Optische Mikrosonde

Die Erfindung betrifft eine optische Mikrosonde zur Fokussierung eines Lichtstrahls auf ein Messobjekt.

Optische Mikrosonden sind Bestandteile optischer Sensorsysteme. Sie werden an ein Messobjekt herangeführt und erfassen mit hoher Präzision Abstandsänderungen zwischen der Sonde und dem Messobjekt.

Zur optischen Vermessung von Objekten offenbart die DE 103 17 826 Al ein Verfahren und eine Vorrichtung zur inter- ferometrischen Messung von Abständen, Topographien oder Tiefenprofilen. Dabei wird eine interferometrische Anordnung mit einer Interferometereinheit vorgesehen, die über eine faseroptische Einrichtung sowohl an eine Lichtquelle als auch an eine optische Mikrosonde angeschlossen ist. ü- ber die Mikrosonde wird Licht zu einem Messobjekt geführt und von diesem zurück empfangen. Das Licht wird dann dem Interferometer zugeführt, um die gewünschte Messung durchzuführen. Zur Messung wird vorzugsweise kurzkohärentes

Licht verwendet.

über den Aufbau der Sonde ist diesem Dokument wenig zu entnehmen.

Die interferometrische Abstandsmessung ist auch aus der DE 198 08 273 Al bekannt. Ein dafür eingerichtetes In- terferometer ist über eine faseroptische Einrichtung an optische Sonden angeschlossen, die sowohl einen Messlichtweg als auch einen Referenzlichtweg enthalten. Zur Messung wird auch hier vorzugsweise kurzkohärentes Licht verwendet. über den Aufbau des Objektivs, d.h. einer optischen Mikrosonde, gibt dieses Dokument wenig AufSchluss.

In der DE 100 57 539 Al wird eine interferometrische Messvorrichtung auf Basis einer faserbasierten optischen Sonde beschrieben, bei der der freie, dem Messobjekt zugewandte Endabschnitt der Faser poliert mit einer Blende versehen als Linse oder Prisma ausgebildet gegen störendes Reflexlicht behandelt, abgeschrägt, verspiegelt, entspiegelt oder mit einer Kombination dieser Maßnahmen versehen ist.

In der US 6 564 087 Bl werden optische Sonden beschrieben, bei denen Linsen und Prismenelemente zur Strahlformung und Umlenkung auf eine optische Faser gebracht werden, so dass die Faser ein fokussiertes Lichtstrahlbündel verlässt. Dabei sind die Endflächen, aus denen das Licht austritt, entweder plan oder konvex gestaltet. Diese Sonden werden im Zusammenhang mit einem interferometrischen Verfahren, der so genannten „Optical Coherence Tomography" eingesetzt .

Bei der Verwendung von kurzkohärentem Licht zu messtechnischen Zwecken, kommt es zu besonderen Anforderungen. Tritt dieses Licht durch ein dispersionsbehaftetes opti-

sches Medium hindurch, so bewegen sich die unterschiedlichen spektralen Anteile des Lichts mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. In einem Interferometer müssen die Dispersionsunterschiede zwischen dem Referenzstrahl und dem Messstrahl äußerst gering sein, da andernfalls die Interferenzfähigkeit des Lichts verloren geht.

Ferner ist es für die optische Messung erstrebenswert, wenn der Messstrahl bezogen auf die optische Achse unter einem möglichst großen Winkel, d.h. mit einer möglichst großen numerischen Apertur N _A fokussiert wird. Diese soll möglichst größer 0,1 sein. Dadurch lassen sich hohe Ortsauflösungen und eine große Unempfindlichkeit gegenüber lokalen Neigungen der Oberfläche des Messobjekts erreichen. Gleichzeitig wird häufig ein großer Abstand zwischen der optischen Sonde und dem Messobjekt gefordert. Diese Anforderungen lassen sich mit den heute bekannten optischen Mik- rosonden nur sehr eingeschränkt erfüllen. Die meisten zum Stand der Technik gehörigen Sonden weisen eine geringe numerische Apertur (kleiner als 0,1) auf.

Es wird deshalb nach einer Lösung gesucht, um bei größeren numerischen Aperturen innerhalb einer optischen Mik- rosonde einen definierten Referenzstrahl mit eindeutiger Phasenlage ausreichender Intensität und zu vernachlässigender Dispersionsdifferenz gegenüber dem Messstrahl zu erzeugen .

