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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur winkelaufgelösten Streulichtmessung nach
Anspruch 1.
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Streulichtmessung
hat sich als wirkungsvolle und schnelle Methode zur Oberflächencharakterisierung
etabliert. Auf der winkelaufgelösten
Streulichtmessung basierende Vorrichtungen werden vielfach verwendet,
um die Oberflächen
von Objekten zu inspizieren oder zu klassifizieren. Die Grundprinzipien sind
gut untersucht und hinlänglich
im Stand der Technik beschrieben.
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Eine
wesentliche Aufgabe bei der winkelaufgelösten Streulichtmessung ist
die Abbildung zumindest eines Teilbereichs der Hemisphäre auf einen ebenen
Sensor, ohne dass mechanische Bewegungen auszuführen sind. Diese Abbildung
kann z. B. mit dioptrischen, katoptrischen oder katadioptrischen Systemen
erfolgen.
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Grundlage
der als katadioptrische Anordnungen zu bezeichnenden Vorrichtungen
ist die Abbildung eines Streubildes auf eine planare Messfläche einer
Messeinrichtung, wobei das Streubild erzeugt wird durch definiertes
Beleuchten einer Oberfläche unter
einem schrägen
Winkel mit geeignetem Licht. Als Lichtquellen sind im Stand der
Technik je nach gewünschtem
Frequenzbereich z. B. Laser, UV-Lampen, Schwarze Strahler etc. bekannt.
Das Licht kann monochromatisch sein, muß es aber nicht. Charakteristisch
für diese
Vorrichtungen ist weiterhin, dass das Streubild über einen elliptischen Hohlspiegel
und weitere abbildende Linsen und/oder Spiegel auf die planare Messfläche abgebildet
wird. Dabei ordnet man die beleuchtete Oberfläche im ersten Brennpunkt des
elliptischen Hohlspiegels an, so dass das vom elliptischen Spiegel
reflektierte Streulicht im zweiten Brennpunkt gebündelt wird.
Der Begriff Messeinrichtung soll in diesem Zusammenhang alle im Stand
der Technik bekannten Nachweismittel für die Streulichtverteilung
umfassen, also z. B. sowohl eine Leinwand, einen Bildchip, ein Diodenarray
oder sonstige Einrichtungen aus dem Stand der Technik, auf die Streubilder
in Streulichtmessvorrichtungen abgebildet werden.
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Solche
Streulichtmessvorrichtungen sind aus der
US 5,637,873 , der
US 6,982,794 B1 und der
DE 10034048 A1 bekannt.
Da diese Vorrichtungen auf eine zu untersuchende Oberfläche aufgelegt
werden sollen, ist der Hohlspiegel teilhemisphärisch ausgebildet, und die
Hauptachse des elliptischen Spiegels steht schräg zur beleuchteten Oberfläche. Im
Ergebnis erhält
man dadurch eine extrem asymmetrische ”off-axis”-Anordnung.
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Aus
der
DE 43 04 815 A1 ist
eine Vorrichtung zur Streulichtmessung für die Untersuchung von Oberflächen bekannt,
nämlich
zur Vermessung von deren Höhenprofilen,
mit einer Beleuchtungslichtquelle, die angeordnet und ausgebildet
ist, einen Teilbereich der zu untersuchenden Oberfläche unter
einem schrägen
Winkel parallel oder quasi-parallel mit Beleuchtungslicht zu beleuchten,
wobei eine Leuchtzeile der Beleuchtungslichtquelle auf eine Beleuchtungsebene
senkrecht zur Oberfläche
abgebildet wird, mit einer Messeinrichtung zur Erfassung des von
der Oberfläche
gestreuten Streulichts, wobei die Messeinrichtung eine Messfläche aufweist
und eine abbildende Linse, die ausgebildet ist zur Abbil dung der
Beleuchtungsebene auf die Messfläche,
wobei die Messfläche
so zur Beleuchtungsebene geneigt steht, dass sich die von der Messfläche aufgespannte
Ebene, die Hauptebene der Linse und die Beleuchtungsebene in einer
Geraden schneiden.
