CN115698626A - 用于测量物体的表面形貌的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量物体(18)的表面形貌的方法，所述方法包括以下步骤：a)提供源辐射，并将所述源辐射划分成照射辐射(12)和参考辐射(22)；b)用照射辐射(12)以平面照射场来照射所述物体(18)的表面，用多于一个的空间辐射模式同时地照射所述物体(18)的表面，并且照射的辐射模式在空间和时间上是彼此相干的但具有彼此固定的相位差；以及c)在所述物体(18)的表面处回散射的照射辐射上叠加所述参考辐射(22)，并用至少一个检测器(17)检测叠加辐射(16、22)的干涉信号。对于至少两个不同的固定波长执行步骤a)至步骤c)。借助于数字全息摄影来确定所述物体(18)的所述表面形貌。

Description

用于测量物体的表面形貌的方法和系统

技术领域

本发明涉及测量物体的表面形貌，特别是测量大物体的表面形貌。

背景技术

根据DE 10 2008 020 584 A1，用于对技术样品的表面构造进行的3D测定的一种既定方法是数字全息摄影。如在形貌学方法中通常的那样，像素的光从限定的距离返回，即从测量物体的表面返回。对于全息摄影，记录多个图像，每个图像以不同的(固定的)波长。通常最多有几百个专用波长。

DE 10 2018 130 396 A1描述了一种光学相干层析成像的方法。所描述的方法用于人眼上的体积成像。与物体构造的3D测定不同，层析成像以深度分辨率采集样本内部的体积散射，即来自物体所有深度的光被同时地回散射以用于像素。对于深度分辨率，在层析成像方法中，因此调谐照射光的波长。在此期间，对样品进行许多记录。经由倒数波长通过傅立叶变换来重建该样品的深度构造。为了能够区分例如物体的10000个不同深度，一般记录和计算20000个记录。因此，光学相干层析成像一般比数字全息摄影更慢，但实现了深度分辨率。然而，对于纯表面物体而言这太慢了。

像光学相干层析成像一样，数字全息摄影是以用完全空间相干的波照亮的物体为基础。为此目的，在现有技术中，准直的或球形TEM00模式被照射进来。为了使这种照射波不会对人类观察者的眼睛带来任何风险，或者在难以接近的测量室中使用这些仪器，或者只能采用毫瓦范围内的非常低的照射功率。DE 10 2018 130 396 A1将散射的完全相干的照射波照射到眼睛中。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于测量表面形貌(Topographie)的系统和方法，该系统和方法使用根据标准EN 60825-1(2020年1月1日生效的版本)的1级激光/激光类别1来操作，但是也使用从0.1W至10W范围内的相对较高的功率，并且仍然可以在人类可进入的室中记录体积测量体积达150m³的大物体而没有运动伪影。

在独立权利要求中限定本发明。从属权利要求涉及优选的改进。

提供了一种数字多频全息摄影系统和方法，其使用完全相干但被散射的(gestreuten)照射波。DE 10 2018 130 396 A1中所描述的可能性可以用于照射。以与DE10 2008 020 584 A1类似的方式进行信号评估。

在用于测量物体的表面形貌的方法中，提供源辐射，并将该源辐射划分成照射辐射和参考辐射。用所述照射辐射以面状的/二维延伸的

照射场来照射所述物体的表面。在这种情况下，用多于一个的空间辐射模式同时地照射表面。照射的辐射模式在空间和时间上是彼此相干的但彼此具有固定的相位差。在所述物体的表面处被回散射/背散射的(rückgestreute)照射辐射被检测器接收。此时，其与所述参考辐射叠加。由此，通过检测器获得叠加辐射的干涉信号。对于至少两个不同的固定波长执行这些，并且然后借助于数字全息摄影评估(Holographieauswertung)来确定所述物体的表面形貌。

