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TWI728562B - 光學測量裝置 - Google Patents

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TWI728562B
TWI728562B TW108142307A TW108142307A TWI728562B TW I728562 B TWI728562 B TW I728562B TW 108142307 A TW108142307 A TW 108142307A TW 108142307 A TW108142307 A TW 108142307A TW I728562 B TWI728562 B TW I728562B
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lens
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克里斯多夫 迪茲
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德商普雷茨特光電有限公司
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Abstract

本發明公開了光學測量裝置，包括：發射多個波長的光的光源(1)；來自光源(1)的光通過其的第一共焦光闌(2)；光學照射/成像系統(BA)，至少包括：第一分光元件(4)，其被設計為棱鏡或光柵，進入第一分光元件(4)的光被使得準直；及與第一分光元件(4)空間上分開的、具有至少一第一透鏡的第一透鏡系統(5)，第一透鏡系統(5)的有效焦距(
Figure 108142307-A0101-11-0001-1
)對於不同波長而顯著不同(

Description

光學測量裝置
本發明涉及光學測量裝置，尤其涉及用於測量物體的光色測量裝置。
用於測量物體的光學測量裝置已知。EP 2 076 733 B1公開了一種用於確定物體表面和厚度的測量儀器，其包括多色光源和具有色散元件的光學處理器部分，色散元件使直射在將要測量的物體上的光學輻射按非軸向色散。在該裝置中，光學輻射的不同波長按物體表面的法線方向在不同高度聚焦。用於光學輻射的第二處理器部分將測量物體在鏡面反射方向反射的光導向檢測器，其配置成確定最大強度的波長以確定表面高度。
本發明的目標在於提供一種改進的、用於測量物體的測量裝置。
本發明的一方面提出一種測量裝置，包括發射多個波長的光源，其光通過第一共焦光闌射入光學照射/成像系統。該光學照射/成像系統包括第一分光元件，其被設計為棱鏡或光柵。第一分光元件根據波長拆分光，即不同波長的光以相同角度射中分光元件但以不同角度離開該分光元件。在棱鏡情形下，這因色散引起；在光柵情形下，一階或更高階的衍射（正或負階衍射）用作光學輸出並進行光譜拆分。
在該過程中，光進入第一分光元件，針對所有波長使得準直。這僅在下述情形下可能：在光源與第一分光元件之間未設置有具有明顯隨波長而變的焦距的元件尤其是具有明顯色差（色像差）的透鏡或透鏡組合。
光學照射/成像系統還包括第一透鏡系統，其具有至少一第一透鏡。第一透鏡系統與第一分光元件空間上分開，即它們為兩個分開的元件。第一透鏡系統的有效焦距對於不同波長而顯著變化。該性質被稱為軸向色差。
光通過光學照射/成像系統聚焦，不同波長的聚焦位置尤其是焦點或焦線被形成在不同位置。這些位置沿測量段尤其是線段或區域段坐落，測量段與第一透鏡系統的對稱軸形成銳角。
焦點或焦線位於其上的線段或區域段的區域表示測量裝置的測量範圍。與線段交叉並反射至少一部分光的任何物體均可被測量。
從焦點到透鏡系統的距離因第一透鏡系統的軸向色差而隨波長變化。在沒有明顯軸向色差的情形下，焦點將大約垂直於對稱軸成一線。
測量裝置還包括與光學照射/成像系統空間上分開的光學檢測/成像系統。空間上分開使能使用更小、更輕的光學元件。光學檢測/成像系統組態成接收由物體反射的、來自與照射光射中物體的方向不同方向的光，及使所使用的所有波長的焦點成像在第二共焦光闌上。
