DE102011117523B3 - Device for optically determining the surface geometry of a three-dimensional sample - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum optischen Bestimmen der Oberflächengeometrie einer dreidimensionalen Probe mit einer polychromatischen Lichtquelle, einer im Strahlengang der Lichtquelle angeordneten Spaltblende, einer in diesem Strahlengang nach der Spaltblende angeordneten, dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung, die so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass sie das Abbild der Spaltblende für unterschiedliche Wellenlängen im Spektrum der Lichtquelle auf unterschiedliche, auf einer vordefinierten Oberfläche (Fokuslinienfläche) im Raum voneinander beabstandet liegende Linien fokussiert, und einer abbildenden optischen Anordnung, die zumindest Abschnitte der Fokuslinienfläche und/oder mehrere, bevorzugt alle der Fokuslinien auf ein und dieselbe, von einem ortsauflösenden und wellenlängenauflösenden Nachweiselement abtastbare oder abgetastete Linie (Abtastlinie) im Raum fokussiert, wobei die Probe so im Raum positionierbar ist oder positioniert ist, dass sie die Fokuslinienfläche schneidet.The present invention relates to a device for optically determining the surface geometry of a three-dimensional sample with a polychromatic light source, a slit arranged in the beam path of the light source, a arranged in this beam path after the slit diaphragm, dispersive and focusing optical arrangement, the so formed and / or is arranged to focus the image of the slit diaphragm for different wavelengths in the spectrum of the light source on different lines spaced apart from each other on a predefined surface (focus line surface) in space, and an imaging optical arrangement comprising at least portions of the focus line surface and / or a plurality of preferably focusses all of the focus lines on one and the same scanning line scanned by a spatially resolving and wavelength-resolving detection element in the space, whereby the sample can be positioned in space, or p is positioned to intersect the focus line area.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum optischen Bestimmen der Oberflächengeometrie einer dreidimensionalen Probe, die nachfolgend auch als konfokaler chromatischer Zeilentriangulationssensor bezeichnet wird.The present invention relates to an apparatus for optically determining the surface geometry of a three-dimensional sample, which is also referred to below as a confocal chromatic line triangulation sensor.

Aus dem Stand der Technik sind bereits konfokale Systeme, konfokal chromatische Systeme und auch Triangulationssensoren zur optischen 3D-Oberflächenmessung bekannt. Siehe hierzu beispielsweise die DIN EN ISO 25178-602:2011-01. Die entsprechenden konfokalen Sensoren haben in der Regel einen punktförmigen Messfleck. Soll die dreidimensionale Struktur einer Oberfläche eines Objekts bzw. einer Probe erfasst werden, muss somit die Oberfläche rasterförmig abgefahren werden. Dabei haben sich zwei Prinzipien durchgesetzt.Confocal systems, confocal chromatic systems and also triangulation sensors for optical 3D surface measurement are already known from the prior art. See, for example, DIN EN ISO 25178-602: 2011-01. The corresponding confocal sensors usually have a punctiform spot. If the three-dimensional structure of a surface of an object or a sample is to be detected, the surface must therefore be raster-shaped. Two principles have prevailed here.

Beim ersten Prinzip eines chromatisch konfokalen Sensors fokussiert ein dispersives Element das Licht wellenlängenabhängig in unterschiedlicher Höhe. Reflektiertes Licht, welches auf der Oberfläche fokussiert ist, hat eine deutlich höhere Intensität als Licht, welches nicht fokussiert ist (siehe auch die vorgenannte Norm). Ein Spektrometer identifiziert dann die Wellenlänge mit der höchsten Intensität, wodurch ein Rückschluss auf die Entfernung Oberfläche-Sensor möglich ist. Siehe hierzu auch entsprechende kommerzielle Systeme unter www.micro-epsilon.com/displacement-position-sensors/confocal-sensor/index.html oder www.precitec-optronik.de. Nachteile dieser Systeme sind der punktförmige Messfleck und die Notwendigkeit eines Spektrometers, so dass die Messgeschwindigkeit stark reduziert ist.In the first principle of a chromatic confocal sensor, a dispersive element focuses the light at different levels depending on the wavelength. Reflected light, which is focused on the surface, has a significantly higher intensity than light, which is not focused (see also the aforementioned standard). A spectrometer then identifies the wavelength with the highest intensity, allowing a conclusion on the distance surface sensor is possible. See also relevant commercial systems at www.micro-epsilon.com/displacement-position-sensors/confocal-sensor/index.html or www.precitec-optronik.de. Disadvantages of these systems are the point-shaped measuring spot and the need for a spectrometer, so that the measuring speed is greatly reduced.

Beim zweiten Prinzip (monochromatische konfokale Sensoren, bei denen mittels eines schwingenden Resonators der Fokus variiert wird) führt der Resonator eine harmonische Schwingung durch, welche den optischen Weg verändert. Ein Detektor erfasst die reflektierte Intensität, die maximal wird, wenn der Strahl fokussiert ist. Nachteile sind hier, dass die Systeme technisch sehr aufwendig sind (teure Sensoren), auch müssen komplexe, fehleranfällige bewegliche optische Elemente eingesetzt werden. Siehe hierzu beispielsweise www.nanofocus.de/sprintsensor.html?&L=0.In the second principle (monochromatic confocal sensors, in which the focus is varied by means of a vibrating resonator), the resonator performs a harmonic oscillation which changes the optical path. A detector detects the reflected intensity, which becomes maximum when the beam is focused. Disadvantages here are that the systems are technically very expensive (expensive sensors), also complex, error-prone movable optical elements must be used. See for example www.nanofocus.de/sprintsensor.html?&L=0.

Einem anderen Prinzip zur Abtastung von dreidimensionalen Oberflächengeometrien folgen sogenannte Triangulationssensoren, die mithilfe eines Laserpunktes oder einer Laserlinie arbeiten. Nachteile sind hier unter anderem, dass diese Sensoren bei spiegelnden Oberflächen versagen. Siehe beispielsweise www.sick.com.Another principle for scanning three-dimensional surface geometries is followed by so-called triangulation sensors which work with the aid of a laser point or a laser line. Disadvantages here include that these sensors fail with reflective surfaces. For example, see www.sick.com.

Generell weisen somit bekannte Systeme zum Abtasten einer dreidimensionalen Oberfläche die folgenden Nachteile auf:

  • • Ein Punktsensor erlaubt kein effizientes Erfassen einer Oberfläche, da ein mäanderförmiges Abfahren der gesamten Oberfläche mit hohem Zeitaufwand notwendig ist.
  • • Bei den einer senkrechten Messkopfanordnung folgenden Systemen überlagern sich alle Wellenlängen im Messpunkt, was den nachteiligen Einsatz eines Spektrometers bedingt, um die Wellenlänge mit der höchsten Intensität zu bestimmen. Die Notwendigkeit der Verwendung eines Spektrometers reduziert jedoch zusätzlich die Messgeschwindigkeit.
  • • Wählt man mehrere diskrete Messpunkte beabstandet nebeneinander, so überlagern sich die Beleuchtungen der einzelnen Messpunkte zusätzlich. Die Intensität der fokussierten Wellenlänge hebt sich dadurch schwächer von den überlagerten Wellenlängen ab. Die Messpunkte dürfen damit nicht zu nahe zusammenliegen, müssen also jeweils einen Abstand voneinander aufweisen, damit die Intensität des seitlich überlagerten Lichts nicht zu stark wird. Siehe hier z. B. das Produkt MPLS180 der Firma Stil S.A. (www.stilsa.com).
Generally, known systems for scanning a three-dimensional surface thus have the following disadvantages:
  • • A point sensor does not allow an efficient detection of a surface, as a meandering approach of the entire surface is required with a lot of time.
  • • For systems following a vertical head assembly, all wavelengths overlap at the measurement point, which requires the adverse use of a spectrometer to determine the wavelength with the highest intensity. However, the necessity of using a spectrometer additionally reduces the measuring speed.
  • • If several discrete measuring points are selected next to each other at a distance, the illumination of the individual measuring points is additionally superimposed. As a result, the intensity of the focused wavelength is less pronounced than the superimposed wavelengths. The measuring points must therefore not be too close to each other, so they must each have a distance from each other, so that the intensity of the laterally superimposed light is not too strong. See here z. The product MPLS180 from Stil SA (www.stilsa.com).

Aus dem Stand der Technik ( US 2010/0 188 742 A1 ) ist zudem ein konfokal chromatisches Messsystem bekannt. Dieses erweitert den klassischen konfokal chromatischen Punktsensor zu einem Zeilensensor, in dem die Lochblende durch eine Spaltblende ersetzt wird.From the prior art ( US 2010/0188 742 A1 ) is also a confocal chromatic measuring system known. This extends the classic confocal chromatic point sensor to a line sensor in which the pinhole is replaced by a slit aperture.

Dadurch kann eine Oberflächentopologie gleichzeitig an mehreren Messpunkten nebeneinander ermittelt werden. Der Beleuchtungsstrahlengang und der Abbildungsstrahlengang benutzen das gleiche optische Element. Bereits konfokal chromatische Punktsensoren haben jedoch den Nachteil, dass nicht fokussiertes Licht auch den Sensor erreicht und die fokussierte Wellenlänge nur durch eine erhöhte Intensität ermittelt werden kann. Durch die Anordnung vieler Lochblenden nebeneinander wie bei der US 2010/0 188 742 A1 (oder durch die Benutzung besagter Spaltblende) kommt es jedoch zu seitlichem Übersprechen von nicht fokussiertem Licht, d. h. deutlich mehr nicht fokussiertes Licht erreicht den Sensor.As a result, a surface topology can be determined simultaneously at several measuring points next to each other. The illumination beam path and the imaging beam path use the same optical element. Already confocal chromatic point sensors, however, have the disadvantage that unfocused light also reaches the sensor and the focused wavelength can only be determined by an increased intensity. Due to the arrangement of many pinhole next to each other as in the US 2010/0188 742 A1 (or by the use of said slit), however, there is lateral crosstalk of unfocused light, ie significantly more unfocused light reaches the sensor.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit eine Vorrichtung zum optischen Bestimmen der Oberflächengeometrie einer dreidimensionalen Probe zur Verfügung zu stellen, mit der dreidimensionale Oberflächengeometrien beliebiger, also z. B. auch spiegelnder Proben zuverlässig, mit höchstmöglicher Auflösung und, im Vergleich zum Stand der Technik, mit erhöhter Geschwindigkeit bestimmt werden können. Aufgabe ist es darüber hinaus, entsprechende Bestimmungsverfahren und Anordnungen zur Verfügung zu stellen.It is therefore an object of the present invention to provide a device for optically determining the surface geometry of a three-dimensional sample, with which three-dimensional surface geometries of any desired shape, eg. B. even specular samples reliably, with the highest possible resolution and, compared to the prior art, with increased speed can be determined. It is beyond task, appropriate task To provide determination methods and arrangements.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, durch eine Anordnung gemäß Anspruch 11 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen lassen sich dabei jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen.This object is achieved by a device according to claim 1, by an arrangement according to claim 11 and by a method according to claim 12. Advantageous embodiments can be found in each case the dependent claims.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann anhand verschiedener Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben. Die in den einzelnen Ausführungsbeispielen dabei in Kombination miteinander verwirklichten einzelnen Merkmale und/oder Bauelemente der Vorrichtungen oder Anordnungen gemäß der Erfindung müssen dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht genau in den in den Ausführungsbeispielen gezeigten Kombinationen realisiert sein. Insbesondere können einzelne der gezeigten Bauteile auch anders angeordnet oder ausgerichtet werden oder auch weggelassen werden. Auch können einzelne der in den Ausführungsbeispielen gezeigten Bauelemente bzw. der im Rahmen der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale jeweils auch für sich (also unabhängig von den anderen in den Ausführungsbeispielen gezeigten Bauelementen bzw. beschriebenen Merkmalen) einen Beitrag zur Verbesserung des Standes der Technik leisten. Die vorliegende Erfindung offenbart somit sämtliche Kombinationen aus einzelnen Merkmalen der verschiedenen Ausführungsbeispiele im Rahmen des dem Fachmann sinnvoll Erscheinenden.Hereinafter, the present invention will first be described in general, then with reference to various embodiments in detail. The individual features and / or components of the devices or arrangements according to the invention realized in the individual exemplary embodiments in combination with one another need not be realized exactly in the combinations shown in the exemplary embodiments in the context of the present invention. In particular, individual components shown can also be arranged or aligned differently or even omitted. Also, individual components shown in the exemplary embodiments or the features described within the scope of the exemplary embodiments can each contribute to the improvement of the prior art in each case (ie independently of the other components or features described in the exemplary embodiments). The present invention thus discloses all combinations of individual features of the various embodiments in the context of what appears reasonable to those skilled.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein optisches kontaktloses Vermessen der dreidimensionalen Oberflächengeometrie einer Probe bzw. eines Objekts, wobei die Oberfläche jeweils zeilenweise erfasst wird. Es stehen also eine Vielzahl einzelner Messpunkte in einer Zeile nebeneinander gleichzeitig zum Abtasten zur Verfügung, so dass eine gewisse Breite, also eine ganze Zeile, mit einem Messvorgang zu einem Zeitpunkt erfasst werden kann. Ein Verschieben des abgetasteten Objekts (oder der Vorrichtung relativ zu diesem Objekt) ermöglicht dann die Abtastung der nächsten Zeile.The present invention enables an optical contactless measurement of the three-dimensional surface geometry of a sample or an object, wherein the surface is detected line by line. Thus, a plurality of individual measurement points in a row next to one another are simultaneously available for scanning, so that a certain width, that is to say an entire line, can be detected with one measurement process at a time. Moving the scanned object (or device relative to this object) then allows scanning of the next line.

Die vorliegende Erfindung erweitert somit die Idee eines an sich bekannten konfokalen chromatischen Sensors dahingehend, dass nicht nur ein Messpunkt zu einem Zeitpunkt zur Verfügung steht, sondern zu diesem Zeitpunkt eine ganze Zeile (also eine eindimensionale Linie) mit beliebig nahe beieinander liegenden Messpunkten gleichzeitig ausgewertet werden kann.The present invention thus extends the idea of a confocal chromatic sensor known per se to the effect that not only one measuring point is available at a time, but at the same time an entire line (ie a one-dimensional line) with measurement points lying close to each other are evaluated simultaneously can.

