CN109073367A - 集成彩色共焦传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种彩色共焦装置，包括：具有扩大的轴向色差的至少一个彩色透镜(13)、至少一个宽频带光源(19)、至少一个光学检测单元(20、21)和至少一个测量通道(24)，该测量通道(24)具有利用平面波导光学技术制成的平面Y形结(18)，所述平面Y形结(18)布置成将来自所述至少一个光源(19)的光传输到所述至少一个彩色透镜(13)并且将通过所述至少一个彩色透镜(13)反射回来的光传输到所述至少一个光学检测单元(20、21)。

Description

集成彩色共焦传感器
技术领域
本发明涉及一种多通道彩色共焦传感器。
本发明的领域是但不限于2D-3D检测和计量系统。
背景技术
彩色共焦技术是一种众所周知的技术，用于半导体或其它工业应用中的三维(3D)表面映射和厚度测量。
该技术依赖于使用具有增强色差的彩色透镜(chromatic lens)，其焦距高度依赖于光学波长。穿过这种透镜的每种波长的光聚焦在不同的距离处，或者在不同的焦平面上。
彩色透镜被嵌入共焦设置中，在该设置中光源和检测孔放置在彩色透镜的共焦平面处，以便拒绝失焦光。当在彩色透镜前面放置反射界面时，只有焦平面对应于界面位置的波长的光透过检测孔。
检测由光谱仪进行，光谱仪通常包括色散元件和传感器(CCD或CMOS)以获取光的强度光谱。通过分析检测光的强度光谱，得到界面相对于彩色透镜的高度(或距离)。
这样的设置允许在此时测量单个点上的距离。因此，检测大的表面可能非常耗时。
通过提供多个并行的测量通道，可以提高获取速度。
为此，已知两种构架，例如文献FR 2950441中描述的架构。
例如，已知使用所有测量通道共用的体分束器立方体。在这种情况下，光源孔发出的光穿过分束器和彩色透镜，被界面反射的光被同一分束器导向检测孔。
这种布置允许提供大量的通道，但是其缺点是难以调节以便光学地匹配所有测量通道的相应源和检测孔。因此，通常使用近似共焦配置来实现这种架构，例如使用狭缝。
还已知使用光纤耦合器，其将来自光源的光导向彩色透镜，将反射光导向检测器。这种配置的优点在于光源和检测孔相同(测量光纤的端部)，因此光学对准非常容易。
然而，光纤耦合器有几个缺点，特别是：
-它们难以用于大量通道；
-由于其工作原理利用了光纤芯之间的模耦合，其耦合比非常依赖于波长，这可能在测量中引入偏差。
本发明的目的在于提供一种能够实现大量通道的彩色共焦装置。
本发明的目的还在于提供一种允许实施在小体积中的彩色共焦装置。
本发明的目的还在于提供一种具有大量容易建立和对准的通道的彩色共焦装置。
本发明的目的还在于提供一种具有最佳光学和计量特性的彩色共焦装置。
发明内容
利用一种彩色共焦装置实现了这些目的，该彩色共焦装置包括：
-具有扩大的轴向色差的至少一个彩色透镜；
-至少一个宽频带光源；
-至少一个光学检测单元；
其特征在于包括至少一个测量通道，该测量通道具有利用平面波导光学技术制成的平面Y形结，所述平面Y形结布置成将来自所述至少一个光源的光传输到所述至少一个彩色透镜并且将通过所述至少一个彩色透镜反射回来的光传输到所述至少一个光学检测单元。
本发明的彩色共焦装置可以包括一个或几个测量通道。
该装置可以包括任何类型的在视场上具有适当色差的彩色透镜或透镜组件，例如：
-光学测量通道之间共享的单透镜或透镜组件；
-多个透镜或微透镜，每个只由一个或几个光学测量通道使用；
-全息元件；
-衍射透镜或微透镜元件。
该装置尤其可以包括至少具有由色散材料制成的透镜的彩色透镜，以及提供必要光学布置所需的任何其他透镜。这种彩色透镜可以根据众所周知的技术来设计，以便提供强的色差，允许穿过透镜的不同光学波长的光在横向视场上聚焦在不同的距离或轴向位置处。
该光源可以包括能够以多个波长发射光的任何类型的光源，所述多个波长覆盖彩色透镜的色差可有效使用的光谱范围。该光源可以包括例如发光二极管(LED)、例如卤素灯等热光源、气体放电灯；其还可以包括可调谐激光器、白色激光器或超连续谱光子源。光源可以产生波长在例如400到700nm(可见光范围)范围内的光，允许在可见光范围内检测表面和/或透明层。可替代地，光源可以产生波长超过1微米的红外范围内的光，例如允许透过硅层或其他透明材料进行检测。