第二共焦光闌具有抑制焦點未對準而射中測量物體因而在第二共焦光闌上未被精確成像的波長的光的效果，因而降低背景雜訊及提高信噪比。
測量裝置還包括檢測器，其配置成獲得通過第二光闌的光的強度。
由於明顯的軸向色差，當聚焦位置或焦點的成像品質好時，光入射角可增大以有效抑制或減少所謂的陰影效應。
本發明的特徵因而具有測量光在測量物體上的平均入射角更陡的優點，從而減少陰影。
另一方面，入射角也不垂直於物體，因而可能分開地穿過光學照射/成像系統和光學檢測/成像系統，及入射方向或接收方向不同於焦點成一線的方向。因此，來自未被聚焦在物體表面上的波長的光不僅僅焦點未對準地成像在第二共焦光闌上而且還被橫向偏移。這意味著未聚焦在物體上的那些波長的光較少通過第二共焦光闌，及背景雜訊將繼續被抑制。測量裝置的解析度僅由所使用的物鏡（光學照射/成像系統和光學檢測/成像系統）的解析度確定。
通常，焦點位於其上的線段優選以直角或者幾乎以直角與將要測量的物體的表面交叉。這具有測量不失真的優點。在直角時，平行於表面的座標值（x/y座標）對於每一焦點是常數且既不取決於表面上方（z）的高度也不取決於波長。這意味著表面的地形可直接在笛卡爾（Cartesian）坐標系中確定，無需進行另外的轉換。因此，在測量中不會出現表面失真。
在光學照射/成像系統和光學檢測/成像系統對稱設置時，線段垂直於表面的設置還具有更高光效能的優點。
本發明的有利發展在下面進行描述。
光源優選發射連續光譜。所發射的光譜最好在可見光範圍（約400-800nm）或者在紅外範圍。
第一透鏡系統對於光源的最小波長的焦距與第一透鏡系統對於光源的最大波長的焦距相差量δf。δf與平均波長的焦距f0 的商優選大於5%。這種色差水準可被視為明顯。
Figure 02_image005
光源的最小波長的焦點與最大波長的焦點之間的距離限定測量裝置的測量範圍。對於每一應用均有特別適當的測量範圍。例如，選擇的測量範圍有利地大於將要測量的物體上的最大結構或者預期高度差。同時，選擇的測量範圍不應太大，因為測量範圍與解析度之間通常呈相反關係。在本申請中，測量範圍優選在幾毫米或小於1毫米的範圍中。
測量範圍通過相對於第一透鏡系統的對稱軸橫向和軸向移動不同波長的焦點而預先確定。軸向運動和橫向運動優選相差小於2的因數，最好大約一樣。換言之，軸向和橫向運動與測量範圍本身均屬於同樣的量級。
焦點位置的橫向和軸向運動有利地選擇成使得通過不同波長的焦點位置的線段與第一透鏡系統的對稱軸具有小於60°的角度。該角度小於或等於45°特別有利。這特別適合避免陰影並使設計緊湊。
還優選穿過不同波長的焦點的線段與第一透鏡系統的對稱軸具有大於30°的角度。
特別優選地，第一透鏡系統對於光源的最小波長的焦距與第一透鏡系統對於光源的最大波長的焦距之間相差的量大約對應於測量裝置的預先確定的測量範圍。
為實現足夠的焦斑位錯（色差），第一透鏡系統中的至少一透鏡有利地具有
Figure 02_image007
>40的阿貝數。
光學照射/成像系統優選包括設置在光源與第一分光元件之間的準直透鏡。該準直透鏡優選為消色差透鏡，即不同波長的焦距或一樣或僅稍微不同。這使所有波長的光路準直。作為備選，準直透鏡可通過幾個透鏡而變換佈置，這幾個透鏡在一起看待時具有上面提出的性質。
也可能提供具有色差的準直透鏡，使得斑點的軸向運動在準直透鏡與第一透鏡系統之間分配。這意味著光路對於所有波長並未被第一分光元件完美地準直。
確保焦點位於其上的線段筆直是有利的，這通過第一透鏡系統的焦點的波長依存關係與第一分光元件的拆分的波長依存關係彼此匹配而實現。特別有利地，這通過考慮波長依存關係之間的數學關係而實現（參見圖3a和3b的闡釋）。優選地，或者棱鏡被選擇為第一分光元件並與包括一個或多個色散透鏡的第一透鏡系統結合，或者光柵被選擇為第一分光元件並與第一透鏡系統中的至少一衍射透鏡結合。因而，或者色散元件一起使用，或者衍射元件一起使用。這使可能確保焦點的軸向和橫向運動相配（即運動與波長之間的數學關係等於比例因數就足夠），使得線段筆直。