Die vorliegende Erfindung geht dabei zunächst von dem an sich bekannten konfokalen chromatischen Punktsensor aus, bei dem eine polychromatische Punktquelle (Lichtquelle samt dahinter angeordneter punktförmiger Lochblende) durch eine Linse chromatisch aufgespalten wird, so dass sich auf der optischen Achse unterschiedliche Fokuspunkte ergeben. Wird eine Oberfläche in diesen chromatisch aufgespaltenen Lichtkegel gehalten, so resultiert, dass genau eine Wellenlänge exakt auf diesen Punkt fokussiert wird und alle anderen Wellenlängen entweder davor oder dahinter fokussiert werden. Im Messpunkt (Messfleck) auf der Oberfläche überlagern sich zwar immer noch alle monochromatischen Wellenlängen, jedoch ist die Intensität der fokussierten Wellenlänge deutlich höher. Aufgrund der Überlagerung ist jedoch ein Spektrometer notwendig, welches die Wellenlänge des Intensitätsmaximums messen kann.The present invention initially starts from the confocal chromatic point sensor known per se, in which a polychromatic point source (light source together with a punctiform aperture arranged behind it) is split chromatically by a lens so that different focus points result on the optical axis. If a surface is held in this chromatically split light cone, the result is that exactly one wavelength is focused exactly on this point and all other wavelengths are focused either in front of or behind it. Although all monochromatic wavelengths are superimposed on the surface at the measuring point (measuring spot), the intensity of the focused wavelength is significantly higher. Due to the superposition, however, a spectrometer is necessary, which can measure the wavelength of the intensity maximum.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum optischen Bestimmen der Oberflächengeometrie einer dreidimensionalen Probe weist nun auf: Eine polychromatische Lichtquelle, eine im Strahlengang dieser Lichtquelle angeordnete Spaltblende, eine im Strahlengang nach der Spaltblende angeordnete, dispersive und fokussierende optische Anordnung, die so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass sie das Abbild der Spaltblende für unterschiedliche Wellenlängen im Spektrum der Lichtquelle auf unterschiedliche, auf einer vordefinierten Fläche (nachfolgend auch als Fokuslinienfläche bezeichnet) im Ortsraum (nachfolgend auch durch das Weltkoordinatensystem mit den drei kartesischen Koordinaten x, y und z bezeichnet) voneinander beabstandet liegende Linien (nachfolgend auch als Fokuslinien bezeichnet) fokussiert, und eine abbildende optische Anordnung. Dabei können die beiden Funktionen der Dispersion und der Fokussierung mit einem einzigen optischen Element realisiert werden. Ebenso können aber auch mehrere optische Elemente, z. B. ein erstes Element für die Dispersion und ein zweites Element für die Fokussierung, eingesetzt werden.A device according to the invention for optically determining the surface geometry of a three-dimensional sample now has: a polychromatic light source, a slit diaphragm arranged in the beam path of this light source, a dispersive and focusing optical arrangement arranged in the beam path after the slit diaphragm and designed and / or arranged that the image of the slit diaphragm for different wavelengths in the spectrum of the light source to different, on a predefined surface (hereinafter also referred to as focus line surface) in the spatial space (hereinafter also by the world coordinate system with the three Cartesian coordinates x, y and z) spaced from each other Lines (hereinafter also referred to as focus lines) focused, and an imaging optical arrangement. The two functions of dispersion and focusing can be realized with a single optical element. Likewise, however, several optical elements, for. As a first element for the dispersion and a second element for focusing, are used.

Die abbildende optischen Anordnung bildet Abschnitte der Fokuslinienfläche (bevorzugt: die gesamte Fokuslinienfläche, auf der die einzelnen Wellenlängen des polychromatischen Spektrums der Lichtquelle zum Liegen kommen) und/oder zumindest mehrere, bevorzugt jedoch alle der Fokuslinien auf ein und dieselbe Linie, die nachfolgen auch als Abtastlinie bezeichnet wird, im Raum fokussiert ab. Die Abtastlinie kann dann von einem ortsauflösenden und wellenlängenauflösenden Nachweiselement (beispielsweise einem Zeilendetektor aus einzelnen RGB-Pixeln) abgetastet, also optisch erfasst werden.The imaging optical arrangement forms sections of the focal line area (preferably: the entire focus line area on which the individual wavelengths of the polychromatic spectrum of the light source come to rest) and / or at least several, but preferably all of the focus lines on one and the same line, which also follow as Scanning line is called, focused in space from. The scanning line can then be scanned by a spatially resolving and wavelength-resolving detection element (for example, a line detector comprising individual RGB pixels), ie optically detected.

Zum Vermessen der Probe wird diese so im Raum positioniert (bzw. so in das Feld der Fokuslinien eingeschoben), dass die Probe (bzw. zumindest ein Oberflächenabschnitt derselben) die Fokuslinienfläche schneidet.To measure the sample, it is positioned in space (or so inserted into the field of the focus lines) that the sample (or at least a surface portion of the same) cuts the focal line surface.

Unter einem ortsauflösenden und wellenlängenauflösenden Nachweiselement wird dabei ein Detektor verstanden, der unterschiedliche Wellenlängen im Spektrum der polychromatischen Lichtquelle voneinander getrennt nachweisen kann, also die Wellenlänge des jeweils auf die einzelnen Detektorpixel auftreffenden Lichts bestimmen kann. Beispielsweise kann es sich dabei um einen RGB-Zeilensensor handeln. A position-resolving and wavelength-resolving detection element is understood to mean a detector which can detect different wavelengths in the spectrum of the polychromatic light source separately from one another, ie can determine the wavelength of the light incident on the individual detector pixels. For example, it may be an RGB line sensor.

Die dispersive und fokussierende optische Anordnung ist so ausgebildet und/oder angeordnet, dass das Abbild der Spaltblende für mehrere (bevorzugt: für alle) Wellenlängen im Spektrum der Lichtquelle von ein und derselben Seite der Fokuslinienfläche auf genau diese Fokuslinienfläche fokussiert wird. Ist (siehe auch nachfolgend) die vorbestimmte Fokuslinienfläche im bevorzugten Fall eine Ebene (Fokuslinienebene), so sind dazu sämtliche auf der Strahleneinfallsseite liegenden optischen Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung (also die Lichtquelle, die Spaltblende und die dispersive und fokussierende optische Anordnung) im Halbraum auf einer Seite der Fokuslinienebene angeordnet, wobei die dispersive und fokussierende optische Anordnung dann aus diesem Halbraum heraus die einzelnen Fokuslinien beabstandet voneinander auf die Fokuslinienebene fokussiert. Die abbildende optische Anordnung sowie das Nachweiselement sind dann bevorzugt auf der anderen Seite der Fokuslinienebene, also im anderen Halbraum angeordnet.The dispersive and focusing optical arrangement is designed and / or arranged in such a way that the image of the slit diaphragm is focused on precisely this focus line surface for a plurality (preferably for all) wavelengths in the spectrum of the light source from one and the same side of the focus line surface. Is (see also below), the predetermined focus line surface in the preferred case, a plane (focus line plane), so are all on the radiation incident side lying optical elements of the device according to the invention (ie the light source, the slit diaphragm and the dispersive and focusing optical arrangement) in the half space on a Arranged side of the focal plane, wherein the dispersive and focusing optical arrangement then focused from this half-space, the individual focus lines spaced from each other focused on the focal line plane. The imaging optical arrangement and the detection element are then preferably arranged on the other side of the focal line plane, ie in the other half-space.

Bevorzugt ist dabei, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung auch so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass, für die unterschiedlichen Wellenlängen, der Strahlengang nach der jeweiligen Fokuslinie die Fokuslinienfläche nicht mehr schneidet. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung schneidet dann für jede Wellenlänge des Spektrums der polychromatischen Lichtquelle der Strahlengang die vorbestimmte Fokuslinienfläche genau einmal. Ist die Fokuslinienfläche eine Fokuslinienebene, so ist die optische Achse des einfallenden Strahlengangs (optische Achse der Elemente Lichtquelle, Spaltblende und dispersive und fokussierende optische Anordnung) vorzugsweise um einen endlichen Winkel von z. B. größer 10°, bevorzugt größer 20°, bevorzugt 30° gegenüber der Fokuslinienebene geneigt (die Fokuslinien bilden sich somit gerade nicht auf der optischen Achse aus, sondern in einer dazu gekippten Ebene).It is preferred that the dispersive and focusing optical arrangement is also designed and / or arranged such that, for the different wavelengths, the beam path after the respective focus line no longer intersects the focus line surface. In the apparatus according to the invention then the beam path intersects the predetermined focal line area exactly once for each wavelength of the spectrum of the polychromatic light source. If the focal line surface is a focal line plane, then the optical axis of the incident beam path (optical axis of the elements light source, slit diaphragm and dispersive and focusing optical arrangement) is preferably at a finite angle of z. B. greater than 10 °, preferably greater than 20 °, preferably 30 ° relative to the focal line plane inclined (the focus lines are thus formed not straight on the optical axis, but in a tilted plane).

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die dispersive und fokussierende optische Anordnung damit so ausgebildet und/oder angeordnet, dass die Spaltblende für die unterschiedlichen Wellenlängen auf einer vordefinierten Ebene im Raum, der Fokuslinienebene, fokussiert abgebildet wird.In a further advantageous embodiment, the dispersive and focusing optical arrangement is thus designed and / or arranged such that the slit diaphragm for the different wavelengths is imaged focused on a predefined plane in space, the focal line plane.

Die (gegebenenfalls mehrere einzelne optische Elemente umfassende) dispersive und fokussierende optische Anordnung einerseits und die abbildende optische Anordnung andererseits (oder zumindest jeweils einzelne der die jeweilige Anordnung bildenden optischen Elemente) können relativ zur Fokuslinienfläche gesehen symmetrisch realisiert werden. Ist die Fokuslinienfläche eine Fokuslinienebene, so bedeutet dies, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung auf einer Seite dieser Ebene und die abbildende optische Anordnung auf der anderen Seite dieser Ebene sowie in Bezug auf diese Ebene gesehen spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet und/oder ausgerichtet sind.The dispersive and focusing optical arrangement (optionally comprising a plurality of individual optical elements) on the one hand and the imaging optical arrangement on the other hand (or at least in each case one of the individual optical elements forming the respective arrangement) can be realized symmetrically relative to the focal line surface. If the focus line surface is a focal line plane, this means that the dispersive and focusing optical arrangement are arranged and / or aligned mirror-symmetrically to each other on one side of this plane and the imaging optical arrangement on the other side of this plane and with respect to this plane.

Ebenso wie die Strahleneingangsseite, so kann auch die Strahlenausgangsseite (z. B. Halbraum der abbildenden optischen Anordnung) eine bevorzugt unmittelbar vor dem Nachweiselement angeordnete Spaltblende aufweisen. Diese kann, in Bezug auf die Fokuslinienfläche gesehen, symmetrisch (im Falle einer Fokuslinienebene: spiegelsymmetrisch in Bezug auf diese Ebene) zur Spaltblende der polychromatischen Lichtquelle angeordnet sein. Die Spaltbreite der beiden Spaltblenden liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 10 μm und 300 μm.Like the radiation input side, the radiation output side (eg half space of the imaging optical arrangement) can also have a slit diaphragm, which is preferably arranged directly in front of the detection element. This can, viewed in relation to the focal line area, be arranged symmetrically (in the case of a focal line plane: mirror-symmetrical with respect to this plane) to the slit diaphragm of the polychromatic light source. The gap width of the two slit diaphragms is preferably in the range between 10 μm and 300 μm.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die dispersive und fokussierende optische Anordnung als wesentliches optisches Abbildungselement ein gleichzeitig als dispersives und als fokussierendes Element wirkendes reflektierendes, konkaves Gitter auf. Ebenso kann die abbildende optische Anordnung ein gleichzeitig als dispersives und als fokussierendes Element wirkendes reflektierendes, konkaves Gitter aufweisen. Sind sowohl die Einfallsseite als auch die Ausfallsseite der Strahlung mit einem solchen Gitter ausgebildet und ist die Fokuslinienfläche eine Ebene, so sind die beiden Gitter bevorzugt spiegelsymmetrisch zur Fokuslinienebene angeordnet und ausgerichtet. Solche reflektierenden, konkaven Gitter, die gleichzeitig als primäres dispersives Element und als primäres fokussierendes Element wirken, sind dem Fachmann bekannt (siehe z. B. die sogenannten reflektierenden, konkaven, gebrannten, holografischen Gitter („reflective concave blazed holografic gratings” ) der Firma Edmund Optics Inc., 101 East Gloucester Pike, Barrington, NJ 08007-1380 USA).In a particularly preferred embodiment, the dispersive and focusing optical arrangement as the essential optical imaging element on a simultaneously acting as a dispersive and as a focusing element reflective concave grid. Likewise, the imaging optical arrangement may have a reflective, concave grid acting simultaneously as a dispersive and a focusing element. If both the incidence side and the failure side of the radiation are formed with such a grating, and if the focal line surface is a plane, the two gratings are preferably arranged and aligned mirror-symmetrically with respect to the focal line plane. Such reflective concave gratings, which act simultaneously as the primary dispersive element and primary focusing element, are known to those skilled in the art (see, for example, the company's so-called reflective concave blazed holographic gratings) Edmund Optics Inc., 101 East Gloucester Pike, Barrington, NJ 08007-1380 USA).

Alternativ dazu ist jedoch erfindungsgemäß auch eine nicht-symmetrische Anordnung möglich. Die abbildende optische Anordnung umfasst dann bevorzugt ein Objektiv (Kameraobjektiv) und kann als einfache Zeilenkamera (oder Flächenkamera, bei der lediglich eine einzige Zeile ausgenutzt wird) ausgebildet sein. Das Objektiv bildet dann die Fokuslinienfläche und/oder die Fokuslinien auf eine in der Fokuslinienfläche selbst liegende Abtastlinie fokussiert ab. Im Gegensatz zur vorbeschriebenen symmetrischen Anordnung der dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung einerseits und der abbildenden optischen Anordnung andererseits, bei der die Abtastlinie auf der Seite der abbildenden optischen Anordnung, also z. B. im entsprechenden Halbraum seitlich der Fokuslinienebene positioniert ist, kann die abbildende optische Anordnung somit so positioniert, ausgebildet und ausgerichtet werden, dass sie eine direkt auf der Fokuslinienfläche liegende Abtastlinie fokussiert abbildet. Bevorzugt wird, im Falle einer Fokuslinienebene, dazu auch die abbildende optische Anordnung ebenso wie das Nachweiselement in der Fokuslinienebene positioniert.Alternatively, however, according to the invention, a non-symmetrical arrangement is possible. The imaging optical arrangement then preferably comprises a lens (camera lens) and can be designed as a simple line camera (or area camera in which only a single line is utilized). The objective then forms the focus line surface and / or the focus lines focused on a scan line lying in the focus line surface itself. In contrast to the previously described symmetrical Arrangement of the dispersive and focusing optical arrangement on the one hand and the imaging optical arrangement on the other hand, in which the scanning line on the side of the imaging optical arrangement, ie z. B. is positioned laterally in the corresponding half-space of the focus line plane, the imaging optical arrangement can thus be positioned, designed and aligned so that it focuses a focused directly on the focal line surface scan line maps. In the case of a focal line plane, the imaging optical arrangement as well as the detection element are preferably also positioned in the focal line plane for this purpose.

