CN117063049A - 包括光学复用器的光学系统 - Google Patents

Abstract

一种光学系统(230)包括图像传感器(231)、参考传感器(232)和光学复用器(300)。光学复用器限定了用于接收入射光的第一部分的第一区域和用于接收入射光的第二部分的第二区域(320)。第二区域径向地围绕第一区域。光学复用器被布置成将入射光的第一部分引导至图像传感器(231)以及将入射光的第二部分引导至参考传感器(232)。光学复用器可以采取针孔镜(300)的形式。

Description

包括光学复用器的光学系统

技术领域

本发明涉及一种包括光学复用器的光学系统、一种包括这样的光学系统的测量设备以及一种用于在光学系统中使用的光学复用器。

背景技术

在所限定的照明和观看条件下，实际材料或物体在环境中的视觉印象在相关专业领域(specialist circles)中被称为“外观”。已知外观是以下不同因素的复杂相互作用的结果：

-几何因素，其限定了场景、物体、照明和观看条件；

-光学性质，其描述了光与被观看物体的材料之间的相互作用；以及

-生理因素，其影响了人类视觉系统的感知(响应)。

在许多工业应用中，期望执行测量来表征材料或物体的外观。在这样的测量中，在照明和观看条件的一个或多个集合下确定材料或物体的多个光学性质。出于此目的，已经提议了各种各样的仪器，其具有不同的复杂性的程度。

一个示例是汽车的修理。当要在车身修理厂中用新部件替换损坏的汽车部件时，新部件需要被涂覆有涂料，使得其视觉外观与原始部件的视觉外观完全匹配。如果损坏的部件需要被重新喷涂，则情况也是如此。为此，期望通过测量来确定原始部件的视觉外观，并且基于该测量来限定将实现与原始部件的外观的紧密匹配的涂料配方。

汽车涂料通常包含效果颜料，该效果颜料引起角度明显(gonioapparent)的行为，即它们引起强烈依赖于照明和观看方向的外观。例如，特殊效果片状颜料可以在镜面照明下引起闪光效果。作为另一个示例，干涉颜料可以引起角度变色(goniochromism)，即随着照明或观看方向改变，颜色逐渐改变。效果颜料也用于其他材料中，例如用于许多家庭用品的塑料材料中。

各种工业标准均提议了用于表征包含效果颜料的材料的合适的测量几何形状的集合。ASTM E2194-14(2017)针对包含金属效果颜料的材料限定了至少三个测量几何形状的集合。ASTM E2539-14(2017)限定了用于表征包含干涉颜料的材料的附加测量几何形状。

效果颜料不仅可以产生角度明显的颜色，而且还可以产生被观看物体的表面中的局部变化，该变化被称为“纹理”。可以区分纹理的两个方面：视觉纹理表征颜色和反射率的空间变化，而表面纹理表征人眼可以分辨的尺度上的表面的三维形貌。在镜面照明(诸如例如直射阳光)和漫射照明(诸如例如阴天)下，视觉纹理通常是不同的。镜面照明可以产生非常亮的可见点光源的图案，这是由涂料的最上层上的颜料片的直接反射引起的。该效果通常被称为闪光、闪耀、闪烁或微亮。漫射照明以低得多的对比度产生亮度中的局部变化，这通常被称为颗粒度、漫射粗糙度、图像颗粒或粒度。

根据现有技术，将多角度颜色测量与纹理测量进行组合的手持式设备是已知的。一种这样的已知仪器是可从德国盖雷茨里德的BYK Gardner获得的BYK-mac i。BYK-mac i是多角度仪器，其具有两个分离的测量系统，用于颜色测量以及用于基于相机的纹理测量。为了执行多角度颜色测量，以45°的法向角(即，以相对于样品表面的表面法线的角度)提供单个照明模块，该照明模块包括多个单色光源的集合，所述光源被顺序地开启以进行测量。检测由六个以标准化非球面角度布置的个体检测器通道来执行，每个检测器通道包括单个光电二极管。该系统包括附加的多光谱检测系统，用于确定荧光的存在以及用于校正光谱测量结果。相机以0°的法向角来布置，并且包括单色图像传感器。相机与颜色检测器通道组合。针对纹理测量提供了三个附加的定向宽带光源和一个漫射宽带光源。定向宽带光源用于生成闪光图像，根据所述闪光图像计算闪光比例值。漫射宽带光源用于生成用于计算颗粒度或粗糙度参数的图像数据。该设备以用于颜色测量以及用于基于图像的纹理测量的分离循环被顺序地操作。

