CN112368539A - 用于测量物体的色共焦光学测量和共焦成像的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种色共焦测量装置，其具有发射多个波长的光的光源(1)和第一分束器(3)。来自所述光源(1)的光通过所述第一分束器(3)和成像光学元件(25)在测量物体上成像。所述成像光学元件(25)具有色差，使得不同波长的光聚焦在距所述成像光学元件的不同距离处。从所述测量物体反射的光由所述成像光学元件和所述第一分束器(3)在第一共焦检测光阑装置(10)上成像。第一检测装置(16)检测穿过所述第一检测光阑装置(10)的光并对其进行评估。照明光阑装置(2)具有设计为狭缝光阑的至少一个第一开口，所述第一开口与所述第一检测光阑装置(10)的检测开口作为共焦孔相互作用。第二分束器(13)将从所述测量物体(8)反射的光分成第一和第二分束(14、17)。所述第一检测装置(16)通过线检测器检测所述第一分束(14)的光，并评估所有波长上的总强度，以生成总强度分布图和/或总强度图像。第二检测装置(26)同时对所述第二分束(17)的光进行光谱分裂，并评估多个单独波长或多个波长范围的光的强度。

Description

用于测量物体的色共焦光学测量和共焦成像的装置和方法

技术领域

本发明涉及色共焦测量技术和具有扩展景深的图像传感器领域。

背景技术

通用的测量装置包括发射多种波长的光的光源，测量物体通过所述光源被照亮。它还包括第一分束器，光源的光通过所述第一分束器和成像光学元件在测量物体上成像。所述成像光学元件具有色差，使得不同波长的光聚焦在距成像光学元件不同的距离处。

从测量物体反射的光被成像光学元件和第一分束器在第一共焦检测光阑装置上成像，并且通过所述第一检测光阑装置(10)入射的光被第一检测装置(16)检测和评估。

从EP 3 222 964 A1中已知一种用于确定物体表面的色共焦装置。所述装置包括宽带光源和色差透镜，因此不同波长的光聚焦在不同的轴向距离处。所述装置包括多个光学测量通道，每个光学测量通道都在物体表面上的一个点成像，并针对至少部分测量通道来评估所有波长上的总强度，而不是对光谱进行评估。在所述装置的一个实施例中，输出通道由具有光纤耦合器的光纤形成，从而可以同时评估测量通道的总强度和光谱。在照明侧，光源的光也通过光纤传导，光纤末端用作共焦测量孔或照明孔，并通过所述装置在所述物体的测量点上成像。

但是，所述装置的缺点在于，由于单独的光纤，不可能均匀地照明和成像物体而没有间隙。另外，当使用光纤时，测量点的直径和间距受到形成测量通道的纤维的直径限制。在所需的测量点间距和直径显著小于光纤的直径和距离的情况下，需要缩小比例β＜＜1的物镜，这显著增加了所述物镜的成本和尺寸。光纤芯与光纤外径之比也设定了点直径与点间距之比的下限。如果测量点的距离和直径是可变的，则需要所述物镜的活动部件，这进一步增加了成本和尺寸。如果省略了光纤，则不再可能同时评估总强度和光谱(EP 3 222 964A1第131段)。为了立即测量较大的空间区域而需要的大量光纤和光纤耦合器也非常昂贵且笨重。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种紧凑的、鲁棒的且可低成本生产的用于色共焦成像和对测量物体进行测量的装置，所述装置同时能够快速确定所述测量物体在至少一个方向上延伸的相同空间区域的总强度并评估其反射光谱。

本发明的另一个目的是能够同时快速评估总强度图像和光谱，其中，测量点间距不是由光学部件预先设定的。

这些目的通过权利要求1所述的装置和权利要求14所述的方法实现。

本发明基于这样的知识，即通过使用在照明侧具有第一狭缝光阑作为共焦孔的照明光阑装置，产生对测量区域的均匀照明，从而使测量物体反射的总强度在第一检测装置中的快速线检测器上均匀成像。与通过共焦针孔光阑的光栅照明的离散测量点相反，“均匀照明”应理解为基本上连续恒定强度的照明。令人惊讶地发现，通过使用了这种空间延伸的孔而非已知的点状孔，还可以评估由所述测量物体反射的光的光谱分布，由此可以确定例如高度信息。为了能够同时评估所述测量物体表面的总强度和光谱分布，而不失去所述延伸的共焦孔(狭缝光阑)的优势，所述测量装置包括第二个分束器，所述第二分束器将从样品反射的光分成两个分束，由此可以同时以不同的方式评估分束。根据本发明，通过所述第一检测装置评估一个分束的所有波长的总强度，并且对另一分束的光进行光谱分裂，并且通过第二检测装置确定单独波长或波长范围的强度。

