, wherein between the GRIN lens or GRIN lens Fiber is an optical element is provided, the measuring object 6 facing surface is formed as a plane surface and serves as a light exit surface 11, wherein the distance between the light exit surface 11 and the focal point 12 at most 20%, preferably at most 10% of the distance of the GRIN lens from the object surface is.
  • An embodiment in which the microprobe 4, an optical fiber 3, a optically homogeneous material coupled to the optical fiber 3 cylindrical rod 17, a visually coupled to the cylindrical rod 17 GRIN lens 20 and an optically coupled to the GRIN lens Element 10 comprises, wherein the element 10 is formed as a prism and deflects the optical axis of the system by a defined angle, wherein further the GRIN lens 20 facing away from the surface of the prism is concave and serves as a light exit surface 11. 8.
  • the truncated cone of optically homogeneous material may be integrated into a prism, which deflects the optical axis of the system by a defined angle, wherein the facing away from the GRIN lens face of the combined prisms Truncated cone is concave and serves as a light exit surface 11.
  • the diameter of the optical microprobe 4 may preferably be less than 5 mm.
  • All optical elements can be mechanically connected directly to each other.
  • the optical microprobe according to the invention uses micro-optical components and in particular uses a light exit surface 11 which is curved parallel to the optical spherical wave passing through it or which is so close to the measurement object 6, that disturbances caused by lack of parallelism between the light exit surface 11 and the wavefront passing through it stay below a given limit.
  • Connection surface 2 Light bundles 3 Surface 4 Bar / prism 5
  • Light bundles 6 Hollow cylinder 7 Glass body 8

Abstract

An optical microprobe for common-path interferometers uses micro-optical components and utilizes a light exit surface (11) curved parallel to the optical spherical wave passing through it in order to generate a defined reference beam with an unambiguous phase angle of sufficient intensity and negligible dispersion difference relative to the measurement beam. As an alternative, the light exit surface can be situated so close to the object that as a result of lack of parallelism with respect to the wavefront passing through it, the disturbances brought about remain below a given limit value.

Description

Optische MikrosondeOptical microprobe
Die Erfindung betrifft eine optische Mikrosonde zur Fokussierung eines Lichtstrahls auf ein Messobjekt.The invention relates to an optical microprobe for focusing a light beam onto a measurement object.
Optische Mikrosonden sind Bestandteile optischer Sensorsysteme. Sie werden an ein Messobjekt herangeführt und erfassen mit hoher Präzision Abstandsänderungen zwischen der Sonde und dem Messobjekt.Optical microprobes are components of optical sensor systems. They are brought to a test object and detect with high precision distance changes between the probe and the test object.
Zur optischen Vermessung von Objekten offenbart die DE 103 17 826 Al ein Verfahren und eine Vorrichtung zur inter- ferometrischen Messung von Abständen, Topographien oder Tiefenprofilen. Dabei wird eine interferometrische Anordnung mit einer Interferometereinheit vorgesehen, die über eine faseroptische Einrichtung sowohl an eine Lichtquelle als auch an eine optische Mikrosonde angeschlossen ist. Ü- ber die Mikrosonde wird Licht zu einem Messobjekt geführt und von diesem zurück empfangen. Das Licht wird dann dem Interferometer zugeführt, um die gewünschte Messung durchzuführen. Zur Messung wird vorzugsweise kurzkohärentes Licht verwendet.For the optical measurement of objects, DE 103 17 826 A1 discloses a method and a device for the interferometric measurement of distances, topographies or depth profiles. In this case, an interferometric arrangement is provided with an interferometer unit, which is connected via a fiber-optic device both to a light source and to an optical microprobe. Light is guided to a measuring object via the microprobe and received back by it. The light is then supplied to the interferometer to perform the desired measurement. For measurement is preferably kurzkohärentes Light used.
Über den Aufbau der Sonde ist diesem Dokument wenig zu entnehmen.About the structure of the probe is not clear from this document.
Die interferometrische Abstandsmessung ist auch aus der DE 198 08 273 Al bekannt. Ein dafür eingerichtetes In- terferometer ist über eine faseroptische Einrichtung an optische Sonden angeschlossen, die sowohl einen Messlichtweg als auch einen Referenzlichtweg enthalten. Zur Messung wird auch hier vorzugsweise kurzkohärentes Licht verwendet. Über den Aufbau des Objektivs, d.h. einer optischen Mikrosonde, gibt dieses Dokument wenig AufSchluss.The interferometric distance measurement is also known from DE 198 08 273 Al. An interferometer set up for this purpose is connected via a fiber optic device to optical probes which contain both a measurement light path and a reference light path. For measurement, short-coherent light is preferably used here as well. About the structure of the lens, i. an optical microprobe, this document gives little explanation.
In der DE 100 57 539 Al wird eine interferometrische Messvorrichtung auf Basis einer faserbasierten optischen Sonde beschrieben, bei der der freie, dem Messobjekt zugewandte Endabschnitt der Faser poliert mit einer Blende versehen als Linse oder Prisma ausgebildet gegen störendes Reflexlicht behandelt, abgeschrägt, verspiegelt, entspiegelt oder mit einer Kombination dieser Maßnahmen versehen ist.In DE 100 57 539 Al an interferometric measuring device based on a fiber-based optical probe is described, in which the free, the measuring object facing end portion of the fiber polished provided with a diaphragm formed as a lens or prism treated against disturbing reflected light, bevelled, mirrored, anti-reflective or a combination of these measures.
In der US 6 564 087 Bl werden optische Sonden beschrieben, bei denen Linsen und Prismenelemente zur Strahlformung und Umlenkung auf eine optische Faser gebracht werden, so dass die Faser ein fokussiertes Lichtstrahlbündel verlässt. Dabei sind die Endflächen, aus denen das Licht austritt, entweder plan oder konvex gestaltet. Diese Sonden werden im Zusammenhang mit einem interferometrischen Verfahren, der so genannten „Optical Coherence Tomography" eingesetzt .No. 6,564,087 B1 describes optical probes in which lenses and prism elements for beam shaping and deflection are brought onto an optical fiber, so that the fiber leaves a focused light beam. The end surfaces from which the light emerges are either flat or convex. These probes are used in conjunction with an interferometric method, the so-called "Optical Coherence Tomography".
Bei der Verwendung von kurzkohärentem Licht zu messtechnischen Zwecken, kommt es zu besonderen Anforderungen. Tritt dieses Licht durch ein dispersionsbehaftetes opti- sches Medium hindurch, so bewegen sich die unterschiedlichen spektralen Anteile des Lichts mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. In einem Interferometer müssen die Dispersionsunterschiede zwischen dem Referenzstrahl und dem Messstrahl äußerst gering sein, da andernfalls die Interferenzfähigkeit des Lichts verloren geht.When using short-coherent light for metrological purposes, there are special requirements. If this light passes through a dispersion-related opti- through the medium, the different spectral components of the light move at different speeds. In an interferometer, the dispersion differences between the reference beam and the measuring beam must be extremely low, otherwise the interference ability of the light is lost.
Ferner ist es für die optische Messung erstrebenswert, wenn der Messstrahl bezogen auf die optische Achse unter einem möglichst großen Winkel, d.h. mit einer möglichst großen numerischen Apertur NA fokussiert wird. Diese soll möglichst größer 0,1 sein. Dadurch lassen sich hohe Ortsauflösungen und eine große Unempfindlichkeit gegenüber lokalen Neigungen der Oberfläche des Messobjekts erreichen. Gleichzeitig wird häufig ein großer Abstand zwischen der optischen Sonde und dem Messobjekt gefordert. Diese Anforderungen lassen sich mit den heute bekannten optischen Mik- rosonden nur sehr eingeschränkt erfüllen. Die meisten zum Stand der Technik gehörigen Sonden weisen eine geringe numerische Apertur (kleiner als 0,1) auf.Furthermore, it is desirable for the optical measurement if the measuring beam is focused with respect to the optical axis at as large an angle as possible, ie with the largest possible numerical aperture N A. This should be as large as possible 0.1. As a result, high spatial resolutions and a high insensitivity to local inclinations of the surface of the measurement object can be achieved. At the same time, a large distance between the optical probe and the measurement object is often required. These requirements can only be met to a very limited extent with the optical microphones known today. Most of the prior art probes have a low numerical aperture (less than 0.1).