光源可以包括所有光学测量通道之间共享的单个光源，或者每个都被几个光学测量通道共享的多个光源，或者每个光学测量通道的光源。
光源的光波长被彩色透镜聚焦的轴向位置范围限定了色度测量范围。
本发明中使用的平面Y形结可以包括第一波导，该第一波导在结束于两个分支波导的锥形区域(或椎体)中逐渐扩大。锥形区域优选地足够平滑，以允许随着从第一波导发出的引导光的空间模式的扩展而发生绝热转变，这些光在分支波导中耦合。
这种布置的优点是在宽光谱范围内基本上消色差。因此，可以在这种宽光谱范围内获得固定的分光比(例如50/50)。
当然，Y形结是互易器件，因此从分支波导发出的光部分地耦合到第一波导(取决于分光比)。
相比之下，现有技术的彩色共焦装置使用光纤耦合器，其工作原理基于光纤芯之间的消逝波耦合到紧密接近。这种技术的缺点是耦合比高度依赖于光的波长。因此，当用于宽频带光源时，光纤耦合器引入了强色差，其必须被考虑并限制了检测效率。
根据一些实现方式，本发明的装置可以包括消色差平面Y形结。
这样的Y形结可以是至少在光源的目标光谱范围内是消色差的。
根据一些实现方式，本发明的装置可以包括多模平面Y形结(和多模波导)。
根据一些其它实现方式，本发明的装置可以包括单模平面Y形结。
根据一些实现方式，本发明的装置可以包括保持一个或几个平面Y形结的集成光学器件。
集成光学器件可以用允许光波导的几种技术来制成，这些光波导是具有较高折射率的区域，其嵌入折射率较低的透明衬底。
例如，集成光学器件可以利用离子交换过程在玻璃衬底上制成。当玻璃衬底和熔盐浴适当接触时，这样的离子交换发生在玻璃衬底和熔盐浴之间。这种现象通过改变玻璃的组成而局部增加玻璃的光学指数。
在玻璃衬底上沉积薄金属层。用经典光刻技术在金属层中开出尺寸为几微米至几十微米的窗口，其设计对应于波导、Y形结和其他器件。实施两步离子交换过程以在玻璃表面下方产生波导。第一步是利用熔盐浴在高温下将例如银离子等离子扩散到玻璃晶片中。然后，施加电场来移动离子，从而使波导更深地进入玻璃。
集成光学器件也可以利用涉及在晶片上沉积掺杂二氧化硅层或其他材料的技术来制成，以构成波导。沉积步骤通常涉及CVD技术。
集成光学器件也可以使用直接刻制技术来制成。例如，波导可以通过利用UV激光束局部地改变溶胶-凝胶衬底或聚合物树脂的折射率，通过光聚合来制成。
因此，由于使用集成光学器件和具有Y形结的光波导技术，因此能够制造具有大量(例如几百个)测量通道的装置，该装置非常紧凑且易于组装。
此外，由于Y形结的消色差特性，该装置将具有优越的性能，允许更好的检测能力。
根据一些实现方式，本发明的装置可以包括保持至少一个测量平面波导的集成光学器件，所述测量平面波导光学地连接到平面Y形结，所述测量平面波导的出口端面向彩色透镜。
根据一些实现方式，本发明的装置可以包括光学地连接到平面Y形结的至少一个测量光纤，测量光纤的出口端面向彩色透镜。
本发明的装置还可以包括多个测量光纤，其具有在空间上布置成至少一行的出口端。
根据一些实现方式，本发明的装置可以包括用于在光源和平面Y形结之间传输光的照明光纤。
根据一些实现方式，本发明的装置可以包括与集成光学器件对接(或直接对接)的光源。
根据一些实现方式，本发明的装置可以包括用于将光从Y形结传输到光学检测单元的检测光纤。
根据一些实现方式，本发明的装置可以包括与集成光学器件对接(或直接对接)的光学检测单元。
根据一些实现方式，本发明的装置可以包括具有以下光学检测器中的至少一个的光学检测单元：光谱检测器、总强度检测器。
总强度检测器(或强度检测器)可以包括任何光电检测器，其测量光谱范围内的光的强度或光的全局强度。
根据一些实现方式，这样的总强度检测器可以包括：
-针对每个光学测量通道(例如光电晶体管、光电二极管或雪崩光电二极管)的单独或离散强度检测器；和/或
-多个光学测量通道之间共享的强度检测器。这种强度检测器可以包括例如光电二极管阵列，或者线性或矩阵CCD或CMOS，其中在不同的像素上进行不同光学测量通道的强度测量。
强度检测器提供在色度测量范围内的对象上的测量点处反射的光的全局强度信息。因此，其提供了对象上的2D图像信息。由于彩色共焦设置，用这种强度检测器进行的2D测量受益于扩展的焦深。通过这些手段获得的图像在装置的整个测量范围内聚焦或良好聚焦，因为其主要是利用聚焦在对象表面上的波长来完成的，无论该表面可能在测量范围中的哪个位置。并且，由于共焦布置，与不聚焦的波长对应的光被拒绝。