另一个示例是可从美国密歇根州大急流城的X-Rite公司获得的MA-Tx系列仪器，其包括型号MA-T6和MA-T12。这些仪器是手持式多角度分光光度计，该多角度分光光度计包括用于对样品表面成像的数字彩色相机。MA-Tx系列的系统架构在US 9,772,230 B2中描述。所述仪器包括具有多达7个以不同角度的照明系统的机械弧形结构、以及两个以15°和45°的法向角的检测器系统。此外，在弧形结构的外部的位置处提供了两个漫射照明器。以45°的法向角的检测器系统被实现为光谱拾取系统，该光谱拾取系统将所收集的光耦合到光纤中，并且然后耦合到光谱分析仪中。以15°的法向角的检测器系统被实现为组合了光谱拾取通道和以相同观看角度的RGB彩色相机的复用光学系统。光复用是利用平板分束器实现的。照明通道包括宽带可见光源。相同的光源被共享用于颜色测量以及用于基于相机的纹理测量。这使得能够实现同时测量过程，其中并行地执行图像数据的获取和光谱反射数据的获取。因此，所述仪器可以快速且准确地评估并验证效果饰面的颜色、闪光和粗糙度特性。

如从这些示例中明显的，用于测量物体的外观的仪器(诸如成像多角度分光光度计)可能需要将已经沿着给定观看方向反射的光复用到两个检测通道中，该两个检测通道是：具有用于纹理测量的图像传感器的成像通道、以及具有用于参考测量(例如光谱测量)的参考传感器的参考通道。在现有技术中，平板或立方体分束器已经被用于复用。需要另外的光学组件将样品表面成像到图像传感器的测量平面，并且将光引导至参考检测器。这些光学组件通常包括透镜和孔径光阑(aperture stops)。需要精确的光学支架来准确地将分束器、透镜和孔径光阑相对于彼此进行定位。这导致了高度复杂的机械设置和高制造成本。

发明内容

本发明的目的是实现一种将入射光复用到图像传感器和参考传感器上的光学系统，该光学系统具有降低的复杂性和低成本。

该目的通过根据权利要求1的光学系统来实现。在从属权利要求中主张(laiddown)有利的实施例。

本发明提供了一种光学系统，包括：

图像传感器，优选地是颜色图像传感器，图像传感器限定了图像传感器平面，该光学系统被配置成将测量平面成像到图像传感器平面上，该光学系统限定了测量平面与图像传感器平面之间的光学轴线；

参考传感器，特别是光谱分辨参考传感器；以及

光学复用器，其被配置成沿着光学轴线接收照射(impinge)在光学复用器上的入射光，并将入射光的第一部分引导至图像传感器以及将入射光的第二部分引导至参考传感器，

其中光学复用器限定了用于接收入射光的第一部分的第一区域和用于接收入射光的第二部分的第二区域，第二区域在垂直于光学轴线的平面上的投影中径向地围绕第一区域，以及

其中光学复用器以这样的方式布置在该光学系统中，使得复用器将照射在第一区域上的入射光的第一部分引导至图像传感器，以及将照射在第二区域上的入射光的第二部分引导至参考传感器。

根据本发明，使用光学复用器，光学复用器取决于其中光照射在复用器上的径向位置将光复用到不同的目的地。特别地，光学复用器限定了两个不同的区域以用于接收入射光。当沿着光学轴线被观看从而在其中入射光照射在光学复用器上的方向上看时，第一区域被第二区域径向地围绕，优选地沿着第一区域的整个周边围绕。因此，第二区域比第一区域具有更大的垂直于光学轴线的径向尺寸。特别地，当沿着光学轴线被观看时，第一区域可以呈现近似圆形(即，其在垂直于光学轴线的平面上的投影是圆形)，并且当沿着该方向被观看时，第二区域可以呈现环形，该环围绕第一区域。相对小的第一区域用于将入射光的第一部分引导至图像传感器，而较大的第二区域用于将入射光的第二部分引导至参考传感器。优选地，第一和第二区域的质心重合。

该光学系统通常将限定针对到图像传感器和到参考传感器的射束路径(beampath)的孔径光阑。术语“孔径光阑”指的是射束路径中的主要结构，该主要结构横向界定了传递到相应传感器的光线束，从而确定图像点处的光线锥体角度和亮度。在有利的实施例中，针对到图像传感器的射束路径的孔径光阑由光学复用器的第一区域形成，和/或针对到参考传感器的射束路径的孔径光阑由光学复用器的第二区域形成。以这种方式，可以省略用于形成孔径光阑的分离元件，诸如分离的光圈(diaphragms)。这大大简化了该光学系统的结构和调整。

因为光学复用器的第一区域小于其第二区域，所以针对到图像传感器的射束路径的数值孔径将通常小于针对到参考传感器的射束路径的数值孔径。这确保了图像传感器的大景深。针对到参考传感器的射束路径的较大数值孔径确保了参考传感器处的高强度。