Es wird deshalb nach einer Lösung gesucht, um bei größeren numerischen Aperturen innerhalb einer optischen Mik- rosonde einen definierten Referenzstrahl mit eindeutiger Phasenlage ausreichender Intensität und zu vernachlässigender Dispersionsdifferenz gegenüber dem Messstrahl zu erzeugen .Therefore, a solution is sought in order to generate a defined reference beam with a clear phase position of sufficient intensity and negligible dispersion difference with respect to the measuring beam at larger numerical apertures within an optical microprobe.
Außerdem soll eine solche Mikrosonde mit möglichst geringem Aufwand gefertigt und montiert werden können.In addition, such a microprobe should be manufactured and assembled with the least possible effort.
Diese Aufgabe wird von der Mikrosonde gemäß Anspruch 1 wie auch von der Mikrosonde gemäße Anspruch 2 gelöst.This object is achieved by the microprobe according to claim 1 as well as by the microprobe according to claim 2.
Die erfindungsgemäßen Mikrosonden führen sowohl den eigentlichen Messstrahl, der auf das zu messende Objekt gerichtet ist und von diesem reflektiert wird, als auch einen Referenzstrahl, der dem Messstrahl überlagert wird und mit diesem interferiert. Das System erweist sich als besonders robust, weil der Mess- und der Referenzstrahl weitgehend gemeinsam geführt werden und die Wegstrecken, die entweder nur der Messstrahl oder nur der Referenzstrahl zurücklegt, kurz gehalten sind. Während der Messstrahl zur Objektoberfläche und von dieser zurück läuft, läuft der Referenzstrahl zu der Lichtaustrittsfläche und wird von dieser in die Sonde zurück reflektiert. Dadurch ist die Dispersionsdifferenz zwischen Messstrahl und Referenzstrahl gering und selbst bei Weißlichtinterferometrie vernachlässigbar oder zumindest erträglich.The microprobe according to the invention carry both the actual measuring beam, which is directed to the object to be measured and is reflected by this, as well as a reference beam, which is superimposed on the measuring beam and interferes with this. The system proves to be particularly robust because the measuring and the reference beam are guided largely together and the distances covered by either only the measuring beam or only the reference beam are kept short. As the measuring beam passes to and from the surface of the object, the reference beam passes to the light exit surface and is reflected back into the probe. As a result, the dispersion difference between the measuring beam and the reference beam is low and negligible or at least tolerable even with white light interferometry.
Des Weiteren gestattet die erfindungsgemäße Mikrosonde die Erzielung großer numerischer Aperturen (z.B. von ≥0,l) . Dadurch ist die optische Mikrosonde unempfindlich gegenüber lokalen Neigungen der Oberfläche des Messobjekts.Furthermore, the microprobe according to the invention allows the achievement of large numerical apertures (e.g., ≥0.1). As a result, the optical microprobe is insensitive to local inclinations of the surface of the measurement object.
Die erfindungsgemäße optische Mikrosonde gestattet außerdem die einfache Einstellung der Intensität des Messstrahls im Verhältnis oder Vergleich zur Intensität des Referenzstrahls. Dazu genügt es z.B., die Reflexionseigenschaften der Lichtaustrittsfläche zweckentsprechend zu gestalten .The optical microprobe according to the invention also allows easy adjustment of the intensity of the measuring beam in relation to or compared to the intensity of the reference beam. For this purpose, it suffices, for example, to design the reflection properties of the light exit surface appropriately.
Die erfindungsgemäße Sonde kann wegen der ausschließlichen Verwendung einfacher 'Optischer Elemente, die unmittelbar miteinander verbunden werden können, auf einfache Weise mit geringem Aufwand gefertigt und montiert werden. Es ergibt sich eine mechanisch robuste Einheit.The probe according to the invention can be manufactured and assembled in a simple manner with little effort, because of the exclusive use of simple optical elements which can be connected directly to one another. This results in a mechanically robust unit.
Ein wesentlicher Erfindungsgedanke ist, dass die Lichtaustrittsfläche der optischen Sonde konkav ausgebildet wird. Dies wird z.B. erreicht, indem zwischen der GRIN- Linse (Gradienten-Index-Linse) , GRIN-Faser oder einer sonstigen Sammellinse und der Objektoberfläche ein Glasstab mit konkav gewölbter Lichtaustrittsfläche angebracht wird. Allerdings kann die Lichtaustrittsfläche alternativ auch unmittelbar an der Sammellinse, der GRIN-Linse oder der GRIN- Faser angeordnet und ebenfalls konkav ausgebildet sein. Die Lichtleitfaser dient der Beleuchtung der GRIN-Linse oder Sammellinse. Zwischen der Lichtleitfaser und der Sammellinse bzw. GRIN-Linse wird der aus der Lichtleitfaser austretende Lichtstrahl aufgefächert. Dazu kann ein Abstand zwischen der Lichtleitfaser und der Sammellinse oder GRIN- Linse oder alternativ ein Stab aus optisch transparentem und homgenem Material, z.B. ein Glasstab dienen. Die optische Achse der Lichtleitfaser geht in die Zylinderachse des Glasstabs über. Das aus dem Faserkern austretende Licht kann sich zunächst divergent in dem Glasstab ausbreiten. Der Kernquerschnitt der Lichtleitfaser übernimmt damit die Funktion einer optischen Blende, durch die am Messobjekt reflektiertes Licht nur dann hindurchtreten kann, wenn es auf den Faserkern fokussiert wird, und der Winkel gegenüber der optischen Achse innerhalb des durch die numerische A- pertur der Faser bedingten Akzeptanzwinkels liegt. Vorzugsweise wird die z.B. zylinderförmige GRIN-Linse so an dem Glasstab angebracht, dass die Zylinderachsen des Glasstabs und der GRIN-Linse übereinstimmen.An essential idea of the invention is that the light exit surface of the optical probe is concave becomes. This is achieved, for example, by placing a glass rod with a concavely curved light exit surface between the GRIN lens (gradient index lens), GRIN fiber or any other condensing lens and the object surface. However, the light exit surface may alternatively also be arranged directly on the converging lens, the GRIN lens or the GRIN fiber and may also be concave. The optical fiber is used to illuminate the GRIN lens or converging lens. Between the optical fiber and the converging lens or GRIN lens, the light beam emerging from the optical fiber is fanned out. For this purpose, a distance between the optical fiber and the condenser lens or GRIN lens or alternatively a rod made of optically transparent and homgenous material, for example a glass rod, can be used. The optical axis of the optical fiber merges into the cylinder axis of the glass rod. The light emerging from the fiber core can initially spread divergently in the glass rod. The core cross section of the optical fiber thus assumes the function of an optical diaphragm through which light reflected at the measurement object can only pass when it is focused on the fiber core and the angle with respect to the optical axis within the acceptance angle caused by the numerical aperture of the fiber lies. Preferably, for example, the cylindrical GRIN lens is attached to the glass rod so that the cylinder axes of the glass rod and the GRIN lens coincide.