根据本发明的成像光学元件具有明显的色差。所述色差在下述方面比较有利，即使用的最短波长和使用的最长波长的聚焦平面彼此分开一定距离，该距离对应于所述测量装置的预设高度测量范围。为此，成像光学元件有利地具有至少一个透镜，所述透镜的阿贝数小于50，优选地小于40，特别优选地小于30。

优选地，第一共焦检测光阑装置布置在第二分束器与第一检测装置之间的光路中，并且第二共焦检测光阑装置布置在第二分束器与第二检测装置之间的光路中。对于两个不同的检测装置使用两个不同的检测光阑装置具有以下优点，即可以使用不同的光阑，所述光阑更好地适用于所述检测装置的要求。例如可以调整狭缝光阑的宽度或长度，以获得不同的空间分辨率，并同时尽可能好地满足两个检测装置的共焦条件。

特别优选地，照明光阑装置包括多个开口，其中照明光阑装置的第二开口与第二检测光阑装置的检测开口作为共焦孔相互作用。这导致在选择开口方面具有更大的灵活性，从而使落在所述检测装置上的光的成像参数可以选择为彼此完全没有相互作用。

在另一个特别优选的实施例中，照明光阑装置包括多个开口，并且第二检测光阑装置被设计为可更换的。作为互换性的替代，第二检测光阑装置的一部分(“快门”)可以被设计为活动的。因此可以改变所述第二检测光阑装置的一个或多个开口，并且可选地，所述照明光阑装置的第二开口或所述照明光阑装置的第三开口可以与所述第二检测光阑装置的检测开口作为共焦孔相互作用。此实施例的优点在于，以特别低成本和简单的方式提供一种测量装置，所述测量装置例如能够实现所述第二检测装置的可调节的空间分辨率

为了改变所述分辨率，仅需要更换掩膜或移动快门，所述快门遮盖所述第二检测光阑装置的未使用的检测开口并且允许光仅通过一个检测开口透射。

在本发明的优选实施例中，照明光阑装置包括至少两个开口，其中第一开口与所述第一检测光阑装置作为共焦孔互相作用，并且第二检测光阑装置通过更换或移动可移动部件，而与所述照明光阑装置的第一开口或所述照明光阑装置的第二开口或其他开口作为共焦孔互相作用。

在本发明的替代的优选实施例中，照明光阑装置的开口，特别是第一开口和第二开口，各自仅与第一检测光阑装置的检测开口或第二检测光阑装置的检测开口作为共焦孔相互作用。

优选地，照明光阑装置的第一和第二开口是宽度不同的狭缝光阑。替代地，第二开口是孔眼光阑，而第一开口是狭缝光阑，所述狭缝光阑的宽度(第一开口)特别地与所述孔眼光阑的直径不同。在这种情况下，所述照明光阑装置还包括另外的孔眼光阑是有利的，所述另外的孔眼光阑与第二开口布置在一排中，以便能够对物体的空间延伸区域进行成像。

在优选的实施例中，第一共焦检测光阑装置布置在第二分束器和第一检测装置之间的光路中，并且多条光纤在所述第二分束器和第二检测装置之间传导第二分束，特别地，光纤末端用作共焦孔。在此处使用光纤的优点在于，所述第二检测装置也可以灵活地布置在更远的地方，特别是因为光谱分裂的布置通常需要空间。这种布置可以结合有例如在照明时或在第一检测装置中的自由光束布置的优点。

根据本发明的优选实施例，第一共焦检测光阑装置也是(第二)狭缝光阑。特别优选地，形成第一共焦检测光阑装置的第二狭缝光阑的尺寸对应于第一狭缝光阑的尺寸。第一和第二狭缝光阑以及成像光学元件被布置成使得所述第一狭缝光阑在测量物体上的聚焦成像又被重合地(deckungsgleich)成像在所述第二狭缝光阑上。这使得能够最佳地利用光束的信息内容。

在本发明的范围内，狭缝光阑应理解为一种在一个方向上的延伸比与其垂直的方向上的延伸长的多(特别是至少两倍长)的光阑。优选地，狭缝光阑至少近似矩形，替代形状例如窄边缘的椭圆(Rundung)，也属于术语狭缝光阑。

在本发明的范围中，总强度应理解为通过检测器在特定点处或在空间上受限的小区域(像素)上，在所使用的整个波长范围内的总和的测量强度。在不同的位置和/或不同的时间确定不同的总强度。

第一和第二检测装置有利地包括被设置为可以在空间上分辨

入射光的位置的检测器。入射光的强度在几个位置确定，例如通过多个单独的检测器像素确定。以此方式，沿着至少一个维度可以实现入射在第一和第二检测装置上的光的空间分辨率，其中优选地在空间上分辨对应于第二狭缝光阑的较长边缘的维度。

