DE102013219436A1

DE102013219436A1 - Device and method for the optical analysis of a reflecting test object

Info

Publication number: DE102013219436A1
Application number: DE201310219436
Authority: DE
Inventors: Thomas Henning; Friedrich Fleischmann
Original assignee: Hochschule Bremen
Current assignee: Hochschule Bremen
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2015-03-26
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: DE102013219436B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Analyse eines reflektierenden Prüflings (7). Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Sensor (1) mit einer Strahlquelle (2) zur Generierung eines Prüfstrahls (P), der im Betrieb der Vorrichtung auf den Prüfling (7) gerichtet und an diesem reflektiert wird, und einer Detektionsschicht (3) zur ortsaufgelösten Detektion des reflektierten Prüfstrahls (P), wobei die Detektionsschicht (3) auf einer Seite eine Detektionsfläche (4) aufweist, auf welche der Prüfstrahl auftrifft. Ferner ist eine Auswerteeinheit (6) zur Bestimmung des Strahlverlaufs des reflektierten Prüfstrahls (P) unter Verwendung der ortsaufgelösten Detektion des reflektierten Prüfstrahls (P) vorgesehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Sensor (1) derart ausgestaltet ist, dass die Detektionsfläche (4) eine freiliegende Fläche des Sensors (1) ist und der Prüfstrahl (P) an der freiliegenden Detektionsfläche (4) aus dem Sensor (1) austritt.The invention relates to a device for optical analysis of a reflective test specimen (7). The device according to the invention comprises a sensor (1) with a beam source (2) for generating a test beam (P), which is directed at the device under test (7) and reflected at the device under test, and a detection layer (3) for spatially resolved detection the reflected test beam (P), wherein the detection layer (3) on one side has a detection surface (4) on which the test beam impinges. Furthermore, an evaluation unit (6) for determining the beam path of the reflected test beam (P) using the spatially resolved detection of the reflected test beam (P) is provided. The device according to the invention is characterized in that the sensor (1) is designed in such a way that the detection surface (4) is an exposed surface of the sensor (1) and the test beam (P) is exposed to the exposed detection surface (4) from the sensor (FIG. 1) exit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Analyse eines reflektierenden Prüflings. The invention relates to a device and a method for the optical analysis of a reflecting test specimen.

Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren zur Analyse von Prüflingen und insbesondere zur Bestimmung der Oberflächenform von Werkstücken bekannt. Zur Vermessung technischer Oberflächen gibt es taktile Verfahren, welche jedoch die Gefahr einer lokalen Beschädigung der zu vermessenden Oberfläche aufgrund des verfahrensbedingt erforderlichen mechanischen Kontakts zwischen Prüfsonde und Werkstück haben. From the prior art, different methods for the analysis of specimens and in particular for determining the surface shape of workpieces are known. For the measurement of technical surfaces there are tactile methods, which, however, have the risk of local damage to the surface to be measured due to the process-related required mechanical contact between probe and workpiece.

Darüber hinaus gibt es berührungslose optische Verfahren, mit denen Prüflinge vermessen werden können, wie z.B. interferometrische Verfahren und Verfahren basierend auf Deflektrometrie bzw. Streifenprojektion oder Streifenreflexion. Darüber ist die Vermessung reflektierender Objekte mittels Konfokalsensoren bekannt. Ferner gibt es Sensoren, welche basierend auf optischer Triangulation eine Oberfläche vermessen. In addition, there are non-contact optical methods by which samples can be measured, e.g. interferometric methods and methods based on deflectometry or fringe projection or fringe reflection. In addition, the measurement of reflective objects by means of confocal sensors is known. Furthermore, there are sensors which measure a surface based on optical triangulation.

In der Druckschrift DE 295 12 741 U1 ist eine Messsonde zur ortsaufgelösten Triangulations- und Streulichtmessung beschrieben. Die Sonde umfasst eine Vielzahl von optischen Lichtwellenleitern, mit denen Prüflicht von einer Strahlquelle zum Messobjekt geführt und zugleich das an dem Messobjekt gestreute Licht zurück zu einem Detektor geleitet wird. In the publication DE 295 12 741 U1 a probe for spatially resolved triangulation and scattered light measurement is described. The probe comprises a multiplicity of optical waveguides with which test light is guided from a beam source to the test object and at the same time the light scattered on the test object is guided back to a detector.

In der Druckschrift DE 101 51 332 B4 ist eine Vorrichtung zur optischen Messung von Oberflächeneigenschaften offenbart, bei der eine gekrümmte Sensorstruktur aus einer Vielzahl von Sensoren mit vorgeschalteten Linsen zur Erfassung von an dem Messobjekt reflektierten Licht verwendet wird. In the publication DE 101 51 332 B4 For example, there is disclosed a surface feature optical measurement apparatus using a curved sensor structure of a plurality of upstream lens sensors for detecting light reflected from the measurement object.

Die Druckschrift DE 10 2007 003 681 A1 offenbart ein Verfahren zur Analyse einer optischen Einrichtung mit räumlich getrennter Strahlquelle und Bildaufnehmer. Durch die Strahlquelle wird ein Prüfstrahl erzeugt, der nach Passieren der zu analysierenden optischen Einrichtung von dem Bildaufnehmer in verschiedenen Detektionsebenen erfasst wird. Hierüber wird der Strahlverlauf des Prüfstrahls ermittelt, woraus optische Eigenschaften der optischen Einrichtung bestimmt werden können. The publication DE 10 2007 003 681 A1 discloses a method of analyzing an optical device having a spatially separated beam source and imager. A test beam is generated by the beam source, which is detected after passing through the optical device to be analyzed by the image sensor in different detection levels. Hereby, the beam path of the test beam is determined, from which optical properties of the optical device can be determined.

Die bekannten optischen Verfahren zur Analyse von Prüflingen weisen den Nachteil auf, dass stark gekrümmte Oberflächen bzw. Freiformflächen gar nicht oder nur schwer vermessbar sind, da größere lokale Ablenkungen des Prüfstrahls nicht in den Fangbereich des Detektors fallen, so dass komplizierte Bewegungsanordnungen zum Verschieben des Detektors erforderlich sind. The known optical methods for the analysis of test specimens have the disadvantage that strongly curved surfaces or free-form surfaces are impossible or difficult to measure, since larger local deflections of the test beam do not fall within the capture range of the detector, so that complicated movement arrangements for moving the detector required are.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Analyse eines reflektierenden Prüflings zu schaffen, mit denen auf einfache Weise Prüflinge mit unterschiedlichsten Strukturen vermessen werden können. The object of the invention is therefore to provide a device and a method for the optical analysis of a reflective test specimen with which test specimens with a wide variety of structures can be measured in a simple manner.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 bzw. das Verfahren gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. This object is achieved by the device according to claim 1 and the method according to claim 14. Further developments of the invention are defined in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur optischen Analyse eines reflektierenden Prüflings, wobei unter einem reflektierenden Prüfling ein gerichtet reflektierender Prüfling zu verstehen ist, d.h. ein Objekt, an dem ein Prüfstrahl gemäß dem Reflexionsgesetz gerichtet abgelenkt und nicht (ausschließlich) gestreut wird. Die Vorrichtung umfasst einen Sensor mit einer Strahlquelle zur Generierung eines Prüfstrahls, der im Betrieb der Vorrichtung auf den Prüfling gerichtet ist und an diesem reflektiert ist. Die Strahlquelle kann dabei z.B. eine Laserlichtquelle sein. The device according to the invention is used for optical analysis of a reflecting test specimen, wherein a reflective specimen is to be understood as a specularly reflecting specimen, i. an object on which a test beam is deflected in accordance with the law of reflection and not (exclusively) scattered. The device comprises a sensor with a beam source for generating a test beam, which is directed at the operation of the device on the specimen and reflected at this. The beam source may be e.g. be a laser light source.

