DE102018201211A1 - Chromatic confocal multi-spot sensor for determining coordinates of a DUT - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Objektiv (112) für einen chromatisch konfokalen Multispotsensor (110) vorgeschlagen. Das Objektiv (112) weist mindestens eine erste Linsengruppe (114) und mindestens eine zweite Linsengruppe (116) auf. Die erste Linsengruppe (114) ist in Ausbreitungsrichtung (118) mindestens eines ersten Beleuchtungslichtstrahls (120) und mindestens eines zweiten Beleuchtungslichtstrahls (122) vor einer Pupille (124) und die zweite Linsengruppe (116) hinter der Pupille (124) angeordnet. Das Objektiv (112) weist in Ausbreitungsrichtung (118) des ersten Beleuchtungslichtstrahls (120) und des zweiten Beleuchtungslichtstrahls (122) hinter der zweiten Linsengruppe (116) mindestens eine Umlenkvorrichtung (126) auf, welche eingerichtet ist, die Ausbreitungsrichtung (118) der Beleuchtungslichtstrahlen (120, 122) zu ändern. Die erste Linsengruppe (114) und die zweite Linsengruppe (116) weisen chromatisch aberrative Eigenschaften auf. Die erste Linsengruppe (114) und die zweite Linsengruppe (116) sind eingerichtet, Anteile des ersten Beleuchtungslichtstrahls (120) in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei ersten Messpunkten (128) entlang einer optischen Achse (130) des Objektivs (112) zu fokussieren und Anteile des zweiten Beleuchtungslichtstrahls (122) in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei zweiten Messpunkten (132) entlang der optischen Achse (130) des Objektivs (112) zu fokussieren. Die erste Linsengruppe (114) ist eingerichtet, einen ersten Farblängsfehler zu erzeugen. Die zweite Linsengruppe (116) ist eingerichtet, einen zweiten Farblängsfehler zu erzeugen, wobei sich der erste Farblängsfehler und der zweite Farblängsfehler erheblich unterscheiden. Die erste Linsengruppe (114) und die zweite Linsengruppe (116) sind eingerichtet, einen Farbquerfehler zu erzeugen derart, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte (128) und die mindestens zwei zweiten Messpunkte (132) in jeder Messtiefe auf im Wesentlichen parallel zur optischen Achse (130) verlaufenden Geraden (140) angeordnet sind.A lens (112) for a chromatic confocal multi-spot sensor (110) is proposed. The objective (112) has at least one first lens group (114) and at least one second lens group (116). The first lens group (114) is arranged in the propagation direction (118) of at least one first illumination light beam (120) and at least one second illumination light beam (122) in front of a pupil (124) and the second lens group (116) behind the pupil (124). In the propagation direction (118) of the first illumination light beam (120) and the second illumination light beam (122) behind the second lens group (116), the objective (112) has at least one deflection device (126) which is set up, the propagation direction (118) of the illumination light beams (120, 122). The first lens group (114) and the second lens group (116) have chromatic aberrative properties. The first lens group (114) and the second lens group (116) are arranged to focus portions of the first illumination light beam (120) as a function of the wavelength at at least two first measurement points (128) along an optical axis (130) of the objective (112) and to focus portions of the second illumination light beam (122) as a function of wavelength at at least two second measurement points (132) along the optical axis (130) of the objective (112). The first lens group (114) is arranged to generate a first longitudinal color aberration. The second lens group (116) is arranged to produce a second longitudinal color aberration, wherein the first longitudinal chromatic aberration and the second longitudinal chromatic aberration differ considerably. The first lens group (114) and the second lens group (116) are arranged to generate a lateral chromatic aberration such that the at least two first measurement points (128) and the at least two second measurement points (132) at each measurement depth are substantially parallel to the optical axis (130) extending straight lines (140) are arranged.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft ein Objektiv für einen chromatisch konfokalen Multispotsensor, einen chromatisch konfokalen Multispotsensor und ein Verfahren zur Bestimmung von Koordinaten mindestens zweier verschiedener Bestimmungsorte mindestens eines Messobjekts. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik unter Verwendung eines berührungslosen Koordinatenmessgeräts.The invention relates to a lens for a chromatic confocal multi-spot sensor, a chromatically confocal multi-spot sensor and a method for determining coordinates of at least two different destinations of at least one measurement object. In particular, the present invention relates to the field of coordinate metrology using a non-contact coordinate measuring machine.
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung von Koordinaten mindestens zweier verschiedener Bestimmungsorte eines Messobjekts, insbesondere eines ausgedehnten Messobjekts bekannt. Beispielsweise sind Verfahren für Topografievermessungen, wie zum Beispiel Triangulationsverfahren, Deflektometrie oder Streifenprojektionen bekannt. Diese Verfahren können für vollflächige Messungen über größere Bereiche bis in den Quadratmeterbereich verwendet werden. Jedoch können mit derartigen Verfahren keine für die Koordinatenmesstechnik benötigten Genauigkeiten, beispielsweise bis in den Nanometerbereich, erreicht werden.Various devices and methods for determining coordinates of at least two different destinations of a measurement object, in particular an extended measurement object, are known from the prior art. For example, methods for topography surveying, such as triangulation methods, deflectometry or fringe projections, are known. These methods can be used for full-surface measurements over larger areas down to the square meter area. However, with such methods, no accuracies required for the coordinate metrology, for example up to the nanometer range, can be achieved.
Weiter bekannt sind konfokale und konfokal chromatische Abstandssensoren, so genannte konfokal chromatische Punkt-Sensoren. Bei derartigen Sensoren erfolgt eine Tiefenbestimmung durch eine Auswertung einer Intensitätsverteilung entlang einer Abstandskoordinate z, auch Höhenkoordinate genannt. Konfokal chromatische Sensoren ermöglichen eine Messung der Abstandskoordinate z mit einem einzigen Bild. Grundsätzlich werden bei derartigen Sensoren Messobjektive mit chromatischer Aberration verwendet, welche Anteile eines Lichtstrahls mit verschiedenen Wellenlängen in verschiedenen Fokusebenen entlang einer optischen Achse des Sensors fokussieren. Jeder Wellenlänge des Lichtstrahls kann so eine Abstandskoordinate zugeordnet werden. Wenn sich ein Fokus einer Wellenlänge auf einer Oberfläche des Messobjekts befindet, kann für diese Wellenlänge auf einem Sensorelement des konfokal chromatischen Sensors ein Intensitätsmaximum gemessen werden und so die Tiefe bestimmt werden.Also known are confocal and confocal chromatic distance sensors, so-called confocal chromatic point sensors. In such sensors, a depth determination is carried out by an evaluation of an intensity distribution along a distance coordinate z, also called height coordinate. Confocal chromatic sensors allow a measurement of the distance coordinate z with a single image. Basically, chromatic aberration sensing lenses are used in such sensors which focus portions of a light beam having different wavelengths in different focal planes along an optical axis of the sensor. Each wavelength of the light beam can be assigned to a distance coordinate. If a focus of a wavelength is located on a surface of the measurement object, an intensity maximum can be measured for a sensor element of the confocal chromatic sensor for this wavelength and thus the depth can be determined.
Weiter bekannt sind konfokal chromatische Multispotsensoren, welche eine parallelisierte Tiefenmessung an vielen verschiedenen Messpunkten gleichzeitig ermöglichen. Beispielsweise wird, wie in
Bei einem objektseitig telezentrisch konfokal-chromatischen Multispotsensor ist jedoch durch einen Arbeitsabstand, die Größe eines Messfeldes in radialer Richtung und in z, und die numerische Apertur der Durchmesser einer feldnächsten Optik bereits festgelegt. Beispielsweise ergibt sich bei Verwendung eines Umlenkprismas mit NA = 0.1, Arbeitsabstand 5 mm und Messbereich 10x10x10 mm eine Kantenlänge eines ersten Prismas von etwa 16 mm. Bei Aufgabe der objektseitigen Telezentrie kann die Kantenlänge des Prismas bei ansonsten unveränderten Eigenschaften reduziert werden, ohne dass ein Design des konfokal-chromatischen Multispotsensors wesentlich verändert wird. Nachteilig ist allerdings, dass sich die Größe des Messfeldes mit der Tiefe ändert. Ohne weitere Maßnahmen fallen Hauptstrahlen im Wesentlichen zusammen, so dass bei geringerem Abstand auch das Feld entsprechend kleiner ist, bzw. für den größten Abstand das Messfeld entsprechend vergrößert werden muss, was die Rasterdichte reduziert.In the case of an object-side telecentric confocal-chromatic multi-spot sensor, however, the diameter of a field-closest optic is already determined by a working distance, the size of a measuring field in the radial direction and in z, and the numerical aperture. For example, when using a deflection prism with NA = 0.1, working distance 5 mm and measuring range 10x10x10 mm results in an edge length of a first prism of about 16 mm. When object-side telecentricity is eliminated, the edge length of the prism can be reduced with otherwise unchanged properties, without significantly changing a design of the confocal-chromatic multispotsensor. The disadvantage, however, is that the size of the measuring field changes with the depth. Without further measures, principal rays essentially coincide, so that at a smaller distance the field is correspondingly smaller, or for the greatest distance the measuring field has to be correspondingly increased, which reduces the grid density.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Objektiv für einen chromatisch konfokalen Multispotsensor, einen chromatisch konfokalen Multispotsensor und ein Verfahren bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine Reduzierung einer Baugröße von chromatisch konfokalen Multispotsensoren ermöglicht werden.It is therefore an object of the present invention to provide an objective for a chromatically confocal multi-spot sensor, a chromatically confocal multi-spot sensor and a method which at least largely avoid the disadvantages of known devices and methods. In particular, a reduction in the size of chromatically confocal multispotsensoren should be made possible.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.This object is achieved by a device and a method having the features of the independent claims. Preferred embodiments, which can be implemented individually or in combination, are shown in the dependent claims.
Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben dem durch diese Begriffe eingeführten Merkmal, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente. Hereinafter, the terms "having", "having", "including" or "including" or any grammatical variations thereof are used in a non-exclusive manner. Accordingly, these terms may refer to situations in which, in addition to the feature introduced by these terms, there are no other features, or to situations in which one or more other features are present. For example, the expression "A has B", "A has B", "A includes B" or "A includes B" can both refer to the situation in which, apart from B, there is no further element in A. (ie a situation in which A consists exclusively of B), as well as the situation in which, in addition to B, one or more further elements in A are present, for example element C, elements C and D or even further elements ,
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe oder ähnliche Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.It is further to be understood that the terms "at least one" and "one or more" and grammatical variations of these terms or similar terms, when used in conjunction with one or more elements or features, are intended to express that element or feature in a simple manner or may be provided more than once, as a rule be used only once, for example, at the first introduction of the feature or element. In a subsequent re-mention of the feature or element, the corresponding term "at least one" or "one or more" is generally no longer used, without limiting the possibility that the feature or element may be single or multiple.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.Furthermore, the terms "preferably", "in particular", "for example" or similar terms are used below in connection with optional features, without restricting alternative embodiments thereof. Thus, features introduced by these terms are optional features, and it is not intended by these features to limit the scope of the claims and, in particular, the independent claims. Thus, as those skilled in the art will recognize, the invention may be practiced using other embodiments. Similarly, features introduced by "in one embodiment of the invention" or by "in one embodiment of the invention" are to be understood as optional features without, however, being construed as limiting alternative embodiments or the scope of the independent claims. Furthermore, these introductory expressions are intended to preserve all possibilities of combining the features introduced thereby with other features, be they optional or non-optional features.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Objektiv für einen chromatisch konfokalen Multispotsensor vorgeschlagen. Unter einem Objektiv kann grundsätzlich ein optisches System, insbesondere ein reell abbildendes optisches System, mit mindestens einem optischen Element verstanden werden. Unter einem chromatisch konfokalen Multispotsensor kann ein chromatisch konfokaler Sensor verstanden werden, bei welchem ein zu untersuchendes Messobjekt gleichzeitig an mehreren Bestimmungsorten beleuchtet wird und so eine gleichzeitige Bestimmung von longitudinalen Koordinaten an mehreren Bestimmungsorten erlaubt. Chromatisch konfokale Multispotsensoren ermöglichen eine parallelisierte Tiefenmessung an vielen Punkten gleichzeitig. Unter einem chromatisch konfokalen Sensor kann grundsätzlich ein optischer Sensor verstanden werden, welcher mindestens einen konfokal chromatischen Strahlengang aufweist. Unter dem Begriff „Strahlengang“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verlauf von Lichtstrahlen durch optische Elemente verstanden werden. Unter einem „chromatisch konfokalen Strahlengang“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Strahlengang verstanden werden, in welchem für mindestens eine Wellenlänge eines Beleuchtungslichtstrahls ein Beleuchtungsstrahlengang und ein Detektionsstrahlengang konfokal sind. Insbesondere kann für mindestens eine Wellenlänge des Beleuchtungslichtstrahls die Bedingung erfüllt sein, dass sich ein erster Fokus auf einem Bestimmungsort auf einer Oberfläche des Messobjekts befindet und sich gleichzeitig ein zweiter Fokus an einem Punkt in einer Mitte eines Blendenelements befindet, welches in einer Ausbreitungsrichtung eines von dem Messobjekt remittierten Lichtstrahls vor einem Sensorelement angeordnet ist. Der konfokal chromatische Sensor kann eingerichtet sein, ein Messobjekt, insbesondere eine Oberfläche und/oder eine Oberflächenkontur eines Messobjekts, zu vermessen. Insbesondere kann der konfokal chromatische Sensor ein berührungsloser Abstandssensor im Bereich der Koordinatenmesstechnik sein oder kann in einem berührungslosen Abstandssensor verwendet werden.In a first aspect of the present invention, an objective for a chromatic confocal multi-spot sensor is proposed. In principle, an objective can be understood to mean an optical system, in particular a real image-forming optical system, having at least one optical element. A chromatically confocal multispotsensor can be understood to mean a chromatically confocal sensor in which a test object to be examined is illuminated simultaneously at several destinations, thus allowing a simultaneous determination of longitudinal coordinates at several destinations. Chromatic confocal multi-spot sensors allow parallelized depth measurement at many points simultaneously. A chromatic confocal sensor can basically be understood to mean an optical sensor which has at least one confocal chromatic beam path. In the context of the present invention, the term "beam path" can be understood to mean a course of light beams through optical elements. In the context of the present invention, a "chromatically confocal beam path" can be understood as a beam path in which an illumination beam path and a detection beam path are confocal for at least one wavelength of an illumination light beam. In particular, for at least one wavelength of the illumination light beam, the condition may be satisfied that a first focus is at a destination on a surface of the measurement object and at the same time a second focus is at a point in a center of an aperture element which is in a propagation direction of one of the Measured object remitted light beam is arranged in front of a sensor element. The confocal chromatic sensor can be set up to measure a measurement object, in particular a surface and / or a surface contour of a measurement object. In particular, the confocal chromatic sensor may be a non-contact distance sensor in the field of coordinate metrology or may be used in a non-contact distance sensor.
Unter einem Messobjekt kann dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebig geformtes zu vermessendes Objekt verstanden werden. Beispielsweise kann das Messobjekt ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus einem Prüfling, einem zu vermessenden Werkstück und einem zu vermessenden Bauteil, beispielsweise einem Kraftfahrzeug. Auch andere Messobjekte sind jedoch denkbar. Insbesondere kann es sich bei dem Messobjekt um ein flächiges Messobjekt handeln, beispielsweise mit einer ausgedehnten Oberfläche. Die Oberfläche kann zumindest teilweise reflektierend sein. Unter teilweise reflektierend kann verstanden werden, dass die Oberfläche des Messobjekts eingerichtet ist, zumindest einen Anteil eines Beleuchtungslichtstrahl zu spiegeln und/oder zu remittieren.In the context of the present invention, a measuring object can generally be understood to be an arbitrarily shaped object to be measured. For example, the measurement object may be selected from the group consisting of a test object, a workpiece to be measured and a component to be measured, for example a motor vehicle. Other measurement objects are also conceivable. In particular, the measurement object may be a planar measurement object, for example with an extended surface. The surface can be at least partially be reflective. Under partially reflective, it can be understood that the surface of the measurement object is set up to reflect and / or remit at least a portion of an illumination light beam.
Das Objektiv weist mindestens eine erste Linsengruppe und mindestens eine zweite Linsengruppe auf. Die erste Linsengruppe ist in Ausbreitungsrichtung mindestens eines ersten Beleuchtungslichtstrahls und mindestens eines zweiten Beleuchtungslichtstrahls vor einer Pupille und die zweite Linsengruppe hinter der Pupille angeordnet. Das Objektiv weist in Ausbreitungsrichtung des ersten Beleuchtungslichtstrahls und des zweiten Beleuchtungslichtstrahls hinter der zweiten Linsengruppe mindestens eine Umlenkvorrichtung auf, welche eingerichtet ist, die Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungslichtstrahlen zu ändern. Die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe weisen chromatisch aberrative Eigenschaften auf. Die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe sind eingerichtet, Anteile des ersten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei ersten Messpunkten entlang einer optischen Achse des Objektivs zu fokussieren und Anteile des zweiten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei zweiten Messpunkten entlang der optischen Achse des Objektivs zu fokussieren. Unter „entlang der optischen Achse zu fokussieren“ kann eine Fokussierung in Richtung der optischen Achse, insbesondere auf der optischen Achse oder parallel zu der optischen Achse, verstanden werden. Die erste Linsengruppe ist eingerichtet, einen ersten Farblängsfehler zu erzeugen. Die zweite Linsengruppe ist eingerichtet, einen zweiten Farblängsfehler zu erzeugen. Der erste Farblängsfehler und der zweite Farblengsfehler unterscheiden sich erheblich. Die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe sind eingerichtet, einen Farbquerfehler zu erzeugen derart, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte und die mindestens zwei zweiten Messpunkte in jeder Messtiefe auf im Wesentlichen parallel zur optischen Achse verlaufenden Geraden angeordnet sind.The objective has at least one first lens group and at least one second lens group. The first lens group is arranged in the propagation direction of at least one first illumination light beam and at least one second illumination light beam in front of a pupil and the second lens group behind the pupil. In the propagation direction of the first illumination light beam and the second illumination light beam behind the second lens group, the objective has at least one deflection device which is set up to change the propagation direction of the illumination light beams. The first lens group and the second lens group have chromatic aberrative properties. The first lens group and the second lens group are arranged to focus portions of the first illumination light beam as a function of the wavelength at at least two first measurement points along an optical axis of the objective and portions of the second illumination light beam as a function of the wavelength at at least two second measurement points along the optical Axis of the lens to focus. The term "focusing along the optical axis" can be understood as focusing in the direction of the optical axis, in particular on the optical axis or parallel to the optical axis. The first lens group is arranged to produce a first chromatic aberration. The second lens group is arranged to produce a second longitudinal color aberration. The first chromatic aberration and the second chromatic aberration differ significantly. The first lens group and the second lens group are set up to produce a lateral chromatic aberration such that the at least two first measurement points and the at least two second measurement points are arranged at each measurement depth on lines extending essentially parallel to the optical axis.
Unter einer Linsengruppe kann ein optisches Element verstanden werden, welches mindestens zwei Linsenelemente aufweist. Die erste Linsengruppe kann als erste Abbildungsoptik bezeichnet werden und die zweite Linsengruppe als zweite Abbildungsoptik. Die erste und die zweite Linsengruppe können eine Vielzahl von Linsenelementen aufweisen. Die Linsenelemente können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einer konkav-konvexen Linse, mindestens einer konvex-konkaven Linse, mindestens einer bikonvexen Linse, mindestens einer plan-konvexen Linse. Die Bezeichnungen „erste“ und „zweite“ sind als reine Bezeichnungen zu verstehen und geben insbesondere keinen Aufschluss über eine Reihenfolge oder ob das Objektiv weitere optische Elemente, insbesondere Linsengruppen, aufweist. Das Objektiv kann eine Vielzahl von Linsenelementen, insbesondere Linsengruppen oder einzelne Linsenelemente, aufweisen, beispielsweise eine dritte und eine vierte Linsengruppe.A lens group can be understood as an optical element which has at least two lens elements. The first lens group may be referred to as the first imaging optics and the second lens group as the second imaging optics. The first and second lens groups may include a plurality of lens elements. The lens elements may be selected from the group consisting of: at least one concave-convex lens, at least one convex-concave lens, at least one biconvex lens, at least one plano-convex lens. The terms "first" and "second" are to be understood as pure designations and, in particular, provide no information about an order or whether the objective has further optical elements, in particular lens groups. The objective may comprise a multiplicity of lens elements, in particular lens groups or individual lens elements, for example a third and a fourth lens group.