优选地在第二检测装置中使用矩阵检测器，也就是说，可以将入射光强度以两个维度分辨的检测器。在本发明的优选实施例中，检测器被布置在所述第二检测装置中，使得狭缝光阑的较长侧沿所述检测器的一个维度成像，而不同波长的光通过色散元件沿所述检测器的第二维度分裂。

众所周知，与从矩阵检测器中读出所有信息相比，读出线检测器通常可以更快地进行。换句话说，矩阵检测器具有比线检测器更低的所谓的“帧速率”。因此，可以将这种线检测器的评估率选择为更高(更快)。在本发明的优选实施例中，利用了以下事实：选择第一检测装置的线检测器的评估率高于第二检测装置的评估率。这样做的优点是，可以更快地创建强度图像，其结果是，例如，在扫描测量物体期间，可以在所述强度图像中(沿扫描方向)实现更高的分辨率。

有利地，第二检测装置包括可以至少暂时中断矩阵检测器照明的快门。这确保了在扫描测量物体(即相对于测量物体的移动)期间，只有较小空间区域的光落在所述矩阵检测器上用于评估率，以防止测量值被涂抹(verschmieren)。优选地，快门仅在由线检测器进行评估的期间打开。

光源发射连续光谱上的光是有利的。通常将其称为“宽带光源”。

根据已知的色共焦测量原理，优选地从第二检测装置中的检测光的光谱分布获得高度信息。优选地，从所述第二检测装置在多个单独的波长或多个波长范围上检测到的强度分布中，推断出测量物体的表面的一个或多个高度信息。高度信息直接在所述检测装置和/或分配的评估装置中确定。在此“高度信息”应理解为例如是指测量物体的表面与测量装置或者预设的基准平面之间的距离，或者是指所述表面上的点之间的相对高度。在测量物体对于所使用的光至少部分透明的情况下，高度信息还可包括测量物体的厚度或测量物体的各个层的厚度。

对总强度的评估提供图像，所述图像虽然不包含任何高度信息，但是可以对横向于高度的结构成像，这是因为不同的波长聚焦在测量物体的区域内的不同高度上，其景深比没有成像光学元件的色差更大。

根据本发明的优选实施例，可以将由第一检测装置获得的总强度图像和由第二检测装置同时获得的针对同一测量区域的高度信息进行组合，例如通过显示装置叠加显示。特别优选地，可以评估和输出高度信息以及在横向于高度的平面中更精确地分辨总强度成像。

为了利用狭缝光阑相对于孔眼光阑的光栅的优点，测量物体反射的光优选地通过自由光束光学元件在所述测量物体和第一检测装置之间传播。进一步优选地，光通过自由光束光学元件从光源传播到所述测量物体。这还具有以下优点：可以使所述测量装置更鲁棒且更便宜地制造，并且在很大程度上与温度无关。

根据本发明的优选实施例，第二分束器是分束器立方体，所述分束器立方体特别优选地包括两个相互连接的棱镜，分束器表面在它们之间延伸。在这样的分束器立方体中的第一分束器也是特别优选的。

根据本发明的特别优选的实施例，在照明侧的第一狭缝光阑直接施加到第一分束器的表面上。附加地或替代地，第一共焦检测光阑装置也直接施加到第一或第二分束器的表面上。由于光学部件不太可能相对于彼此移动，因此这种方式使所述装置更加鲁棒。本发明的实施例是特别紧凑和简单的，其中所述分束器立方体的相关表面被不透明的涂层覆盖，并且光阑由无涂层的区域形成。

优选地选择分束器的分束比，以使测量光的强度在分束上的分布优化。所述光通过第二检测装置光谱分裂并被引导到矩阵检测器上。因此，与第一检测装置的线检测器相比，所述测量光分布在更多的像素上。优选地通过分束器的分束比来平衡所述效果。

根据本发明的优选实施例，第一共焦检测光阑装置布置在第一分束的光路中，第二共焦检测光阑装置布置在第二分束的光路中。特别优选地，第一检测光阑装置是(第二)狭缝光阑，第二检测光阑装置是(第三)狭缝光阑或至少一排孔眼光阑。

根据本发明的替代的实施例，第一共焦检测光阑装置布置在第一分束器和第二分束器之间的光路中。所述实施例的优点在于所述测量装置特别鲁棒，因为仅需要一个检测光阑装置，并且如上所述，所述装置可以像在照明侧的第一狭缝光阑一样施加到第一分束器立方体，因此彼此之间特别不可能移位。