Der Sensor umfasst ferner eine Detektionsschicht zur ortsaufgelösten Detektion des reflektierten Prüfstrahls, wobei die Detektionsschicht auf einer Seite eine vorzugsweise ebene bzw. plane Detektionsfläche aufweist, auf welche der Prüfstrahl auftrifft. Mit anderen Worten wird über die Detektionsschicht die Auftreffposition des Prüfstrahls auf der Detektionsfläche erfasst. Die Detektionsfläche ist dabei eine äußere Fläche der Detektionsschicht. Die Auftreffposition muss nicht unmittelbar an der Detektionsfläche bestimmt werden, sondern sie kann ggf. auch innerhalb der Schicht ermittelt werden. Vorzugsweise wird die Auftreffposition über eine ortsaufgelöste Intensitätsmessung des Lichts des auftreffenden Prüfstrahls ermittelt, wobei der Schwerpunkt der gemessenen Intensitätsverteilung mit der Auftreffposition gleichgesetzt wird. Neben dem Sensor umfasst die Vorrichtung eine Auswerteeinheit zur Bestimmung des Strahlverlaufs des reflektierten Prüfstrahls unter Verwendung der ortsaufgelösten Detektion des reflektierten Prüfstrahls. Unter einem Strahlverlauf des reflektierten Prüfstrahls ist dabei die Richtung des Prüfstrahls in Bezug auf eine definierte Referenzrichtung bzw. Referenzfläche zu verstehen, wie z.B. einer Fläche, auf der der Prüfling angeordnet ist.The sensor further comprises a detection layer for spatially resolved detection of the reflected test beam, wherein the detection layer on one side has a preferably flat or plane detection surface, on which the test beam impinges. In other words, the impact position of the test beam on the detection surface is detected via the detection layer. The detection surface is an outer surface of the detection layer. The impact position does not have to be determined directly on the detection surface, but it may also be determined within the layer. Preferably, the impact position is determined by a spatially resolved intensity measurement of the light of the incident test beam, wherein the center of gravity of the measured intensity distribution is equated with the impact position. In addition to the sensor, the device comprises an evaluation unit for determining the beam path of the reflected test beam using the spatially resolved detection of the reflected test beam. A beam path of the reflected test beam is to be understood as meaning the direction of the test beam with respect to a defined reference direction or reference surface, such as e.g. a surface on which the specimen is placed.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ihr Sensor derart ausgestaltet ist, dass die Detektionsfläche eine freiliegende Fläche des Sensors ist und der Prüfstrahl an der freiliegenden Detektionsfläche aus dem Sensor austritt. Der Begriff der freiliegenden Detektionsfläche ist dabei derart zu verstehen, dass in Draufsicht auf die Detektionsfläche in Richtung des reflektierten Prüfstrahls keine weiteren Bauteile (wie z.B. optische Komponenten) des Sensors vor der Detektionsfläche liegen. Zum Beispiel kann die freiliegende Detektionsfläche als eine Fläche in dem Gehäuse des Sensors vorgesehen sein. The device according to the invention is characterized in that its sensor is designed such that the detection surface is an exposed surface of the sensor and the test beam emerges from the sensor at the exposed detection surface. The term of the exposed detection surface is to be understood in such a way that in plan view of the detection surface in the direction of the reflected test beam no other components (such as optical components) of the sensor in front of the detection surface lie. For example, the exposed detection surface may be provided as an area in the housing of the sensor.

Die Erfindung verwendet das in der eingangs erwähnten Druckschrift DE 10 2007 003 681 A1 offenbarte Messprinzip. Dabei wird jedoch ein neuartiger Sensor mit freiliegender Detektionsfläche und daraus austretendem Prüfstrahl eingesetzt. Dieser Sensor ermöglicht es, die Detektionsfläche sehr nah an den Prüfling heranzuführen, so dass ein großer Fangbereich von am Prüfling reflektierten Prüfstrahlen gewährleistet ist und hierdurch beliebige Prüflinge auch mit stark gekrümmten Oberflächen bzw. großen Änderungen der lokalen Oberflächenkrümmung einfach und effizient vermessen werden können. The invention uses the in the aforementioned publication DE 10 2007 003 681 A1 revealed measuring principle. However, a novel sensor with an exposed detection surface and a test beam emerging from it is used. This sensor makes it possible to bring the detection surface very close to the specimen, so that a large capture range of test specimens reflected on the specimen is guaranteed and thereby any specimens can be measured easily and efficiently even with highly curved surfaces or large changes in local surface curvature.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dazu eingerichtet, Eigenschaften des Prüflings und insbesondere die Form der Oberfläche des Prüflings basierend auf den Strahlverläufen von mehreren Prüfstrahlen zu ermitteln, die an verschiedenen Positionen an der Oberfläche des Prüflings reflektiert werden. Dabei wird in an sich bekannter Weise aus dem Strahlverlauf des jeweiligen Prüfstrahls der Gradient der Oberfläche des Prüflings ermittelt. Aus einer Vielzahl von solchen Gradienten für unterschiedliche Oberflächenpositionen kann dann mit ebenfalls bekannten Verfahren (insbesondere über zonale bzw. modale Integration) die Oberflächenform bestimmt werden. In a particularly preferred embodiment, the evaluation unit of the device according to the invention is adapted to determine properties of the test specimen and in particular the shape of the surface of the specimen based on the beam paths of a plurality of test beams, which are reflected at different positions on the surface of the specimen. In this case, the gradient of the surface of the test object is determined in a manner known per se from the beam path of the respective test beam. From a multiplicity of such gradients for different surface positions, the surface shape can then be determined by methods which are likewise known (in particular via zonal or modal integration).

In einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Detektionsschicht ein Loch vorgesehen, über welches der Prüfstrahl an der freiliegenden Detektionsfläche aus dem Sensor austritt. Gegebenenfalls kann dabei in dem Loch eine Optik zur Formung des Prüfstrahls vorgesehen sein. In a preferred embodiment, a hole is provided in the detection layer, via which the test beam emerges from the sensor at the exposed detection surface. Optionally, an optic for shaping the test beam can be provided in the hole.

