DE102005017233A1

DE102005017233A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung von optischen Abbildungseigenschaften durch Verwendung bekannter Lichtmuster und optischer Strahlverfolgung

Info

Publication number: DE102005017233A1
Application number: DE200510017233
Authority: DE
Inventors: Ulrich Krackhardt; Jochen Baehr
Original assignee: Bahr Jochen Dr
Current assignee: Bahr Jochen Dr
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2006-10-19

Abstract

Beschrieben wird im Folgenden ein Verfahren zur gleichzeitigen, kalibrierungsfreien, berührungslosen, absoluten und optischen Ermittlung von optischen Abbildungseigenschaften von zusammenhängenden transparenten Meßobjekten. Zur Vermessung wird das Objekt mit einem tiefenscharfen Lichtmuster durchleuchtet, dessen Verlauf im Raum hinlänglich bekannt ist. Aus den Änderungen in Position und Winkel des Lichtmusters nach Transmission durch das Meßobjekt wird auf die optischen Eigenschaften geschlossen. DOLLAR A Das Meßobjekt kann aus einem oder mehreren optischen Elementen bestehen. Diese müssen transparent, können aber auch teilverspiegelt oder teilweise reflektierend sein, wie z. B. polierte oder hinreichend glatte Oberflächen transparenter Medien wie etwa Glasoberflächen, Flüssigkeitsoberflächen oder Übergänge von Medien mit unterschiedlicher optischer Brechzahl. Ebenso können Gradienten-Index-Objekte vermessen werden. Es können Meßobjekte mit sphärischen wie auch mit stark asphärischen Oberflächen vermessen werden. Die Oberflächen des Meßobjektes müssen zur Vermessung lediglich hinreichend glatt sein, d. h. die Rauhigkeit oder Körnigkeit der Oberfläche muß derart beschaffen sein, daß die Oberfläche bei Abtastung mit einem Lichtstrahl mit Durchmesser d innerhalb jedes Oberflächenteils mit Durchmesser d näherungsweise krümmungsfrei ist. Das zu vermessende Objekt kann aus einer Abfolge von mehreren Grenzflächen bestehen. DOLLAR A Mit dem beschriebenen Verfahren können alle erforderlichen ...

Description

Oben beschriebene Meßaufgaben werden gemäß dem Stand der Technik mit folgenden Verfahren gelöst:

1. optische Abbildung, insbesondere Prüfung der Abbildung von Testbildern; Analyse von Auflösung, Ermittlung von optischen Transferfunktionen (OTF, PTF, MTF, u. dergl.), etc.,
2. indirekte Meßverfahren, wie z.B. mechanische (taktile) Abtastung der Oberflächen,
3. Wellenfront-Meßverfahren (z.B. Shack-Hartmann),
4. Interferometrische Verfahren,
5. Ray-tracing mit feinem, abtastendem Laserstrahl, z.B. in Appl.Opt. Vol. 27, p. 5160ff (1988) beschrieben.

Nachteile bisheriger Verfahren (Numerierung nimmt Bezug auf Stand der Technik):

1. Bei Abbildung von Testbildern gehen von jedem Punkt des Testbildes Strahlenbündel aus, die jeweils gleichzeitig auf unterschiedliche Teile der abbildenden Optik – hier dem Meßobjekt – treffen. Damit trägt zur Abbildung eines jeden Bildpunktes das gesamte Meßobjekt bei. Eine ortsaufgelöste Analyse der Abbildungseigenschaften ist damit nicht mehr möglich. Der Einfluß lokaler Eigenschaften wie z.B. Störungen oder Beschädigungen kann daher nicht bestimmt werden. Durch eine optische Abbildung können nur globale Eigenschaften detektiert werden.
2. Verschleißanfällig und langwierig; bewegliche Teile; Gefahr der Beschädigung des Prüflings. bei mehreren Grenzflächen nur mit hohem aparativen Aufwand durchzuführen.
3. Nur für kleine Objekte (beschränkt durch die Größe von z.B. Abbildungsoptiken und/oder Mikrolinsenarrays); weiterhin Einschränkung hinsichtlich meßbarer Höhendifferenz und meßbarem Steigungswert (Brechkraft) der Oberflächen; oftmals ist die zu vermessende Hauptebene innerhalb der Optik positioniert und damit nicht direkt zugänglich. Bei Wellenfrontvermessungen nach z.B. dem Shack-Hartmann Prinzip muß daher eine Ausbreitung der Wellenfront von der Hauptebene bis zur Meßebene in Kauf genommen werden. Damit ist wiederum keine exakte räumliche Auflösung der Hauptebene mehr möglich.
4. Hoher apparativer Aufwand; insbesondere für ausgedehnte Flächen. Phaseshift-Verfahren benötigen mindestens 3 Aufnahmen mit jeweils kontrolliert veränderter Referenzwelle. Wie für 3 ist das Verfahren nur für geringe maximale Höhendifferenzen einsetzbar; weiterhin sehr anfällig gegenüber Umgebungseinflüssen, wie z.B. Fremdlicht, Vibrationen, etc.); nur sequentielle Aufnahme der Teilbilder möglich;
5. Lediglich sequentielle Abtastung möglich (daher langsam); weiterhin sind laterale Position und Strahlwinkel aufgrund der Abtast-Bewegung nicht hinreichend genau oder gar nicht bestimmbar; beinhaltet bewegliche Teile;

Für die Verfahren aus 2, 3 und 5 ist in der Regel außerdem eine Kalibrierung notwendig.

Ziele der Erfindung

• Erfassung optischer Abbildungseigenschaften und Vermessung von Hauptebenen von transparenten – oder teilverspiegelten optischen Elementen oder Gruppen von optischen Elementen, insbesondere auch mit stark asphärischen Oberflächen bei hoher Meßauflösung ohne a priori Kenntnisse der Oberfläche und Anordnung;
• lokal aufgelöste, simultane und berührungslose Vermessung;
• einfacher, kalibrierungsfreier Meßaufbau (Wegfall der Bestimmung der äußeren Orientierung des Beleuchtungs-, Objekt- und Sensorsystems);
• Wegfall beweglicher Bauteile.