根據本發明的優選實施例，光學檢測/成像系統包括第二分光元件即棱鏡或光柵以及第二透鏡系統。這使能以特別簡單的方式在第二共焦光闌上成像。原理上，光路在此對應於光學照射/成像系統的光路，但元件的順序相反。在此，由於順序相反，第二分光元件具有使第一分光元件導致的拆分反過來的效果。來自光學照射/成像系統的焦點之一並具有對應於該焦點的波長的光因此通過光學檢測/成像系統聚焦在同一位置上（對於所有波長），有利地，聚焦在第二共焦光闌的開口上。
第二分光元件優選與第一分光元件結構一樣。具體地，如果第一分光元件為棱鏡，則第二分光元件也為棱鏡且結構完全一樣；如果第一分光元件為光柵，則第二分光元件亦為光柵且結構完全一樣。
第二透鏡系統優選與第一透鏡系統結構一樣。
如果整個光學照射/成像系統和光學檢測/成像系統結構完全一樣則特別有利。在這樣的佈置下，它們鏡像對稱，檢測光路因而與照射光路一樣。
對於該實施例，有利地，焦點在其上成一線的線段至少大約垂直於將要測量的物體使得整個佈置對稱。
焦點在其上成一線的線段有利地位於照射光路與檢測光路之間的分角線上。
根據本發明的優選實施例，檢測器包括分光計並配置成確定波長的強度最大值及從這些最大值計算物體的距離值。
特別優選地，在波長的強度最大值與距離值之間建立關係。這有利地通過校準測量裝置實現。該關係用於確定距離值。
由於測量裝置的共焦結構，聚焦在將要測量的物體上的波長被再次銳利地成像在第二共焦光闌的開口上。因此，該波長的大部分強度通過光闌，這樣，強度最大值對應於聚焦在物體上的波長。這使可能得出物體表面相對於焦點位置的位置。
在本發明的優選實施例中，第一共焦光闌和第二共焦光闌均為孔徑光闌，即它們具有小截面的圓形開口。為了確保良好的橫向解析度，直徑優選小於100µm。特別優選地，該直徑小於50µm。這導致在物體表面上的單一點的測量。
在本發明的備選實施例中，第一共焦光闌和第二共焦光闌均為狹縫光闌，即它們具有狹縫狀開口。在該實施例中，焦線而不是焦點被形成在不同位置。不是沿線段，而是焦線位於區域段上並具有對應於狹縫光闌的長邊的一維度及具有上面描述的線段的所有性質的另一維度。結合焦點和線段描述的所有特徵可同等應用於焦線和區域段。光學照射/成像系統設計成使得不同波長的焦線被形成在不同位置，這些位置沿與第一透鏡系統的對稱軸形成銳角的區域段坐落。測量裝置設計成測量與區域段交叉的物體。光學檢測/成像系統組態成將所有波長的焦線成像在第二共焦光闌上。
狹縫光闌定向成使得第一共焦光闌被成像在第二共焦光闌上。有利地，狹縫光闌定向成使得拆分由第一分光元件以與狹縫的較長邊成直角地進行。
這種佈置的橫向解析度（即按與高度測量成直角的方向）僅由物鏡（光學照射/成像系統和光學檢測/成像系統）的解析度確定，因為只有焦線區域被成像。各個圖元之間沒有串擾問題。
成行設置的多個孔開口可被視為該實施例的變型。
在本發明的優選實施例中，檢測器包括按空間分辨的方式測量通過第二共焦光闌的強度的感測器。在該實施例中，特別優選地，在檢測器內沒有光譜拆分，因此在第二共焦光闌的位置處獲得全強度的圖像。因而，由於彩色拆分，以增大的景深獲得物體表面的圖像。此外，有利地，感測器還配置成空間上分辨入射光位置。在該過程中，入射光的強度例如通過多個個別圖元在幾個位置處確定。這樣，入射光沿至少一維度的空間分辨是可能的，空間分辨的維度優選對應於狹縫光闌的長邊。
優選使用矩陣檢測器即允許入射光在兩個維度的分辨的多個感測器。
在本發明的另一優選實施例中，檢測器包括分束器，其將光的一部分導向第一檢測器部分及將光的第二部分導向第二檢測器部分。特別優選地，光被進行光譜拆分，在第一檢測器部分中確定最大強度的波長同時在第二檢測器部分中不進行光譜拆分，產生全強度圖像。通過第二檢測器部分獲得的全強度圖像與同時通過第一檢測器部分針對同樣的測量範圍獲得的高度資料組合，例如借助於顯示裝置疊加表示。特別優選地，可能評估和輸出高度資料及在與高度成直角的平面中更準確分辨的全強度圖像。
