DE102022206728A1

DE102022206728A1 - Einrichtung zur Leitung von spektral zu analysierendem Messlicht und Verfahren zur Herstellung einer solchen Einrichtung sowie Vorrichtung zur Abstands- und Dickenmessung

Info

Publication number: DE102022206728A1
Application number: DE102022206728.2A
Authority: DE
Inventors: Peter Meja
Original assignee: Micro Epsilon Optronic GmbH
Current assignee: Micro Epsilon Optronic GmbH
Priority date: 2022-06-30
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2024-01-04
Also published as: WO2024002439A1; EP4356066A1

Abstract

Eine Einrichtung zur Leitung von spektral zu analysierendem Messlicht in einem Abstands- und/oder Dickenmesssystem, insbesondere in einem konfokal-chromatischen oder interferometrischen Abstands- und/oder Dickenmesssystem, mit einem Lichtwellenleiter (11), wobei der Lichtwellenleiter (11) ein, vorzugweise von einer Ferrule gehaltenes, Austrittsende (12) für das Messlicht aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Austrittsende (12) eine Blende (1) mit einer Blendenöffnung (4) angeordnet ist. Des Weiteren sind ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Einrichtung sowie eine Vorrichtung zur Abstands- und/oder Dickenmessung beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Leitung von spektral zu analysierendem Messlicht in einem Abstands- und/oder Dickenmesssystem, insbesondere in einem konfokal-chromatischen oder interferometrischen Abstands- und/oder Dickenmesssystem, mit einem Lichtwellenleiter, wobei der Lichtwellenleiter ein, vorzugweise von einer Ferrule gehaltenes, Austrittsende für das Messlicht aufweist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Abstands- und/oder Dickenmessung, insbesondere zur interferometrischen und/oder konfokal-chromatischen Abstands- und/oder Dickenmessung.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind sowohl konfokal-chromatische wie auch interferometrische Abstands- und Dickenmesssysteme bekannt, bei denen das spektral zu analysierende Messlicht mittels multimodaler Lichtwellenleiter in ein Spektrometer eingekoppelt wird. Dabei übernimmt das Ende der üblicherweise kreisrunden Fasern zugleich die Funktion einer (Punkt-)Blende für das aus der Faser divergent auskoppelnde Licht. Das mit einem dispersiven optischen Element modifizierte spektrale Bild dieses Faserendes wird letztlich auf einem Zeilen- oder Mehrzeilendetektor abgebildet. Die aktiven Flächen (Pixel) der Detektoren sind in der Regel quadratisch und bei besonders empfindlichen Zeilendetektoren auch rechteckig, wobei in diesem Fall die Höhe der einzelnen aktiven Zelle größer ist, als der auch als Pixelpitch benannte Abstand der Pixel zueinander.
Derartige Messsysteme stehen unter der permanenten Anforderung, die Messgeschwindigkeit und die Abstandsauflösung zu erhöhen sowie für Schichtdickenmessungen auch die Abstände zwischen zwei oder mehreren Schichten zeitgleich hoch aufzulösen. Neben dem Einsatz empfindlicherer und schneller auslesbarer Detektoren gilt es daher zur Steigerung der Geschwindigkeit, möglichst viel Messlicht mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis bereitzustellen.
Zur Verbesserung der absoluten Abstandsauflösung für ein einzelnes Messobjekt bzw. Target bzw. eine Schicht innerhalb eines festgelegten Messbereichs genügt es bei konfokal-chromatischen Messsystemen, das zu analysierende Spektrum mit einem Sensor von höherer Pixeldichte abzutasten. Hierdurch stehen bei der Analog-Digital-Wandlung mehr Messpunkte zur Verfügung, die letztlich eine stabilere Signalanalyse und Schwerpunktbestimmung ermöglichen. Bei der Messung von nur einem Abstand ist die pixelbezogene Peakbreite im Spektrogramm zunächst wenig von Interesse. Will man jedoch bei der Dickenmessung eines Materials den Abstand von zwei dicht beieinanderliegenden Reflexen im Spektrogramm hinreichend genau auflösen, so muss die pixelbezogene Breite der einzelnen Messpeaks reduziert werden, um durch die steilen Signalflanken eine Signalüberlagerung bei Verringerung des Abstands möglichst weit hinauszuzögern. Der Grund liegt in der Summierung der Einzelpeaks bei Überlagerung, der letztlich zu einem Verschmelzen der Einzelsignale und der damit einhergehenden analytischen Untrennbarkeit führt.