Die GRIN-Linse kollimiert das Lichtstrahlenbündel zunächst und fokussiert es anschließend so, dass ein konvergenter Lichtkegel erzeugt wird, der die GRIN-Linse ver- lässt. Der Lichtkegel wird über eine konkave Lichtaustrittsfläche direkt oder alternativ über einen zylindrischen oder kegelförmigen Glasstab in Richtung auf das Messobjekt geführt. Die konkave Lichtaustrittsfläche ist dann an den Glasstab angebracht. In einem definierten Abstand zu dem Messobjekt tritt der Lichtkegel dann aus dem Glasstab aus und läuft als konvergente Kugelwelle zu einem Fokuspunkt zusammen, der dem Messpunkt auf dem Messobjekt entspricht. Dazu wird bevorzugt, dass die Krümmung der konkaven Lichtaustrittsfläche mit der Krümmung der Wellenfront der Kugelwelle an der Stelle des Lichtaustritts übereinstimmt. Mit anderen Worten, die einzelnen Lichtstrahlen des zu dem Messobjekt hin konvergierenden Lichtkegels stehen senkrecht auf der Lichtaustrittsfläche und werden deshalb nicht gebrochen. Die Wellenfronten der konvergierenden Kugelwelle verlaufen also parallel zu der konkaven Austrittsfläche. Damit entsteht durch (Teil-) Reflexion an dieser Lichtaustrittsfläche ein definierter Referenzstrahl, dessen Licht wieder in den Faserkern eingekoppelt wird. Der austretende Anteil des Lichts tritt hingegen durch die konkave Lichtaustrittsfläche hindurch, ohne dass die einzelnen Lichtstrahlen dabei abgelenkt würden.The GRIN lens first collimates the light beam and then focuses it to produce a convergent cone of light that leaves the GRIN lens. The light cone is guided via a concave light exit surface directly or alternatively via a cylindrical or conical glass rod in the direction of the measurement object. The concave light exit surface is then attached to the glass rod. At a defined distance to The light cone then exits the measuring object from the glass rod and converges as a convergent spherical wave to form a focal point which corresponds to the measuring point on the measuring object. For this purpose, it is preferred that the curvature of the concave light exit surface coincides with the curvature of the wavefront of the spherical wave at the location of the light exit. In other words, the individual light beams of the light cone converging towards the measurement object are perpendicular to the light exit surface and are therefore not broken. The wavefronts of the converging spherical wave thus extend parallel to the concave exit surface. This creates by (partial) reflection at this light exit surface, a defined reference beam whose light is coupled back into the fiber core. By contrast, the emerging portion of the light passes through the concave light exit surface without the individual light beams being deflected.
Nach der Reflexion am Messobjekt laufen die Lichtstrahlen zu der Lichtaustrittsfläche zurück und dabei als divergente Kugelwelle auseinander. Sie treten zumindest teilweise wieder durch die von dem Lichtaustrittsfenster gebildete konkave Kugelsegmentfläche hindurch, werden durch das optische System zum Faserkern geleitet und in die Faser eingekoppelt .After the reflection on the measurement object, the light rays run back to the light exit surface and apart as a divergent spherical wave. They recede at least partially through the concave spherical segment surface formed by the light exit window, are guided through the optical system to the fiber core and coupled into the fiber.
Das zwischen der GRIN-Linse und dem Messobjekt angeordnete Element kann ein Glasstab sein, der z.B. zylindrisch oder kegelstumpfförmig ausgebildet sein kann. Auch Teile der GRIN-Linse können kegelstumpfförmig ausgebildet werden. Dies hat den Vorteil, dass die Sondengeometrie der Geometrie einer konventionellen taktilen Rauheitstastspitze ähnelt. Rauheitstastspitzen haben ebenfalls eine kegelförmige Grundgeometrie, damit sie bei einer Tastschnittmessung über Störkanten auf dem Messobjekt hinweg gleiten können. Während es vorteilhaft ist, wenn die Lichtaustrittsfläche eine konkave Kugelsegmentfläche ist, deren Krümmungsmittelpunkt mit dem Brennpunkt der Mikrosonde übereinstimmt, sind Abwandlungen dieser Anordnung möglich, die ohne gewölbte Lichtaustrittsfläche auskommen. Dazu wird das zwischen der GRIN-Linse und dem Messobjekt angeordnete optische Element, d.h. beispielsweise der Glaszylinder oder der Glaskegel, entlang der optischen Achse so lang bemessen, dass er sich bis unmittelbar zu dem Messobjekt erstreckt, dessen Oberfläche sich in der Nähe des Brennpunkts befindet. Die Lichtaustrittsfläche liegt dabei an einer Stelle, an der der Lichtkegel bereits so weit fokussiert ist, dass auf die konkave Ausgestaltung der Lichtaustrittsfläche verzichtet werden kann. Diese Bedingung ist gegeben, wenn der von dem Element eingenommene Lichtweg mindestens 80%, besser 90% des Abstands zwischen der Sammellinse bzw. GRIN-Linse und dem Brennpunkt einnimmt. Die Lichtdispersion zwischen dem Lichtaustrittsfenster und der Objektoberfläche ist dabei so gering, dass sie kaum störend wirkt.The element arranged between the GRIN lens and the measurement object may be a glass rod, which may be, for example, cylindrical or frusto-conical. Also parts of the GRIN lens can be frusto-conical. This has the advantage that the probe geometry resembles the geometry of a conventional tactile roughness probe tip. Roughness probe tips also have a cone-shaped basic geometry so that they can glide over interfering edges on a measuring object during a stylus measurement. While it is advantageous if the light exit surface is a concave spherical segment surface whose center of curvature coincides with the focal point of the microprobe, variations of this arrangement are possible, which do not require a curved light exit surface. For this purpose, the optical element arranged between the GRIN lens and the measurement object, ie for example the glass cylinder or the glass cone, is dimensioned along the optical axis so that it extends directly to the measurement object whose surface is in the vicinity of the focal point , The light exit surface lies at a point at which the light cone is already focused so far that can be dispensed with the concave configuration of the light exit surface. This condition exists when the light path occupied by the element occupies at least 80%, better 90%, of the distance between the condenser lens and the focal point. The light dispersion between the light exit window and the object surface is so small that it hardly acts disturbing.
Die Anordnung des optischen Elements zwischen der GRIN-Linse und dem Messobjekt ist nicht zwingend. Alternativ kann auf das .Element verzichtet werden. Das Licht tritt dann direkt aus der GRIN-Linse aus, deren Stirnfläche so bearbeitet wird, dass eine konkave Kugelfläche entsteht.The arrangement of the optical element between the GRIN lens and the measurement object is not mandatory. Alternatively, the .Element can be dispensed with. The light then emerges directly from the GRIN lens, the end face of which is machined to create a concave spherical surface.
Es sind weitere Abwandlungen möglich. Beispielsweise kann die GRIN-Linse durch eine GRIN-Faser mit entsprechend geringerem Durchmesser ersetzt werden. Auf das zwischen der Glasfaser und GRIN-Faser bzw. GRIN-Linse angeordnete Element zur Lichtauffächerung, das z.B. die Form eines Glasstabs haben kann, wird verzichtet. Die Lichtaustrittsfläche kann unmittelbar an der GRIN-Faser vorgesehen werden. In das zwischen der Sammellinse oder der GRIN-Linse und dem Messobjekt anzuordnende optische Element, d.h. den Glasstab oder den Glaszylinder kann auch ein Umlenkprisma integriert sein, beispielsweise in Form einer lichtreflektierenden (Grenz-) Fläche, so dass die optische Achse des austretenden Lichtstrahlenbündels einen definierten, von Null abweichenden Winkel mit der optischen Achse der Lichtleitfaser einschließt.There are further modifications possible. For example, the GRIN lens can be replaced with a GRIN fiber of correspondingly smaller diameter. On the arranged between the glass fiber and GRIN fiber or GRIN lens element for Lichtauffächerung, which may have the form of a glass rod, for example, is omitted. The light exit surface can be provided directly on the GRIN fiber. In the between the converging lens or the GRIN lens and the measurement object to be arranged optical element, ie the glass rod or the glass cylinder and a deflection prism can be integrated, for example in the form of a light-reflecting (border) surface, so that the optical axis of the exiting light beam a defined non-zero angle with the optical axis of the optical fiber includes.