根据本发明的另一替代的实施例，第二分束器被设计为衍射光栅，第零衍射级形成第一分束，而第一衍射级形成第二分束。这可以实现特别紧凑的设计。

有利地，测量装置的至少一部分，优选地至少成像光学元件以及第一和第二分束器，集成在测量头中。特别优选地，所述测量头在垂直于光轴的一个方向上的延伸小于在垂直于光轴的另一方向上的延伸。特别优选地，延伸较小的方向是第一狭缝光阑的较窄边缘的方向。这使得设计更紧凑。

在附图的描述中可以找到关于实施例的更多细节。

本发明还涉及一种用于对测量物体进行色共焦测量的方法，所述测量物体通过发射多个波长的光的光源在沿一个维度延伸的空间区域中被照明，其中具有不同波长的光聚焦在所述测量物体的区域中的不同高度处。从所述测量物体反射的光在第一共焦检测光阑装置上成像，特别是第二狭缝光阑上，使得所述第一检测光阑装置用作共焦孔。光被第一检测装置检测和评估。由所述测量物体反射的光被第二分束器分成两个分束。记录和评估第一分束在所有波长上的总强度，第二分束的光进行光谱分裂，并记录和评估单独波长或波长范围的强度。

高度信息优选地通过强度在波长或波长范围上的分布获得。通常，具有(局部或全局)最大强度值的波长对应于一个高度信息。

特别优选地将获得的高度信息分配给测量范围内的位置。高度信息更优选地分配给部分的总强度图像或总强度分布图。有利地，测量装置包括用于显示所述总强度图像或总强度分布图以及所分配的高度信息的手段，例如叠加或其他视觉分配。

如果照明光阑装置包括多个开口，所述开口部分地与第一检测光阑装置、并且部分地与第二检测光阑装置作为共焦孔相互作用，则第一检测装置和第二检测装置可能无法测量物体的相同区域。在这种情况下，计算测量位置之间的偏移，并在显示信息时考虑进去。

通过测量区域的均匀照明和在检测装置上的均匀成像可以在评估中显示不同孔的效果，这些孔可以理解为虚拟孔。

在最简单的情况下，所使用的检测器的单个像素与所使用的第二狭缝光阑的宽度一起在中间图像中形成有效孔。为此，在评估中仅考虑这些单个像素的强度，这些单个像素形成共焦孔的透射区域。在评估中未考虑剩余像素的强度，因此形成共焦孔的非透射区域。

通过适当地评估数据，还可以显示其他虚拟孔，例如通过将各种相邻像素组合成一个孔并在评估中加总相应的强度值。

虚拟孔可能在以下多个参数上有所不同：中心点的排列和孔的尺寸。中心点优选地以均匀的间距布置，使得所述中心点的位置通过第一孔的位置和孔中心点之间的间距表征。

选择孔的尺寸和间距以匹配表面的结构是有利的。

优选地，在测量装置或测量物体不相对于彼此移动的情况下，针对所述物体的空间区域执行不同的共焦孔的多个评估。根据常规的共焦测量方法，孔的中心点是固定的，因此在不移动测量头或所述测量物体的情况下，可以通过在点之间的特定距离仅确定表面上各个点的高度，并且。通过使用虚拟孔，特别地可以在虚拟孔的中心点相对于彼此移动的情况下进行多个评估，从而可以减小各个高度信息点之间的距离。这显示了一种沿着第二狭缝光阑的较长边缘进行的虚拟扫描。

有利地，测量装置和测量物体可以相对于彼此移动，其中优选地在狭缝光阑的窄边缘方向上进行扫描，即在多个位置进行多次测量，并对测量数据进行整体评估。这样，可以有利地创建总强度图像，因为多个相邻测量区域的成像一起显示。

在扫描期间，使测量装置或测量装置的一部分(测量头)相对于测量物体移动是有利的，优选地在第一狭缝光阑的窄边缘方向上移动。特别优选地选择移动速度，使得在第一检测装置的评估周期(即进行评估的时间段)内测量装置移动小于所述第一狭缝光阑的宽度。在每个评估周期中测量总强度的分布，然后将各种分布组合以形成整体图像。

沿着狭缝光阑的长边缘的高度信息的分布(高度分布)优选地由每个检测周期的第二检测装置的数据创建。

根据本发明的优选实施例，光在第二检测装置上的入射被快门暂时阻挡，优选地使第二检测装置的矩阵检测器仅在第一检测装置的评估周期的时长内接收光。从而实现，所获得的高度信息对应于测量物体表面上的空间受限的位置，并且没有或仅被轻微涂抹。有利地，此过程与第一检测装置的评估同步，从而已知给定的高度分布对应于哪个强度分布。有利地，信息被叠加地或以其他视觉方式分配在输出装置上。