Die erste Linsengruppe ist in Ausbreitungsrichtung des mindestens eines ersten Beleuchtungslichtstrahls und des mindestens eines zweiten Beleuchtungslichtstrahls vor der Pupille und die zweite Linsengruppe hinter der Pupille angeordnet. Unter einer Pupille kann eine Blende verstanden werden, welche einen Strahlungskegel des Beleuchtungslichtstrahls begrenzt, oder ein Bild davon, d.h. die Pupille kann eine reelle oder virtuelle Pupille sein. Die Bezeichnung „vor“ bzw. „nach“ bezieht sich auf den Strahlengang in Beleuchtungsrichtung.The first lens group is arranged in the propagation direction of the at least one first illumination light beam and the at least one second illumination light beam in front of the pupil and the second lens group behind the pupil. A pupil can be understood to mean a diaphragm which limits a radiation cone of the illuminating light beam, or an image thereof, i. the pupil can be a real or virtual pupil. The term "before" or "after" refers to the beam path in the direction of illumination.
Das Objektiv weist in Ausbreitungsrichtung des ersten Beleuchtungslichtstrahls und des zweiten Beleuchtungslichtstrahls hinter der zweiten Linsengruppe mindestens eine Umlenkvorrichtung auf. Die Umlenkvorrichtung ist eingerichtet, die Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungslichtstrahlen zu ändern, insbesondere in eine vorbestimmte oder vorbestimmbare Richtung umzulenken. Die Umlenkvorrichtung kann eingerichtet sein, die Beleuchtungslichtstrahlen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung umzulenken. Auch andere Richtungsänderungen sind jedoch denkbar. Unter einer Umlenkvorrichtung kann ein grundsätzlich beliebiges optisches Element verstanden werden, welches eingerichtet ist, die Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungslichtstrahlen in eine vorbestimmte oder vorbestimmbare Richtung zu ändern. Die Umlenkvorrichtung kann ein Element aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Prisma, insbesondere einem Umlenkprisma, einem Spiegel. Beispielsweise kann die Umlenkvorrichtung ein Prisma sein mit einer Kantenlänge von 16 mm. Bevorzugt kann die Kantenlänge kleiner als 16 mm sein, beispielsweise kann die Kantenlänge 12 mm sein. Auch andere Kantenlängen sind jedoch denkbar, insbesondere kürzere Kantenlängen. Beispielsweise kann die Kantenlänge im Verhältnis zur Größe des Messvolumens < 1.2 wie hier im Ausführungsbeispiel, idealerweise sogar < 1, sein. Die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe weisen chromatisch aberrative Eigenschaften auf. Unter dem Ausdruck „chromatisch aberrative“ Eigenschaften kann verstanden werden, dass die Linsengruppen eingerichtet sein können, Anteile des Beleuchtungslichtstrahls wellenlängenabhängig zu trennen. Beispielsweise können die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe mindestens eine Linse mit chromatischer Aberration aufweisen. Die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe sind eingerichtet, Anteile des ersten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei ersten Messpunkten entlang einer optischen Achse des Objektivs zu fokussieren und Anteile des zweiten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei zweiten Messpunkten entlang der optischen Achse des Objektivs zu fokussieren. Unter einem „Messpunkt“ kann ein Punkt verstanden werden, an welchem ein Anteil eines der Beleuchtungslichtstrahlen fokussiert wird. Die Bezeichnungen „erste“ und „zweite“ Messpunkte sind als reine Bezeichnungen zu verstehen und geben insbesondere keinen Aufschluss über eine Reihenfolge oder ob weitere Messpunkte vorgesehen sind. Die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe können ein hyperchromatisches optisches System bilden. Die mindestens zwei ersten Messpunkte können in verschiedenen Fokusebenen angeordnet sein. Die mindestens zwei zweiten Messpunkte können in verschiedenen Fokusebenen angeordnet sein. Unter einer Fokusebene, auch Brennebene genannt, kann eine Ebene senkrecht zur optischen Achse verstanden werden, in welcher mindestens ein Fokuspunkt, auch Brennpunkt genannt, des hyperchromatischen optischen Systems für mindestens eine Wellenlänge angeordnet ist. Insbesondere kann das hyperchromatische optische System eingerichtet sein, eine Vielzahl von Anteilen der Beleuchtungslichtstrahlen in Abhängigkeit von der Wellenlänge an einer Vielzahl von verschiedenen Fokusebenen entlang der optischen Achse zu fokussieren. Beispielsweise kann ein erster Anteil des ersten Beleuchtungslichtstrahls mit einer ersten Wellenlänge in einer ersten Fokusebene, beispielsweise an dem ersten ersten Messpunkt, insbesondere einer ersten z-Koordinate, fokussiert werden, und ein zweiter Anteil des ersten Beleuchtungslichtstrahls mit einer zweiten Wellenlänge, welche von der ersten Wellenlänge verschieden ist, kann in einer zweiten Fokusebene, beispielsweise dem zweiten ersten Messpunkt, insbesondere einer zweiten z-Koordinate, welcher von dem ersten ersten Messpunkt verschieden ist, fokussiert werden. Beispielsweise kann ein erster Anteil des zweiten Beleuchtungslichtstrahls mit einer ersten Wellenlänge in einer ersten Fokusebene, beispielsweise an dem zweiten ersten Messpunkt, insbesondere einer ersten z-Koordinate, fokussiert werden, und ein zweiter Anteil des zweiten Beleuchtungslichtstrahls mit einer zweiten Wellenlänge, welche von der ersten Wellenlänge verschieden ist, kann in einer zweiten Fokusebene, beispielsweise dem zweiten zweiten Messpunkt, insbesondere einer zweiten z-Koordinate, welcher von dem zweiten ersten Messpunkt verschieden ist, fokussiert werden. Das Objektiv kann chromatisch unkorrigiert sein.In the propagation direction of the first illumination light beam and the second illumination light beam behind the second lens group, the objective has at least one deflection device. The deflection device is set up to change the direction of propagation of the illumination light beams, in particular to deflect them in a predetermined or predeterminable direction. The deflection device can be set up to deflect the illumination light beams perpendicular to the direction of propagation. However, other changes in direction are conceivable. A deflecting device can be understood to be a basically arbitrary optical element which is set up to change the propagation direction of the illuminating light beams in a predetermined or predeterminable direction. The deflection device may comprise an element selected from the group consisting of: a prism, in particular a deflection prism, a mirror. For example, the deflection device may be a prism with an edge length of 16 mm. Preferably, the edge length may be less than 16 mm, for example, the edge length may be 12 mm. However, other edge lengths are conceivable, in particular shorter edge lengths. For example, the edge length in relation to the size of the measuring volume <1.2 as here in the embodiment, ideally even <1, be. The first lens group and the second lens group have chromatic aberrative properties. By the term "chromatic aberrative" properties it can be understood that the lens groups can be arranged to separate portions of the illumination light beam as a function of wavelength. For example, the first lens group and the second lens group may include at least one chromatic aberration lens. The first lens group and the second lens group are arranged to focus portions of the first illumination light beam as a function of the wavelength at at least two first measurement points along an optical axis of the objective, and Focusing portions of the second illumination light beam as a function of the wavelength at at least two second measurement points along the optical axis of the objective. A "measuring point" can be understood as a point at which a portion of one of the illumination light beams is focused. The terms "first" and "second" measuring points are to be understood as pure designations and in particular provide no information about an order or whether further measuring points are provided. The first lens group and the second lens group may form a hyperchromatic optical system. The at least two first measuring points can be arranged in different focal planes. The at least two second measuring points can be arranged in different focal planes. A focal plane, also referred to as a focal plane, can be understood to mean a plane perpendicular to the optical axis, in which at least one focal point, also called focal point, of the hyperchromatic optical system is arranged for at least one wavelength. In particular, the hyperchromatic optical system may be configured to focus a plurality of portions of the illumination light beams as a function of the wavelength at a plurality of different focal planes along the optical axis. For example, a first portion of the first illumination light beam having a first wavelength in a first focal plane, for example, at the first first measurement point, in particular a first z-coordinate, focused, and a second portion of the first illumination light beam having a second wavelength, which of the first Wavelength is different, can be focused in a second focal plane, for example, the second first measuring point, in particular a second z-coordinate, which is different from the first first measuring point. For example, a first portion of the second illumination light beam having a first wavelength in a first focal plane, for example at the second first measurement point, in particular a first z-coordinate, focused, and a second portion of the second illumination light beam having a second wavelength, which of the first Wavelength is different, can be focused in a second focal plane, for example, the second second measuring point, in particular a second z-coordinate, which is different from the second first measuring point. The lens can be chromatically uncorrected.
