CN1934481A - 根据共焦显微术的基本原理的高速测量设备和方法 - Google Patents

根据共焦显微术的基本原理的高速测量设备和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及根据共焦显微术的基本原理的测量设备和方法，包括光源(1)、用于限制光束的光阑装置(3)、用于将由光源辐射的并且穿过光阑装置的光(5)聚焦到要测量的物体(6)上的投影光学装置(4)。此外还包括用于在物体上被反向散射并且穿过相同的投影光学装置或者被布置在观测路径(7)中的其他光阑装置的光(5)的接收光学装置(10)以及具有至少两个对辐射敏感的传感器元件(13，14)(像素)的图像接收器(10)。为了产生包含高度信息的测量照片，在光源(1)和/或图像接收器(10)与物体(6)之间的光路中布置有用于改变光学路径长度的装置(11)，其中可以以预先给定的方式改变焦点的光学距离(d)。可以如此影响在曝光时间间隔(T)期间至少两个传感器元件(13，14)中的电荷(Q13，Q14)的累积对观测光路(7)的光强的依赖性，以致可以根据在曝光时间间隔期间从至少两个传感器元件所获得的强度值的分布来重构物体的高度坐标(zs)。

Description

根据共焦显微术的基本原理的高速测量设备和方法
技术领域
本发明涉及按照权利要求1的前序部分的、根据共焦显微术的基本原理的测量设备和方法。
这样的测量设备被用于测量物体，并且在此不仅允许沿着轴的点的测量(二维测量)而且允许围绕该轴布置的平面的测量(三维测量)。因此，这样的装置适用于点传感器以及适用于面传感器。
背景技术
共焦的3D测量的基本原理是已知的。根据现有技术通过以下方式实现对物点的高度的确定，即针对光阑装置的多孔格板的每个点确定：最大光量在物体相对于投影光学装置或者相对于整个测量设备的哪个位置中反向通过该多孔格板。为此，在物体相对于投影光学装置移动时记录多个单图像，并且针对每个像点确定图序中的强度最大的图像。根据对图序内的单图像的位置的了解，可以确定物体的高度轮廓。然而在此情况下必须典型地记录由数十个至数百个图像所组成的图序，因此测量过程在采用常用的拍摄技术时必须持续几秒或者甚至更长时间。将整个拍摄缩短为对于建立口腔内的牙齿拍摄来说被认为可接受的大约200ms的时间间隔需要采用极其昂贵的视频技术和数据分析或者放弃三维中的至少一维的精度。此外，也对用于产生物镜和投影光学装置之间的相对移动的机械装置提出高的要求。
在现有技术中已知的是，通过插入由具有另一光学密度的介质所组成的元件来产生物体和拍摄光学装置之间的距离的快速变化，所述元件具有可变厚度并且被如此移动，使得有效厚度在时间变化过程中被改变。这里例如玻璃适合作为介质。
此外，已知在用于测量牙齿的口腔内摄像机时使用3D测量技术，所述口腔内摄像机按照相移三角测量原理工作。
此外，对于常用的3D测量方法来说使用点传感器或者行传感器是已知的，其中于是为了测量3D物体而进行物体和传感器的移动，这常常被称为扫描。
发明内容
根据本发明，根据共焦显微术的基本原理的测量设备具有光源、用于将由光源所辐射的光聚焦到要测量的物体上的投影光学装置、以及此外用于物点的在物体上被反向散射并且穿过相同的投影光学装置的光的图像接收器，该图像接收器具有至少两个对辐射敏感的传感器元件。在此，该测量设备具有以下特性，即至少两个传感器元件被分配给通过投影光学装置被照射的物点。该测量设备包含用于改变光阑装置和物体之间的光路中的光学路径长度的装置，其中可以以预先给定的方式改变投影光学装置的像平面的光学距离。可以如此影响在曝光时间间隔期间至少两个传感器元件中的电荷的累积对观测光路的光强的依赖性，以致可以建立与投影光学装置的像平面的光学距离的关系，使得可以根据在曝光时间间隔期间从至少两个传感器元件所获得的强度值的分布来重构物体的高度坐标。有利地，物体的投影区域在对辐射敏感的传感器元件的平面中至少如此大，以致两个传感器元件中的至少一个在曝光时间间隔期间完全位于投影区域内。
该重构可以通过以下方式来实现，即从两个传感器元件获得的信息被分配给每个被改变的光学路径长度。利用根据该原理的设备可以在比较短的时间内利用共焦显微术的方法进行测量。为此只需要唯一的拍摄，在所述拍摄中在曝光时间间隔期间进行所述光学距离的调节。