通过这样做，用于成像的可用焦深由彩色透镜的色差程度决定。因此，它比用经典消色差透镜获得的焦深大得多，该焦深与用彩色透镜针对一个波长获得的焦深相对应。
光谱检测器可以包括能够根据光波长(或强度光谱)提供与光强度有关的信息的任何检测器，例如：
-光谱仪型装置，具有例如光栅或衍射阵列等分散元件和能够收集不同波长的光强度的传感器，例如线性CCD、CMOS或光电二极管阵列；
-根据干涉仪方案建立的傅立叶变换光谱仪；
-在线性或矩阵检测器前面具有滤色器的装置，允许利用不同检测器区域进行波长上具有选择性的检测。这样的装置可以包括例如分别具有红色、绿色和蓝色滤光片的像素集合。该装置还可以具有以拜耳滤色器配置布置的滤色器的像素集合。然后，这样的装置可以布置为使得从光学测量通道发出的光用相关的滤色器照射一组像素。
光谱检测器还可以包括几个光学测量通道之间共享的检测器，例如线性或矩阵CCD或CMOS。在这种情况下，利用例如色散元件或滤色器在检测器的不同区域或像素上收集不同光学测量通道的强度光谱。光谱检测器允许获得色度测量范围内的对象上的测量点处的高度信息或轴向距离信息。轴向距离信息可以通过识别光谱中的峰值或反射最多并且代表测量范围内的对象的相应界面的位置的波长来例如从强度光谱中推导出。当然，在存在具有几个可检测层的透明对象的情况下，可以识别代表到几个界面的光学距离的几个峰值。
当使用具有滤色器的检测器时，轴向距离信息可以例如通过比较由具有不同滤色器的像素所测量的相对强度来推导出。
因此，光谱检测器提供了3D信息，这是彩色共焦传感器的通常用途。
因此，本发明允许实施具有2D和/或3D检测能力的传感器。
根据一些实现方式，本发明的装置可以包括允许同时作为光谱检测器和总强度检测器工作的光学检测单元。
例如，光学检测单元可以包括具有线状或矩阵状像素的检测器，其中至少一些具有滤色器，允许：
-通过比较具有不同滤色器的像素所测量的相对强度来测量轴向距离信息，和
-测量总强度。这种总强度的测量例如可以通过将具有不同滤色器的像素所测量的强度组合(或求和)来完成。该测量也可以通过以下来完成：使用包括具有滤色器的像素和在同一像素矩阵上没有滤色器的像素的检测器，并且例如允许利用分别具有红光、绿光、蓝光滤光片和无滤光片的四个像素来测量测量通道强度。
本发明的装置可以特别地包括：
-仅具有总强度检测器的测量通道；
-仅具有光谱检测器的测量通道；
-具有光谱检测器的测量通道和具有总强度检测器的测量通道；
-在同一通道上具有光谱检测器和总强度检测器的测量通道；
2D总强度测量可以比3D轴向距离测量快得多，因为3D轴向距离测量在获取速率方面的唯一限制与检测器的积分时间或带宽有关。另一方面，3D轴向测量速率至少受限于光谱仪传感器的积分时间和读出时间。因此，2D测量可以以是3D测量的3倍或甚至更多倍的获取速率进行。例如，2D测量可以以几万赫(例如50千赫至100千赫)的获取速率进行，而3D测量可以仅以几千赫到几十千赫的获取速率进行。
因此，本发明的装置特别适合于高速检测，因为其例如允许：
-具有扩展焦深的快速2D检测，允许例如在不重新聚焦的情况下在任何测量点处以最佳横向分辨率检测具有扩展三维结构(例如晶片上的凸块、柱子、钉子……)的对象的表面；和/或
-对结构化对象的表面进行快速2D检测，并在选定兴趣点处进行实时3D测量；和/或
-三维测量。
根据一些实现方式，本发明的装置可以包括光学地连接到同一平面Y形结的总强度检测器和光谱检测器。
根据一些实现方式，本发明的装置可以包括二次平面Y形结，用于将从平面Y形结发出的光引导向光谱检测器和总强度检测器。
根据一些实现方式，本发明的装置可以包括由以下器件形成的傅里叶光谱仪类型的光谱检测器：
-光波导的被端镜终止以产生驻波的一部分；或
-平面Y形结和光波导的环，布置为将入射波分成两个反向传播的波。
根据一些实现方式，本发明的装置可以包括集成光学器件，该集成光学具有与其它测量通道的平面波导交叉的平面波导，以至少将光学地连接到光源的平面波导分组。
附图说明
可以参照附图更好地理解根据本发明实施例的方法，附图仅以示例性的目的给出，并不意味着限制。根据下面给出的描述，本发明的其他方面、目标和优点将变得显而易见。
-图1示出了本发明的装置的实现方式，
-图2示出了Y耦合器，
-图3示出了利用测量光纤的实现方式，
