CN114945800A - 用于物体表面的3d测量的共焦测量设备 - Google Patents

用于物体表面的3d测量的共焦测量设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于物体表面(2)的3D测量的共焦测量设备(1)。该测量设备(1)具有用于测量光(5、5A、5B)的光源(4)、包括多个阵列透镜(13)的透镜阵列(12)、彩色望远镜(14)、多路复用器光学器件(11)、准直光学器件(8)和空间分辨的检测装置(24)。彩色望远镜(14)将物平面(16)成像到透镜阵列(12)的布置平面(15)中。在来自物平面(16)的测量光(5)的光路中，多路复用器光学器件(11)布置在透镜阵列(12)之后且距其距离为阵列透镜(13)的焦距(fAL)与多路复用器光学器件(11)的焦距(fMO)之和。在测量光(5)的光路中，单个孔径光阑(10)布置在多路复用器光学器件(11)之后且距其距离为多路复用器光学器件(11)的焦距(fMO)。在来自物平面(16)的测量光(5)的光路中，准直光学器件(8)后置于孔径光阑(10)。在来自物平面(16)的测量光(5、5A、5B)的光路中，检测装置(24)后置于准直光学器件(8)。产生一种在高的测量吞吐量的同时其结构得到简化的共焦测量设备。

Description

用于物体表面的3D测量的共焦测量设备
本专利申请要求德国专利申请DE 102020200214.2的优先权，其内容通过引用包含在本申请中。
技术领域
本发明涉及一种用于物体表面的3D测量的共焦测量设备。
背景技术
从WO 2014/180642 A1、DE 102005043627 A1、DE 102006007170 A1、DE102007019267A1、WO 2016/193037 A1、Zint等人的论文(Journal of Medical Imaging(《医学影像学杂志》)6(3)，033502，2019)、Kim等人的论文(Optics Express(《光学快报》)，第21卷，第5期，第6286至6294页，2013)和KR 10 1 368 486A已知了一种用于物体测量的共焦测量设备。DE 102013016368 A1公开了一种光学显微镜和用于检查显微样品的显微方法。DE 69729659 T2公开了一种用于微光刻和宽场共焦显微的微透镜扫描装置。WO 2010/084478 A2公开了一种用于高分辨率显微和在使用微镜的情况下光刻的装置。US 9,188,874 B1公开了一种具有用于无掩模光刻和并行共焦显微的点阵列的成像系统。
发明内容
本发明的目的在于，改进开头所述类型的共焦测量设备，使得在具有高的测量吞吐量的同时简化其结构。
根据本发明，该目的通过具有在权利要求1中说明的特征的共焦测量设备来实现。
根据本发明的多路复用器光学器件(或者说多路复用光学器件)无需使用要耗费地进行调节的光阑阵列。同时，通过透镜阵列和空间分辨的检测装置提供了高的空间分辨率和并行的多通道测量的可能性。单个孔径光阑作为多路复用器用于对从物体表面出发的测量光光路的所有分配给相应的阵列透镜的单通道的光路进行空间过滤。取消了通过必须耗费地进行调节的光阑阵列进行的阵列过滤。多路复用器光学器件可以实施为单个的多路复用器透镜。准直光学器件可以实施为单个的准直透镜。光源的测量光可以尤其是通过偏振分束器在彩色望远镜和空间分辨的检测装置之间耦入到测量光的光路中。λ/4板可以是耦入光学器件的一部分。该λ/4板可以布置在进行耦入的偏振分束器与透镜阵列之间。
根据权利要求2的彩色望远镜中的远心的光束走向减小了对彩色望远镜的光阑的定位的要求。可以避免在物体表面的3D测量过程中的尺度误差。
根据权利要求3的检测阵列能够实现多通道测量。检测阵列可以实施为CCD阵列或CMOS阵列。
根据权利要求4的检测装置的实施方案增大了数据采集和数据评估的自由度。测量光的子光路可以分别通过望远镜引导，以用于将检测入射平面成像到相应的检测阵列上。该成像可以是远心的。
根据权利要求5的渐变滤色器/颜色渐变过滤器能够实现数据评估，其针对单通道测量在Kim等人的论文“Chromatic confocal microscopy with a novel wavelengthdetection method using transmittance”(Optics Express(《光学快报》)，第21卷，第5期，第6286至6294页，2013年)中或在KR 10-1368486A中被描述。该评估技术可以转用到具有检测阵列的检测装置的逐像素通道，从而可以并行地评估各个通道。
