DE19648316C1 - Vorrichtung zur dreidimensionalen Untersuchung eines Objektes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Untersuchung eines Objektes nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 40 35 799 C2 bekannt. Dort wird ein Beleuchtungsraster mit einem Rastermaß auf ein Empfangerarray abgebildet, welches mit dem Rastermaß der lichtempfindlichen Bereiche des Empfängerarrays übereinstimmt oder ein ganzzahliges Vielfaches von diesem ist. Es wird die Blendenwirkung des Empfangerarrays ausgenutzt. Eine solche Anordnung hat den Nachteil, daß bei der Auswertung der aus verschiedenen Fokusebenen aufgenommenen Bilder zur Ermittlung der Tiefenwerte jeweils die Absolutwerte der Helligkeit ausgewertet werden und ihr Maximum bestimmt werden muß.

Aus JP 1-55513 A (02.03.89) ist eine Einrichtung bekannt, die geeignet ist, ein Mikroskop mit Auflichtbeleuchtung mit Hilfe eines Laserstrahles rasch zu fokussieren. Dazu wird eine Photodiode mit vier Empfängersegmenten eingesetzt und der mit Laser beleuchtete Objektpunkt über eine Optik mit Zylinderlinse auf einen 4-Quadrantenempfänger abgebildet. Dieses Prinzip unterscheidet sich jedoch in seiner Wirkung grundsätzlich von dem der Pupillenteilung, da kein fokussiertes Bild des Objektpunktes erzeugt wird. Zur raschen 3D-Vermessung ist die Einrichtung nach JP 1-55513 A ungeeignet.

In DD 2 65 224 A1 ist ebenfalls eine Einrichtung mit punktförmiger Objektbeleuchtung beschrieben, die jedoch jeweils nur gestattet, einen Objektort gleichzeitig zu vermessen. Sie ist zur raschen Messung großer Probenbereiche ebenfalls ungeeignet.

In DE 26 34 655 C2 ist eine Einrichtung zur Fokussierung einer Spiegelreflexkamera beschrieben. Sie ist für die Vermessung von 3D-Objekten ungeeignet.

Im Buch "Technische Optik" von Gottfried Schröder, Vogel-Verlag, 1977, S. 145 ist eine Einrichtung aus dem Bereich der Photographie beschrieben, die mit einem Doppelprisma arbeitet und zur Fokussierung einer Kamera dient. Da nur eine Objektstelle erfaßt wird, kann mit dieser Anordnung keine automatische Messung größerer Objektbereiche erfolgen.

Eine Einrichtung, die es gestattet, den Fokus eines einzelnen Meßpunktes mit einer Nullsignal-Detektion zu erfassen, ist aus der Firmendruckschrift "Microfokus, Berührungslos messen" der Fa. UBM Meßtechnik in D76275 Ettlingen bekannt geworden. Dort wird das Licht einer Laserdiode auf das zu beleuchtende Objekt abgebildet und das von diesem reflektierter Licht von einem Prismenpaar so aufgespalten: daß zwei Halbpupillen auf zwei Empfängerpaare abgebildet werden. Das Licht einer Laserdiode wird auf das zu vermessende Objekt abgebildet und das von diesem reflektierte Licht von dem Prismenpaar so aufgespalten, daß zwei Halbpupillen auf zwei Empfangerpaare abgebildet werden. Eine solche Anordnung liefert außerhalb der Fokusstellung ein Richtungssignal, das anzeigt in welcher Richtung die Lage des Meßobjektes von der Fokuslage abweicht. Allerdings wird jeweils nur ein einziger Punkt des Objektes erfaßt. Messungen mit einer derartigen Anordnung erfordern deshalb viel Zeit, besonders, wenn große Flächen des Objektes vermessen werden sollen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die es gestattet, den Fokus mit einer Nullsignal-Detektion zu bestimmen und dabei viele Meßpunkte gleichzeitig zu erfassen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 aufgezeigt.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß die Fokuslage der einzelnen Meßpunkte durch eine Nullsignal-Detektion bestimmt wird und daß sehr viele Meßpunkte gleichzeitig erfaßt werden. Dies geschieht kostengünstig, weil als Strahlungsempfänger Empfangerarrays, vorzugsweise CCD-Arrays und in der Prismenebene Prismenarrays eingesetzt werden, die zum Beispiel durch Formpressen kostengünstig hergestellt werden können.