-图4示出了利用平面波导交叉的实现方式，
-图5示出了利用二次Y形结的实现方式，
-图6示出了利用第一傅里叶光谱仪的实现方式，
-图7示出了利用第二傅立叶光谱仪的实现方式。
具体实施方式
应该理解，下文描述的实施例绝不是限制性的。特别地，可以设想仅包括下文描述的特征的选集、而不包括所描述的其他特征的本发明的变型，只要该特征的选集足以赋予技术优点或者将本发明与现有技术区别开。该选集包括不具有结构细节或者仅具有一部分结构细节的至少一个(优选功能性)特征，只要该部分结构细节单独足以赋予技术优点或者将本发明与现有技术区别开。
特别地，所描述的所有变型和实施例都可以结合在一起，只要从技术角度不排除这种结合。
在图中，几幅图共有的元件使用相同的附图标记。
参照图1和图2，我们将描述本发明的彩色共焦装置。本发明的彩色装置包括彩色透镜(chromatic lens)13和集成光学器件11，集成光学器件11具有多个光学测量通道24中的Y形结(Y-junctions)18和光波导25。
彩色透镜13(或透镜布置13)是根据众所周知的技术设计的，以提供强的色差，从而允许穿过透镜的不同光学波长的光聚焦在不同的轴向距离处(即沿透镜的光轴或沿着如图1所示的Z轴的距离)。
在图1的实现方式中，彩色透镜13由具有扩展横向场的双合透镜表示，以便允许利用所有测量通道24进行测量；其包括第一透镜组和第二透镜组，第一透镜组是消色差的，第二透镜组面向显示出强烈色差的被测对象10。
光学测量通道24包括收集孔14，从收集孔中发出照明光，并且收集孔收集由被测对象10反射回来的测量光。
从收集孔14发出的光由彩色透镜13聚焦在测量点15上，或者更精确来说根据波长沿着Z方向的测量线15聚焦。因此，收集孔沿X-Y方向(或X-Y平面)的空间重新分配决定了测量点15在X-Y平面中的空间重新分配。
光学测量通道24由宽频带光源19照明。在所呈现的实现方式中，光源19可以包括热源(例如卤素热源)或产生波长在400到700nm范围(可见光范围)内的LED光源。
在一个沿Z轴的轴向位置范围中，(从收集孔14发出的)光源19的一些波长的光由彩色透镜13聚焦，该轴向位置范围定义了色度测量范围。
当对象10的界面存在于该色度测量范围内时，聚焦在该界面上的一些波长的光在收集孔14内被反射。其他波长的光由于设置的共焦配置而被拒绝，在该配置中，仅在聚焦在对象10的界面上的波长处，照明装置和收集孔(两者都由收集孔14形成)与彩色透镜13的测量点15共轭。
测量通道24包括由平面波导技术制成的Y形结18。该Y形结18将光源19的光传送到收集孔14，并将由收集孔14收集的测量光传送给检测器20、21。
图2示出了这种Y形结的一个示例。Y形结包括第一波导25，该第一波导25在结束于两个分支波导27的锥形区域26中逐渐扩大。如前面所解释的，锥形区域26允许从第一波导25发出的引导光以空间模式28传播，其又在分支波导27中耦合。
在图1的实现方式中，所有测量通道24的Y形结18在同一集成光学器件11上形成。
该装置还包括一组照明光纤29，用于将来自光源19的光带到集成光学器件11上的Y形结18。
该装置还包括一组检测光纤30，用于将从收集孔14发出的测量光通过各个Y形结带到检测单元20、21。
照明光纤29和检测光纤30使用已知的耦合技术利用集成光学器件11的在其边缘上的光波导25来连接。
这种耦合技术可以包括例如用于保持用于光耦合的波导中的光纤和/或微透镜和/或椎体的V形槽。它们具有允许甚至几百个光纤以良好的自动化方法和低耦合功率损耗耦合到光波导的优点。
例如，光纤被布置成光纤芯之间具有精确间距的扁平束。它们的端部被保持在硅V型槽中(例如用胶水)，以便面向测量通道24的相应光波导25，这些光波导25被蚀刻在集成光学器件11中，其间距与光纤的间距匹配。在图1的实现方式中，收集孔14直接由光波导25的在集成光学器件11的边缘处的端部来实现。
集成光学器件11可以用前面描述的任何方法来完成。然而，在优选实施例中，在玻璃衬底上利用离子交换过程或直接刻印技术来完成，其具有允许低成本地生产小批量器件的优点。
光波导和Y形结可以是单模。然而，在优选的实现方式中，使用横向尺寸为大约50μm到100μm的多模波导。这种多模波导允许光功率的有效耦合以及易于与具有相似尺寸的纤芯的多模光纤连接。