根据权利要求6的栅格间距/阵列间距的适配优化了共焦测量设备的空间分辨率。栅格间距的适配可以选择为，使得给每个阵列透镜分配正好一个检测器像素。备选地，也可以这样适配栅格间距，使得将多个检测器像素分配给恰好一个阵列透镜。
根据权利要求7的带通滤光器可以用于将测量光的光谱范围限制成如下光谱范围，针对该光谱范围设计彩色望远镜。相应选择的光谱范围可以例如在400nm和600nm之间、尤其是在400nm和500nm之间的范围内。也可以使用光谱高通滤光器和光谱低通滤光器的组合来代替带通滤光器。
附图说明
下面根据附图更详细地阐述本发明的实施例。在附图中：
图1示意性示出了用于物体表面的3D测量的共焦测量设备；
图2示出了光场图，其中，为了说明对要被测量的物体的栅格形的照明的效果，根据物体表面上的测量点与测量设备的光轴的距离x示出了从测量点出发的测量光的照明角度(NA)；并且
图3以类似于图1的图示示出了用于物体表面的3D测量的共焦测量设备的另一实施例。
具体实施方式
共焦测量设备1用于物体3的表面2的3D测量。
测量设备1的光源4产生测量光5。图1示出了测量光5的示例性的单光束，用以说明通过测量设备1的光路。光源4实施为点光源并且可以通过光纤的出口端部形成。测量光5是宽带的，并且例如可以是波长在400nm和750nm之间的范围内的白光。视光源而定或者视测量光5的后续处理而定，也可实现UV、VIS、NIR和/或IR范围内的其他的波长-带范围。
为了便于说明位置关系，下面使用笛卡尔xyz坐标系。x轴在图1中向上延伸，并且垂直于测量光在光源4和物体3之间的主光束的光路。y轴垂直于图1的绘图平面地朝观察者延伸。z轴在图1中向右平行于光源4与物体3之间的主光束的方向延伸。
测量光5首先通过准直透镜6进行准直并且穿过非偏振分束器7，该准直透镜与测量设备1的光路中的其他透镜一样在图1中通过双箭头来表示。随后，测量光5通过聚焦透镜8聚焦，从而在焦平面9中产生焦点。在焦点的位置处，在焦平面9上布置有孔径光阑10，该孔径光阑可以具有空间滤光器的功能。
在穿过孔径光阑10之后，测量光5被另一准直透镜11准直。由此被准直的测量光5穿过具有多个阵列透镜13的透镜阵列12，这些阵列透镜在xy平面中以行和列的方式布置，在图1中示意性示出了其中五个阵列透镜13。
阵列透镜13实施为具有350μm×350μm的单透镜尺寸(xy延伸尺寸)的枕形透镜。阵列透镜13密集排列地布置在xy平面中。因此，相邻的阵列透镜13之间的距离同样是350μm。阵列透镜13分别具有1.59mm的焦距。因此，透镜阵列的一个“像素”具有350μm的典型的延伸尺寸。备选地，这样的像素也可以具有在10μm和1000μm之间的范围内、例如在50μm和500μm之间的范围内的其他的延伸尺寸。整个透镜阵列12在xy平面中具有10mm×10mm的延伸范围。因此，总共存在大约900个阵列透镜13。在透镜阵列12的备选的设计方案中，阵列透镜13的数量也可以明显更大，并且可以具有例如高达1000个、高达5000个、高达10000个、高达100000个或高达1000000个阵列透镜13。
透镜阵列12可以在使用在Gissibl等人的论文(Nature Photonics(《自然光子学》)，第10卷，第554至561页，2016年，以及Nature Communications(《自然通讯》)，7:11763，DOI：10.1038/necomms11763)中公开的技术的情况下制造。
在测量光5的光路中后置于透镜阵列12的超彩色物镜/增色物镜14作为彩色望远镜的示例将透镜阵列12的阵列透镜13的布置平面15成像到物平面16中，物体3的表面2布置在该物平面中。
彩色望远镜14的组成部分是两个望远镜透镜17、18以及位于它们之间的远心光阑19。远心光阑布置在彩色望远镜14的光瞳面19a中。
超彩色物镜14的焦距强烈依赖于测量光5的波长。关于相应的超彩色物镜和超彩色镜头(Hyperchromaten)的现有技术，参见2010年Optolines期刊杂志第23期第14至17页的论文。
从表面2反射的测量光又穿过超彩色物镜14和透镜阵列12，并且接着穿过起聚焦透镜作用的准直透镜11。然后，根据表面2上的物体3的结构高度和测量光5的相应波长，通过孔径光阑10选择测量光5的被允许通过的部分。