实际上，第一区域的尺寸经常由光学成像系统的其他规格确定。特别地，针对多角度颜色测量的标准通常将物体空间中的半角限定为2.5°的范围内的值(例如，参见DIN6175-2：2001)，从而限制了到参考传感器和图像传感器的射束路径的数值孔径。几何约束限定了该光学系统的最大焦距和最大放大率。如果第一区域要形成孔径光阑，则这最终给出了针对第一区域的尺寸的上限。然而，如上面解释的，选择稍微小于该上限的第一区域的大小，以便在测量平面中获得足够的景深，在该景深上所获取的图像保持锐利，这是有利的。另一方面，景深对于参考传感器来说将通常不是问题，并且因此第二区域的尺寸可以大于第一区域的尺寸。所得到两个光学通道之间的孔径角中的差允许基于位置的复用。

实际上，第一区域将优选地具有垂直于光学轴线测量的、在0.1mm至10mm的范围内、并且更优选地在0.5mm至5mm的范围内的最大横向尺寸。虽然必须大于第一区域的最大横向尺寸，但是第二区域的最大横向尺寸可以在类似的范围内。

该光学系统可以包括至少一个聚焦光学元件，用于将测量平面成像到图像传感器平面上。聚焦光学元件可以包括例如单个会聚透镜、一组两个或更多个透镜、凹面镜、或者一个或多个透镜与一个或多个镜和/或诸如一个或多个滤光器或棱镜之类的其他元件的组合。至少一个这样的聚焦光学元件可以被布置在测量平面和光学复用器之间的射束路径中。替代地或附加地，至少一个这样的聚焦光学元件可以被布置在光学复用器和图像传感器平面之间的射束路径中。聚焦光学元件的聚焦轴线可以限定光学轴线。

在优选实施例中，该光学系统相对于测量平面与成像平面之间的射束路径是基本上物体空间远心的。以这种方式，可以确保图像放大率独立于所成像物体与光学元件的距离。如果光学轴线与要成像的物体的表面法线不重合，或者如果物体具有弯曲表面，则这可能特别重要。完美远心射束路径的主光线将平行于光学轴线，即，它们将在主光线穿过测量平面的地方具有与光学轴线的0°的角度。出于本公开的目的，如果在主光线穿过测量平面的地方，所有主光线与光学轴线倾斜不超过5°，优选地不超过2.5°，则该系统被认为是“基本上物体空间远心的”。

为了使该光学系统物体空间远心，优选地，聚焦光学元件被布置在测量平面与光学复用器之间，并且光学元件的后焦点(也称为后部焦点)，即位于光学元件和图像传感器之间的焦点，与其中光学轴线与光学复用器的第一区域相交的位置基本上重合。如果所得到的光学系统在上面限定的意义上是“基本上物体空间远心的”，则后焦点被认为与第一区域“基本上重合”。这意味着后焦点实际上可能与第一区域具有某个公差范围内的距离。仍然确保该光学系统是“基本上物体空间远心”的容许公差范围取决于若干个因素，包括焦距和数值孔径，并且因此无法容易地由绝对数字来表达。

在有利的实施例中，光学复用器是针孔镜，针孔镜包括镜面和镜面中的针孔孔径，镜面围绕针孔孔径，

针孔孔径形成光学复用器的第一区域，图像传感器被布置成接收已经透射通过针孔孔径的光，以及

镜面形成光学复用器的第二区域，参考传感器被布置成接收已经被镜面反射的光。

换句话说，针孔镜可以用于将入射光复用到成像通道和参考通道。针孔孔径将入射光的第一部分透射到图像传感器，并且镜面将入射光的第二部分反射到参考传感器。针孔镜可以以非常低的成本(例如通过对注射成型的塑料部件进行镜面涂覆)以各种形状来生产。特别地，针孔镜可以容易地以促进与该光学系统的其他组件对准的方式来成形，该其他组件特别是图像传感器、参考传感器以及在适用的情况下是一个或多个聚焦光学元件。

在本发明的上下文中，术语“针孔镜”要被理解为涉及在其镜面中具有孔径的任何镜，该孔径由镜面沿着该孔径的整个周边来定界，该孔径允许光透射通过该镜。因此，术语“针孔孔径”要被理解为涉及镜面中的任何孔径，该孔径由镜面沿着孔径的整个周边来定界，而不管其形状和大小。对于可以指导针孔孔径的大小的选择的考虑因素，参见上面对第一区域的大小的讨论。

在优选实施例中，镜面限定了与光学轴线以倾斜角度取向的表面法线。倾斜角度优选地在135°到165°的范围内。这确保了照射在镜面上的光在其中它可以被容易检测到的方向上被反射远离光学轴线。

为了确保穿过针孔孔径的光线的圆柱对称性，如果沿着光学轴线被观看、即在垂直于光学轴线的平面上的投影中，如果针孔孔径具有圆形形状，则是有利的。如果针孔孔径形成针对到图像传感器的射束路径的孔径光阑，则这是特别有用的。如果其中形成了针孔孔径的镜面与光学轴线以倾斜角度取向，则在镜面的平面中、即当沿着镜面法线被观看时，针孔孔径的优选形状是椭圆形的。