此外，提供了一种用于测量物体的表面形貌的系统，即表面拓扑计

该系统被构造为执行该方法。该系统包括：照射装置，所述照射装置用于以至少两个不同且固定的波长提供源辐射；分光元件，所述分光元件用于将所述源辐射划分成照射辐射和参考辐射；和散射元件(Streuelement)。该系统将照射辐射调整为使得已经行进穿过所述散射元件的辐射提供二维延伸的照射场以用于照射所述物体，所述二维延伸的照射场包括多于一个的空间辐射模式，所述辐射模式在空间和时间上是彼此相干的但具有彼此固定的相位差。检测器接收由所述物体的表面回散射的并且与所述参考辐射叠加的照射辐射。该检测器产生电子信号，该电子信号与叠加辐射的光学干涉信号相对应，并且将该信号传送到处理器。所述处理器被构造成借助于数字全息摄影处理来确定所述物体的表面形貌。

实施某些附加的技术措施以便使该方法特别适应于对大的样品体积的记录。下面将更详细地描述这些适应调整。

如果照射的光导值/作用域(Lichtleitwert/étendue)显著增加，则可以使用非常高的光极限值。这可以通过在时间静态(zeitlich statischen)散射板处散射完全相干TEM00模式的光波来实现。因为只有时变(zeitlich variable)散射板会影响空间相干性，因此在该散射过程期间，源的完全空间相干性保持不变。由于该原因，尽管用散射的照射波来进行照射，对于数字全息摄影所需的完全相干评估仍然有效。为了评估，已知的数值的(numerischen)光场传播方法(其在现有技术中用于评估被物体回散射的光波)被附加地应用于光波从散射板到物体平面的传播。

为了测定扩展的物体，现在使用所谓的跟踪干涉仪(例如，徕卡激光跟踪器(LeicaLasertracker)、尼康激光雷达(Nikon Laser Radar)、标准量具激光跟踪器NG(EtalonLasertracker NG))。它们用聚焦的激光波来扫描物体，该聚焦的激光波在直径方面具有从几微米到几百微米的聚焦尺寸。这些系统典型地使用具有约1.5μm的波长的激光，每秒扫描几千个测量点。所有系统都通过了激光1级认证，并因此符合10mW的用于连续发射的激光功率极限值。

这里描述的全息摄影系统(其以几千万像素的平行化度来操作，并用散射波来照射)，在另一方面，可以连续地与大得多的(约400mW，例如在800nm带中)光学功率一起工作，而不会对在场的人造成危险。因此，实现了至少高40倍的速度。

由于在某些应用中，场景不会在干涉测量的质量水平上长期保持不变，因此优选地采取特殊措施，以便最小化所有相干的要计算的数据的记录时间。另外，补偿残余运动伪影的措施是可能的。

对于快速全息摄影记录，以下措施单独地或组合地是特别优选的。

用二维的位置分辨的相机完成对物体的干涉测量式的(interferometrische)记录。为了能够独立地确定这些单独记录中的每个记录中的每个样品像素中的检测波的相位角度，优选地使用现有技术中在其他地方已知的离轴检测，例如来自DE 10 2018 130 396A1。为了测量到物体的绝对距离，至少两个图像以不同的波长被记录(aufgezeichnet)。两个图像的波长差生成合成波长。这两个图像中像素的相位差给出合成波长的相位角度(Phasenlage)。波长λ1和λ2被选择为，使得测量的确定性范围/唯一性范围(Eindeutigkeitsbereich)对应成大于或等于要被测量的最大路径长度

如果L是到物体表面的距离的两倍，则需要L＜λ1*λ2/|λ2-λ1|。取决于测量的SNR(信噪比)，一定的相位测量精度被实现，并因此长度分辨率被实现。通过对多个记录进行平均，可以提高SNR，并因此提高测量精度。出于物理原因，替代地或附加地优选的是记录具有较大波长差的附加记录。尽管这些测量在距离测量(Entfernungsmessung)中具有相应较小的唯一性范围，但另一方面，它们具有相应较高的距离测量精度。为此目的，优选地以k向量(2π/λ)的量级中的指数级增加的差来选择记录的波长。还优选的是，在这种波长分度中，每个波长与每个另一波长的差仅出现一次，并且各种差尽可能地生成波数(k向量的量级)的指数分布的序列。