Es wird darauf hingewiesen, dass die optischen Elemente, Linsen und sonstigen Bauelemente der optischen Mikro- sonde aus Glas, durchsichtigem Kunststoff oder anderem geeigneten Material bestehen können. Die erfindungsgemäße optische Mikrosonde eignet sich insbesondere zum Einsatz in interferometrischen Messeinrichtungen oder in konfokalen Messeinrichtungen. Sie eignen sich insbesondere für den Betrieb mit kurzkohärentem Licht, z.B. weißem oder farbigem Licht, im sichtbaren oder unsichtbaren Wellenlängenbereich.It should be noted that the optical elements, lenses and other components of the optical microprobe can be made of glass, transparent plastic or other suitable material. The optical microprobe according to the invention is particularly suitable for use in interferometric measuring devices or in confocal measuring devices. They are particularly suitable for operation with short-coherent light, e.g. white or colored light, in the visible or invisible wavelength range.
Bei Anwendung als rein konfokale Sonden kann die sonst an der Lichtaustrittsfläche auftretende Lichtreflexion, die bei interferometrischem Betrieb zur Erzeugung eines Referenzlichtstrahls genutzt wird, unterbunden werden, indem die Lichtaustrittsfläche beispielsweise mit einer geeigneten Beschichtung versehen wird.When used as a purely confocal probes, the light reflection which otherwise occurs at the light exit surface and which is used to generate a reference light beam during interferometric operation can be prevented by providing the light exit surface with a suitable coating, for example.
Weitere Abwandlungen, Einzelheiten und Besonderheiten ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder Ansprüchen. Die Beschreibung beschränkt sich dabei auf wesentliche Aspekte der Erfindung und sonstiger Gegebenheiten. Die Zeichnung offenbart weitere Details und kann ergänzend herangezogen werden. Es zeigen:Further modifications, details and particularities will become apparent from the drawings, the description or claims. The description is limited to essential aspects of the invention and other conditions. The drawing discloses further details and can be used in addition. Show it:
Figur 1 eine Messeinrichtung mit optischer Mikrosonde in schematisierter Darstellung und Figur 2 bis 8 abgewandelte Ausführungsformen der optischen Mikrosonde nach Figur 1 j eweils in schematisierter Darstellung . 1 shows a measuring device with optical microprobe in a schematic representation and Figures 2 to 8 modified embodiments of the optical microprobe of Figure 1 in each case in a schematic representation.
In Figur 1 ist eine Messeinrichtung 1 veranschaulicht, die z.B. als interferometrische Messeinrichtung ausgebildet ist. Sie weist ein Messmodul 2 auf, das ein oder mehrere Lichtquellen, ein oder mehrere Interferometer und gegebenenfalls eine Auswerteeinrichtung enthält. Die Lichtquellen erzeugen vorzugsweise breitbandiges weißes oder weniger breitbandiges farbiges Licht. Es können auch schmalbandige Lichtquellen oder Lichtquellen mit Linienspektrum oder einer einzelnen Spektrallinie vorgesehen werden. An das Messmodul 2 ist zumindest eine Lichtleitfaser 3 angeschlossen, die zu einer optischen Mikrosonde 4 führt und letztlich zu dieser gehört. Die optische Mikrosonde 4 dient der Fokus- sierung eines Lichtbündels 5 auf ein Messobjekt 6 bzw. dessen Oberfläche.Figure 1 illustrates a measuring device 1, e.g. is designed as an interferometric measuring device. It has a measuring module 2 which contains one or more light sources, one or more interferometers and optionally an evaluation device. The light sources preferably produce broadband white or less broadband colored light. It is also possible to provide narrow-band light sources or light sources with a line spectrum or a single spectral line. To the measuring module 2, at least one optical fiber 3 is connected, which leads to an optical microprobe 4 and ultimately belongs to this. The optical microprobe 4 serves to focus a light beam 5 on a measurement object 6 or its surface.
Zu der Mikrosonde 4 gehören außer zumindest dem letzten Ende 7 der Lichtleitfaser 3 ein Lichtweg 8, eine Sammellinse 9 und ein optisches Element 10, an dem eine konkav gewölbte Lichtaustrittsfläche 11 ausgebildet ist. Diese ist vorzugweise eine Kugelfläche bzw. Kugelabschnittsfläche, deren Krümmungsmittelpunkt mit einem Brennpunkt 12 der Mikrosonde 4 übereinstimmt. Das Ende 7 der Lichtleitfaser, der Lichtweg 8, die Sammellinse 9 und das Element 10 weisen ü- bereinstimmende und aneinander anschließende optische Achsen 13, 14, 15, 16 auf. Die sich ergebende gemeinsame optische Achse führt durch den Brennpunkt 12.Apart from at least the last end 7 of the optical fiber 3, the microprobe 4 includes an optical path 8, a converging lens 9 and an optical element 10, on which a concavely curved light exit surface 11 is formed. This is preferably a spherical surface or spherical segment surface whose center of curvature coincides with a focal point 12 of the microprobe 4. The end 7 of the optical fiber, the light path 8, the converging lens 9 and the element 10 have matching and adjoining optical axes 13, 14, 15, 16. The resulting common optical axis passes through the focal point 12.
Der Lichtweg 8 dient zur Auffächerung des aus der Lichtleitfaser 3 austretenden Lichtstrahls. Der Lichtweg 8 kann durch ein geeignetes optisches Element, wie beispielsweise einen aus optisch homogenem durchsichtigen Material, wie Glas oder Kunststoff, bestehenden Zylinder oder Stab 17, einen aus ebensolchem Material bestehenden Kegelstumpf oder dergleichen gebildet sein. Mit einer vorzugsweise ebenen Fläche 18 schließt der Stab 17 an die Lichtleitfaser 3 an. Mit einer gegenüber liegenden ebenfalls vorzugsweise ebenen Fläche 19 schließt der Stab 17 an die Sammellinse 9 an.The light path 8 is used for fanning the emerging from the optical fiber 3 light beam. The light path 8 may be formed by a suitable optical element such as a cylinder or rod 17 made of optically homogeneous transparent material such as glass or plastic, a truncated cone made of the same material, or the like. With a preferably flat surface 18 of the rod 17 connects to the optical fiber. 3 at. With an opposite also preferably flat surface 19 of the rod 17 connects to the converging lens 9 at.
Die Sammellinse 9 ist vorzugsweise eine GRIN-Linse 20 mit z.B. abschnittsweise zylindrischem und abschnittsweise kegelförmigem Außenumfang. Die GRIN-Linse 20 kann mit einer ebenen Anschlussfläche 21 direkt an der Fläche 19 anliegen. Die GRIN-Linse 20 dient als Sammellinse zur Fokussierung des aufgefächerten, von dem Stab 17 abgegebenen Lichtbündels 22.The condenser lens 9 is preferably a GRIN lens 20 with e.g. Sectionally cylindrical and partially conical outer circumference. The GRIN lens 20 can abut directly against the surface 19 with a flat connection surface 21. The GRIN lens 20 serves as a converging lens for focusing the fanned out light beam 22 emitted by the rod 17.