為了充分利用狹縫光闌相較於針孔光闌的格柵的優點，由測量物體反射的光優選由測量物體與檢測器之間的自由空間光學器件傳播。同樣優選地，光通過自由空間光學器件從光源傳播到測量物體。這具有附加的優點，即測量裝置可具有更堅固的結構且構建不太昂貴以及很大程度上與溫度無關。
根據本發明的優選實施例，分束器為立方分束器，特別優選地，其包括兩個互連的棱鏡，具有在棱鏡之間延伸的分束器表面。
將要測量的物體與測量裝置可有利地相對於彼此移動，優選在兩個或三個維度。該移動優選為自動移動。因而，可能掃描物體以測量多個點。
圖1示出了彩色共焦測量裝置的示例性實施例的示意圖。
光源1發射多波長光束。優選地，其發射連續光譜，該連續光譜最好位於可見光譜區內。例如，光源為LED或者鹵素燈或者包含鐳射激發磷光粉的光源或者超連續譜光源。
光通過第一共焦光闌2。該光闌具有優選為圓形且直徑小的開口（孔徑光闌）。作為備選，該光闌可具有狹縫形開口，狹縫在進入圖平面的方向變寬。
測量裝置的光學照射/成像系統（BA）包括至少一準直透鏡3、第一分光元件（第一棱鏡或第一光柵）4和具有至少一第一透鏡的第一透鏡系統5。這些元件空間上彼此分開。
第一透鏡系統5因明顯的彩色軸向像差而有缺陷，使得有效焦距f(λ)對於不同波長λ而明顯不同。有效焦距在此為整個系統的焦距。有利地，可在透鏡系統中順次使用多個透鏡代替單一透鏡，這使能精確地設定色差（色像差）。
光學照射/成像系統BA使得第一光闌2經第一波長的光通過光學照射/成像系統而在焦點21處成像，而該同樣的光闌2經另一波長的光通過光學照射/成像系統在另一位置22處成像。根據本發明，這些位置沿線段成一線。在此，該線段與第一透鏡系統5的對稱軸形成銳角。在第一透鏡系統5沒有色差的情形下，該線段將大約垂直於對稱軸，因為分光元件4（棱鏡或光柵）僅能拆分與光軸成直角的聚焦位置。
如果使用狹縫形共焦光闌2，光學照射/成像系統BA使得第一光闌2經第一波長的光通過光學照射/成像系統而在焦線21處成像。該同樣的光闌2通過光學照射/成像系統經另一波長的光而被成像在另一焦線22上。根據本發明，這些焦線沿區段成一線。該區段一方面通過每一焦線的空間延伸產生，另一方面通過針對不同波長的焦線的不同位置產生。在此，區段與第一透鏡系統5的對稱軸形成銳角。更具體地，區段由一系列線段組成，每一線段對應於狹縫光闌的一點的圖像。這些線段中的每一線段與第一透鏡系統5的對稱軸形成銳角。 將要測量的物體30設置在聚焦位置21和22的區域中，即測量裝置的測量範圍內。物體30反射至少一部分光。來自不同於入射方向的空間方向的反射光被光學檢測/成像系統DA捕獲。光學照射/成像系統和光學檢測/成像系統是空間上分開的系統。
光學檢測/成像系統優選包括第二透鏡系統6、第二分光元件（第二棱鏡或第二光柵）7及聚焦透鏡8。整個光學檢測/成像系統組態成使已聚焦在物體30表面上並被其反射到第二光闌9上的光成像。第二光闌9用作第二共焦光闌，其與第一光闌2共焦。
通過第二光闌9的光被檢測器10捕獲。
圖2示出了現有技術已知的測量裝置的一般佈置的光學照射/成像系統，用於突出所謂的陰影效應。在該佈置中，光被棱鏡204橫向偏向並通過透鏡205聚焦。透鏡205沒有色差或者具有非常小的色差，因此，聚焦位置大約垂直於透鏡的對稱軸成一線。測量物體30上的入射角β非常小。
如圖2中所示，對於這類測量儀器，到物體上的中心波長表面的平均入射角可被估計為：
Figure 02_image009
其中，α(λ0 )為對於中心波長λ0 ，因色散部件引起的衍射角；L為色散部件與聚焦元件之間的距離，及f為聚焦元件的焦距。這意味著β總是小於α，及物體上的入射角必然相當淺。
為實現大的角度β（>30°），入射光束與聚焦透鏡的光軸之間的角度α必須達到>30°的值。然而，這並不可行，因為在這樣大的傾角下光學成像品質劇烈受損，伴隨焦點的高度模糊，這對測量裝置的橫向和軸向解析度容量具有直接的負面影響。
另一方面，大角度β合乎需要，因為淺入射角在粗糙物體上常常導致陰影從而損害測量品質。此外，這樣的結構必然大且不得不靠近測量物體定位。
圖3a示出了本發明的優選示例性實施例的幾何參數。