In einer weiteren Ausführungsform kann die dispersive und fokussierende optische Anordnung mehrteilig ausgebildet sein, d. h. es kann ein dispersives Element (oder eine dispersive Anordnung) zum Realisieren der dispersiven Funktion getrennt von einem fokussierenden Element (oder einem fokussierenden optischen System aus mehreren Elementen) ausgebildet werden. Bevorzugt handelt es sich bei dem dispersiven Element der dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung um ein Transmissionsgitter oder ein Prisma (bevorzugt ein Geradsichtprisma). Bei dem fokussierenden Teil der dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung kann es sich insbesondere um ein fokussierendes System handeln, das mehrere Linsen in einer Scheimpfluganordnung aufweist. Entsprechend kann dann (bevorzugt symmetrisch dazu, siehe oben) auch die abbildende optische Anordnung getrennt voneinander ein dispersives Element (bzw. eine dispersive Anordnung) und ein fokussierendes optisches System (das bevorzugt ebenso in Scheimpfluganordnung ausgebildet sein kann) aufweisen.In a further embodiment, the dispersive and focusing optical arrangement can be designed in several parts, i. H. a dispersive element (or a dispersive device) for realizing the dispersive function may be formed separately from a focusing element (or a multiple element focusing optical system). The dispersive element of the dispersive and focusing optical arrangement is preferably a transmission grating or a prism (preferably a straight-line prism). In particular, the focusing part of the dispersive and focusing optical arrangement may be a focusing system having a plurality of lenses in a Scheimpflug arrangement. Accordingly, then (preferably symmetrically thereto, see above) also the imaging optical arrangement separated from each other a dispersive element (or a dispersive arrangement) and a focusing optical system (which may preferably be formed also in Scheimpflug arrangement).

Schließlich sind auch andere Ausbildungen der dispersiven und fokussierenden Anordnung denkbar, sofern diese die vorbeschriebene Funktion zur fokussierten Abbildung der unterschiedlichen Fokuslinienfläche erfüllen. Beispielsweise ist es denkbar, die dispersive und fokussierende optische Anordnung als Linsensystem mit wellenlängenabhängigem Brechungsindex auszubilden.Finally, other embodiments of the dispersive and focusing arrangement are conceivable, as long as they fulfill the function described above for the focused imaging of the different focus line area. For example, it is conceivable to form the dispersive and focusing optical arrangement as a lens system with wavelength-dependent refractive index.

Erfindungsgemäß kann somit im Strahlengang nach der Lichtquelle und der Spaltblende ein dispersives (das heißt, der Brechungsindex ändert sich mit der Wellenlänge) und/oder ein difraktives (das heißt, das Licht wird für unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich gebeugt) Element, das z. B. als die chromatische Aberration ausnutzendes Gitter und/oder Prisma ausgebildet sein kann, angeordnet sein. Diese(s) Element(e) muss/müssen dann die vorstehend genannte Bedingung der Fokuslinienfläche erfüllen, wobei eine geeignete abbildende Optik zum Realisieren des gewünschten, vorzugsweise von einer einzigen Seite auf die Fokuslinienfläche einfallenden Strahlengangs hinzugefügt werden kann.According to the invention, a dispersive (that is, the refractive index changes with the wavelength) and / or a diffractive (that is, the light is diffracted differently for different wavelengths) element, the z. B. can be formed as the chromatic aberration ausnutzendes grid and / or prism can be arranged. This element (s) must then satisfy the above-mentioned condition of the focal line area, wherein a suitable imaging optics can be added for realizing the desired beam path, preferably incident from a single side on the focal line area.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das orts- und wellenlängenauflösende Nachweiselement im Strahlengang der abbildenden optischen Anordnung einen Zeilensensor aufweisen. Dieser kann am Ort der Abtastlinie positioniert sein oder im Strahlengang gesehen unmittelbar hinter einer am Ort der Abtastlinie positionierten weiteren Spaltblende der abbildenden optischen Anordnung angeordnet sein. Ebenso kann das Nachweiselement jedoch einen Flächensensor aufweisen. In diesem Fall ist eine Sensorzeile dieses Flächensensors am Ort der Abtastlinie positioniert oder im Strahlengang gesehen unmittelbar hinter einer an diesem Ort positionierten weiteren Spaltblende der abbildenden optischen Anordnung angeordnet. Grundsätzlich ist es auch denkbar, im Strahlengang gesehen hinter einer am Ort der Abtastlinie positionierten weiteren Spaltblende ein Spektrometer als Nachweiselement zu positionieren, mit dem die Abtastlinie ortsaufgelöst abtastbar ist. Dies jedoch zum Preis einer verringerten Abtastgeschwindigkeit.In a further advantageous embodiment, the location and wavelength-resolution detection element in the beam path of the imaging optical arrangement may comprise a line sensor. This can be positioned at the location of the scanning line or, seen in the beam path, can be arranged immediately behind a further slit diaphragm of the imaging optical arrangement positioned at the location of the scanning line. Likewise, however, the detection element can have an area sensor. In this case, a sensor line of this surface sensor is positioned at the location of the scanning line or, viewed in the beam path, arranged immediately behind a further slit diaphragm of the imaging optical arrangement positioned at this location. In principle, it is also conceivable, as seen in the beam path, to position a spectrometer as a detection element behind a further slit diaphragm positioned at the location of the scanning line with which the scanning line can be scanned in a spatially resolved manner. This, however, at the price of a reduced scanning speed.

Bei dem Nachweiselement kann es sich beispielsweise um einen Zeilensensor in Form eines eindimensionalen Zeilenarrays oder auch um einen Flächensensor in Form eines zweidimensionalen Flächenarrays aus Pixeln handeln, die die unterschiedlichen Wellenlängen der Fokuslinien erfassen, trennen und nachweisen können. Beispielsweise können dazu RGB-Kameras mit entsprechenden Pixeln eingesetzt werden. Dabei wird ausgenutzt, dass monochromatisches Licht einen Farbeindruck auf einem RGB-Sensor erzeugen kann. Mittels einer Kalibrierung kann von diesem Farbeindruck auf eine Wellenlänge zurückgeschlossen werden.The detection element can be, for example, a line sensor in the form of a one-dimensional line array or even an area sensor in the form of a two-dimensional area array of pixels which can detect, separate and detect the different wavelengths of the focus lines. For example, RGB cameras with corresponding pixels can be used for this purpose. It is exploited that monochromatic light can produce a color impression on an RGB sensor. By means of a calibration can be deduced from this color impression on a wavelength.

Um nun nicht nur eine einzige, eindimensionale Schnittlinie der Oberfläche der Probe abzutasten, muss entweder die Probe relativ zur Vorrichtung oder umgekehrt die Vorrichtung relativ zur Probe bewegt werden. Hierzu ist erfindungsgemäß eine Anordnung vorgesehen, die eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Antriebseinheit zum Realisieren dieser Relativbewegung umfasst. Beispielsweise kann die Probe mit einem im Raum x, y, z verschieblichen Probenhalter durch die Fokuslininenfläche der unbeweglich im Raum x, y, z positionierten Vorrichtung verschoben werden. Ebenso ist es jedoch denkbar, einen im Raum unbeweglichen, die Probe fixierenden Probenhalter vorzusehen und die Vorrichtung auf einem relativ zur Probe bzw. zum Probenhalter geeignet beweglichen Verschiebetisch zu positionieren. Mit einem solchen beispielsweise dreiachsigen Verschiebetisch, auf dem die Vorrichtung angeordnet ist, kann dann die Vorrichtung (bzw. die durch sie im Raum realisierte Fokuslinienfläche) relativ zur Probe verschoben werden.In order not to scan only a single, one-dimensional line of intersection of the surface of the sample, either the sample relative to the device or vice versa, the device must be moved relative to the sample. For this purpose, an arrangement is provided according to the invention comprising a device according to one of the preceding claims and a drive unit for realizing this relative movement. By way of example, the sample can be displaced with a sample holder displaceable in the space x, y, z through the focal line surface of the device immovably positioned in the space x, y, z. Likewise, however, it is conceivable to provide a sample holder fixed in space, fixing the sample, and to position the device on a displacement table which is movable relative to the sample or to the sample holder. With such a, for example, three-axis displacement table, on which the device is arranged, then the device (or by them in space realized focus line area) relative to the sample.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung nun anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei zeigen:The present invention will now be described with reference to several embodiments. Showing:

1a und 1b eine Skizze zur grundlegenden Funktionsweise der vorliegenden Erfindung. 1a and 1b a sketch of the basic operation of the present invention.

2 eine Skizze zum Einfall der Strahlung unter einem definierten, endlichen Winkel zur Fokuslinienebene (Schrägeinfall). 2 a sketch of the incidence of radiation at a defined, finite angle to the focus line plane (oblique incidence).

3 eine grundlegende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer spiegelsymmetrisch zu dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung ausgebildeten abbildenden optischen Anordnung. 3 a basic embodiment of the present invention with a mirror-symmetrical to dispersive and focusing optical arrangement formed imaging optical arrangement.

4 eine Aufsicht auf eine Anordnung gemäß 3. 4 a view of an arrangement according to 3 ,

5 ein erstes konkretes Ausführungsbeispiel für den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Symmetrie zwischen der dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung einerseits und der abbildenden optischen Anordnung andererseits. 5 a first concrete embodiment of the construction of a device according to the invention with a symmetry between the dispersive and focusing optical arrangement on the one hand and the imaging optical arrangement on the other.

6 ein zweites konkretes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem nicht-symmetrischen Aufbau. 6 A second concrete embodiment of the present invention with a non-symmetrical structure.

7 ein drittes konkretes Ausführungsbeispiel mit einem getrennt von einem dispersiven Element ausgebildeten fokussierenden System sowohl in der dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung als auch in der abbildenden optischen Anordnung. 7 a third specific embodiment with a focusing system formed separately from a dispersive element in both the dispersive and focusing optical arrangement and in the imaging optical arrangement.

8 eine nicht die Erfindung zeigende, alternative Vorgehensweise. 8th a non-inventive, alternative approach.

1a zeigt eine Skizze eines grundlegenden Aufbaus (ohne die abbildende optische Anordnung 6, vergleiche 3) zur Durchführung der Erfindung im kartesischen Ortsraum x, y, z. 1a shows a sketch of a basic structure (without the imaging optical arrangement 6 , compare 3 ) for carrying out the invention in the Cartesian space x, y, z.

Im Strahlengang 2 einer polychromatischen, im sichtbaren Bereich zwischen 350 nm und 750 nm emittierenden Lichtquelle 1 (z. B. eine Xenonlampe, eine Halogenlampe, eine Leuchtstoffröhre oder auch eine geeignete breitbandige LED) ist in y-Richtung eine Spaltblende 3a (Spaltbreite zwischen 10 und 300 μm) angeordnet. Im Strahlengang 2 der Lichtquelle 1 hinter der Spaltblende 3a befindet sich die dispersive und fokussierende optische Anordnung 4. Diese ist so ausgebildet und angeordnet, dass sie das Abbild der Spaltblende 3a für die unterschiedlichen Wellenlängen im sichtbaren Emissionsspektrum der polychromatischen Lichtquelle 1 auf jeweils unterschiedliche, auf einer vordefinierten Oberfläche, die hier eine Ebene ist (Fokuslinienebene 5 parallel zur y-z-Ebene), voneinander beabstandet liegende Linien, die Fokuslinien, fokussiert. Diskret voneinander beabstandete einzelnen Wellenlängen im Spektrum der Lichtquelle 1 werden somit auf diskrete, jeweils auf der vordefinierten Fokuslinienebene liegende Fokuslinien fokussiert abgebildet. So wird beispielsweise die Wellenlänge λ1 = 380 nm von der dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung auf die Fokuslinie l1 fokussiert, die Wellenlänge λ2 = 510 nm in -z-Richtung beabstandet davon auf die Fokuslinie l2, die Wellenlänge λ3 = 600 nm beabstandet davon auf die Fokuslinie l3 und die Wellenlänge λ4 = 700 nm wiederum weiter in -z-Richtung beabstandet davon auf die Fokuslinie l4.In the beam path 2 a polychromatic light source emitting in the visible range between 350 nm and 750 nm 1 (For example, a xenon lamp, a halogen lamp, a fluorescent tube or a suitable broadband LED) is a slit in the y direction 3a (Gap width between 10 and 300 microns) arranged. In the beam path 2 the light source 1 behind the slit diaphragm 3a is the dispersive and focusing optical arrangement 4 , This is designed and arranged so that it is the image of the slit 3a for the different wavelengths in the visible emission spectrum of the polychromatic light source 1 on each different, on a predefined surface, which here is a plane (focus line plane 5 parallel to the yz plane), spaced apart lines, the focus lines, focused. Discretely spaced apart individual wavelengths in the spectrum of the light source 1 are thus focused on discrete, each lying on the predefined focus line focal lines focus. For example, the wavelength λ 1 = 380 nm is focused by the dispersive and focusing optical arrangement on the focal line l 1 , the wavelength λ 2 = 510 nm in the -z direction spaced therefrom to the focal line l 2 , the wavelength λ 3 = 600 nm spaced therefrom to the focus line l 3 and the wavelength λ 4 = 700 nm, again in the -z direction spaced therefrom to the focus line l 4 .

Alle Fokuslinien l1 bis l4 verlaufen parallel zur Spaltrichtung 3a in y-Richtung.All focus lines l 1 to l 4 are parallel to the cleavage direction 3a in the y direction.

1b zeigt nun, wie diese ortsvariable, fokussierte Abbildung der Fokuslinien l unterschiedlicher Wellenlängen λ auf die Fokuslinienebene 5 dazu verwendet werden kann, die dreidimensionale Oberflächengeometrie eines beliebig geformten Objekts (Probe P) zu erfassen. Bringt man die abzutastende Oberfläche der Probe P in den Bereich der Fokuslinienebene 5 ein, also so, dass diese Oberfläche die Fokuslinienebene 5 schneidet (vergleiche gestrichelt eingezeichnete Ebene 5 in 1b), so wird, an einer definierten y-Koordinate gesehen, lediglich Licht der Quelle 1 einer einzigen Wellenlänge (an der gezeigten y-Koordinate in 1b hier Licht der Wellenlänge λ3 = 600 nm) fokussiert auf die entsprechende y-Koordinate der Schnittlinie zwischen der Oberfläche der Probe P und der Fokuslinienebene 5 abgebildet. Alle anderen Wellenlängen werden, da deren Fokuslinien oberhalb oder unterhalb der Schnittlinie zwischen der Oberfläche der Probe P und der Fokuslinienebene 5 liegen, an der entsprechenden y-Koordinate lediglich diffus auf die Oberfläche der Probe P abgebildet. 1b shows how this spatially variable, focused image of the focus lines l different wavelengths λ on the focal line plane 5 can be used to detect the three-dimensional surface geometry of an arbitrarily shaped object (sample P). If one brings the surface of the sample P to be scanned into the area of the focal line plane 5 one, so that this surface is the focal line plane 5 cuts (compare dashed line drawn 5 in 1b ), then, seen at a defined y-coordinate, only light from the source 1 of a single wavelength (at the y-coordinate shown in FIG 1b here light of wavelength λ 3 = 600 nm) focused on the corresponding y-coordinate of the intersection line between the surface of the sample P and the focal line plane 5 displayed. All other wavelengths become because their focus lines above or below the intersection line between the surface of the sample P and the focus line plane 5 lie, at the corresponding y-coordinate only diffusely imaged on the surface of the sample P.