Außerdem soll eine solche Mikrosonde mit möglichst geringem Aufwand gefertigt und montiert werden können.

Diese Aufgabe wird von der Mikrosonde gemäß Anspruch 1 wie auch von der Mikrosonde gemäße Anspruch 2 gelöst.

Die erfindungsgemäßen Mikrosonden führen sowohl den

eigentlichen Messstrahl, der auf das zu messende Objekt gerichtet ist und von diesem reflektiert wird, als auch einen Referenzstrahl, der dem Messstrahl überlagert wird und mit diesem interferiert. Das System erweist sich als besonders robust, weil der Mess- und der Referenzstrahl weitgehend gemeinsam geführt werden und die Wegstrecken, die entweder nur der Messstrahl oder nur der Referenzstrahl zurücklegt, kurz gehalten sind. Während der Messstrahl zur Objektoberfläche und von dieser zurück läuft, läuft der Referenzstrahl zu der Lichtaustrittsfläche und wird von dieser in die Sonde zurück reflektiert. Dadurch ist die Dispersionsdifferenz zwischen Messstrahl und Referenzstrahl gering und selbst bei Weißlichtinterferometrie vernachlässigbar oder zumindest erträglich.

Des Weiteren gestattet die erfindungsgemäße Mikrosonde die Erzielung großer numerischer Aperturen (z.B. von ≥0,l) . Dadurch ist die optische Mikrosonde unempfindlich gegenüber lokalen Neigungen der Oberfläche des Messobjekts.

Die erfindungsgemäße optische Mikrosonde gestattet außerdem die einfache Einstellung der Intensität des Messstrahls im Verhältnis oder Vergleich zur Intensität des Referenzstrahls. Dazu genügt es z.B., die Reflexionseigenschaften der Lichtaustrittsfläche zweckentsprechend zu gestalten .

Die erfindungsgemäße Sonde kann wegen der ausschließlichen Verwendung einfacher 'Optischer Elemente, die unmittelbar miteinander verbunden werden können, auf einfache Weise mit geringem Aufwand gefertigt und montiert werden. Es ergibt sich eine mechanisch robuste Einheit.

Ein wesentlicher Erfindungsgedanke ist, dass die Lichtaustrittsfläche der optischen Sonde konkav ausgebildet

wird. Dies wird z.B. erreicht, indem zwischen der GRIN- Linse (Gradienten-Index-Linse) , GRIN-Faser oder einer sonstigen Sammellinse und der Objektoberfläche ein Glasstab mit konkav gewölbter Lichtaustrittsfläche angebracht wird. Allerdings kann die Lichtaustrittsfläche alternativ auch unmittelbar an der Sammellinse, der GRIN-Linse oder der GRIN- Faser angeordnet und ebenfalls konkav ausgebildet sein. Die Lichtleitfaser dient der Beleuchtung der GRIN-Linse oder Sammellinse. Zwischen der Lichtleitfaser und der Sammellinse bzw. GRIN-Linse wird der aus der Lichtleitfaser austretende Lichtstrahl aufgefächert. Dazu kann ein Abstand zwischen der Lichtleitfaser und der Sammellinse oder GRIN- Linse oder alternativ ein Stab aus optisch transparentem und homgenem Material, z.B. ein Glasstab dienen. Die optische Achse der Lichtleitfaser geht in die Zylinderachse des Glasstabs über. Das aus dem Faserkern austretende Licht kann sich zunächst divergent in dem Glasstab ausbreiten. Der Kernquerschnitt der Lichtleitfaser übernimmt damit die Funktion einer optischen Blende, durch die am Messobjekt reflektiertes Licht nur dann hindurchtreten kann, wenn es auf den Faserkern fokussiert wird, und der Winkel gegenüber der optischen Achse innerhalb des durch die numerische A- pertur der Faser bedingten Akzeptanzwinkels liegt. Vorzugsweise wird die z.B. zylinderförmige GRIN-Linse so an dem Glasstab angebracht, dass die Zylinderachsen des Glasstabs und der GRIN-Linse übereinstimmen.