Die GRIN-Linse 20 weist eine vorzugsweise ebene, der Anschlussfläche 21 gegenüber liegende weitere Fläche 23 auf, an die das Element 10 mit einer vorzugsweise wiederum ebenen Fläche, vorzugsweise unmittelbar anschließt. Das E- lement 10 kann beispielsweise ein aus optisch transparentem homogenen Material bestehender Stab 24 größerer oder, wie dargestellt, geringerer Länge sein, in der er aufgrund seiner Kürze nahezu scheibenförmig wird. An dem Stab 24 ist die Lichtaustrittsfläche 11 ausgebildet. Der Glasstab 24 lässt das von der GRIN-Linse 20 fokussierte Lichtbündel 25 ungebrochen zu dem Brennpunkt 12 hindurchtreten. Die Lichtaustrittsfläche 11 reflektiert jedoch einen definierten Anteil des Lichts in den beschriebenen Lichtweg, d.h. die GRIN-Linse 20, den Stab 17 und die Lichtleitfaser 3 zurück. Z.B. kann die Lichtaustrittsfläche 11 dazu als teildurchlässiger Spiegel ausgebildet sein. Es können hierzu die natürlichen Reflexionseigenschaften der Lichtaustrittsfläche genutzt werden. Alternativ kann eine lichtreflektierende Beschichtung, beispielsweise in Form einer Metallbedamp- fung, vorgesehen werden, die die Lichtaustrittsfläche 11 ganz oder teilweise bedeckt.The GRIN lens 20 has a preferably planar, the connecting surface 21 opposite another surface 23, to which the element 10 with a preferably turn flat surface, preferably immediately followed. For example, the element 10 may be a rod 24 made of optically transparent homogeneous material, which may be larger or, as shown, of lesser length, in which it becomes almost disc-shaped due to its shortness. On the rod 24, the light exit surface 11 is formed. The glass rod 24 allows the light bundle 25 focused by the GRIN lens 20 to pass uninterrupted to the focal point 12. However, the light exit surface 11 reflects a defined portion of the light in the described light path, i. the GRIN lens 20, the rod 17 and the optical fiber 3 back. For example, For example, the light exit surface 11 may be designed as a partially transmissive mirror. It can be used for this purpose, the natural reflection properties of the light exit surface. Alternatively, a light-reflecting coating, for example in the form of a metal vapor coating, can be provided which completely or partially covers the light exit surface 11.
Die insoweit beschriebene optische Mikrosonde 4 arbei- tet wie folgt :The optical microprobe 4 described so far works tet as follows:
Die Mikrosonde 4 erhält über die Lichtleitfaser 3 Licht, das aus der nahezu punktförmigen Stirnfläche der Lichtleitfaser 3 aus- und in den Stab 17 übertritt. Es bildet sich das kegelförmige Lichtbündel 22 mit divergierenden Randstrahlen. Die GRIN-Linse 20 refokussiert das Lichtbündel mit zu dem Brennpunkt 12 hin konvergierenden Randstrahlen. Das Lichtbündel durchtritt den Stab 24. An der Lichtaustrittsfläche 22 teilt es sich in Mess- und Referenzstrahl. Der als Messstrahl dienende Teile tritt aus und läuft konvergent zu dem Brennpunkt 12. Er wird dabei aufgrund der (aus Sicht des Brennpunkts 12) konkaven Form wenig oder nicht gebrochen. Der Brennpunkt 12 reflektiert Teile des Lichts, die als divergente Kugelwelle von dem Brennpunkt 12 weg laufen und auf die zu der Wellenfront im Wesentlichen parallele Lichtaustrittsfläche 11 treffen. Diese wird somit zur Lichteintrittsfläche. Es vereinigen sich hier der Messlichtstrahl mit dem von der Lichtaustrittsfläche 11 reflektierten Referenzlichtstrahl und laufen gemeinsam durch die GRIN-Linse und den Stab 17 sowie die Lichtleitfaser 3 zu dem Messmodul 2 zurück. Dort werden die Gangunterschiede zwischen Messlichtstrahl und Referenzlichtstrahl, falls erforderlich, korrigiert und ein entstehendes Interferenzmuster kann ausgewertet werden.The microprobe 4 receives via the optical fiber 3 light, which out of the almost punctiform end face of the optical fiber 3 and into the rod 17 passes. It forms the cone-shaped light beam 22 with divergent marginal rays. The GRIN lens 20 refocuses the light beam with marginal rays converging toward the focal point 12. The light beam passes through the rod 24. At the light exit surface 22 it splits into measuring and reference beam. The serving as a measuring beam parts exits and runs convergent to the focal point 12. It is due to the (from the point of view of the focal point 12) concave shape little or not broken. The focal point 12 reflects parts of the light, which run away from the focal point 12 as a divergent spherical wave and strike the light exit surface 11, which is substantially parallel to the wavefront. This is thus the light entry surface. Here, the measuring light beam merges with the reference light beam reflected by the light exit surface 11 and together travel back through the GRIN lens and the rod 17 and the optical fiber 3 to the measuring module 2. There, the path differences between measuring light beam and reference light beam, if necessary, corrected and a resulting interference pattern can be evaluated.
Die vorgestellte Messeinrichtung 1 eignet sich nicht nur zur interferenzoptischen Vermessung der Oberfläche des Messobjekts 6 sondern auch zur konfokalen Mikroskopie bzw. Abstandsmessung. Dazu kann mit nahezu nicht reflektierender Lichtaustrittsfläche 11 gearbeitet werden. Hat die Lichtaustrittsfläche 11 gewisse Reflexionseigenschaften, beispielsweise um eine Betriebsartenumschaltung zu ermöglichen, stört dies wenig oder nicht. Bei der konfokalen Mikroskopie misst das Messmodul 2 die Stärke des von der Oberfläche des Messobjekts 6 reflektierten und von der Mikrosonde 4 aufgenommenen Lichts. Die Stärke ist maximal, wenn sich die Oberfläche des Messobjekts 6 exakt in dem Brennpunkt 12 befindet. Eine Entfernungsänderung zwischen der mikrooptischen Sonde 4 und dem Messobjekt 6 gestattet die Ermittlung des Helligkeitsmaximums und somit der Höhe der Oberfläche des Messobjekts 6 im Intensitätsmaximum.The introduced measuring device 1 is suitable not only for interference optical measurement of the surface of the measuring object 6 but also for confocal microscopy or distance measurement. This can be done with almost non-reflective light exit surface 11. If the light exit surface 11 has certain reflection properties, for example in order to enable a mode switchover, this interferes little or not. In confocal microscopy, the measuring module 2 measures the intensity of the light reflected from the surface of the measuring object 6 and picked up by the microprobe 4. The strength is maximum when the surface of the measuring object 6 is located exactly in the focal point 12. A change in the distance between the micro-optical probe 4 and the measurement object 6 allows the determination of the brightness maximum and thus the height of the surface of the measurement object 6 in the intensity maximum.
An der insoweit vorgestellten Mikrosonde 4 sind zahlreiche Abwandlungen möglich. Wie Figur 2 veranschaulicht, kann der Stab 24 bzw. das Element 10 entfallen, wenn die Lichtaustrittsfläche 11 unmittelbar an der GRIN-Linse 20 angebracht wird. Die sphärisch gewölbte Lichtaustrittsfläche 11 nimmt z.B. einen Teil der dem Messobjekt 6 zugewandten Fläche 23 der GRIN-Linse 20 ein. Wiederum ist die konkav gewölbte Lichtaustrittsfläche 11 vorzugsweise mit konstantem Radius bezüglich des Brennpunkts 12 gewölbt. Im Übrigen gilt die vorige Beschreibung unter Zugrundelegung der bereits eingeführten Bezugszeichen entsprechend.At the so far presented microprobe 4 numerous modifications are possible. As FIG. 2 illustrates, the rod 24 or the element 10 can be dispensed with if the light exit surface 11 is attached directly to the GRIN lens 20. The spherically curved light exit surface 11 takes e.g. a part of the measuring object 6 facing surface 23 of the GRIN lens 20 a. Again, the concave curved light exit surface 11 is preferably curved with a constant radius with respect to the focal point 12. For the rest, the previous description applies on the basis of the already introduced reference numerals.