Verwendet man eine geeignete abbildende optische Anordnung 6 und einen im Strahlengang nach derselben (vergleiche 3 bis 7) angeordneten Detektor, z. B. in Form eines Sensors mit einer parallel zur y-Richtung ausgerichteten Pixelzeile, der die einzelnen Wellenlängen bzw. Farben des sichtbaren Lichts der Quelle 1 voneinander unterscheiden kann, so lässt sich anhand der für die vorbeschriebene y-Koordinate mittels dieses Sensors gewinnbaren Farbinformation (hier im gezeigten Fall: λ3 = gelb) aufgrund der Verteilung der Fokuslinien der unterschiedlichen Wellenlängen bzw. Farben entlang der z-Richtung für diese y-Koordinate eine entsprechende Höheninformation gewinnen. Dabei kann dann, in y-Richtung gesehen, die gesamte Schnittlinie (die ja in ihrer Höhe bzw. z-Koordinate variieren kann) zwischen Probenoberfläche und Fokuslinienebene 5 über die einzelne Pixel des entsprechenden Detektors bzw. Nachweiselementes gleichzeitig erfasst werden. Somit kann, in der vorbeschriebenen Farbcodierung, die gesamte Höheninformation einer einzelnen Höhenlinie der Probenoberfläche P gleichzeitig erfasst werden. Auf Basis einer Relativbewegung der Probe P einerseits und der Vorrichtung zum optischen Bestimmen andererseits in x-Richtung, also senkrecht zur Fokuslinienebene 5, kann so die gesamte Objektoberfläche P schrittweise bzw. zeilenweise abgetastet werden. Bauelemente wie z. B. Verschiebetische, Objekthalter, ... zum Realisieren der entsprechenden Relativbewegung sind dem Fachmann bekannt.If one uses a suitable imaging optical arrangement 6 and one in the beam path after the same (cf. 3 to 7 ) arranged detector, z. B. in the form of a sensor with a parallel to the y-direction aligned pixel line, the individual wavelengths or colors of the visible light of the source 1 can differ from one another, it can be determined on the basis of the distribution of the focus lines of the different wavelengths or colors along the z-direction for this y on the basis of the color information obtainable for the above y-coordinate by means of this sensor (here in the case shown: λ 3 = yellow) Coordinate gain appropriate height information. In this case, then, seen in the y-direction, the entire cutting line (yes in their height or z-coordinate may vary) between sample surface and focal line plane 5 are detected simultaneously via the individual pixels of the corresponding detector or detection element. Thus, in the above-described color coding, the entire height information of a single contour line of the sample surface P can be detected simultaneously. On the basis of a relative movement of the sample P on the one hand and the device for optically determining on the other hand in the x-direction, ie perpendicular to the focal plane 5 , Thus, the entire object surface P can be scanned stepwise or line by line. Components such. As translation tables, object holder, ... to realize the corresponding relative movement are known in the art.

Mit dem in 1a und 1b skizzierten Aufbau der vorliegenden Erfindung lassen sich gegenüber dem Stand der Technik die folgenden Vorteile realisieren: Als Detektor bzw. Nachweiselement kann ein einfacher einzeiliger Pixeldetektor aus z. B. RGB-Kamerapixeln verwendet werden. Hierdurch lässt sich eine deutliche Erhöhung der Messgeschwindigkeit erzielen, da durch das Verwenden z. B. einer solchen RGB-Kamera kein Spektrometer mehr eingesetzt werden muss. Zudem werden weniger und preisgünstigere Komponenten benötigt, um die 3D-Oberflächenabtastung durchzuführen. Da sämtliche der verwendeten optischen Abbildungselemente (vergleiche insbesondere auch nachfolgende 4 bis 7) als fokussierende bzw. scharf abbildende optische Elemente ausgebildet und angeordnet sein können, ist es möglich, beliebig nahe beieinander liegende Oberflächenpunkte der Lichtquelle 1 (durch den Spalt 3a) abzubilden, ohne dass es zu störenden Überlagerungen der Wellenlängen- bzw. Höheninformation zwischen benachbarten Abbildungselementen (bzw. auf der Seite der abbildenden optischen Anordnung: Pixeln) kommt. Es sind somit Zeilensensoren mit prinzipiell beliebig nahe liegenden Messpunkten realisierbar.With the in 1a and 1b sketched structure of the present invention can be compared to the prior art realize the following advantages: As a detector or detection element can be a simple single-line pixel detector of z. B. RGB camera pixels are used. This makes it possible to achieve a significant increase in the measuring speed, since by using z. B. such an RGB camera no spectrometer must be used. In addition, fewer and less expensive components are needed to perform the 3D surface scan. Since all of the optical imaging elements used (see in particular also the following 4 to 7 ) can be designed and arranged as focusing or sharply imaging optical elements, it is possible to arbitrarily close to each other surface points of the light source 1 (through the gap 3a ) without disturbing superimpositions of the wavelength or height information between adjacent imaging elements (or on the side of the imaging optical arrangement: pixels). There are thus line sensors with basically any arbitrarily close measuring points feasible.

Durch das wesentliche technische Merkmal, dass das chromatisch aufgespaltene Licht 2 im Fokuspunkt bzw. in den Fokuslinien l entmischt wird, besteht ein fokussierter Lichtpunkt auf einer Oberfläche aus monochromatischem Licht. Der Farbeindruck von monochromatischem Licht kann jedoch nicht durch die Oberflächenfarbe der Probe P verändert werden. Gerade deswegen kann auf ein Spektrometer verzichtet werden und vom Farbeindruck einer RGB-Kamera direkt auf die Wellenlänge und somit die Höheninformation geschlossen werden. Neben dem Vorteil, dass die einzelnen Messpunkte, welche in einer Zeile angeordnet sind, beliebig nahe nebeneinander liegen dürfen, lässt sich insbesondere auch durch die Verwendung einer identischen Optik für Beleuchtung und Abbildung (vergleiche auch nachfolgende 3 bis 5) die vorliegende Erfindung nicht nur für nicht-spiegelnde Oberflächen der Probe P, sondern ebenso auch für spiegelnde Probenoberflächen P einsetzen, da die Bedingung Einfallswinkel = Ausfallswinkel erfüllt ist. Die vorliegende Erfindung weist somit eine Unabhängigkeit gegenüber Oberflächenfarben der Probe P auf und erlaubt sowohl ein Vermessen von diffusen, als auch von spiegelnden Oberflächen (auch von sämtlichen Mischformen).Due to the essential technical feature that the chromatically split light 2 In the focal point or in the focal lines l is demixed, there is a focused light spot on a surface of monochromatic light. However, the color impression of monochromatic light can not be changed by the surface color of the sample P. Precisely for this reason can be dispensed with a spectrometer and the color impression of an RGB camera directly on the wavelength and thus the height information to be closed. In addition to the advantage that the individual measurement points, which are arranged in a row, may be arbitrarily close to each other, can be particularly by the use of an identical optics for lighting and imaging (see also below 3 to 5 ) use the present invention not only for non-specular surfaces of the specimen P but also for specular specimens P as the condition angle of incidence = angle of failure is satisfied. The present invention thus has an independence from surface colors of the sample P and allows both measurement of diffuse, as well as reflective surfaces (including all mixed forms).

Die vorliegende Erfindung (siehe insbesondere auch die 3 und 5) hat insbesondere auch den Vorteil, dass im Strahlengang die Winkelbedingung Einfallswinkel = Ausfallswinkel erfüllt wird, so dass auch spiegelnde Oberflächen P vermessen werden können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zudem nicht telezentrisch ausgeführt. Somit werden die telezentrischen Aufbauten inhärenten Nachteile, dass weniger Licht verwendet werden kann und dass die Messlinie auf dem Objekt kleiner/gleich der Größe der gemeinsamen Linse ist, vermieden. Zudem vermeidet die vorliegende Erfindung auch bei Verschiebungen der Probe in Scanrichtung Nachteile dahingehend, dass die von einer Zeilenkamera aufgenommenen Pixel in Verschiebungsrichtung nicht quadratisch sind, sobald sich die Objekthöhe (bei einer solchen Verschiebung der Probe) ändert. Es ist eine verbesserte laterale Vermessung möglich.The present invention (see in particular also the 3 and 5 ) has the particular advantage that in the beam path the angle condition angle of incidence = angle of failure is met, so that even reflective surfaces P can be measured. The device according to the invention is also not designed to be telecentric. Thus, the disadvantages inherent in telecentric structures, that less light can be used and that the measurement line on the object is less than or equal to the size of the common lens, are avoided. In addition, the present invention also avoids drawbacks of the sample in the scanning direction in that the pixels taken by a line scan camera are not square in the direction of displacement as the object height changes (with such a displacement of the sample). An improved lateral measurement is possible.

Bei der vorliegenden Erfindung wird somit (vgl. z. B. auch den Aufbau aus 3) einer polychromatischen Lichtquelle 1 eine eindimensionale Spaltblende 2 vorgesetzt. Die Spaltblende wird durch die dispersive und fokussierende optische Anordnung 4 wellenlängenabhängig abgebildet. Die optische Anordnung 4 ist so ausgeprägt, dass sich die Fokuslinien l in einer Fokuslinienebene 5 in z-Richtung übereinanderliegend befinden. Die Entmischung wird erreicht, indem die Fokuslinien der einzelnen Wellenlängen in einer Ebene organisiert werden und das Licht 2 der Beleuchtung 1 (bezogen auf die optische Achse von Lichtquelle 1, Spalt 3a und optischer Anordnung 4) nur von einer Seite auf die Ebene 5 einfällt. Zwischen der optischen Achse der Elemente 1, 3a und 4 und der Ebene 5 ist somit ein endlicher Winkel gegeben, der hier ca. 30° bis 40° beträgt. (Selbstverständlich sind auch andere Winkel zwischen dieser optischen Achse und der Ebene 5 möglich, z. B. 20° bis 25° oder auch Winkel > 45°.)Thus, in the present invention (see, for example, also the structure 3 ) of a polychromatic light source 1 a one-dimensional slit diaphragm 2 purposed. The slit diaphragm is formed by the dispersive and focusing optical arrangement 4 Dependent on wavelength. The optical arrangement 4 is so pronounced that the focus lines l are in a focal line plane 5 in the z-direction are superimposed. The demixing is achieved by organizing the focal lines of the individual wavelengths in one plane and the light 2 the lighting 1 (relative to the optical axis of light source 1 , Split 3a and optical arrangement 4 ) only from one side to the plane 5 incident. Between the optical axis of the elements 1 . 3a and 4 and the plane 5 is thus given a finite angle, which is here about 30 ° to 40 °. (Of course, there are other angles between this optical axis and the plane 5 possible, for. B. 20 ° to 25 ° or angle> 45 °.)

Dieser Verkippungswinkel ist also so gewählt, dass alle Lichtstrahlen seitlich in die Ebene 5 der Fokuslinien l einfallen. Eine solcher Verkippung hat zur Folge, dass beim Vorliegen einer Oberfläche einer Probe P eine Entmischung des polychromatischen Lichts in der Ebene 5 der Fokuslinien stattfindet. Mit anderen Worten ist der fokussierte Strahlengang in der Fokuslinie bzw. im Fokuspunkt (vergleiche Pfeil in 1b) von keiner benachbarten Wellenlänge überlagert, liegt also monochromatisch vor.This tilt angle is thus chosen so that all light rays are laterally in the plane 5 the focus lines l come up. Such a tilting has the consequence that in the presence of a surface of a sample P a separation of the polychromatic light in the plane 5 the focus lines takes place. In other words, the focused beam path is in the focus line or in the focal point (see arrow in FIG 1b ) is superimposed by no adjacent wavelength, so it is monochromatic.

Dabei ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht zwingend notwendig, dass die Fokuspunkte in einer Ebene organisiert sind. Bei geeigneter Ausbildung der dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung ist es beispielsweise auch denkbar, die einzelnen Fokuspunkte bzw. Fokuslinien auf einem Oberflächenabschnitt einer Kugel oder eines Ellipsoids fokussiert abzubilden. Entsprechend muss dann die nachfolgend noch beschriebene abbildende optische Anordnung 6 ausgebildet und angeordnet werden, um die Fokuspunkte bzw. -linien so auf das Nachweiselement abzubilden, dass jeweils nur die auf die Schnittlinie zwischen der Objektoberfläche und der vordefinierten Fokuslinienfläche scharf, das heißt fokussiert abgebildete Wellenlänge scharf auf das Nachweiselement abgebildet wird (wohingegen sämtliche nicht fokussiert auf die entsprechende Schnittlinie auftreffende Wellenlängen dann gerade nicht auf das Nachweiselement fokussiert werden dürfen). Damit die Forderung einer Entmischung der Wellenlängen auf der Oberfläche P eingehalten wird, muss die folgende Bedingung erfüllt sein: Wenn die Fokuspunkte bzw. -linien l der unterschiedlichen Wellenlängen λ die Fokuslinienfläche 5 in einer vordefinierten geometrischen Form ausbilden, dann muss für diese Fokuslinien- bzw. Grenzfläche gelten, dass jeder mögliche, von der Quelle 1 ausgehende Beleuchtungsstrahl im Strahlengang 2 von der gleichen Seite (also z. B. in 1a vom links neben der Fokuslinienebene 5 liegenden Halbraum) aus auf diese Fokuslinienfläche trifft und nach dem genau einmaligen Auftreffen niemals wieder diese Fokuslinienfläche durchstößt. It is not essential in the context of the present invention that the focus points are organized in one plane. With a suitable design of the dispersive and focusing optical arrangement, it is also conceivable, for example, to image the individual focus points or focus lines in a focused manner on a surface section of a sphere or ellipsoid. Correspondingly, the imaging optical arrangement described below must then be used 6 be formed and arranged to image the focus points or lines on the detection element, that in each case only on the line of intersection between the object surface and the predefined focus line surface sharp, that is focused focused image is sharply displayed on the detection element (whereas all not focused then wavelengths incident on the corresponding cutting line may not be focused on the detection element). In order to comply with the requirement of demultipating the wavelengths on the surface P, the following condition must be satisfied: If the focus points or lines 1 of the different wavelengths λ are the focus line area 5 form in a predefined geometric shape, then apply to this focal line or interface that any possible, from the source 1 outgoing illumination beam in the beam path 2 from the same page (ie, eg in 1a from the left of the focus line plane 5 lying half-space) from hits on this focal line surface and never pierces again this focus area surface after the exact one-time impact.