Unter „Licht“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung elektromagnetische Strahlung in mindestens einem Spektralbereich ausgewählt aus dem sichtbaren Spektralbereich, dem ultravioletten Spektralbereich und dem Infraroten Spektralbereich verstanden werden. Der Begriff sichtbarer Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 380 nm bis 780 nm. Der Begriff Infraroter (IR) Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 780 nm bis 1000 µm, wobei der Bereich von 780 nm bis 1.4 µm als nahes Infrarot (NIR), und der Bereich von 15 µm bis 1000 µm als fernes Infrarot (FIR) bezeichnet wird. Der Begriff ultraviolett umfasst grundsätzlich einen Spektralbereich von 100 nm to 380 nm. Bevorzugt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung sichtbares Licht, also Licht aus dem sichtbaren Spektralbereich, verwendet. Unter dem Begriff „Lichtstrahl“ kann grundsätzlich eine Lichtmenge verstanden werden, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder ausgesandt wird. Der Lichtstrahl kann ein Strahlenbündel sein. Unter dem Begriff „Beleuchtungslichtstrahl“ kann ein Lichtstrahl verstanden werden, welcher das Messobjekt, insbesondere die Oberfläche des Messobjekts, beleuchtet. Der erste und zweite Beleuchtungslichtstrahl können von einer Beleuchtungsvorrichtung erzeugt werden. Beispielsweise können der erste und zweite Beleuchtungslichtstrahl als getrennte, insbesondere räumlich getrennte, Lichtstrahlen von der Beleuchtungsvorrichtung erzeugt werden. Beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet sein, einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen, welcher unter Verwendung von optischen Elementen, beispielsweise Blendenelementen mit einer Vielzahl von Lochelementen, in mindestens zwei Beleuchtungslichtstrahlen aufgeteilt werden kann.In the context of the present invention, "light" can be understood to mean electromagnetic radiation in at least one spectral range selected from the visible spectral range, the ultraviolet spectral range and the infrared spectral range. The term visible spectral range basically covers a range from 380 nm to 780 nm. The term infrared (IR) spectral range basically covers a range from 780 nm to 1000 μm, the range from 780 nm to 1.4 μm as near infrared (NIR), and the range of 15 microns to 1000 microns is referred to as far infrared (FIR). The term ultraviolet basically comprises a spectral range of 100 nm to 380 nm. Preferably, in the context of the present invention, visible light, ie light from the visible spectral range, is used. The term "light beam" can basically be understood to mean a quantity of light which is emitted and / or emitted in a specific direction. The light beam can be a beam. The term "illumination light beam" can be understood to mean a light beam which illuminates the measurement object, in particular the surface of the measurement object. The first and second illumination light beams may be generated by a lighting device. For example, the first and second illumination light beams can be generated as separate, in particular spatially separated, light beams from the illumination device. For example, the illumination device may be configured to generate an illumination light beam, which may be divided into at least two illumination light beams using optical elements, for example diaphragm elements having a plurality of hole elements.
Die erste Linsengruppe ist eingerichtet, einen ersten Farblängsfehler zu erzeugen. Die zweite Linsengruppe ist eingerichtet, einen zweiten Farblängsfehler zu erzeugen. Unter einem Farblängsfehler kann eine Abbildungseigenschaft verstanden werden, derart, dass zwei Anteile eines Lichtstrahls mit unterschiedlicher Wellenlänge an zwei verschiedene Fokuspunkt in Abhängigkeit von der Wellenlänge fokussiert werden. Der erste Farblängsfehler und der zweite Farblängsfehler unterscheiden sich erheblich. Unter „erheblich unterscheiden“ kann verstanden werden, dass der erste Farblängsfehler und der zweite Farblängsfehler entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen und/oder sich mindestens um einen Faktor
Die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe sind eingerichtet, einen Farbquerfehler zu erzeugen derart, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte und die mindestens zwei zweiten Messpunkte in jeder Messtiefe auf im Wesentlichen parallel zur optischen Achse verlaufenden Geraden angeordnet sind. Unter einem Farbquerfehler kann eine Abbildungseigenschaft verstanden werden, dass ein Abbildungsmaßstab von der Wellenlänge des einfallenden Lichts abhängt. Insbesondere kann der Farbquerfehler wie allgemein üblich in einer festen Bezugsebene gemessen werden. Bezüglich dieser Bezugsebene können die Strahlhöhen der Hauptstrahlen unterschiedlich sein, auch wenn tatsächlich die Bildgröße in der jeweils besten Fokusebene die gleiche ist. Beispielsweise können die Linsengruppen, das System aus erster Linsengruppe und zweiter Linsengruppe, eingerichtet sein, für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich große Bilder zu erzeugen. Unter einer Messtiefe kann ein Abstand von dem Objektiv verstanden werden, insbesondere eine longitudinale Koordinate entlang der optischen Achse. Unter „im Wesentlichen parallel“ kann ein paralleler Verlauf verstanden werden, wobei Abweichungen von einem parallelen Verlauf von 10%, bevorzugt 5% und besonderes bevorzugt 1% möglich sind. Abweichungen von einem parallelen Verlauf können von Fertigung und Justage abhängen. Unter „auf einer Gerade angeordnet“ kann eine Anordnung der ersten Messpunkte und der zweiten Messpunkt verstanden werden, bei welche die ersten Messpunkte und die zweiten Messpunkte auf einer Geraden liegen, wobei Abweichungen von der Geraden, insbesondere sich durch ein sekundäres Spektrum, möglich sind. Insbesondere liegen die ersten Messpunkte und die zweiten Messpunkte im Wesentlichen auf einer Geraden, wenn mehr als zwei Wellenlängen bzw. Tiefenebenen vorliegen. Das Objektiv kann eingerichtet sein eine Korrektur des sekundären Spektrums zu erlauben, insbesondere um Abweichungen von einer Anordnung auf den Geraden zu korrigieren. Insbesondere kann das Objektiv Mittel zur Korrektur des sekundären Spektrums aufweisen, beispielsweise Spezialgläser mit anomaler Teildispersion. Unter „auf im Wesentlichen parallel zur optischen Achse verlaufenden Geraden“ kann verstanden werden, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte und die mindestens zwei zweiten Messpunkte für identische Wellenlängen eine identische longitudinale Koordinate aufweisen. Insbesondere liegen die Messpunkte in jeder Messtiefe auf einem identischen Raster. Beispielsweise können der erste Beleuchtungslichtstrahl und der zweite Beleuchtungslichtstrahl jeweils einen Anteil mit einer ersten Wellenlänge
Insbesondere kann der Farbquerfehler größer als 10% des Produktes aus Numerischer Apertur NA des Objektivs und eines Tiefenmessbereichs sein. Unter einem „Tiefenmessbereich“ kann ein vorgegebener und/oder einstellbarer und/oder vorbestimmbarer Messbereich verstanden werden, in welchem eine Bestimmung der longitudinalen Koordinate erfolgt. Das Objektiv kann eingerichtet sein, ein Messvolumen von 10×10×10 mm3 bereitzustellen. Der Farbquerfehler kann einem Produkt aus Nichttelezentrie und dem Tiefenmessbereich entsprechen. Unter „Nichttelezentrie“ kann eine Abweichung von einem achsenparallelen Verlauf von Hauptstrahlen in dem Objektiv verstanden werden, insbesondere eine Winkeldifferenz. Beispielsweise kann Farbquerfehler bestimmt werden aus: Farbquerfehler [mm] = tan (Winkeldifferenz) · Tiefenmessbereich [mm].In particular, the lateral chromatic aberration may be greater than 10% of the numerical aperture NA product of the objective and a depth measurement range. A "depth measuring range" can be understood as meaning a predetermined and / or adjustable and / or predeterminable measuring range in which a determination of the longitudinal coordinate takes place. The objective may be configured to provide a measurement volume of 10 × 10 × 10 mm 3 . The lateral chromatic aberration may correspond to a non-telecentric product and the depth measurement range. "Non-telecentric" can be understood as meaning a deviation from an axis-parallel course of main beams in the objective, in particular an angular difference. For example, lateral chromatic aberration can be determined from: lateral chromatic aberration [mm] = tan (angular difference) · depth measuring range [mm].
Die erste und zweite Linsengruppe können derart angeordnet sein, dass der erste Beleuchtungslichtstrahl und der zweite Beleuchtungslichtstrahl, insbesondere deren Hauptstrahlen, objektseitig nicht-telezentrisch verlaufen. Das Objektiv kann ein nicht-telezentrisches Objektiv sein. Das Objektiv kann eingerichtet sein, zusätzlich zum Farblängsfehler so viel Farbquerfehler einzuführen, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte und die mindestens zwei zweiten Messpunkte weiterhin auf einem in jeder Messtiefe im Wesentlichen identischem Raster liegen. Unter „im Wesentlichen identischem Raster“ kann verstanden werden, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte und die mindestens zwei zweiten Messpunkte auf einem in jeder Messtiefe identischem Raster liegen, wobei Abweichungen von dem identischen Raster, insbesondere sich durch ein sekundäres Spektrum, möglich sind. Unter „objektseitig nicht-telezentrisch“ kann verstanden werden, dass objektseitig eine Abweichung von einem achsenparallelen Verlauf von Hauptstrahlen in dem Objektiv möglich sind. „objektseitig“ bezieht sich dabei auf das zu messende Objekt und nicht auf das Objekt im Sinne der optischen Abbildung, deren Bild auf dem Messobjekt liegt.The first and second lens groups may be arranged such that the first illumination light beam and the second illumination light beam, in particular their main beams, are non-telecentric on the object side. The lens can be a non-telecentric lens. The objective can be set up to introduce as much lateral chromatic aberration in addition to the longitudinal chromatic aberration that the at least two first measuring points and the at least two second measuring points continue to lie on a grid which is substantially identical in each measuring depth. Under "substantially identical grid" it can be understood that the at least two first measuring points and the at least two second measuring points lie on an identical grid in each measuring depth, wherein deviations from the identical grid, in particular by a secondary spectrum, are possible. Under "object-side non-telecentric" can be understood that the object side, a deviation from an axis-parallel course of main rays in the lens are possible. "Object-side" refers to the object to be measured and not to the object in the sense of the optical image, the image of which lies on the measurement object.
Wie oben ausgeführt, kann das Objektiv eine Vielzahl von Linsenelementen, insbesondere Linsengruppen oder einzelne Linsenelemente, aufweisen, beispielsweise eine dritte und eine vierte Linsengruppe. Die weiteren Linsenelemente können eingerichtet sein, einen Farbquerfehler und/oder einen Farblängsfehler zu erzeugen. Beispielsweise kann ein weiteres Linsenelement in Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls vor der ersten Linsengruppe angeordnet sein und ein weiteres Linsenelement in Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls hinter der zweiten Linsengruppe angeordnet sein. Die weiteren Linsengruppen können beispielsweise eingerichtet sein, den von der ersten und zweiten Linsengruppe erzeugten Farbquerfehler und/oder Farblängsfehler zu vergrößern. Beispielsweise können die weiteren Linsengruppen einen Farbquerfehler mit gleichem Vorzeichen erzeugen und damit Farblängsfehler mit entgegengesetztem Vorzeichen erzeugen.As stated above, the objective may comprise a plurality of lens elements, in particular lens groups or individual lens elements, for example a third and a fourth lens group. The further lens elements can be set up to produce a lateral color aberration and / or a longitudinal chromatic aberration. For example, a further lens element in the direction of propagation of the illumination light beam can be arranged in front of the first lens group and a further lens element in the propagation direction of the illumination light beam can be arranged behind the second lens group. By way of example, the further lens groups can be set up to increase the lateral color aberrations and / or color longitudinal errors generated by the first and second lens groups. For example, the other lens groups can produce a transverse color error with the same sign and thus produce longitudinal chromatic aberrations with opposite sign.