b)在评估中仅评估差分相位图像。为了能够进一步减少运动伪影，通过用相同波长相继地记录多个图像并且比较相位值，来确定运动伪影的典型时间常数。在波长序列的记录中，然后以时间间隔记录仅用于估计和校正运动伪影的具有固定参考波长的图像，该时间间隔定制于这些运动伪影。尤其优选的是，用固定参考波长和来自波长列表中的波长记录双图像。如果运动伪影已经在独立图像的典型积分时间(约10毫秒)内出现，因此可以从具有固定参考波长的比较图像的图像序列中确定相对相位角度及其变化率。然后优选的是，调制激光源的功率以使这些相位速度的频率加倍，以便在记录中实现更高的干涉对比度。通过这种测量，一次只照射该波的一个相位状态，类似于频闪记录。优选地，应该使用所谓的全局快门相机作为检测器。使用这些相机，可以在小于10μs的极短时间间隔内记录双记录。为此目的，相机被调整到可以以最大帧速率记录的最长积分时间，例如，略低于20毫秒，以50帧/秒的帧速率。在积分时间结束之后，每个像素的电荷被非常快速地转移到读出电容器中。当相机像素在约50μs的非常短暂的中断之后开始下一帧的信号积分时，可以同时地读出前一图像。如果现在仅在第一次记录的有效积分时间内的结束时的例如一毫秒的短时间内打开光源，并且仅在随后的帧中的第一毫秒打开光源，则可以仅在约2.05ms内记录两个图像。通过这种脉冲操作模式，一方面可以进一步增加激光极限值所允许的峰值功率，并且另一方面还可以实现远高于相机的标称帧速率的测量速度。通过这两种措施的组合，可以显著减少运动伪影。

c)关于提高速度，下面将比较用于实现各种方法的某一深度分辨率的检测光子的最小数量。在现有技术中已知的FMCW激光雷达方法中，在激光源的波长方面连续地调谐该激光源，并且测量信号波与参考波的叠加强度。通过使用快速傅立叶变换来评估用于不同波长的叠加波，可以测量/重建物体的深度。深度分辨率取决于激光器的调谐带宽和测量的SNR。如果调谐带宽在给定的积分时间内加倍，则在同一时间内实现两倍的深度分辨率(即，距离误差的标准偏差减半)，但是还需要具有两倍调谐速率的激光器。如果激光器以最大可能的调谐速率操作，则对于将调谐带宽加倍需要加倍的时间，但甚至可以实现2.8倍更好的深度分辨率。

d)如果记录了多个记录或具有特定固定调谐带宽的相应较长的记录，并且对深度测量值进行平均，则深度分辨率与SNR成线性比例。这意味着必须使用二次方(4倍)更长的积分时间，以便通过平均来将深度分辨率加倍。在数字多频全息摄影中，用指数级的波数来记录多个记录。作为最大波数差的函数的分辨率与FMCW方法中作为调谐带宽的函数的分辨率相同。在每附加一条记录或(在非静态系统中)的情况下，分辨率就会因此随着每附加一条双记录而增加大约2到10的某一因数。由于该原因，在多频全息摄影中所实现的深度分辨率有效地与总和积分时间成指数比例。

除了由于照射波的散射而被允许的更高的激光功率之外，这也是为什么多频全息摄影允许更有效并也因此更快速的检测的原因中的一个原因，尤其是对于从1μm至100μm范围内的非常高的深度分辨率。

具有相干长度在几十米范围内并且能够在某些极限内调谐激光频率的激光器被用作激光源。例如，ECDL(扩展腔二极管激光器)、VCSEL、DFB或DBR半导体激光器是特别优选的。

优选的是使用这样的激光器波长，对其而言存在带有合适分辨率的位置分辨的阵列传感器。与商业上可获得的跟踪干涉仪相比，优选的是使用600nm至1000nm范围内的波长，其可以由高分辨率硅相机检测器配准，特别优选地是在700nm至900nm的范围内。

典型地可以借助于操作电流在高达一纳米的范围内非常快速地(MHz)调谐该激光器。也可以在第二范围内以时间常数进行高达约7nm的热调谐。

如果要实现几十微米范围内的特别高的轴向分辨率，则可以优选地使用一个以上的激光器，以便在双图像内产生快速调谐。

当使用两个激光器时，偏振耦合、强度分光、二向色叠加或借助于光学切换器的可快速切换叠加是优选的。尤其是在二向色耦合的情况下，优选的是仅提供与所使用的其他波长具有最大波长差的激光器中的一个激光器的参考波长。