Bei der interferometrischen Messmethode führt ein schmalerer Peak dazu, dass der Modulationsgrad von hohen Frequenzen höher und so die Abstandsauflösung ebenfalls deutlich verbessert wird.
Um eine Auflösungsverbesserung des Abstands zweier dicht hintereinanderliegender Reflexe zu erreichen, müsste nach dieser Erkenntnis das Abbild der Faser auf der Spektrometerzeile verkleinert werden. Dies kann durch die Verwendung einer kleineren Faser erreicht werden. Jedoch geht diese Art der Verbesserung der spektralen Schärfe mit einem deutlichen Intensitätsverlust des Messlichts einher, da das andere Faserende auf der Lichtquellenseite weniger Licht einfangen kann. Dies führt letztlich zu längeren Belichtungszeiten und den daraus folgenden geringeren Messfrequenzen.
Eine andere Möglichkeit, den Strahldurchmesser auf der Zeile ohne große Lichteinbußen zu verringern, liegt in einer verkleinernden Abbildung des Faserendes auf die Detektorzeile durch eine entsprechende Auslegung der ohnehin notwendigen Optik. Diese Möglichkeit ist jedoch unvorteilhaft, da aufgrund der höheren Anforderungen an die Korrektur der Abbildungsfehler dieser Optik, insbesondere für die höheren Feldwinkel eines notwendigerweise stärker dispergierenden spektral zerlegenden Elementes, die Nachteile deutlich überwiegen. Hierzu zählen ein erhöhter Platzbedarf und ein erhöhtes Gewicht durch die komplexeren Optiken sowie deutlich höhere Kosten zur Herstellung dieser Optiken.
Eine zunächst vielversprechend erscheinende Lösung wäre die Verjüngung des in dem Spektrometer endenden Faserendes durch einen Faserziehvorgang unter Wärmeeinfluss. Genauer betrachtet wird jedoch bei gleichbleibender Lichtquelle hier nur ein geringerer Raumwinkel von der Lichtquellenseite an die Detektorfläche übertragen. Dadurch wird zwar der Lichtfleck kleiner, aber zugleich verringert sich auch dessen Gesamtintensität, da nur ein kleinerer Bereich der Lichtquelle erfasst wird. Letztlich geht auch hier die Verringerung der Peakbreite mit einem nachteiligen Intensitätsverlust einher.
Des Weiteren wird lediglich beispielhaft auf das Dokument WO 2021/255584 A1 verwiesen. Darin ist eine optische Messvorrichtung zur Messung von Abständen und/oder Dicken eines Messobjekts beschrieben. Die optische Messvorrichtung umfasst einen Messkopf mit einer Abbildungsoptik und eine Auswerteinheit, wobei der Messkopf mit der Auswerteeinheit durch zwei lichtleitende Fasern verbunden ist. Die Auswerteeinheit umfasst eine Lichtquelle, deren Licht durch die erste lichtleitende Faser in den Messkopf geleitet wird. Vom Messobjekt reflektiertes Licht wird zurück durch den Messkopf und mittels eines Strahlteilers in eine zweite lichtleitende Faser geleitet, derart, dass hin- und rücklaufendes Licht getrennt sind, wobei sich die Faserenden in zueinander konjugierten Positionen befinden. Des Weiteren ist vor den dem Messobjekt zugewandten Enden der lichtleitenden Fasern jeweils eine separate Blendenanordnung ausgebildet. Diese Blendenanordnungen müssen äußerst präzise in allen drei Raumrichtungen positioniert und anschließend fixiert werden. Daher ist die Justage äußerst aufwändig und die mechanische wie thermische Stabilität aufgrund der zu verbindenden Einzelkomponenten gering.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Leitung von spektral zu analysierendem Messlicht derart auszugestalten und weiterzubilden, dass mit konstruktiv einfachen Mitteln möglichst viel Messlicht mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis bereitgestellt wird. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Einrichtung angegeben werden. Des Weiteren soll eine verbesserte Vorrichtung zur Abstands- und/oder Dickenmessung angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Danach ist die in Rede stehende Einrichtung zur Leitung von spektral zu analysierendem Messlicht in einem Abstands- und/oder Dickenmesssystem, insbesondere in einem konfokal-chromatischen oder interferometrischen Abstands- und/oder Dickenmesssystem, mit einem Lichtwellenleiter, wobei der Lichtwellenleiter ein, vorzugweise von einer Ferrule gehaltenes, Austrittsende für das Messlicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Austrittsende eine Blende mit einer Blendenöffnung angeordnet ist.