Die GRIN-Linse kollimiert das Lichtstrahlenbündel zunächst und fokussiert es anschließend so, dass ein konvergenter Lichtkegel erzeugt wird, der die GRIN-Linse ver- lässt. Der Lichtkegel wird über eine konkave Lichtaustrittsfläche direkt oder alternativ über einen zylindrischen oder kegelförmigen Glasstab in Richtung auf das Messobjekt geführt. Die konkave Lichtaustrittsfläche ist dann an den Glasstab angebracht. In einem definierten Abstand zu

dem Messobjekt tritt der Lichtkegel dann aus dem Glasstab aus und läuft als konvergente Kugelwelle zu einem Fokuspunkt zusammen, der dem Messpunkt auf dem Messobjekt entspricht. Dazu wird bevorzugt, dass die Krümmung der konkaven Lichtaustrittsfläche mit der Krümmung der Wellenfront der Kugelwelle an der Stelle des Lichtaustritts übereinstimmt. Mit anderen Worten, die einzelnen Lichtstrahlen des zu dem Messobjekt hin konvergierenden Lichtkegels stehen senkrecht auf der Lichtaustrittsfläche und werden deshalb nicht gebrochen. Die Wellenfronten der konvergierenden Kugelwelle verlaufen also parallel zu der konkaven Austrittsfläche. Damit entsteht durch (Teil-) Reflexion an dieser Lichtaustrittsfläche ein definierter Referenzstrahl, dessen Licht wieder in den Faserkern eingekoppelt wird. Der austretende Anteil des Lichts tritt hingegen durch die konkave Lichtaustrittsfläche hindurch, ohne dass die einzelnen Lichtstrahlen dabei abgelenkt würden.

Nach der Reflexion am Messobjekt laufen die Lichtstrahlen zu der Lichtaustrittsfläche zurück und dabei als divergente Kugelwelle auseinander. Sie treten zumindest teilweise wieder durch die von dem Lichtaustrittsfenster gebildete konkave Kugelsegmentfläche hindurch, werden durch das optische System zum Faserkern geleitet und in die Faser eingekoppelt .

Das zwischen der GRIN-Linse und dem Messobjekt angeordnete Element kann ein Glasstab sein, der z.B. zylindrisch oder kegelstumpfförmig ausgebildet sein kann. Auch Teile der GRIN-Linse können kegelstumpfförmig ausgebildet werden. Dies hat den Vorteil, dass die Sondengeometrie der Geometrie einer konventionellen taktilen Rauheitstastspitze ähnelt. Rauheitstastspitzen haben ebenfalls eine kegelförmige Grundgeometrie, damit sie bei einer Tastschnittmessung über Störkanten auf dem Messobjekt hinweg gleiten können.

Während es vorteilhaft ist, wenn die Lichtaustrittsfläche eine konkave Kugelsegmentfläche ist, deren Krümmungsmittelpunkt mit dem Brennpunkt der Mikrosonde übereinstimmt, sind Abwandlungen dieser Anordnung möglich, die ohne gewölbte Lichtaustrittsfläche auskommen. Dazu wird das zwischen der GRIN-Linse und dem Messobjekt angeordnete optische Element, d.h. beispielsweise der Glaszylinder oder der Glaskegel, entlang der optischen Achse so lang bemessen, dass er sich bis unmittelbar zu dem Messobjekt erstreckt, dessen Oberfläche sich in der Nähe des Brennpunkts befindet. Die Lichtaustrittsfläche liegt dabei an einer Stelle, an der der Lichtkegel bereits so weit fokussiert ist, dass auf die konkave Ausgestaltung der Lichtaustrittsfläche verzichtet werden kann. Diese Bedingung ist gegeben, wenn der von dem Element eingenommene Lichtweg mindestens 80%, besser 90% des Abstands zwischen der Sammellinse bzw. GRIN-Linse und dem Brennpunkt einnimmt. Die Lichtdispersion zwischen dem Lichtaustrittsfenster und der Objektoberfläche ist dabei so gering, dass sie kaum störend wirkt.

Die Anordnung des optischen Elements zwischen der GRIN-Linse und dem Messobjekt ist nicht zwingend. Alternativ kann auf das .Element verzichtet werden. Das Licht tritt dann direkt aus der GRIN-Linse aus, deren Stirnfläche so bearbeitet wird, dass eine konkave Kugelfläche entsteht.