Desweiteren müssen die einzelnen Fokuslinien l nicht senkrecht übereinander angeordnet sein, es ist z. B. auch eine schräge Anordnung denkbar.Furthermore, the individual focus lines l need not be arranged vertically one above the other, it is z. As well as an oblique arrangement conceivable.

Beim Verwenden einer identischen Abbildungsoptik auf der Strahleneinfallsseite und der Strahlenausfallsseite, also einer identischen dispersiven und optischen Anordnung einerseits und abbildenden optischen Anordnung andererseits, müssen diese Optiken 4, 6 in der Regel symmetrisch, z. B. spiegelsymmetrisch zu einer Fokuslinienebene 5, angeordnet werden.When using an identical imaging optics on the radiation incidence side and the radiation outage side, ie an identical dispersive and optical arrangement on the one hand and imaging optical arrangement on the other hand, these optics must 4 . 6 usually symmetrical, z. B. mirror-symmetrical to a focal line plane 5 , to be ordered.

Um im in 1 gezeigten Fall einer Fokuslinienebene 5 die Bedingung, dass alle möglichen Lichtstrahlen im Strahlengang 2 von einer Seite in die Ebene 5 der Fokuspunkte einfallen, zu erfüllen, muss der Verkippungswinkel zwischen optischer Achse der Elemente 1, 3a und 4 einerseits und der Ebene 5 andererseits in einem Bereich gewählt werden, der durch die folgenden beiden Bedingungen begrenzt ist (vergleiche auch 2, identische Bezugszeichen bezeichnen identische Elemente der Vorrichtung): Die minimale Verkippung ist erreicht, wenn der Winkel der langwelligsten, noch zur Abbildung vorgesehenen Wellenlänge (hier der Winkel der Wellenlänge λ4) relativ zur y-z-Ebene zu Null wird. Eine kleinere Verkippung gegenüber der Ebene 5 würde dazu führen, dass dieses langwelligste Licht die Ebene 5 von der anderen Seite durchstoßen würde. Der maximale Verkippungswinkel ist durch den Winkel des kurzwelligsten noch zur Abbildung vorgesehen Lichts (hier: λ1) zur Horizontalen bzw. zur x-y-Ebene gegeben. Würde ein noch größerer Verkippungswinkel eingestellt werden, so würde das Objekt P von unten beleuchtet werden, was nicht mehr mit dem Nachweiselement 8 (siehe nachfolgend) nachweisbar ist. Der verwendbare Bereich für den Verkippungswinkel ergibt sich in seiner konkreten Größe letztendlich aus dem Zusammenspiel der Aperturblende (Winkel des Lichtkegels im Strahlengang 2 nach der Spaltblende 3a), der zur Abbildung vorgesehenen Wellenlängen (steilster und flachster Lichtkegel) und der Ebene 5 der Fokuspunkte. Wird die vorbeschriebene Bedingung erfüllt, dann entmischt sich das Licht auf der Oberfläche P unabhängig von der konkreten Oberflächengeometrie. Die Entmischung findet aber nur an der Stelle statt, an der die Ebene 5 der Fokuslinien die Oberfläche P schneidet. (Diese Aussage gilt streng genommen lediglich für eine Spaltblende mit unendlich kleiner Spaltbreite vor der Beleuchtung; wird eine technisch sinnvolle Blende wie vorbeschrieben eingesetzt, so vermischt sich das Licht wieder geringfügig. Dies führt zu einem geringfügigen Fehler, der jedoch tolerabel ist bzw. herausgerechnet werden kann.)To be in the in 1 shown case of a focus line plane 5 the condition that all possible light rays in the beam path 2 from one side to the plane 5 The focus points must meet the tilt angle between the optical axis of the elements 1 . 3a and 4 on the one hand and the level 5 on the other hand, in a range limited by the following two conditions (see also 2 , identical reference numerals designate identical elements of the device): The minimum tilting is achieved when the angle of the longest wavefront yet to be imaged (here the angle of the wavelength λ 4 ) becomes zero relative to the yz plane. A smaller tilt compared to the plane 5 would cause this longest-light to light up the plane 5 would be pierced from the other side. The maximum tilt angle is given by the angle of the shortest wave still provided for imaging light (here: λ 1 ) to the horizontal or to the xy plane. If an even larger tilt angle were to be set, then the object P would be illuminated from below, which is no longer with the detection element 8th (see below) is detectable. The usable range for the tilt angle results in its actual size ultimately from the interaction of the aperture diaphragm (angle of the light cone in the beam path 2 after the slit diaphragm 3a ), the wavelengths (steepest and flattest light beam) and the plane 5 the focus points. If the above-described condition is fulfilled, then the light on the surface P segregates independently of the concrete surface geometry. The segregation takes place only at the point where the plane 5 the focus lines the surface P intersects. (Strictly speaking, this statement applies only to a slit diaphragm with an infinitely small slit width before the illumination, and if a technically sensible diaphragm is used as described above, the light will again mix slightly, resulting in a minor error which is tolerable or eliminated can.)

3 skizziert eine Grundanordnung zur vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung mit dem in den 1 und 2 skizzierten Prinzip, die durch eine zur Fokuslinienebene 5 spiegelsymmetrische Anordnung der dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung 4 einerseits und der abbildenden optischen Anordnung 6 andererseits gekennzeichnet ist. Dabei (und ebenso bei den in 5 und 7 gezeigten konkreten Ausführungsbeispielen zur Erfindung) sind die einzelnen Elemente der optischen Anordnung 4 einerseits und die einzelnen Elemente der optischen Anordnung 6 andererseits beidseits der Ebene 5 jeweils paarweise spiegelsymmetrisch zu dieser Ebene angeordnet, ausgebildet und ausgerichtet, sofern nachfolgend nichts Anderes gesagt ist. In 3 (wie auch in den nachfolgenden Figuren) bezeichnen im Vergleich mit den 1 und 2 identische Bezugszeichen jeweils identische Bauelemente. 3 outlines a basic arrangement for the present invention in accordance with the in the 1 and 2 sketched principle by one to the focal plane 5 mirror-symmetrical arrangement of the dispersive and focusing optical arrangement 4 on the one hand and the imaging optical arrangement 6 on the other hand is characterized. Thereby (as well as in the 5 and 7 shown concrete embodiments of the invention) are the individual elements of the optical arrangement 4 on the one hand and the individual elements of the optical arrangement 6 on the other hand, on both sides of the plane 5 arranged in pairs in mirror symmetry to this plane, trained and aligned, unless otherwise stated below. In 3 (as in the following figures) denote in comparison with the 1 and 2 identical reference numerals each identical components.

Wie bereits zu 1 und 2 beschrieben, ist die dispersive und fokussierende optische Anordnung 4 auf einer Seite (linker Halbraum 5a) der Symmetrieebene 5 so angeordnet und ausgerichtet, dass sämtliche zur Abbildung herangezogene Wellenlängen λ aus diesem Halbraum 5a auf die Ebene 5 einfallen, also die einfallenden Strahlen im Strahlengang 2 diese Ebene 5 lediglich genau einmal schneiden. Auf der dem Halbraum 5a gegenüberliegenden Seite der Ebene 5 ist nun die abbildende optische Anordnung 6 angeordnet und spiegelsymmetrisch zur Anordnung 4 so ausgebildet und ausgerichtet, dass die Fokuslinien l1 bis L4 im Strahlengang 2 durch diese abbildende Anordnung 6 fokussiert auf ein und dieselbe Linie, die Abtastlinie 7, abgebildet werden. Die Abtastlinie 7 ist in dem dem Halbraum 5a gegenüberliegenden Halbraum spiegelsymmetrisch (bezogen auf die Ebene 5) zur Spaltöffnung 3a positioniert, stellt also das hinsichtlich der einzelnen Wellenlängen λ überlagerte Abbild des Spaltes 3a dar. Am Ort der Abtastlinie 7 ist das Nachweiselement 8 in Form eines eindimensionalen, spiegelsymmetrisch (bezüglich der Ebene 5) zum Spalt 3a, also in y-Richtung, ausgerichteten RGB-Pixeldetektors angeordnet. Mit diesem Nachweiselement 8 lassen sich somit entlang der Fokuslinien bzw. in y-Richtung gesehen die variierenden z-Koordinaten einer in das Linienfeld l1 bis l4 eingebrachten Probe P (hier nicht gezeigt) ortsaufgelöst und wellenlängenaufgelöst detektieren.As already too 1 and 2 is the dispersive and focusing optical arrangement 4 on one side (left hemisphere 5a ) of the plane of symmetry 5 arranged and aligned so that all used for imaging wavelengths λ from this half-space 5a to the level 5 come in, so the incident rays in the beam path 2 this level 5 only cut exactly once. On the half-space 5a opposite Side of the plane 5 is now the imaging optical arrangement 6 arranged and mirror-symmetrical to the arrangement 4 so trained and aligned that the focus lines l 1 to L 4 in the beam path 2 through this imaging arrangement 6 focuses on one and the same line, the scan line 7 to be imaged. The scan line 7 is in the half-space 5a opposite half-space mirror-symmetrical (with respect to the plane 5 ) to the gap opening 3a positioned so represents the superimposed on the individual wavelengths λ image of the gap 3a dar. At the location of the scan line 7 is the detection element 8th in the form of a one-dimensional, mirror-symmetric (with respect to the plane 5 ) to the gap 3a , ie arranged in the y-direction, aligned RGB pixel detector. With this detection element 8th Thus, the varying z coordinates of a sample P introduced into the line field l 1 to l 4 (not shown here) along the focus lines or in the y direction can be detected in a spatially resolved and wavelength-resolved manner (not shown here).

Gemäß 3 fokussiert somit eine gespiegelte und baugleiche Optik die Ebene 5 der Fokuslinien auf einen RGB-Zeilensensor 8 am Ort der Abtastlinie 7. Alternativ dazu könnte jedoch auch ein ortsauflösendes Spektrometer als Nachweiselement 8 eingesetzt werden. Die Tatsache, dass eine Entmischung des Spektrums der Quelle 1 auf der Oberfläche P stattfindet hat mehrere Vorteile: Zum einen überlagern sich keine benachbarten Messpunkte (der Farbeindruck von monochromatischem Licht kann durch Oberflächenfarbe nicht verändert werden), so dass die vorgestellte Vorrichtung unabhängig von der Oberflächenfarbe der Probe P ist. Desweiteren kann die Wellenlänge λ von monochromatischem Licht in gewissen Grenzen durch den RGB-Sensor 8 bestimmt werden. Wenn somit mit einem solchen RGB-Sensor gearbeitet wird, so kann die Messgeschwindigkeit deutlich gegenüber einem Spektrometer gesteigert werden. Wie 3 zeigt, ist somit für die vorliegende Erfindung ein verkippter Aufbau der Beleuchtungs- bzw. Strahleneingangsseite einerseits und der Abbildungs- bzw. Strahlenausgangsseite andererseits charakteristisch.According to 3 thus focuses a mirrored and identical optics the plane 5 the focus lines on an RGB line sensor 8th at the location of the scan line 7 , Alternatively, however, could also be a spatially resolving spectrometer as a detection element 8th be used. The fact that a segregation of the spectrum of the source 1 On the one hand, there are several advantages: On the one hand, no adjacent measuring points are superimposed (the color impression of monochromatic light can not be changed by surface color), so that the device presented is independent of the surface color of the sample P. Furthermore, the wavelength λ of monochromatic light within certain limits by the RGB sensor 8th be determined. Thus, when working with such an RGB sensor, the measurement speed can be significantly increased over a spectrometer. As 3 Thus, a tilted structure of the illumination or radiation input side on the one hand and the imaging or radiation output side on the other hand is characteristic of the present invention.

Gemäß 4, die einen der 3 entsprechenden Aufbau in Aufsicht (also entgegen der z-Richtung) zeigt, muss auf der Strahlenausgangsseite, also als abbildende optische Anordnung 6 nicht unbedingt eine baugleiche Optik zur dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung 4 verwendet werden: Es kann sogar von Vorteil sein, wenn, wie in 4 gezeigt, zur optischen Abbildung eine Anordnung 6 verwendet wird, die mehr Licht einsammelt (in der räumlichen Dimension in Richtung Sensor, also der y-Richtung, sollte ja möglichst alles Licht ausgenutzt werden).According to 4 that one of the 3 corresponding structure in plan view (that is opposite to the z-direction) shows, must on the beam output side, so as imaging optical arrangement 6 not necessarily a structurally identical optics for dispersive and focusing optical arrangement 4 It may even be beneficial if, as in 4 shown, an arrangement for optical imaging 6 is used, which collects more light (in the spatial dimension in the direction of the sensor, so the y-direction, yes, if possible, all light should be exploited).

Auch ist es nicht unbedingt notwendig, dass, wie in den 1 bis 4 gezeigt, die Ebene 5 der Fokuslinien immer parallel zur Längsrichtung des Spaltes 3a und zur Längsrichtung des Zeilensensors 8 liegt. So könnte z. B. durch eine Scheimpfluganordnung ein Winkel zwischen dieser Ebene und diesen Geraden erreicht werden.Also, it is not absolutely necessary that, as in the 1 to 4 shown the plane 5 the focus lines always parallel to the longitudinal direction of the gap 3a and to the longitudinal direction of the line sensor 8th lies. So z. B. be achieved by a Scheimpfluganordnung an angle between this plane and this line.