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Es
wird als nachteilig dieses Standes der Technik angesehen, dass praktische
und theoretische Untersuchungen ergeben, dass diese bekannten Anordnungen
nicht befriedigend arbeiten, insbesondere kann das gesamte Streubild
bei hoher Winkelauflösung
nicht überall
scharf auf der Messfläche abgebildet
werden. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier eine
konstruktiv und apparativ einfache Verbesserung zur Verfügung zu
stellen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben, während in den Unteransprüchen vorteilhafte
Weiterbildungen angegeben sind.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass das primäre Ziel
der Verbesserung sein muß,
die Katakaustik des elliptischen Hohlspiegels besser auf die ebene
Meßfläche abzubilden.
Da allerdings die Katakaustik keine ebene Fläche ist, sondern eine gekrümmte Fläche im Raum,
die bei den ”off-axis”-Anordnungen zudem
asymmetrisch zur optischen Achse des abbildenden Systems steht,
ist Sorgfalt auf die Tiefenschärfe
bei deren Abbildung geboten. Mag bei symmetrischen Streulichtanordnungen
die Katakaustik noch mit ausreichendem Ergebnis näherungsweise
als Ebene senkrecht zur optischen Achse betrachtet werden, so trifft
dies bei den hier vorliegenden ”off-axis”-Anordnungen
jedenfalls nicht mehr zu. Hier setzt die Erfindung an, indem der Katakaustik
eine Ebene zugeordnet wird, die Katakaustikebene, z. B. rechnerisch
oder zeichnerisch-konstruktiv,
und das aus anderen Bereichen bekannte Scheimpflug-Prinzip angewendet
wird. Es ist dadurch möglich,
auch für
stark asymmetrische katadioptrische Vorrichtungen zufriedenstellende
Ergebnisse zu erhalten.
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Das
Scheimpflug-Prinzip besagt vereinfacht, daß sich bei Neigung der Objektebene
gegen das Lot zur optischen Achse auch die Bildebene neigt, wie man
leicht durch punktweise Konstruktion des Bildes eines geneigten
Objektes nach den Regeln der geometrischen Optik sehen kann. Um
das geneigte Objekt dennoch scharf aufzunehmen muss eine das Bild aufnehmende
Filmebene entsprechend der Bildebene geneigt sein. Es ist das auf
Scheimpflug zurückgehende
Kriterium zu erfüllen,
daß sich
Linsenebene, Filmebene und Objektebene in einer Geraden schneiden.
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Die
Erfindung sieht vor, zu der im Raum gekrümmten Katakaustik des elliptischen
Hohlspiegels eine Ebene zu ermitteln (Katakaustikebene), und die Mess fläche so zu
kippen, daß sich
die Ebene der Messfläche,
die Hauptebene der Linse, die die Katakaustik auf die Messebene
abbildet und deren objektseitiger Brennpunkt mit dem zweiten Brennpunkt
des Hohlspiegels zusammenfällt,
und die Katakaustikebene in einer Geraden schneiden. Dann liegt
die Bildebene in der Ebene der Messfläche.
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Wenn
an der Abbildung der Katakaustik auf die Messfläche auch ein Umlenkspiegel
beteiligt ist, muss diese Konstruktionsanweisung modifiziert werden:
statt der Katakaustik ist das virtuelle Bild der Katakaustik aus
Sicht der abbildenden Linse hinter dem Umlenkspiegel für die Konstruktion
zu verwenden, besser gesagt die virtuelle Katakaustikebene.
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Grundsätzlich kann
die Katakaustikebene (auch die virtuelle) nach irgendeinem Kriterium
aus der Katakaustik abgeleitet werden. Da es allerdings um die optimale
Abbildung auf die Messebene geht, wird mit Vorteil nach Anspruch
2 vorgeschlagen, die Ebene nach dem Minimum der Abstandsquadrate
als Mittelwertebene zu der Katakaustik zu bestimmen.
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Mit
Vorteil werden die Merkmale nach Anspruch 3 vorgeschlagen. Je größer die
numerische Exzentrizität,
desto größer ist
der Abstand zwischen den beiden Brennpunkten A und B. Das führt auch dazu,
dass der Abstand der abbildenden Linse zum abzubildenden Objekt
wächst,
nämlich
zur Katakaustik, so dass von der Linse ein kleinerer Winkelbereich zu
erfassen und abzubilden ist, wodurch Abbildungsfehler klein gehalten
werden.
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Mit
den Merkmalen des Anspruchs 4 wird mit Vorteil erreicht, dass die
Neigung der Messfläche noch
justierbar ist. Dies kann gemäß Anspruch
5 mit Vorteil automatisiert erfolgen, indem z. B. auf die Optimierung
der Bildschärfe
auf der Messfläche
geregelt wird, das heißt
die Neigung der Messfläche
wird so gewählt,
dass die Bildschärfe
einen optimalen Wert erfährt.