在一些实施例中，镜面是平面的。在其他实施例中，镜面可以是弯曲的。特别地，镜面可以是凹面的，以便将入射光的第二部分聚焦到参考检测器上。

在第二方面中，本发明涉及一种适用于在如上面限定的光学系统中使用的针孔镜，该针孔镜包括：

安装部分，用于将针孔镜连接到光学系统的载体结构；

镜基板部分，其上形成有具有针孔孔径的镜面；以及

中间部分，其连接安装部分和镜基板部分，中间部分具有中空的截头圆锥形状，该截头圆锥形状从安装部分朝向镜基板部分在外部和内部两者上逐渐变窄并且限定了锥体轴线，

其中镜面具有与锥体轴线以倾斜角度取向的表面法线，该倾斜角度优选地在15°至45°的范围内。

当在本发明的光学系统中使用时，锥体轴线有利地与该光学系统的光学轴线重合。

针孔镜的提议的设计至少具有以下优点：中空的中间部分的内部从镜基板部分到安装部分变宽，从而适应已经穿过针孔开口的光线束的锥体角度的范围。中间部分的截头圆锥形外部确保了击中镜面的外周外部的中间部分的光线将被反射远离光学轴线。有利地，中间部分的外部是有光泽的且黑色的，以便使中间部分的外部处的不期望的光的漫反射最小化。中间部分的截头圆锥形内部可以具有粗糙的表面结构，该表面结构使得内部表面暗淡(无光泽)。在截头圆锥形中间部分的基部处存在安装部分简化了载体结构中的针孔镜的连接。

有利地，针孔镜包括：

由塑料材料制成的基部主体；以及

布置在基部主体上的反射涂层，该反射涂层形成镜面。

特别地，基部主体可以形成安装部分、中间部分和镜基板部分，并且反射涂层仅被施加到镜基板表面。

以这种方式，针孔镜的制造可以变得非常成本高效。例如，基部主体可以是注射成型的，并且反射涂层可以随后通过标准沉积技术(诸如等离子体离子辅助沉积或等离子体增强化学气相沉积)被施加到镜基板部分。

针孔孔径有利地完全延伸穿过基部主体的镜基板部分。如果基部主体由不透明材料制成的话，这当然是必需的。然而，如果基部主体是透明的，则这也是有利的，因为以这种方式，可以避免由基部主体造成的任何图像失真，从而确保最高的可能图像质量。

安装部分可以包括远离锥体轴线径向地延伸的安装凸缘。安装凸缘可以形成平面的并且垂直于锥体轴线延伸的至少一个安装表面，因此简化了针孔镜与光学系统的光学轴线的对准。附加地或替代地，安装部分可以包括至少一个定位结构，用于将针孔镜定位在载体结构中关于锥体轴线的预定义取向中。定位结构可以包括例如形成在安装凸缘中的切口或形成在安装凸缘上的腹板(web)。

代替采取针孔镜的形式，光学复用器还可以以其他方式实现位置相关的复用。特别地，光学复用器可以包括被环形孔径围绕的镜面。然后，镜面可以限定光学复用器的第一区域，图像传感器被布置成接收已经从镜面反射的光，并且环形孔径可以限定光学复用器的第二区域，参考传感器被布置成接收已经被环形孔径透射的光。该复用器设计可以被认为是“反向针孔镜”，孔径和镜面的作用互换，同时复用器仍然提供与针孔镜相似的优点。

在第三方面中，本发明提供了一种用于确定样品表面的光学性质的测量设备，该测量设备包括：

至少一个光源，其被配置成沿着至少一个照明方向来照明样品表面上的测量点；以及

如上面所限定的光学系统，该光学系统的光学轴线沿着观察方向而取向，该光学系统被布置成接收已经从测量点反射到观察方向中的光作为其入射光。

特别地，该测量设备可以包括多个光源，该多个光源被布置成从多个不同的照明方向来照明测量点。参考传感器可以是光谱分辨传感器。特别地，该测量设备可以是用于测量物体的外观的仪器，更具体地，是成像多角度分光光度计。