Eine weitere Abwandlung veranschaulicht Figur 3. Dort ist an Stelle des Stabs 17 der Lichtweg 8 durch eine freie Luftstrecke realisiert, die beispielsweise von einem Hohl- zylinder 26 umschlossen wird. An einem Ende des Hohlzylin- ders 8 kann mit nicht weiter veranschaulichten Mitteln das Ende 7 der Lichtleitfaser 3 gehalten sein. An dem anderen Ende des Hohlzylinders 26 ist die Sammellinse 9 angeordnet. Diese kann als GRIN-Linse oder, wie dargestellt, als Glaskörper 27 mit gewölbten Flächen ausgebildet sein. Wiederum kann die Lichtaustrittsfläche 11 durch eine Fläche der Sammellinse 9 gebildet sein. Im Übrigen gilt die vorige Beschreibung unter Zugrundelegung gleicher, bereits eingeführter Bezugszeichen entsprechend. Figur 4 veranschaulicht eine weitere Abwandlung der Erfindung. Die Besonderheit der Abwandlung besteht in der Ausbildung des Elements 10. Seine Lichtaustrittsfläche 11 ist hier eben, d.h. ohne sphärische Krümmung ausgebildet. Dafür nimmt der Stab 24 mindestens 80% vorzugsweise 90% des gesamten Abstands zwischen der Oberfläche des Messobjekts 6 und der dem Messobjekt zugewandten Fläche 23 der GRIN-Linse 20 ein. Aufgrund des geringen Abstands zwischen der den Referenzlichtstrahl erzeugenden Lichtaustrittsfläche 11 von dem Brennpunkt 12 sind die Dispersions- und Phasenunterschiede zwischen dem Referenzlichtstrahl und dem Messlichtstrahl weitgehend vernachlässigbar. Mit anderen Worten, die an der Lichtaustrittsfläche 11 entstehende Brechung des Lichtbündels 25 wird wegen des geringen Abstands zu der O- berfläche des Messobjekts 6 kaum wirksam. Ergänzend gilt vorstehende Beschreibung.FIG. 3 illustrates a further modification. Instead of the bar 17, the light path 8 is realized by a free air gap, which is enclosed by a hollow cylinder 26, for example. At one end of the hollow cylinder 8, the end 7 of the optical fiber 3 can be held by means not further illustrated. At the other end of the hollow cylinder 26, the converging lens 9 is arranged. This can be designed as a GRIN lens or, as shown, as a glass body 27 with curved surfaces. Again, the light exit surface 11 may be formed by a surface of the converging lens 9. For the rest, the previous description applies on the basis of the same, already introduced reference numerals. Figure 4 illustrates a further modification of the invention. The peculiarity of the modification consists in the formation of the element 10. Its light exit surface 11 is flat here, ie formed without spherical curvature. For this, the rod 24 occupies at least 80%, preferably 90% of the total distance between the surface of the measuring object 6 and the surface 23 of the GRIN lens 20 facing the measuring object. Due to the small distance between the reference light beam generating light exit surface 11 of the focal point 12, the dispersion and phase differences between the reference light beam and the measuring light beam are largely negligible. In other words, the refraction of the light beam 25 occurring at the light exit surface 11 is hardly effective because of the small distance to the surface of the measurement object 6. In addition, the above description applies.
Eine weitere Abwandlung zeigt Figur 5. Diese beruht auf der Ausführungsform nach Figur 4 mit dem Unterschied, dass der Stab 25 und die GRIN-Linse 20 eine zumindest abschnittsweise kegelförmige Mantelfläche haben. Damit wird die Mikrosonde 4 an ihrem dem Messobjekt 6 zugewandten Ende besonders schlank. Außerdem kann sie über Erhebungen, Körperkanten und dergleichen Strukturen des Messobjekts 6 leicht hinweg gleiten. Hinsichtlich der Bemessung der Länge des Stabs 24 gilt, wie bereits im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach Figur 4, dass seine Länge L größer als 90% der Brennweite der GRIN-Linse 20 ist. die Brennweite berechnet sich dabei als Abstand der GRIN-Linse von der O- berflache des Messobjekts. Der Abstand ist der Abstand der Fläche 23 zu dem Brennpunkt 12.A further modification is shown in FIG. 5. This is based on the embodiment according to FIG. 4, with the difference that the rod 25 and the GRIN lens 20 have an at least partially conical lateral surface. Thus, the microprobe 4 is particularly slim at its the measuring object 6 end facing. In addition, it can easily slide over bumps, body edges and the like structures of the measurement object 6. With regard to the dimensioning of the length of the rod 24 applies, as already in connection with the embodiment of Figure 4 that its length L is greater than 90% of the focal length of the GRIN lens 20. the focal length is calculated as the distance of the GRIN lens from the surface of the DUT. The distance is the distance of the surface 23 to the focal point 12.
Figur 6 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform, die wiederum auf der Ausführungsform nach Figur 1 beruht, wobei jedoch die GRIN-Linse 20 und der Stab 24 eine von der Zylinderform und der Kegelform abweichende Außenkontur haben. Sie sind z.B. gerundet. Außerdem ist der Lichtweg 8 wiederum durch den Hohlzylinder 26 gebildet. Ansonsten gilt die vorige Beschreibung entsprechend.FIG. 6 illustrates another embodiment, again based on the embodiment of FIG. 1, However, the GRIN lens 20 and the rod 24 have a different from the cylindrical shape and the conical shape outer contour. They are rounded, for example. In addition, the light path 8 is again formed by the hollow cylinder 26. Otherwise, the previous description applies accordingly.
Alle vorstehend beschriebenen Ausfϋhrungsformen der Mikrosonde können als seitwärts blickende Sonden ausgebildet werden, indem zwischen der Fläche 23 der Sammellinse 9 bzw. GRIN-Linse 20 und der Oberfläche des Messobjekts 6 ein Spiegel 28 angeordnet wird. Dieser kann die optische Achse des austretenden Lichtstrahlenbündels 25 um einen definierten von Null abweichenden Winkel ablenken. Dies zeigt Figur 7. Figur 8 veranschaulicht, dass die untere Prismen-Kante oder Prismen-Ende 29 des Stabs bzw. Prismas 24 entfallen kann, so dass die Mikrosonde 4 besonders tief in Sacklöcher und dergleichen eindringen kann.All of the above-described embodiments of the microprobe can be designed as sideways-looking probes by arranging a mirror 28 between the surface 23 of the converging lens 9 or GRIN lens 20 and the surface of the measuring object 6. This can deflect the optical axis of the exiting light beam 25 by a defined angle deviating from zero. This is shown in FIG. 7. FIG. 8 illustrates that the lower prism edge or prism end 29 of the rod or prism 24 can be dispensed with, so that the microprobe 4 can penetrate particularly deeply into blind holes and the like.
Ergänzend zu den vorstehenden Erläuterungen wird auf folgende alternativen Merkmalskombinationen hingewiesen:In addition to the above explanations, reference is made to the following alternative combinations of features:
1. Eine Ausführungsform, bei der die Lichtleitfaser 3 optisch an den ersten zylindrischen Stab 17 aus optisch homogenem Material gekoppelt ist, wobei an den ersten zylindrischen Stab 17 die GRIN-Linse 20 optisch angekoppelt ist. An die GRIN-Linse ist ein zweiter Stab oder Prisma 24 aus optisch homogenem Material angekoppelt, wobei die Achsen dieser optischen Elemente näherungsweise miteinander übereinstimmen und die der GRIN-Linse 20 abgewandte Stirnfläche 11 des zweiten zylindrischen Stabs 24 konkav ausgeführt ist und als Lichtaustrittsfläche, gegebenenfalls als Lichteintrittsfläche und als Spiegel zur Erzeugung eines Referenzlichtstrahls dient. 2. Eine Ausführungsform, bei der die Mikrosonde 4 eine Lichtleitfaser 3, einen optisch an die Lichtleitfaser1. An embodiment in which the optical fiber 3 is optically coupled to the first cylindrical rod 17 of optically homogeneous material, wherein the first cylindrical rod 17, the GRIN lens 20 is optically coupled. To the GRIN lens, a second rod or prism 24 is coupled from optically homogeneous material, wherein the axes of these optical elements approximately coincide with each other and facing away from the GRIN lens 20 end face 11 of the second cylindrical rod 24 is concave and as a light exit surface, if necessary serves as a light entry surface and as a mirror for generating a reference light beam. 2. An embodiment in which the microprobe 4 is an optical fiber 3, an optically to the optical fiber
3 gekoppelten ersten zylindrischen Stab 17 aus optisch homogenem Material und eine optisch an den ersten zylindrischen Stab gekoppelte GRIN-Linse 20 sowie einen optisch an die GRIN-Linse 20 gekoppelten Kegelstumpf aus optisch homogenem Material aufweist, wobei die Achsen dieser optischen Elemente näherungsweise miteinander übereinstimmen und die der GRIN-Linse abgewandte Stirnfläche des Kegelstumpfs konkav ausgeführt ist und als Lichtaustrittsfläche 11, gegebenenfalls als Lichteintrittsflache , und als Fläche zur Erzeugung eines Referenzlichtstrahls dient.3 coupled first cylindrical rod 17 of optically homogeneous material and a optically coupled to the first cylindrical rod GRIN lens 20 and a optically coupled to the GRIN lens 20 truncated cone of optically homogeneous material, wherein the axes of these optical elements approximately coincide with each other and the GRIN lens facing away from the end surface of the truncated cone is concave and serves as a light exit surface 11, optionally as a light entrance surface, and as a surface for generating a reference light beam.