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Schließlich werden
die vorteilhaften Merkmale des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Bei asymmetrischen
katadioptrischen Anordnungen ist die Katakaustik und damit auch
deren Bild asymmetrisch zur Ellipsenhauptachse, so dass ein symmetrisch
zu dieser Hauptachse liegendes abbildendes System die Messfläche nur
teilweise beleuchtet, z. B. nur die untere Hälfte, wie z. B. in der später erläuterten 2 erkennbar
ist. Durch die Merkmale des Anspruchs 7 wird erreicht, dass die
Messfläche
vollständiger
für die
Abbildung des Streubildes ausgenutzt wird, Messfläche und
Bild also räumlich
besser koinzidieren.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand von Abbildungen näher erläutert werden, die grundlegende
Prinzipien und Ausführungsbeispiele
darstellen. Es zeigen:
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1a eine
Darstellung der vollen Katakaustik eines hemisphärischen elliptischen Hohlspiegels;
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1b eine
symmetrische Messanordnung nach dem Stand der Technik;
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2 eine
Darstellung der paraxialen Konstruktion des Bildes einer Katakaustik;
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3 eine
asymmetrische Messanordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung; und
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4 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Streulichtmessvorrichtung.
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1a zeigt
die geometrische Form der vollen Katakaustik 1 eines hemisphärischen
elliptischen Hohlspiegels 2 in einer Schnittebene xy, wobei
die Beleuch tungsquelle als im ersten Brennpunkt A sitzend angenommen
wird. Die Geometrie der Katakaustik 1 zeigt eine typische
Ei-Form.
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1b zeigt
in der linken Bildhälfte
eine Detailansicht dazu für
eine zur optischen Achse 5 symmetrische (teil-)hemisphärische Konfiguration.
Ein Beobachter in Brennpunkt B, und nur in B, kann die gesamte Katakaustik 1 des
Hohlspiegels 2 beobachten. Deswegen ist in der rechten
Bildhälfte
eine Kamera 4 so angeordnet, dass die Apertur 3 der
(nicht dargestellten) Kameralinse in den zweiten Brennpunkt B fällt. Der
nicht gezeigte Kamerafilm oder Bildchip steht dabei senkrecht zur
optischen Achse 5.
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Die
Abbildungssituation für
eine asymmetrische Anordnung zeigt 2. Die Abbildung
der asymmetrischen Katakaustik 1 des teilhemisphärischen
Hohlspiegels 2 erfolgt durch eine Kameralinse 6 mit
katakaustikseitigem Brennpunkt in B. Es ergibt sich ein Bild 1' von der Katakaustik 1 hinter
der Linse 6. Während
die Katakaustik 1 vollständig oberhalb der optischen
Achse 5 liegt, ist deren Bild 1' vollständig unterhalb der optischen
Achse 5. Weiterhin sind die Linsenebene 7 sowie
die Filmebene bzw. Bildchipebene 8 eingezeichnet. Sie stehen
parallel zueinander, während
die Tiefenschärfeebene
wie das Bild 1' schräg dazu verläuft. Die
weiteren Linien der 2 sind Hilfslinien und dienen
lediglich zur Verdeutlichung der optischen Abbildung.
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3 zeigt
zum einen die geometrische Konstruktion der Abbildung der Katakaustik 1 in
ihr Abbild 1' in
einer typischen katadioptrischen Anordnung. Es ist hier zusätzlich gegenüber 2 anzumerken,
dass die optische Achse 5' der
abbildenden Linse 6 gegenüber der optischen Achse 5 des
Hohlspiegels 2 um den zweiten Brennpunkt B leicht verkippt
ist. Daher steht auch die Linsenebene 7 nicht exakt senkrecht
auf der optischen Achse 5 des Hohlspiegels 2,
sondern leicht geneigt dazu. Weiterhin zeigt die 3 das
geometrische Grundprinzip der Erfindung. Zur Verbesserung der Tiefenschärfe ist der
das Katakaustikbild 1' aufnehmende
Detektor 10 mit seiner Detektorfläche schräg zur optischen Achse 5 des
Hohlspiegels stehend angeordnet. Die Schrägstellung ist dabei so gewählt, dass
dem Scheimpflug-Prinzip genügt
wird. Die Ebene 8 der Detektorfläche 14 schneidet die
Linsenebene 7 und eine aus der Katakaustik 1 hergeleitete
Ebene 9 in einer Geraden 11, die hier wegen der
2-dimensionalen Darstellung nur als Punkt erscheint, wie auch die Ebenen 7, 8, 9 aufgrund
der 2-D-Darstellung nur als Geraden erscheinen.