Vorteile der Erfindung

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und Sensor können optische Eigenschaften wie Lage und Form der Hauptebenen, Abbildungseigenschaften und Abbildungsfehler von transparenten oder teilreflektierenden optischen Elementen, wie weiter oben definiert, ortsaufgelöst und mit hoher Genauigkeit vermessen werden. Lage und Form der Hauptebenen können absolut vermessen werden.

Durch Kenntnis des dreidimensionalen Lichtmusters kann das Meßobjekt lateral abgetastet werden. Strahlen, die das Meßobjekt durchlaufen haben, können damit eindeutig der ursprünglichen Lichtverteilung des zur Beleuchtung verwendeten Lichtes zugeordnet werden. Die optische Funktion des Meßobjektes kann damit auf lokale Eigenschaften des Meßobjektes, wie z.B. Neigung, Dicke, Absorption, Brechkraft usw. zurückgeführt werden.

Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung des Sensors steht eine praktisch unbegrenzte Schärfentiefe eines dreidimensionalen Lichtmusters zur Verfügung. Damit kann der Meßkörper ohne weitere Voreinstellung im Meßfeld plaziert werden. Ebenso unkritisch ist dann die Lage der Aufnahmeeinheit (äußere Orientierung).

Bei Kenntnis des räumlichen Verlaufes des dreidimensionalen Lichtmusters, etwa durch Vorkalibrierung bei der Montage der Projektoreinheit (innere Orientierung) ist keine Kalibrierung z.B. der Orientierung der Koordinatensysteme von Beleuchtungs-, Objekt- und Aufnahmeeinheit (äußere Orientierung) mehr erforderlich.

Die Messung benötigt lediglich mindestens zwei Meßvorgänge an verschiedenen Raumpositionen. Durch Ausspiegelung des Meßlichtes an verschiedenen Positionen können diese Messungen simultan und ohne bewegliche Teile durchgeführt werden.

Beschreibung

Das Meßobjekt wird mit einem speziellen dreidimensionalen tiefenscharfen Lichtmuster durchleuchtet, dessen Geometrie und Struktur in allen drei Raumdimensionen hinreichend bekannt ist. Der transmittierte Anteil des Lichts wird mit einem lichtempfindlichen optischen Flächendetektor aufgenommen. Durch Kenntnis des dreidimensionalen Lichtmusters wird das Meßobjekt lateral abgetastet. Da transparente Meßobjekte in der Regel mindestens zwei Grenzflächen aufweisen, an denen ein ankommendes Lichtbündel gebrochen wird, kann bei dem hier beschriebenen Meßverfahren nicht die Topographie der einzelnen Grenzflächen ermittelt werden. Vielmehr erhält man durch Vermessung des transmittierten Lichtmusters an verschiedenen Positionen wichtige optische Parameter des Meßobjektes, z.B.

• ortsaufgelöste Vermessung der optischen Hauptebenen, insbesondere Lage und dreidimensionale Topographie der Hauptebenen,
• Vermessung der Wellenfront hinter einem optischen Meßobjekt. Insbesondere können im Gegensatz zu gängigen Verfahren, wie etwa dem Shack-Hartmann Test, auch größere Strahlwinkel erfaßt und genau wie auch eindeutig bzw. absolut vermessen werden,
• Vermessung der Sinusbedingung optischer Systeme,
• Vermessung von Abbildungsfehlern.

Falls die einzelnen Elemente des Lichtmusters durch individuelle Codierung nach dem Durchgang durch das Meßobjekt dem ursprünglichen Meßlicht eindeutig zugeordnet werden können, sind folgende Parameter bzw. Größen vermessbar:

• Abbildungseigenschaften, insbesondere Abbildungsfehler, wobei hierbei ortsaufgelöst vermessen werden kann, welche Strahlen, bzw. welche geometrischen Zonen des Meßobjektes in welcher Weise zur Bildentstehung beitragen,
• Wellenfront hinter einem optischen Meßobjekt, das aus beliebigen, auch stark asphärischen Elementen bestehen kann.
• Off-Axis-Abbildungseigenschaften von optischen Elementen und Systemen.

Für die Vermessung nimmt der Detektor sowohl die laterale Position der transmittierten Lichtstrahlen als auch die Strahlrichtung des Lichtmusters nach der Transmission durch das Meßobjekt auf. Daraus können Abbildungseigenschaften des Meßobjekts abgeleitet werden. Durch Schnittpunktbildung mit dem ursprünglichen Lichtmuster können die topographischen Daten S(x_i, y_i, z_i0) des Ortes der Strahlablenkung durch das Meßobjekt (Hauptebene) (siehe Zeichnung 11) bestimmt werden. Mit Kenntnis der Sensorgeometrie (innere Orientierung) kann die Topographie der Hauptebene absolut bestimmt werden.

Beleuchtung

Das dreidimensionale Lichtmuster kann z.B. durch Verwendung von mindestens einer ausreichend punktförmigen Lichtquelle (nicht zwingend kohärent) und mindestens einem Array von Mikrolinsen erzeugt werden. Entsprechend Zeichnung 1a, 2a, 3a und 4 bewirken die Mikrolinsen näherungsweise eine Kollimation des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtbündels, das in die Öffnung der jeweiligen Mikrolinse fällt. Entsprechend der Anordnung in Zeichnung 1 wird eine Kollimation durch jede einzelne Mikrolinse durchgeführt, in den Anordnungen entsprechend Zeichnung 3 und 4 erzeugen die Mikrolinsen ein Zwischenbild der Lichtquelle in der Brennebene einer Makrolinse. Im Aufbau entsprechend Zeichnung 2 sind Mikrolinsenarray und Makrolinse derart anzuordnen, daß ihre gemeinsame Brechkraft eine Kollimation der Lichtquelle ergibt.

Auf diese Weise wird je nach Wahl der Linsenparameter ein Muster mit hoher Tiefenschärfe aus kollimierten Teilstrahlen erzeugt („Lichtnadeln"). Die räumliche Divergenz dieser Lichtnadeln ist durch die Anordnung der Mikrolinsen und der Lichtquelle vollständig festgelegt (Zeichnung 1b und c, 2b und c, 3b und c, 4) und damit genau bekannt. Insbesondere kann ein paralleler räumlicher Verlauf von Lichtnadeln erzeugt werden (Zeichnung 2a, b, c und 3a, b, c), z.B. für die Vermessung der eingangsseitigen Hauptebene. Durch z.B. ein hochgeöffnetes Mikroskopobjektiv kann ein stark divergentes Bündel aus Lichtnadeln erzeugt werden (Zeichnung 4) z.B. für die Vermessung der ausgangsseitigen Hauptebene.