In Bezug auf die Vorrichtung wird die zugrundeliegende Aufgabe durch die Merkmale des nebengeordneten Anspruchs 1 gelöst. Damit ist eine Vorrichtung zur Abstands- und/oder Dickenmessung, insbesondere zur interferometrischen und/oder konfokal-chromatischen Abstands- und/oder Dickenmessung, beansprucht, mit einer Einrichtung zur Leitung von Messlicht nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und einem Detektor zur Auswertung des Messlichts.
Durch die erfindungsgemäße Einrichtung wird eine bedeutende Lichtleistungssteigerung erreicht, da der Durchmesser des Lichtwellenleiters, insbesondere ein Faserdurchmesser, unter Beibehaltung der gleichen spektralen Trennschärfe bedeutend vergrößert und so eine deutlich größere Lichtmenge im Messsystem verarbeitet werden kann. Dies zeigt sich letztlich in einer bedeutenden Steigerung der möglichen Messfrequenz auch auf Materialien mit geringer Reflektivität. Ganz besonderes kommt dies bei einer Verwendung in einer Vorrichtung mit einer rechteckigen Detektorzeilengeometrien mit Pixelaspektverhältnissen (PAR) deutlich unter 1 zum Tragen, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise einen solchen Detektor aufweisen kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass eine höhere Trennschärfe im Vergleich mit einem System mit unbeblendetem Lichtwellenleiter erzielbar ist. Die Trennschärfe eines Detektors, insbesondere eines Spektrometers, bezeichnet die Fähigkeit, zwei eng beieinanderliegende Maxima eines kontinuierlichen Spektrums mittels einer räumlich diskreten Abtastung eindeutig zu unterscheiden. In erfindungsgemäßer Weise, kann eine bedeutend höhere Trennschärfe im Spektrometer erreicht werden, da durch die, insbesondere seitliche, Beblendung die Breite des Lichtquellenabbilds an das Aspektverhältnis der Zeile angepasst werden kann. Bei Abstandsmesssystemen bedeutet die Erhöhung der Trennschärfe in einem ansonsten gleichen System letztlich eine Verbesserung der Abstandsauflösung. Die Blende kann unmittelbar auf das Auftrittsende aufgebracht bzw. auf beliebige Weise auf diesem angeordnet sein. Ein weiterer Vorteil besteht in der variablen Lichtleistung, da durch eine Anpassung der Größe der Blendenöffnung - neben einer Änderung der Lichtquellenintensität - auf unterschiedliche erforderliche Lichtleistungen für besondere Messaufgaben reagiert werden. Hier genügt lediglich der Einsatz eines Lichtwellenleiters mit anderer Blendengeometrie.
Zusätzlich zeichnet sich die erfindungsgemäße Lehre durch eine besonders einfache Positionierbarkeit der Blendenöffnung aus. Die Positionierung der Blendenöffnung gegenüber dem Lichtwellenleiter, insbesondere im Bezug zu einem Faserkern, ist durch ein leicht automatisierbares Verfahren mit einer sehr hohen Wiederholgenauigkeit erreichbar, insbesondere, wenn das Austrittsende des Lichtwellenleiters bzw. der Faser in eine Ferrule eingelassen ist, die vorzugsweise eine Mittenpositionstoleranz von < 1µm aufweist. Des Weiteren ist es denkbar und von Vorteil, dass das Austrittsende des Lichtwellenleiters bzw. der Faser einen kreisrunden Querschnitt aufweist.
In vorteilhafter Weise ist die Blendenöffnung als Schlitz ausgebildet. Mit anderen Worten weist die effektive Öffnung eine längliche, schmale Geometrie auf. Die länglichen Seiten der Blendenöffnung können in weiter vorteilhafter Weise zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Dadurch ist es möglich, das Bild des Lichtwellenleiters an die Geometrie der Pixel eines nachgeordneten Detektors anzugleichen. In weiter vorteilhafter Weise kann der Detektor der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Zeilendetektor oder als Mehrzeilendetektor ausgebildet sein. Ein solcher Detektor kann quadratische oder rechteckige Pixel aufweisen, insbesondere mit einem Pixelaspektverhältnis (pixel aspect ratio) PAR = x_p/y_p = Pixelbreite / Pixelhöhe im Bereich von 1/40 bis 1/20. Durch eine schlitzförmige Blendenöffnung ist der aktive Bereich eines Zeilen- oder Mehrzeilendetektors besser ausnutzbar.