In einer weiteren bevorzugten Variante ist die Strahlquelle auf einer von dem reflektierenden Prüfling abgewandten Seite der Detektionsschicht mit der freiliegenden Detektionsfläche angeordnet und der Prüfstrahl tritt durch das Loch hindurch. Der Prüfstrahl kann dabei als Freistrahl oder gegebenenfalls mittels eines Lichtwellenleiters zu dem Loch geführt werden. In a further preferred variant, the beam source is arranged on a side of the detection layer facing away from the reflecting test specimen with the exposed detection surface, and the test beam passes through the hole. The test beam can be guided as a free jet or optionally by means of an optical waveguide to the hole.

In einer alternativen Ausgestaltung wird der Prüfstrahl durch eine Strahlquelle generiert, welche in der Detektionsschicht mit der freiliegenden Detektionsfläche eingesetzt ist oder welche auf der freiliegenden Detektionsfläche befestigt ist. Dabei kann gegebenenfalls das oben beschriebene Loch in der Detektionsschicht vorgesehen sein, um in dieses die Strahlquelle einzusetzen. Als Strahlquelle wird vorzugsweise eine kleine Diode, insbesondere eine Laserdiode, verwendet. Gegebenenfalls kann auch eine zusätzliche Optik zum Auskoppeln des Prüfstrahls in der Detektionsschicht bzw. einem entsprechenden Loch der Detektionsschicht vorgesehen sein. In an alternative embodiment, the test beam is generated by a beam source, which is used in the detection layer with the exposed detection surface or which is mounted on the exposed detection surface. In this case, if appropriate, the hole described above can be provided in the detection layer in order to insert the beam source into it. The beam source used is preferably a small diode, in particular a laser diode. Optionally, an additional optics for decoupling the test beam in the detection layer or a corresponding hole of the detection layer may be provided.

Um ein effizientes Erfassen von reflektierten Prüfstrahlen aus verschiedenen Richtungen zu gewährleisten, ist der Sensor vorzugsweise derart ausgestaltet, dass der Prüfstrahl an einer im Wesentlichen mittig in der freiliegenden Detektionsfläche angeordneten Austrittsposition aus dem Sensor austritt und/oder dass der Prüfstrahl senkrecht zur freiliegenden Detektionsfläche an dieser austritt. In order to ensure efficient detection of reflected test beams from different directions, the sensor is preferably configured such that the test beam emerges from the sensor at an exit position arranged substantially centrally in the exposed detection surface and / or that the test beam is perpendicular to the exposed detection surface at the latter exit.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird zum Bestimmen des Strahlverlaufs die Auftreffposition des Prüfstrahls in zwei, in Richtung des reflektierten Prüfstahls zueinander versetzten Relativpositionen der Detektionsfläche in Bezug zum Prüfling erfasst. Aus der Differenz dieser beiden Auftreffpositionen ergibt sich dann in einfacher Weise die Richtung des Prüfstrahls. Dabei umfasst die Vorrichtung eine Aktorik (z.B. einen elektromechanischen Aktor bzw. einen Elektromotor) zum Verändern der Relativposition der Detektionsschicht mit der freiliegenden Detektionsfläche in Bezug auf den Prüfling entlang der Richtung des aus der freiliegenden Detektionsfläche austretenden Prüfstrahls. Das heißt, mit der Aktorik kann die Detektionsfläche in verschiedene versetzte Relativpositionen entlang des Prüfstrahls angeordnet werden. Dabei kann je nach Ausgestaltung der Aktorik die Detektionsschicht selbst oder auch der Prüfling und gegebenenfalls Detektionsschicht und Prüfling bewegt werden. Im Rahmen des Messvorgangs wird der Prüfstrahl in zumindest zwei Relativpositionen durch die freiliegende Detektionsfläche detektiert und die Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet, den Strahlverlauf des Prüfstrahls basierend auf der ortsaufgelösten Detektion des Prüfstrahls über die Detektionsschicht mit der freiliegenden Detektionsfläche in den zumindest zwei Relativpositionen zu bestimmen. In a particularly preferred embodiment, the incident position of the test beam is detected in two, offset in the direction of the reflected test steel relative positions of the detection surface with respect to the DUT to determine the beam path. From the difference between these two impact positions then results in a simple way the direction of the test beam. In this case, the device comprises an actuator (for example an electromechanical actuator or an electric motor) for changing the relative position of the detection layer with the exposed detection surface with respect to the test object along the direction of the test beam emerging from the exposed detection surface. That is, with the actuators, the detection surface can be arranged in different offset relative positions along the Prüfstrahls. Depending on the configuration of the actuators, the detection layer itself or also the test specimen and, if appropriate, the detection layer and the test specimen can be moved. As part of the measuring process, the test beam is detected in at least two relative positions by the exposed detection surface and the evaluation is adapted to determine the beam path of the test beam based on the spatially resolved detection of the test beam on the detection layer with the exposed detection surface in the at least two relative positions.

Gegebenenfalls kann die Vorrichtung auch eine Aktorik zum Verändern der Relativposition der Detektionsschicht mit der freiliegenden Detektionsfläche in Bezug auf den Prüfling in eine oder mehrere Richtungen umfassen, welche die Reflexionsposition des Prüfstrahls am Prüfling verändern. Vorzugsweise wird dabei die Relativposition in Richtung senkrecht zur Richtung des an der freiliegenden Detektionsfläche austretenden Prüfstrahls variiert. Mit einer derartigen Aktorik kann auf einfache Weise die Oberfläche des Prüfstrahls abgerastert werden. Optionally, the apparatus may also include an actuator for varying the relative position of the detection layer with the exposed detection surface with respect to the specimen in one or more directions that change the reflection position of the test beam on the specimen. In this case, the relative position is preferably varied in the direction perpendicular to the direction of the test beam exiting at the exposed detection surface. With such an actuator, the surface of the test beam can be scanned in a simple manner.

Gegebenenfalls kann zur Bestimmung des Strahlverlaufs des Prüfstrahls auch ein Sensor mit mehreren Detektionsflächen verwendet werden. In diesem Fall umfasst der Sensor zusätzlich zu der Detektionsschicht mit der freiliegenden Detektionsfläche eine oder mehrere weitere Detektionsschichten mit einer jeweiligen Detektionsfläche zur ortsaufgelösten Detektion des reflektierten Prüfstrahls, wobei die weitere oder die weiteren Detektionsschichten in Richtung entgegengesetzt zur Strahlrichtung des aus dem Sensor austretenden Prüfstrahls versetzt und parallel zu der Detektionsschicht mit der freiliegenden Detektionsfläche angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Detektionsflächen der weiteren Detektionsschichten plane bzw. ebene Flächen. In dieser Variante ist die Detektionsschicht mit der freiliegenden Detektionsfläche transparent für den am Prüfling reflektierten Prüfstrahl, damit dieser auch von den weiteren Detektionsschichten erfasst werden kann. Die Auswerteeinheit der Vorrichtung ist dazu eingerichtet, den Strahlverlauf des Prüfstrahls basierend auf der ortsaufgelösten Detektion des Prüfstrahls über die Detektionsschicht mit der freiliegenden Detektionsfläche und über die weitere oder die weiteren Detektionsschichten zu bestimmen.Optionally, a sensor with a plurality of detection surfaces can also be used to determine the beam path of the test beam. In this case, the sensor comprises, in addition to the detection layer with the exposed detection surface, one or more further detection layers with a respective detection surface for spatially resolved Detection of the reflected test beam, wherein the further or the further detection layers offset in the direction opposite to the beam direction of the emerging from the sensor test beam and are arranged parallel to the detection layer with the exposed detection surface. Preferably, the detection surfaces of the further detection layers are plane surfaces. In this variant, the detection layer with the exposed detection surface is transparent to the test beam reflected on the test object so that it can also be detected by the further detection layers. The evaluation unit of the device is set up to determine the beam path of the test beam based on the spatially resolved detection of the test beam via the detection layer with the exposed detection surface and over the further or the further detection layers.