Es sind weitere Abwandlungen möglich. Beispielsweise kann die GRIN-Linse durch eine GRIN-Faser mit entsprechend geringerem Durchmesser ersetzt werden. Auf das zwischen der Glasfaser und GRIN-Faser bzw. GRIN-Linse angeordnete Element zur Lichtauffächerung, das z.B. die Form eines Glasstabs haben kann, wird verzichtet. Die Lichtaustrittsfläche kann unmittelbar an der GRIN-Faser vorgesehen werden.

In das zwischen der Sammellinse oder der GRIN-Linse und dem Messobjekt anzuordnende optische Element, d.h. den Glasstab oder den Glaszylinder kann auch ein Umlenkprisma integriert sein, beispielsweise in Form einer lichtreflektierenden (Grenz-) Fläche, so dass die optische Achse des austretenden Lichtstrahlenbündels einen definierten, von Null abweichenden Winkel mit der optischen Achse der Lichtleitfaser einschließt.

Es wird darauf hingewiesen, dass die optischen Elemente, Linsen und sonstigen Bauelemente der optischen Mikro- sonde aus Glas, durchsichtigem Kunststoff oder anderem geeigneten Material bestehen können. Die erfindungsgemäße optische Mikrosonde eignet sich insbesondere zum Einsatz in interferometrischen Messeinrichtungen oder in konfokalen Messeinrichtungen. Sie eignen sich insbesondere für den Betrieb mit kurzkohärentem Licht, z.B. weißem oder farbigem Licht, im sichtbaren oder unsichtbaren Wellenlängenbereich.

Bei Anwendung als rein konfokale Sonden kann die sonst an der Lichtaustrittsfläche auftretende Lichtreflexion, die bei interferometrischem Betrieb zur Erzeugung eines Referenzlichtstrahls genutzt wird, unterbunden werden, indem die Lichtaustrittsfläche beispielsweise mit einer geeigneten Beschichtung versehen wird.

Weitere Abwandlungen, Einzelheiten und Besonderheiten ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder Ansprüchen. Die Beschreibung beschränkt sich dabei auf wesentliche Aspekte der Erfindung und sonstiger Gegebenheiten. Die Zeichnung offenbart weitere Details und kann ergänzend herangezogen werden. Es zeigen:

Figur 1 eine Messeinrichtung mit optischer Mikrosonde in schematisierter Darstellung und

Figur 2 bis 8 abgewandelte Ausführungsformen der optischen Mikrosonde nach Figur 1 j eweils in schematisierter Darstellung .

In Figur 1 ist eine Messeinrichtung 1 veranschaulicht, die z.B. als interferometrische Messeinrichtung ausgebildet ist. Sie weist ein Messmodul 2 auf, das ein oder mehrere Lichtquellen, ein oder mehrere Interferometer und gegebenenfalls eine Auswerteeinrichtung enthält. Die Lichtquellen erzeugen vorzugsweise breitbandiges weißes oder weniger breitbandiges farbiges Licht. Es können auch schmalbandige Lichtquellen oder Lichtquellen mit Linienspektrum oder einer einzelnen Spektrallinie vorgesehen werden. An das Messmodul 2 ist zumindest eine Lichtleitfaser 3 angeschlossen, die zu einer optischen Mikrosonde 4 führt und letztlich zu dieser gehört. Die optische Mikrosonde 4 dient der Fokus- sierung eines Lichtbündels 5 auf ein Messobjekt 6 bzw. dessen Oberfläche.

Zu der Mikrosonde 4 gehören außer zumindest dem letzten Ende 7 der Lichtleitfaser 3 ein Lichtweg 8, eine Sammellinse 9 und ein optisches Element 10, an dem eine konkav gewölbte Lichtaustrittsfläche 11 ausgebildet ist. Diese ist vorzugweise eine Kugelfläche bzw. Kugelabschnittsfläche, deren Krümmungsmittelpunkt mit einem Brennpunkt 12 der Mikrosonde 4 übereinstimmt. Das Ende 7 der Lichtleitfaser, der Lichtweg 8, die Sammellinse 9 und das Element 10 weisen ü- bereinstimmende und aneinander anschließende optische Achsen 13, 14, 15, 16 auf. Die sich ergebende gemeinsame optische Achse führt durch den Brennpunkt 12.