此外，该测量设备可以包含用于在物体上产生亮度分布的光阑装置。由此可以同时检验多于一个的物点。
该测量设备的有利的扩展方案的特征在于，可以通过光阑装置产生多个物点，其中应该存在与所检测的物点至少一样多的共同起作用的传感器元件组。以这种方式改善高度坐标的分界。
此外，该测量设备可以在物体和接收器之间的光路中具有用于使观测光路偏转的装置。因此，可以实现光和接收光学装置的空间上的分离，所述空间上的分离在狭小的空间情况下使所需要的部件的布置简化。
有利地，该偏转装置被构造为分光器。
该偏转装置优选地被布置在光阑装置和光源之间。此外，可以布置在投影光学装置和光阑装置之间。
该测量设备的有利的扩展方案在于，设有可移动的光阑，该光阑根据移动路径至少部分地遮蔽传感器元件。
光阑可以被如此构造，使得光阑的移动导致对至少一个传感器元件的遮蔽的减少，并且同时导致对至少另一传感器元件的遮蔽的增加。
此外，光阑可以在起始位置中完全遮蔽所述传感器元件的一部分，而在最终位置中完全遮蔽所述传感器元件的另一部分，并且在中间位置中不仅遮蔽一个传感器元件的一部分而且还遮蔽另外的传感器元件的一部分。这可以利用光阑的相同的不透光部件来实现。因此，可以实现传感器元件的最大可能的强度差，并且因此提高信号噪声比。
在此，所述传感器元件的一部分的遮蔽程度有利地对应于所述传感器元件的另一部分的照射面积的程度。以这种方式，能够实现根据至少两个传感器元件的强度值的分布所获得的关系的线性化，并且简化系统的校准。
本发明的有利的改进方案在于，光阑装置被构造用于物体的二维扫描。为此，该光阑装置被构造为二维的，并且具有多个单个的彼此相间隔的光阑孔径。各个光阑孔径彼此的距离决定光阑装置的占空比。这样的光阑装置根据共焦测量是充分已知的。
有利地，设有调节装置，以便如此调节光阑装置，使得在第二测量中也由光阑装置的占空比检测在第一测量中未被投影的区域。这导致分辨率被提高超出由占空比所给定的标准(Mass)。
行传感器适合作为用于创建二维照片的图像接收器，其中该照片是尺寸、尤其是高度坐标。对于具有高度坐标的三维照片来说，面传感器适合作为图像接收器。
有利地，图像接收器被实施为CCD传感器。替代于此，图像接收器可以被构造为CMOS传感器。
可以通过被布置在观测光路中的分光器来改变传感器元件的灵敏度，所述分光器将相同的图像传输给第二传感器元件，其中在测量时间间隔期间在两个传感器元件之间借助于电子和/或光学辅助装置来叠化。这允许两个独立的传感器的运行。
有利地，至少两个共同起作用的传感器元件的灵敏度随着光学路径长度的继续改变而在一个传感器元件中增加并且在另一传感器元件中下降。由此，可以建立传感器元件的信息和要确定的高度之间的简单关系。
有意义的是，使光阑装置的平均占空比(Tastabstand)匹配于所期望的测量精度。
本发明方法在于，根据共焦显微术的基本原理使光从光源辐射到要测量的物体上，其中所述光通过投影光学装置被聚焦，并且其中此外物点的在物体上被反向散射并且穿过相同的投影光学装置的光借助于具有至少两个对辐射敏感的传感器元件的图像接收器来接收。该测量的特征在于，将至少两个传感器元件分配给被照射的物点。此外，像平面的光学距离可以以预先给定的方式经由被布置在光阑装置和物体之间的光路中的装置来改变，并且在曝光时间间隔期间通过装置如此来改变在至少两个传感器元件中所产生的电荷的累积对观测光路中的光强的依赖性，以致建立该累积与投影光学装置的像平面的光学距离之间的关系，使得可以根据在曝光时间间隔期间从至少两个传感器元件所获得的强度值的分布来重构物体的高度坐标。物体在对辐射敏感的传感器元件的平面中的投影区域至少如此大，以致两个传感器元件中的至少一个在曝光时间间隔期间完全位于该投影区域内。
附图说明
借助附图来阐述本发明方法。
图1示出具有本发明构造的、按照共焦显微术的基本原理的测量设备的基本结构，
图2示出借助于牙齿所示的所基于的测量问题，
图3借助于凹槽示出测量问题的说明，
图4A示出在改变d期间在处于观测光路中的光阑装置之后由物点反向散射的光的时间强度分布(强度最大值的时间位置包含关于物点的高度z的信息)，