5 zeigt nun einen konkreten Aufbau zur Erfindung, bei der die beiden optischen Aufgaben der dispersiven und fokussierenden Anordnung 4, also das Aufspalten des Lichts wellenlängenabhängig in seine Bestandteile (dispersives Element) und das Fokussieren dieses aufgespaltenen Lichts auf die Fokuslinienfläche 5 (fokussierendes Element), durch eine einzige Baueinheit (reflektierendes, konkaves Gitter 10) gelöst ist. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen wieder identische Bauteile wie in den 1 bis 4. 5 now shows a concrete structure of the invention, in which the two optical tasks of the dispersive and focusing arrangement 4 , So the splitting of the light depending on the wavelength in its components (dispersive element) and focusing this split light on the focal line surface 5 (focusing element), by a single unit (reflective, concave grid 10 ) is solved. Same reference numerals designate again identical components as in the 1 to 4 ,

Das polychromatische Licht 2 der Quelle 1 wird nach dem Spalt 3a zunächst (um einen kompakten Bauraum der gesamten Vorrichtung zu ermöglichen) auf einen ersten Spiegel 9a geführt, der den Strahlengang 2 auf ein reflektives, konkaves, holografisches Gitter 10a der Firma Edmund Optics Inc. lenkt. Der Spiegel 9a und das sowohl die dispersive als auch die fokussierende Funktion übernehmende Gitter 10a bilden somit die dispersive und fokussierende optische Anordnung 4 im Halbraum 5a links der (also auf der Strahleneingangsseite der) Fokuslinienebene 5.The polychromatic light 2 the source 1 will after the gap 3a first (to allow a compact space of the entire device) on a first mirror 9a led the beam path 2 on a reflective, concave, holographic grid 10a Edmund Optics Inc. The mirror 9a and the grating taking over both the dispersive and the focusing function 10a thus form the dispersive and focusing optical arrangement 4 in the half-space 5a left of the (so on the radiation input side of the) focus line plane 5 ,

Ebenso wie die optische Anordnung 4 weist auch die abbildende optische Anordnung 6 der Strahlenausgangsseite im rechts der Ebene 5 liegenden Halbraum zunächst ein reflektives, konkaves, holografisches Gitter 10b und, im Strahlengang danach, einen ebenen Spiegel 9b auf. Die beiden Spiegel 9a und 9b sind zur Ebene 5 spiegelsymmetrisch angeordnet und ausgerichtet sowie identisch ausgebildet. Entsprechendes gilt für die beiden Gitter 10a und 10b.As well as the optical arrangement 4 also has the imaging optical arrangement 6 the beam output side in the right of the plane 5 lying half space first a reflective, concave, holographic grating 10b and, in the beam path afterwards, a plane mirror 9b on. The two mirrors 9a and 9b are to the plane 5 mirror-symmetrically arranged and aligned and formed identically. The same applies to the two grids 10a and 10b ,

Die Fokuslinien l1, l2, ... der Ebene 5 werden somit vom Gitter 10b über den Spiegel 9b fokussiert auf die Abtastlinie 7 abgebildet. Der Strahlengang auf der Strahlenausgangsseite ist dabei spiegelsymmetrisch (zur Ebene 5) zum Strahlengang auf der Einfallsseite.The focus lines l 1 , l 2 , ... the plane 5 are thus from the grid 10b over the mirror 9b focused on the scan line 7 displayed. The beam path on the beam output side is mirror-symmetrical (to the plane 5 ) to the beam path on the incidence side.

Wie 5 darüber hinaus zeigt, werden außerhalb der Schnittlinie zwischen der Ebene 5 und der Probenoberfläche P auf die Probenoberfläche P und von dort auf das Gitter 10b und den Spiegel 9b auftreffende Strahlen von der abbildenden optischen Anordnung 6 außerhalb der Abtastlinie 7 abgebildet. Bezogen auf die Ebene 5 spiegelsymmetrisch zum Einfallsebenenspalt 3a ist auf der Strahlenausgangsseite ein Abbildungsspalt 3b angeordnet (der identisch zum Spalte 3a ausgebildet ist), der den am Ort der Abtastlinie 7 positionierten Einzeilendetektor 8 noch zusätzlich gegen diese für den Nachweis unerwünschten Strahlanteile abschirmt. Dieser Spalt 3b ist jedoch nicht notwendig und kann demgemäß auch weggelassen werden. Eine zusätzliche Abbildungsoptik in Form z. B. eines Objektivs oder Ähnliches zur Abbildung des Ausgangsstrahlengangs auf das Nachweiselement 8 ist somit nicht notwendig.As 5 In addition, shows are outside the intersection between the plane 5 and the sample surface P on the sample surface P and from there to the grid 10b and the mirror 9b impinging beams from the imaging optical assembly 6 outside the scan line 7 displayed. Relative to the level 5 mirror-symmetric to the incident-plane gap 3a is an imaging gap on the beam output side 3b arranged (which is identical to the column 3a is formed), the at the location of the scan line 7 positioned single line detector 8th in addition to this for the proof shields unwanted beam components. This gap 3b However, it is not necessary and can accordingly be omitted. An additional imaging optics in the form z. B. a lens or the like for imaging the output beam path on the detection element 8th is not necessary.

Dass nur die fokussierten Wellenlängen (hier: Wellenlänge λ2 bzw. Fokuslinie l2) wieder auf das Nachweiselement 8 abgebildet werden, liegt an der Feldblende, also dem Bereich, den der Sensor 8 beobachtet. Licht außerhalb dieses Bereichs wird zwar auch abgebildet, trifft jedoch neben den Zeilendetektor 8. Licht trifft somit nur auf den Sensor 8, wenn der entsprechende Lichtstrahl durch seinen Fokuspunkt in der Fokusebene 5 hindurchgeht.That only the focused wavelengths (here: wavelength λ 2 or focus line l 2 ) back to the detection element 8th be imaged, lies at the field stop, so the area, the sensor 8th observed. Although light outside this area is also displayed, it is adjacent to the line detector 8th , Light therefore only hits the sensor 8th when the corresponding light beam through its focal point in the focal plane 5 passes.

Im farbsensitiven Zeilensensor 8 erfolgt dann letztendlich eine Farbmessung: Jede auftreffende Wellenlänge erzeugt im entsprechenden Pixel entlang der y-Richtung einen anderen Farbeindruck (bei entlang der y-Richtung variierender Höhe z der Oberfläche P), der diese Wellenlänge und somit die lokale Höhe eindeutig identifiziert. In diesem Zusammenhang ist in der Regel eine einmalige Kalibrierung des Sensors 8 notwendig, um den Zusammenhang Wellenlänge/Farbe einerseits und zugeordnete Höhe der Probe P in z-Richtung andererseits zu bestimmen.In the color-sensitive line sensor 8th Finally, a color measurement takes place: Each incident wavelength generates a different color impression in the corresponding pixel along the y direction (with the height z of the surface P varying along the y direction), which uniquely identifies this wavelength and thus the local height. In this context is usually a one-time calibration of the sensor 8th necessary to determine the relationship wavelength / color on the one hand and assigned height of the sample P in the z-direction on the other hand.

In einer alternativen Ausführungsform (hier nicht gezeigt) sind die beiden Gitter 10a und 10b so ausgeformt, dass die Fokuslinien l nicht auf einer Ebene, sondern auf einer Fokuslinienfläche in Form eines Sphärenabschnittes liegen. Die Konstruktion ergibt sich dabei mithilfe des sogenannten Rowlandkreises (vergleiche z. B. auch L. Candler, „Modern Interferometers”, Higler & Watt, London, 1951). Der Unterschied eines Aufbaus, der die Fokuspunkte, wie in 5 gezeigt, auf einer Ebene anordnet, sowie eines Aufbaus, der die Fokuspunkte auf einem Sphärenabschnitt anordnet, liegt lediglich in der Form des Spiegels, auf den das Gitterelement des reflektiven, konkaven Gitters 10a, 10b aufgebracht ist. (Ist dieser Spiegel in der Lage, die Fokuslinien in einer Ebene abzubilden, so wird von einem aberrationskorrigierten Spiegel gesprochen.)In an alternative embodiment (not shown here), the two gratings are 10a and 10b formed so that the focus lines l are not on a plane, but on a focal line surface in the form of a sphere section. The construction is based on the so-called Rowland circle (see, for example, L. Candler, "Modern Interferometers", Higler & Watt, London, 1951). The difference of a construction, the focus points, as in 5 shown, arranged on a plane, as well as a structure, which arranges the focus points on a sphere section, lies only in the form of the mirror on which the grating element of the reflective, concave grating 10a . 10b is applied. (If this mirror is able to image the focus lines in a plane, then it is referred to as an aberration-corrected mirror.)

Das entsprechende Gitter muss dabei für das Spektrum der Lichtquelle 1 berechnet sein. Dementsprechend lassen sich als Lichtquelle 1 selbstverständlich nicht nur im sichtbaren Bereich (ca. 350–750 nm) emittierende Lichtquellen einsetzen, sondern z. B. auch im UV-Bereich oder im IR-Bereich emittierende.The corresponding grating must be for the spectrum of the light source 1 be calculated. Accordingly, can be used as a light source 1 Of course, not only in the visible range (about 350-750 nm) use emitting light sources, but z. B. also emitting in the UV range or in the IR range.

6 zeigt ein zweites konkretes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das grundsätzlich wie das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel realisiert ist, so dass nachfolgend lediglich die Unterschiede beschrieben werden. 6 shows a second concrete embodiment of the present invention, which basically like that in 5 embodiment shown is realized, so that only the differences will be described below.

Die Strahleneingangsseite der in 6 gezeigten Variante, also die Elemente 1, 3a, 9a und 10a im einfallenden Strahlengang, ist/sind identisch wie beim in 5 gezeigten Fall ausgebildet, ausgerichtet und angeordnet, so dass sich die Unterschiede lediglich auf die Strahlenausgangsseite, also auf die abbildende optische Anordnung 6 und das Nachweiselement 8 beziehen.The radiation input side of in 6 shown variant, so the elements 1 . 3a . 9a and 10a in the incident beam path, is / are identical as in 5 formed case, aligned and arranged, so that the differences only on the beam output side, ie on the imaging optical arrangement 6 and the detection element 8th Respectively.

Anstelle einer symmetrischen Positionierung der abbildenden optischen Anordnung ist die optische Anordnung 6, die hier aus einem einfachen Kameraobjektiv einer RGB-Kamera besteht, hier ebenso wie die als Nachweiselement 8 dienende einzelne Zeile der RGB-Kamera in der Fokuslinienebene 5 angeordnet. 6 und 8 sind im Kameragehäuse 13 ausgebildet. Die Blickrichtung der Kamera 6, 8 geht in der Ebene 5 in -z-Richtung, also von oben auf die einzelnen Fokuslinien l. Entsprechend der Brennweite der als Kameraobjektiv ausgebildeten optischen Anordnung 6 wird somit das Feld der einzelnen Fokuslinien l1, l2, ... zumindest abschnittsweise scharf auf eine einzelne, in der Ebene 5 und parallel zur y-Richtung liegende RGB-Zeile 8 als Nachweiselement abgebildet.Instead of a symmetrical positioning of the imaging optical arrangement is the optical arrangement 6 , which here consists of a simple camera lens of an RGB camera, here as well as the proof element 8th Serving single line of RGB camera in the focus line plane 5 arranged. 6 and 8th are in the camera body 13 educated. The direction of the camera 6 . 8th goes in the plane 5 in -z-direction, ie from above on the individual focus lines l. Corresponding to the focal length of the camera arrangement designed as optical arrangement 6 Thus, the field of the individual focus lines l 1 , l 2 , ... at least partially sharp on a single, in the plane 5 and RGB line parallel to the y direction 8th shown as a detection element.

Die gezeigte Variante hat den Vorteil eines einfacheren Aufbaus als die in 5 gezeigte Variante der Erfindung, da sie die Fokuslinienebene bzw. die nun farbig erscheinende Oberfläche der Probe P lediglich mit einer handelsüblichen Zeilenkamera betrachtet. (Außerhalb der Schnittlinie zwischen Probenoberfläche P und Ebene 5 liegende Bereiche werden durch die abbildende optische Anordnung 6 auf andere, nicht zur Auswertung herangezogene, nicht in der Ebene 5 liegende einzelne Zeilen der Zeilenkamera abgebildet.) Voraussetzung für den gezeigten Aufbau ist, dass der Tiefenschärfebereich der verwendeten Kamera samt Objektiv ausreicht, um den gesamten erwünschten Messbereich, also einen ausreichenden Abschnitt der Ebene 5 in z-Richtung gesehen, scharf abzubilden. Entsprechende Einschränkungen sind beim in 5 gezeigten Aufbau nicht gegeben: Die Tiefenschärfe-Problematik tritt bei dem in 5 gezeigten konfokalen System nicht auf, da nur fokussierte Strahlengänge betrachtet werden. Zudem hat die in 5 gezeigte Variante den Vorteil, dass sie bei beliebigen, insbesondere also auch bei spiegelnden Oberflächen der Probe P zuverlässig funktioniert (wohingegen bei der in 6 gezeigten Variante eine diffuse Lichtabstrahlung in z-Richtung notwendig ist, was in der Regel bei spiegelnd reflektierten Flächen P nicht möglich ist).The variant shown has the advantage of a simpler structure than that in 5 shown variant of the invention, since it considers the focal line plane or the now colored appearing surface of the sample P only with a commercially available line scan camera. (Outside the section line between sample surface P and plane 5 lying areas are defined by the imaging optical arrangement 6 to others, not used for evaluation, not in the level 5 It is a prerequisite for the structure shown here that the depth of field of the camera used, including the objective, is sufficient for the entire desired measuring range, ie a sufficient section of the plane 5 seen in the z-direction, sharp. Corresponding restrictions are in the 5 not shown: The depth of field problem occurs in the 5 confocal system not shown, since only focused beam paths are considered. In addition, the in 5 shown variant has the advantage that it works reliably in any, especially therefore also in reflective surfaces of the sample P (whereas in the in 6 variant shown diffuse light emission in the z-direction is necessary, which is usually not possible in specularly reflected surfaces P).

7 zeigt eine Anordnung, die grundsätzlich mit der in 3 gezeigten Anordnung identisch ist, so dass nachfolgend lediglich die Unterschiede beschrieben werden. 7 shows an arrangement which basically with the in 3 The arrangement shown is identical, so that only the differences will be described below.

7 zeigt eine weitere konkrete Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die dispersive und fokussierende optische Anordnung 4 mehrere einzelne optische Elemente aufweist (die Dispersions- und die Fokussierfunktion also getrennt sind). Entsprechendes gilt dann für die symmetrisch zur Fokuslinienebene 5 ausgebildete, optische Anordnung 6. 7 shows a further concrete embodiment of the present invention, in which the dispersive and focusing optical arrangement 4 has several individual optical elements (the dispersion and the focusing function are thus separated). The same applies to the symmetrical to the focal plane 5 trained, optical arrangement 6 ,

Im Strahlengang 2 der Lichtquelle 1 nach der Spaltblende 3a der Einfallsseite weist die dispersive und fokussierende Anordnung 4 zunächst eine erste Sammellinse 12a' auf, durch die das polychromatische Licht 1 nach der Spaltblende 3a nach Unendlich abgebildet wird. Dieses parallele Licht trifft im Strahlengang 2 nach der Sammellinse 12a' auf ein dispersives optisches Element 11a, das hier als Transmissionsgitter ausgebildet ist und dass das Licht in seine spektralen Anteile zerlegt (gezeigt an den Wellenlängen λ1 bis λ3, die den in der 3 gezeigten Wellenlängen entsprechen). Alternativ zu dem Transmissionsgitter kann jedoch auch ein Prisma eingesetzt werden, insbesondere ein Geradsichtprisma (auch Dispersionsprisma genannt).In the beam path 2 the light source 1 after the slit diaphragm 3a the incidence side has the dispersive and focusing arrangement 4 first a first condenser lens 12a ' on, through which the polychromatic light 1 after the slit diaphragm 3a mapped to infinity. This parallel light hits in the beam path 2 after the condenser lens 12a ' on a dispersive optical element 11a , which is designed here as a transmission grating and that the light is decomposed into its spectral components (shown at the wavelengths λ 1 to λ 3 , corresponding to those in the 3 shown wavelengths correspond). As an alternative to the transmission grating, however, it is also possible to use a prism, in particular a straight-viewing prism (also called a dispersion prism).