Die dreidimensionalen Lichtmuster sind mindestens in folgenden Parametern als bekannt vorauszusetzen:

a) Divergenzverlauf des gesamten Musters entlang der Ausbreitungsrichtung, insbesondere Strahlwinkel jeder einzelnen Lichtnadel,
b) laterale Anordnung des Musters in zumindest einer z-Ebene.

Die Bestandteile des Lichtmusters (Lichtnadeln) können zusätzlich zu a) und b) durch folgende vorgeschlagene Maßnahmen alleine oder durch Kombinationen aus ihnen voneinander unterscheidbar gemacht werden (Codierung):

c) Farbe bzw. Einfärbung (z.B. RGB-Codierung) (Zeichnung 7a),
d) Polarisationszustand,
e) geometrische Form des Querschnittes der Lichtnadel in der Ebene senkrecht zur jeweiligen Ausbreitungsrichtung (Zeichnung 7b) (z.B. durch Verwendung unterschiedlich astigmatischer Elemente oder unterscheidbarer Blendenform für die einzelnen Mikrolinsen)
f) sequentielles An- und Ausschalten einzelner Lichtmusterbestandteile (z.B. durch schaltbaren Absorber), d.h. zeitliche Modulation
g) sequentielle Erzeugung einzelner Lichtmusterbestandteile (z.B. durch einen Laserstrahl, der durch einen beweglichen Spiegel in verschiedenen Richtungen gelenkt wird (Zeichnung 5 und 6), d.h. Scannen.

Mit Verwendung der Codierungsmaßnahmen c) bis e) ist eine simultane Beleuchtung und Auswertung realisierbar. Die Codierungsmaßnahmen f) und g) erlauben dagegen nur eine sequentielle Messung.

Auswertung

Das Meßobjekt wird mit den oben beschriebenen Lichtnadeln durchleuchtet. Die laterale Meßauflösung entspricht dabei dem Rasterabstand des Lichtmusters sowie dem Durchmesser der jeweiligen Lichtnadel.

Das transmittierte Lichtmuster wird entweder direkt auf den optischen Flächendetektor geleitet oder auf einem diffus streuenden Schirm sichtbar gemacht und mit einem Objektiv auf den optischen Flächendetektor abgebildet (Zeichnung 8). Die Auswertung der Bilddaten erfolgt durch einen Rechner.

Auf dem Schirm erzeugen die transmittierten Lichtnadeln Lichtpunkte. Beispielsweise durch Bestimmung des Schwerpunkts der Lichtpunkte kann der Schnittpunkt S(x_i, y_i, z) jeder Lichtnadel mit der Beobachtungsebene ermittelt werden. Die Strahlrichtungen der jeweiligen Lichtnadeln können durch eine zweite Messung ermittelt werden, wobei die Beobachtungseinheit (Zeichnung 8) um einen bekannten Wert entlang der z-Achse verschoben wird (Zeichnung 9). Durch hinreichende Verschiebung kann eine sehr hohe Winkelauflösung erzielt werden. Zur Vermeidung beweglicher Komponenten kann dieser Versatz in z auch durch Ausspiegelungen aus dem Strahlengang in Lichtpfade mit unterschiedlichen Pfadlängen bis hin zur jeweiligen Beobachtungseinheit erfolgen (Zeichnung 10).