在此，α(λ)指撞在第一透鏡系統上的光束與第一透鏡系統5的對稱軸40之間的角度。該角度α(λ)隨波長而變。
在圖3a所示的示例性實施例中，透鏡3的對稱軸也是軸40，對稱軸40也穿過光闌2的開口，使得角度α(λ)同時對應於第一分光元件的隨波長而變的偏向角。在棱鏡的情形下，這是色散角；在光柵的情形下，其為一階（或更高階）正或負衍射的衍射角。
第一透鏡系統的隨波長而變的焦距記為f(λ)。
第一透鏡系統5的延長的對稱軸40與波長λ的焦點之間的距離H計算為：
Figure 02_image011
對於位於線段上的焦點，必定有第一透鏡系統5的隨波長而變的焦距f (λ)考慮線段的斜度c和偏移f0 的條件。
Figure 02_image013
Figure 02_image015
Figure 02_image017
因此，焦距f (λ)與色散角α(λ)和斜度c之間有關係。偏移f 0 是光學照射/成像系統與物體之間的工作距離。
在大多數應用中，相較於平均焦距，測量範圍因而H (λ)小。因此，可能應用近似值
Figure 02_image019
並得到：
Figure 02_image021
這近似地使聚焦位置的軸向運動與橫向運動分離。在此，相對於軸40的橫向移動從色散角的波長依存關係確定，而朝向軸40的軸向運動從第一透鏡系統5的焦距的波長依存關係確定。
聚焦位置排成直線的線性因而被產生，因為色散角大約正比於波長，即線性： α(λ)=c1 λ
第一透鏡系統5的焦距的波長依存關係f(λ)也大約線性。
斜度直接影響物體上的入射角β ：
Figure 02_image023
第一透鏡系統5有利地設計成使得考慮通過所使用的棱鏡或光柵4預先確定的偏向角α(λ)（色散角或衍射角），並實現需要的中心波長入射β 0 角。
這意味著，通過適當選擇第一透鏡系統的有效色差，引入另外的自由度，其進而允許選擇入射角。
換言之，由於固定的工作距離f 0 和預先確定的測量範圍H (λ)，偏向角α(λ)被設定。中心波長的入射角β 0 則也可使用彩色軸向像差f (λ)的自由度而被設定為獨立的值。
中心波長的所選入射角β 0 在大約30度到60度之間有利，因為這使得因物體的不規則性引起的陰影量小。該角度根據測量物體的預期粗糙度進行有利選擇。
在本發明的另一優選示例性實施例中，如圖3b中所示，第一透鏡系統5設置成朝向透鏡3和分光元件4傾斜。所有角度與之有關的對稱軸40也指第一透鏡系統的對稱軸40，透鏡3和第一光闌2設置成相對於對稱軸傾斜和偏心。
特別優選地，元件設置成相對於彼此傾斜，使得中心波長沿第一透鏡系統5的對稱軸40入射（α(λ0 )=0）。這相較於成角度和/或離心的入射導致更小的成像誤差。
關係
Figure 02_image025
或
Figure 02_image027
繼續適用。然而， α(λ)現在不再是第一分光元件4的偏向角，而是已被減少第一分光元件4與透鏡系統5之間的相對斜角。第一分光元件4的偏向角在圖3b中記為ϑ (λ)。α(λ)=ϑ (λ)-ϑ 0 。特別優選地，ϑ 0 為中心波長的偏向角。
圖4示出了本發明的示例性實施例。
其示出了結合圖1描述的彩色測量裝置的元件，第一分光元件4採取第一棱鏡的形式，第二分光元件7同樣被設計為棱鏡。
第一透鏡系統5由一組三個相繼的透鏡51、52和53組成。中間透鏡52具有ν d >40的阿貝數（Abbe number）。其它透鏡51、53用於校正成像。
第二透鏡系統6也有三個相繼的透鏡61、62和63組成，其與第一透鏡系統5的透鏡對應。
在第二共焦光闌9之後是是光束準直的第一檢測器透鏡，光束然後被進行光譜拆分。這通過由衍射光柵101、第二檢測器透鏡102和感測器103組成的分光計實現，第二檢測器透鏡使光束聚焦，感測器被設計為線感測器並獲得光譜拆分的光的強度。
在本發明的另一優選實施例中，分光計的衍射光柵因棱鏡（棱鏡分光計）而變換佈置。使用棱鏡分光計應看作有利，其中棱鏡用作第一拆分元件和第二拆分元件，而在光柵用作第一拆分元件和第二拆分元件的情形下，光柵被插入到分光計內。這具有分光計圖元與高度值之間的關係線性的優點。棱鏡分光計與衍射分光計之間的選擇對於包括分光計的所有實施方式均可能。