如果要使用多于一个的激光器进行照射，则可以采用光纤耦合的激光器，并且光纤可以在准直非球面后面彼此相邻地布置。以这种方式，散射板后面的照射图案对于各种不同的激光源相互不同。然而，由于这是以限定的方式发生的，因此在评估期间可以考虑到这一点。

对于数字多频全息摄影，重要的是像素的信号光只能从一个深度回散射。因此也可以测量倾斜的物体面，横向分辨率和轴向分辨率优选地具有相同的量级。然后，每个物体像素具有限定的回散射相位，独立于波数的第一近似。

如果要使用仅两个激光器，则优选的是借助于AWG(阵列波导光栅)或光学切换器来组合激光器，并且然后借助于SOA(半导体光学放大器)/锥形放大器来放大它们。在这种情况下，用于各种不同波长的照射图案在零延迟方面是相等的，并且只需要一个SOA来对两个激光器进行放大。

或者，优选的是使用与固定频率激光器(例如，DFB激光器)组合的扩展腔二极管激光器。扩展腔激光器具有非常长的相干长度，并且可以被调谐以用于非常宽的光谱范围。然而，它们在调谐期间确实表现出模式跳跃，但是这些不会引起干扰，这是因为仅以固定波长记录图像。典型的调谐速率在10nm/s的范围内，并因此比典型的DFB激光器慢得多。对于高达10nm的完全扫略，这些时间是可以接受的。然而，由于需要以几毫秒的非常短的时间间隔来记录双图像，优选地将扩展腔激光器与固定频率激光器组合，以便能够在几毫秒的时间周期内记录双图像。

例如，根据DE 10 2008 020 054 A1进行数字全息摄影评估。

当参考该说明书中的系统时，相应的评述类似地适用于相应的方法，并且反之亦然。

应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，上面提到的特征和下面将要解释的特征不仅可以在所示的组合中使用，而且还可以在其他组合中使用或单独地使用。

附图说明

下面将参考所附的附图借助于示例性实施例来更详细地解释本发明，附图同样解释了对本发明至关重要的特征。这些示例性实施例仅是说明性的，并且不应被解释为限制性的。例如，对具有多个元件或部件的示例性实施例的描述不应被解释为意味着所有这些元件或部件都是实施方式所必需的。相反，其他示例性实施例也可以包含替代性的元件和部件、更少的元件或部件、或额外的元件或部件。除非另有指示，否则不同示例性实施例的元件或部件可以彼此组合。对于一个示例性实施例描述的修改和变化也可以应用于其他示例性实施例。为了避免重复，在各个附图中相同或彼此对应的元件由相同的附图标记表示，并且不再解释。在附图中：

图1A和图1B示出了用于表面拓扑测量

的系统的示意图；

图2示出了在图1A或图1B的系统中所提供的光源装置；

图3示出了图1A或图1B的系统的变型；以及

图4至图7示出了在系统中提供的用于测量波数(k值)的单元的实施方式。

具体实施方式

图1A示出了在测量光束路径上没有透镜的示意性系统2中的自由光束路径。紧密地彼此靠近布置的一个或更多个单模玻璃光纤4的光被透镜6准直，并照射散射板(Streuscheibe)8。该散射板8可以被构造为透射散射板。由于光波的散射对于使用高输出功率来说是核心的安全技术上的概念，因此从光束路径中“脱落”会大大增加潜在的危险。为此，技术上可以优选的是将散射板8构造为反射元件。如果在这种情况下所述板从其保持件脱落，则不能再发射光，并且该系统是固有安全的。

散射板8的尺寸被设置成，该散射板8发射出在远场分布中呈礼帽形状的

包络(Einhüllende)作为光场12。该场尺寸适应于检测器10的检测器像素的被衍射限制的分辨率，即，从物体回散射出来的光分布在检测器10上产生大于或等于像素尺寸的散斑(Speckle)。从物体18的表面背反射(rückreflektierte)的辐射被检测器10采集。在这种情况下，用叠加的参考波22进行离轴(off-Axis)检测。在检测器10上，来自物体的光波1b和参考波22以角度24叠加。朝向检测器10的、其中存在角度24的方向上，仅照亮小3倍的物像场(Objektbildfeld)。因此，被物体回散射的光分布的散斑在该方向上比检测器像素大至少3倍。在无透镜的系统中，散射板8的远场实现了虚拟的场光阑功能