In weiter vorteilhafter Weise kann die Blendenöffnung eine von einem Rechteck abweichende Form aufweisen, insbesondere kissenförmig, tonnenförmig, linsenförmig oder oval ausgebildet sein. Durch eine Ausgestaltung kann die Blendenöffnung in idealer Weise an einen Detektor angepasst werden, so dass ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis erzielbar ist. Alternativ oder zusätzlich könnten an der Blende Perforationsöffnungen ausgebildet sein. Eine solche Perforation kann insbesondere als Mikroperforation realisiert sein und hat generell den Vorteil, dass hiermit die Kantenschärfe der Blendenabbildung auf dem Detektor variiert und damit die Ausprägung der Peakspitze an die Erfordernisse des Messsystems angepasst werden kann. Ein solcher Effekt könnte auch dadurch erzielt werden, dass die Blende zumindest im Randbereich der Blendenöffnung teiltransparent ausgebildet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Blendenöffnung zumindest bereichsweise eine gefaste Kante aufweisen. Falls das Material der Blende zudem optisch nicht vollständig dicht bzw. teiltransparent ist, kann auf diese Weise ein weicherer Kantenverlauf bei der Abbildung der Blende auf den Detektor erreicht werden. Dadurch wird ein ähnlich vorteilhafter Effekt erzielt, wie mit einer Blende, die aus einem teiltransparenten Material gebildet ist.
In vorteilhafter Weise kann die Blende durch eine auf das Austrittsende aufgebrachte und für das Messlicht teilweise transparente oder intransparente Beschichtung, beispielsweise aus einem Lack, ausgebildet sein. Dadurch ist auf besonders einfache Weise eine effektive Beblendung ermöglicht. Die Beschichtung kann mittels Mikroablation, Laserablation oder mechanisch teilweise entfernt sein, um dadurch die Blendenöffnung auszubilden. Des Weiteren ist es denkbar, dass die teilweise transparente oder intransparente Beschichtung auf das Austrittsende aufgedruckt ist. Somit können die Form der Blendenöffnung und ggf. weitere Ausgestaltungen wie eine Perforation, bereits durch das Druckbild erzeugt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Blende durch eine auf das Austrittsende aufgedruckte Chrombeschichtung ausgebildet sein. Auf die Chrombeschichtung kann ein fotochemischer Lack aufgebracht sein, der durch eine Maske entsprechend der Blende bzw. der Blendenöffnung sowie ggf. weiterer Ausgestaltungen gezielt belichtet worden ist und die Blendenöffnung freigeäzt ist.
In weiter vorteilhafter Weise kann sich die Blendenöffnung zumindest teilweise über einen Faserkern und zumindest teilweise über einen Fasermantel des Lichtwellenleiters erstrecken.
In besonders vorteilhafter Weise kann der Lichtwellenleiter eine Multimode-Faser, vorzugsweise eine Gradientenindexfaser oder eine Stufenindexfaser, aufweisen. Eine solche Faser eignet sich in hervorragender Weise zur Leitung von spektral zu analysierendem Licht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann/können der Lichtwellenleiter und/oder die Blende derart ausgerichtet sein, dass das beblendete Messlicht schräg zu einer Erstreckungsrichtung eines Detektorpixels auf den Detektor trifft. Dadurch ist insbesondere bei speziellen Messaufgaben eine besonders effektive Anpassung an den Detektor realisierbar.
In Bezug auf das Verfahren wird die zugrundeliegende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 16 gelöst. Damit ist ein Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 angegeben, wobei auf das Austrittsende des Lichtwellenleiters eine teilweise transparente oder intransparente Beschichtung aufgebracht wird und wobei die Blendenöffnung durch teilweise Entfernung der Beschichtung erzeugt wird.
Zunächst wird darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Einrichtung und die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eine verfahrensmäßige Ausprägung aufweisen können. Die entsprechenden Merkmale und damit einhergehenden Vorteile können ausdrücklich Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens sein. Des Weiteren können die in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Merkmale und Vorteile auch Teil der erfindungsgemäßen Einrichtung sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung sein.