Der Lichtweg 8 dient zur Auffächerung des aus der Lichtleitfaser 3 austretenden Lichtstrahls. Der Lichtweg 8 kann durch ein geeignetes optisches Element, wie beispielsweise einen aus optisch homogenem durchsichtigen Material, wie Glas oder Kunststoff, bestehenden Zylinder oder Stab 17, einen aus ebensolchem Material bestehenden Kegelstumpf oder dergleichen gebildet sein. Mit einer vorzugsweise ebenen Fläche 18 schließt der Stab 17 an die Lichtleitfaser 3

an. Mit einer gegenüber liegenden ebenfalls vorzugsweise ebenen Fläche 19 schließt der Stab 17 an die Sammellinse 9 an.

Die Sammellinse 9 ist vorzugsweise eine GRIN-Linse 20 mit z.B. abschnittsweise zylindrischem und abschnittsweise kegelförmigem Außenumfang. Die GRIN-Linse 20 kann mit einer ebenen Anschlussfläche 21 direkt an der Fläche 19 anliegen. Die GRIN-Linse 20 dient als Sammellinse zur Fokussierung des aufgefächerten, von dem Stab 17 abgegebenen Lichtbündels 22.

Die GRIN-Linse 20 weist eine vorzugsweise ebene, der Anschlussfläche 21 gegenüber liegende weitere Fläche 23 auf, an die das Element 10 mit einer vorzugsweise wiederum ebenen Fläche, vorzugsweise unmittelbar anschließt. Das E- lement 10 kann beispielsweise ein aus optisch transparentem homogenen Material bestehender Stab 24 größerer oder, wie dargestellt, geringerer Länge sein, in der er aufgrund seiner Kürze nahezu scheibenförmig wird. An dem Stab 24 ist die Lichtaustrittsfläche 11 ausgebildet. Der Glasstab 24 lässt das von der GRIN-Linse 20 fokussierte Lichtbündel 25 ungebrochen zu dem Brennpunkt 12 hindurchtreten. Die Lichtaustrittsfläche 11 reflektiert jedoch einen definierten Anteil des Lichts in den beschriebenen Lichtweg, d.h. die GRIN-Linse 20, den Stab 17 und die Lichtleitfaser 3 zurück. Z.B. kann die Lichtaustrittsfläche 11 dazu als teildurchlässiger Spiegel ausgebildet sein. Es können hierzu die natürlichen Reflexionseigenschaften der Lichtaustrittsfläche genutzt werden. Alternativ kann eine lichtreflektierende Beschichtung, beispielsweise in Form einer Metallbedamp- fung, vorgesehen werden, die die Lichtaustrittsfläche 11 ganz oder teilweise bedeckt.

Die insoweit beschriebene optische Mikrosonde 4 arbei-

tet wie folgt :

Die Mikrosonde 4 erhält über die Lichtleitfaser 3 Licht, das aus der nahezu punktförmigen Stirnfläche der Lichtleitfaser 3 aus- und in den Stab 17 übertritt. Es bildet sich das kegelförmige Lichtbündel 22 mit divergierenden Randstrahlen. Die GRIN-Linse 20 refokussiert das Lichtbündel mit zu dem Brennpunkt 12 hin konvergierenden Randstrahlen. Das Lichtbündel durchtritt den Stab 24. An der Lichtaustrittsfläche 22 teilt es sich in Mess- und Referenzstrahl. Der als Messstrahl dienende Teile tritt aus und läuft konvergent zu dem Brennpunkt 12. Er wird dabei aufgrund der (aus Sicht des Brennpunkts 12) konkaven Form wenig oder nicht gebrochen. Der Brennpunkt 12 reflektiert Teile des Lichts, die als divergente Kugelwelle von dem Brennpunkt 12 weg laufen und auf die zu der Wellenfront im Wesentlichen parallele Lichtaustrittsfläche 11 treffen. Diese wird somit zur Lichteintrittsfläche. Es vereinigen sich hier der Messlichtstrahl mit dem von der Lichtaustrittsfläche 11 reflektierten Referenzlichtstrahl und laufen gemeinsam durch die GRIN-Linse und den Stab 17 sowie die Lichtleitfaser 3 zu dem Messmodul 2 zurück. Dort werden die Gangunterschiede zwischen Messlichtstrahl und Referenzlichtstrahl, falls erforderlich, korrigiert und ein entstehendes Interferenzmuster kann ausgewertet werden.