附图说明

下面参考附图描述本发明的优选实施例，所述附图是出于说明本发明的本优选实施例的目的，而不是出于限制本发明的目的。在附图中，

图1以示意性中央纵向截面示出了根据本发明的实施例的具有成像能力的多角度分光光度计的组件；

图2以高度示意性的透视图示出了不根据本发明的图1的多角度分光光度计的第一检测器通道的光学系统的实施例，光被传统立方体分束器所复用；

图3以高度示意性的透视图示出了根据本发明的图1的多角度分光光度计的第一检测器通道的光学系统的实施例，光被根据第一实施例的针孔镜所复用；

图4示出了在中央纵向截面中的图3的光学系统以及附加组件；

图5以透视图示出了针孔镜的第一实施例；

图6以高度示意性的透视图示出了根据本发明的图1的多角度分光光度计的第一检测器通道的光学系统的实施例，光被根据第二实施例的针孔镜所复用；

图7以透视图示出了针孔镜的第二实施例；

图8以示意性纵向截面示出了针孔镜的第二实施例；

图9示出了用于制造根据第二实施例的针孔镜的过程；以及

图10示出了根据替代实施例的光学复用器。

具体实施方式

定义

“分光光度计”是用于确定物体在用可见光的照明下的光谱响应的设备。已知不同类型的分光光度计，其具有不同的几何形状，并且针对不同的目的被优化。被称为“测角分光光度计”或“多角度分光光度计”的一种重要的类型的分光光度计能够确定不同照明和观察方向的多个组合的光谱信息。分光光度计可以附加地具有成像能力，即，它可以包括一个或多个相机来拍摄物体的一个或多个数字图像。具有成像能力的多角度分光光度计的示例包括前述可从X-Rite获得的手持式型号MA-T6或MA-T12。

成像多角度分光光度计

图1图示了具有用于确定样品物体100的外观相关性质的成像能力的多角度分光光度计200的示例性实施例。样品物体具有样品表面，在本示例中，该样品表面是平面的，从而限定了测量平面110。弧形承载主体210承载多个定向照明系统，在本示例中，是六个定向照明系统221、222、223、224、225和226。照明系统以相对于测量平面110的表面法线N的以下标准化正常照明角度被布置在被称为设备平面的公共平面中：-60°、-30°、-20°、0°、30°和65°。每个照明系统包括至少一个宽带光源(例如，一个或多个LED)、以及会聚透镜，会聚透镜用于准直来自光源的光以形成准直的照明光束。照明光束照明样品表面上的公共测量点111。处于15°和45°处的标准化非正常视角的两个检测器系统230、240拾取已经从测量点111反射的光。处于15°的视角处的第一检测器系统230是具有空间和光谱分辨率两者的复用光学系统，包括RGB图像传感器和光谱分辨参考传感器(有时也称为“侧传感器”)两者。该检测器系统将在下面更详细地描述。处于45°的视角处的第二检测器系统240是不具有空间分辨率的光谱分辨检测器系统。还可以存在另外的组件，但是在图1中未图示，例如用于漫射照明的另外的照明器、或壳体。

具有立方体分束器的光学系统

图2图示了可以用作第一检测器系统230的光学系统的实施例，该实施例不是根据本发明的。光学系统包括RGB图像传感器231，例如如其是本领域中公知的颜色CCD或CMOS图像传感器。光学系统进一步包括光谱分辨参考传感器232，例如使用比如棱镜或光栅的光学色散元件的光谱仪，或者使用多个窄带光学带通滤光器的光谱分辨颜色传感器。限定了光学轴线A的第一聚焦光学元件234将入射光束L聚焦到第一孔径光阑元件236，从而使光学系统是物体空间远心的。被布置在光学轴线上的第二聚焦光学元件235将已经穿过孔径光阑元件236的来自物体的光成像到图像传感器231上。立方体分束器233被布置在第一光学元件234和孔径光阑元件236之间的射束路径中。立方体分束器233充当光学复用器，从而沿着远离光学轴线A的方向B来反射入射在立方体分束器233上的光中的一些并且将其反射到参考传感器232上。在到达参考传感器232的途中，反射光穿过第二孔径光阑元件238并穿过第三聚焦光学元件237，第三聚焦光学元件237将反射光聚焦到参考检测器232上。在本示例中，所有聚焦光学元件都实现为单个会聚透镜；然而，这些元件中的每个也可以实现为一组透镜或任何其他类型的聚焦元件，如其在本领域中公知的那样。

图2的设置需要大量的元件被精确地对准。特别地，分束器233需要相对于光学轴线A被精确地取向；第一孔径光阑元件236需要与光学轴线A径向对准，并且其需要轴向定位在第一光学元件234的后焦点处；并且第二孔径光阑元件237需要相对于方向B径向和轴向对准。为了实现所需的对准，需要精确的安装，这导致机械设置的高度复杂性以及相应地高制造成本。

具有针孔镜的光学系统

图3图示了可以用作第一检测器系统230的光学系统的实施例，该实施例是根据本发明的。在该实施例中，代替分束器，针孔镜300被用于将入射光朝向图像传感器231和参考传感器232来复用。图4示出了具有载体结构239的光学系统的该实施例，个体光学组件连接到该载体结构239。图5示出了针孔镜300本身。

该实施例的针孔镜300是单个的单体(one-piece)机械部件。它包括由塑料制成的基部主体310和基部主体上的镜涂层321，镜涂层321形成镜面320。基部主体优选地是黑色的，具有光滑的有光泽的外表面和粗糙的无光泽的内表面。镜涂层优选地具有低偏振依赖性。