如前所述，由位于测量范围内的对象10在测量点15处反射的光被耦合回收集孔14中。由于设置的共焦布置，只有实际聚焦在对象10的界面上的光被耦合回收集孔14中，并且由对象10反射的散焦光没有被耦合回来。
此外，由于彩色透镜13的色散：
-聚焦在对象10的界面(或表面)上的光基本上对应于单波长或波长组，对于该单波长或波长组，彩色透镜13的焦距对应于沿透镜光轴(对应于z轴)到该界面的轴向光学距离。因此，通过分析反射光的强度光谱，可以测量到界面的轴向距离。该测量模式对应于彩色共焦技术的经典应用，可称为轮廓测量模式或3D检测模式；
-在位于测量范围内任何位置的对象10的界面(或表面)上反射之后收集的光不包括任何显著的散焦光(由于共焦布置)，而仅包括聚焦在该界面或表面上的光。因此，它提供了具有与焦点处的光斑大小对应的目标平面(X-Y)中的横向分辨率的强度信息。并且对于位于整个测量范围内的界面或表面实现这样的横向分辨率。因此，通过分析反射光的总强度，该设置允许在扩展的焦深上以高横向分辨率对对象10的界面或表面进行成像，该扩展焦深优于针对任何单波长实现的焦深，或者可以通过经典的消色差光学设置实现的焦深。因此，这种测量模式具有允许在二维(2D)检测模式中以最佳横向分辨率对具有显著高度(如图1所示)的对象10上的结构表面进行强度成像的优点。
将耦合回到收集孔中的光通过Y形结传输到检测单元20、21，检测单元20、21可以包括：
-强度检测器20，其允许测量所收集光的总强度；和/或
-光谱检测器21，其允许测量所收集光的光谱信息。
根据一些实现方式，本发明的装置仅包括具有强度检测器20的光学测量通道24，该强度检测器20用于测量所收集的光的总强度。在这种情况下，本发明的装置致力于具有扩展焦深的快速2D检测(强度成像)。
根据一些实现方式，本发明的装置仅包括具有光谱检测器21的光学测量通道24，该光谱检测器21用于测量所收集光的光谱信息并且获得轴向距离信息。在这种情况下，本发明的装置致力于3D检测模式(轮廓测定法)。
根据一些实现方式，本发明的装置包括具有(或耦合)强度检测器20和/或光谱检测器21的光学测量通道24，所述强度检测器20和/或光谱检测器21分别用于以2D检测模式(强度成像)和/或3D测量模式(轮廓测定法)获取数据。
在所有情况下，通过Y形结分光器18，耦合回收集孔14中的光被传输到这些强度检测器20和/或光谱检测器21。
强度检测器20和光谱检测器21在光学测量通道24内或相对于光学测量通道24的几种布置是可能的。本发明的装置可以特别地包括：
-光学测量通道24，其仅包括强度检测器20或光谱检测器21，如图1所示。在这种情况下，这些光学测量通道24用于在相应的测量点15处的强度(2D)测量或轴向距离(3D)测量；
-光学测量通道24，其包括强度检测器20和光谱检测器21。在这种情况下，这些光学测量通道24还包括如图5所示的二次Y形结，其用于将耦合回到收集孔14中的光同时导向强度检测器20和光谱检测器21。在这种情况下，这些光学测量通道24允许在相应的测量点15处进行强度测量(2D)和轴向距离测量(3D)；
特别是在图1的实现方式中示出的光谱检测器21包括：
-例如对应于光纤端部的前透光孔，以及用于准直从前透光孔发出的入射光的第一透镜；
-色散元件，例如衍射阵列或光栅，用于有角度地分散不同波长的入射光；
-第二透镜和线性检测器，例如线性CDD，用于重新成像色散开的光，使得不同的波长聚焦在传感器的不同像素上。光的强度光谱是通过收集传感器像素上的信息获得的。存在于测量范围内的对象10的界面在聚焦在相应轴向位置处的波长周围产生强度光谱的峰值。因此，对强度光谱进行分析，以获得轴向距离信息，或在测量范围内的对象10的界面或表面的位置。
不同测量通道24的光谱检测器21可以是完全不同的，或者如图5所示，不同测量通道24可以共享一些元件，例如检测器。例如，多个光谱检测器21可以共享同一线性或矩阵传感器，每个光谱检测器21的信息被收集在共享检测器的单组像素上。以同样的方式，几个光谱检测器21可以共享同一色散元件。
强度检测器20包括点检测器，例如光电二极管，其测量全光谱上的光的全部强度。
不同测量通道24的强度检测器20可以是完全不同的(例如，独立光电二极管)，或者如图5所示，不同测量通道24可以共享一些元件，例如检测器。例如，几个强度检测器20可以共享同一光电二极管阵列，或者共享同一线性或矩阵传感器(CCD或CMOS)，每个强度检测器20的信息被收集在单独的像素、一组像素或光电二极管上。