Die vorgestellte Messeinrichtung 1 eignet sich nicht nur zur interferenzoptischen Vermessung der Oberfläche des Messobjekts 6 sondern auch zur konfokalen Mikroskopie bzw. Abstandsmessung. Dazu kann mit nahezu nicht reflektierender Lichtaustrittsfläche 11 gearbeitet werden. Hat die Lichtaustrittsfläche 11 gewisse Reflexionseigenschaften, beispielsweise um eine Betriebsartenumschaltung zu ermöglichen, stört dies wenig oder nicht.

Bei der konfokalen Mikroskopie misst das Messmodul 2 die Stärke des von der Oberfläche des Messobjekts 6 reflektierten und von der Mikrosonde 4 aufgenommenen Lichts. Die Stärke ist maximal, wenn sich die Oberfläche des Messobjekts 6 exakt in dem Brennpunkt 12 befindet. Eine Entfernungsänderung zwischen der mikrooptischen Sonde 4 und dem Messobjekt 6 gestattet die Ermittlung des Helligkeitsmaximums und somit der Höhe der Oberfläche des Messobjekts 6 im Intensitätsmaximum.

An der insoweit vorgestellten Mikrosonde 4 sind zahlreiche Abwandlungen möglich. Wie Figur 2 veranschaulicht, kann der Stab 24 bzw. das Element 10 entfallen, wenn die Lichtaustrittsfläche 11 unmittelbar an der GRIN-Linse 20 angebracht wird. Die sphärisch gewölbte Lichtaustrittsfläche 11 nimmt z.B. einen Teil der dem Messobjekt 6 zugewandten Fläche 23 der GRIN-Linse 20 ein. Wiederum ist die konkav gewölbte Lichtaustrittsfläche 11 vorzugsweise mit konstantem Radius bezüglich des Brennpunkts 12 gewölbt. Im übrigen gilt die vorige Beschreibung unter Zugrundelegung der bereits eingeführten Bezugszeichen entsprechend.

Eine weitere Abwandlung veranschaulicht Figur 3. Dort ist an Stelle des Stabs 17 der Lichtweg 8 durch eine freie Luftstrecke realisiert, die beispielsweise von einem Hohl- zylinder 26 umschlossen wird. An einem Ende des Hohlzylin- ders 8 kann mit nicht weiter veranschaulichten Mitteln das Ende 7 der Lichtleitfaser 3 gehalten sein. An dem anderen Ende des Hohlzylinders 26 ist die Sammellinse 9 angeordnet. Diese kann als GRIN-Linse oder, wie dargestellt, als Glaskörper 27 mit gewölbten Flächen ausgebildet sein. Wiederum kann die Lichtaustrittsfläche 11 durch eine Fläche der Sammellinse 9 gebildet sein. Im übrigen gilt die vorige Beschreibung unter Zugrundelegung gleicher, bereits eingeführter Bezugszeichen entsprechend.

Figur 4 veranschaulicht eine weitere Abwandlung der Erfindung. Die Besonderheit der Abwandlung besteht in der Ausbildung des Elements 10. Seine Lichtaustrittsfläche 11 ist hier eben, d.h. ohne sphärische Krümmung ausgebildet. Dafür nimmt der Stab 24 mindestens 80% vorzugsweise 90% des gesamten Abstands zwischen der Oberfläche des Messobjekts 6 und der dem Messobjekt zugewandten Fläche 23 der GRIN-Linse 20 ein. Aufgrund des geringen Abstands zwischen der den Referenzlichtstrahl erzeugenden Lichtaustrittsfläche 11 von dem Brennpunkt 12 sind die Dispersions- und Phasenunterschiede zwischen dem Referenzlichtstrahl und dem Messlichtstrahl weitgehend vernachlässigbar. Mit anderen Worten, die an der Lichtaustrittsfläche 11 entstehende Brechung des Lichtbündels 25 wird wegen des geringen Abstands zu der O- berfläche des Messobjekts 6 kaum wirksam. Ergänzend gilt vorstehende Beschreibung.