Detaillierte Beschreibung eines typischen Meßaufbaus und der Durchführung einer Messung:
Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel nebst Varianten beschrieben.
1. Projektionseinheit:
Die Projektionseinheit besteht aus mindestens einer nahezu punktförmigen Lichtquelle. Die Punktförmigkeit ist dann ausreichend gegeben, falls die spatiale Ausdehnung der Lichtquelle kleiner ist als der Beugungsfleck des zur Projektion verwendeten optischen Systems. Die Lichtquelle muß nicht zwingend temporal kohärent sein. Sie kann z.B. als eine Laserdiode, eine LED oder aber auch eine ausreichend spatial kohärente thermische Lichtquelle ausgeführt sein, wie etwa eine Halogenlampe mit einem Raumfilter. Bei der Verwendung polychromatischer Lichtquellen ist allerdings das chromatische Verhalten des Meßobjektes zu berücksichtigen (Farbfehler).
Mit Hilfe mindestens eines Feldes von lateral in einer Ebene angeordneten Mikrolinsen (Mikrolinsenarray) wird das Licht aus der Lichtquelle teilkollimiert. Dabei bewirkt jede einzelne Linse entsprechend ihres Flächenanteils die Entstehung eines parallelen Teilstrahles (Zeichnung 1a), der sich in der Richtung des Hauptstrahles der jeweiligen Mikrolinse im Raum ausbreitet (Lichtnadel). Entsprechend den Gesetzen der optischen Beugung ändert sich der Strahldurchmesser der einzelnen Lichtnadeln nur wenig innerhalb eines großen z-Bereiches. Auf diese Weise kann ein Lichtmuster erzeugt werden, das über mehrere Zentimeter bis zu einigen Meter unverändert (tiefenscharf) ist.
Durch Verwendung von mindestens einer Makrolinse und einem Mikrolinsenarray (Zeichnung 2a), bzw. mindestens einer Makrolinse und mindestens zwei Mikrolinsenarrays (Zeichnung 3a) kann ein tiefenscharfes Lichtmuster erzeugt werden, das aus parallel im Raum verlaufenden Lichtnadeln besteht. Für ein derart verlaufendes Lichtmuster ist in jedem Abstand z zur Projektionseinheit sowohl die laterale Position x, y als auch der Ausbreitungswinkel jeder einzelnen Lichtnadel bekannt (Zeichnung 1b und c, 2b und c, 3b und c und 4).
Die Varianten des Aufbaus, beschrieben in den Zeichnungen 1a, 2a, 3a und 4 beinhalten keinerlei bewegliche Teile. Beim Einsatz der Vorrichtung müssen daher keinerlei Einstellarbeiten, z.B. Einstellen der Schärfe oder Kalibrierung an der Projektionseinheit vorgenommen werden.
Durch die hohe Tiefenschärfe ist sichergestellt, daß die Lichtnadel bei der Transmission nur einen definierten, lateral eng begrenzten Bereich des Meßobjektes abtastet.
Weiterhin zeichnen sich bei paralleler Ausrichtung der Lichtnadeln im Meßlichtmuster alle vorgeschlagenen Methoden der Lichtmustererzeugung darin aus, daß das Meßobjekt in jedem beliebigen z-Abstand zur Projektionseinheit aufgestellt werden. Dies stellt einen weiteren Vorteil in der Handhabung der hier beschriebenen Meßeinrichtung dar. Für eine sinngerechte Aufstellung muß lediglich sichergestellt werden, daß die gesamte Länge des Strahlenganges zwischen Meßobjekt und Beobachtungseinheit innerhalb des Tiefenschärfenbereiches der Lichtnadeln liegt.
Alternative Erzeugung des tiefenausgedehnten Lichtmusters:
Neben den obengenannten Möglichkeiten der Realisierung eines tiefenscharfen Lichtmusters zur simultanen Vermessung werden an dieser Stelle Alternativen zur sequentiellen Lichtmustererzeugung aufgezeigt. Dabei handelt es sich um die Erzeugung eines tiefenscharfen Lichtmusters, das sich aus zeitlich hintereinander an- und ausgeschalteten Komponenten besteht:
Es wird vorgeschlagen, ein sequentielles tiefenausgedehntes Lichtmuster durch die Verwendung eines parallelen Laserlichtstrahles und eines kippbaren Spiegel zu erzeugen (Zeichnung 5, 6). Im Gegensatz zu [Appl. Opt. Vol. 27, p. 5160ff (1988)] befindet sich entsprechend Zeichnung 6 der Drehpunkt des kippbaren Spiegels genau auf der optischen Achse einer in einfachem Brennweitenabstand f aufgestellten Makrolinse. Ist die Brennweite f_M der Makrolinse hinreichend groß, ist die durch die Makrolinse induzierte Divergenz des Laserstrahles hinreichend klein. Auf diese Weise kann ebenso wie in Zeichn. 2b und c sowie 3b und c ein, über einen weiten z-Bereich nahezu unveränderliches Lichtmuster gebildet werden, das aus parallelen Lichtnadeln besteht. Mit Ausnahme des Vorhandenseins beweglicher Bauteile bietet diese Konstruktionsalternative dieselben Vorteile hinsichtlich der Handhabung (Entfall jeglicher Einstellarbeiten und Kalibrierungen). Damit die laterale Position der Lichtstrahlen für die nachfolgende Auswertung hinreichend genau bekannt ist, muß diese durch Beobachtung (Monitoring) des Lichtmusters in Echtzeit z.B. durch Ausspiegeln auf eine zusätzliche Beobachtungskamera oder einen ein- oder zweidimensional ortsaufgelösten Detektor während der Meßdurchführung aufgezeichnet werden.
Implementierung der Codierung (c–g):
Die Zuordnung der Lichtpunkte zum ursprünglichen Lichtmuster kann realisiert werden z.B. durch farbliche Kodierung der Lichtnadeln (Zeichnung 7a), individuelle Polarisierung oder durch unterscheidbare Ausformung des Querschnitts der einzelnen Lichtnadeln (z.B. durch Aufprägen eines Astigmatismus mit unterscheidbarer Ausrichtung der einzelnen Mikrolinsen) (Zeichnung 7b). Diese Arten der Codierung erlauben eine simultane Beleuchtung und Auswertung.