Die Nullsignal-Detektion wird verwirklicht, indem die Anordnung des Empfängerarrays zu dem Prismenarray so gestaltet wird: daß im Fokusfalle das Bild des vom beleuchteten Punkt der Probe reflektierten und von einem Prisma abgelenkten Lichtes symmetrisch auf die Grenzlinie zwischen zwei Strahlungsempfängern (Pixeln) des Empfangerarrays fällt.

Die Anordnung nach der Erfindung unterscheidet sich von der Anordnung, wie sie in der Patentschrift DE 40 35 799 C2 geschildert ist, darin, daß dort die Blendenfunktion der arrayförmig angeordneten Strahlungsempfänger ausgenutzt wird: deren lichtempfindliche Bereiche durch Zwischenräume voneinander getrennt sind. Die Fokusdetektion erfolgt dort durch Auswertung des auf dem jeweiligen Pixel des Strahlungsempfangerarrays detektierten Intensitätsmaximums. Dazu wird eine Meßreihe aufgenommen, die Werte von mehreren verschiedenen z-Positionen des Objektes im Rechner abspeichert. Dieser bestimmt für jedes Pixel die z-Position, in der seine Intensität ihr Maximum hat. Sie liefert den zu ermittelnden Tiefenwert. Bei der vorliegenden Erfindung wird dagegen die Differenz der Signale von zwei benachbarten Pixeln des Empfängerarrays ausgewertet. Wo sie gleich Null ist, befindet sich die Fokusstellung: die den zu ermittelnden Tiefenwert liefert. Es kommen dabei Empfängerarrays zum Einsatz, die zwischen benachbarten Pixeln keine oder nur eine kleine lichtunempfindliche Zone aufweisen. Zur Detektion des Differenzsignals ist es bei der vorliegenden Erfindung vielmehr erforderlich, Empfängerarrays mit unmittelbar aneinander grenzenden lichtempfindlichen Bereichen zu verwenden. Deshalb unterscheidet sich die Anordnung nach der vorliegenden Erfindung ganz grundlegend von der in der genannten DE 40 35 799 C2 geschilderten.

Die Anordnung nach der Erfindung eignet sich besonders zur dreidimensionalen Vermessung mechanischer Teile im Auflicht und zur Aufnahme von 3D-Bildern von fluoreszierenden Objekten. Für mechanische Teile wird in an sich bekannter Weise im Strahlengang ein halbdurchlässiger Spiegel zur Trennung des Beleuchtungslichtes vom vom Objekt reflektierten Licht eingesetzt. Für Fluoreszenzanwendungen werden in an sich bekannter Weise ein dichroitischer Spiegel und gegebenenfalls auch Lichtfilter zur Trennung von Beleuchtungslicht und von durch Fluoreszenz vom Objekt ausgesendeten Licht eingesetzt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Fig. 1 bis 25 dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Ausführung, bei der das Beleuchtungsraster durch eine Glasplatte mit Löchern erzeugt wird,

Fig. 2 eine Glasplatte mit Löchern,

Fig. 3 ein Prismenpaar in der Seitenansicht,

Fig. 4 ein Prismenarray mit rechteckförmigen Prismenpaaren,

Fig. 5 ein Empfängerarray im gleichen Maßstab,

Fig. 6 ein Empfängerquadrupel mit Bildern des beleuchteten Punktes im Fokusfalle,

Fig. 7 ein Empfängerquadrupel mit Bildern des beleuchteten Punktes außerhalb der Fokuslage,