Eine weitere Abwandlung zeigt Figur 5. Diese beruht auf der Ausführungsform nach Figur 4 mit dem Unterschied, dass der Stab 25 und die GRIN-Linse 20 eine zumindest abschnittsweise kegelförmige Mantelfläche haben. Damit wird die Mikrosonde 4 an ihrem dem Messobjekt 6 zugewandten Ende besonders schlank. Außerdem kann sie über Erhebungen, Körperkanten und dergleichen Strukturen des Messobjekts 6 leicht hinweg gleiten. Hinsichtlich der Bemessung der Länge des Stabs 24 gilt, wie bereits im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach Figur 4, dass seine Länge L größer als 90% der Brennweite der GRIN-Linse 20 ist. die Brennweite berechnet sich dabei als Abstand der GRIN-Linse von der O- berflache des Messobjekts. Der Abstand ist der Abstand der Fläche 23 zu dem Brennpunkt 12.

Figur 6 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform, die wiederum auf der Ausführungsform nach Figur 1 beruht,

wobei jedoch die GRIN-Linse 20 und der Stab 24 eine von der Zylinderform und der Kegelform abweichende Außenkontur haben. Sie sind z.B. gerundet. Außerdem ist der Lichtweg 8 wiederum durch den Hohlzylinder 26 gebildet. Ansonsten gilt die vorige Beschreibung entsprechend.

Alle vorstehend beschriebenen Ausfϋhrungsformen der Mikrosonde können als seitwärts blickende Sonden ausgebildet werden, indem zwischen der Fläche 23 der Sammellinse 9 bzw. GRIN-Linse 20 und der Oberfläche des Messobjekts 6 ein Spiegel 28 angeordnet wird. Dieser kann die optische Achse des austretenden Lichtstrahlenbündels 25 um einen definierten von Null abweichenden Winkel ablenken. Dies zeigt Figur 7. Figur 8 veranschaulicht, dass die untere Prismen-Kante oder Prismen-Ende 29 des Stabs bzw. Prismas 24 entfallen kann, so dass die Mikrosonde 4 besonders tief in Sacklöcher und dergleichen eindringen kann.

Ergänzend zu den vorstehenden Erläuterungen wird auf folgende alternativen Merkmalskombinationen hingewiesen:

1. Eine Ausführungsform, bei der die Lichtleitfaser 3 optisch an den ersten zylindrischen Stab 17 aus optisch homogenem Material gekoppelt ist, wobei an den ersten zylindrischen Stab 17 die GRIN-Linse 20 optisch angekoppelt ist. An die GRIN-Linse ist ein zweiter Stab oder Prisma 24 aus optisch homogenem Material angekoppelt, wobei die Achsen dieser optischen Elemente näherungsweise miteinander übereinstimmen und die der GRIN-Linse 20 abgewandte Stirnfläche 11 des zweiten zylindrischen Stabs 24 konkav ausgeführt ist und als Lichtaustrittsfläche, gegebenenfalls als Lichteintrittsfläche und als Spiegel zur Erzeugung eines Referenzlichtstrahls dient.

2. Eine Ausführungsform, bei der die Mikrosonde 4 eine Lichtleitfaser 3, einen optisch an die Lichtleitfaser

3 gekoppelten ersten zylindrischen Stab 17 aus optisch homogenem Material und eine optisch an den ersten zylindrischen Stab gekoppelte GRIN-Linse 20 sowie einen optisch an die GRIN-Linse 20 gekoppelten Kegelstumpf aus optisch homogenem Material aufweist, wobei die Achsen dieser optischen Elemente näherungsweise miteinander übereinstimmen und die der GRIN-Linse abgewandte Stirnfläche des Kegelstumpfs konkav ausgeführt ist und als Lichtaustrittsfläche 11, gegebenenfalls als Lichteintrittsflache , und als Fläche zur Erzeugung eines Referenzlichtstrahls dient.

3. Eine Ausführungsform, bei der die optische Mikrosonde

4 aus einer Lichtleitfaser 3, einer optisch an die Lichtleitfaser gekoppelten GRIN-Linse 20 oder einer GRIN-Faser und einem optisch an die GRIN-Linse oder GRIN-Faser gekoppelten Kegelstumpf aus optisch homogenem Material besteht, wobei die Achsen dieser optischen Elemente miteinander näherungsweise übereinstimmen und die der GRIN-Linse 20 bzw. der GRIN-Faser abgewandte Stirnfläche des Kegelstumpfs konkav ausgeführt ist und als Lichtaustrittsfläche 11 bzw. Lichteintrittsfläche und lichtreflektierende Fläche zur Erzeugung eines Referenzlichtstrahls dient.