In einer bevorzugten Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform weisen die weitere oder die weiteren Detektionsschichten jeweils ein Loch zum Durchtritt des Prüfstrahls auf, wobei dieses Loch oder diese Löcher vorzugsweise fluchtend entlang der Richtung des durch das oder die Löcher hindurchtretenden Prüfstrahls mit einem Loch zum Austritt des Prüfstrahls an der freiliegenden Detektionsfläche angeordnet sind. In a preferred variant of the embodiment just described, the further or the further detection layers each have a hole for the passage of the test beam, this hole or holes preferably being aligned along the direction of the test beam passing through the hole or holes with a hole for exit of the test beam are arranged on the exposed detection surface.

Die Detektionsschicht mit der freiliegenden Detektionsfläche bzw. die weiteren Detektionsschichten können auf unterschiedlichen Technologien beruhen. Insbesondere können diese Schichten einen CCD-Sensor und/oder einen CMOS-Sensor und/oder einen PSD-Sensor (PSD = Position Sensitive Device) umfassen. All diese Sensorarten sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden deshalb nicht näher im Detail erläutert. The detection layer with the exposed detection surface or the further detection layers can be based on different technologies. In particular, these layers may comprise a CCD sensor and / or a CMOS sensor and / or a PSD sensor (PSD = Position Sensitive Device). All of these sensor types are known from the prior art and are therefore not explained in detail.

Neben der oben beschriebenen Vorrichtung betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zur Analyse eines reflektierenden Prüflings mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. einer oder mehrerer bevorzugter Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei wird der Prüfstrahl nach Austritt aus der freiliegenden Detektionsfläche des Sensors direkt (d.h. ohne Zwischenschaltung weiterer optischer Komponenten) auf den Prüfling gerichtet. Ebenso wird der an dem Prüfling reflektierte Prüfstrahl direkt (d.h. ohne Zwischenschaltung weiterer optischer Komponenten) über die Detektionsschicht mit der freiliegenden Detektionsfläche ortsaufgelöst detektiert. Unter Verwendung der ortsaufgelösten Detektion des reflektierten Prüfstrahls wird dann mittels der Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Strahlverlauf des reflektierten Prüfstrahls bestimmt. In addition to the device described above, the invention further relates to a method for analyzing a reflecting test specimen with the device according to the invention or one or more preferred variants of the device according to the invention. In this case, the test beam is directed onto the test object directly (that is to say without the interposition of further optical components) after it leaves the exposed detection area of the sensor. Likewise, the test beam reflected on the device under test is detected in a spatially resolved manner directly (i.e., without interposition of further optical components) via the detection layer with the exposed detection surface. Using the spatially resolved detection of the reflected test beam, the beam path of the reflected test beam is then determined by means of the evaluation unit of the device according to the invention.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden mittels der Auswerteeinheit Eigenschaften des Prüflings und insbesondere die Form der Oberfläche des Prüflings basierend auf den Strahlverläufen von mehreren Prüfstrahlen ermittelt, die an verschiedenen Positionen an der Oberfläche reflektiert werden. In a particularly preferred embodiment, properties of the test object and in particular the shape of the surface of the test object are determined by the evaluation unit based on the beam paths of a plurality of test beams, which are reflected at different positions on the surface.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Prüfstrahl zur Bestimmung seines Strahlverlaufs in zumindest zwei Relativpositionen ortsaufgelöst detektiert, wobei die zumindest zwei Relativpositionen von der Detektionsschicht mit der freiliegenden Detektionsfläche oder von der Detektionsschicht mit der freiliegenden Detektionsfläche und einer oder mehreren weiteren Detektionsschichten in Bezug auf den Prüfling entlang der Richtung des an der freiliegenden Detektionsfläche austretenden Prüfstrahls eingenommen werden. In dieser Variante des Verfahrens kann z.B. die oben beschriebene Vorrichtung mit der Aktorik zum Verändern der Relativposition der Detektionsschicht mit der freiliegenden Detektionsfläche in Bezug auf den Prüfling entlang der Richtung des aus der freiliegenden Detektionsfläche austretenden Prüfstrahls verwendet werden. Ebenso kann in dieser Variante des Verfahrens die oben beschriebene Vorrichtung mit mehreren Detektionsschichten eingesetzt werden. In a further embodiment of the method according to the invention, the test beam is detected spatially resolved in at least two relative positions to determine its beam path, wherein the at least two relative positions of the detection layer with the exposed detection surface or of the detection layer with the exposed detection surface and one or more further detection layers with respect the specimen are taken along the direction of the test beam emerging at the exposed detection surface. In this variant of the method, e.g. the above-described device with the actuator for changing the relative position of the detection layer with the exposed detection surface with respect to the specimen along the direction of the exiting from the exposed detection surface test beam can be used. Likewise, in this variant of the method, the device described above with a plurality of detection layers can be used.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend detailliert anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Embodiments of the invention are described below in detail with reference to the accompanying drawings.

Es zeigen: Show it:

1 eine schematische perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 a schematic perspective view of a first embodiment of the device according to the invention;

2 eine schematische perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und 2 a schematic perspective view of a second embodiment of the device according to the invention; and

3 eine Schnittansicht im Bereich eines Lochs in einer Detektionsschicht gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. 3 a sectional view in the region of a hole in a detection layer according to a third embodiment of the invention.

1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit der die Oberfläche eines gerichtet reflektierenden Prüflings vermessen wird. Die Vorrichtung umfasst einen Sensor 1, an den über eine Datenleitung D eine Auswerteeinheit 6 in der Form einer Rechnereinheit angeschlossen ist, welche die Daten des Sensors 1 geeignet verarbeitet und hieraus die Oberflächenform des mit Bezugszeichen 7 bezeichneten Prüflings berechnet. 1 shows a first embodiment of a device according to the invention, with which the surface of a directionally reflecting test specimen is measured. The device comprises a sensor 1 to which an evaluation unit via a data line D. 6 is connected in the form of a computer unit, which contains the data of the sensor 1 suitably processed and from this the surface shape of the reference numeral 7 designated examinees calculated.