在照射与检测之间存在分光器板14，该分光器板14划分两个光场12、16。出于效率原因，优选使用偏振分光。为此，借助λ/4板，线性激光辐射偏振在分光器之后在物体侧被转换成圆偏振。在物体18的表面处回散射的波(光场16)在第二次通过期间再次被线性偏振化，但是相对于激光束偏振方向旋转90°，并且因此该波(光场16)以高效率从分光器14反射到检测器10。

在检测侧，借助于第二强度分光器20，具有与信号波16相同的偏振状态的参考波22以离轴角24被叠加，该第二强度分光器20尽可能地独立于偏振。该参考波22来自光导光纤5。

控制和评估装置(其包括处理器11和存储器等部件)读取检测器10的信号等并执行用于数字全息摄影(Holographie)的信号评估，例如，根据DE 10 2008 020 584 A1所述的。

优选地在实施例中，在散射板8与物体18的待采集的表面之间、和/或在物体18的表面与检测器10之间，不布置会产生成像的成像光学器件(诸如透镜)。对物体的成像仅仅通过评估以数字的方式进行。优点是该系统没有光学像差和反射。

成像光学器件可以替代地被用在检测和照射光束路径中。然后，借助于布置在光束分光器14与物体18之间的物镜的焦距，所采集的像场的尺寸和由此能够实现的侧向分辨率

可以适应于各种不同的应用测量任务。

为了也能够以相对较大的物场(Objektfeldern)来测量形貌，系统2的整个测量头26可以优选地借助于驱动器(未示出)以机动方式旋转和倾斜(箭头28、29)。通过位置分辨的距离测量数据与能非常精确地确定的旋转和倾斜角度一起，可以以高达360°的角度高精度地来记录场景的形貌。

散射板8在物体18上的成像和物体18在检测器10上的成像是完全对称的。对于无透镜的照射和检测，自动地就这种情况。在具有透镜的系统中，在照射和检测中优选地使用具有相同效果的成像系统。如果检测透镜被构造成使得该检测透镜可以以机动方式重新聚焦到平均物体分离上，则照射光学器件也应该是能够以相同的方式重新聚焦的。因此，在具有透镜的系统中，可以优选在照射和检测光束路径中使用相同的物体。在这些情况下，将尽可能地减少光学器件中的反射，以便不干扰评估。例如，这可以通过以下方式来实现，即，将λ/4板紧接最后一个光学物镜面的后面放置在物体侧，这是因为以这种方式，来自物体的所有反射由于它们的偏振状态而从检测中被抑制。如果这种偏振反射抑制不允许足够程度的抑制，则光学器件可以被构造成内部无反射的。为此目的，可以使用“无反射(reflexfreie)”镜式光学器件(Spiegeloptiken)。此外，还可以在光束路径中倾斜地布置折射或衍射光学元件，使得该折射或衍射光学元件的背反射在几何上不会撞击在传感器上。

与常规的光学系统相比的一个很大的优点是，可以用数字光学的方法校正已知的光学像差。以这种方式，这里可以优化光学器件以实现最小的反射，并且随后可以通过评估来实现高图像量。

然而，也可以使用分开的、受反射影响的常规光学器件以用于照射和检测，并且仅在最后一个光学面之后将光束路径叠加/镜像在一起。

图1B示出了具有物镜23和布置在该物体18前面的λ/4板25的变型，该物镜23和λ/4板25两者都倾斜布置以便使反射最小化。

图2示出了图1A或图1B的具有两个分开的激光源30、32的照射激光系统2的光纤部分。在图2所表示的结构中，光纤耦合的DFB激光器是特别优选的。用分光器34、36将一小部分强度(例如，20％)从两个激光器30、32的光束划分出来，并且该一小部分强度在确定波数(k值)的k时钟单元38中被用于非常精确的波长表征。如果使用DFB激光器，由于电光热的瞬态过程，激光束的频率可能漂移，例如在频率的调谐期间漂移，并导致所发射的辐射的相干长度的显著减小。因此，优选的是精确地表征该激光束，并且例如通过重新调整操作电流来补偿热瞬态过程，使得相干长度在测量时间期间是足够长的并且频率不漂移。如果仅这些测量还不够，则优选如图2所表示的，使激光器连续地发射并且能够借助于光学切换器40切换到输出光纤42上。在这种情况下，切换器40执行双图像/双视觉(Doppelbildes)内的激光频率的切换。在这种情况下，将由光学后置放大器44实现激光器30、32的脉冲，该光学后置放大器44与同步检测器10一起允许在双图像内计时。