根据本发明的另一优选实施例，执行第一次扫描以创建强度图像，随后进行第二次扫描以获取高度信息。高度信息特别优选地在从所述强度图像中识别出的特别感兴趣的位置处进行。

附图说明

在下文中，参考附图更详细地解释本发明的示例性实施例。附图中示出：

图1：色共焦测量装置的示意图；

图2：色共焦测量装置的优选实施例；

图3：色共焦测量装置的另一优选实施例；

图4：示例性的光阑装置；

图5：色共焦测量装置的另一优选实施例；

图6：虚拟孔的原理示意图；

图7：虚拟扫描的原理示意图；

图8：色共焦测量装置的优选实施例的示意图；

图9a和图9b：色共焦测量装置的另一优选实施例；

图10：照明光阑装置和检测光阑装置的示例性光阑装置。

具体实施方式

在所有图中，相同的附图标记用于相同的部分。

图1以示意图示出了根据示例的色共焦测量装置。

作为照明装置的一部分的光源1发出多种波长的光，所述照明装置被设置为通过成像光学元件25借助光源1照明测量物体8。所述照明装置包括第一照明光阑装置2，所述第一照明光阑装置2用作测量装置的共焦孔，并且优选地包括至少一个狭缝光阑。

第一分束器3将来自照明装置的光传导到成像光学元件25中，所述成像光学元件25具有明显的色差。

从测量物体反射的光被所述成像光学元件25和所述第一分束器3在第一共焦检测光阑装置10上成像，使得所述第一检测光阑装置10用作共焦孔。

测量装置包括第二分束器13，其将从测量物体8反射的光分成第一和第二分束14、17，其对所述测量物体8的相同空间区域成像。

所述测量装置还包括第一检测装置16和第二检测装置26，所述第一检测装置16检测和评估通过第一共焦检测光阑装置10入射的光。所述第一检测装置16设置为通过线检测器检测第一分束14的光，并评估所有波长的总强度。第二检测装置26设置为同时对第二分束17的光进行光谱分束，并且检测和评估多个单独波长或多个波长范围的光的强度。

图2示出了根据本发明优选实施例的示例性色共焦测量装置。

光源1发射多个波长的光。光穿过照射光阑装置2，所述照射光阑装置被施加到第一分束器立方体3的一侧。所述照明光阑装置优选地包括至少一个第一狭缝光阑。所述光源1和所述照明光阑装置2一起构成照明装置。

然后通过成像光学元件25将光在测量对象8上成像，所述成像光学元件25例如由第一透镜5和第二透镜6构成。线4示意性地示出了光路。由于所述成像光学元件25的色差，不同波长的光相对于所述测量物体8聚焦在不同的点或高度7a、7b、7c上。

被测量物体8反射的光通过成像光学元件(即透镜6和5)和第一分束器立方体3反射回来。所述光路由线9示意性地示出。

在分束器立方体3中，一部分光在光源1的方向上透射回来，而另一部分光在第二分束器立方体13的方向上反射。在第一分束器立方体3的沿第二分束器立方体13的方向布置的表面上，安装了共焦检测光阑装置10，所述装置例如由第二狭缝光阑组成。所述第二狭缝光阑的取向使得被所述测量物体8反射的第一狭缝光阑2的图像再次大致重合地成像在其上。

可替换地，第一分束器立方体3和照明装置可被布置成，使得透射通过分束器的光被传导到第二分束器立方体13的方向，而光源1被布置在反射路径上。

光束被第二分束器立方体13分成两个分束(14、17)。第一分束14指向第一检测装置16的方向。所述检测装置16包括一个由多个像素组成的线检测器。沿一行布置像素，使得沿着第二狭缝光阑(共焦检测光阑装置10)的长边缘方向分布的光沿像素行成像。

检测装置16的线检测器测量在所述线检测器的每个像素中使用的所有波长上的总强度。这允许沿着狭缝光阑的长边缘的方向生成强度分布。

第二分束17被色散元件18(例如衍射光栅)分成其光谱分量。这形成二维光场，所述二维光场在矩阵检测器20上成像。因此，所述矩阵检测器能够测量沿着狭缝光阑的长边缘的每个位置以及每个波长的强度。第二检测装置26设置成从这些测量的强度确定测量物体的高度信息。

在图2的右下角再次以透视图示出了第二检测装置26。

根据该示例，透镜12、15和19布置成，使得共焦检测光阑装置10在检测器上成像。例如，第三透镜12布置在第一分束器3和第二分束器13之间。选择和布置第三透镜12，使得光在分束器13中被准直是有利的。