Fig. 8 mehrere Strahlenkegel in der Nähe des Empfängerarrays und ohne das Prismenarray perspektivisch,

Fig. 9 ein Strahlenkegel mit Prismenpaar und aufgespaltenem Strahl,

Fig. 10 eine Telezentrieblende ausgebildet als Vollpupille,

Fig. 11 eine Telezentrieblende ausgebildet als Ringpupille,

Fig. 12 ein Empfängerquadrupel mit Bildern des beleuchteten Punktes außerhalb der Fokuslage bei Verwendung einer Ringpupille,

Fig. 13 ein Prismenarray mit kreisförmig begrenzten Prismenpaaren und lichtundurchlässigen Zwischenräumen,

Fig. 14 ein Prismenarray wie in Fig. 13, bei dem zwei Prismenpaare gedreht angeordnet sind,

Fig. 15 eine Anordnung mit Beleuchtung der Löcher mit einem Linsenarray,

Fig. 16 eine Anordnung mit Lichtquellenarray zur Beleuchtung,

Fig. 17 eine Beleuchtungsanordnung zur Erzeugung des Punktrasters ohne Verwendung eines Lochrasters,

Fig. 18 eine Anordnung, bei der durch ein Linsenarray eine Blende vielfach in die Beleuchtungsebene abgebildet wird,

Fig. 19 ein Beispiel für eine Blende zur Anordnung nach Fig. 18,

Fig. 20 den Verlauf des Differenzsignals eines Strahlungsempfängerpaares in Abhängigkeit von der Fokusablage,

Fig. 21 und 22 ein mechanisches Teil, das als Beispiel zur Erläuterung der Meßstrategie dient und

Fig. 23 bis 25 die Lage verschiedener Bildfolgen in Bezug auf das zu vermessende Teil.

In Fig. 1 ist mit (11) eine Lichtquelle, z. B. eine Halogenlampe, bezeichnet, die mit Hilfe des Kondensors (11k), evtl. Über ein Filter (11f) (zur Aussonderung eines ausreichend schmalen Spektralbereiches), Löcher (12l) in einer Schicht (12s) beleuchtet. Eine derartige Schicht kann in bekannter Weise z. B. aus Chrom auf einer Glasplatte (12g) hergestellt werden. Die Löcher (12l) sind in der Schicht (12s) ebenso rasterförmig angeordnet wie die lichtempfindlichen Bereiche des Empfängerarrays (17). Wird z. B. ein Empfängerarray mit 512 × 512 Empfängern verwendet, die im Abstand von 11 µm rasterförmig angeordnet sind, dann enthält die Schicht 256 × 256 Löcher mit einem Abstand von 22 µm und mit einer Lochgröße von z. B. 4 µm × 4 µm. Die Löcher sind also erheblich kleiner als ihr Abstand. Der Abstand der Löcher bzw. Bereiche von Mitte zu Mitte wird als Rastermaß bezeichnet.

Das durch die beleuchteten Löcher (12l) in der Schicht (12s) erzeugte Beleuchtungsraster liegt in der Beleuchtungsebene (11b). Diese wird durch die Linsen (13o, 13u) in die Fokusebene (13f) abgebildet, so daß in letzterer das Objekt (14) mit rasterförmig angeordneten Lichtpunkten beleuchtet wird. Bei nicht transparenten Objekten kann nur die Oberfläche (14o) beleuchtet werden, während bei transparenten Objekten auch Schichten (14s) im Inneren mit den Lichtpunkten beleuchtet werden können. Die vom Objekt in der Fokusebene (13f) reflektierten Lichtstrahlen werden von den Linsen (13u, 13o) über einen Strahlteiler (16) in der Blendenebene (17b) fokussiert. Blenden werden in der Prismenebene (66) realisiert durch die Ränder der Prismenpaare, die durch Zwischenräume voneinander getrennt sind. Zwischen den Linsen (13o, 13u) ist üblicherweise eine sog. Telezentrie-Blende (13t) angeordnet, welche dafür sorgt, daß der Mittenstrahl (13m) parallel zur optischen Achse (10) auf das Objekt (14) trifft, so daß die Lage der Lichtpunkte auf dem Objekt sich nicht ändert, wenn das Objekt (14) in Richtung der optischen Achse (10) bewegt wird.