Das Objektiv kann mindestens eine Beleuchtungsblende mit mindestens zwei Beleuchtungsblendenlochelementen aufweisen. Die Beleuchtungsblende kann eine Vielzahl von Beleuchtungsblendenlochelementen aufweisen. Unter einer „Blende“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein optisches Element oder Bauteil des Objektivs verstanden werden, welches eingerichtet ist, eine Ausdehnung eines Strahlenbündels zu begrenzen. Unter einer „Beleuchtungsblende“ kann eine Blende verstanden werden, welche beispielsweise vor der Beleuchtungsvorrichtung angeordnet ist und von der Beleuchtungsvorrichtung beleuchtet wird. Unter einem „Lochelement“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine grundsätzlich beliebig geformte Öffnung verstanden werden. Das Objektiv kann mindestens eine Konfokalblende, auch Detektionslochblende genannt, mit mindestens zwei Konfokalblendenlochelementen aufweisen. Die Beleuchtungsblende und die Konfokalblende können als optische Elemente mit mindestens zwei beliebig geformten und/oder einstellbaren und/oder verstellbaren Öffnungen ausgestaltet sein. Die Beleuchtungsblende und/oder die Konfokalblende können eine Vielzahl von Lochelementen aufweisen, beispielsweise ein Lochraster aus mehreren Löchern. Die Konfokalblende kann eine Vielzahl von Konfokalblendenlochelementen aufweisen. Unter einer „Konfokalblende“ kann eine grundsätzlich beliebige Blende verstanden werden, welche in einer zur Beleuchtungsblende konjugierten Ebene, insbesondere im gleichen Abstand zur ersten Linsengruppe wie die Beleuchtungsblende, entgegen der Beleuchtungsrichtung vor einem Sensorelement angeordnet ist und eingerichtet ist, defokussierte Anteile eines Detektionslichtstrahls, insbesondere stark defokussierte Anteile, auszublenden und fokussierte Anteile durchzulassen. Eine Anordnung, insbesondere eine Position, der Konfokalblende kann anhängig sein vom Messobjekt, einer Lichtmenge und einer gewünschten Auflösung, beispielsweise einer lateralen Auflösung und/oder Auflösung der Abstandsbestimmung. Unter „einem Detektionslichtstrahl“ kann ein Lichtstrahl verstanden werden, welcher von dem Messobjekt, insbesondere von der Oberfläche des Messobjekts, remittiert wird und von einem Sensorelement detektierbar ist. Der Detektionslichtstrahl kann eine Ausbreitungsrichtung aufweisen, so dass der Detektionslichtstrahl die Konfokalblende und das Sensorelement beleuchtet.The objective can have at least one illumination diaphragm with at least two illumination diaphragm aperture elements. The illumination panel may include a plurality of illumination aperture hole elements. In the context of the present invention, a "diaphragm" can basically be understood to mean an optical element or component of the objective which is set up to limit an expansion of a radiation beam. A "lighting panel" can be understood to mean a panel which is arranged, for example, in front of the lighting apparatus and is illuminated by the lighting apparatus. In the context of the present invention, a "hole element" can be understood to mean a basically arbitrarily shaped opening. The objective can have at least one confocal diaphragm, also called a detection pinhole, with at least two confocal shutter hole elements. The illumination diaphragm and the confocal diaphragm can be designed as optical elements with at least two arbitrarily shaped and / or adjustable and / or adjustable openings. The illumination diaphragm and / or the confocal diaphragm can have a multiplicity of perforated elements, for example a perforated grid of a plurality of holes. The confocal aperture may include a plurality of confocal aperture hole elements. A "confocal diaphragm" can be understood as meaning any diaphragm which is arranged in a plane conjugate to the illumination diaphragm, in particular at the same distance from the first lens group as the illumination diaphragm, against the illumination direction in front of a sensor element and is arranged, defocused components of a detection light beam, in particular strongly defocused shares, hide and pass focused shares. An arrangement, in particular a position, the confocal diaphragm can be dependent on the measurement object, a quantity of light and a desired resolution, for example a lateral resolution and / or resolution of the distance determination. "A detection light beam" can be understood as a light beam which is reflected by the measurement object, in particular by the surface of the measurement object, and can be detected by a sensor element. The detection light beam may have a propagation direction such that the detection light beam illuminates the confocal diaphragm and the sensor element.
Der Farbquerfehler kann in einer Bildebene, als Querabweichung in einer mittleren Ebene, größer sein als der Durchmesser eines Bildes eines oder beider Konfokalblendenlochelemente. Für eine maximale z-Auflösung kann ein Durchmesser der Löcher typischerweise im Bereich des Durchmessers des Beugungsscheibchens liegen.The lateral chromatic aberration can be greater than the diameter of an image of one or both confocal aperture hole elements in an image plane, as a transverse deviation in a middle plane. For maximum z-resolution, a diameter of the holes may typically be in the range of the diameter of the diffraction disk.
Ein Abstand zwischen zwei Lochelementen der Beleuchtungsblende und/oder der Konfokalblende kann derart sein, dass Konfokalitätsbedingungen erfüllt sind. Unter Konfokalitätsbedingungen kann die Bedingung verstanden werden, dass defokussierte Anteile des Detektionslichtstrahls ausgeblendet werden und nur fokussierte Anteile in ein Lochelement fallen und durchgelassen werden. Insbesondere kann der Abstand zwischen zwei benachbarten Lochelementen derart sein, dass stark defokussiertes Licht nicht in ein benachbartes Lochelement fällt und durchgelassen wird. Der Abstand zwischen zwei Lochelementen kann derart gewählt werden, dass sich Spektren der Lochelemente überlappen.A distance between two perforated elements of the illumination diaphragm and / or the confocal diaphragm may be such that confocal conditions are met. Confocality conditions can be understood as the condition that defocused portions of the detection light beam are masked out and only focused portions fall into a hole element and are transmitted. In particular, the distance between two adjacent hole elements may be such that highly defocused light does not fall into an adjacent hole element and is transmitted. The distance between two hole elements can be chosen such that overlap spectra of the hole elements.
Das Objektiv kann mindestens eine Transfervorrichtung aufweisen. Die Transfervorrichtung kann als Teil einer der Linsengruppen ausgestaltet sein oder ein als ein separates Element. Die Transfervorrichtung kann eingerichtet sein, von der Beleuchtungsvorrichtung erzeugtes Licht auf das Messobjekt, insbesondere auf die Oberfläche des Messobjekts, zu führen und/oder zu lenken. Weiter kann die Transfervorrichtung eingerichtet sein, von dem Messobjekt remittiertes und/oder reflektiertes Licht auf die Konfokalblende zu führen und/oder zu lenken. Die Transfervorrichtung kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Strahlteiler; mindestens einer Linse; mindestens einer Linsengruppe.The objective can have at least one transfer device. The transfer device may be configured as part of one of the lens groups or as a separate element. The transfer device can be set up to guide and / or direct light generated by the illumination device to the measurement object, in particular to the surface of the measurement object. Furthermore, the transfer device can be set up to guide and / or direct light reflected and / or reflected by the measurement object onto the confocal diaphragm. The transfer device may be selected from the group consisting of: at least one beam splitter; at least one lens; at least one lens group.
In einem weiteren Aspekt wird ein chromatisch konfokaler Multispotsensor zur Bestimmung von longitudinalen Koordinaten von mindestens zwei verschiedenen Bestimmungsorten mindestens eines Messobjekts vorgeschlagen. Der chromatisch konfokale Multispotsensor umfasst mindestens ein erfindungsgemäßes Objektiv nach einem der oben oder weiter unten beschriebenen Ausführungsformen. Für Einzelheiten in Bezug auf den chromatisch konfokalen Multispotsensor wird auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Objektivs verwiesen.In another aspect, a chromatic confocal multi-spot sensor is proposed for determining longitudinal coordinates of at least two different destinations of at least one measurement object. The chromatic confocal multi-spot sensor comprises at least one objective according to the invention according to one of the embodiments described above or below. For details regarding the chromatic confocal multi-spot sensor, reference is made to the description of the objective according to the invention.
Unter dem Ausdruck „Bestimmungsort“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein grundsätzlich beliebiger Ort, insbesondere ein Punkt oder eine Fläche, auf der zu vermessenden Oberfläche des Messobjekts verstanden werden, an welchem eine Bestimmung einer longitudinalen Koordinate erfolgt. Beispielsweise kann ein Bestimmungsort ein Messpunkt auf der Oberfläche des Messobjekts sein. Unter „verschiedenen Bestimmungsorten“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine räumliche Trennung, beispielsweise in mindestens einer Raumrichtung, der Bestimmungsorte auf der Oberfläche verstanden werden, wobei sich die Bestimmungsorte zumindest teilweise überlappen dürfen. Unter „zumindest teilweise überlappen“ kann verstanden werden, dass die Bestimmungsorte nicht vollständig kongruent sind. Unter Koordinaten eines Messobjekts können im Rahmen der vorliegenden Erfindung Koordinaten auf der zu vermessenden Oberfläche des Messobjekts verstanden werden, insbesondere Abstandskoordinaten. Zu diesem Zweck können ein oder mehrere Koordinatensysteme verwendet werden. Beispielsweise kann ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem verwendet werden. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Unter einer Bestimmung einer Koordinate kann insbesondere eine Bestimmung eines Abstandes zwischen dem jeweiligen Bestimmungsort des Messobjekts und dem chromatisch konfokalen Multispotsensor verstanden werden, beispielsweise ein Abstand zwischen dem jeweiligen Bestimmungsort des Messobjekts und mindestens einem Element des chromatisch konfokalen Multispotsensors, insbesondere dem Sensorelement und/oder mindestens einer Konfokalblende. Der chromatisch konfokale Multispotsensor kann eingerichtet sein, jeweils mindestens eine Koordinate an einer Vielzahl von Bestimmungsorten zu bestimmen, insbesondere gleichzeitig.In the context of the present invention, the expression "destination" can be understood to mean a basically arbitrary location, in particular a point or a surface, on the surface of the measurement object to be measured, on which a determination of a longitudinal coordinate takes place. For example, a destination may be a measurement point on the surface of the measurement object. In the context of the present invention, "different destinations" may be understood to mean a spatial separation, for example in at least one spatial direction, of the destinations on the surface, the destinations being able to overlap at least partially. By "at least partially overlapping" it can be understood that the destinations are not completely congruent. In the context of the present invention, coordinates of a measurement object can be understood to mean coordinates on the surface to be measured of the measurement object, in particular distance coordinates. One or more coordinate systems can be used for this purpose. For example, a Cartesian coordinate system or a spherical coordinate system can be used. Other coordinate systems are also conceivable. A determination of a coordinate may, in particular, be understood as a determination of a distance between the respective destination of the measurement object and the chromatically confocal multi-spot sensor, for example a distance between the respective destination of the measurement object and at least one element of the chromatically confocal multispotsensor, in particular the sensor element and / or at least a confocal aperture. The chromatic confocal multi-spot sensor may be configured to determine at least one coordinate at a plurality of destinations, in particular simultaneously.