图4B示出在扫描物体期间光学路径的改变的强度分布，
图5示出本发明光阑的侧视图，所述光阑被布置为与图像接收器直接相邻，所述图像接收器由两个相互偏移的传感器元件矩阵组成，
图6示出具有两个传感器元件的图像接收器的原理图，
图7A-7C示出入射到传感器元件中的强度和由此所产生的电荷的定性分布，
图8示出一种实施形式，其中相同的图像借助于分光器被投影到两个空间上分离的图像接收器上，
图9A-9C示出根据图8的实施形式中入射到传感器元件中的强度和由此所产生的电荷的定性分布，
图10A-10C示出根据本发明可使用的图像接收器的各种可能的实施形式，
图11A-11C示出传感器组的不同的布置可能性，
图12A-12B示出根据本发明的改进方案可使用的玻璃棱镜装置，该装置用于在两个位置中改变光路的光学厚度，
图13示出替代于图12可采用的用于改变光学路径长度的装置，该装置基于反射器的使用，其中反射器借助于活动线圈是可移动的。在此，在两个不同的位置中示出该反射器。
具体实施方式
在图1中示出根据共焦显微术的基本原理的测量设备的基本结构。该测量设备包括光源1，所述光源典型地发射单色或者白色光。
光源1经由光学装置2以适当的方式被投射到光阑装置3上。光阑装置3可以被构造为多孔格板，在更高发展的应用中也可以使用微透镜装置。必要时也可以快速地移动该装置以便以表面覆盖的方式扫描物体，其中于是需要对每个位置进行拍摄。
借助于投影光学装置4，使从光阑装置3射出的光5投影到要测量的物体6上。可以相对于物体6改变投影光学装置4的光学距离，使得要测量的物体的不同等高线位于投影光学装置的像平面内。要测量的物体6上的用这种方法所产生的光点被该要测量的物体反向散射，并且在与光5相反的方向上作为观察光路7穿过光阑装置3。
被反向散射的光量对于物体6的物点6′来说总是达到最大值，所述物点正好位于投影光学装置4的像平面内。光强在这种情况下要比在光在像平面之外被反向散射的情况下明显更强。
观测光路7的反向穿透光阑装置3的光借助于分光器8和接收光学装置9被投影到图像接收器10上，借助于所述图像接收器10获得电子信号，该电子信号被输入计算机以进行分析。
通过用于改变光学路径长度的装置11来实现投影光学装置4和物体6之间的光学距离的改变。
所述元件可以被插入拍摄光学装置和物体之间、或者光阑装置和拍摄光学装置之间。
既不必存在所述元件的移动和物空间中的清晰区域之间的线性关系，又不必使物体中的确定的等高线同时清晰地投影，因为这样的特性可通过相应的校准方法来校正。
作为用于改变光阑装置3和物体6之间的光路中的光学路径长度的装置11的、这种元件的优选装置可以由两个玻璃棱镜组成，其中使所述两个玻璃棱镜彼此相对移动，使得作为结果形成可变厚度的玻璃板，关于此请参见图12。
有效路径长度也可以通过折叠的光路或者可移动的反射器来改变。有利地，也可以类似于在扬声器的情况下通过活动线圈来驱动反射器，关于此请参见图13。
在观测光路7中，在光阑装置3和图像接收器10之间设有可移动的光阑12，所述光阑在该实施例中以尽可能小的距离被布置在图像接收器10之前。重要的是该光阑12被布置在这样的平面内，在该平面内光阑装置3、或者图像接收器10的表面足够清晰地被投影。
据此，光阑装置之后的光路也可以被如此设计，使得除了本来存在的、布置有图像接收器10的像平面之外产生光阑装置的另一像平面。在这种情况下，光阑可以被布置在该像平面内。稍后说明该光阑的扩展方案和作用方式。
通过在可移动的光阑12和图像接收器10之间删去投影光学装置9并且添加投影光学装置9′，可以实现观测光路中的投影光学装置的替代的布置。
在图2中借助沿着轴21对光点6′的测量示出所基于的测量问题，其中观测光路7也位于所述轴上，直至在分光器8处偏转为止。要测量的物体(这里是牙齿)具有三维表面轮廓，该三维表面轮廓应该作为3D模型被模拟。在如表示通常的视频图像那样的两维投影的情况下，虽然获得关于在x和y方向上的造型的信息，但是在z方向上的高度坐标仍然是未知的。在测量时，从光源1所发出的光被如此聚焦，使得穿过光阑装置3的光在测量开始时在高度z0上产生光阑孔的焦点22。于是，在光阑装置3和焦点22之间存在距离da，0。