Der vorerwähnte Strahlteiler (16) ist für Auflichtanwendungen als halbdurchlässiger Spiegel ausgeführt. Für Fluoreszenzanwendungen wird in an sich bekannter Weise ein dichroitischer Spiegel eingesetzt.

Das Objekt (14) kann durch eine Verstellvorrichtung (15) in allen 3 Raumrichtungen bewegt werden, so daß verschiedene Schichten (14s) des Objektes (14) abgescannt werden können. Dabei kann die Bewegung in x- und y-Richtung kleiner gewählt werden als das Rastermaß der Lichtpunkte (12). Selbstverständlich kann die Bewegung des Objektes (14) in z-Richtung auch durch Verschieben der Linsen (13o, 13u) in Richtung der optischen Achse (10) erreicht werden und ebenso können anstelle der Bewegung des Objektes in x- und y-Richtung auch die Schicht (12s) mit den Löchern (12l) und das Empfängerarray (17) entsprechend bewegt werden.

Die Signale des Empfängerarrays (17) werden über die Verbindungsleitung (17v) in einen Computer (18) übertragen, der in bekannter Weise die Auswertung übernimmt und auf einem Bildschirm (18b) die Ergebnisse der Auswertung z. B. in Form von graphischen Darstellungen wiedergibt. Der Computer (18) kann auch über die Verbindungsleitung (18v) die Verschiebung der Fokusebene (13f) im Objekt und das Scannen in x- und y- Richtung steuern. Diese Steuerung kann im Computer als festes Programm vorliegen oder abhängig von den Ergebnissen der Auswertung erfolgen.

Fig. 2 zeigt eine Glasplatte (12g) in der Draufsicht, wobei ein Beleuchtungspunkt (12l) vergrößert herausgezeichnet ist. Die arrayförmige Anordnung der Beleuchtungspunkte ist nur angedeutet, in Wirklichkeit sind, wie schon erwähnt, in rasterförmiger Anordnung zum Beispiel 256 Zeilen mit je 256 Beleuchtungspunkten vorgesehen.

In Fig. 3 ist ein einzelnes Prismenpaar in seitlicher Ansicht wiedergegeben. Es besteht aus zwei keilförmigen Teilprismen (60a) und (60b): die gegenläufig zueinander angeordnet sind, so daß das auf verschiedene Teilprismen einfallende Licht in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt wird.

Fig. 4 zeigt ein Prismenarray (66) in der Draufsicht. Ein einzelnes Prismenpaar (60) ist vergrößert herausgezeichnet und besteht aus den gegenläufig angeordneten Prismen (60a) und (60b). Vorteilhaft ist es, ebenso viele Prismenpaare vorzusehen, wie Beleuchtungspunkte vorhanden sind.

Fig. 5 zeigt im gleichen Maßstab das zugehörige Empfängerarray (17). Jedem Prismenpaar ist ein Empfänger-Quadrupel (6) zugeordnet, das aus dem Empfängerpaar (8a, 8b) und dem Empfängerpaar (9a, 9b) und damit aus insgesamt vier Einzelempfängern (8a, 8b, 9a, 9b) besteht.

In Fig. 6 sind die Bilder (21, 2r) der beiden von einem Prismenpaar erzeugten Halbpupillen im fokussierten Zustand dargestellt. Man erkennt, daß die Fokusbilder symmetrisch auf die Empfängerpaare fallen, d. h., daß die Empfänger (8a) und (8b) gleichviel Licht bekommen. Das Gleiche gilt für die Empfänger (9a) und (9b).