Es wird weiter vorgeschlagen, durch sequentielles An- und Ausschalten der einzelnen Lichtnadeln nach einer in Zeichnung 1a, 2a, 3a oder 4 skizzierten Realisierung z.B. durch ein LCD Array, das durch entsprechende Steuerung die Mikrolinsen einzeln transparent oder opak schaltet, eine (zeitliche) Codierung zu erreichen.
Für die Lichtmustererzeugung durch Verwendung eines beweglichen Spiegels, oder durch sequentielle Beschaltung einzelner Lichtnadeln ist keine weitere Codierung mehr notwendig, da bei dieser Methode alle Meßorte prinzipbedingt sequentiell und damit stets unterscheidbar abgefahren werden.
Für den weiteren Verlauf der Beschreibung gehen wir ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit von der Erzeugung von n × m parallel zur optischen Achse verlaufenden, kartesisch in n Spalten und m Zeilen angeordneten Lichtnadeln aus. Die Lichtnadeln können mindestens durch ihre laterale Lage zueinander und deren Verlauf in Ausbreitungsrichtung voneinander unterschieden werden.
Die Größen für n und m liegen in der Praxis in der Größenordnung von hundert bis zu einigen tausend. Diese Anzahl ist fundamental nicht begrenzt. Für eine ausreichende Detektierbarkeit der Lichtnadeln darf ein bestimmtes Verhältnis η zwischen der Fläche des Abtastfeldes und dem einer einzelnen Lichtnadel bzw. der von ihr beleuchteten Fläche nicht überschritten werden. Es gilt η ∊ ]0,1[.
2. Datenaufnahme- und Detektionseinheit:
Das Meßobjekt wird unter Berücksichtigung der Tiefenschärfe der Lichtnadeln in das unter 1. beschriebene Lichtmuster gestellt. Ohne Beschränkung der Allgemeingültigkeit wird die Beobachtungseinheit auf der optischen Achse des Gesamtsystems positioniert.
Das transmittierte Lichtmuster fällt entweder direkt auf einen im Abstand z vom Meßobjekt entfernt stehenden lichtempfindlichen Flächendetektor oder auf einen, im Abstand z vom Meßobjekt entfernt stehenden, diffus streuenden transmittiven oder reflektiven Schirm, wobei die Verteilung der Leuchtpunkte hier mittels eines Objektivs auf einen lichtempfindlichen Flächendetektor abgebildet wird. Mit Hilfe eines Rechners werden die Positionen der Lichtpunkte ausgewertet (Zeichnung 8).
Bei allgemeinen Messobjekten ist es möglich, daß die Anordnung der Lichtpunkte nach der Transmission auf dem Schirm nicht mehr der ursprünglichen Anordnung von n × m kartesischen Lichtpunkten entspricht. Vielmehr hat sich dann typischerweise neben einer Verschiebung der Orte der Lichtpunkte auch eine Durchmischung ergeben. Die Punkte werden dann typischerweise auch nicht mehr in kartesischer Anordnung vorliegen. Weiterhin können einzelne Lichtnadeln derart stark abgelenkt worden sein, daß sie den Schirm nicht mehr treffen. In diesem Fall wird die Anzahl der, auf dem Schirm detektierten Lichtpunkte i ≤ (n·m) sein. Da die Strahlwinkel aus den Positionen an verschiedenen z-Ebenen bestimmt werden, ist eine eindeutige Zuordnung der Lichtpunkte zur jeweils selben Lichtnadel unabdingbar, um unabhängig von etwaigen Permutationen der Lichtnadeln zu sein.
Die eindeutige Bestimmung der Positionen und Winkel der Lichtnadeln setzt sich dann aus den unter i) bis iii) aufgeführten Schritten zusammen, wobei z.B. durch Ausspiegelungen an unterschiedlichen z-Positionen alle Vorgänge der Datenaufnahme je Lichtnadel oder auch für alle am Detektor auftreffenden Nichtnadeln simultan durchgeführt werden können.
Die Schritte der Auswertung können ebenfalls simultan, also direkt nachgeschaltet an die Datenaufnahme erfolgen. Es ist aber auch möglich (z.B. zur Erhöhung der Meßgeschwindigkeit), ohne Einschränkung der Gleichzeitigkeit aller physikalischer Meßschritte, die Daten zwischenzuspeichern und erst in einem nachgeschalteten Prozeßschritt in einem Rechner auszuwerten.
Einzelne Meßschritte:
i) Bestimmung der Strahlrichtungen der Lichtnadeln nach der nach der Transmission
Zur Bestimmung der Strahlrichtung jeder einzelnen transmittierten Lichtnadel werden die lateralen Positionen der Leuchtpunkte auf dem Schirm in mindestens zwei unterschiedlichen z-Abständen gemessen (Zeichnung 9). Die Positionen S(x_i, y_i, z) jedes Lichtpunkts in der Schirmebene bei z = z_k werden z.B. durch Schwerpunktsbestimmung der Intensitätsverteilung ermittelt. Die Strahlrichtung wird aus dem Wert des lateralen Versatzes und dem z-Abstand zwischen den Messungen berechnet. Wichtig ist daher, ein Verfahren aufzuzeigen, das eine eindeutige Zuordnung zur jeweiligen Lichtnadel bei beiden Messungen erlaubt.
Bei vorhandener individueller Codierung der einzelnen Lichtnadeln nach Vorschlag c) bis g) sind im Allgemeinen nur mindestens zwei Messungen notwendig, wobei zu ausreichender Winkelauflösung ein genügend großer Abstand Δz' der Meßebenen in z gewählt wird. Die Zuordnung der jeweiligen Lichtnadel in den beiden Ebenen geschieht hier durch Wiedererkennung der individuellen Codierung. Entsprechend der Beziehungen ϑ_i = arctan Δy'/Δz' und φ_i = arctan Δx'/Δz' können daraus die Strahlrichtungen mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, wobei hier Δx'_i = x_i,2 – x_i,1, Δy'_i = y_i,2 – y_i,1 und Δz' = z₂ – z₁ gilt.