根据该示例，第四透镜15布置在第二分束器13与第一检测装置16之间，并且第五透镜19布置在色散元件18与矩阵检测器20之间。

图3示出了本发明的替代实施例。

光源1发射多种波长的光。光穿过第一狭缝光阑2。所述第一狭缝光阑2优选地施加到玻璃块21，例如玻璃立方体。所述玻璃块21的使用在测量装置的构造中是有利的，并且防止了组件相对于彼此移动。然而，可替代地，所述装置也可以被设计成不具有所述玻璃块21，这样就必须考虑光程长度的最终变化。

优选地，第一分束器3直接位于玻璃块21附近。这将来自光源1的一部分光沿成像光学元件25和测量物体8的方向反射，如上面结合图2所述。

被测量物体8反射的光沿着光路9回落到第一分束器3中。一部分光在第二分束器13的方向上透射。这直接邻接所述第一分束器3是有利的。

第二分束器13将光分成第一分束14和第二分束17。在每个分束中设置共焦检测光阑装置：在第一分束14中的第一共焦检测光阑装置10和在第二分束17中的第二共焦检测光阑装置10a。根据该示例，所述第一和第二共焦检测光阑装置10、10a分别被施加到所述第二分束器13的表面。

聚焦在测量物体8的表面上的光被成像光学元件25于第一和第二共焦检测光阑装置10、10a上成像。

第一分束14通过透镜12b和15在第一检测装置16的线检测器上成像，所述线检测器测量在所有波长上入射在其上的光的总强度。

第二分束17由透镜12a准直，并由色散元件18例如衍射光栅在光谱上分开。所得的光场通过透镜19聚焦在矩阵检测器20上。

图4示出了各种共焦检测光阑装置。狭缝光阑106优选用于图1至3所示实施例的共焦检测光阑装置10和10a。

替代地，可使用一行孔眼光阑107。根据该示例，所述孔眼光阑107的直径对应于第一狭缝光阑2的直径。这行孔眼光阑仅用于第二检测光阑装置10a是有利的。

另一种可能性是使用至少两行交错的孔眼光阑108和109。这种布置可以具有大的孔眼光阑的点密度，从而减少所谓的“串扰”，即，来自测量物体表面上的相邻点的干扰信号。

图5示出了本发明的另一替代实施例。代替分束器立方体，衍射光栅18同时用于分成两个分束以及光谱分裂。

测量装置的与照明装置，成像光学元件和第一分束器3有关的部件如上文关于图1所描述的那样起作用。

在第一分束器3之后，光被传导到衍射光栅18上，所述衍射光栅同时用作分束器13。根据该示例，为了使光准直，在所述第一分束器3与所述衍射光栅13、18之间布置至少一个透镜12。

根据该示例，衍射光栅18的第零衍射级形成第一分束14，而经光谱分裂的第一衍射级形成第二分束17。所述第一分束14落在检测装置16的线检测器上，所述线检测器测量所述线检测器的各个像素的位置处的总强度。

被光谱分裂的第二分束17落在矩阵检测器20上，所述矩阵检测器20根据位置x和波长λ来测量强度。所述矩阵检测器20是第二检测装置26的一部分，所述第二检测装置26被设置为从强度的光谱分布获得测量物体8的高度信息。

图6示意性地示出了虚拟共焦孔的原理。如上所述，第二检测装置的矩阵检测器20的一维对应于沿着在测量物体8上成像的狭缝光阑(y轴)的空间位置，另一维对应于波长λ。入射在所述第二检测装置中的光沿λ轴被光谱分裂。

高度信息只能针对测量物体8上空间有限的端部区域获得。所述空间区域对应于色共焦测量原理中的虚拟孔。在这种情况下，观测位于矩阵检测器20的区域31、33上的像素的光谱，并且使用本身已知的方法从所述光谱中获得一个或多个高度信息。这对应于观测虚拟孔中的共焦孔32、34。

根据本发明的方法的优点之一是可以自由选择区域31、33。例如，如果选择区域31之间的距离较大，则对应于隔开的虚拟孔32。如果选择较小的距离(区域33)，则对应于更狭窄地设置的虚拟孔34。也可以通过在区域31、33的y方向上改变宽度来改变虚拟孔的直径。

图7示意性地示出了第二检测器沿x轴的虚拟扫描的原理。在这种情况下，在测量装置和测量物体保持在相同的相对位置的同时，像素区域移动。例如，三组选定的像素区域41、42、43导致近似重叠的虚拟孔51、52、53。

通过这种重叠的虚拟孔51、52、53可以生成比真实孔可能具有的分辨率更高的高度分布。

图8示意性地示出了根据示例的色共焦测量装置。

所示的装置在很大程度上对应于图1的测量装置，照明光阑装置2包括至少两个开口，其中至少一个被设计为狭缝光阑。因此，照明光阑装置的所有开口都通过成像光学元件25在测量物体8上成像。