基部主体310包括三个部分：用于将针孔镜300连接到载体结构239的安装部分311、其上布置了镜涂层321的镜基板部分313、以及连接安装部分311和镜基板部分313的中空中间部分312。针孔孔径330形成在镜涂层321中，针孔孔径330一直延伸穿过镜基板部分313以到达中间部分313的中空内部。针孔孔径330允许入射在针孔镜300上的光的第一部分穿过针孔镜300。具有镜涂层321的镜基板部分313相对于锥体轴线C倾斜，从而限定了与锥体轴线成倾斜角度的表面法线M。在本示例中，该角度是30°。由此，镜面320将入射光的第二部分远离光学轴线A反射到方向B中，该方向B相对于光学轴线A以180°-2·30°＝120°的角度延伸。

中间部分312具有中空的截头圆锥形状，该截头圆锥形状从镜基板部分313到安装部分311在其内部和其外部两者处连续变宽。中间部分312限定了与光学轴线A重合的锥体轴线C。由此，已经穿过针孔孔径的光线的锥体可以在中空中间部分312内不受阻碍地传播。

安装部分311形成安装凸缘，该安装凸缘远离锥体轴线C径向地延伸。安装凸缘形成圆周安装表面，该周向安装表面是平面的并且垂直于锥体轴线C延伸。特别地，中间部分312从其延伸离开的安装凸缘的侧部上的环形表面(即，在图5中可见的表面)可以用作安装表面。使用安装凸缘，针孔镜300可以容易地连接到载体结构329，使得锥体轴线C与光学轴线A精确对准，并且它可以相对于聚焦光学元件234、235沿着光学轴线A精确地定位。为了确保针孔镜300的轴向位置的高精度，安装表面应该光滑且有光泽。安装部分的周边可以用于径向定位。因此，周边的至少一部分有利地也是光滑且有光泽的。以径向腹板的形式的定位结构314附加地确保针孔镜300被安装在关于光学轴线A的正确的取向中，使得入射光的反射部分击中参考检测器232。当然，安装部分311可以具有与图5中不同的形状。例如，安装部分可以具有多边形轮廓，例如矩形轮廓，特别是正方形轮廓，而不是图5中所示的圆形轮廓。如果轮廓是多边形的，则多边形的拐角可以是圆形的。代替径向腹板，可以提供不同类型的定位结构。例如，可以在安装部分中、特别是在其周边处提供径向或切向切口，以确保针孔镜300可以仅在关于光学轴线A的预定义取向中安装。更特别地，如果安装部分的轮廓是矩形的、特别是正方形的，则定位结构可以由矩形的四个拐角之一处的对角切口形成。

与传统分束器相比，针孔镜300充当光学复用器，该光学复用器根据其中光击中复用器的位置来复用入射光：击中针孔镜的第一区域(其中布置了针孔孔径的镜面320的中心)的光透射通过中心针孔孔径330，而击中针孔镜的第二区域(围绕针孔孔径的镜面)的光被反射远离光学轴线。

除了充当复用器之外，针孔镜300还形成针对图像传感器231和参考传感器232的射束路径的孔径光阑，即，针孔镜横向地界定了传递到这些传感器的光线束，从而确定光线锥体角度和传感器平面中的亮度。特别地，针孔孔径330直接形成针对到图像传感器的射束路径的孔径光阑，并且镜面320在其外周处直接形成针对到参考检测器的射束路径的孔径光阑。在本示例中，孔径光阑是同心的，即它们的质心重合。由于两个孔径光阑在相同机械部件的相同光学表面中实现，所以它们可以以高机械精度来制造，并且相对于彼此自动对准。

由于针孔孔径330和镜面320直接形成孔径光阑，因此当沿着锥体轴线A(即在垂直于锥体轴线A的平面上的投影中)被观看时，这些射束限制元件有利地具有圆形形状，并且因此如果它们在镜面的平面中具有椭圆形形状、即当沿着镜面的表面法线M被观看时，这些射束限制元件有利地具有圆形形状。

针孔孔径330必须具有比镜面320更小的直径。这导致了图像传感器231的相对小的数值孔径。虽然乍一看这可能似乎是不利的，但是实际上期望小的数值孔径，因为它确保了足够的景深以实现良好的图像质量，即使光学轴线A不与样品物体100的表面法线N重合，如图1的实施例中那样，或者如果物体100的表面是弯曲的。

第一聚焦光学元件234将入射光束L聚焦到针孔孔径330的中心，从而使光学系统是物体空间远心的。

针孔镜300的基部主体310可以通过注射成型以高机械精度来制造，从而使能实现非常低的制造成本。镜涂层321可以通过任何已知的涂覆过程来施加。

针孔镜的替代实施例

图6至8图示了针孔镜的第二实施例。该实施例的针孔镜400包括由玻璃或另一透明介质制成的以立方体的形状或者更一般地说以盘的形状的透明基部主体410。黑色吸收涂层411被施加到基部主体410的前侧。形成镜面420的镜涂层421被施加到黑色涂层的中心部分上。针孔孔径430形成在这两个涂层中。可选的宽带抗反射涂层412被施加到基部主体410的后侧。