Die erfindungsgemäße Lehre betrifft die, insbesondere direkte, Applizierung einer Blende auf das, vorzugsweise von einer Ferrule gehaltene, Austrittsende eines, insbesondere geschliffenen multimodalen, Lichtwellenleiters. Insbesondere wenn der Lichtwellenleiter von einer zentriergenauen Ferrule umgeben ist, kann die Blende hochpräzise auf das Austrittsende mit hoher Wiederholgenauigkeit aufgebracht werden. Dazu sind verschiedene Methoden möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zunächst eine teilweise transparente oder intransparente Beschichtung auf das Austrittsende aufgebracht und die Blendenöffnung anschließend im Laserablationsverfahren freigelegt. Hier ist von großem Vorteil, dass das Verfahren sehr flexibel angewendet werden kann, da keine Masken hierfür erforderlich sind. Zudem kann die zuvor aufgebrachte Schicht auch durch ein stufenweises Abtragen oder eine Mikroperforation lokal teiltransparent gestaltet werden, um hiermit den Intensitätsabfall im Randbereich der Blende bzw. der Blendenöffnung für die Abbildung zu beeinflussen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Blende auf das Austrittsende aufgedruckt werden. Insbesondere wenn der Lichtwellenleiter von eine Ferrule umgeben ist, kann eine äußerst präzise Positionierung durch den Druck erfolgen und wobei sich die Drucktechnologie als sehr flexibles Verfahren auszeichnet.
In weiter vorteilhafter Weise kann zur Erzeugung der Blende ein Lithografieverfahren genutzt werden. Dabei wird zunächst eine Chromschicht auf das Austrittsende aufgebracht, ein darauf aufgetragener fotochemischer Lack durch eine Maske teilweise belichtet und die Blendenöffnung freigeätzt. Auch hier ist eine individuelle Blendenform erreichbar.
Insgesamt können durch die erfindungsgemäße Lehre bzw. einzelne der voranstehend beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen folgende Vorteile erzielt werden:

- Flexiblere Komponentenwahl: Die Herausforderung beim Design eines Detektors bzw. Spektrometers liegt in der Tatsache, dass in diesem äußerst dynamischen Marktsegment wenige Komponenten einer Norm entsprechen. So gibt es beispielsweise selten Zeilendetektoren mit identischem Pixelpitch und Pixelaspekt am Markt, mit der Folge, dass mit jeder Komponentenabkündigung oder -änderung aufwändige und kostenintensive Änderung am Optikdesign einhergehen. Aufgrund der sehr einfachen Anpassbarkeit der Blendengeometrie, beispielsweise durch das Laserablationsverfahren, kann in begrenztem Maße auf geringfügige Änderungen flexibel reagiert werden und können beispielsweise verschiedene Durchmesser von Lichtwellenleitern und Zeilen mit unterschiedlichem Pixelpitch wie auch unterschiedlicher Pixelhöhe sehr individuell aufeinander angepasst werden, ohne das Optikdesign grundlegend ändern zu müssen.
- Feinjustage der Flankensteilheit: Da die Blende auf das Austrittsende eines Lichtwellenleiters, beispielsweise einer Faser, direkt aufgebracht werden kann, ist es erstens möglich, die Form der Blendenöffnung beliebig zu gestalten (oval, rechteckig, kissenförmig, ...) und zweitens kann die aufgetragene Schicht in der Dicke oder der Mikrostruktur beeinflusst werden, um so beispielsweise die Randschärfe der Abbildung zu reduzieren. Dies hat den Vorteil, dass der Intensitätspeak im Spektrogramm zwar sehr schlank sein kann, aber nicht in die Fehlersituation einer Unterabtastung durch die Zeile geraten kann. Ein weiterer Vorteil einer direkt aufgetragenen Blende ist die Möglichkeit, eine - vorzugsweise schlitzförmige - Blendenöffnung auf das Austrittsende in seiner Ausrichtung zur Detektorzeile einzustellen, beispielsweise zu verdrehen, und so ebenfalls die Randschärfe der Abbildung mit Feinjustage zu beeinflussen.
- Einfaches Optikdesign: Da aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre auf eine bedeutende Verkleinerung des optischen Abbildungsmaßstabs verzichtet werden kann, werden nennenswerte Kosten, Raum- und Gewichtssteigerungen eingespart. Zudem ergeben sich mit einer flexibel ausgestaltbaren Blende mehr Freiheiten beim Optikdesign beziehungsweise die Möglichkeit, andere Parameter zu optimieren.