4. Eine Ausführungsform, bei der zu der Mikrosonde 4 eine Lichtleitfaser 7, ein optisch an die Lichtleitfaser gekoppelter zylindrischer Stab 17 aus optisch homogenem Material und eine optisch an den zylindrischen Stab 17 gekoppelte GRIN-Linse 20 gehören, wobei die dem zylindrischen Stab 17 abgewandte Stirnfläche der GRIN-Linse 20 zumindest nahe der optischen Achse 15 konkav ausgeführt ist und als Lichtaustrittsfläche 11

dient.

5. Eine Ausführungsform, bei der zu der Mikrosonde 4 eine Lichtleitfaser 3 und eine optisch an die Lichtleitfaser gekoppelte GRIN-Linse 20 oder eine GRIN-Faser gehören, wobei die der Lichtleitfaser 3 abgewandte Stirnfläche der GRIN-Linse bzw. der GRIN-Faser zumindest nahe der optischen Achse 15 konkav ausgeführt ist und als Lichtaustrittsfläche 11 dient.

6. Eine Ausführungsform, bei der die Mikrosonde 4 eine optische Faser 3 und einen Lichtweg 8 zur Auffächerung des von der Lichtleitfaser 3 abgegebenen Lichtbündels aufweist, das eine GRIN-Linse bzw. GRIN-Faser trifft, wobei zwischen der GRIN-Linse oder GRIN-Faser ein optisches Element vorgesehen ist, dessen dem Messobjekt 6 zugewandte Fläche als Planfläche ausgebildet ist und als Lichtaustrittsfläche 11 dient, wobei der Abstand zwischen der Lichtaustrittsfläche 11 und dem Brennpunkt 12 höchstens 20 % vorzugsweise höchstens 10 % des Abstands der GRIN-Linse von der Messobjektoberfläche beträgt.

7. Eine Ausführungsform, bei der die Mikrosonde 4 eine Lichtleitfaser 3, einen optisch an die Lichtleitfaser 3 gekoppelten zylindrischen Stab 17 aus optisch homogenem Material, eine optisch an den zylindrischen Stab 17 gekoppelte GRIN-Linse 20 und ein optisch an die GRIN-Linse gekoppeltes Element 10 umfasst, wobei das Element 10 als Prisma ausgebildet ist und die optische Achse des Systems um einen definierten Winkel umlenkt, wobei weiter die der GRIN-Linse 20 abgewandte Fläche des Prismas konkav ausgeführt ist und als Lichtaustrittsfläche 11 dient.

8. Bei der Mikrosonde nach einer der Ziffern 2, 3 oder 6 kann der Kegelstumpf aus optisch homogenem Material in ein Prisma integriert sein, das die optische Achse des Systems um einen definierten Winkel umlenkt, wobei die der GRIN-Linse abgewandte Stirnfläche des kombinierten Prismen-Kegelstumpfs konkav ausgeführt ist und als Lichtaustrittsfläche 11 dient.

9. Der Durchmesser der optischen Mikrosonde 4 kann vorzugsweise geringer als 5 mm sein.

10. Alle optischen Elemente können mechanisch unmittelbar miteinander verbunden sein.

Die erfindungsgemäße optische Mikrosonde verwendet mikrooptische Komponenten und nutzt insbesondere eine Lichtaustrittsfläche 11, die parallel zu der sie durchlaufenden optischen Kugelwelle gekrümmt ist oder die sich so nahe an dem Messobjekt 6 befindet, dass durch fehlende Parallelität zwischen der Lichtaustrittsfläche 11 und der sie durchlaufenden Wellenfront hervorgerufene Störungen unter einem gegebenen Grenzwert bleiben.

Bezugszeichen

1 Messeinrichtung

2 Messmodul

3 Lichtleitfaser

4 Mikrosonde

5 Lichtbündel

6 Messobjekt

7 Faser-Ende

8 Lichtweg

9 Sammellinse

10 Element

11 Lichtaustrittsfläche

12 Brennpunkt

13-16 optische Achsen

17 Stab

18, 19 Fläche

20 GRIN-Linse

21 Anschluss fläche 2 Lichtbündel 3 Fläche 4 Stab/Prisma 5 Lichtbündel 6 Hohlzylinder 7 Glaskörper 8 Spiegel 9 Prismen-Kante