圖5示出了本發明的另一實施例。圖5中所示的各個部件可與圖4中所示的相應部件自由交換和組合。
與圖4相比，在此，第一和第二透鏡系統中的每一個包括兩個透鏡（51和52以及61和62）。
在此，除了分光計部件即衍射光柵101、透鏡102和感測器103之外，檢測器10還包括立方分束器105，其拆分光。在第一部分被導入分光計及其強度根據波長確定的同時，第二部分被導入圖像感測器104內，其不拆分光譜範圍，而是記錄全強度圖像。
第一共焦光闌2和第二共焦光闌9優選設計為狹縫光闌，它們的更長尺寸朝向圖平面定向。這使得可能同時獲得多個圖元從而在一次掃描中更快地獲得大圖像區域。圖像感測器104使可能記錄沿狹縫的全強度值。如果完成一掃描，記錄的全強度值可被組合以形成表面的圖像，具有提高的景深。
測量裝置的可能實施例在下面詳述。
例子
1、一種彩色共焦測量裝置，包括：
發射多波長尤其是連續光譜的光的光源(1)；及
來自光源(1)的光通過其的第一共焦光闌(2)。
2、根據前面例子的測量裝置，還包括光學照射/成像系統(BA)，其包括至少一第一分光元件(4)。
3、根據前面例子2的測量裝置，光學元件(4)採取棱鏡或光柵的形式。
4、根據前面例子2或3的測量裝置，進入第一分光元件(4)的光準直。
5、根據前面例子2-4中的任一例子的測量裝置，光學照射/成像系統(BA)還包括具有至少一第一透鏡的第一透鏡系統(5)。
6、根據前面例子5的測量裝置，第一透鏡系統(5)與第一分光元件(4)空間上分開。
7、根據前面例子5或6的測量裝置，對於不同波長(λ)，第一透鏡系統(5)的有效焦距(f(λ))明顯不同。
8、根據前面例子2-7中任一例子的測量裝置，光學照射/成像系統(BA)被設計成使得不同波長的焦點被形成在不同位置。
9、根據前面例子8的測量裝置，所述位置處於沿與第一透鏡系統(5)的對稱軸(40)形成銳角的線段(41)。
10、根據前面例子9的測量裝置，該測量裝置配置成測量與線段(41)交叉並反射至少一部分光的物體(30)。
11、根據前面任一例子的測量裝置，該測量裝置包括光學檢測/成像系統(DA)，其與光學照射/成像系統(BA)空間上分開。
12、根據前面例子11的測量裝置，光學檢測/成像系統(DA)配置成接收物體(30)反射的、僅來自與照射光射中物體的方向不同方向的光。
13、根據前面例子11或12的測量裝置，光學檢測/成像系統(DA)配置成使所有波長的焦點成像在第二共焦光闌(9)上。
14、根據前面例子13的測量裝置，該測量裝置包括檢測器(10)，其配置成記錄通過第二光闌(9)的光的強度。
15、一種用於測量物體的測量裝置，包括：
光源(1)，用於產生具有多個波長的光；
光學照射/成像系統(BA)，設計成使得具有不同波長的光束可被沿測量段(41)聚焦在測量範圍中的不同聚焦位置；及
與光學照射/成像系統(BA)空間上分開的光學檢測/成像系統(DA)，設計成獲得從將要測量的物體(30)的表面區域反射的光，該光與來自與照射光射中物體的方向不同方向的測量範圍重疊。
16、根據前面例子15的測量裝置，光學照射/成像系統(BA)包括：
光源(1)下游連接的第一共焦光闌(2)；
第一分光元件(4)，用於對進入第一分光元件(4)的光進行色拆分；及
與第一分光元件(4)空間上分開的、具有隨波長而變的有效焦距(f(λ))的第一透鏡系統(5)。
17、根據前面例子15或16的測量裝置，光學檢測/成像系統(DA)配置成使不同波長的聚焦位置成像在第二共焦光闌(9)上。
18、根據前面例子15-17中任一例子的測量裝置，該測量裝置包括連接在第二共焦光闌(9)下游的檢測器(10)，其配置成獲得通過第二光闌(9)的光的強度。
19、根據前面例子15-18中任一例子的測量裝置，可能借助於不同波長的聚焦位置相對於第一透鏡系統的光軸或對稱軸的橫向運動和軸向運動定義測量段(41)。
20、一種用於測量物體的測量裝置，包括：
光源(1)，用於產生具有多個波長的光；