施加黑色吸收涂层411和抗反射涂层412以减少来自基部主体410的后侧的内部反射。

与先前描述的实施例的针孔镜300相比，第二实施例的针孔镜400需要保持在机械保持器中。

图9图示了第二实施例的针孔镜的制造的方法。在步骤(a)中，利用光致抗蚀剂413来涂覆基部主体410的前侧。在步骤(b)中，光致抗蚀剂被光刻结构化以限定中心针孔区域414。在步骤(c)中，黑色吸收涂层被施加到基部主体410的整个前侧上。光致抗蚀剂被施加到黑色涂层上，并且被光刻结构化以限定其中将要施加镜涂层的区域的外界限。然后，施加镜涂层。在步骤(d)中，移除光致抗蚀剂掩模，从而在前侧上留下期望的涂层结构。

替代光学复用器

图10图示了根据替代实施例的光学复用器400′。该实施例在概念上可以被认为是“反向针孔镜”。如图8的针孔镜那样，图10的光学复用器包括由玻璃制成的以立方体的形状的透明基部主体410。黑色吸收涂层411被施加到基部主体410的前侧的一部分，从而留下前侧上的圆形区域未被涂覆。形成镜面440的镜涂层441被施加到未涂覆的圆形区域的中心。因此，环形孔径450围绕镜面440。如在图8的实施例中那样，可选的宽带抗反射涂层412被施加到基部主体410的后侧。光学复用器的该实施例可以以与针孔镜或图8非常相似的方式来制造。

在该实施例中，采用镜面440以将入射光反射到图像传感器，而采用环形孔径450以将入射光透射到参考传感器。因此，在图6的设置中，图像传感器和参考传感器的角色将互换，即，如果使用光学复用器400′，则图6中的传感器232将是图像传感器，而传感器231将充当参考传感器。

相同的概念也可以使用与图5的针孔镜的设计类似的设计来实现，该设计使用不透明的基部主体。在这样的设计中，中央镜面440将通过薄桥悬挂在环形孔径中。

修改

要理解的是，本发明不限于上面讨论的实施例，并且在不脱离本发明的范围的情况下，各种修改是可能的。特别地，照明系统221-226可以被不同地构造，并且不同数量的照明系统可以被提供。同样地，检测器系统的数量和类型可以不同。例如，除了光谱分辨传感器之外，第二检测器系统240还可以包括图像传感器。第二检测器系统240的图像传感器和光谱传感器可以与常规的分束器或与根据本发明的光学复用器复用。虽然参考传感器232优选地是光谱分辨传感器，但是它也可能是另一种类型的传感器。许多其他修改是可能的。

参考符号的列表

100 样品物体 312 中间部分

110 测量平面 313 镜基板部分

111 测量点 314 定位结构

200 测量设备 320 镜面

210 弧主体 321 反射涂层

221-226 光源 330 针孔孔径

230 检测器系统 400 针孔镜

231 图像传感器 400′ 替代复用器

232 参考传感器 410 基部主体

233 复用器 411 黑色涂层

234 入口透镜 412 抗反射涂层

235 出口透镜 420 镜面

236 孔径光阑 421 反射涂层

237 出口透镜 430 针孔孔径

238 孔径光阑 440 镜面

239 载体结构 450 环形孔径

240 检测器系统 A 光学轴线

300 针孔镜 B 反射的轴线

310 基部主体 C 锥体轴线

311 安装部分 N、M 表面法线

Claims (15)

1.一种光学系统(230)，包括：

图像传感器(231)，图像传感器(231)限定了图像传感器平面，所述光学系统被配置成将测量平面(110)成像到图像传感器平面上，所述光学系统限定了测量平面与图像传感器平面之间的光学轴线(A)；

参考传感器(232)；以及

光学复用器(300；400；400′)，其被配置成沿着光学轴线(A)接收入射光，并将入射光的第一部分引导至图像传感器(231)以及将入射光的第二部分引导至参考传感器(232)，

其特征在于

光学复用器(300；400；400′)限定了用于接收入射光的第一部分的第一区域(330；430；440)和用于接收入射光的第二部分的第二区域(320；420；450)，第二区域(320；420；450)在垂直于光学轴线(A)的平面上的投影中径向地围绕第一区域(330；430；440)，以及

光学复用器(300；400；400′)以这样的方式布置在所述光学系统中，使得光学复用器(300；400；400′)将照射在第一区域(330；430；440)上的入射光的第一部分引导至图像传感器(231)，以及将照射在第二区域(320；420；450)上的入射光的第二部分引导至参考传感器(232)。

2.根据权利要求1所述的光学系统(230)，其中所述光学系统(230)限定了针对测量平面与图像传感器(231)之间的射束路径的孔径光阑，针对测量平面与图像传感器(231)之间的射束路径的孔径光阑由光学复用器(300；400；400′)的第一区域(330；430；440)形成。