Der chromatisch konfokale Multispotsensor kann mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine polychromatische Lichtquelle und/oder mindestens eine Weißlichtquelle und/oder mindestens eine spektral breitbandige Lichtquelle aufweisen. Unter einer Beleuchtungsvorrichtung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, mindestens einen Lichtstrahl zu erzeugen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine polychromatische Lichtquelle und/oder mindestens eine Weißlichtquelle und/oder mindestens eine breitbandige Lichtquelle aufweisen. Die Lichtquelle kann eine breite und gleichmäßig verteilte spektrale Dichte aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann eingerichtet sein, das Messobjekt durch die Beleuchtungsblende hindurch zu beleuchten. Unter „das Messobjekt hindurch zu beleuchten“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden werden, dass die Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet ist, die Beleuchtungsblende zu beleuchten und weiterhin die Oberfläche, insbesondere einen Punkt oder eine Fläche auf der Oberfläche, des Messobjekts zu beleuchten. Die Beleuchtungsvorrichtung kann weiterhin mindestens ein weiteres optisches Element, insbesondere eine Linse, aufweisen, welches eingerichtet ist, den von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahl zu fokussieren.The chromatically confocal multi-spot sensor can have at least one illumination device that is set up to generate at least one illumination light beam. The illumination device may have at least one polychromatic light source and / or at least one white light source and / or at least one spectrally broadband light source. In the context of the present invention, a lighting device can be understood as any device which is set up to generate at least one light beam. The lighting device may have at least one light source. The illumination device can have at least one polychromatic light source and / or at least one white light source and / or at least one broadband light source. The light source may have a broad and evenly distributed spectral density. The illumination device can be set up to illuminate the measurement object through the illumination diaphragm. In the context of the present invention, the term "illuminating the object to be measured" can be understood to mean that the illuminating device is set up to illuminate the illuminating aperture and furthermore to illuminate the surface, in particular a point or an area on the surface, of the measuring object. The illumination device can furthermore have at least one further optical element, in particular a lens, which is set up to focus the light beam generated by the light source.
Der chromatisch konfokale Multispotsensor weist mindestens ein Sensorelement auf, wobei das Sensorelement eingerichtet ist, mindestens zwei von den zwei Bestimmungsorten reflektierten Detektionslichtstrahlen zu detektieren. Die Konfokalblende kann eingerichtet sein, das Sensorelement zu beleuchten. Für mindestens eine Wellenlänge des Beleuchtungslichtstrahls kann sich ein Fokus auf der Oberfläche des Messobjekts befinden. Gleichzeitig kann ein Anteil des Detektionslichtstrahls für diese Wellenlänge derart in mindestens einem Lochelement, insbesondere in genau einem Lochelement, der Konfokalblende fokussiert sein, dass die Intensität auf dem Sensorelement maximal wird. Die Konfokalblende kann eingerichtet sein, alle weiteren nicht fokussierten spektralen Anteile des Detektionslichtstrahls auszublenden. Unter einem „Sensorelement“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, um mindestens eine optische Messgröße, beispielsweise eine Intensität, des Detektionslichtstrahls, zu erfassen und ein entsprechendes Signal zu generieren, beispielsweise ein elektrisches Signal, beispielsweise ein analoges und/oder ein digitales Signal.The chromatic confocal multi-spot sensor has at least one sensor element, wherein the sensor element is set up to detect at least two detection light beams reflected by the two destinations. The confocal aperture may be configured to illuminate the sensor element. For at least one wavelength of the illumination light beam, a focus may be on the surface of the measurement object. At the same time, a portion of the detection light beam for this wavelength can be focused in at least one hole element, in particular in exactly one hole element, the confocal shutter such that the intensity on the sensor element becomes maximum. The confocal diaphragm can be set up to hide all other unfocused spectral components of the detection light beam. In the context of the present invention, a "sensor element" can be understood as any device which is set up to detect at least one optical measured variable, for example an intensity, of the detection light beam and to generate a corresponding signal, for example an electrical signal, for example a analog and / or a digital signal.
Der chromatisch konfokale Multispotsensor kann mindestens eine Auswerteeinheit aufweisen, welche eingerichtet ist, jeweils mindestens eine spektrale Intensitätsverteilung der Detektionslichtstrahlen zu bestimmen und aus der jeweiligen spektralen Intensitätsverteilung eine longitudinale Koordinate des jeweiligen Bestimmungsortes des Messobjekts zu bestimmen. Unter einer „spektralen Intensitätsverteilung“ kann eine Verteilung der Intensität des Detektionslichtstrahls als Funktion der Wellenlänge verstanden werden. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um ein Maximum der jeweiligen spektralen Intensitätsverteilung zu bestimmen, einer Wellenlänge zuzuordnen und aus der zugeordneten Wellenlänge die longitudinale Koordinate des Bestimmungsortes des Messobjekts zu bestimmen. Das Sensorelement kann eingerichtet sein, mindestens eine Spektralverteilung zu bestimmen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um mindestens ein Intensitätsmaximum der Spektralverteilung zu bestimmen und dem Intensitätsmaximum eine Wellenlänge zuzuordnen. Unter einer Bestimmung einer Spektralverteilung kann eine Messung und/oder Bestimmung der Intensität des Detektionslichtstrahls als Funktion der Wellenlänge verstanden werden. Die Spektralverteilung kann eine Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von einer Wellenlänge umfassen. Das Sensorelement kann ein spektral auflösender Detektor sein und/oder umfassen. Insbesondere kann das Sensorelement ein Spektrometer sein und/oder umfassen. Das Sensorelement kann mindestens einen multi-spektralen Sensor aufweisen.The chromatically confocal multi-spot sensor can have at least one evaluation unit, which is set up to determine at least one spectral intensity distribution of the detection light beams and to determine from the respective spectral intensity distribution a longitudinal coordinate of the respective destination of the measurement object. Under a "spectral intensity distribution", a distribution of the intensity of the Detection light beam to be understood as a function of wavelength. The evaluation unit can be set up to determine a maximum of the respective spectral intensity distribution, to assign it to a wavelength and to determine from the assigned wavelength the longitudinal coordinate of the destination of the measurement object. The sensor element can be set up to determine at least one spectral distribution. The evaluation unit can be set up to determine at least one intensity maximum of the spectral distribution and to assign a wavelength to the intensity maximum. A determination of a spectral distribution can be understood as meaning a measurement and / or determination of the intensity of the detection light beam as a function of the wavelength. The spectral distribution may comprise an intensity distribution as a function of a wavelength. The sensor element can be and / or comprise a spectrally resolving detector. In particular, the sensor element may be and / or comprise a spectrometer. The sensor element may have at least one multi-spectral sensor.
Unter „einer Auswerteeinheit“ kann dabei allgemein eine elektronische Vorrichtung verstanden sein, welche eingerichtet ist, um von dem Sensorelement erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem Sensorelement und der Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht-flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um das Sensorelement anzusteuern. Die Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Auswerteeinheit kann ganz oder teilweise in das Sensorelement integriert sein. Das Sensorelement kann beispielsweise direkt oder indirekt mit der Auswerteeinheit verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteeinheit jedoch auch ganz oder teilweise am Ort des Sensorelements angeordnet sein, beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers, und/oder kann ganz oder teilweise in das Sensorelement integriert sein.In this context, "an evaluation unit" can generally be understood to mean an electronic device which is set up to evaluate signals generated by the sensor element. For example, one or more electronic connections between the sensor element and the evaluation unit can be provided for this purpose. The evaluation unit can comprise, for example, at least one data processing device, for example at least one computer or microcontroller. The data processing device can have one or more volatile and / or non-volatile data memories, wherein the data processing device can be set up, for example, by programming technology in order to control the sensor element. The evaluation unit may further comprise at least one interface, for example an electronic interface and / or a human-machine interface such as an input / output device such as a display and / or a keyboard. The evaluation unit can be constructed, for example, centrally or decentrally. Other embodiments are conceivable. The evaluation unit can be completely or partially integrated into the sensor element. The sensor element can be connected, for example, directly or indirectly to the evaluation unit. Alternatively or additionally, however, the evaluation unit may also be arranged completely or partially at the location of the sensor element, for example in the form of a microcontroller, and / or may be integrated wholly or partly into the sensor element.
Wie oben ausgeführt, kann der Abstand zwischen zwei Lochelementen derart gewählt werden, dass sich Spektren der Lochelemente überlappen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, überlappende räumliche und spektrale Informationen zu trennen, insbesondere mit mindestens einem algorithmischen Verfahren.As stated above, the distance between two hole elements can be selected such that spectra of the hole elements overlap. The evaluation unit can be set up to separate overlapping spatial and spectral information, in particular using at least one algorithmic method.