在放大器44(如果使用该放大器)之后或从光纤42(没有放大器)发出，辐射在图1A或图1B的设计中经由合适的分光器行进到光纤4和5中。

由于所发射的光波场由于散射板而具有非常大的光导值/作用域(Lichtleitwert/étendue)，因此可以由系统2根据图像场尺寸、安全地发射100mW至10W范围内的光功率(作为激光类别1/1级激光)。为了将激光器30、32的功率放大到这个数量级，特别优选地使用锥形放大器作为放大器44。后者的特点是所发射的功率很大，以至于有时不能再由单模光纤来引导。因此，在某些情况下，优选在自由光束结构中在准直器与散射板之间划分出参考波，如图3所表示的。在其他方面，图3的系统2在照射和检测方面对应于图1A或图1B的系统。

对于该方法必要的是，以非常高的精度(在10μm的情况中达到10m·1E-6)知道双图像的精确波长。DFB激光器或ECDL激光器优选地被用作激光源30、32，该DFB激光器可以借助于操作电流和芯片温度来被调谐，该ECDL激光器可以附加地通过外部光纤光栅的对准来被调谐。每个激光器30、32在所有可能的操作状态下被校准测量，并且如果可能的话，以参数化的方式存储在查找表中。因此，可以在激光器的发射波长方面以一定的精度指定激光器。对于这里要求的精度，优选地使用借助于k时钟38的附加高精度波长测量。为此目的，激光学强度的一部分被划分开(34、36)，并且在光纤干涉仪(这里被称为k时钟38)中测量双光束干涉。k时钟的长度以与该部分的实际测量完全相同的方式通过其测量波长的唯一性范围来定向，该唯一性范围取决于具有校准查找表的激光器波长预测的精度。如果对激光器的基本波长所知甚少，但同时希望在深度测量中实现非常高的深度分辨率，则优选使用具有不同长度的至少两个k时钟干涉仪。匹配k时钟干涉仪的长度使得短k时钟的测量精度可靠地小于下一个更精确的k时钟的唯一性范围。优选的是，独立于切换器40和后置放大器44连续地测量两个激光器30、32的波长。

如图4所表示的，Michelson光纤干涉仪可以被用作用于k时钟的光纤干涉仪。该光纤干涉仪借助于光束分光器48、50去耦合/释放激光器30或32的辐射，并且该光纤干涉仪具有参考光纤52、54，该参考光纤52、54终止于光纤反射器56、58，并且因此通过光束分光器48、50将参考辐射引导到检测器60、62。由检测器60、62输出的对应于光学强度信号的信号取决于波长，并因此取决于由激光器30、32输出的辐射的k数，这是因为每个k时钟45、46附加地包括终止于光纤反射器68、70的其他测量分支64、66。也可以使用现有技术中已知的Mach-Zehnder干涉仪或Fabry-Pérot干涉仪。

k时钟干涉仪45、46内的精确光学路径长度给出了波长的绝对位置。由于k时钟光纤内的热膨胀或热折射指数变化，可能会导致两个激光器波长的绝对位置之间的偏差。因此，优选的是在热调节的环境中将k时钟光纤紧密地布置在一起，以便实现非常精确的距离测量。

或者，对于两个k时钟测量也可以使用公共延迟光纤76，如图5中的示例所表示的。Bragg反射器72被构造成使得该Bragg反射器对于激光器30的波长具有约10％的反射率，并且对于激光器32的波长具有100％的反射率。Bragg反射器74对于激光器32的波长具有10％的反射率，并且对于激光器30的波长具有100％的反射率(并且反之亦然)。这确保了激光器30的光不会撞击在k时钟46上，并且两个激光器波长的测量是相互独立的。