光斑具有从1°至15°的孔径角α/2。
通过经由装置11改变投影光学装置4和物体6之间的光学路径长度，使焦点22一直移动，直到该焦点在高度zs上在物点6′中到达物体6的表面，所述高度zs这里大约对应于测量范围的四分之一。在该位置中，物点6′与焦点22′重合。正好在该位置中，从光阑孔出发的光最大限度地被聚焦到物体表面的点上，并且由物点6′反向散射的光最佳地通过光阑孔被复制，使得图像接收器正好在该位置中针对所分配的点觉察到强度最大值；这符合共焦显微术的基本原理。
在距离da，max的情况下，光阑孔的图像在物体6上又是模糊的，并且因此很少的光到达图像接收器。
在测量时，通过以下方式产生在z方向上的扫描，即改变光学路径长度，这可以通过机械地调节投影光学装置、或者通过改变光路中的光学密度、或者通过现有技术中已知的其他方法来实现。在唯一的曝光时间间隔期间进行光学路径长度的这种调节。
在图3中借助位于牙齿表面6上的凹槽6.1来说明所基于的测量问题。为了获得表面结构的尽可能好的分辨率，由光阑3的孔径宽度以及由投影光学装置4的焦距所给定的角度α不允许太大。为了以全部强度照射位于具有宽度WK和焦点22′的深度DK的凹槽中的表面点6′，必要的是：孔径角小于由凹槽的宽度与深度的几何比例所给定的最大角度。
在图4A中示出根据图2的在光阑装置5和图像接收器10之间的观测光路7中的强度分布。在要检验的物体的表面上的聚焦范围内，在曝光时间间隔内在高度zs(这里按照大约光学距离的变化的四分之一)达到强度最大值，该强度最大值被构造为可清楚识别的峰值。不言而喻的是，光学距离不必与实际的高度图像线性一致，这里最终目标在于提供要测量的物体的高度坐标。但是，如果能够进行光阑装置的位置和焦点的位置之间的关系的线性化，则仍然是有利的。
在图4B中示出在光阑装置3中观测光路7的由物体6反向散射的光的强度分布。垂直轴对应于光强，水平轴对应于在图像接收器10的曝光时间间隔T期间的时间t。在此，图像接收器10在整个曝光时间间隔T期间被照射，其中如果所分配的物点6′位于通过投影光学装置产生的投影的清晰范围内，则于是正好出现可明显识别的强度增加。与此相对，在该清晰范围之外，强度值明显较小，因为物点6′上的光斑较大。
在图5中示出光阑12的实施例，所述光阑被布置为与图像接收器10直接相邻。图像接收器10具有多个对辐射敏感的传感器元件13、14，这些传感器元件按照本发明共同起作用。光阑12被构造为亮/暗模式，并且因此具有不透光区15和透光区16。此外，光阑12可以在箭头17的方向上沿着图像接收器10和传感器元件13、14移动。如在图11A-C中详细说明的那样，例如条带模式、但是还有棋盘模式适合作为光阑12的孔模式。在该实施例中，条带模式符合传感器元件13、14的大小；也即条带模式的条带具有与传感器元件13、14相同的宽度。
在所示的起始位置中，传感器元件13完全被不透光区15遮蔽，而第二传感器元件14不被遮蔽。因此，对准传感器元件13、14的光仅仅在传感器元件14中产生携带信息的电子信号。
在图6中示出具有传感器元件13、14的图像接收器10的原理图，其中为了简化光阑12的目的，仅仅示出了不透光区15。光斑23作为在感测光路中所布置的光阑装置的图像落到相邻的传感器元件13、14上。光斑23的直径由光阑装置预先给定并且被如此安排，使得两个传感器元件13、14完全被遮盖。此外假设，光斑23的光强在整个面积上是恒定的。在此，该强度本身在时间上、也即在确定的曝光时间间隔T期间完全是可变的，在所述曝光时间间隔期间也发生光学路径的改变，强度可以发生变化。如果强度不发生变化，则测量点位于测量区域之外。
可以清楚地看出，光阑12的不透光区15在所示的位置中仅仅部分地遮蔽传感器元件13和14，使得在传感器元件13、14中也只有光斑23的强度的一小部分用于产生信号。
通过移动光阑12可以改变光的被输送给相应的传感器元件13、14的部分。
以图4A中所示的强度分布为出发点，在图7A-7C中针对光阑12的不同位置说明入射到传感器元件中的强度和由此所产生的电荷，其中出发点是例如暗电流、噪声的所有干扰信号以及来自不清晰平面的强度部分可被忽略，或者在计算上可被校正。