透镜阵列12、孔径光阑10和之间的透镜11是孔径光阑多路复用器20的组成部分。该孔径光阑多路复用器20的透镜11是多路复用器光学器件。该多路复用器光学器件11布置在阵列透镜13的焦距fAL与多路复用器光学器件11自身的焦距fMO之和的距离处。不必精确地遵循该和距离关系，而是允许在焦距fAL、fMO之和与多路复用器光学器件11距透镜阵列12的距离之间存在例如20％范围内的偏差。在来自于物体3的表面2、即来自于物平面16的测量光5的光路中，多路复用光学器件11布置在透镜阵列12之后。
彩色望远镜14内的光束走向是远心的。来自于物体3的表面2的物点的主光束因此在物平面16和透镜18之间相互平行地延伸。这同样适用于主光束在望远镜透镜17和透镜阵列12之间的走向。
孔径光阑10又在多路复用器光学器件之后布置在多路复用器光学器件11的焦距fMO的距离处。
分束器7和孔径光阑10之间的透镜8是准直光学器件，其在来自于物平面16的测量光5的光路中后置于孔径光阑10。
孔径光阑10用作多路复用器，以用于对测量光光路的所有分配给相应阵列透镜13的单通道的光路进行空间过滤。取消了必须耗费地被调节的孔径光阑阵列形式的空间过滤。
又被允许通过了孔径光阑10的、被分束器7反射的测量光5通过折叠式反射镜21和另外的非偏振分束器22来引导，并且被该分束器22分成两个测量光子光束5A和5B。视测量设备1中的光路的设计而定，也可以省去折叠式反射镜21。被分束器22反射的测量光子光束5A射入到空间分辨的检测装置24的第一检测器阵列23上。被分束器22允许通过的测量光子光束5B首先穿过线性滤色器25，并且然后射入到检测装置24的另外的检测器阵列26上。
检测装置24在来自于物平面16的测量光5的光路中后置于准直光学器件、即透镜8。
光源4、透镜6和8以及之间的分束器7是测量设备1的照明装置27的部件。
检测阵列23和26的检测器像素的像素分辨率适配于透镜阵列的阵列透镜13的阵列布置，使得一个阵列透镜13相应被分配给一个检测器像素。透镜阵列12的阵列透镜13的栅格间距因此适配于检测器阵列23和26的检测器像素的栅格间距。
此外，测量设备1的一部分是中央控制装置28，其以未示出的方式与检测器阵列23、26和光源4信号连接。
图2抽象地示出了具有透镜阵列12和孔径光阑10的孔径光阑多路复用器20的空间分辨效果。测量光场被示出为二维函数。在维度x中、即在x轴上示出了物体3(测量光5来自于该物体)的相应的测量点或物点与测量光光路的中心光轴oA(参见图1)的距离。在图2的与之垂直的图表轴“NA”上示出了来自于物点的相应的测量光光束的照明角或光束角。
垂直于x轴地，即空间局部化地，在各物点的位置处示出了聚焦的照明点FBP的光场，这些物点对应于透镜阵列12的阵列透镜13的相应位置。基于聚焦的照明点FBP的聚焦，这些照明点分别具有仅一个x坐标，但具有光束角带宽，从而聚焦的照明点FBP在角度维度NA中覆盖了在值-NA0和+NA0之间的带宽。
此外，在图2中示出了离焦的照明点DBP，其在根据图2的x/NA光场图中表现为剪切线、即倾斜延伸的线。在x维度中，每个离焦的照明点DBP具有在x0的总距离上、例如从-x0/2到+x0/2的分布。
通过选择透镜阵列12的阵列透镜13之间的距离，确保离焦的照明点DBP在x维度中不重叠，从而不会发生透镜阵列12的光路的各个单通道之间的串扰。因此，在利用检测装置24进行空间分辨的测量的情况下，可以相应于透镜阵列12的空间分辨率将相应的所测得的光信号分配给恰好一个物点。
可以对两个检测阵列23和26的测量结果的依赖于颜色的强度比进行评估，用以确定表面2的结构，如例如从Kim等人的论文“Chromatic confocal microscopy with anovel wavelength detection method using transmittance”(Optics Express(《光学快报》)第21卷第5期第6286至6294页，2013年)或从KR 10-1368486A已知的。在那里描述的单通道评估可以针对检测装置24的检测阵列23、26的每个像素分开进行，从而可以并行地确定表面2的结构测量的空间分辨的测量结果。
下面根据图3描述共焦测量设备31的另外的实施方案，其可以代替测量设备1用于物体表面的3D测量。
上面结合共焦测量设备1并且尤其是结合图1和图2已经阐述过的部件和功能以及测量方法具有相同的附图标记，并且将不再详细讨论。