Der Sensor 1 umfasst eine Lichtquelle 2, welche z.B. als eine Laserlichtquelle ausgestaltet ist. Diese Lichtquelle sendet einen Lichtstrahl in der Form eines Prüfstrahls P aus, der durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Die Richtung des Prüfstrahls hin zu dem Prüfling 7 ist dabei durch den Pfeil P1 angezeigt, wohingegen die Richtung des am Prüfling reflektierten Prüfstrahls durch den Pfeil P2 angedeutet ist. Vor der Lichtquelle 2 befindet sich eine Detektionsschicht 3 mit einer Detektionsfläche 4 auf der Unterseite. Die Detektionsfläche ist eine plane Fläche, die in der Detektionsebene DE liegt. Die Detektionsschicht dient zur ortsaufgelösten Erfassung des am Prüfling reflektierten Prüfstrahls. D.h., die Auftreffposition des Prüfstrahls auf der Detektionsschicht bzw. Detektionsfläche wird bestimmt. Die Detektionsschicht kann dabei als CMOS-Sensor, als CCD-Sensor oder auch auf andere Weise, z.B. als PSD-Sensor (PSD = Position Sensitive Device), ausgestaltet sein. All diese Sensorarten sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. PSD-Sensoren verwenden zur ortsaufgelösten Detektion z.B. Photodioden bzw. Vier-Quadranten-Photodioden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Intensitätsverteilung des auf die Detektionsfläche 4 auftreffenden Prüfstrahls ermittelt. Anschließend wird der Schwerpunkt der Intensitätsverteilung berechnet, der dann mit der Auftreffposition des Prüfstrahls auf der Detektionsfläche 4 gleichgesetzt wird. Die Berechnungen können dabei durch eine Logik im Sensor selbst bzw. gegebenenfalls auch durch die Auswerteeinheit 6 durchgeführt werden. The sensor 1 includes a light source 2 which is configured, for example, as a laser light source. This light source emits a beam of light in the form of a test beam P, indicated by dashed lines is indicated. The direction of the test beam towards the test object 7 is indicated by the arrow P1, whereas the direction of the test beam reflected on the test specimen is indicated by the arrow P2. In front of the light source 2 there is a detection layer 3 with a detection surface 4 on the bottom. The detection surface is a plane surface which lies in the detection plane DE. The detection layer serves for the spatially resolved detection of the test beam reflected on the test object. That is, the impact position of the test beam on the detection layer or detection surface is determined. The detection layer can be designed as a CMOS sensor, as a CCD sensor or in another way, for example as a PSD sensor (PSD = Position Sensitive Device). All of these sensor types are known per se from the prior art. PSD sensors use, for example, photodiodes or four-quadrant photodiodes for spatially resolved detection. In a preferred embodiment, the intensity distribution of the on the detection surface 4 ascertained test beam determined. Subsequently, the center of gravity of the intensity distribution is calculated, which then coincides with the impact position of the test beam on the detection surface 4 is equated. The calculations can be done by a logic in the sensor itself or possibly also by the evaluation unit 6 be performed.

In dem Szenario der 1 trifft der Prüfstrahl an der Position AP auf die Detektionsfläche auf. Diese Auftreffposition wird in dem lokalen kartesischen Koordinatensystem K_D der Detektionsschicht gemessen. Die z-Koordinate der Auftreffposition ist dabei konstant, da die Detektionsfläche in eine Ebene mit fester z-Position (z = 0) angeordnet ist. Man erhält somit eine zweidimensionale Auftreffposition, die in 2 mit (x₂, y₂) bezeichnet ist. Diese Auftreffposition korrespondiert mit einer entsprechenden Reflexionsposition RP des Prüfstrahls am Prüfling 7. Der Prüfling befindet sich dabei in einer vorgegebenen Referenzebene RE, welche parallel zur Detektionsebene DE ist und deren Abstand z_A zur Detektionsebene bekannt ist. Durch die Referenzebene ist ein kartesisches Koordinatensystem K_R definiert, und die Reflexionsposition RP weist in diesem Koordinatensystem die Koordinaten (x₁, y₁, z₁) auf. Die Koordinatenwerte x₁ und y₁ sind dabei bekannt. Ziel der Messung gemäß 1 ist es nunmehr, den Gradienten der Oberfläche des Prüflings 7 und hierüber die Form der Oberfläche und damit die Koordinate z₁ an jeweiligen Reflexionspositionen RP zu bestimmen. In the scenario of 1 the test beam hits the detection surface at the position AP. This impact position is measured in the local Cartesian coordinate system K _{D of} the detection layer. The z-coordinate of the impact position is constant, since the detection surface is arranged in a plane with a fixed z-position (z = 0). One thus obtains a two-dimensional impact position, which in 2 is denoted by (x ₂ , y ₂ ). This impact position corresponds to a corresponding reflection position RP of the test beam on the test object 7 , In this case, the test object is located in a predetermined reference plane RE, which is parallel to the detection plane DE and whose distance z _A to the detection plane is known. A Cartesian coordinate system K _{R is} defined by the reference plane, and the reflection position RP has the coordinates (x ₁ , y ₁ , z ₁ ) in this coordinate system. The coordinate values x ₁ and y ₁ are known. Target of the measurement according to 1 It is now the gradient of the surface of the specimen 7 and to determine the shape of the surface and thus the coordinate z ₁ at respective reflection positions RP.

Wie aus 1 ersichtlich ist, befindet sich in der Detektionsschicht 3 eine Apertur bzw. ein Loch 5, über das der Prüfstrahl P durch die Detektionsfläche 4 hindurchtritt. Ferner ist die Detektionsfläche 4 freiliegend in dem Sinne, dass sich keine weiteren Bauteile und insbesondere keine optischen Bauteile des Sensors vor der Detektionsfläche befinden, so dass der Prüfstrahl direkt auf den Prüfling gerichtet werden kann. Durch diese freiliegende Detektionsfläche sowie den Austritt des Prüfstrahls aus der Detektionsfläche über das Loch 5 können besondere Vorteile erreicht werden. Insbesondere kann die Detektionsfläche sehr nah an den Prüfling positioniert werden, so dass ein großer Fangbereich des Sensors für die reflektierten Prüfstrahlen erreicht wird. Mit anderen Worten können über die Detektionsfläche Prüfstahlen erfasst werden, welche um einen großen Winkel abgelenkt werden. Somit sind mit dem Sensor auch Freiformflächen bzw. stark gekrümmte Oberflächen messbar. How out 1 is apparent, is in the detection layer 3 an aperture or a hole 5 , via which the test beam P passes through the detection surface 4 passes. Furthermore, the detection surface 4 exposed in the sense that there are no other components and in particular no optical components of the sensor in front of the detection surface, so that the test beam can be directed directly at the DUT. Through this exposed detection surface and the exit of the test beam from the detection surface through the hole 5 special advantages can be achieved. In particular, the detection surface can be positioned very close to the test object, so that a large capture range of the sensor for the reflected test beams is achieved. In other words, test bars can be detected via the detection surface, which are deflected by a large angle. Thus, free-form surfaces or strongly curved surfaces can be measured with the sensor.