在所述实施例中，第一共焦检测光阑装置10布置在第二分束器13与第一检测装置16之间。所述第一共焦检测光阑装置10仅包括单个狭缝光阑，所述狭缝光阑与照明光阑装置2的狭缝光阑作为共焦孔互相作用。因此，在检测装置16上仅对测量物体8的一个照明区域进行成像。

在第二分束器13和第二检测装置26之间布置第二共焦检测光阑装置10a。所述第二共焦检测光阑装置10a包括一个或多个开口，所述开口作为共焦孔与照明光阑装置2的不与第一共焦检测光阑装置10互相作用的那些开口互相作用。这样可将测量物体的另一区域在所述第二检测装置26上成像。

因此，第一和第二共焦检测光阑装置10、10a每个都完全阻挡照明光阑装置的成像的空间部分。

在本发明的优选实施例中，第二共焦检测光阑装置10a是可更换的。替代地，其包括可移动部分(“快门”)，所述可移动部分可选地覆盖所述第二共焦检测光阑装置10a的开口的一部分。所述优选实施例的两种状态在图9a和9b中示出。

图9a和图9b所示的实施例的结构基本上对应于图3，其中照明和检测光阑装置2、10、10a旋转了90°。

照明光阑装置具有至少两个开口，在此例如描述为第一和第二狭缝光阑，所述狭缝光阑可以由一系列孔眼光阑代替。

如结合图2所描述的那样进行成像。第一共焦检测光阑装置10包括单个狭缝光阑，照明光阑装置的第一狭缝光阑在所述第一共焦检测光阑装置10的狭缝光阑上成像，并且分束14相应地进入检测装置16。

第二共焦检测光阑装置10a在图9a中示出为第一可更换掩膜，所述掩膜具有狭缝光阑，照明光阑装置的第二狭缝光阑成像在所述狭缝光阑上。因此，分束17被传导到第二检测装置26中，所述分束17成像为与分束14不同的空间区域。

根据该示例，第二共焦检测光阑装置10a是可更换的。在图9b中，示出了第二可更换掩膜，所述掩膜在另一位置具有狭缝光阑，使得照明光阑装置的第一狭缝光阑映射到其上。

这样第二检测装置26可以可选地接收与第一检测装置16相同或不同的测量物体区域。

在本发明的特别优选的实施例中，照明光阑装置的狭缝光阑具有不同的宽度，相应的第一或其他检测光阑装置10、10a的宽度分别与之相同。

照明光阑装置特别优选地包括两个以上的不同尺寸的狭缝光阑，第二共焦检测光阑装置10a的可更换掩膜分别与此匹配。

在本发明的替代实施例中，照明光阑装置的第二狭缝光阑由一行孔眼光阑代替，第二共焦检测光阑装置10a设有一行对应的孔眼光阑是有利的。

作为第二共焦检测光阑装置10a的可更换掩膜的替代，它可以包括可移动部分(“快门”)，所述可移动部分覆盖不需要的开口。

图10示出了在照明光阑装置2和检测光阑装置中使用的优选掩膜。

在这种情况下，掩膜200是照明光阑装置，这里例如具有三个狭缝光阑201、202、203。用于第二共焦检测光阑装置10a的合适的掩膜是掩膜300，所述掩膜包括与所述狭缝光阑202的布置和尺寸相对应的单个狭缝光阑302。可以将所述掩膜与具有对应于狭缝光阑203的狭缝光阑的未示出的掩膜互换。400是用于具有单个狭缝光阑401的第一共焦检测光阑装置10的合适掩膜，所述狭缝光阑对应于所述狭缝光阑201的布置和尺寸。

作为掩膜200的替代，示出了具有狭缝光阑204和一行孔眼光阑205的掩膜。在苏搜示例性实施例中，第二共焦检测光阑装置10a包括相应的一行孔眼光阑305，并且第一共焦检测光阑装置10包括狭缝光阑404。

Claims (17)

1.一种色共焦测量装置，其包括：

光源(1)，所述光源发射多个波长的光，特别是连续光谱，

成像光学元件(25)，所述成像光学元件具有色差，使得不同波长的光聚焦在距所述成像光学元件不同的距离处，

第一分束器(3)，其中来自所述光源(1)的光通过所述第一分束器(3)和所述成像光学元件(25)在测量物体上成像，并且从所述测量物体反射的光通过所述成像光学元件和所述第一分束器(3)在第一共焦检测光阑装置(10)上成像，