本发明的装置还包括用于控制和数据处理的计算机或微控制器22。
为了允许对诸如晶片之类的对象10进行检测，本发明的装置还可以包括用于保持对象10的保持架(例如晶片卡盘)和用于使集成光学器件11相对于彩色透镜13和对象10移动的机械位移台16。在所呈现的实现方式中，机械位移台16可以包括用于沿X、Y和Z轴线性移位的平移板和用于在X-Y平面中转动对象10的转动台。
图3示出了一种实现方式，其中装置包括一组测量光纤17，用于在集成光学器件11的光波导25和彩色透镜13之间传输光。
这些测量光纤17在第一端使用已知技术与集成光学器件11的在其边缘处的光波导25连接。
如前所述，这种耦合技术可以包括例如用于保持用于耦合的波导中的光纤和/或微透镜和/或椎体的V形槽。
测量纤维具有第二端，该第二端构成测量通道24的各收集孔14。
这种配置具有一个优点，即实现与集成光学器件11上的光波导25的端部的空间布置不同的收集孔14的空间布置。
图3上示出了测量配置的一个示例，其适合于例如对具有诸如凸点或微凸点等结构的对象10(例如晶片)的表面进行高速检测。
根据该示例，各光学测量通道24中的测量光纤17被布置成使得其形成收集孔14的端部被定位成位于安装件23(例如，具有用于精确定位光纤端部的槽型元件)中的两个平行的行35、36。
第一行35包括连接到强度检测器20的测量通道24的测量光纤17。
第二行36包括连接到光谱检测器21的测量通道24的测量光纤17。
第一行35和第二行36可以具有相同数量的收集孔14，如图3所示，或者可以具有可能具有不同间距的不同数量的收集孔14。
第二行36甚至可以具有连接到单个光谱检测器21的单个收集孔14。
该布置允许例如在同一扫描中在获取轴向距离信息之前获取强度信息。
该布置允许例如实施以2D和3D模式检测对象表面的方法。
该方法包括以下步骤：
-利用几个测量通道24，例如利用第一行35的测量通道，在对象10表面处的几个测量点15上获取强度信息；
-利用所述强度信息且可能利用在前面的步骤期间获取的强度信息和/或轴向距离信息来定位用于轴向距离测量的兴趣点；
-利用光谱检测器21将至少一个测量通道24中的收集孔14(例如第二行36的收集孔)定位在兴趣点上；
-获取至少一个轴向距离信息；
-在对象10表面上重复该过程并计算结果。
该计算可以包括例如以下中的至少一个：建立高度图，建立强度图，在X-Y平面中定位结构，将结构的高度或平面内尺寸与预期值进行比较，发出合格/不合格数据。
当然，收集孔14的其他重新分配是可能的。
例如，利用光波导25(如图1所示)或测量纤维17(如图3所示)实现的收集孔14可以布置成一行。这些收集孔14可以光学地连接到：
-仅强度检测器20；
-仅光谱检测器21；
-强度检测器20，除了位于行中心的一个或几个收集孔14光学地连接到光谱检测器21；
-…或任何其他配置。
图4示出了集成光学器件11的一种实现方式，其中分支波导27彼此交叉，以便允许将照明光纤29和检测光纤30分别分组在集成光学器件11的一侧，而不是使它们交错，例如如图1所示。
(位于同一层上的)波导27的交叉可能具有相当低的串扰量，只要波导之间的交叉角高于给定值，例如10度或更好30度。
当然，集成光学器件11的这种配置可以与所提出的其他实现方式一起使用。
图5示出了一种实现方式，其中测量通道24包括二次平面Y形结50，用于将从主平面Y形结18发出的测量光同时导向光谱检测器21和总强度检测器20。
主平面Y形结18和二次Y形结50优选在同一集成光学器件11上形成，以便更好地集成。
如前所述，这种配置允许利用同一测量通道24进行光谱测量和总强度测量。
当然，可以只是测量通道24一部分(例如仅一部分或一些部分)具有这种二次平面Y形结50。在这种情况下，其他测量通道仅光学地连接到光谱检测器21或总强度检测器20，如图1所示。
图6和7示出了包括光谱检测器21的本发明的实现方式，所述光谱检测器21利用能够在集成光学器件11上实施的技术完成。
稍后将详细描述这些光谱检测器21，其基于傅里叶变换光谱仪配置，该配置可以用平面波导技术来完成。这种傅里叶变换光谱仪提供测量信号的时域干涉图，通过对时域干涉图应用傅里叶变换得到强度光谱。