In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung von longitudinalen Koordinaten mindestens zweier verschiedener Bestimmungsorte mindestens eines Messobjekts vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- - Erzeugen mindestens eines ersten Beleuchtungslichtstrahls und eines zweiten Beleuchtungslichtstrahls mit mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung;
- - Beleuchten des Messobjekts mit den Beleuchtungslichtstrahlen durch eine Beleuchtungsblende mit mindestens zwei Beleuchtungslochelementen an den mindestens zwei Bestimmungsorten;
- - Fokussieren von Anteilen des ersten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei ersten Messpunkten entlang einer optischen Achse des Objektivs und Fokussieren von Anteilen des zweiten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei zweiten Messpunkten entlang der optischen Achse des Objektivs; wobei die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe chromatisch aberrative Eigenschaften aufweisen;
- - Erzeugen eines ersten Farblängsfehler mit der ersten Linsengruppe und Erzeugen eines zweiten Farblängsfehlers mit der zweiten Linsengruppe, wobei sich der erste Farblängsfehler und der zweite Farblängsfehler erheblich unterscheiden,
- - Erzeugen eines Farbquerfehlers mit der ersten Linsengruppe und der zweite Linsengruppe derart, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte und die mindestens zwei zweiten Messpunkte in jeder Messtiefe auf im Wesentlichen parallel zur optischen Achse verlaufenden Geraden angeordnet sind.
- Generating at least a first illumination light beam and a second illumination light beam with at least one illumination device;
- Illuminating the measurement object with the illumination light beams through an illumination diaphragm having at least two illumination hole elements at the at least two destinations;
- Focusing portions of the first illumination light beam as a function of the wavelength at at least two first measurement points along an optical axis of the objective and focusing proportions of the second illumination light beam as a function of the wavelength at at least two second measurement points along the optical axis of the objective; wherein the first lens group and the second lens group have chromatic aberrative properties;
- Generating a first longitudinal chromatic aberration with the first lens group and generating a second longitudinal chromatic aberration with the second lens group, the first longitudinal chromatic aberration and the second longitudinal chromatic aberration differing significantly,
- - Generating a lateral chromatic aberration with the first lens group and the second lens group such that the at least two first measuring points and the at least two second measuring points are arranged in each measuring depth on substantially parallel to the optical axis extending straight lines.
Hierbei können die Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden.In this case, the method steps can be carried out in the order indicated, wherein one or more of the steps can be carried out at least partially simultaneously and wherein one or more of the steps can be repeated several times. In addition, further steps, whether mentioned in the present application or not, may be additionally performed.
In dem Verfahren kann jeweils mindestens ein von den Bestimmungsorten reflektierter Detektionslichtstrahl mit einem Sensorelement detektiert werden. In dem Verfahren kann jeweils mindestens eine spektrale Intensitätsverteilung der Detektionslichtstrahlen bestimmt werden und aus der jeweiligen spektralen Intensitätsverteilung eine longitudinale Koordinate des jeweiligen Bestimmungsorts des Messobjekts bestimmt werden.In the method, in each case at least one detection light beam reflected by the destinations can be detected with a sensor element. In the process, at least a spectral intensity distribution of the detection light beams are determined and from the respective spectral intensity distribution a longitudinal coordinate of the respective destination of the measurement object are determined.
In dem Verfahren kann ein erfindungsgemäßer chromatisch konfokaler Multispotsensor verwendet werden. Für Einzelheiten in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren wird auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen chromatisch konfokalen Multispotsensors verwiesen.In the method, a chromatic confocal multi-spot sensor according to the invention can be used. For details relating to the inventive method, reference is made to the description of the inventive chromatically confocal Multispotsensors.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen vorteilhaft. Durch Zulassen von Farbquerfehler kann eine Reduzierung einer Baugröße von chromatisch konfokalen Multispotsensoren ermöglicht werden. Durch eine Aufgabe von objektseitiger Telezentrie kann eine Reduzierung einer Kantenlänge einer Umlenkvorrichtung ermöglicht werden. Beispielsweise kann es möglich sein, ein Prisma als Umlenkvorrichtung mit einer reduzierten Kantenlänge von 12 mm zu verwenden bei gleichbleibendem Tiefenmessbereich.The device according to the invention and the method according to the invention are advantageous over known methods and devices. Allowing lateral chromatic aberration can allow a reduction in the size of chromatic confocal multi-spot sensors. By a task of object-side telecentric reduction of an edge length of a deflection device can be made possible. For example, it may be possible to use a prism as a deflection device with a reduced edge length of 12 mm with a constant depth measuring range.
Zusammenfassend sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgende Ausführungsformen besonders bevorzugt:In summary, the following embodiments are particularly preferred in the context of the present invention:
Ausführungsform 1: Objektiv für einen chromatisch konfokalen Multispotsensor, wobei das Objektiv mindestens eine erste Linsengruppe und mindestens eine zweite Linsengruppe aufweist, wobei die erste Linsengruppe in Ausbreitungsrichtung mindestens eines ersten Beleuchtungslichtstrahls und mindestens eines zweiten Beleuchtungslichtstrahls vor einer Pupille und die zweite Linsengruppe hinter der Pupille angeordnet ist, wobei das Objektiv in Ausbreitungsrichtung des ersten Beleuchtungslichtstrahls und des zweiten Beleuchtungslichtstrahls hinter der zweiten Linsengruppe mindestens eine Umlenkvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, die Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungslichtstrahlen zu ändern, wobei die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe chromatisch aberrative Eigenschaften aufweisen, wobei die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe eingerichtet sind, Anteile des ersten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei ersten Messpunkten entlang einer optischen Achse des Objektivs zu fokussieren und Anteile des zweiten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei zweiten Messpunkten entlang der optischen Achse des Objektivs zu fokussieren, wobei die erste Linsengruppe eingerichtet ist, einen ersten Farblängsfehler zu erzeugen, wobei die zweite Linsengruppe eingerichtet ist, einen zweiten Farblängsfehler zu erzeugen, wobei sich der erste Farblängsfehler und der zweite Farblängsfehler erheblich unterscheiden, wobei die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe eingerichtet sind, einen Farbquerfehler zu erzeugen derart, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte und die mindestens zwei zweiten Messpunkte in jeder Messtiefe auf im Wesentlichen parallel zur optischen Achse verlaufenden Geraden angeordnet sind. Embodiment 1: Lens for a chromatically confocal multi-spot sensor, wherein the lens has at least one first lens group and at least one second lens group, wherein the first lens group arranged in the propagation direction of at least a first illumination light beam and at least a second illumination light beam in front of a pupil and the second lens group behind the pupil wherein the objective in the propagation direction of the first illumination light beam and the second illumination light beam behind the second lens group has at least one deflection device configured to change the propagation direction of the illumination light beams, the first lens group and the second lens group having chromatically aberrative properties Lens group and the second lens group are arranged, portions of the first illumination light beam as a function of the wavelength at least two first Me focal points along an optical axis of the objective and to focus portions of the second illumination light beam as a function of the wavelength at at least two second measurement points along the optical axis of the objective, wherein the first lens group is arranged to generate a first longitudinal chromatic aberration, wherein the second lens group is arranged to produce a second chromatic aberration, the first chromatic aberration and the second chromatic aberration differing significantly, wherein the first lens group and the second lens group are adapted to generate a lateral chromatic aberration such that the at least two first measurement points and the at least two second measurement points are arranged in each measuring depth on substantially parallel to the optical axis extending straight lines.
Ausführungsform 2: Objektiv nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die mindestens zwei ersten Messpunkte und die mindestens zwei zweiten Messpunkte in jeder Messtiefe auf einem identischen Raster liegen.Embodiment 2: Lens according to the preceding embodiment, wherein the at least two first measuring points and the at least two second measuring points lie on an identical grid in each measuring depth.
Ausführungsform 3: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe derart angeordnet sind, dass der erste Beleuchtungslichtstrahl und der zweite Beleuchtungslichtstrahl objektseitig nicht-telezentrisch verlaufen.Embodiment 3: Lens according to one of the preceding embodiments, wherein the first lens group and the second lens group are arranged such that the first illumination light beam and the second illumination light beam are non-telecentric on the object side.
Ausführungsform 4: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Objektiv chromatisch unkorrigiert ist.Embodiment 4: Lens according to one of the preceding embodiments, wherein the lens is chromatically uncorrected.
Ausführungsform 5: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Objektiv mindestens eine Beleuchtungsblende mit mindestens zwei Beleuchtungsblendenlochelementen aufweist.Embodiment 5: Lens according to one of the preceding embodiments, wherein the lens has at least one illumination diaphragm with at least two illumination aperture hole elements.
Ausführungsform 6: Objektiv nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Beleuchtungsblende eine Vielzahl von Beleuchtungsblendenlochelementen aufweist.Embodiment 6: Lens according to the previous embodiment, wherein the illumination stop has a plurality of illumination aperture hole elements.
Ausführungsform 7: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Objektiv mindestens eine Konfokalblende mit mindestens zwei Konfokalblendenlochelementen aufweist, wobei der Farbquerfehler in einer Bildebene größer ist als der Durchmesser eines Bildes eines oder beider Konfokalblendenlochelemente.Embodiment 7: Objective according to one of the preceding embodiments, wherein the objective has at least one confocal stop with at least two confocal aperture hole elements, wherein the lateral chromatic aberration in an image plane is greater than the diameter of an image of one or both confocal aperture hole elements.
Ausführungsform 8: Objektiv nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Konfokalblende eine Vielzahl von Konfokalblendenlochelementen aufweist.Embodiment 8: Lens according to the previous embodiment, wherein the confocal shutter has a plurality of confocal shutter hole elements.
Ausführungsform 9: Objektiv nach einer der vier vorhergehenden Ausführungsformen, wobei ein Abstand zwischen zwei Lochelementen der Beleuchtungsblende und der Konfokalblende derart ist, dass Konfokalitätsbedingungen erfüllt sind.Embodiment 9: Lens according to one of the four preceding embodiments, wherein a distance between two hole elements of the illumination diaphragm and the confocal diaphragm is such that confocal conditions are met.
Ausführungsform 10: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Farbquerfehler größer als 10% des Produktes aus Numerischer Apertur NA des Objektivs und eines Tiefenmessbereichs ist.Embodiment 10: Lens according to one of the preceding embodiments, wherein the lateral color aberration is greater than 10% of the product of the numerical aperture NA of the objective and a depth measuring range.
Ausführungsform 11: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Farbquerfehler einem Produkt aus Nichttelezentrie und dem Tiefenmessbereich entspricht. Embodiment 11: Lens according to one of the preceding embodiments, wherein the lateral color aberration corresponds to a product of non-telecentric and the depth measuring range.