第一检测装置(16)，所述第一检测装置检测并评估通过第一检测光阑装置(10)入射的光，

其特征在于，

所述测量装置包括照明光阑装置(2)，所述照明光阑装置包括至少一个第一开口，所述第一开口与所述第一检测光阑装置(10)的检测开口作为共焦孔相互作用，

其中所述第一开口是狭缝光阑，所述测量装置包括第二检测装置(26)和第二分束器(13)，所述第二分束器(13)特别是非偏振分束器，所述第二分束器(13)将从所述测量物体(8)反射的光分成第一分束(14)和第二分束(17)，

其中所述第一检测装置(16)被设置为借助于线检测器检测第一分束(14)的光，并评估所有波长上的总强度，并生成总强度分布图和/或总强度图像，以及

其中，所述第二检测装置(26)被设置为同时对第二分束(17)的光进行光谱分裂，并且检测和评估多个单独波长或多个波长范围的光的强度。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述第一共焦检测光阑装置(10)布置在所述第二分束器(13)与所述第一检测装置(16)之间的光路中，并且在所述第二分束器与所述第二检测装置(26)之间的光路中布置第二共焦检测光阑装置(10a)。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述照明光阑装置(2)包括多个开口，其中所述照明光阑装置(2)的第二开口与所述第二检测光阑装置(10a)的检测开口作为共焦孔互相作用。

4.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述照明光阑装置(2)包括多个开口，并且所述第二检测光阑装置(10a)被设计成能够更换的或包括可移动部件，使得所述照明光阑装置的第二开口或所述照明光阑装置的第三开口选择性地与所述第二检测光阑装置(10a)的检测开口作为共焦孔互相作用。

5.根据权利要求3或4所述的测量装置，其特征在于，所述照明光阑装置的开口，特别是所述第一开口和所述第二开口，每个分别仅与所述第一检测光阑装置(10)的检测开口或所述第二检测光阑装置(10a)的检测开口作为共焦孔互相作用。

6.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述照明光阑装置(2)包括多个开口，并且所述第二检测光阑装置(10a)被设计为能够更换的或包括可移动部件，使得所述照明光阑装置的第二开口或所述照明光阑装置的第一开口选择性地与所述第二检测光阑装置(10a)的检测开口作为共焦孔互相作用。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述照明光阑装置的第一开口和第二开口是宽度不同的狭缝光阑，或者所述第二开口是孔眼光阑，特别地所述狭缝光阑(第一开口)的宽度与所述孔眼光阑的直径不同。

8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述第一共焦检测光阑装置(10)布置在所述第二分束器(13)与所述第一检测装置(16)之间的光路中，并且多个光纤在所述第二分束器(13)和所述第二检测装置(16)之间传导第二分束(17)，其中所述光纤的端部特别地用作共焦孔。

9.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述第一检测装置(16)的评估率，特别是所述线检测器的评估率高于所述第二检测装置(26)的评估率。

10.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述第二检测装置(26)和/或相关联的评估装置被设置为，通过由所述第二检测装置(26)在多个单独波长或多个波长范围内检测到的强度分布推断出所述测量物体(8)的表面的一个或多个高度信息。

11.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，由所述测量物体(8)反射的光通过自由光束光学元件在所述测量物体(8)与所述第一检测装置(16)之间传播。

12.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述光通过自由光束光学元件从所述光源(1)传播到所述测量物体(8)。

13.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述第二分束器(13)在所述分束(14、17)之间具有预设的分束比，选择所述分束比使得两个分束(14、17)的强度不一样。

14.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述第二分束器(13)被设计为衍射光栅(18)，第零衍射级形成第一分束(14)，而第一衍射级形成第二分束(17)。

15.一种用于对测量物体(8)进行色共焦测量的方法，所述测量物体(8)至少在狭缝状的空间区域中通过光源(1)照射，所述光源发射多个波长的光，其中不同波长的光聚焦在所述测量物体(8)的区域中的不同的高度处，并且将从所述测量物体(8)反射的光在第一共焦检测光阑装置(10)上成像，以使所述第一共焦检测光阑装置(10)用作共焦孔，其中光通过所述第一检测装置(16)检测和评估，

其特征在于，

被所述测量物体(8)反射的光被分成两个分束(14、17)，在第一分束(14)的所有波长上检测并评估总强度，

对第二分束(17)的光进行光谱分裂，并且检测和评估单独波长或波长范围的光谱强度。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，根据能够选择的虚拟共焦孔(32、34)来评估检测到的光谱强度。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，针对所述测量物体(8)的空间区域，通过不同的虚拟共焦孔(32、34、51-53)进行多次评估，其中特别地，能够不同地选择所述虚拟共焦孔(32、34、51-53)的位置。

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