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Die
Katakaustik-Ebene 9 ist im gezeigten Beispiel rechnerisch
ermittelt worden als Mittelwertebene nach der least-square methode.
Es können auch
andere Mittelwertebenen gewählt
werden, die Katakaustik-Ebene kann aber auch auf andere Weise aus
der Katakaustik abgeleitet werden, z. B. als Ebene durch die äußeren Punkte
der Katakaustik 1 oder durch andere definierte Punkte.
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Die
Streulichmessvorrichtung 40 der 4 weist
eine Lichtquelle 41 auf, die auf eine zu untersuchende
Oberfläche 42 eines
Objektes 43 unter einem definierten schrägen Winkel
einen Lichtstrahl 44 richtet. Das Licht 44 beleuchtet
einen Teilbereich 45 der Oberfläche 42, der unmittelbar
im ersten Brennpunkt A des den beleuchteten Teilbereich 45 teilhemisphärisch umgebenden
elliptischen Hohlspiegels 2 angeordnet ist. Der Hohlspiegel 2 reflektiert
das vom beleuchteten Teilbereich 45 in seine Richtung gestreute Licht
und bündelt
es im zweiten Brennpunkt B, wo eine Blende 46 angeordnet
ist zur Unterdrückung
von störendem
Fremdlicht. Das Streulicht soll möglichst ungehindert die Blende 46 passieren
können.
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Eine
Abbildungslinse 47, deren objektseitiger Brennpunkt mit
dem zweiten Ellipsenbrennpunkt B zusammenfällt, bildet das im Punkt B
gesammelte Streulicht auf die Sensorfläche 50 eines Sensors 51 ab.
Das auf den Sensor 51 fallende Streulicht kann dann z.
B. ausgewertet werden, was aber nicht erfindungserheblich ist und
daher hier nicht näher
zu beschreiben ist.
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In 4 sind
die für
die Anwendung des Scheimpflug-Prinzips benötigten Ebenen nur als Linien
dargestellt aus Gründen
der leichteren zeichnerischen Darstellbarkeit. Es ist in 4 erkennbar,
daß die
Ebene der Sensorfläche 50 schräg zur Linsenebene 52 verläuft und
diese in einer Geraden 53 schneidet.
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Nicht
dargestellt ist die Katakaustik der Ellipsenspiegels 2.
Einzig die Katakaustik-Ebene 54, z. B. errechnet nach der
least-square-Abstandsmethode, ist als Linie eingezeichnet. Sie schneidet
die Linsenebene 52 und die Sensorflächenebene 50 ebenfalls
in der gemeinsamen Schnittgeraden 53.
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Der
Sensor 51 ist um eine Achse 56 drehbar an dieser
befestigt, so daß die
Sensorflächenebene 50 gedreht
werden kann, z. B. um Neigungsänderungen
des beleuchteten Teilbereiches 45 der Oberfläche 42 beim
Scannen des Objektes 43 auszugleichen. Dies kann z. B.
automatisiert erfolgen, indem die Drehachse 56 automatisiert
motor- oder aktorgetrieben ausgestaltet wird, und der optimale Kontrast des
auf die Sensorfläche 50 abgebildeten
Streubildes als Regelgröße für die Steuerung
und Einstellung der Sensorflächenebene 50 verwendet
wird.
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Die
gezeigten Ausführungsbeispiele
von Streulichtmessanordnungen weisen keine Umlenkspiegel auf, ohne
dass dies als Einschränkung
zu verstehen ist. Die vorweg beschriebenen Prinzipien sind analog
anwendbar für
Anordnungen mit zusätzlichen
Umlenkspiegeln, wobei ggf. zu berücksichtigen ist, welche Ebenen
bei der Konstruktion nach dem Scheimpflug-Prinzip anzusetzen sind:
die reelle Katakaustikebene oder die Katakaustikebene des virtuellen
Bildes der Katakaustik hinter dem Umlenkspiegel aus Sicht der abbildenden
Linse 47.