在这种情况下，本发明的装置可以具有非常紧凑的形状，其中集成光学器件11具有大多数的特征。
当然，在图6和7的实现方式中，本发明的装置还可以包括总强度检测器20。
参照图6，将描述傅立叶变换光谱仪的第一种实现方式。
例如在文献WO2006/064134和以下文章中描述了这样的傅立叶变换光谱仪：Etienne le Coarer，Sylvain Blaze，Pierre Benech，Ilan Stefanon，Alain Morand，Gilles Lerondel，Gregory Leblond，Pierre Kern，Jean Marc Fedeli，Pascal Royer，《Wavelength-scale stationary-wave integrated Fourier transform spectrometry》，Nature Photonics 1，473-478(2007)。因此，为了简洁，这里只描述了必要要素。
傅里叶变换光谱仪包括测量波导62，其接收从Y形结18发出的测量光。
测量波导62终止于反射元件60(例如集成光学器件11一侧上的金属或介电涂层)。
矩阵检测器61(例如阵列CCD或CMOS)被布置在测量波导62的上方，优选地覆盖这种测量波导62中的几个。
入射到测量波导62上的对应于入射波的测量光被反射元件60反射回来，从而形成反向传播的反射波。
在波导62的表面上周期性地沉积一组纳米线63(如金纳米线)。它们表现为在波导62的边界处的消逝波的色散中心63。
因此，入射波和反射波通过这些色散中心63而被空间采样，为在检测器61干涉的两个波产生色散光。
入射波和反射波的干涉产生的测量光的干涉图(或时域自相关)在反射元件60上具有零光程差。
由色散中心63空间采样的干涉图由矩阵检测器61记录。采样分辨率对应于色散中心63的大小，而采样周期对应于连续色散中心63之间的间隔。
由于通常的矩阵检测器61的像素大小，沿一个波导62的采样周期不够小以满足香农采样定理。为了解决这个问题，可以通过Y形结将测量光引导至多个平行测量波导62。这些平行测量波导62包括位置偏移的色散中心63(例如，通过在平行测量波导62上沉积与这些测量波导62形成不同于直角的角度的金纳米线)，从而通过将在所有测量波导62上获得的测量结果交错，可以重建完整的干涉图。
将参照图7描述傅立叶变换光谱仪的第二种实现方式。
例如在文献WO2007/017588中描述了这种傅立叶变换光谱仪：因此，为了简洁，这里只描述了必要要素。傅里叶变换光谱仪包括测量波导62，其接收从Y形结18发出的测量光。测量波导结束于环形波导70，环形波导70由分支Y形结形成，分支Y形结具有形成同一环形波导的两个出口分支。
入射到测量波导62上的对应于入射波的测量光被分支Y形结分成两个波，这两个波在环70内沿相反方向传播。
光谱仪还包括平面波导发散区域72，其布置为使得环70内的波可能在该发散区域72内“泄漏”，并且在被限制在波导层中时传播通过该区域。
发散区域由位于集成光学元件边缘上的线检测器71(CCD或CMOS)终止。从环70泄漏的两个反向传播波传播通过发散区域72并且在线检测器71上干涉。这两种反向传播波的干涉产生测量光的干涉图(或时域自相关)。
由于传播通过发散区域72，由线检测器71记录的干涉图以对应于R(x)/r的放大因子被放大，其中r是环70的曲率半径，R(x)是从环70的曲率中心到检测器71上的位置X处的位置的径向距离。因此，通过调节发散区域72的宽度，可以在检测器处具有足够大的干涉图，使得线检测器71的像素大小能够满足香农采样定理。
根据所有实现方式的一些变型，本发明的装置可以包括光源19，光源19与集成光学器件11的光波导25、27而不与照明光纤29连接，如图7所示。这种光源19可以包括例如直接或通过椎体或微透镜与集成光学器件的边缘上的波导25、27连接的LED。
根据所有实现方式的一些变型，本发明的装置可以包括总强度检测器20，其与集成光学器件11的光波导25、27而不与检测光纤30连接，如图6所示。这种总强度检测器20可以包括例如直接或通过椎体或微透镜与集成光学器件的边缘上的波导25、27连接的光电二极管或线性CCD或CMOS。
根据所有实现方式的一些变型，本发明的装置可以包括光谱检测器21，所述光谱检测器21与集成光学器件11的光波导25、27而不与检测光纤30连接。例如：