- Höhere Flexibilität: Durch die einfache Herstellung der Blende, insbesondere durch Laserablation, ist es möglich, äußerst flexibel auf verschiedene Anforderungen an die Blende, beispielsweise die Form der Blendenöffnung, zu reagieren. So können Änderungen an weiteren Elementen der Vorrichtung, beispielsweise an einem Dispersionselement, an der Apertur des Lichtwellenleiters oder dem Durchmesser des Lichtwellenleiters oder zeilenseitig auch an der Pixelhöhe oder dem Pixelpitch des Detektors eine Anpassung der Blende erfordern. Ebenso können gegebenenfalls auch besondere Formen wie eine kissenförmige Gestalt der Blendenöffnung unkompliziert erzeugt werden.
- Bessere Stabilität: Im Hinblick auf eine Langzeitstabilität ist die Applikation der Blende auf das Austrittsende von besonderem Vorteil, da insbesondere dynamische Kraft- und Temperatureinflüsse die exakte Blendenpositionierung im Gegensatz zu einer separat angeordneten Blende nicht beeinträchtigen können.
- Keine Apertureinbußen: Bei einer direkt auf das Austrittsende aufgebrachte Blende kann die zur Verfügung stehende Apertur voll genutzt werden, wenn die Beschichtung hinreichend dünn ist. Bei der Anordnung einer separaten Blende würde ein möglicher Luftspalt zwischen Faserende und Blende dazu führen, dass ein Teil der zur Verfügung stehenden Apertur durch Beschneidung der höheren Austrittswinkel ungenutzt bleibt.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die abhängigen Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

1 in einer schematischen Darstellung die Abbildung eines Austrittsendes auf einen Zeilendetektor mit länglicher Pixelanordnung sowie das dazugehörige kontinuierliche Intensitätsprofil in Abhängigkeit von der Pixelposition,
2 in einer schematischen Darstellung die Abbildung eines weiteren Austrittsendes auf einen Zeilendetektor mit länglicher Pixelanordnung sowie das dazugehörige kontinuierliche Intensitätsprofil in Abhängigkeit von der Pixelposition,
3 in einer schematischen Darstellung die Abbildung eines weiteren Austrittsendes auf einen Zeilendetektor mit länglicher Pixelanordnung sowie das dazugehörige kontinuierliche Intensitätsprofil in Abhängigkeit von der Pixelposition,
4 in einer schematischen Darstellung die Abbildung eines weiteren Austrittsendes auf einen Zeilendetektor mit länglicher Pixelanordnung sowie das dazugehörige kontinuierliche Intensitätsprofil in Abhängigkeit von der Pixelposition,
5 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel des Austrittsendes des Lichtleiters einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
6 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel des Austrittsendes des Lichtleiters einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
7 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel des Austrittsendes des Lichtleiters einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
8 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel des Austrittsendes des Lichtleiters einer erfindungsgemäßen Einrichtung, und
9 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel des Austrittsendes des Lichtleiters einer erfindungsgemäßen Einrichtung.

In den 1 bis 4 sind beispielhaft die auf einen Zeilendetektor 7 fallenden Strahlbilder 8 verschiedenartiger Blenden und deren von der Zeile empfangenen Intensitätsprofile 10 gezeigt. Dabei sind die Intensitätsprofile 10 zur Vereinfachung in kontinuierlicher Form dargestellt und nicht in einem der diskreten Abtastung entsprechenden Stufenprofil.
In 1 ist ein Zeilendetektor 7 mit schmalen, hochkant nebeneinander angeordneten Detektorpixeln 9 dargestellt. Das kreisrunde Strahlbild 8 füllt hierbei nahezu die gesamte Zeilenhöhe, wodurch der Detektor 7 die gesamte zur Verfügung stehende Strahlungsmenge verarbeitet. Um nun die Peakbreite zur reduzieren, wird in erfindungsgemäßer Weise die „natürliche“ Punktblende des Lichtwellenleiters 11 mit einer zusätzlichen Blende 1 beblendet, um damit das Bild des Lichtwellenleiters 11 der Pixelgeometrie anzunähern. In 2 ist eine derartige Beblendung mit dem dazugehörigen Intensitätsprofil 10 beispielhaft dargestellt. Hierbei wird auch deutlich, dass bei geeigneter Ausführung durch die seitliche Beblendung die für die Belichtungszeit entscheidende Intensität des Peakmaximums unverändert bleibt und die durch die Blende 1 verursachten Lichtverluste nur der gewollten Verschlankung des Peakfußes dienen.
