FI125408B - Menetelmä ja mittalaite pinnan etäisyyden, kohteen paksuuden ja optisten ominaisuuksien mittaamiseksi - Google Patents

Description

Menetelmä ja mittalaite pinnan etäisyyden, kohteen paksuuden ja optisten ominaisuuksien mittaamiseksi

Keksinnön kohteena on mittausmenetelmä ja -laitteisto mitattavan kohteen pinnan korkeuden, paksuuden ja optisten ominaisuuksien määrittämiseksi optisella mittalaitteella.

Teollisissa prosesseissa on tarve mitata jonkin tuotteen pinnanmuotoa tai sen paksuutta tuotantoprosessiin kytkettynä mittauksena. Tällöin mittauksen kohteena oleva tuote, esimerkiksi kalvomainen materia, liikkuu mittauspisteen ohi. Esimerkkejä tällaisista tuotteista ovat paperi, valssattu metallinauha tai muovikalvo. Kaikkien näiden tuotteiden valmistusprosessissa tuotteen pinnanmuodon mittaus voidaan suorittaa esimerkiksi mekaanisesti pintaan koskettavalla anturilla. Pintaa koskettava anturi voi kuitenkin vahingoittaa pintaa tavalla, jota loppukäyttäjä ei sal li. Tämän vuoksi on kehitetty erilaisia sähköisiä ja optisia mittalaitteita. Optisessa pinnan mittauksessa voidaan käyttää kromaattista aberraatiota. Tällaisessa mittausjärjestelmässä mitattavaan pintaan fokusoidaan valoa optisen elementin läpi, jonka polttoväli on tunnetulla tavalla riippuvainen valon aallonpituudesta. Pinnasta heijastunut valo kerätään joko samalla valaisuun käytetyllä optisella elementillä tai toisella optisella elementillä detektorille. Detektorin vastaanottaman signaalin aallonpituudet analysoidaan ja voimakkaimman signaalin vastaanottanut spekt-rinosan ilmaistaan. Kun tiedetään, missä tämän aallonpituuden polttopiste mittaussysteemissä on, voidaan heijastuspisteen paikka määrittää.

Laserkolmiomittauksessa pistemäisen tai viivamaisen laserviivan paikka muuttuu mitattavan kohteen etäisyyden mukaan. Menetelmässä kohdetta valaistaan laserilla ja laservalo heijastuu pinnasta. Heijastuneen valon paikka anturilla vastaa tiettyä pinnan korkeutta. Mikäli kohde on läpikuultava, niin silloin molemmista rajapinnoista saadaan erillinen heijastuma. Heijastumien paikat anturilla kuvaavat tässä tapauksessa kohteen paksuutta.

Jonkin kohteen pinnan muotoja voidaan mitata myös optisella koherentilla tomografialla (OCT). Menetelmässä pinnanmuodon mittaus perustuu laserilla aikaansaadun valon interferenssikuvioon, kun se kohtaa mitattavan pinnan.

Keksinnön tavoitteena on esittää optinen mittausjärjestely ja mittausmenetelmä, jossa kohteen pinnan korkeus tai paksuus ja kohteen optiset ominaisuudet mitataan optisesti konfokaaliperiaatetta käyttäen.

Keksinnön tavoitteet saavutetaan optisella mittalaitteella, mittausjärjestelyllä ja mittausmenetelmällä, jossa valaisussa hyödynnetyn valoalueen geometrinen muoto fokusoidaan valaisuoptiikalla virtuaaliselle mittauspinnalle, joka leikkaa mitattavan kohteen pinnan. Samalle virtuaaliselle mittauspinnalle on fokuksessa myös kuvausoptiikka, joka vastaanottaa mitattavan kohteen pinnasta heijastuneen ja/tai sironneen valon. Vastaanotetusta valosta ilmaistaan paikkaherkällä detektorilla intensiteettiprofiili, josta on löydettävissä heijastuskohdan aikaansaama signaali-maksimi, joka on kalibroitu vastaamaan heijastuskohdan korkeutta mitattavassa kohteessa. Kohteen pinnan optisten ominaisuuksien määrittämiseksi mitataan lisäksi määritetyssä maksimiheijastuskohteessa myös vastaanotetun valon intensiteettiprofiili kohtisuorassa suunnassa paikkamittauksen mittausakseliin nähden.

Keksinnön etuna on, että mittalaitteen optiikka on rakenteellisilta osiltaan yksinkertainen ja halpa.

Edelleen keksinnön etuna on, että mittauksessa valaisun ja kuvauksen fokuksen syväterävyysalue on mielivaltaisen pieni, esimerkiksi mikrometrejä, vaikka mitattava etäisyysalue on esimerkiksi kymmenen millimetriä.