Außerhalb des Fokus fällt jedoch auf einen der Empfänger eines Paares mehr Licht als auf den anderen. Das ist in Fig. 7 dargestellt. Der Empfänger 8b erholt mehr Licht als der Empfänger (8a) und der Empfänger (9a) erhält mehr Licht als der Empfänger (9b). Die Unsymmetrie kehrt sich um, wenn die Lage der Probe (14) in der anderen Richtung von der Fokusstellung abweicht. Dann bekommt der Empfänger (8a) mehr Licht als der Empfänger (8b) und der Empfänger (9b) erhält mehr Licht als der Empfänger 9a. So wird das Richtungssignal gewonnen. Es kann zum Beispiel genutzt werden, um Objekte (14), die größer sind als das Sehfeld der Anordnung, in an sich bekannter Weise scannend zu vermessen. Es ist auf diese Weise möglich, während der Bewegung des Objektes (14) ein Signal der mittleren Abweichung vom Fokus zu errechnen und die z-Position des Objektes relativ zur Meßanordnung in einem Koordinatenmeßgerät so nachzuregeln, daß sie den Oberflächenkonturen des Objektes folgt. Geschieht dies mit einer definierten Geschwindigkeit, so daß der Rechner jeweils die Kontrolle darüber hat, auf welche Empfänger die im Sehfeld befindlichen Teilgebiete des Objektes zu unterschiedlichen Zeitpunkten abgebildet werden, gelingt es, in einer Art Schleppe einen ganzen Streifen des Objektes rasch zu erfassen und das Höhengebirge aus den registrierten Daten auszuwerten.

Fig. 8 und Fig. 9 dienen dem Zweck, den Strahlengang, wie er von den Prismen aufgespalten wird, im einzelnen zu erläutern. Zunächst ist es wichtig, das Prismenarray in einem geeigneten Abstand vor dem Empfängerarray anzuordnen. Das wird an Fig. 8 klar, die die Strahlenkegel von mehreren simultan beleuchteten Objektpunkten vor dem Detektorarray und ihre Mittellinien (81) zeigt. Im Bereich (87) verlaufen die Strahlenkegel überlappend, während sie im Bereich (86) getrennt voneinander verlaufen. Das Prismenarray wird zweckmäßig etwa in der Mitte (86m) des Bereiches (86) angeordnet. Dann ist der Abstand zwischen den Lichtkegeln groß genug und der Abstand zum Empfängerarray ist ebenfalls ausreichend. Er wird benötigt, damit die beiden Teilbilder der Pupille weit genug versetzt auf das Empfängerraster gelangen.

Fig. 9 zeigt einen der Strahlenkegel mit seiner Mittellinie (81) und ein Prismenpaar bestehend aus den Prismen (60a) und (60b). Die beiden von der Mittellinie (81) seitlich versetzten Bilder (82) und (83) des durch den Kegel einfallenden Lichtes sind im dargestellten Beispiel im Fokus, also scharf auf die Empfängerebene (17b) abgebildet. Ebenfalls zu erkennen ist die seitliche Versetzung (2s) der beiden Fokuspunkte.

Fig. 10 zeigt die Vollpupille der Telezentrieblende. Sie liegt den bisherigen Erläuterungen zugrunde. Da die Mittenstrahlen zur z-Auflösung wenig beitragen, kann es jedoch vorteilhaft sein, sie mit einer Ringblende auszublenden. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 11 abgebildet. Nur der Ring (4t) ist lichtdurchlässig, so daß die zentrumsnahen Lichtstrahlen nicht mit abgebildet werden. Der Dynamikbereich des Strahlungsempfängerarrays kann so besser ausgenutzt werden, so daß außerhalb der Fokuslage ein größeres Abweichungssignal entsteht.

Fig. 12 veranschaulicht das. Sie zeigt die Bilder der Halbpupillen in einer Stellung, in der der zugehörige Objektpunkt sich außerhalb des Fokus befindet, wobei die Bilder der Halbpupillen eine Halbmondform haben. Das kann erhebliche praktische Vorteile haben, weil so bei gleicher Aussteuerung das Ablagesignal: d. h., die Differenz des die beiden Empfänger eines Paares treffenden Lichtes, größer ist, als es bei Verwendung einer Vollpupille wäre.