光學照射/成像系統(BA)，包括：
光源(1)下游連接的第一共焦光闌(2)；
第一分光元件(4)，用於對進入第一分光元件(4)的光進行色拆分；及
與第一分光元件(4)空間上分開的、具有隨波長而變的有效焦距(f(λ))的第一透鏡系統(5)；光學照射/成像系統(BA)設計成使得具有不同波長的光束可被沿測量段(41)聚焦在測量範圍中的不同聚焦位置；及
與光學照射/成像系統(BA)空間上分開的光學檢測/成像系統(DA)，設計成獲得從將要測量的物體(30)的表面區域反射的光，該光與來自與照射光射中物體的方向不同方向的測量範圍重疊；光學檢測/成像系統(DA)配置成使不同波長的聚焦位置成像在第二共焦光闌(9)上；測量裝置包括連接在第二共焦光闌(9)下游的檢測器(10)，其配置成獲得通過第二光闌(9)的光的強度；可能借助於不同波長的聚焦位置相對於第一透鏡系統的光軸或對稱軸的軸向運動和橫向運動定義測量段(41)。
21、根據前面任一例子的測量裝置，光學照射/成像系統(BA)設計成使得聚焦位置的軸向運動和橫向運動可被協調以形成直的測量段(41)，該測量段與第一透鏡系統的對稱軸形成銳角。
22、根據前面任一例子的測量裝置，聚焦位置的軸向運動和橫向運動實質上彼此不相關聯或者可獨立調節。
23、根據前面任一例子的測量裝置，光學檢測/成像系統(DA)包括第二透鏡系統(6)和第二分光元件(7)以逆反由第一分光元件(4)引起的拆分。
24、根據前面例子23的測量裝置，第二分光元件(7)結構與第一分光元件(4)一樣，及第二透鏡系統(6)結構與第一透鏡系統(5)一樣。
25、根據前面例子23或24的測量裝置，光學檢測/成像系統(DA)設計成使得光學檢測/成像系統(DA)的光路按相反順序實質上對應於光學照射/成像系統(BA)的光路。
26、根據前面任一例子的測量裝置，第一透鏡系統(5)對於光源(1)的最小波長的有效焦距與第一透鏡系統對於光源(1)的最大波長的焦距相差量δf ，δf 與第一透鏡系統(5)對於平均波長的焦距f 0 的商大於5%。
27、根據前面任一例子的測量裝置，聚焦位置的軸向運動至少為聚焦位置的橫向拆分的0.1倍。
28、根據前面任一例子的測量裝置，第一透鏡系統(5)包括至少一具有小於40的阿貝數的透鏡。
29、根據前面任一例子的測量裝置，測量段(41)與第一透鏡系統(5)的對稱軸(40)具有小於60°和/或大於30°的角度，尤其是等於45°。
30、根據前面任一例子的測量裝置，光學照射/成像系統(BA)具有連接在第一光闌下游的準直透鏡，用於使進入分光元件(4)的光準直。
31、根據前面例子29的測量裝置，準直光學器件包括消色差透鏡。
32、根據前面任一例子的測量裝置，第一分光元件(4)包括光柵，及第一透鏡系統(5)包括至少一衍射透鏡。
33、根據前面例子1-31中任一例子的測量裝置，第一分光元件(4)包括棱鏡，及第一透鏡系統(5)包括至少一色散透鏡。
34、根據前面任一例子的測量裝置，第一透鏡系統(5)設置成朝向第一分光元件(4)傾斜，尤其使得平均波長平行於第一透鏡系統(5)的對稱軸(40)射中第一透鏡系統(5)。
35、根據前面任一例子的測量裝置，第一共焦光闌(2)為狹縫光闌，聚焦位置採取焦線的形式，測量段採取區域段的形式，及焦線沿區域段設置。
36、根據前面任一例子的測量裝置，檢測器包括分光計並配置成確定波長的強度最大值及從這些最大值計算物體的距離值。
1:光源 2:第一共焦光闌 3:準直透鏡 4:第一分光元件、第一棱鏡或第一光柵 5:第一透鏡系統 6:第二透鏡系統 7:第二分光元件、第二棱鏡或第二光柵 8:聚焦透鏡 9:第二共焦光闌 10:檢測器 11:第一檢測器透鏡 21:第一焦點 22:第二焦點 30:物體 40:第一透鏡系統的對稱軸 41:線段 51:第一透鏡系統的第一透鏡 52:第一透鏡系統的第二透鏡 53:第一透鏡系統的第三透鏡 61:第二透鏡系統的第一透鏡 62:第二透鏡系統的第二透鏡 63:第二透鏡系統的第三透鏡 101:分光計光柵 102:第二檢測器透鏡 103:感測器 104:圖像感測器 105:分束器 BA:光學照射/成像系統 DA:光學檢測/成像系統