为了获得非常高的测量精度，除了激光器波长之外，测量室空气的折射指数也有影响。这在一定程度上取决于温度、空气压力、空气湿度以及可能的其他微量气体(例如CO₂)。在根据现有技术的跟踪干涉仪中，因此产生了测量空气的这些参数并在长度的评估中考虑这些参数的测量传感器。作为该方案的替代方案，对于非常高的深度分辨率，优选的是将一个(优选地，最长的一个)或两个k时钟45、46构造为自由光束腔，该自由光束腔定位于相同的测量室空气(成像光束路径延伸穿过的室区域)中。在这种情况下，k钟45、46的几何长度必须随着温度尽可能小地变化，为此，该k钟45、46优选地由具有非常低的膨胀系数的材料制成，诸如Zerodur或ULE玻璃。此类非常折叠的自由光束腔的设计在现有技术中是已知的。参考DE 19522263 A1。

为了实现用于所述两个激光器波长的彼此十分接近的两个自由光束辐射路径

78、80，可以如图6所示，从公共侧辐射到自由光束延迟线路82中，该自由光束延迟线路82终止于用于两个自由光束路径78、80的反射器84中。然而，出于可构建性的原因，如图7所表示的，优选的是从两侧辐射到延迟线路82中，该延迟线路82包括两个部分镜体(Teilspiegel)86、88。

利用所表示的结构，还可以记录像场的多个记录堆栈，测量头26将像场在记录之间移位非常小的角度(例如，一个散斑颗粒)。以这种方式，可以记录像场的介于4个与100个之间的图像。由于照射场移位了一个散斑颗粒，记录包含附加信息项，可以在评估中考虑这些附加信息项并且允许特殊的评估模式。通常，用数字全息摄影系统以回散射测量的图像总是完全带散斑的。这些散斑总是给出如下样本区域：没有回散射信号、或者其信号如此微弱以至于只有小的深度分辨率是可能的、或者例如波长的分度也可能导致模2pi的误差(Modulo-2pi-Fehlern)。原则上可以通过与相邻像素的似然性比较来减少这种影响，然而存在问题，尤其是在物体边缘存在问题。另一方面，如果用散射的照射制作多个稍微偏移的记录，并对该多个稍微偏移的记录进行平均，则这些记录可以被“去散斑”。对于这种图像记录，优选的是在测量头26的连续扫描运动期间记录多个图像，并且在图像的数字评估期间考虑该运动。

利用从显微镜学中已知的结构化照射方法，散射的照射的散斑结构可以被认为是结构化的，并且可以计算该图像使得可以实现两倍的横向分辨率。在这种情况下，不仅由检测角度光谱给出横向分辨率，而且以类似的方式由照射角度光谱给出横向分辨率。

对于某些样品，还可能出现这样的情况，即在物体18的表面的倾斜部分处，光以掠射角度反射，使得该光照射样品在像场内的其他部分，并且由于所行进的路径长度较长，可能使这些区域的分离测量信号无效。这种效应在OCT中被称为多重散射，并产生重影图像。通过利用散射波的结构化的照射和对每个物体点处的复杂激发场强度的了解，利用多个稍微位移的图像，现在可以在简单的回散射信号分量与多重散射信号分量之间做出区分，并由此抑制重影图像。在现有技术中描述用于该评估的算法，例如DE 10 2018 130 396 A1。

零部件可以优选地被构造为光子集成电路(PIC)。特别地，以下部件适用于此：激光器、光电二极管、放大器、光束分光器、光束组合器、延迟路径、(Bragg)反射器、阵列波导光栅(AWG)。

Claims (21)

1.一种用于测量物体(18)的表面形貌的方法，所述方法包括以下步骤：

a)提供源辐射，并将所述源辐射划分成照射辐射(12)和参考辐射(22)；

b)在二维延伸的照射场中用照射辐射(12)照射所述物体(18)的表面，其中，以多于一个的空间辐射模式来同时照射所述物体(18)的表面并且所述照射的所述多于一个的辐射模式在空间和时间上彼此相干但彼此具有固定的相位差；以及