因为在电子图像接收器的情况下光子被转换为电荷，所以这里示出在传感器元件的空间轴中、这里在x方向上在不同的时刻t或者在通过改变光学路径长度所引起的高度坐标z时的强度分布。在该方向上，在曝光时间间隔T期间也移动光阑，以虚线被表示为不透光区15。在光阑的移动方向上绘出累计强度I和由此所引起的电荷Q。
在图7A中示出在时刻t0时曝光时间间隔T的开始。光阑12的不透光区15在其在x方向上的整个延伸范围内遮蔽传感器元件13，而传感器元件14在其在x方向上的整个长度范围内不被遮蔽。但是，因为既不考虑暗电流部分、噪声部分，也不考虑不清晰的平面的部分，所以在该起始状态中电荷既不在传感器元件13中也不在传感器元件14中被累积。
在图7B中示出在时刻ts焦点射到具有高度坐标zs的要测量的物体表面上的情形。如此调节了光学路径，使得根据图2的焦点22′正好位于图2的要检验的物体6的表面上。由此，引起图4中所示的阶跃式强度增加。但是，因为同样被调节的光阑的不透光区15不同程度地部分遮盖两个传感器元件13、14，所以在两个传感器元件13、14中累积不同的电荷，为了更好地理解，被示出为比例1/4和3/4，这对应于3/4和1/4的遮蔽的相反比例。因为在直至曝光时间间隔T结束为止的其他曝光时间期间在时刻tmax不再发生其他照射，所以在图7C中在传感器13、14中保持通过按照图7B的照射所累积的电荷Q13、Q14。根据电荷Q13、Q14的差和/或比例可以确定对清晰层的照射的准确时刻。在一方面了解光学路径的改变并且另一方面了解光阑12的移动时，根据该时刻的确定可以重构高度坐标zs，该高度坐标再现要检验的物体的表面上的点。
即使在不存在理想情形的情况下，如果焦点22所处的平面到达被检验的物体的表面，则由于光斑的高强度而产生足以能够实现分析的信号噪声比(Signalabstand)。
通常适用的是，光路中的光学路径长度的改变与灵敏度和/或曝光面积的改变是同步的，其中在最简单的情况下，在感兴趣的高度范围通过改变光学路径长度而被充分使用的时间内，光阑从所述的起始位置被置于所述的最终位置。在最简单的情况下，这也正好是图像接收器的图像的曝光时间T。
尤其在使用CCD传感器或者CMOS传感器的情况下，发生从在整个曝光时间间隔期间出现的光子到电荷的转换。在此，唯一的曝光时间间隔对于完整的测量来说是足够的，其中该唯一的曝光时间间隔不超过500ms并且优选地200ms的持续时间，但是典型地为50ms。在该时间间隔内，如在口腔内摄像机的情况下所要求的那样，还可以手动地进行自由或者支撑拍摄。基于特殊的要求，在口腔内摄像机的情况下应该要求12-20mm的高度测量范围，而无需照射时间间隔变得太长或者精度受损。
在图6和图7A-7C中，考虑一对传感器元件13、14，其中光从光阑装置中的开口被投影到传感器元件上。在考虑在光阑装置、也即例如多孔格板之后的时间强度分布的情况下，除了短的时间间隔之外，两个传感器元件13、14几乎不被这样照射，其中在所述短的时间间隔内要测量的物体的所分配的点位于清晰的区域内。根据光阑并且尤其是不透光区15的位置，光量更多地落到图像接收器10的第一传感器元件13或者更多地落到第二传感器元件14上。因此，可以根据对传感器元件13、14产生影响的强度推断出所分配的物点被清晰投影的时刻。于是，在使用利用测量设备的校准所获得的校准数据的情况下，可以将高度值分配给该时刻。因此，可以根据作为图像接收器的要读出的图像的、两个传感器元件13、14中的强度来计算要测量的物体的高度。
代替机械移动的光阑，也可以使用具有不透光区和透光区的、相应受控的电气装置(例如LCD元件)或者允许改变透光性的其他光学器件(例如相应构造的偏振滤光器的组合)。
此外，既不是绝对必要需要光阑12的透光区和不透光区15正好是相同大小的，这些区域也不必精确地匹配于传感器元件的大小。同样很少需要传感器元件的完全遮盖，因为仅仅重要的是获得两个传感器元件13、14之间的明确的值分布。
原则上甚至可以将多个传感器元件捆绑成组来代替单个传感器元件，并且不考虑各个传感器元件彼此的特性，而是考虑所述组的特性。