Ohne eine individuelle Codierung der Lichtnadeln – nach Vorschlag c) bis g) – wird man praktischerweise in einer ersten Messung Δz zunächst klein wählen, damit die i bzw. j erkannten Punkte der beiden Messungen eindeutig derselben Lichtnadel zugeordnet werden können und sich keine Durchmischungen innerhalb der Distanz Δz aufgrund unterschiedlicher Strahlrichtungen ergeben. Durch die Beziehung ϑ_i = atan(y_i2 – y_i1)/Δz und φ_i = atan(x_i2 – x_i1)/Δz können die Strahlrichtungen aller Lichtnadeln, die auf dem Schirm in beiden z-Positionen sichtbar sind, bestimmt werden (Zeichnung 9).
Um eine hohe Genauigkeit der Winkelmessung zu erzielen, ist mindestens eine weitere Messung der Positionen S(x_i, y_i, z₃) der Lichtpunktschwerpunkte erforderlich, bei der praktischerweise wiederum ein möglichst großer Wert für Δz' für die Verschiebung gewählt wird. Entsprechend der, mit kleinem Δ_z gemessenen ungefähren Strahlrichtungen können die Lichtpunkte, die bei z₃ = z + Δz' gefunden werden, denjenigen aus der Meßebene bei z₁ oder z₂ zugeordnet werden, indem die Lichtnadeln mit Kenntnis der ungefähren Strahlrichtung numerisch in die Ebene z₃ verlängert und den dort gemessenen Lichtpunkten auf diese Weise zugeordnet werden. Entsprechend der Beziehungen ϑ_i = arctan Δy'/Δz' und φ_i = arctan Δx'/Δz' können daraus die Strahlrichtungen damit in verbesserter Genauigkeit bestimmt werden, wobei Δx'_i = x_i,3 – x_i,1, Δy'_i = y_i,3 – y_i,1 und Δz' = z₃ – z₁ oder Δx'_i = x_i,3 – x_i,2, Δy'_i = y_i,3 y_i,2 und Δz' = z₃ – z₂, je nachdem ob auf die Meßwerte aus Ebene z₁ oder z₂ Bezug genommen wird.
ii) Zuordnung der Lichtnadeln zur Orientierung des ursprünglichen Beleuchtungsmusters
Zur Ermittlung der Lage und des Verlaufs der Hauptebenen wird man Schnittpunkte zwischen den Lichtnadeln des Beleuchtungslichts und des transmittierten Lichts bilden. Dafür müssen die transmittierten Lichtnadeln denjenigen aus dem ursprünglichen Beleuchtungslicht zugeordnet werden.
Bei Verfahren ohne zusätzliche Codierung nach Vorschlag c) bis g) werden die einzelnen Lichtnadeln, deren laterale Durchstoßpunkte mit dem Schirm sowie ihre Strahlrichtung ermittelt wurden im Rechner numerisch verlängert und damit auf die Positionen S(x_i, y_i, z_i0)_n,m zurückverfolgt. Die Positionen S(x_i, y_i, z_i0)_n,m repräsentieren dabei diejenige Raumposition unmittelbar auf der Hauptfläche des Meßobjekts. Diese Position findet man, wenn sich durch numerische Zurückverfolgung des transmittierten Lichtmusters ein Schnittpunkt mit dem numerisch verlängerten ursprünglichen, bekannten Lichtmuster ergibt (Zeichnung 11).
Bei Vorhandensein einer individuellen Codierung der einzelnen Lichtnadeln nach Vorschlag c) bis g) können die Lichtnadeln direkt dem ursprünglichen Lichtmuster aufgrund ihrer Codierung zugeordnet werden.
Bei Vorhandensein einer sequentiellen Meßdurchführung nach Vorschlag f) bis g) entfällt die Notwendigkeit einer zusätzlichen individuellen Codierung der einzelnen Lichtnadeln. Da nur jeweils eine Lichtnadel mit einem Strahlort bzw. einer Strahlrichtung das Meßobjekt durchleuchtet, ist die Zuordnung der transmittierten Lichtnadel zur ursprünglichen Strahlmuster trivial. Bei dieser Meßmethode muß lediglich die Position und der Raumwinkel der ungestörten Lichtnadeln parallel zur Messung der Lichtpunkte in den verschiedenen z-Ebenen aufgezeichnet werden.
iii) Rekonstruktion der Wellenfront, bzw. Ermittlung der 3D-Koordinaten der Hauptebenen
Sind die Strahlrichtungen bestimmt, kann die Wellenfront in der betreffenden Ebene durch Aufintegration der einzelnen Strahlrichtungen an den entsprechenden Positionen der Lichtnadeln ermittelt werden.
Zur Messung von optischen Hauptflächen werden die ermittelten Schnittpositionen der jeweiligen transmittieren Lichtnadeln mit der ursprünglichen Lichtnadel aufgezeichnet.
Abbildungen:
1.a Erzeugung von Lichtnadeln, wobei die Strahlrichtungen der Lichtnadeln nicht parallel sind, bestehend aus einer punktförmigen Lichtquelle und einem Mikrolinsenarray
1.b Intensitätsverteilung in einer Ebene an der Position z = z₁
1.c Intensitätsverteilung in einer Ebene an der Position z = z₂, wobei für die Rastermaße gilt: px₁ < px₂ und py₁ < py₂; d₁ = d₂ (mit d: Durchmesser der Lichtnadeln in unterschiedlicher z-Position)
2.a Erzeugung von parallelen Lichtnadeln durch Verwendung einer punktförmigen Lichtquelle, eines Mikrolinsenarrays und einer Makrolinse
2.b Intensitätsverteilung in einer Ebene an der Position z = z₁
2.c Intensitätsverteilung in einer Ebene an der Position z = z₂; px₁ = px₂ und py₁ = py₂; d₁ = d₂
3.a Erzeugung von parallelen Lichtnadeln durch Verwendung einer punktförmigen Lichtquelle, zwei Mikrolinsenarrays und einer Makrolinse
3.b Intensitätsverteilung in einer Ebene an der Position z = z₁
3.c Intensitätsverteilung in einer Ebene an der Position z = z₂; px₁ = px₂ und py₁ = py₂; d₁ = d₂
4. Beispiel für die Erzeugung eines hochgeöffneten Bündels von Lichtnadeln
5. Erzeugung einer Lichtnadel mit Hilfe eines beweglichen Spiegels
6. Sequentielle Erzeugung von parallel verlaufenden Lichtnadeln mit Hilfe eines beweglichen Spiegels und einer Makrolinse
7. Intensitätsverteilung in einer Ebene z bei individueller Codierung der Lichtnadeln a) durch Farbe und b) durch Querschnittsform
8. prinzipieller Aufbau der Beobachtungseinheit
9. Prinzip der Winkelbestimmung
10. Positionierung der Beobachtungseinheit im Strahlengang zur Messung der Strahlwinkel an verschiedenen Positionen durch Stahlteilung des transmittierten Lichtmusters
11. Numerische Zurückführung der Lichtnadeln und Schnittpunktsbildung mit dem ursprünglichen Lichtmuster