3. Eine Ausführungsform, bei der die optische Mikrosonde3. An embodiment in which the optical microprobe
4 aus einer Lichtleitfaser 3, einer optisch an die Lichtleitfaser gekoppelten GRIN-Linse 20 oder einer GRIN-Faser und einem optisch an die GRIN-Linse oder GRIN-Faser gekoppelten Kegelstumpf aus optisch homogenem Material besteht, wobei die Achsen dieser optischen Elemente miteinander näherungsweise übereinstimmen und die der GRIN-Linse 20 bzw. der GRIN-Faser abgewandte Stirnfläche des Kegelstumpfs konkav ausgeführt ist und als Lichtaustrittsfläche 11 bzw. Lichteintrittsfläche und lichtreflektierende Fläche zur Erzeugung eines Referenzlichtstrahls dient.4 consists of an optical fiber 3, a GRIN lens 20 optically coupled to the optical fiber or a GRIN fiber and a truncated cone of optically homogeneous material optically coupled to the GRIN lens or GRIN fiber, the axes of these optical elements approximately coinciding with each other and the end face of the truncated cone facing away from the GRIN lens 20 or the GRIN fiber is concave and serves as light exit surface 11 or light entry surface and light-reflecting surface for generating a reference light beam.
4. Eine Ausführungsform, bei der zu der Mikrosonde 4 eine Lichtleitfaser 7, ein optisch an die Lichtleitfaser gekoppelter zylindrischer Stab 17 aus optisch homogenem Material und eine optisch an den zylindrischen Stab 17 gekoppelte GRIN-Linse 20 gehören, wobei die dem zylindrischen Stab 17 abgewandte Stirnfläche der GRIN-Linse 20 zumindest nahe der optischen Achse 15 konkav ausgeführt ist und als Lichtaustrittsfläche 11 dient.4. An embodiment in which to the microprobe 4, an optical fiber 7, a optically coupled to the optical fiber cylindrical rod 17 of optically homogeneous material and a visually coupled to the cylindrical rod 17 GRIN lens 20, wherein the cylindrical rod 17 facing away Face surface of the GRIN lens 20 is concave at least near the optical axis 15 and as the light exit surface eleventh serves.
5. Eine Ausführungsform, bei der zu der Mikrosonde 4 eine Lichtleitfaser 3 und eine optisch an die Lichtleitfaser gekoppelte GRIN-Linse 20 oder eine GRIN-Faser gehören, wobei die der Lichtleitfaser 3 abgewandte Stirnfläche der GRIN-Linse bzw. der GRIN-Faser zumindest nahe der optischen Achse 15 konkav ausgeführt ist und als Lichtaustrittsfläche 11 dient.5. An embodiment in which belong to the microprobe 4, an optical fiber 3 and a GRIN lens 20 optically coupled to the optical fiber or a GRIN fiber, wherein the optical fiber 3 facing away from the end face of the GRIN lens or the GRIN fiber at least is concave near the optical axis 15 and serves as a light exit surface 11.
6. Eine Ausführungsform, bei der die Mikrosonde 4 eine optische Faser 3 und einen Lichtweg 8 zur Auffächerung des von der Lichtleitfaser 3 abgegebenen Lichtbündels aufweist, das eine GRIN-Linse bzw. GRIN-Faser trifft, wobei zwischen der GRIN-Linse oder GRIN-Faser ein optisches Element vorgesehen ist, dessen dem Messobjekt 6 zugewandte Fläche als Planfläche ausgebildet ist und als Lichtaustrittsfläche 11 dient, wobei der Abstand zwischen der Lichtaustrittsfläche 11 und dem Brennpunkt 12 höchstens 20 % vorzugsweise höchstens 10 % des Abstands der GRIN-Linse von der Messobjektoberfläche beträgt.6. An embodiment in which the microprobe 4 has an optical fiber 3 and a light path 8 for fanning out the light beam emitted by the optical fiber 3, which hits a GRIN lens or GRIN fiber, wherein between the GRIN lens or GRIN lens Fiber is an optical element is provided, the measuring object 6 facing surface is formed as a plane surface and serves as a light exit surface 11, wherein the distance between the light exit surface 11 and the focal point 12 at most 20%, preferably at most 10% of the distance of the GRIN lens from the object surface is.
7. Eine Ausführungsform, bei der die Mikrosonde 4 eine Lichtleitfaser 3, einen optisch an die Lichtleitfaser 3 gekoppelten zylindrischen Stab 17 aus optisch homogenem Material, eine optisch an den zylindrischen Stab 17 gekoppelte GRIN-Linse 20 und ein optisch an die GRIN-Linse gekoppeltes Element 10 umfasst, wobei das Element 10 als Prisma ausgebildet ist und die optische Achse des Systems um einen definierten Winkel umlenkt, wobei weiter die der GRIN-Linse 20 abgewandte Fläche des Prismas konkav ausgeführt ist und als Lichtaustrittsfläche 11 dient. 8. Bei der Mikrosonde nach einer der Ziffern 2, 3 oder 6 kann der Kegelstumpf aus optisch homogenem Material in ein Prisma integriert sein, das die optische Achse des Systems um einen definierten Winkel umlenkt, wobei die der GRIN-Linse abgewandte Stirnfläche des kombinierten Prismen-Kegelstumpfs konkav ausgeführt ist und als Lichtaustrittsfläche 11 dient.7. An embodiment in which the microprobe 4, an optical fiber 3, a optically homogeneous material coupled to the optical fiber 3 cylindrical rod 17, a visually coupled to the cylindrical rod 17 GRIN lens 20 and an optically coupled to the GRIN lens Element 10 comprises, wherein the element 10 is formed as a prism and deflects the optical axis of the system by a defined angle, wherein further the GRIN lens 20 facing away from the surface of the prism is concave and serves as a light exit surface 11. 8. In the microprobe according to any one of the numbers 2, 3 or 6, the truncated cone of optically homogeneous material may be integrated into a prism, which deflects the optical axis of the system by a defined angle, wherein the facing away from the GRIN lens face of the combined prisms Truncated cone is concave and serves as a light exit surface 11.
9. Der Durchmesser der optischen Mikrosonde 4 kann vorzugsweise geringer als 5 mm sein.9. The diameter of the optical microprobe 4 may preferably be less than 5 mm.
10. Alle optischen Elemente können mechanisch unmittelbar miteinander verbunden sein.10. All optical elements can be mechanically connected directly to each other.
Die erfindungsgemäße optische Mikrosonde verwendet mikrooptische Komponenten und nutzt insbesondere eine Lichtaustrittsfläche 11, die parallel zu der sie durchlaufenden optischen Kugelwelle gekrümmt ist oder die sich so nahe an dem Messobjekt 6 befindet, dass durch fehlende Parallelität zwischen der Lichtaustrittsfläche 11 und der sie durchlaufenden Wellenfront hervorgerufene Störungen unter einem gegebenen Grenzwert bleiben. The optical microprobe according to the invention uses micro-optical components and in particular uses a light exit surface 11 which is curved parallel to the optical spherical wave passing through it or which is so close to the measurement object 6, that disturbances caused by lack of parallelism between the light exit surface 11 and the wavefront passing through it stay below a given limit.