在图8中示出一种实施形式，其中相同的图像借助于分光器24被投影到两个分开的图像接收器10、10′上。空间上分开的图像接收器10、10′的按照本发明所需的在时间上可变的灵敏度可以通过借助于电子或者光学辅助装置的遮蔽来实现。例如，这里设有LCD元件25和25′，这些LCD元件的透光性可以用电学方式来改变。该改变必要时可以通过计算单元来控制。对LCD元件25和25′的控制规定，同时进行一个传感器元件的遮蔽的增加和另一传感器元件的遮蔽的减少。
在图9A-9C中示出了图8中所使用的两个具有传感器元件13、14的传感器10和10′的照射强度，其中所述传感器元件13、14位于分开的传感器上。
图9A示出在时刻t0在传感器元件13之前的完全透光的光阑和在传感器元件14之前的完全不透光的光阑。如图2中所示，因为在时刻t0焦点22不与物体6的表面点6′重合，所以只有很少的光强落到传感器元件13上并且只有很少的电荷被累积，如在图7A中已经说明的那样，所述电荷在分析中不重要。
图9B示出时刻ts，在该时刻，焦点与物点重合。在该时刻，光阑在某一程度上遮蔽一个传感器元件，并且在与此相反的程度上遮蔽另一传感器元件，这里为了说明，被示出为比例1/4对3/4。因为在该时刻最大光量被反射，所以传感器元件13、14上的光强是最大的。
图9C示出在稍后的时刻tmax的强度比例，与图9A相反，在该强度比例时传感器元件13被完全遮蔽，并且全部光强被供应给传感器元件14。但是，如在图9A中在传感器13上已经所示的那样，该光强比在时刻ts少得多。
图10A-10C示出图像接收器的各种可能的几何形状。在此，图像接收器可以分别以不同的技术被实施，因此例如被实施为CCD或者CMOS传感器。
图10A中所示的图像接收器10.1示出具有两个传感器元件13、14的点传感器的最简单的可能情况。
在图10B中示出了由具有点传感器13、14的行组成的图像接收器10.2的一部分。
图10C示出对于在一次曝光情况下的3D拍摄来说必要的平面图像接收器10.3。这里，传感器元件13、14可以以不同的方式来布置。
图11A-11C示出在如图10C中所示的平面图像接收器10.3的情况下传感器元件13、14的不同的布置可能性。可移动的光阑12的构造应与传感器元件对的布置相匹配。
在图11A中，传感器元件组棋盘式地分布在平面上。可移动的光阑的透光区这里必须同样被设计为棋盘式的。
图11B示出相应的传感器元件组的行状布置，其中共同起作用的传感器13、14相互被布置。
图11C与图11B的区别仅仅在于传感器元件组的列状布置而不是行状布置。这里也如图11B中那样，光阑是被相应对齐的条带光阑。
在图12A-12B中建议用于调节光学路径长度的装置11的实施形式。两个玻璃棱镜26和26′彼此相对可移动地被布置在光轴21中。在此，有效厚度S在相应地移动棱镜时是可变的。在有效厚度S内，光阑装置3和像平面之间的光学路径长度d的改变通过由于光在表面上的折射而引起的、光锥的孔径角的变化来实现，使得根据棱镜的光学密度来实现在投影光学装置4的焦距方面的延长或者缩短。
在此，图12A示出具有如在时刻t0存在的微小的有效厚度S0的棱镜26、26′。
与此相对，图12B示出两个棱镜26、26′的位置，在该位置时这两个棱镜达到最大的厚度Smax。
图像接收器10对于由n×m个像素组成的图像来说具有曝光时间T。图像接收器10被如此实施，使得至少两个传感器元件13、14通过接收光学装置9和必要时附加的元件被分配给光阑装置3的每个点。因此，从逻辑上看，图像接收器10由两个n/2×m传感器元件矩阵组成，所述传感器元件具有用于获得图像信息的曝光时间T。此外，图像接收器10具有这样的装置，该装置允许在时间T内连续地降低一个传感器元件矩阵的灵敏度(例如从最大值降低到零)，并且提高另一传感器元件矩阵的灵敏度(例如从零提高到最大值)。
根据图8的图像接收器10的实施方案由分光器24和两个电子图像传感器10、10′组成，所述电子图像传感器例如可以被实施为CCD或者CMOS传感器。在此，两个图像传感器10、10′的像素矩阵构成前述的两个n/2×m像素矩阵，相同的图像被投影到所述像素矩阵上。两个传感器10、10′包含用于改变灵敏度的装置25、25′、例如LCD板，这些装置位于分光器8和图像传感器10之间的观测光路7中。只要所使用的传感器技术允许，也可以代替LCD板而直接通过图像传感器上的电子装置来改变灵敏度。