Fig. 13 zeigt eine andere Ausführungsform des Prismenarrays. Die Prismenpaare (64) auf dem Prismenarray (68) sind hier kreisförmig begrenzt und jedes der beiden Prismen (64a) und (64b) füllt einen Halbkreis aus. Die Zwischenräume (88) sind lichtundurchlässig. So wird ein Teil des Lichtes, das von weit außerhalb des Fokus liegenden Objektpunkten stammt, vom Empfängerarray abgeschirmt. Dadurch wird eine Störsignalunterdrückung bewirkt. Diese Störsignalunterdrückung wird, wie sich aus den vorstehenden Darlegungen ergibt, durch eine Blendenfunktion bewirkt die von den Randbegrenzungen der kreisförmigen Flächen ausgeübt wird. Im Unterschied zur vorbekannten Anordnung nach DE 40 35 799 C2 geht die Blendenfunktion von dem erfindungsgemäßen Prismenarray aus und nicht vom Empfängerarray. Zudem ist die Blendenfunktion bei der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt erforderlich. Sie hat nur funktionsverbessernde Wirkung.

In Fig. 14 ist veranschaulicht, daß zwei Prismenpaare (65) um 90° gedreht gegenüber den übrigen angeordnet sind. So gelingt es, bei Objekten mit strukturierter Oberflache auch die Struktureigenschaften aufzunehmen. Richtungsabhängige Reflexionseigenschaften des Objektes können so erfaßt werden.

In Fig. 15 ist zwischen dem Kondensor (11k) bzw. dem Filter (11f) und der Schicht (12s) mit den Löchern (12l) ein Linsen-Array (22a) angeordnet, welches ebenso viele kleine Linsen (22l) enthält wie die Schicht (12s) Löcher (12l) hat. Die Linsen (22l) haben die Aufgabe, Bilder der Leuchtwendel der Lichtquelle (11) in die Löcher abzubilden und damit den Lichtpunkten eine größere Intensität zu geben.

Das Linsenarray (22a) und die Schicht (12s) mit den Löchern (12l) können - wie dargestellt - in einem gemeinsamen Teil (22g) vereinigt sein. Die Herstellung geeigneter Linsen-Arrays ist z. B. aus einer Veröffentlichung von K. Koizumi (SPIE Vol. 1128, 74 (1989)) bekannt.

Eine besonders vorteilhafte Realisierung des Beleuchtungsrasters ist in Fig. 16 dargestellt. Dort ist mit (31) ein Lichtquellen-Array bezeichnet, welches z. B. aus Lumineszenzdioden (LEDs) (31l) bestehen kann. Auch in diesem Fall kann es vorteilhaft sein, in der Beleuchtungsebene (11b) eine Schicht (32s) mit Löchern (32l) anzuordnen, damit die Lichtpunkte genügend kleine Abmessungen erhalten. Außer dem Objektiv (31o) für die Abbildung ist eine Feldlinse (31f) für die weitere Abbildung im Strahlengang zweckmäßig.

Vorteilhaft ist es, für das Beleuchtungsraster integrierte LED-Arrays zu verwenden, wie sie z. B. in einer Veröffentlichung von J. P. Donnelly (SPIE 1043, 92 (1989)) beschrieben sind. Derartige LED-Arrays haben den Vorteil, daß definierte Teilmengen der LEDs ein- und ausgeschaltet werden können. In beiden Fallen kann das Ein- und Ausschalten vom Computer (18) über die Schaltvorrichtung (19) gesteuert werden.