In der Vorrichtung der 1 kann die Relativposition der Detektionsfläche 4 entlang der Detektionsebene DE in Bezug auf den Prüfling 7 verändert werden. Ferner kann die Relativposition der Detektionsfläche 3 in Richtung senkrecht zu der Detektionsebene DE in Bezug auf den Prüfling 7 verändert werden. Im Rahmen der Messung wird durch Verändern der Relativposition der Detektionsfläche 4 entlang der Detektionsebene DE die Oberfläche des Prüflings 7 abgerastert, d.h. es werden reflektierte Prüfstrahlen für eine Vielzahl von unterschiedlichen Reflexionspositionen auf der Oberfläche des Prüflings erfasst. Für eine jeweilige Reflexionsposition wird die Auftreffposition des Prüfstrahls auf der Detektionsfläche für zwei unterschiedliche Relativpositionen der Detektionsfläche senkrecht zur Detektionsebene in Bezug auf den Prüfling ermittelt. In an sich bekannter Weise ergibt sich aus den beiden Auftreffpositionen dann der Strahlverlauf des Prüfstrahls, d.h. die Richtung des Prüfstrahls in Bezug auf die Detektionsebene DE bzw. die dazu parallele Referenzebene RE. Dieser Strahlverlauf korreliert wiederum in an sich bekannter Weise mit dem Gradienten der Oberfläche. Mittels der Gradienten der Oberfläche für eine Vielzahl von Reflexionspositionen kann dann mit bekannten Rechenmethoden über zonale oder modale Integration die Oberfläche des Prüflings rekonstruiert werden. Insbesondere können hierzu die bereits in der Druckschrift DE 10 2007 003 681 A1 erwähnten Methoden (z.B. Zernicke-Polynome) eingesetzt werden. In the device of 1 can the relative position of the detection surface 4 along the detection plane DE with respect to the DUT 7 to be changed. Furthermore, the relative position of the detection surface 3 in the direction perpendicular to the detection plane DE with respect to the DUT 7 to be changed. As part of the measurement is by changing the relative position of the detection surface 4 along the detection plane DE the surface of the test object 7 scanned, ie it reflects reflected test beams for a variety of different reflection positions on the surface of the specimen. For a respective reflection position, the impact position of the test beam on the detection surface is determined for two different relative positions of the detection surface perpendicular to the detection plane with respect to the test object. In a manner known per se, the beam path of the test beam, ie the direction of the test beam with respect to the detection plane DE or the reference plane RE parallel thereto, then results from the two impact positions. This beam path in turn correlates in a manner known per se with the gradient of the surface. By means of the gradients of the surface for a multiplicity of reflection positions, the surface of the test object can then be reconstructed with known calculation methods via zonal or modal integration. In particular, the already in the document DE 10 2007 003 681 A1 mentioned methods (eg Zernicke polynomials) are used.

Die Vorrichtung gemäß 1 umfasst eine (nicht gezeigte) Aktorik, um die Relativposition der Detektionsfläche 4 in Bezug auf den Prüfling 7 sowohl entlang der Detektionsebene DE als auch senkrecht dazu zu verändern. Je nach Ausgestaltung kann dabei nur die Detektionsschicht 3 oder auch nur der Prüfling 7 bzw. ggf. auch sowohl die Detektionsschicht 3 als auch der Prüfling 7 bewegt werden. Vorzugsweise ist dabei in der Auswerteeinheit 6 ein Messprogramm hinterlegt, welches automatisiert nach einem vorbestimmten Schema die Oberfläche des Prüflings abrastert und für jede Reflexionsposition durch Messung in zwei versetzten Detektionsebenen die Strahlrichtung des Prüfstrahls ermittelt. Als Endergebnis wird schließlich die rekonstruierte Form der Oberfläche des Prüflings ausgegeben, z.B. über eine entsprechende Benutzerschnittstelle. Insbesondere kann der Prüfling dabei als dreidimensionales Objekt wiedergegeben werden. The device according to 1 includes an actuator (not shown) about the relative position of the detection surface 4 in relation to the examinee 7 both along the detection plane DE and perpendicular to change. Depending on the configuration, only the detection layer can be used 3 or just the examinee 7 or possibly also both the detection layer 3 as well as the examinee 7 to be moved. Preferably, in the evaluation unit 6 stored a measurement program, which automatically scans the surface of the specimen according to a predetermined scheme and determines the beam direction of the test beam for each reflection position by measuring in two offset detection planes. As a final result, the reconstructed shape of the surface of the test object is finally output, eg via a corresponding user interface. In particular, the test object can be reproduced as a three-dimensional object.

Das Abrastern des Prüflings sowie die Detektion des Prüfstrahls in zwei versetzten Detektionsebenen können in verschiedener Reihenfolge ablaufen. Vorzugsweise wird zuerst für eine feste Position der Detektionsebene der Prüfstrahl an eine Vielzahl von unterschiedlichen Reflexionspositionen bewegt und die Auftreffposition erfasst. Anschließend wird die Detektionsebene verschoben und nochmals in gleicher Weise die Auftreffposition des Prüfstrahls für die gleichen Reflexionspositionen bestimmt. The scanning of the specimen as well as the detection of the test beam in two staggered detection planes can take place in different order. Preferably, first for a fixed position of the detection plane, the test beam is moved to a plurality of different reflection positions and the impact position is detected. Subsequently, the detection plane is shifted and again determined in the same way the impact position of the test beam for the same reflection positions.

In einer Abwandlung der in 1 gezeigten Ausführungsform wird die Oberfläche des Prüflings ermittelt, ohne dass die Detektionsfläche 4 versetzt wird. Mit anderen Worten wird nur aus einer einzigen ermittelten Auftreffposition der Verlauf eines jeweiligen Prüfstrahls bestimmt. Um dies zu ermöglichen, läuft in der Auswerteeinheit 6 ein Programm ab, das an einer Reflexionsposition des Prüfstrahls startet, für welche auch die z-Position z₁ bekannt ist. Mit dieser bekannten Reflexionsposition und der einzelnen ermittelten Auftreffposition kann wiederum der Strahlverlauf ermittelt werden. Anschließend wird zu einer benachbarten Reflexionsposition verfahren. Für diese neue Reflexionsposition wird dann mittels des an der vorhergehenden Reflexionsposition ermittelten Gradienten der Oberfläche die z-Position z₁ berechnet. Mit dieser berechneten z-Position sowie der neu bestimmten Auftreffposition auf der Detektionsfläche 4 kann dann wieder eine neue Strahlrichtung bestimmt werden. In gleicher Weise wird für die nachfolgend eingenommenen Reflexionspositionen verfahren, wobei bei jeder neuen Reflexionsposition deren z-Position über den Gradienten der Oberfläche bestimmt wird. In a modification of the in 1 In the embodiment shown, the surface of the test piece is determined without the detection surface 4 is offset. In other words, the course of a respective test beam is determined only from a single determined impact position. To make this possible, it runs in the evaluation unit 6 a program that starts at a reflection position of the test beam, for which also the z-position z _{1 is} known. With this known reflection position and the individual determined impact position, in turn, the beam path can be determined. Subsequently, the procedure moves to an adjacent reflection position. For this new reflection position, the z position z _{1 is then} calculated by means of the gradient of the surface determined at the preceding reflection position. With this calculated z position and the newly determined impact position on the detection surface 4 then again a new beam direction can be determined. The same procedure is followed for the subsequently assumed reflection positions, wherein at each new reflection position, its z-position is determined via the gradient of the surface.