在用于利用如在图11B或者11C中所示的传感器元件布置(典型值n＝500，m＝500)对物体进行平面高度测量的典型应用中，光阑12被构造为条带模式。代替机械移动的光阑，也可以使用LCD条带模式，其中相邻的条带位于共同起作用的传感器元件之前，并且这些条带在其灵敏度方面有针对性地变化。
在图13中规定了借助于两个反射器27和28对光学路径的改变，其中反射器27按照投影应该是固定的，并且反射器28以反面被固定在属于活动线圈29的磁体30上。这些活动线圈根据现有技术、例如根据扬声器结构是已知的，并且因此不需要进一步阐述。示出了反射器28和磁体30的两个位置，其中虚线所示的位置对应于光学路径相对于实线所示的位置延长2×Smax。
有利地，如此使用测量设备，使得图像接收器10是面传感器并且在图像接收器的曝光时间T内执行物体的高度测量。但是，也可以代替利用面传感器而使用行传感器并且逐行扫描物体。原则上可以在曝光周期T期间不通过完整的高度测量范围，而是将测量在多个相继的曝光周期上进行划分。
附图标记列表
1    光源
2    投影光学装置
3    光阑装置
4    投影光学装置
5    光束
6    物体
6′  物点
6.1  凹槽
7    观测光路
8    偏转装置
9    接收光学装置
9′  投影光学装置
10   图像接收器
10′ 图像接收器
10.1 被构造为点传感器的图像接收器
10.2 被构造成行传感器的图像接收器
10.3 被构造成面传感器的图像接收器
11   用于改变光学路径长度的装置
12   可移动的光阑
13   传感器元件
14   传感器元件
15   暗的光阑区域
16   亮的光阑区域
17   光阑的移动方向
21   轴
22   焦点；22，22′在不同的位置
23   光斑
24   分光器
25   具有可变透光性的装置
25′ 具有可变透光性的装置
26   玻璃棱镜
26′ 玻璃棱镜
27   反射器
28   具有磁体的可移动反射器
29   活动线圈

Claims (23)

1.根据共焦显微术的基本原理的测量设备，包括光源(1)、用于使由所述光源(1)所辐射的光(5)聚焦到要测量的物体(6)上的投影光学装置(4)，此外还包括用于物点(6′)的在所述物体(6)上被反向散射并且穿过相同的投影光学装置(4)的光(7)的图像接收器(10)，该图像接收器具有至少两个对辐射敏感的传感器元件(13，14)(像素)，
其特征在于，
-至少两个传感器元件(13，14)被分配给通过投影光学装置(4，9)被照射的物点，
-用于改变光学路径长度(d)的装置(11)被布置在光阑装置(3)和所述物体(6)之间的光路中，其中可以以预先给定的方式改变像平面的光学距离(d)，以及
-设有装置，该装置如此影响在曝光时间间隔(T)期间所述至少两个传感器元件(13，14)中的电荷(Q13，Q14)的累积与观测光路(7)的光强，以致建立与所述投影光学装置(4)的像平面的光学距离(d)的关系，使得可以根据在曝光时间间隔(T)期间从所述至少两个传感器元件(13，14)所获得的强度值的分布来重构所述物体(6)的高度坐标(zs)。
2.按照权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述装置改变所述传感器元件(13，14)的灵敏度和/或所述投影光学装置(4)和所述图像接收器(10)之间的观测光路(7)中的透光性、尤其是所述至少两个传感器元件(13，14)的曝光面积。
3.按照权利要求1或者2所述的测量设备，其特征在于，设有用于在所述物体(6)上产生亮度分布的光阑装置(3)。
4.按照权利要求3所述的测量设备，其特征在于，利用所述光阑装置(3)可以检测多个物点(6′)，其中设有与应被检测的物点(6′)至少一样多的传感器元件(13，14)组。
5.按照权利要求1至4之一所述的测量设备，其特征在于，在物体(6)和接收器(10)之间的观测光路(7)中布置有用于使所述观测光路(7)偏转的装置(8)。
6.按照权利要求5所述的测量设备，其特征在于，所述偏转装置(8)是分光器。