Figure 02_image029
:色散角
Figure 02_image031
:入射角
Figure 02_image033
:第一透鏡系統的焦距
本發明的有利的示例性實施方式在下面結合附圖進行說明。 圖1示出了彩色共焦測量裝置的示例性實施例的示意圖。 圖2示出了現有技術已知的測量裝置的光學照射/成像系統。 圖3a示出了本發明的優選實施例。 圖3b示出了本發明的另一優選實施例。 圖4示出了本發明的另一優選實施例。 圖5示出了本發明的另一優選實施例。
1:光源
2:第一共焦光闌
3:準直透鏡
4:第一分光元件、第一棱鏡或第一光柵
5:第一透鏡系統
6:第二透鏡系統
7:第二分光元件、第二棱鏡或第二光柵
8:聚焦透鏡
9:第二共焦光闌
10:檢測器
21:第一焦點
22:第二焦點
30:物體
BA:光學照射/成像系統
DA:光學檢測/成像系統

Claims (12)

  1. 一種彩色共焦測量裝置，包括：發射多個波長的光的光源(1)；來自光源(1)的光通過其的第一共焦光闌(2)；光學照射/成像系統(BA)，至少包括：第一分光元件(4)，其被設計為棱鏡或光柵，進入第一分光元件(4)的光被使得準直；及與第一分光元件(4)空間上分開的、具有至少一第一透鏡的第一透鏡系統(5)，第一透鏡系統(5)的有效焦距(f(λ))對於不同波長而顯著不同(λ)，使得光學照射/成像系統(BA)設計成使得不同波長的焦點被形成在不同位置，這些位置沿與第一透鏡系統(5)的對稱軸(40)形成銳角的線段(41)坐落；所述測量裝置配置成測量與所述線段(41)交叉並反射至少一部分光的物體(30)；所述測量裝置包括與光學照射/成像系統(BA)空間上分開的光學檢測/成像系統(DA)，光學檢測/成像系統(DA)配置成僅接收由物體(30)反射的、與來自與照射光射中物體的方向不同方向的光；光學檢測/成像系統(DA)配置成使所有波長的焦點成像在第二共焦光闌(9)上；及所述測量裝置包括檢測器(10)，配置成記錄通過第二光闌(9)的光的強度。
  2. 如請求項1所述的測量裝置，其中，第一透鏡系統(5)對於光源(1)的最小波長的焦距與第一透鏡系統對於光源(1)的最大波長的焦距相差量δf，δf與第一透鏡系統(5)對於平均波長的焦距f 0的商大於5%。
  3. 如請求項1所述的測量裝置，其中，焦點位置的軸向拆分至少為焦點位置的橫向拆分的0.1倍。
  4. 如請求項1所述的測量裝置，其中，第一透鏡系統(5)包括至少一具有小於40的阿貝數的透鏡。
  5. 如請求項1所述的測量裝置，其中，穿過不同波長的焦點位置的線段(41)與第一透鏡系統(5)的對稱軸(40)具有小於60°和/或大於30°的角度。
  6. 如請求項1所述的測量裝置，其中，光學照射/成像系統(BA)包括設置在光源(1)與第一分光元件(4)之間且消色差的準直透鏡(3)。
  7. 如請求項1所述的測量裝置，其中，第一分光元件(4)為光柵，及第一透鏡系統(5)包括至少一衍射透鏡。
  8. 如請求項1所述的測量裝置，其中，第一透鏡系統(5)設置成朝向第一分光元件(4)傾斜，使得平均波長平行於第一透鏡系統(5)的對稱軸(40)平行射中第一透鏡系統(5)。
  9. 如請求項1所述的測量裝置，其中，第一共焦光闌(2)為狹縫光闌，藉此，代替針對每一波長形成焦點，焦線沿與第一透鏡系統(5)的對稱軸(40)形成銳角的區域段形成。
  10. 如請求項1所述的測量裝置，其中，光學檢測/成像系統(DA)包括被設計為棱鏡或光柵的第二分光元件(7)以及第二透鏡系統(6)。
  11. 如請求項10所述的測量裝置，其中，第二分光元件(7)與第一分光元件(4)結構相同，及第二透鏡系統(6)與第一透鏡系統(5)結構相同。
  12. 如請求項1所述的測量裝置，其中，檢測器(10)包括分光計並配置成確定波長的強度最大值及從這些最大值計算物體的距離值。
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