1 zeigt das idealisierte Profil einer Gradientenindexfaser. Die Punktspreizfunktion hat hierbei eine gaußähnliche Verteilung und erstreckt sich über eine Vielzahl von angedeuteten länglichen Detektorpixeln 9. Für den Einsatz in dem Spektrometer eines konfokal-chromatischen oder interferometrischen Abstandsmessgerätes ist dieses Profil viel zu breit, da zwei oder mehrere dicht beieinanderliegende Abstände eine untrennbare Überlagerung der separaten Messpeaks erzeugen würden.
Eine Beblendung des Austrittsendes 12 des Lichtwellenleiters 11 mit einer Blende 1, die eine schlitzförmige Blendenöffnung 4 aufweist, wie sie die 2 zeigt, würde einen sehr schmalen Messpeak erzeugen, der nur wenige Pixelflächen erreicht. Ist das Strahlprofil jedoch zu schmal, gibt es mehrere Nachteile. Zum einen ist zum Erreichen von Subpixelauflösung beim konfokalen Messverfahren die Beleuchtung mehrerer Pixel mit ausreichendem Signal-Rausch-Abstand für eine stabile Schwerpunktsbestimmung unverzichtbar. Zum anderen haben Detektorzeilen zwischen den Pixeln nicht zu unterschätzende inaktive Flächenbereiche, durch die mit Abnahme der Signalbreite das Risiko für Intensitätseinbrüche bei der Detektion wächst. Dadurch kann es beim konfokalen Verfahren im Extremfall zum Signalverlust kommen, beim interferometrischen Verfahren hingegen zur Artefaktbildung durch die Aufprägung einer zusätzlichen Oszillation auf das Messsignal.
Daher ist ideale Breite einer Blendenöffnung 4 abhängig vom modellspezifischen Pixelpitch des Zeilendetektors 7 und dem Verhältnis von aktiven zu inaktiven Flächen sowie der spezifischen Anforderung an die spektrale Auflösung. Die Herstellungs- und Justagetoleranzen bei der Breite der Blendenöffnung 4, bei der numerischen Apertur der Lichtwellenleiter 11 und bei den im Spektrometer verbauten Optiken bewirken eine Varianz der Intensitätsverteilung des auf die Detektorpixel 9 abgebildeten Lichtwellenleiters 11. Da die Blende 1 unmittelbar mit dem Austrittsende 12 verbunden und zudem in der Regel in einer runde Ferrule eingelassen ist, bietet sich die Möglichkeit, dieses Abbild des Austrittsendes 12 im Bezug zu den Detektorpixeln 9 zu verdrehen und damit das von den Detektorpixeln 9 detektierte Intensitätsprofil 10 zu beeinflussen (vgl. 3). Durch die Verdrehung wird der Fuß des Peaks etwas verbreitert und dadurch werden mehr Pixel für die Abtastung beansprucht, was u.a. zu einer sichereren Lagebestimmung des Schwerpunktes beim konfokalen Messverfahren führt. Die Breite des Peaks im Bereich der Spitze vergrößert sich dabei nicht so schnell, wie sich der Peak aus dem Untergrund heraushebt.
Eine weitere Möglichkeit, eine hinreichende Pixelzahl zur Pixelpositionsbestimmung zu verwenden, aber dennoch eine besondere Wichtung der Peakspitze zu bewirken, ist die Verwendung eines teiltransparenten Schichtmaterials für die Blende 1 (vgl. 4). Hierdurch hebt sich eine mehrere Pixel breite Glockenform aus dem Untergrund. Die exakte Positionierung bleibt durch die dennoch schmale Peakspitze vorhanden. Ein ähnlicher Effekt kann auch durch Perforationsöffnungen 6 der Blende 1 beispielsweise mit Hilfe der Laserablation erreicht werden. Durch die vorgestellten Fertigungsverfahren ist eine präzise Herstellung verschiedener Blendenformen möglich, von denen einige beispielhaft in den 5 bis 9 aufgezeigt sind.