3.根据权利要求1或2所述的光学系统(230)，其中所述光学系统(230)限定了针对测量平面与参考传感器(232)之间的射束路径的孔径光阑，针对测量平面与参考传感器(232)之间的射束路径的孔径光阑由光学复用器(300；400；400′)的第二区域(320；420；450)形成。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的光学系统(230)，包括至少一个聚焦光学元件(234，235)，用于将测量平面(110)成像到图像传感器平面上，

其中优选地，所述至少一个聚焦光学元件(234，235)使得所述光学系统相对于测量平面(110)与成像平面之间的射束路径是基本上物体空间远心的，在主光线穿过测量平面(110)的地方，主光线与光学轴线(A)倾斜不超过5°。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的光学系统(230)，

其中光学复用器是针孔镜(300；400)，所述针孔镜(300；400)包括镜面(320；420)和镜面(320；420)中的针孔孔径(330；430)，镜面(320；420)围绕针孔孔径(330；430)，

针孔孔径(330；430)形成光学复用器的第一区域，图像传感器(231)被布置成接收已经透射通过针孔孔径(330；430)的光，以及

镜面(320；420)形成光学复用器的第二区域，参考传感器(232)被布置成接收已经被镜面(320；420)反射的光。

6.根据权利要求5所述的光学系统(230)，其中镜面(320；420)限定了与光学轴线(A)以倾斜角度取向的表面法线，所述倾斜角度优选地在135°至165°的范围内。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的光学系统(230)，其中针孔镜(300)包括：

安装部分(311)，用于将针孔镜(300)连接到所述光学系统(230)的载体结构(239)；

镜基板部分(313)，其上形成有镜面(320)；以及

中间部分(312)，其连接安装部分(311)和镜基板部分(313)，中间部分(312)具有中空的截头圆锥形状，所述截头圆锥形状从安装部分(311)朝向镜基板部分(313)在外部和内部两者上逐渐变窄并且限定了锥体轴线(C)，锥体轴线(C)与光学轴线(A)重合。

8.根据权利要求1至4中的任一项所述的光学系统(230)，

其中光学复用器包括由环形孔径(450)围绕的镜面(440)，

镜面(440)限定了光学复用器的第一区域，图像传感器(231)被布置成接收已经从镜面(440)反射的光，以及

环形孔径(450)限定了光学复用器的第二区域，参考传感器(232)被布置成接收已经被环形孔径(450)透射的光。

9.一种用于在根据前述权利要求中的任一项所述的光学系统中使用的针孔镜(300)，所述针孔镜(300)包括：

安装部分(311)，用于将针孔镜连接到所述光学系统(230)的载体结构(239)；

镜基板部分(313)，其上形成有具有针孔孔径(330)的镜面(320)；以及

中间部分(312)，其连接安装部分(311)和镜基板部分(313)，中间部分(312)具有中空的截头圆锥形状，所述截头圆锥形状从安装部分(311)朝向镜基板部分(313)在外部和内部两者上逐渐变窄并且限定了锥体轴线(C)，

其中镜面(320)具有与锥体轴线(C)以倾斜角度取向的表面法线(M)。

10.根据权利要求9所述的针孔镜，包括：

基部主体(310)，其形成安装部分(311)、中间部分(312)和镜基板部分(313)，所述基部主体(310)由塑料材料制成；以及

反射涂层(321)，其布置在镜基板部分(313)上，所述反射涂层(321)形成镜面(320)。

11.根据权利要求10所述的针孔镜，其中针孔孔径(300)完全延伸穿过基部主体(310)的镜基板部分(313)。

12.根据权利要求9至11中的任一项所述的针孔镜，其中针孔孔径(330)在垂直于锥体轴线(A)的平面上的投影中具有圆形形状，和/或其中镜面(320)在垂直于锥体轴线(A)的平面上的投影中具有外周，所述外周具有圆形形状。

13.根据权利要求9至12中的任一项所述的针孔镜，

其中安装部分(311)包括远离锥体轴线(C)径向地延伸的安装凸缘，所述安装凸缘优选地形成平面的并且垂直于锥体轴线(C)延伸的至少一个安装表面，和/或

其中安装部分(311)包括至少一个定位结构(314)，用于将针孔镜(300)定位在载体结构(239)中关于锥体轴线(C)的预定义取向中。

14.一种用于确定样品表面(110)的光学性质的测量设备(200)，所述测量设备(200)包括：

至少一个光源(221-226)，其被配置成沿着至少一个照明方向来照明样品表面(110)上的测量点(111)；以及

根据权利要求1至8中的任一项所述的光学系统(230)，所述光学系统(230)的光学轴线沿着观察方向而取向，所述光学系统(230)被布置成接收已经从测量点(111)反射到观察方向中的光作为其入射光(L)。

15.根据权利要求14所述的测量设备(200)，

包括多个光源(221-226)，其被布置成从多个不同的照明方向来照明测量点(111)，和/或

其中参考传感器(232)是光谱分辨传感器。