Jede Wellenlänge λ1 bis λ3 verlässt das Transmissionsgitter 11a somit unter einem anderen Winkel und trifft auf eine zweite Sammellinse 12a'' der Anordnung 4. Diese zweite Sammellinse 12a'' der Anordnung 4 fokussiert das Licht der unterschiedlichen Wellenlängen λ (welches jeweils für die einzelnen Wellenlängen λ1 bis λ3 parallel ist, jedoch jeweils unter einem anderen Winkel auf die Sammellinse 12a'' auftrifft) auf eine virtuelle Ebene E1a. Auf dieser Ebene E1a entsteht für jede Wellenlänge ein scharfes Zwischenbild des Spaltes 3a. Diese Ebene E1a wird als Schärfeebene einer Scheimpfluganordnung verwendet. Die Fokuslinienebene 5 bildet die Bildebene dieser dem Fachmann bekannten Scheimpfluganordnung und in der Objektivhauptebene der Scheimpfluganordnung ist eine weitere, dritte Sammellinse 12a''' der Anordnung 4 positioniert (diese Ebene ist durch das Bezugszeichen E2a gekennzeichnet). Mit anderen Worten bilden die Ebenen E1a, E2a und 5, die sich in der gemeinsamen Schnittgeraden PS schneiden (in der also die Scheimpflugbedingung erfüllt ist) die drei Ebenen, für die die Scheimpflugbedingung erfüllt ist. Mit der Scheimpflugbedingung werden somit die scharfen Zwischenbilder des Spaltes (also die Fokuslinien des Spaltes) auf der Ebene E1a auf die Fokuslinienebene 5 abgebildet. Dazu wird die Scheimpflugbedingung in der Geraden PS erfüllt, d. h. die Zwischenbildebene E1a wird optisch scharf durch die Sammellinse 12a''' in der Ebene E2a auf die Fokuslinienebene 5 abgebildet. Bei dieser dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung bilden somit die drei Linsen 12a' bis 12a''' ein fokussierendes System 12a, das getrennt von dem Transmissionsgitter 11a als dispersives Element der Anordnung 4 ausgebildet ist.Each wavelength λ 1 to λ 3 leaves the transmission grating 11a thus at a different angle and meets a second converging lens 12a '' the arrangement 4 , This second condenser lens 12a '' the arrangement 4 focuses the light of the different wavelengths λ (which is parallel for the individual wavelengths λ 1 to λ 3 , but each at a different angle to the convergent lens 12a '' impinges) on a virtual plane E1a. At this level E1a, a sharp intermediate image of the gap is created for each wavelength 3a , This plane E1a is used as the focal plane of a Scheimpflug arrangement. The focus line level 5 forms the image plane of this Scheimpfluganordnung known in the art and in the objective main plane of the Scheimpflug arrangement is another, third convergent lens 12a ''' the arrangement 4 positioned (this level is indicated by reference E2a). In other words, the planes E1a, E2a and 5 which intersect in the common intersection line P S (in which the Scheimpflug condition is fulfilled), the three planes for which the Scheimpflug condition is fulfilled. With the Scheimpflug condition, the sharp intermediate images of the gap (ie the focal lines of the gap) on the plane E1a thus become the focus line plane 5 displayed. For this purpose, the Scheimpflug condition in the line P S is satisfied, ie the intermediate image plane E1a is optically sharp by the convergent lens 12a ''' in the plane E2a on the focal plane 5 displayed. In this dispersive and focusing optical arrangement thus form the three lenses 12a ' to 12a ''' a focusing system 12a separated from the transmission grating 11a as a dispersive element of the arrangement 4 is trained.

Bezogen auf die Fokuslinienebene 5 spiegelsymmetrisch zur dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung 4, jedoch in dem dem Halbraum 5a dieser Anordnung gegenüberliegendem Halbraum der Ebene 5 ist auch der fokussierende Teil der abbildenden optischen Anordnung 6 in Scheimpfluganordnung ausgebildet: Die entlang der z-Richtung in der Fokuslinienebene 5 getrennten Fokuslinien l1, l2, ... werden über die spiegelsymmetrisch zur Linse 12a''' in der Objektivhauptebene E2b angeordnete Sammellinse 12b''' scharf auf die Zwischenbildebene E1b abgebildet, die die Bildebene der Scheimpfluganordnung der abbildenden optischen Anordnung 6 ausbildet (die Schärfeebene der Scheimpfluganordnung auf der Seite der abbildenden optischen Anordnung 6 ist die Fokuslinienebene 5). Die Fokuslinienebene 5, die Ebene E2b und die Ebene E1b schneiden sich somit ebenfalls in der die Schnittgeraden dieser Scheimpfluganordnung bildenden Geraden PS. Die Zwischenbilder der Ebene E1b werden dann über die Sammellinse 12b'', die bezogen auf die Ebene 5 spiegelsymmetrisch zur Linse 12a'' angeordnet ist, auf das optische Transmissionsgitter 11b der Anordnung 6 (die bezogen auf die Ebene 5 spiegelsymmetrisch zum Transmissionsgitter 11a angeordnet ist) abgebildet, durch das Transmissionsgitter 11b zu einem gemeinsamen parallelen Strahlengang vereinigt und durch die (bezogen auf die Ebene 5) spiegelsymmetrisch zur Linse 12a' angeordnete weitere Sammellinse 12b' der Anordnung 6 auf die im abbildungsseitigen Spalt 3b, der bezogen auf die Ebene 5 spiegelsymmetrisch zum Spalt 3a angeordnet ist, liegende Abtastlinie 7 fokussiert.Relative to the focus line plane 5 mirror-symmetric to the dispersive and focusing optical arrangement 4 but in the half-space 5a this arrangement opposite half-space of the plane 5 is also the focussing part of the imaging optical arrangement 6 formed in Scheimpflug arrangement: The along the z-direction in the focal plane 5 separate focus lines l 1 , l 2 , ... are mirror-symmetrical about the lens 12a ''' in the objective main plane E2b arranged converging lens 12b ''' sharply imaged onto the intermediate image plane E1b, which is the image plane of the Scheimpflug arrangement of the imaging optical arrangement 6 forms (the focal plane of the Scheimpflug arrangement on the side of the imaging optical arrangement 6 is the focus line level 5 ). The focus line level 5 The plane E2b and the plane E1b thus also intersect in the straight line P S forming the lines of intersection of this Scheimpflug arrangement. The intermediate images of the plane E1b are then transmitted via the condenser lens 12b ' that are related to the level 5 mirror-symmetrical to the lens 12a '' is arranged on the optical transmission grating 11b the arrangement 6 (related to the level 5 mirror-symmetric to the transmission grating 11a is arranged) through the transmission grating 11b united to a common parallel beam path and by (relative to the plane 5 ) mirror-symmetrical to the lens 12a ' arranged further collecting lens 12b ' the arrangement 6 on the in the image-side gap 3b that is related to the level 5 mirror-symmetric to the gap 3a is arranged, lying scan line 7 focused.

Somit übernimmt der symmetrische, optische Aufbau 6 die abbildende Funktion auf das Nachweiselement 8. Die Funktionen „fokussieren” und „Dispersion” müssen also nicht zwingend von ein und demselben optischen Element gelöst werden (auf der Abbildungsseite bildet das Element 11b das dispersive Element der Anordnung 6 und die drei Linsen 12b' bis 12b''' bilden das fokussierende System 12b).Thus takes over the symmetrical, optical structure 6 the imaging function on the detection element 8th , The functions "focus" and "dispersion" therefore do not necessarily have to be solved by one and the same optical element (the element forms on the image side) 11b the dispersive element of the arrangement 6 and the three lenses 12b ' to 12b ''' make up the focusing system 12b ).

8 zeigt nicht die vorliegende Erfindung, sondern eine alternative Vorgehensweise: Ist die Oberflächenfarbe der Probe P bekannt oder wird diese separat gemessen, so muss die Beleuchtung durch die Quelle 1 nicht zwingend monochromatisch entmischt werden. Es können drei Leuchtquellen in z. B. Blau, Rot und Grün (Leuchtquellen λ1–LQ, ...) über eine Linse in Scheimpflug-Anordnung (verkippte Linse 4') abgebildet werden. Es kann somit ein Regenbogenmuster projiziert werden, in dem beispielsweise ein RGB-Projektor benutzt wird. Die Farben werden seitlich unter einem Winkel projiziert, so dass die Farbe eine spezielle Höhe codiert. Alternativ dazu kann kein RGB-Projektor verwendet werden, sondern ein Prisma, in Kombination mit Weißlicht. Die eigentliche Beleuchtungsebene ist dabei definiert unscharf, so dass sich die einzelnen Wellenlängen in der Ebene 5', die durch die abbildende optische Anordnung 6' mit dem Nachweiselement 8' in dieser Ebene 5' sitzend betrachtet wird, vermischen. Diese Vermischung hat zur Folge, dass ein Regenbogenmuster entsteht. Somit kann wieder ein Zusammenhang gefunden werden zwischen Höhe in z-Richtung und gemessener Farbe. Der Nachteil wenn kein monochromatisches Licht bzw. keine monochromatische Entmischung verwendet wird ist, dass die Oberflächenfarbe der Probe P das Ergebnis verfälscht. Somit muss die Oberflächenfarbe extra gemessen werden oder es dürfen nur einfarbige Oberflächen vermessen werden. 8th does not show the present invention, but an alternative approach: If the surface color of the sample P is known, or if it is measured separately, the illumination must be through the source 1 not necessarily monochromatically segregated. There may be three light sources in z. B. Blue, red and green (light sources λ 1 -LQ, ...) via a lens in Scheimpflug arrangement (tilted lens 4 ' ). Thus, a rainbow pattern can be projected using, for example, an RGB projector. The colors are laterally projected at an angle so that the color encodes a specific height. Alternatively, no RGB projector can be used, but a prism, in combination with white light. The actual illumination plane is defined as out of focus, so that the individual wavelengths in the plane 5 ' caused by the imaging optical arrangement 6 ' with the detection element 8th' in this level 5 ' sitting, mix. This mixing results in a rainbow pattern. Thus, a correlation can again be found between the height in the z direction and the measured color. The disadvantage when no monochromatic light or monochromatic separation is used is that the surface color of the sample P falsifies the result. Thus, the surface color must be measured extra or only monochrome surfaces may be measured.

Ein weiterer Nachteil der in 8 gezeigten Anordnung ist, dass der Farbeindruck von der Oberflächenneigung abhängig ist, da sich die vermischenden Farben jeweils unter einem Winkel vermischen. So trifft zum Beispiel die Farbe Blau mit einem anderen Winkel ein als die Farbe Rot. Je nach diffuser Abstrahlcharakteristik (über den Winkel) der Oberfläche wird (mal mehr, mal weniger) Rot im Vergleich zu Blau zurückreflektiert und somit ändert sich der gemessene Farbeindruck. Am stärksten wird dieser Effekt sichtbar, wenn eine spiegelnde Oberfläche vermessen werden würde: Angenommen, für das blaue Licht würde gerade die Bedingung Einfallswinkel = Ausfallswinkel gelten, so würde dies für das rote Licht nicht gelten und es würde nur blaues Licht auf den RGB-Sensor treffen. Das in 8 gezeigte Messverfahren versagt somit bei spiegelnden Oberflächen.Another disadvantage of in 8th The arrangement shown is that the color impression of the surface inclination is dependent, since the mixing colors each intermix at an angle. For example, the color blue at a different angle than the color red. Depending on the diffuse radiation (over the angle) of the surface is (sometimes more, sometimes less) red reflected back to blue and thus changes the measured color impression. This effect becomes most visible when a reflective surface is measured: Assuming that the blue light would have just the condition angle of incidence = angle of reflection, this would not apply to the red light and it would only blue light on the RGB sensor to meet. This in 8th Thus, the measurement method shown fails with reflecting surfaces.

Die vorliegende Erfindung (1 bis 5 und 7) kann für beliebige spiegelnde und nicht spiegelnde Objekte zu deren Oberflächenvermessung eingesetzt werden. Lediglich bei zu dunklen Objekten, welche zu wenig Licht reflektieren, kann die Erfindung nicht eingesetzt werden. Durch die zu erwartenden hohen Geschwindigkeiten sind auch Inline-Prozesse von Interesse, die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit insbesondere auch in Form einer Arbeitsstation bei komplexen Prozessabläufen eingesetzt werden. Besonders bei spiegelnden Oberflächen, zum Beispiel lackierten Oberflächen, hat die Erfindung große Vorteile hinsichtlich einer schnellen und flexiblen Vermessung. Eine konkrete Anwendung ist beispielsweise die Leiterbahnen- oder Leiterplatineninspektion.The present invention ( 1 to 5 and 7 ) can be used for any reflecting and non-reflecting objects for their surface measurement. Only with too dark objects, which reflect too little light, the invention can not be used. Due to the high speeds to be expected, inline processes are also of interest, and the device according to the invention can therefore be used in particular in the form of a workstation in complex process sequences. Especially with reflective surfaces, for example painted surfaces, the invention has great advantages in terms of rapid and flexible measurement. A concrete application is, for example, the conductor track or printed circuit board inspection.