1.: punktförmige oder nahezu punktförmige Lichtquelle
2.: Mikrolinsenarray mit Brennweite f
3.: teilkollimiertes Lichtbündel mit divergentem Verlauf
4.: parallel angeordnete Lichtnadeln
5.: Makrolinse
5.b: Linse mit hoher Numerischer Apertur
6.: optische Achse
7.: Mikrolinsenarray mit Brennweite f'
8.: transmittierendes Meßobjekt
9.: Beobachtungseinheit
10.: Abbildungsoptik
11.: Schirm, diffus streuend
12.: lichtempfindlicher Flächendetektor
13.: transmittierte Lichtnadel
14.: teildurchlässiger Spiegel, Strahlteiler
15.: Schnittpunkte zwischen transmittierter und ungestörter Lichtnadel

Literatur:

Breuckmann B.: "Bildverarbeitung und optische Meßtechnik in der industriellen Praxis" Franzis-Verlag ISBN 3-7723-4861-0
Daniel Malacara: "Optical Shop Testing", 2^nd Edition, John Wiley & Son, Inc. (1992)

Claims

Sensor für die absolute, kalibrierungsfreie Vermessung von optischen Abbildungseigenschaften von transmittierenden oder zumindest teilweise transmittierenden Meßobjekten derart, daß er aus mindestens einer Beleuchtungseinheit und mindestens einer Beobachtungseinheit besteht.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 1 derart, daß diese ein tiefenscharfes, lateral strukturiertes Lichtmuster erzeugt.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 1 derart, daß diese ein tiefenscharfes, lateral strukturiertes Lichtmuster erzeugt, wobei die dreidimensionale Struktur des Musters über einen weiten Bereich seiner Ausbreitung im Raum unverändert bleibt.
Beleuchtungseinheit aus den Ansprüchen 1, 2 und 3 derart, daß das Lichtmuster aus Anspruch 2 und 3 durch Verwendung von mindestens einer punktförmigen oder nahezu punktförmigen Lichtquelle und mindestens einem Mikrolinsenarray besteht.
Beleuchtungseinheit aus den Ansprüchen 1, 2 und 3 derart, daß das Lichtmuster aus Anspruch 2 und 3 durch Verwendung von mindestens einer punktförmigen oder nahezu punktförmigen Lichtquelle und mindestens einem Mikrolinsenarray und mindestens einer Makrolinse besteht.
Beleuchtungseinheit aus den Ansprüchen 1, 2 und 3 derart, daß das Lichtmuster aus Anspruch 2 und 3 durch Verwendung von mindestens einer punktförmigen oder nahezu punktförmigen Lichtquelle und mindestens zwei hintereinander angeordneten Mikrolinsenarrays und mindestens einer Makrolinse besteht.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 1 bis 6 derart, daß die Lichtquellen entweder als Laserdiode, Laser, LED oder als thermische, polychromatische oder monochromatische Lichtquelle ausgeführt ist.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 1 bis 7 derart, daß die einzelnen Lichtnadeln durch die Ausformung ihres Querschnittes codiert sind.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 1 bis 8 derart, daß die Querschnitte einzelnen Lichtnadeln sich gegenseitig unterscheiden durch Durchmesser, Elliptizität, insbesondere durch Lage der Hauptachsen der Ellipsen.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 1 bis 9 derart, daß die einzelnen Mikrolinsen der verwendeten Mikrolinsenarrays mit einem Astigmatismus versehen sind.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 10 derart, daß die laterale Struktur des tiefenscharfen Lichtmusters durch die Orientierung der astigmatischen Achsen der einzelnen Mikrolinsen der verwendeten Mikrolinsenarrays codiert sind.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 1 bis 7 derart, daß die laterale Struktur des tiefenscharfen Lichtmusters durch Farbkodierung der einzelnen lateralen Musterelemente geschieht.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 12 derart, daß die farbliche Codierung der Einzelelemente der lateralen Struktur des tiefenscharfen Lichtmusters durch ein ortsabhängiges Farbfilter geschieht, das in den Strahlengang der Beleuchtungseinheit eingebracht wird.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 12 und 13 derart, daß zur farblichen Codierung ein Array von Lichtquellen unterscheidbarer spektraler Verteilung verwendet wird, wobei das Licht jeder einzelnen Lichtquelle durch mindestens je eine Mikrolinse derart aufgenommen wird, sodaß damit eine Lichtnadel aus jeder einzelnen Lichtquelle entsteht.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 14 derart, daß der räumliche Verlauf der einzelnen Lichtnadeln aus Anspruch 14 durch die Positionierung der Mikrolinsen zu den Lichtquellen und/oder durch Verwendung von weiteren optischen Elementen eingestellt wird.
Beleuchtungseinheit aus 1 bis 7 derart, daß über ein schaltbares, absorbierendes Element Teile des tiefenscharfen, lateral strukturierten Lichtmusters an- und ausgeschaltet werden können.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 16 derart, daß das schaltbare, absorbierende Element als LCD- oder TFT-Array ausgeführt ist.
Beleuchtungseinheit aus Ansprüchen 1, 2 und 3 derart, daß das tiefenscharfe Lichtmuster durch Verwendung von mindestens einer Lichtquelle, die mindestens einen feinen, kollimierten Lichtstrahl aussendet und mindestens einem beweglichen Kippspiegel erzeugt wird, der die Strahlrichtung des Lichtstrahls verändern kann.
Beleuchtungseinheit aus Ansprüchen 1, 2, 3 und 18 derart, daß die Lichtquelle ein kollimierter Laserstrahl ist.
Beleuchtungseinheit aus Anspruch 18 und 19 derart, daß durch mindestens eine Makrolinse die Strahlrichtung aus Anspruch 18 und 19 verändert wird.
Beleuchtungseinheit aus 20 derart, daß der Drehpunkt des beweglichen Kippspiegels auf der optischen Achse des Systems von mindestens einer Makrolinse aus Anspruch 20 positioniert ist, sodaß je nach Stellung des Kippspiegels sowie dem z-Abstand zwischen dem Drehpunkt und dem System aus Makrolinsen jeder Lichtstrahl Bestandteil eines, zur optischen Achse zylindersymmetrischen Strahlenbündels ist, das einen bestimmten punktsymmetrischen Divergenzverlauf aufweist.
Beleuchtungseinheit aus 21 derart, daß der Drehpunkt des beweglichen Kippspiegels im Brennpunkt des Systems von mindestens einer Makrolinse aus Anspruch 20 positioniert ist, sodaß je nach Stellung des Kippspiegels der Lichtstrahl stets parallel zur optischen Achse geführt wird.