Ausführungsform 12: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die von den Linsengruppen vor und nach der Pupille erzeugten Farblängsfehler ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen oder sich bei gleichem Vorzeichen um mindestens einen Faktor
Ausführungsform 13: Chromatisch konfokaler Multispotsensor zur Bestimmung von longitudinalen Koordinaten von mindestens zwei verschiedenen Bestimmungsorten mindestens eines Messobjekts umfassend mindestens ein Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen.Embodiment 13: Chromatic confocal multi-spot sensor for determining longitudinal coordinates of at least two different destinations of at least one measurement object comprising at least one objective according to one of the preceding embodiments.
Ausführungsform 14: Chromatisch konfokaler Multispotsensor nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der chromatisch konfokale Multispotsensor mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen.Embodiment 14: A chromatic confocal multi-spot sensor according to the preceding embodiment, wherein the chromatic confocal multi-spot sensor has at least one illumination device configured to generate at least one illumination light beam.
Ausführungsform 15: Chromatisch konfokaler Multispotsensor nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Beleuchtungsvorrichtung mindestens eine polychromatische Lichtquelle und/oder mindestens eine Weißlichtquelle und/oder mindestens eine spektral breitbandige Lichtquelle aufweist.Embodiment 15: Chromatic Confocal Multispotsensor according to one of the two preceding embodiments, wherein the illumination device has at least one polychromatic light source and / or at least one white light source and / or at least one spectrally broadband light source.
Ausführungsform 16: Chromatisch konfokaler Multispotsensor nach einem der drei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet ist, das Messobjekt durch die Beleuchtungsblende zu beleuchten.Embodiment 16: Chromatic confocal multi-spot sensor according to one of the three preceding embodiments, wherein the illumination device is set up to illuminate the measurement object through the illumination diaphragm.
Ausführungsform 17: Chromatisch konfokaler Multispotsensor nach einem der drei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der chromatisch konfokale Multispotsensor mindestens ein Sensorelement aufweist, wobei das Sensorelement eingerichtet ist, mindestens zwei von den zwei Bestimmungsorten reflektierten Detektionslichtstrahlen zu detektieren.Embodiment 17: A chromatic confocal multi-spot sensor according to one of the three preceding embodiments, wherein the chromatic confocal multi-spot sensor has at least one sensor element, wherein the sensor element is configured to detect at least two detection light beams reflected from the two destinations.
Ausführungsform 18: Chromatisch konfokaler Multispotsensor nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der chromatisch konfokale Multispotsensor mindestens eine Auswerteeinheit aufweist, welche eingerichtet ist, jeweils mindestens eine spektrale Intensitätsverteilung der Detektionslichtstrahlen zu bestimmen und aus der jeweiligen spektralen Intensitätsverteilung eine longitudinale Koordinate des jeweiligen Bestimmungsortes des Messobjekts zu bestimmen.Embodiment 18: Chromatic confocal multi-spot sensor according to the preceding embodiment, wherein the chromatically confocal multi-spot sensor has at least one evaluation unit which is set up to determine at least one spectral intensity distribution of the detection light beams and to determine from the respective spectral intensity distribution a longitudinal coordinate of the respective destination of the measurement object ,
Ausführungsform 19: Chromatisch konfokaler Multispotsensor nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, um ein Maximum der jeweiligen spektralen Intensitätsverteilung zu bestimmen, einer Wellenlänge zuzuordnen und aus der zugeordneten Wellenlänge die longitudinale Koordinate des Bestimmungsortes des Messobjekts zu bestimmen.Embodiment 19: Chromatic confocal multi-spot sensor according to the preceding embodiment, wherein the evaluation unit is set up to determine a maximum of the respective spectral intensity distribution, to assign a wavelength and to determine from the assigned wavelength the longitudinal coordinate of the destination of the measurement object.
Ausführungsform 20: Verfahren zur Bestimmung von longitudinalen Koordinaten mindestens zweier verschiedener Bestimmungsorte mindestens eines Messobjekts, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- - Erzeugen mindestens eines ersten Beleuchtungslichtstrahls und eines zweiten Beleuchtungslichtstrahls mit mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung;
- - Beleuchten des Messobjekts mit den Beleuchtungslichtstrahlen durch eine Beleuchtungsblende mit mindestens zwei Beleuchtungslochelementen an den mindestens zwei Bestimmungsorten;
- - Fokussieren von Anteilen des ersten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei ersten Messpunkten entlang einer optischen Achse des Objektivs und Fokussieren von Anteilen des zweiten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei zweiten Messpunkten entlang der optischen Achse des Objektivs; wobei die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe chromatisch aberrative Eigenschaften aufweisen;
- - Erzeugen eines ersten Farblängsfehlers mit der ersten Linsengruppe und Erzeugen eines zweiten Farblängsfehlers mit der zweiten Linsengruppe, wobei sich der erste Farblängsfehler und der zweite Farblängsfehler erheblich unterscheiden,
- - Erzeugen eines Farbquerfehlers mit der ersten Linsengruppe und der zweite Linsengruppe derart, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte und die mindestens zwei zweiten Messpunkte in jeder Messtiefe auf im Wesentlichen parallel zur optischen Achse verlaufenden Geraden angeordnet sind.
- Generating at least a first illumination light beam and a second illumination light beam with at least one illumination device;
- Illuminating the measurement object with the illumination light beams through an illumination diaphragm having at least two illumination hole elements at the at least two destinations;
- Focusing portions of the first illumination light beam as a function of the wavelength at at least two first measurement points along an optical axis of the objective and focusing proportions of the second illumination light beam as a function of the wavelength at at least two second measurement points along the optical axis of the objective; wherein the first lens group and the second lens group have chromatic aberrative properties;
- Generating a first longitudinal chromatic aberration with the first lens group and generating a second longitudinal chromatic aberration with the second lens group, the first longitudinal chromatic aberration and the second longitudinal chromatic aberration differing significantly,
- - Generating a lateral chromatic aberration with the first lens group and the second lens group such that the at least two first measuring points and the at least two second measuring points are arranged in each measuring depth on substantially parallel to the optical axis extending straight lines.
Ausführungsform 21: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei jeweils mindestens ein von den Bestimmungsorten reflektierter Detektionslichtstrahl mit einem Sensorelement detektiert wird, wobei jeweils mindestens eine spektrale Intensitätsverteilung der Detektionslichtstrahlen bestimmt wird und aus der jeweiligen spektralen Intensitätsverteilung eine longitudinale Koordinate des jeweiligen Bestimmungsorts des Messobjekts bestimmt wird.Embodiment 21: Method according to the preceding embodiment, wherein in each case at least one detection light beam reflected by the destinations is detected by a sensor element, wherein in each case at least one spectral intensity distribution of the detection light beams is determined and from the respective spectral Intensity distribution is determined a longitudinal coordinate of the respective destination of the measurement object.
Ausführungsform 22: Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei ein chromatisch konfokaler Multispotsensor nach einem der vorhergehenden einen chromatisch konfokalen Multispotsensor betreffenden Ansprüche verwendet wird.Embodiment 22: Method according to one of the two preceding embodiments, wherein a chromatic confocal multi-spot sensor according to one of the preceding claims relating to a chromatic confocal multi-spot sensor is used.
Figurenlistelist of figures
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.Further details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, in particular in conjunction with the subclaims. In this case, the respective features can be implemented on their own or in combination with one another. The invention is not limited to the embodiments. The embodiments are shown schematically in the figures. The same reference numerals in the individual figures designate the same or functionally identical or with respect to their functions corresponding elements.
Im Einzelnen zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen chromatisch konfokalen Multispotsensors.
-
1 a schematic representation of an embodiment of a chromatic confocal multispotsensor according to the invention.
Ausführungsbeispieleembodiments
Das Objektiv
Die erste Linsengruppe
Der erste Beleuchtungslichtstrahl
Der chromatisch konfokale Multispotsensor
Die erste Linsengruppe
Die optische Achse
Insbesondere kann der Farbquerfehler größer als 10% des Produktes aus Numerischer Apertur NA des Objektivs und eines Tiefenmessbereichs sein. Das Objektiv
Das Objektiv
Das Objektiv
Der Farbquerfehler kann in einer Bildebene, als Querabweichung in einer mittleren Ebene, größer sein als der Durchmesser eines Bildes eines oder beider Konfokalblendenlochelemente.The lateral chromatic aberration can be greater than the diameter of an image of one or both confocal aperture hole elements in an image plane, as a transverse deviation in a middle plane.
Das Objektiv
Der chromatisch konfokale Multispotsensor
Der chromatisch konfokale Multispotsensor
Zwischen dem Sensorelement
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 110110
- MultispotsensorMulti-spot sensor
- 112112
- Objektivlens
- 114114
- Erste LinsengruppeFirst lens group
- 116116
- Zweite LinsengruppeSecond lens group
- 118118
- Ausbreitungsrichtungpropagation direction
- 120120
- Erster BeleuchtungslichtstrahlFirst illumination beam
- 122122
- Zweiter BeleuchtungslichtstrahlSecond illumination beam
- 124124
- Pupillepupil
- 126126
- Umlenkvorrichtungdeflecting
- 128128
- Erste MesspunkteFirst measuring points
- 130130
- Optische AchseOptical axis
- 132132
- Zweite MesspunkteSecond measuring points
- 134134
- Erster erster Messpunkt bzw. erster zweiter MesspunktFirst first measuring point or first second measuring point
- 136136
- Zweiter erster Messpunkt bzw. zweiter zweiter MesspunktSecond first measuring point or second second measuring point
- 138138
- Beleuchtungsvorrichtunglighting device
- 140140
- Geradenstraight
- 142142
- Rastergrid
- 144144
- Erste GeradeFirst straight
- 146146
- Zweite GeradeSecond straight
- 148148
- Sensorelementsensor element
- 150150
- Messvolumenmeasuring volume
- 152152
- Beleuchtungsblendelighting diaphragm
- 154154
- BeleuchtungsblendenlochelementLighting aperture hole element
- 156156
- Konfokalblendeconfocal diaphragm
- 158158
- KonfokalblendenlochelementKonfokalblendenlochelement
- 160160
- DetektionslichtstrahlDetection light beam
- 162162
- Transfervorrichtungtransfer device
- 164164
- Auswerteeinheitevaluation
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- FR 2950441 A1 [0004]FR 2950441 A1 [0004]
- US 8477320 B2 [0004]US 8477320 B2 [0004]
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