Der in den Fig. 1, 15 und 16 dargestellte Strahlengang zwischen Beleuchtungsebene (11b), Fokusebene (13f) und Blendenebene (17b) ist nur eine spezielle Ausführungsform von mehreren bekannten Strahlengängen, bei denen die Erfindung in für den Fachmann sofort erkennbarer Weise angewendet werden kann. Außerdem ist auch bei dem dargestellten Strahlengang eine Abbildung der Beleuchtungsebene (11b) in die Fokusebene (13f) im Maßstab 1 : 1 keineswegs notwendig. Vielmehr ist dabei nicht nur - wie von Mikroskopen bekannt - eine Verkleinerung sondern auch eine Vergrößerung möglich, weswegen in der Überschrift auch nicht die Bezeichnung Mikroskop verwendet wurde.

In der Fig. 17 wird das Beleuchtungsraster durch ein Linsen-Array (53) erzeugt welches durch ausreichend gute Abbildungseigenschaften von einer nahezu punktförmigen Lichtquelle (51) ausreichend kleine Lichtpunkte (54) in der Beleuchtungsebene (11b) herstellt. Die Kondensorlinse (52) bewirkt, daß das Linsenarray (53) von einem Parallelbündel durchsetzt wird, so daß jede einzelne Linse (53l) optimal benutzt wird.

Fig. 18 zeigt eine Anordnung bei der durch ein Linsenarray (53) eine Blende (61) vielfach in die Beleuchtungsebene (11b) abgebildet wird. Diese Blende wird über den Kondensor (62) und die Streuscheibe (63) von der Lichtquelle (11) beleuchtet. Als Blende sind die verschiedensten Ausführungsformen möglich. Als Beispiel zeigt die Fig. 19 eine Blende (61) mit quadratischer Begrenzung des lichtdurchlassigen Bereiches (71) und einem lichtundurchlassigen Zentrum (72) für ein Beleuchtungsraster.

Fig. 20 zeigt schematisch den Verlauf (103) des Differenzsignals von einem Sensorpaar in Abhängigkeit von der Fokuslage. Es ist erkennbar, daß das Signal im Focus (100) gleich Null ist und in einem Bereich (101) bis (103) annähernd linear verläuft. Über einen Eichprozeß kann die Steigung in Bezug auf die Fokusablage bestimmt werden und der Fokusort auch ohne Abtastung der Fokusebene selbst rechnerisch im Computer bestimmt werden. Dies ist ein ganz wesentlicher Vorteil gegenüber den bekannten konfokalen Anordnungen.

Fig. 21 und 22 zeigen ein mechanisches Teil (105) in zwei Ansichten, das als Beispiel für die Erläuterung vorteilhafter Meßstrategien dient.

In Fig. 23 ist der Schnitt A-A durch das Teil (105) vergrößert wiedergegeben und die Folge verschiedener Bildebenen (110), die in der Fokusrichtung (z-Richtung) übereinander liegen, ist dargestellt.

Fig. 24 zeigt wie Fig. 23 eine weitere Folge (110) verschiedener übereinander liegender Bildebenen zur Vermessung eines anderen Bereiches des mechanischen Teiles (105).

In Fig. 25 ist eine Folge 1. bis 22. von Bildebenen dargestellt, von denen einige (5. bis 11.) übereinander liegen und andere (z. B. 11. bis 22.) schräg überlappend angeordnet sind. Die Aufnahme schräg überlappender Bilder ist unter anderem vorteilhaft, wenn das Meßgerät, in dem der Sensor nach der Erfindung verwendet wird, nicht über einen schnellen Antrieb zur x-y-Bewegung des Sensors relativ zum Objekt bzw. des Objektes relativ zum Sensor verfügt. So können die Verschiebungen diekontinuierlich oder quasi-kontinuierlich erfolgen, ohne daß ein schneller Antrieb, der hohe Beschleunigungen und rasches Anhalten ermöglicht, benötigt würde. Ohne Einbußen an Meßgeschwindigkeit können so kostengünstigere Meßsysteme gebaut werden.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur dreidimensionalen optischen Untersuchung eines Objektes:

• - mit einem in einer Beleuchtungsebene (11b) angebrachten, regelmäßigen, zweidimensionalen Beleuchtungsraster (12l), das eine Vielzahl von Leuchtpunkten zur Beleuchtung eines zu beobachtenden Objektes (14) erzeugt
• - mit einer Objektivanordnung (13u), die das Beleuchtungsraster (12l) in eine Fokusebene (14s) am Ort des Objektes (14) und das von dort abgestrahlte Reflexlichtraster in eine zu dem Beleuchtungsraster (12l) optisch konjugiert angeordnete Empfängerebene (17b) abbildet,
• - und mit einem zweidimensionalen Empfängerarray (17) mit voneinander getrennten und den Punkten des Reflexlichtrasters zugeordneten, lichtempfindlichen Bereichen, welche die von der Objektivanordnung (13u) übertragenen Reflexlichtpunkte registrieren,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß vor dem Empfängerarray (17) ein dem Empfängerarray (17) zugeordnetes, zweidimensionales und regelmäßiges Prismenraster (66) angeordnet ist, das aus keilförmigen, das Licht seitlich ablenkenden Prismen (60a; 60b) besteht und von dem Reflexlichtraster mit dem Rastermaß des Prismenrasters (66) beleuchtet wird, so daß einem jeden Prisma (60a; 60b) ein bestimmter Reflexlichtpunkt des Reflexlichtrasters zugeordnet ist,
• - daß das Prismenraster (66) in einem Abstand von dem Empfängerarray (17) angeordnet ist, bei dem für jedes Prisma (60a; 60b) das von dem diesem Prisma (60a; 60b) zugeordneten Reflexlichtpunkt im Fokus der Objektivanordnung (13u) ausgehende Reflexlicht in die von diesem Prisma (60a; 60b) vorgegebene Apertur fällt,
• - daß die lichtempfindlichen Bereiche des Empfängerarrays (17) unmittelbar aneinander angrenzen und einem jeden Prisma (60a; 60b) wenigstens zwei Empfängerpixel (8a, 8b; 9a, 9b) zugeordnet sind und der zu einem Prisma (60a; 60b) gehörige Reflexlichtpunkt im Fokus der Objektivanordnung (13u) symmetrisch zwischen die zu diesem Prisma (60a; 60b) gehörigen Empfängerpixel abgebildet wird und außerhalb des Fokus diese Empfängerpixel um so unsymmetrischer beaufschlagt werden, je weiter der zugehörige Reflexlichtpunkt außerhalb des Fokus liegt
• - und daß ein Computer (18) für unsymmetrisch beaufschlagte Empfängerpixel (8a, 8b; 9a, 9b) aus deren entgegengesetzten Signalwerten anhand des Nulldurchgangs (100) zwischen diesen beiden Signalwerten individuell für den jeweils zugehörigen Reflexlichtpunkt dessen Abweichung von der Fokuslage und damit dessen Tiefenwert ermittelt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prismen des Prismenrasters (66) einander paarweise zugeordnet sind und die beiden Prismen eines jeden Prismenpaares (65) jeweils unmittelbar nebeneinander liegend angeordnet sind, wobei ihre Keilrichtungen jeweils entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Prismenpaare (65) senkrecht oder unter einem vorgegebenen Winkel paarweise zueinander ausgerichtet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Beleuchtungsraster (12l) und der Objektivanordnung (13u) eine als Ringblende (4t) ausgebildete Telezentrieblende (13t) in den Strahlengang eingebracht ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflexlicht zu dem Empfängerarray (17) hin von einem zwischen dem Beleuchtungsraster (12l) und der Objektivanordnung (13u) angeordneten Transmissionsstrahlteiler (16) in Reflexion ausgekoppelt wird, wobei der Transmissionsstrahlteiler (16) wahlweise als dichroitischer Spiegel ausgebildet ist und Fluoreszenzlicht des zu beobachtenden Objektes (14) auskoppelt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Datenspeicher vorgesehen sind, in denen digitalisierte Höhenwerte des Objektes ablegbar sind.