Beleuchtungseinheit aus 16 bis 22 derart, dass der Divergenzwinkel aus Anspruch 21 sowie die laterale Position der Lichtnadel entsprechend der Stellung des Kippspiegels (Anspruch 18 bis 22) bzw. Position des transparent geschalteten schaltbaren Elementes aus Anspruch 16 und 17 aufgezeichnet wird.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 1 derart, daß diese aus mindestens einem lichtempfindlichen Flächendetektor besteht.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 1 und 24 derart, daß diese aus mindestens einem diffus streuendem reflektierenden oder transmittierenden Schirm, mindestens einem lichtempfindlichen Flächendetektor und mindestens einer Abbildungsoptik besteht.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 1, 24 und 25 derart, daß im Falle einer Farbcodierung nach Anspruch 12 bis 15 die lichtempfindlichen Flächendetektoren farbsensitiv ausgeführt sind.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 24 bis 26 derart, daß diese Einheit in die, durch das Meßobjekt transmittierten Strahlen gestellt wird, wodurch die transmittierten Lichtmuster aus Anspruch 2 bis 23 auf dem Schirm der Beobachtungseinheit Intensitätsverteilungen (Lichtpunkte) ergeben, die entweder direkt oder durch die Aufnahmeoptik aus Anspruch 25 und 26 auf den lichtempfindlichen Flächendetektor aus Anspruch 24 bis 26 abgebildet werden.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 24 bis 27 derart, daß die Positionen S(x_i, y_i, z) der Schnittpunkte der Lichtnadeln mit dem Schirm sowie eine etwaig vorhandene Codierung bestimmt werden.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 24 bis 28 derart, daß diese Einheit an mindestens zwei unterschiedlichen z-Positionen die Positionen S(x_i, y_i, z₁) bzw. S(x_j, y_j, z₂) der Schnittpunkte sowie eine etwaig vorhandene Codierung der Lichtnadeln nach Anspruch 8 bis 15 aufnimmt.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 24 bis 29 derart, daß Messungen entsprechend Anspruch 27 bis 29 durch Strahlteilung auf, um Δz verschieden lange Lichtpfade aufgeteilt werden, wo mittels mindestens je einer Aufnahmeeinheit die Lichtpunkte aufgenommen werden und die Positionen und Schnittpunkte der Lichtstrahlen S(x_i,j, y_i,j, z_1,2) sowie eine etwaig vorhandene Codierung bestimmt werden.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 24 bis 30 derart, daß die Schnittpunktspositionen aus den mindestens zwei Messungen nach Anspruch 29 durch Vergleich der individuellen Codierung der Lichtpunkte jeweils einer bestimmten Lichtnadel zugeordnet werden und aus der Verschiebung der jeweiligen Schnittpunktsposition und dem z-Abstand der Messungen nach Anspruch 29 die Strahlrichtung der jeweiligen Lichtnadel errechnet wird.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 24 bis 30 derart, daß – bei Abwesenheit einer individuellen Codierung entsprechend Anspruch 8 bis 15 – mindestens an einer dritten z-Position die Positionen der Schnittpunkte der Lichtstrahlen S(x_k, y_k, z₃) entsprechend Ansprüchen 27 bis 29 ermittelt werden, wobei der Abstand dieser weiteren Messung in z nahe derjenigen z-Position der ersten bzw. zweiten Messung (Anspruch 29) gewählt wird, sodaß sich die Schnittpunktskoordinaten nur wenig verschieben und somit eine Zuordnung der k-Schnittpunkte mit den i-Schnittpunkten aus der ersten bzw. den j-Schnittpunkten aus der zweiten Messung aus Anspruch 29 möglich ist.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 24 bis 32 jedoch ohne 31 derart, daß – bei Abwesenheit einer individuellen Codierung entsprechend Anspruch 8 bis 15 – durch die Messung und Zuordnung entsprechend Anspruch 32 die Strahlwinkel der jeweiligen Lichtnadeln bestimmt wird.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 24 bis 33 jedoch ohne 31 derart, daß – bei Abwesenheit einer individuellen Codierung entsprechend Anspruch 8 bis 15 – durch numerische Verlängerung der Strahlen entlang der, in Anspruch 33 ermittelten Strahlrichtungen die i-Schnittpunkte und die j-Schnittpunkte aus den mindestens zwei Messungen entsprechend Anspruch 29 einander zugeordnet werden können.
Beobachtungseinheit aus Anspruch 24 bis 34 jedoch ohne 31 derart, daß – bei Abwesenheit einer zusätzlichen Codierung entsprechend Anspruch 8 bis 15 – aus der Zuordnung entsprechend Anspruch 34 die Verschiebung der Schnittpunkte und dem entsprechenden z-Abstand zwischen den Messungen nach Anspruch 29 die entsprechenden Strahlrichtungen der jeweiligen Lichtnadel bestimmt werden.
Sensor und Verfahren nach Anspruch 1 bis 35 derart, daß durch Integration der ermittelten Strahlrichtungen an den jeweiligen Positionen der Lichtnadeln der Verlauf der Wellenfront in der jeweiligen z-Ebene errechnet wird.
Sensor aus Anspruch 1 bis 35 derart, daß zur Ermittlung der optischen Hauptebene bei sinngemäßer Beleuchtungsgeometrie die Schnittpunkte der Lichtnadeln nach Transmission durch das Meßobjekt mit den jeweiligen Lichtnadeln des ursprünglichen Lichtmusters ermittelt werden.
Sensor aus Anspruch 37 derart, daß die Lichtnadeln mit Hilfe der ermittelten Strahlrichtungen und Strahlpositionen durch entsprechende Software in einem Rechnerprogramm numerisch in Ausbreitungsrichtung zurückverfolgt werden, sodaß sich mit den jeweiligen ursprünglichen Lichtnadeln ein Schnittpunkt ergibt.
Sensor aus Anspruch 37 und 38 derart, daß der Schnittpunkt zwischen der ursprünglichen und transmittierten Lichtnadel gebildet wird, die dieselbe individuelle Codierung nach Anspruch 8 bis 15 tragen.
Sensor aus Anspruch 37 und 38 derart, daß bei Abwesenheit einer individuellen Codierung die transmittierten Lichtnadeln mit Hilfe der erkannten Positionen und Richtungen (Anspruch 24 bis 35 jedoch ohne 31) in Ausbreitungsrichtung zurückverfolgt werden, bis jede Lichtnadel für sich genau eine Lichtnadel aus dem ursprünglichen Lichtmuster schneidet.
Sensor aus Anspruch 1 bis 40 derart, daß die Positionierung der Meßeinheit an den verschiedenen Positionen für alle Messungen aus den Ansprüchen 27 bis 29 sowie 32 durch jeweils mindestens eine Strahlteilung des transmittierten Lichtmusters in jeweils unterschiedlich lange Lichtpfade auf jeweils mindestens eine Beobachtungseinheit erreicht wird.
Sensor aus Anspruch 1 bis 41 derart, daß die Länge der Lichtpfade, bzw. die unterschiedlichen z-Positionen der Beobachtungseinheiten für die Messungen entsprechend der Ansprüche 27 bis 29 sowie 32 dadurch vermessen werden, daß unter Verwendung eines divergenten oder konvergenten Musters aus Lichtnadeln eine Messung der Schnittpunkte und Strahlwinkel entsprechend der Ansprüche 27 bis 29 sowie 32 an den entsprechenden z-Positionen durchgeführt wird, wobei noch kein Meßobjekt im Strahlengang eingesetzt ist.
Sensor nach Anspruch 42 derart, daß das Lichtmuster derart beschaffen ist, daß trotz eingefügten Meßobjekts Teile des Lichtmusters nicht durch das Meßobjekt verändert werden, und daß diese Teile zur genauen z-Bestimmung der jeweiligen Beobachtungseinheit verwendet werden.
Sensor aus Anspruch 1 bis 43 derart, daß die Positionierung der Meßeinheit an den verschiedenen Positionen für alle Messungen aus den Ansprüchen 27 bis 29 sowie 32 sich nur durch ihren Abstand parallel zur optischen Achse des Gesamtsystems voneinander unterscheiden.