在测量设备31中，通过偏振分束器32将测量光5耦入到测量和检测光光路中，该偏振分束器在光路中布置在准直透镜11和透镜阵列12之间。例如垂直于图3的绘图平面偏振的测量光5在根据图3的布置中从下方到达偏振分束器32，并且由该偏振分束器首先向右朝透镜阵列12反射。为了使测量光5偏振，在光路中在光源4和偏振分束器32之间布置有用于测量光5的偏振器33。偏振器33实施为线性偏振滤光器。在偏振器33和偏振分束器之间在光路中布置有90°偏转镜34。在光路中，光谱带通滤光器35布置在偏振器33前方的光路中，该光谱带通滤光器将测量光5的光谱范围限制在如下光谱范围内，即：测量设备31的超彩色物镜14被设计用于该光谱范围。
位于偏振分束器32和透镜阵列12之间的光路中的光阑36实施为用于测量光5的视场光阑，并且在透镜阵列12的输入区域上界定被照亮的区域。在偏振分束器32和光阑36之间，在测量光5的光路中布置有λ/4板37。在两次通过λ/4板37之后，最初垂直于图3的绘图平面偏振的测量光5平行于图3的绘图平面偏振，并且因此在图3中从右向左穿过偏振分束器32。接下来的经过用作聚焦透镜的准直透镜11、孔径光阑10、用作准直透镜的聚焦透镜8的光路对应于上面结合测量设备1阐述的光路。在测量光5的在透镜8之后的检测光路中，测量光首先穿过另外的光阑38，该另外的光阑定义了要成像的平面39，该要成像的平面与透镜阵列12的布置平面40光学共轭。透镜8和11因此将平面39成像到平面40上，其中，该成像是远心的。通过透镜8和11进行的在平面39与12之间的成像是远心的。
测量光5的检测光路在光阑38之后首先穿过另外的聚焦透镜41，并且接着穿过非偏振分束器42。由该非偏振分束器反射的测量光子光束5B在该测量光子光束5B到达检测器阵列26之前首先穿过线性的滤色器25，并且接着穿过准直透镜43。被非偏振分束器42允许通过的测量光子光束5B首先穿过准直透镜44，并且然后到达检测器阵列23。透镜对41、43和透镜对41、44是望远镜，其确保入射平面39成像到、尤其是远心地成像到检测阵列26、23的布置平面上。
与布置平面15或40以阵列透镜13的焦距间隔开的照明平面在图3中利用附图标记45来表示。该平面45是透镜阵列12的照明平面。该平面45通过彩色物镜14成像到物平面16上。
通过借助在图3中未示出的纤维或光阑实现的预设参数能够可变地调节光源4的空间伸展尺寸。

Claims (7)

1.一种用于物体表面(2)的3D测量的共焦测量设备(1；31)，该共焦测量设备具有：
-用于测量光(5、5A、5B)的光源(4)，
-具有多个阵列透镜(13)的透镜阵列(12)，
-彩色望远镜(14)，所述彩色望远镜将物平面(16)成像到透镜阵列(12)的布置平面(15)中，
-多路复用器光学器件(11)，在来自于物平面(16)的测量光(5)的光路中，所述多路复用器光学器件布置在透镜阵列(12)之后且距该透镜阵列的距离为阵列透镜(13)的焦距(fAL)与多路复用器光学器件(11)的焦距(fMO)之和，
-单个孔径光阑(10)，在来自于物平面(16)的测量光(5)的光路中，所述孔径光阑布置在多路复用器光学器件(11)之后且与该多路复用器光学器件的距离为多路复用器光学器件(11)的焦距(fMO)，
-准直光学器件(8)，在来自于物平面(16)的测量光(5)的光路中，所述准直光学器件后置于所述孔径光阑(10)，
-空间分辨的检测装置(24)，在来自于物平面(16)的测量光(5、5A、5B)的光路中，所述检测装置后置于所述准直光学器件(8)。
2.根据权利要求1所述的共焦测量设备，其特征在于，测量光(5)在彩色望远镜(14)中的光束走向是远心的。
3.根据权利要求1或2所述的共焦测量设备，其特征在于，所述检测装置(24)具有至少一个具有检测器像素的检测阵列(23、26)。
4.根据权利要求3所述的共焦测量设备，其特征在于，所述检测装置(24)具有分束器(22)和两个彼此独立的检测阵列(23、26)，这些检测阵列分别在测量光(5A、5B)的各一个子光路中布置在分束器(22)之后。
5.根据权利要求4所述的共焦测量设备，其特征在于，在检测装置(24)的两个子光路(5A、5B)中的一个中设有至少一个渐变滤色器(25)。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的共焦测量设备，其特征在于，所述透镜阵列(12)的阵列透镜(13)的栅格间距适配于所述至少一个检测阵列(23、26)的检测器像素的栅格间距。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的共焦测量设备，其特征在于，设有用于限制测量光的光谱范围的光谱带通滤光器(35)。
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