c)将在所述物体(18)的表面处被回散射的照射辐射与所述参考辐射(22)叠加，并用至少一个检测器(17)检测叠加辐射(16、22)的干涉信号；

其中，所述步骤a)至步骤c)为至少两个不同的固定波长来执行，并且借助于数字全息摄影评估来确定所述物体(18)的所述表面形貌。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物体(18)的表面对于所述源辐射是不透明的。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述物体(18)处的所述照射场具有至少20cm的延伸范围。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，通过照射散射板(8)或散射反射器来生成所述照射辐射(12)，并且在所述散射板(8)或所述散射反射器与所述物体(18)之间不布置成像光学器件。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述物体(18)与所述检测器(10)之间不布置成像光学器件。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述检测器(10)与所述物体(18)之间布置光学器件(23)，所述光学器件(23)优选地用于照射和收集被回散射的照射辐射，并且所述光学器件(23)进一步优选地被构造为具有倾斜面的镜式光学器件或透镜光学器件(23)以用于减少反射。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述检测器(10)包括彼此相邻放置的检测器元件，所述检测器元件的数量和所述照射模式的数量彼此匹配。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，通过用所述检测器(10)检测所述叠加辐射的所述干涉信号来获取多个单独的图像帧，在所述单独的图像帧之间所述照射相互移位至少一个照射散斑颗粒，并且，组合所述单独的图像帧以形成整体图像，优选地通过进行平均或者通过构建和借助线性回归来求解方程组来组合所述单独的图像帧以形成整体图像。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，连续地旋转和/或倾斜检测头(26)，并且在此期间记录多个单独的图像帧，在数字全息摄影评估中考虑所述检测头(26)的运动。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，用不具有对称轴的散斑图案照射所述物体(18)。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，用干涉仪(45、46)测量所述源辐射的k数。

12.一种用于测量物体(18)的表面形貌的系统，包括：

-照射装置(30、32)，所述照射装置用于以至少两个不同且固定的波长提供源辐射；

-分光元件，所述分光元件用于将所述源辐射划分成照射辐射和参考辐射(22)；

-散射元件(8)，所述照射辐射行进穿过所述散射元件，已经行进穿过所述散射元件(8)的辐射提供二维延伸的照射场以用于照射所述物体(3)，所述二维延伸的照射场包括多于一个的空间辐射模式，所述辐射模式在空间和时间上彼此相干但彼此具有固定的相位差；

-处理器(11)，

-检测器(10)，所述检测器接收从所述物体(18)的表面回散射的与所述参考辐射(22)叠加的照射辐射，并且产生叠加辐射的干涉信号，并且将该干涉信号传送到所述处理器(11)；

-其中，所述处理器(11)被构造成借助于数字全息摄影评估来确定所述物体(18)的所述表面形貌。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述物体(18)处的所述照射场具有至少20cm的延伸范围。

14.根据权利要求12或13所述的系统，其特征在于，所述散射元件包括散射板(8)或散射反射器，并且在所述散射板(8)或所述散射反射器与所述物体(18)之间不布置成像光学器件。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的系统，其特征在于，在所述物体(18)与所述检测器(10)之间不布置成像光学器件。

16.根据权利要求12至14中任一项所述的系统，其特征在于，在所述检测器(10)与所述物体(18)之间布置有光学器件(23)，所述光学器件(23)被构造为优选地用于照射和收集被回散射的照射辐射，并且进一步优选地所述光学器件(23)被构造为具有倾斜面的镜式光学器件或透镜光学器件(23)以用于减少反射。

17.根据权利要求12至16中任一项所述的系统，其特征在于，用不具有对称轴的散斑图案照射所述物体(18)。

18.根据权利要求12至17中任一项所述的系统，其特征在于，通过至少一个干涉仪(45、46)测量所述源辐射的波数。

19.根据权利要求12至18中任一项所述的系统，其特征在于，所述检测器(17)包括二维延伸的检测器(19c)，并且特别地所述检测器具有2至100个检测器元件，并且可选地所述检测器被构造为光子集成电路。

20.根据权利要求12至19中任一项所述的系统，其特征在于，所述散射元件(8)位于与所述检测器平面共轭的平面中。

21.根据权利要求12至20中任一项所述的系统，其特征在于，零部件被构造为光子集成电路，特别地是以下部件中的至少一个被构造为光子集成电路：激光器、光电二极管、光学放大器、光束分光器、光束组合器、延迟路径、反射器、Bragg反射器、阵列波导光栅。

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