-具有色散元件的光谱仪型装置的光谱检测器21可以被定位为使得集成光学器件11的边缘上的一个或几个光波导25、27的端部定位在其入口狭缝中或者构成其入口狭缝；
-在线性或矩阵检测器前面具有彩色滤光片的光谱检测器21(可能也作为总强度检测器20工作)可以包括例如一组像素，这些像素被布置成直接或通过椎体或微透镜由集成光学器件边缘上的波导25、27照射。
虽然已经结合许多实施例描述了本发明，但是显然，许多替代、修改和变化对于应用领域的普通技术人员来说将是或者是显而易见的。
因此，旨在包括在本发明精神和范围内的所有此类替代、修改、等同物和变型。

Claims (16)

1.一种彩色共焦装置，包括：
-具有扩大的轴向色差的至少一个彩色透镜(13)；
-至少一个宽频带光源(19)；
-至少一个光学检测单元(20、21)；
其特征在于，所述装置包括至少一个测量通道(24)，测量通道(24)具有利用平面波导光学技术制成的平面Y形结(18)，所述平面Y形结(18)布置成将来自所述至少一个光源(19)的光传输到所述至少一个彩色透镜(13)并且将通过所述至少一个彩色透镜(13)反射回来的光传输到所述至少一个光学检测单元(20、21)。
2.根据权利要求1所述的装置，其包括消色差的平面Y形结(18)。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其包括多模平面Y形结(18)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其包括保持一个或几个平面Y形结(18)的集成光学器件(11)。
5.根据权利要求4所述的装置，其包括保持至少一个测量平面波导(25)的集成光学器件(11)，其中测量平面波导(25)光学地连接到平面Y形结(18)，并且测量平面波导(25)的出口端光学地面向彩色透镜(13)。
6.根据权利要求1到4中任一项所述的装置，其包括光学地连接到平面Y形结(18)的至少一个测量光纤(17)，其中测量光纤(17)的出口端光学地面向彩色透镜(13)。
7.根据权利要求6所述的装置，其包括多个测量光纤(17)，所述测量光纤(17)具有在空间上布置成至少一行(35、36)的出口端。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的装置，其包括用于在光源(19)和平面Y形结(18)之间传输光的照明光纤(29)。
9.根据权利要求4到7中任一项所述的装置，其包括与集成光学器件(11)对接的光源(19)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其包括检测光纤(30)，用于将光从Y形结(18)传输到光学检测单元(20、21)。
11.根据权利要求4到9中任一项所述的装置，其包括与集成光学器件(11)对接的光学检测单元(20、21)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其包括具有以下光学检测器中的至少一个的光学检测单元(20、21)：光谱检测器(21)、总强度检测器(20)。
13.根据权利要求12所述的装置，其包括光学地连接到同一平面Y形结(18)的总强度检测器(20)和光谱检测器(21)。
14.根据权利要求13所述的装置，其包括二次平面Y形结(50)，用于将从平面Y形结(18)发出的光导向光谱检测器(21)和总强度检测器(20)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中检测单元(20，21)包括傅里叶光谱仪类型的光谱检测器(21)，该光谱检测器(21)由以下器件制成：
-光波导(62)的由端镜(60)终止以产生驻波的一部分；或
-平面Y形结和布置成将入射波分成两个反向传播波的光波导的环(70)。
16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其包括集成光学器件(11)，该集成光学器件(11)具有与其它测量通道(24)的平面波导(25、27)交叉的平面波导(25、27)，以至少将光学地连接到光源(19)的平面波导分组。
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