Claims (12)

Vorrichtung zum optischen Bestimmen der Oberflächengeometrie einer dreidimensionalen Probe (P) mit einer polychromatischen Lichtquelle (1), einer im Strahlengang (2) der Lichtquelle (1) angeordneten Spaltblende (3a), einer in diesem Strahlengang (2) nach der Spaltblende (3a) angeordneten, dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung (4), die so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass sie das Abbild der Spaltblende (3a) für unterschiedliche Wellenlängen (λ1, ..., λn) im Spektrum der Lichtquelle (1) auf unterschiedliche, auf einer vordefinierten Fläche (Fokuslinienfläche 5) im Raum (x, y, z) voneinander beabstandet liegende Linien (Fokuslinien l1, ..., ln) fokussiert, und einer abbildenden optischen Anordnung (6), die zumindest Abschnitte der Fokuslinienfläche (5) und/oder mehrere, bevorzugt alle der Fokuslinien (l1, ..., ln) auf ein und dieselbe, von einem ortsauflösenden und wellenlängenauflösenden Nachweiselement (8) abtastbare oder abgetastete Linie (Abtastlinie 7) im Raum (x, y, z) fokussiert, wobei die Probe (P) so im Raum (x, y, z) positionierbar ist oder positioniert ist, dass sie die Fokuslinienfläche (5) schneidet, dadurch gekennzeichnet, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung (4) so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass das Abbild der Spaltblende (3a) für mehrere, insbesondere für alle der unterschiedlichen Wellenlängen (λ1, ..., λn) im Spektrum der Lichtquelle (1) von ein und derselben Seite (5a) der Fokuslinienfläche (5) aus auf diese Fokuslinienfläche (5) fokussiert wird.Device for optically determining the surface geometry of a three-dimensional sample (P) with a polychromatic light source ( 1 ), one in the beam path ( 2 ) of the light source ( 1 ) arranged slit ( 3a ), one in this beam path ( 2 ) after the slit diaphragm ( 3a ), dispersive and focusing optical arrangement ( 4 ) which is designed and / or arranged such that it reproduces the image of the slit diaphragm ( 3a ) for different wavelengths (λ 1 , ..., λ n ) in the spectrum of the light source ( 1 ) on different, on a predefined surface (focus line area 5 ) in the space (x, y, z) spaced lines (focus lines l 1 , ..., l n ) focused, and an imaging optical arrangement ( 6 ) containing at least portions of the focal line area ( 5 ) and / or a plurality, preferably all, of the focus lines (l 1 , ..., l n ) to one and the same, from a position-resolving and wavelength-resolving detection element ( 8th ) Scannable or scanned line (scan line 7 ) in the space (x, y, z), wherein the sample (P) is positionable in the space (x, y, z) or is positioned so that it is the focus line area ( 5 ), characterized in that the dispersive and focusing optical arrangement ( 4 ) is formed and / or arranged so that the image of the slit ( 3a ) for several, in particular for all of the different wavelengths (λ 1 , ..., λ n ) in the spectrum of the light source ( 1 ) from one and the same page ( 5a ) of the focus line area ( 5 ) to this focus area ( 5 ) is focused. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung (4) auch so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass für diese mehreren, insbesondere für alle diese unterschiedlichen Wellenlängen (λ1, ..., λn) der Strahlengang (2) nach der jeweiligen Fokuslinie (l1, ..., ln) die Fokuslinienfläche (5) nicht mehr schneidet.Device according to the preceding claim, characterized in that the dispersive and focusing optical arrangement ( 4 ) is also designed and / or arranged such that for these several, in particular for all these different wavelengths (λ 1 , ..., λ n ) of the beam path ( 2 ) after the respective focus line (l 1 , ..., l n ) the focal line area ( 5 ) no longer cuts. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung (4) so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass sie das Abbild der Spaltblende (3a) für die unterschiedlichen Wellenlängen (λ1, ..., λn) im Spektrum der Lichtquelle (1) auf unterschiedliche, auf einer vordefinierten Ebene im Raum (x, y, z) voneinander beabstandet liegende Fokuslinien (l1, ..., ln) fokussiert, dass also die Fokuslinienfläche (5) eine Fokuslinienebene ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the dispersive and focusing optical arrangement ( 4 ) is formed and / or arranged so that it forms the image of the slit ( 3a ) for the different wavelengths (λ 1 , ..., λ n ) in the spectrum of the light source ( 1 ) focused on different, on a predefined plane in the space (x, y, z) spaced focus lines (l 1 , ..., l n ), that is, the focus line surface ( 5 ) is a focus line plane. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung (4) einerseits und die abbildende optische Anordnung (6) andererseits, oder zumindest jeweils einzelne optische Elemente (9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b, 12a, 12b) dieser beiden optischen Anordnungen (4, 6), relativ zur Fokuslinienfläche (5) gesehen symmetrisch angeordnet, ausgerichtet und/oder ausgebildet sind, bevorzugt zu einer Fokuslinienebene spiegelsymmetrisch angeordnet, ausgerichtet und/oder ausgebildet sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the dispersive and focusing optical arrangement ( 4 ) on the one hand and the imaging optical arrangement ( 6 ) on the other hand, or at least in each case individual optical elements ( 9a . 9b . 10a . 10b . 11a . 11b . 12a . 12b ) of these two optical arrangements ( 4 . 6 ), relative to the focus line area ( 5 ) are symmetrically arranged, aligned and / or formed, preferably arranged mirror-symmetrically to a focus line plane, aligned and / or formed. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die abbildende optische Anordnung (6) eine in Bezug auf die Spaltblende (3a) gesehen symmetrisch zur Fokuslinienfläche (5), bevorzugt spiegelsymmetrisch zu einer Fokuslinienebene, angeordnete weitere Spaltblende (3b) umfasst.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the imaging optical arrangement ( 6 ) one in relation to the Slit diaphragm ( 3a ) seen symmetrically to the focus line surface ( 5 ), preferably mirror-symmetrical to a focal line plane, arranged further slit diaphragm ( 3b ). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung (4) ein gleichzeitig als dispersives und als fokussierendes Element wirkendes reflektierendes, konkaves Gitter (10a) aufweist und/oder dass die abbildende optische Anordnung (6) ein gleichzeitig als dispersives und als fokussierendes Element wirkendes reflektierendes, konkaves Gitter (10b) aufweist, wobei im bevorzugten Fall des Vorhandenseins beider Gitter (10a, 10b) diese bevorzugt symmetrisch zur Fokuslinienfläche (5), bevorzugt spiegelsymmetrisch zu einer Fokuslinienebene, angeordnet und ausgerichtet sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the dispersive and focusing optical arrangement ( 4 ) a reflecting, concave grid (FIG. 10a ) and / or that the imaging optical arrangement ( 6 ) a reflecting, concave grid (FIG. 10b ), in the preferred case of the presence of both gratings ( 10a . 10b ) these preferably symmetrical to the focus line surface ( 5 ), preferably mirror-symmetrical to a focal line plane, are arranged and aligned. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die bevorzugt ein Objektiv umfassende oder als ein solches Objektiv ausgebildete abbildende optische Anordnung (6) die Abschnitte der Fokuslinienfläche (5)/die Fokuslinienfläche (5) und/oder die mehreren/alle Fokuslinien (l1, ..., ln) auf eine auf der Fokuslinienfläche (5), bevorzugt auf einer Fokuslinienebene, liegende Abtastlinie (7) fokussiert, wobei am Ort der Abtastlinie (7) bevorzugt ein Zeilensensor oder eine Zeile eines Flächensensors als Nachweiselement (8) positioniert ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the preferably a lens comprehensive or designed as such a lens imaging optical arrangement ( 6 ) the sections of the focal line area ( 5 ) / the focus line area ( 5 ) and / or the multiple / all focus lines (l 1 , ..., l n ) to one on the focus line surface ( 5 ), preferably on a focal line plane, lying scan line ( 7 ), where at the location of the scan line ( 7 ) preferably a line sensor or a line of a surface sensor as a detection element ( 8th ) is positioned. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung (4) ein dispersives Element (11a), bevorzugt ein Transmissionsgitter oder ein Prisma, bevorzugt ein Geradsichtprisma, und im Strahlengang (2) hinter dem dispersiven Element (11a) ein mindestens eine Sammellinse (12a', 12a'', 12a''') umfassendes fokussierendes System (12a), insbesondere ein Linsensystem in Scheimpfluganordnung, aufweist und/oder dass die abbildende optische Anordnung (6) ein dispersives Element (11b), bevorzugt ein Transmissionsgitter oder ein Prisma, bevorzugt ein Geradsichtprisma, und im Strahlengang (2) hinter dem dispersiven Element (11b) ein mindestens eine Sammellinse (12b', 12b'', 12b''') umfassendes fokussierendes System (12b), insbesondere ein Linsensystem in Scheimpfluganordnung, aufweist, wobei die beiden optischen Anordnungen (4, 6) bevorzugt gemäß Anspruch 4 ausgebildet sind.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the dispersive and focusing optical arrangement ( 4 ) a dispersive element ( 11a ), preferably a transmission grating or a prism, preferably a straight-viewing prism, and in the beam path ( 2 ) behind the dispersive element ( 11a ) at least one converging lens ( 12a ' . 12a '' . 12a ''' ) comprehensive focusing system ( 12a ), in particular a lens system in Scheimpflug arrangement, and / or that the imaging optical arrangement ( 6 ) a dispersive element ( 11b ), preferably a transmission grating or a prism, preferably a straight-viewing prism, and in the beam path ( 2 ) behind the dispersive element ( 11b ) at least one converging lens ( 12b ' . 12b ' . 12b ''' ) comprehensive focusing system ( 12b ), in particular a lens system in Scheimpflug arrangement, wherein the two optical arrangements ( 4 . 6 ) are preferably formed according to claim 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung (4) als Linsensystem mit wellenlängenabhängigem Brechungsindex ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the dispersive and focusing optical arrangement ( 4 ) is formed as a lens system with wavelength-dependent refractive index. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das orts- und wellenlängenauflösende Nachweiselement (8) • einen Zeilensensor aufweist, der am Ort der Abtastlinie (7) positioniert ist oder der im Strahlengang (2) gesehen unmittelbar hinter einer an diesem Ort positionierten weiteren Spaltblende (3b) der abbildenden optischen Anordnung (6) angeordnet ist, • einen Flächensensor aufweist, wobei eine Sensorzeile dieses Flächensensors am Ort der Abtastlinie (7) positioniert ist oder im Strahlengang (2) gesehen unmittelbar hinter einer an diesem Ort positionierten weiteren Spaltblende (3b) der abbildenden optischen Anordnung (6) angeordnet ist, oder • ein bevorzugt im Strahlengang (2) gesehen hinter einer am Ort der Abtastlinie (7) positionierten weiteren Spaltblende (3b) angeordnetes Spektrometer aufweist, mit dem die Abtastlinie (7) ortsaufgelöst abtastbar ist, und/oder dass das orts- und wellenlängenauflösende Nachweiselement (8) einen Zeilensensor in Form eines eindimensionalen Zeilenarrays oder einen Flächensensor in Form eines zweidimensionalen Flächenarrays aus die unterschiedlichen Wellenlängen (λ1, ..., λn) unterscheidenden Pixeln, insbesondere RGB-Kamerapixeln, umfasst.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the location- and wavelength-resolution detection element ( 8th ) Has a line sensor at the location of the scan line ( 7 ) or in the beam path ( 2 ) seen immediately behind a further slit diaphragm positioned at this location ( 3b ) of the imaging optical arrangement ( 6 ), an area sensor having a sensor line of this area sensor at the location of the scanning line ( 7 ) or in the beam path ( 2 ) seen immediately behind a further slit diaphragm positioned at this location ( 3b ) of the imaging optical arrangement ( 6 ), or • a preferred in the beam path ( 2 ) seen behind one at the location of the scan line ( 7 ) further slit diaphragm ( 3b ) arranged spectrometer, with which the scan line ( 7 ) is spatially resolved scannable, and / or that the location and wavelength resolution detection element ( 8th ) comprises a line sensor in the form of a one-dimensional line array or an area sensor in the form of a two-dimensional area array of pixels differing from the different wavelengths (λ 1 , ..., λ n ), in particular RGB camera pixels. Anordnung umfassend eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Antriebseinheit zum Realisieren einer Relativbewegung zwischen der Probe (P) einerseits und der Vorrichtung, insbesondere ihrer Fokuslinienfläche (5), andererseits.Arrangement comprising a device according to one of the preceding claims and a drive unit for realizing a relative movement between the sample (P) on the one hand and the device, in particular its focal line surface ( 5 ), on the other hand. Verfahren zum optischen Bestimmen der Oberflächengeometrie einer dreidimensionalen Probe (P), das bevorzugt mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird, wobei im Strahlengang (2) einer polychromatischen Lichtquelle (1) eine Spaltblende (3a) angeordnet wird, wobei im Strahlengang (2) nach der Spaltblende (3a) eine dispersive und fokussierende optischen Anordnung (4) positioniert wird, die so ausgebildet und/oder angeordnet wird, dass sie das Abbild der Spaltblende (3a) für unterschiedliche Wellenlängen (λ1, ..., λn) im Spektrum der Lichtquelle (1) auf unterschiedliche, auf einer vordefinierten Fläche (Fokuslinienfläche 5) im Raum (x, y, z) voneinander beabstandet liegende Linien (Fokuslinien ll, ..., ln) fokussiert, wobei im Strahlengang (2) nach der dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung (4) eine abbildende optische Anordnung (6) so positioniert wird, dass diese zumindest Abschnitte der Fokuslinienfläche (5) und/oder mehrere, bevorzugt alle der Fokuslinien (l1, ..., ln) auf ein und dieselbe, von einem ortsauflösenden und wellenlängenauflösenden Nachweiselement (8) abgetastete oder abzutastende Linie (Abtastlinie 7) im Raum (x, y, z) fokussiert, und wobei die Probe (P) so im Raum (x, y, z) positioniert wird, dass zumindest ein Abschnitt der Probenoberfläche die Fokuslinienfläche (5) schneidet, dadurch gekennzeichnet, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung (4) so ausgebildet und/oder angeordnet wird, dass das Abbild der Spaltblende (3a) für mehrere, insbesondere für alle der unterschiedlichen Wellenlängen (λ1, ..., λn) im Spektrum der Lichtquelle (1) von ein und derselben Seite (5a) der Fokuslinienfläche (5) aus auf diese Fokuslinienfläche (5) fokussiert wird.Method for optically determining the surface geometry of a three-dimensional sample (P), which is preferably carried out with a device according to one of the preceding claims, wherein in the beam path ( 2 ) of a polychromatic light source ( 1 ) a slit diaphragm ( 3a ) is arranged, wherein in the beam path ( 2 ) after the slit diaphragm ( 3a ) a dispersive and focusing optical arrangement ( 4 ) is positioned, which is formed and / or arranged so that it forms the image of the slit ( 3a ) for different wavelengths (λ 1 , ..., λ n ) in the spectrum of the light source ( 1 ) on different, on a predefined surface (focus line area 5 ) in the space (x, y, z) spaced lines (focus lines l l , ..., l n ) focused, wherein in the beam path ( 2 ) after the dispersive and focusing optical arrangement ( 4 ) an imaging optical arrangement ( 6 ) is positioned so that at least portions of the Focus area ( 5 ) and / or a plurality, preferably all, of the focus lines (l 1 , ..., l n ) to one and the same, from a position-resolving and wavelength-resolving detection element ( 8th ) sampled or scanned line (scan line 7 ) in the space (x, y, z), and wherein the sample (P) is positioned in the space (x, y, z) such that at least a portion of the sample surface is the focal line area ( 5 ), characterized in that the dispersive and focusing optical arrangement ( 4 ) is formed and / or arranged so that the image of the slit ( 3a ) for several, in particular for all of the different wavelengths (λ 1 , ..., λ n ) in the spectrum of the light source ( 1 ) from one and the same page ( 5a ) of the focus line area ( 5 ) to this focus area ( 5 ) is focused.
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