7.按照权利要求5或者6所述的测量设备，其特征在于，所述偏转装置(8)被布置在投影光学装置(4)和光源(1)之间。
8.按照权利要求3或者4结合权利要求5或者6所述的测量设备，其特征在于，偏转装置(8)被布置在所述光阑装置(3)和所述光源(1)之间。
9.按照权利要求3所述的测量设备，其特征在于，设有可移动的光阑(12)，该光阑根据移动路径至少部分地遮蔽所述传感器元件(13，14)。
10.按照权利要求9所述的测量设备，其特征在于，所述光阑(12)被如此构造，使得所述光阑(12)的移动导致对至少一个传感器元件(13)的遮蔽的减少和对至少另一传感器元件(14)的遮蔽的增加。
11.按照权利要求9或者10所述的测量设备，其特征在于，所述光阑(12)在起始位置中完全遮蔽所述传感器元件的一部分(13)，而在最终位置中完全遮蔽所述传感器元件的另一部分(14)，并且在中间位置中不仅遮蔽一个传感器元件(13)的一部分而且遮蔽另一传感器元件(14)的一部分。
12.按照权利要求2和9至11之一所述的测量设备，其特征在于，对传感器元件(13)的一部分的遮蔽的程度对应于传感器元件(14)的另一部分的曝光面积的程度。
13.按照权利要求2至8之一所述的测量设备，其特征在于，所述装置是透光性可变的电子控制的光学元件(25)、尤其是LCD元件。
14.按照权利要求3至13之一所述的测量设备，其特征在于，所述光阑装置(3)被构造用于所述物体(6)的二维扫描。
15.按照权利要求14所述的测量设备，其特征在于，设有调节装置，以便如此调节所述光阑装置(3)，使得在第二测量中也由所述光阑装置(3)的占空比检测在第一测量中未被投影的区域。
16.按照权利要求1至14之一所述的测量设备，其特征在于，所述图像接收器(10)是行传感器(10.2)。
17.按照权利要求1至14之一所述的测量设备，其特征在于，所述图像接收器(10)是面传感器(10.3)。
18.按照权利要求1至17之一所述的测量设备，其特征在于，所述图像接收器(10)被实施为CCD传感器。
19.按照权利要求1至17之一所述的测量设备，其特征在于，所述图像接收器(10)被构造为CMOS传感器。
20.按照权利要求1至11之一所述的测量设备，其特征在于，所述传感器元件(13，14)被布置在分开的图像接收器(10，10′)上，并且设有被布置在观测光路中的分光器(24)，该分光器将相同的图像传输给第二图像接收器(10′)，其中在测量时间间隔(T)期间在两个图像接收器(10，10′)之间借助于电子和/或光学辅助装置来叠化。
21.按照权利要求1至12之一所述的测量设备，其特征在于，使用至少两个传感器元件(13，14)，并且这些传感器的灵敏度随着调节路径增加而在所述传感器元件的一部分(13)中增加并且在所述传感器元件的另一部分(14)中下降。
22.按照权利要求1至20之一所述的测量设备，其特征在于，所述光阑装置(3)的平均占空比对应于所希望的测量精度。
23.用于根据共焦显微术的基本原理进行测量的方法，其中使光(5)从光源(1)辐射到要测量的物体(6)上，其中通过投影光学装置(4)使所述光(5)聚焦，并且其中此外借助于具有至少两个对辐射敏感的传感器元件(13，14)的图像接收器(10)来接收物点(6′)的在所述物体(6)上被反向散射并且穿过相同的投影光学装置(4)的光(7)，
其特征在于，
-将至少两个传感器元件(13，14)分配给通过投影光学装置(4，9)被照射的物点，
-以预先给定的方式通过被布置在光阑装置(3)和所述物体(6)之间的装置(11)在曝光时间间隔(T)期间改变像平面的光学距离(d)，
-可以通过装置如此改变在所述至少两个传感器元件(13，14)中所产生的电荷(Q13，Q14)的累积对观测光路(7)中的光强的依赖性，以致建立所述累积和所述投影光学装置(4)的像平面的光学距离(d)之间的关系，使得可以根据在曝光时间间隔(T)期间从所述至少两个传感器元件(13，14)所获得的强度值的分布来重构所述物体(6)的高度坐标(zs)。
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