2 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform der 1. Dabei werden gleiche bzw. einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind die Koordinatensysteme Z_R, Z_D, die Detektionsebene DE sowie die Auswerteeinheit 6 weggelassen. Nichtsdestotrotz ist der Sensor der 2 auch an eine entsprechende Auswerteeinheit angeschlossen. Im Unterschied zur Ausführungsform der 1 umfasst der Sensor neben der Detektionsschicht 3 mit der freiliegenden Detektionsfläche 4 eine weitere Detektionsschicht 3' mit entsprechender Detektionsfläche 4' und einer Loch 5' zum Durchtritt des Prüfstrahls. Die Detektionsschicht 3' erfasst in analoger Weise wie die Detektionsschicht 3 die Auftreffposition des Prüfstrahls. Beispielhaft ist eine solche Auftreffposition in 2 mit AP' bezeichnet. In dem Sensor der 2 ist die Detektionsschicht 3 teildurchlässig ausgestaltet, d.h. sie ist durchlässig für einen auf deren Unterseite auftreffenden Prüfstrahl. Solche Arten von Detektionsschichten sind aus dem Stand der Technik bekannt. Aufgrund dieser Teildurchlässigkeit durchdringt der reflektierte Prüfstrahl die Detektionsschicht 3, so dass neben seiner Auftreffposition AP auf der Detektionsschicht 3 auch seine Auftreffposition AP' auf der Detektionsschicht 3' ermittelt werden kann. Die Ausführungsform der 2 hat den Vorteil, dass bei jeder Messung für eine bestimmte Reflexionsposition des Prüfstrahls direkt zwei Auftreffpositionen AP und AP' bestimmt werden. Mittels des bekannten Abstands der Detektionsschichten 3 und 3' kann dann ohne Verschiebung einer Detektionsschicht der Strahlverlauf des Prüfstrahls bestimmt werden. Es muss somit die Oberfläche des Prüfstrahls nur für eine einzige z-Position des Sensors abgerastert werden. In gleicher Weise wie in 1 wird nach Durchführung des Messvorgangs wiederum die Form der Oberfläche des Prüflings 7 erhalten. 2 shows a modification of the embodiment of the 1 , The same or corresponding components are denoted by the same reference numerals. For reasons of clarity, the coordinate systems Z _R , Z _D , the detection level DE and the evaluation unit 6 omitted. Nonetheless, the sensor is the 2 also connected to a corresponding evaluation unit. In contrast to the embodiment of 1 the sensor includes beside the detection layer 3 with the exposed detection area 4 another detection layer 3 ' with appropriate detection area 4 ' and a hole 5 ' for the passage of the test beam. The detection layer 3 ' detected in an analogous manner as the detection layer 3 the impact position of the test beam. By way of example, such an impact position is in 2 denoted by AP '. In the sensor of 2 is the detection layer 3 Semitransparent configured, ie it is permeable to an incident on the underside test beam. Such types of detection layers are known in the art. Due to this partial transmission, the reflected test beam penetrates the detection layer 3 , so that in addition to its impact position AP on the detection layer 3 also its impact position AP 'on the detection layer 3 ' can be determined. The embodiment of the 2 has the advantage that for each measurement for a given reflection position of the test beam directly two impact positions AP and AP 'are determined. By means of the known distance of the detection layers 3 and 3 ' can then be determined without displacement of a detection layer, the beam path of the test beam. Thus, the surface of the test beam must be scanned only for a single z-position of the sensor. In the same way as in 1 After the measuring process has been performed, the shape of the surface of the test specimen will change again 7 receive.

Die Ausführungsform der 2 kann dahingehend erweitert werden, dass noch weitere Detektionsschichten oberhalb der Detektionsschicht 3' vorgesehen werden. In diesem Fall ist auch die Detektionsschicht 3' und ggf. weitere Detektionsschichten analog zur Schicht 3 teildurchlässig ausgestaltet. Alle weiteren Detektionsschichten umfassen wiederum ein Loch, über das der Prüfstrahl der Lichtquelle 2 durch die Detektionsschicht hindurchtritt. Mit dieser abgewandelten Ausführungsform können für eine Reflexionsposition des Prüfstrahls mehr als zwei Auftreffpositionen bestimmt werden, so dass der Strahlverlauf des Prüfstrahls mit größerer Genauigkeit ermittelt werden kann. Eine höhere Genauigkeit der Bestimmung des Strahlverlaufs kann gegebenenfalls auch in der oben beschriebenen Ausführungsform der 1 dadurch erreicht werden, dass die Auftreffposition des Prüfstrahls in mehr als zwei zueinander versetzten Detektionsebenen bestimmt wird. The embodiment of the 2 can be extended to the effect that even more detection layers above the detection layer 3 ' be provided. In this case, the detection layer is also 3 ' and optionally further detection layers analogous to the layer 3 partially permeable designed. All further detection layers in turn comprise a hole over which the test beam of the light source 2 passes through the detection layer. With this modified embodiment, more than two impact positions can be determined for a reflection position of the test beam, so that the beam path of the test beam can be determined with greater accuracy. A higher accuracy of the determination of the beam path may optionally also in the embodiment of the above-described 1 be achieved in that the impact position of the test beam is determined in more than two mutually offset detection planes.

3 zeigt eine geschnittene Detailansicht einer Detektionsschicht 3 mit freiliegender Detektionsfläche 4 sowie entsprechendem Loch 5 in einer abgewandelten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors. Gemäß 3 ist die Stahlquelle 2 zur Generierung des Prüfstrahls nunmehr nicht entfernt von der Detektionsschicht 3, sondern innerhalb des Lochs 5 der Detektionsschicht angeordnet. Die Strahlquelle ist dabei als sehr kompakte VCSEL-Laserdiode ausgebildet (VCSEL = Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser). Die elektrische Kontaktierung der Laserdiode erfolgt über schematisch angedeutete Drähte 9. Da die Laserdiode 2 einen Strahl mit einer relativ hohen Divergenz erzeugt, ist direkt an der Austrittsöffnung der Detektionsfläche 4 eine Auskoppeloptik 8 vorgesehen. Hierdurch werden die erforderlichen Strahleigenschaften des Prüfstrahls P hinter dem Sensor gewährleistet. In 3 weist der Prüfstrahl eine taillierte Form auf. Vorzugweise wird der Prüfling dabei am Ort des niedrigsten Querschnitts (d.h. in der Fokusebene des Prüfstrahls) positioniert. 3 shows a sectional detail view of a detection layer 3 with exposed detection surface 4 as well as appropriate hole 5 in a modified embodiment of a sensor according to the invention. According to 3 is the steel source 2 for generating the test beam now not removed from the detection layer 3 but inside the hole 5 arranged the detection layer. The beam source is designed as a very compact VCSEL laser diode (VCSEL = Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser). The electrical contacting of the laser diode via schematically indicated wires 9 , Because the laser diode 2 produces a jet with a relatively high divergence is directly at the exit opening of the detection surface 4 a coupling optics 8th intended. As a result, the required beam properties of the test beam P are ensured behind the sensor. In 3 the test beam has a waisted shape. Preferably, the test specimen is thereby positioned at the location of the lowest cross section (ie in the focal plane of the test beam).

Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere können auf einfache Weise die Eigenschaften eines gerichtet reflektierenden Prüflings über die Bestimmung des Strahlverlaufs von reflektierten Prüfstrahlen ermittelt werden. Dabei kann der zur Messung verwendete Sensor aufgrund seiner freiliegenden Detektionsfläche und des daraus austretenden Prüfstrahls sehr nahe an dem Prüfling positioniert werden. Auf diese Weise wird ein großer Fangbereich des Sensors für reflektierte Prüfstrahlen erreicht, so dass auch stark gekrümmte Oberflächen und großformatige Freiformflächen vermessen werden können. The embodiments of the invention described above have a number of advantages. In particular, the properties of a specularly reflecting specimen can be determined in a simple manner via the determination of the beam path of reflected test beams. In this case, the sensor used for the measurement can be positioned very close to the test object due to its exposed detection surface and the test beam emanating therefrom. In this way, a large capture range of the sensor for reflected test beams is achieved, so that even highly curved surfaces and large-format free-form surfaces can be measured.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 29512741 U1 [0004]
DE 10151332 B4 [0005]
DE 102007003681 A1 [0006, 0013, 0036]

Claims

Device for the optical analysis of a reflecting test object ( 7 ), comprising: a sensor ( 1 ) with a beam source ( 2 ) for generating a test beam (P), which in the operation of the device on the test specimen ( 7 ) and is reflected thereon, and a detection layer ( 3 ) for spatially resolved detection of the reflected test beam (P), wherein the detection layer ( 3 ) on one side a detection surface ( 4 ), on which the test beam impinges; - an evaluation unit ( 6 ) for determining the beam path of the reflected test beam (P) using the spatially resolved detection of the reflected test beam (P); characterized in that the sensor ( 1 ) is configured such that the detection surface ( 4 ) an exposed surface of the sensor ( 1 ) and the test beam (P) at the exposed detection surface ( 4 ) from the sensor ( 1 ) exit.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the evaluation unit ( 6 ) is set up, properties of the test specimen ( 7 ) and in particular the shape of the surface of the test piece ( 7 ) based on the beam paths of a plurality of test beams (P), which at different positions (RP) on the surface of the test piece (P) ( 7 ) are reflected.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that in the detection layer ( 3 ) with the exposed detection surface ( 4 ) a hole ( 5 ) is provided, via which the test beam (P) at the exposed detection surface ( 4 ) from the sensor ( 1 ) exit.

Device according to claim 3, characterized in that in the hole ( 5 ) an optic ( 8th ) is provided for forming the test steel (P).

Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that the beam source ( 2 ) on one of the reflective specimen ( 7 ) facing away from the detection layer ( 3 ) with the exposed detection surface ( 4 ) and the test beam (P) through the hole ( 5 ) passes.

Apparatus according to claim 5, characterized in that the test beam (P) as a free jet or by means of an optical waveguide to the hole ( 5 ) to be led.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the beam source ( 2 ) for generating the test beam (P) in the detection layer ( 3 ) with the exposed detection surface ( 4 ) or on the exposed detection surface ( 4 ) is attached.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor ( 1 ) is configured such that the test beam (P) at a substantially centered in the exposed detection surface ( 4 ) arranged exit position from the sensor ( 1 ) and / or that the test beam (P) perpendicular to the exposed detection surface ( 4 ) at this exit.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device comprises an actuator for changing the relative position of the detection layer ( 3 ) with the exposed detection surface ( 4 ) in relation to the examinee ( 7 ) along the direction of the at the exposed detection surface ( 4 ) exiting the test beam (P) in at least two relative positions through the exposed detection surface (P). 4 ), the evaluation unit ( 6 ) is set up, the beam path of the test beam (P) based on the spatially resolved detection of the test beam via the detection layer ( 3 ) with the exposed detection surface ( 4 ) in the at least two relative positions.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device comprises an actuator for changing the relative position of the detection layer ( 3 ) with the exposed detection surface ( 4 ) in relation to the examinee ( 7 ) in one or more directions which change the reflection position (RP) of the test beam (P) on the device under test.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor ( 1 ) one or more further detection layers ( 3 ' ) with a respective detection surface ( 4 ' ) for spatially resolved detection of the reflected test beam (P), wherein the further or the further detection layers ( 4 ' ) in the direction opposite to the beam direction (P1) of the sensor ( 1 ) exiting test beam (P) and parallel to the detection layer ( 3 ) with the exposed detection surface ( 4 ), wherein the detection layer ( 3 ) with the exposed detection surface ( 4 ) transparent to the DUT ( 7 ) reflected test beam (P) and wherein the evaluation unit ( 6 ) is set up, the beam path of the test beam (P) based on the spatially resolved detection of the test beam (P) via the detection layer ( 3 ) with the exposed detection surface ( 4 ) and the further or the further detection layers ( 3 ' ).

Apparatus according to claim 11, characterized in that the further or the further detection layers ( 3 ' ) one hole each ( 5 ' ) to the passage of the Prüfstrahls (P), said hole ( 5 ' ) or these holes ( 5 ' ) preferably aligned along the direction of the through the hole or holes ( 5 ' ) passing test beam (P) with a hole ( 5 ) to the exit of the test beam (P) at the exposed detection surface ( 4 ) are arranged.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the detection layer ( 4 ) and / or the further or the further detection layers ( 3 ' ) comprise a CCD sensor and / or a CMOS sensor and / or a PSD sensor.

Method for analyzing a reflective test specimen ( 7 ) with a device according to one of the preceding claims, characterized in that the test beam (P) after exiting the exposed detection surface ( 4 ) directly on the test specimen ( 7 ) and the test object ( 7 ) reflected test beam (P) directly by means of the exposed detection surface ( 4 ) is detected spatially resolved, whereby via the detection layer ( 3 ) with the evaluation unit ( 6 ) is determined using the spatially resolved detection of the reflected test beam (P) of the beam path of the reflected test beam (P).

Method according to claim 14, characterized in that by means of the evaluation unit ( 6 ) Properties of the test object ( 7 ) and in particular the shape of the surface of the test piece ( 7 ) are determined based on the beam traces of multiple test beams (P) reflected at different positions (RP) on the surface.

Method according to claim 14 or 15, characterized in that the test beam (P) is detected in a spatially resolved manner in at least two relative positions for determining its beam path, the at least two relative positions being detected by the detection layer (15). 3 ) with the exposed detection surface ( 4 ) or of the detection layer ( 3 ) with the exposed detection surface ( 4 ) and one or more further detection layers ( 4 ' ) in relation to the examinee ( 7 ) along the direction of the at the exposed detection surface ( 4 ) exiting test beam (P) are taken.