5 zeigt eine Blende 1 mit einer Blendenöffnung 4, die als paralleler Schlitz ausgebildet ist und auf das Austrittsende 12 eines Lichtwellenleiters 11 aufgebracht ist. Der einfache Parallelschlitz kann fertigungsbedingt neben dem Faserkern 2 (engl. core) auch den Fasermantel 3 (engl. cladding) freilegen. Hiermit ist gewährleistet, dass die vollständige zur Verfügung stehende Apertur für die Schlitzhöhe verwendet wird.
6 stellt eine Blende 1 mit einer Anfasung 5 an den Kanten der Blendenöffnung 4 dar. Falls das Blendenmaterial optisch nicht vollständig dicht ist, kann ein so ausgedünnter Spaltrand zu einer weicheren Kantenabbildung führen, einem ähnlichen Effekt, wie er mit 4 dargestellt ist. Bei der Formung der Blendenöffnung 4 mittels der Laserablation kann die Kante auch durch den Laserstrahl bedingt sein.
Eine vorteilhafte Gestaltung der Blendenöffnung 4 kann auch eine tonnenförmige (vgl. 7) oder kissenförmige Form (vgl. 8) aufweisen. Auch ist es möglich, die Schärfe der Kante der Blendenöffnung 4 oder die optische Dichtheit der Blende 1 durch eine Perforation 6 bzw. Mikroperforation zu erzeugen, wie dies in 9 dargestellt ist.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
Bezugszeichenliste

1: Blende
2: Faserkern
3: Fasermantel
4: Blendenöffnung
5: Fase
6: Perforationsöffnungen
7: Zeilendetektor
8: Strahlbild
9: Detektorpixel
10: Intensitätsprofil
11: Lichtwellenleiter
12: Austrittsende

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2021/255584 A1 [0011]

Claims

Einrichtung zur Leitung von spektral zu analysierendem Messlicht in einem Abstands- und/oder Dickenmesssystem, insbesondere in einem konfokal-chromatischen oder interferometrischen Abstands- und/oder Dickenmesssystem, mit einem Lichtwellenleiter (11), wobei der Lichtwellenleiter (11) ein, vorzugweise von einer Ferrule gehaltenes, Austrittsende (12) für das Messlicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Austrittsende (12) eine Blende (1) mit einer Blendenöffnung (4) angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnung (4) als, vorzugsweise paralleler, Schlitz ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnung (4) eine von einem Rechteck abweichende Form aufweist, die insbesondere kissenförmig, tonnenförmig, linsenförmig oder oval ausgebildet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Blende (1) Perforationsöffnungen (6) ausgebildet sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnung (4) zumindest bereichsweise eine gefaste Kante aufweist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende(1) zumindest im Randbereich der Blendenöffnung (4) teiltransparent ausgebildet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (1) durch eine auf das Austrittsende (12) aufgebrachte und für das Messlicht teilweise transparente oder intransparente Beschichtung, beispielsweise aus einem Lack, ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mittels Mikroablation, Laserablation oder mechanisch teilweise entfernt ist, um die Blendenöffnung (4) auszubilden.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (1) durch eine auf das Austrittsende (12) aufgedruckte Chrombeschichtung ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Chrombeschichtung ein fotochemischer Lack angeordnet ist, der teilweise belichtet ist und die Blendenöffnung (4) durch Ätzen ausgebildet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Blendenöffnung (4) zumindest teilweise über einen Faserkern (2) und zumindest teilweise über einen Fasermantel (3) des Lichtwellenleiters (11) erstreckt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (11) eine Multimode-Faser, vorzugsweise eine Gradientenindexfaser oder eine Stufenindexfaser, aufweist.
Vorrichtung zur Abstands- und/oder Dickenmessung, insbesondere zur interferometrischen und/oder konfokal-chromatischen Abstands- und/oder Dickenmessung, mit einer Einrichtung zur Leitung von Messlicht nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und einem Detektor zur Auswertung des Messlichts.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor als Zeilendetektor (7) oder als Mehrzeilendetektor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (11) und/oder die Blende (1) derart ausgerichtet ist/sind, dass das beblendete Messlicht schräg zu einer Erstreckungsrichtung eines Detektorpixels (9) des Detektors auf den Detektor trifft.
Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei auf das Austrittsende (12) des Lichtwellenleiters (11) eine für das Messlicht teilweise transparente oder intransparente Beschichtung aufgebracht wird und wobei die Blendenöffnung (4) durch teilweise Entfernung der Beschichtung erzeugt wird.