Bezugszeichenreference numeral
1 Messeinrichtung1 measuring device
2 Messmodul2 measuring module
3 Lichtleitfaser3 optical fiber
4 Mikrosonde4 microprobe
5 Lichtbündel5 light bundles
6 Messobjekt6 measuring object
7 Faser-Ende7 fiber end
8 Lichtweg8 light path
9 Sammellinse9 condenser lens
10 Element10 element
11 Lichtaustrittsfläche11 light exit surface
12 Brennpunkt12 focus
13-16 optische Achsen13-16 optical axes
17 Stab17 staff
18, 19 Fläche18, 19 area
20 GRIN-Linse20 GRIN lens
21 Anschluss fläche 2 Lichtbündel 3 Fläche 4 Stab/Prisma 5 Lichtbündel 6 Hohlzylinder 7 Glaskörper 8 Spiegel 9 Prismen-Kante 21 Connection surface 2 Light bundles 3 Surface 4 Bar / prism 5 Light bundles 6 Hollow cylinder 7 Glass body 8 Mirror 9 Prism edge

Claims

Patentansprüche :Claims:
1, Optische Mikrosonde (4) zur Fokussierung eines Lichtbündels (5) auf ein Messobjekt (6) , insbesondere zur Durchführung interferometrischer Messungen, bestehend zumindest aus:1, optical microprobe (4) for focusing a light beam (5) on a measurement object (6), in particular for performing interferometric measurements, consisting at least of:
einer Lichtleitfaser (3) ,an optical fiber (3),
einem an die Lichtleitfaser (3) angekoppelten Lichtwegone to the optical fiber (3) coupled light path
(8) zur Auffächerung eines aus der Lichtleitfaser (3) austretenden Lichtstrahls,(8) for fanning out a light beam emerging from the optical fiber (3),
einer an den Lichtweg (8) angeschlossenen Sammellinsea converging lens connected to the light path (8)
(9) zur Fokussierung des aus der Lichtleitfaser (3) austretenden Lichtbündels (22) auf einen Brennpunkt (12) ,(9) for focusing the light beam (22) emerging from the optical fiber (3) onto a focal point (12),
mit einem an die Sammellinse (9) angeschlossenen optischen Element (10) , das eine dem Brennpunkt (12) zugewandte Lichtaustrittsfläche (11) aufweist und a) zumindest 90% des Abstandes zwischen der Sammellinse (9) und dem Brennpunkt (12) einnimmt und/oder b) bei dem die Lichtaustrittsfläche (11) konkav gewölbt ausgebildet ist.with an optical element (10) connected to the condenser lens (9), which has a light exit surface (11) facing the focal point (12) and a) occupies at least 90% of the distance between the condenser lens (9) and the focal point (12) and / or b) in which the light exit surface (11) is concavely curved.
2. Optische Mikrosonde (4) zur Fokussierung eines Licht¬ bündels (5) auf ein Messobjekt (6) , insbesondere zur Durchführung interferometrischer Messungen, bestehend zumindest aus :2. Optical microprobe (4) for focusing a light beam ¬ (5) on a measurement object (6), in particular for performing interferometric measurements, consisting at least of:
einer Lichtleitfaser (3) ,an optical fiber (3),
einer an die Lichtleitfaser (3) angeschlossenen GRIN- Linse (20) oder GRIN-Faser zur Fokussierung des aus der Lichtleitfaser (3) austretenden Lichtbündels (22) auf einen Brennpunkt (12),one to the optical fiber (3) connected GRIN lens (20) or GRIN fiber for focusing the out the optical fiber (3) emerging light beam (22) on a focal point (12),
wobei die GRIN-Linse (20) eine konkav gewölbte Lichtaustrittsfläche (11) aufweist.wherein the GRIN lens (20) has a concave curved light exit surface (11).
3. Optische Mikrosonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichtleitfaser (3) und der GRIN-Linse (20) ein Lichtweg (8) zur Auffächerung des aus der Lichtleitfaser (3) austretenden Lichtbündels (22) vorgesehen ist.3. An optical microprobe according to claim 2, characterized in that between the optical fiber (3) and the GRIN lens (20) an optical path (8) for fanning out of the optical fiber (3) emerging light beam (22) is provided.
4. Optische Mikrosonde nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtweg (8) durch einen Stab (17) aus optisch homogenem Material gebildet ist.4. An optical microprobe according to claim 1 or 3, characterized in that the light path (8) by a rod (17) is formed of optically homogeneous material.
5. Optische Mikrosonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (17) zylindrisch ausgebildet ist.5. An optical microprobe according to claim 4, characterized in that the rod (17) is cylindrical.
6. Optische Mikrosonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (17) unmittelbar an die Lichtleitfaser (3) anschließt.6. An optical microprobe according to claim 4, characterized in that the rod (17) directly adjoins the optical fiber (3).
7. Optische Mikrosonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (17) unmittelbar an die Sammellinse (9) anschließt.7. An optical microprobe according to claim 4, characterized in that the rod (17) directly adjoins the convergent lens (9).
8. Optische Mikrosonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammellinse (9) eine GRIN-Linse (20) ist.8. An optical microprobe according to claim 1, characterized in that the convergent lens (9) is a GRIN lens (20).
9. Optische Mikrosonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (10) ein Stab (24) aus optisch homogenem Material ist. 9. An optical microprobe according to claim 1, characterized in that the optical element (10) is a rod (24) made of optically homogeneous material.
10. Optische Mikrosonde nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (24) zylindrisch ausgebildet ist.10. An optical microprobe according to claim 9, characterized in that the rod (24) is cylindrical.
11. Optische Mikrosonde nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (24) kegelstumpfförmig ausgebildet ist.11. An optical microprobe according to claim 9, characterized in that the rod (24) is frusto-conical.
12. Optische Mikrosonde nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (11) eine stirnseitige Endfläche des Stabes (24) ist.12. An optical microprobe according to claim 9, characterized in that the light exit surface (11) is an end face of the rod (24).
13. Optische Mikrosonde nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (11) eine Seitenfläche des Stabes (24) ist.13. An optical microprobe according to claim 9, characterized in that the light exit surface (11) is a side surface of the rod (24).
14. Optische Mikrosonde nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (24) eine Licht reflektierende Fläche (28) aufweist, die das von der Sammellinse (9) ankommende Licht zu der Lichtaustrittsfläche (11) umleitet.14. An optical microprobe according to claim 9, characterized in that the rod (24) has a light-reflecting surface (28), which redirects the light from the converging lens (9) incoming light to the light exit surface (11).
15. Optische Mikrosonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (11) teilverspiegelt ist.15. An optical microprobe according to claim 1 or 2, characterized in that the light exit surface (11) is partially mirrored.
16. Optische Mikrosonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (11) eine sphärische Fläche ist, deren Krümmungsmittelpunkt mit dem Brennpunkt (12) übereinstimmt.16. An optical microprobe according to claim 1 or 2, characterized in that the light exit surface (11) is a spherical surface whose center of curvature coincides with the focal point (12).
17. Optische Mikrosonde nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle optischen Achsen (13, 14, 15, 16) aller Elemente miteinander ü- bereinstimmen .17. Optical microprobe according to one of the preceding claims, characterized in that all optical Axes (13, 14, 15, 16) of all elements agree with each other.
18. Optische Mikrosonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfaser (3) an ein Interfe- rometer angeschlossen ist.18. An optical microprobe according to claim 1, characterized in that the optical fiber (3) is connected to an interferometer.
19. Optische Mikrosonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfaser (3) an eine konfokale Messeinrichtung angeschlossen ist. 19. An optical microprobe according to claim 1, characterized in that the optical fiber (3) is connected to a confocal measuring device.
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