Edelleen keksinnön etuna on, että keksinnössä voidaan hyödyntää maksimaalista valotehoa, koska sekä valaisun että kuvauksen kulma-avaruus on suuri. Suuri kulma-avaruus mahdollistaa mittauksen kiiltävistä pinnoista suurella kulma-alueella.

Edelleen keksinnön etuna on, että se on täysin optinen ja pintaa koskematon mittauslaite, joka kykenee mittaamaan yhtä aikaa useita mittauspisteitä mikrometrin osien resoluutiolla myös hyvin nopeasti liikkuvista kohteista.

Edelleen keksinnön etuna on, että se soveltuu myös mattamaisille, kiiltäville sekä läpinäkyville materiaaleille.

Edelleen keksinnön etuna on, että läpinäkyvien kappaleiden paksuuden mittaus voidaan suorittaa yhdeltä puolen mitattavaa pintaa.

Edelleen keksinnön etuna on, että sen avulla voidaan toteuttaa laboratoriossa perinteisesti tehtyjä laaduntarkastusmittauksia reaaliajassa suoraan tuotantolinjalla, jolloin mittaustietoa voidaan käyttää prosessin säätöön.

Keksinnön mukaiselle optiselle pinnankorkeuden mittalaitteelle, joka käsittää - optisen valolähteen - valaisuoptiikan, joka suuntaa valolähteen valoa mitattavaan kohteeseen - kuvausoptiikan, joka on järjestetty keräämään mittauskohteesta heijastunutta tai sironnutta valoa kuvausyksikölle - kuvausyksikön, joka on järjestetty ilmaisemaan mittauskohteesta tulevan valon intensiteettijakauma, on tunnusomaista, että - valolähde koostuu yhdestä tai useammasta viivamaisesta tai pistemäisestä va-lolähdealueesta, jotka on järjestetty tuottamaan valoa ainakin jollakin aallonpituudella - kuvausyksikkö käsittää valoanturin, joka koostuu yhdestä tai useammasta viivamaisesta, pistemäisestä tai aluemaisesta ilmaisinalueesta, jotka sisältävät vastinpisteitä Ki(R)->Kn(R) valolähteen valolähdealueen käsittämille pisteille Ki(S)->Kn(S), joka kuvausyksikkö on järjestetty määrittämään valon intensiteettiarvot ainakin osalle ilmaisinalueen vastinpisteistä Ki(R)->Kn(R) sekä määrittämään mitattavan pinnan paikka valon intensiteettimaksimin KX(R) paikasta ilmaisinalueella, ja että - valaisuoptiikka ja kuvausoptiikka on järjestetty muodostamaan yhteinen fokus-pinta virtuaaliselle mittauspinnalle siten, että virtuaalisella mittauspinnalla valaisuoptiikan muodostama kuva valolähteen valolähdealueesta on päällekkäinen kuvausoptiikan ilmaisinalueen vastinpisteistä muodostaman kuvan kanssa ainakin jollain valaisinoptiikan tai kuvasoptiikan yhteisellä aallonpituudella λ tai apertuuri-kulmalla Θ.

Keksinnön mukaiselle optiselle paksuudenmittauslaitteelle, joka käsittää ensimmäisen optisen mittalaitteen ensimmäisen pinnan mittaamiseksi ja toisen optisen mittalaitteen toisen pinnan mittaamiseksi, on tunnusomaista, että ensimmäinen mittalaite on järjestetty mittaamaan kohteen yläpinnan korkeus ja toinen mittalaite on järjestetty mittaamaan kohteen alapinnan korkeus ja että mittaustulosten ero on järjestetty indikoitavaksi mittausjärjestelyssä kohteen paksuutena.

Keksinnön mukaiselle optiselle pinnankorkeuden mittausmenetelmälle, jossa kohteen pinnan optinen valaisu ja optinen kuvaus toteutetaan kaksiakselisesti siten, että sekä valaisu että kuvaus kohdistuu pintaan eri suunnasta, on tunnusomaista, että kuvaus ja valaisu toteutetaan konfokaalisesti virtuaaliselle mittauspinnalle, joka leikkaa kohteen pinnan, ja että kohteen pinnankorkeus indikoidaan kuvausyk-sikön vastaanottaman kohteen pinnasta heijastuneen valon intensiteettimaksimin paikasta KX(R) kuvausyksikön kuva-anturissa.

Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

Keksinnön perusajatus on seuraava: Keksintö käsittää optisen järjestelyn, jossa pintaa valaistaan valaisujärjestelyllä ja kuvataan erillisellä kuvausjärjestelyllä. Valaisu ja kuvaus on toteutettu kaksiakselisesti siten, että valaisu kohdentuu pintaan eri suunnasta kuin kuvaus. Valaisujärjestelyssä valolähteellä valaistaan lähtöele-menttiä, joka voi käsittää joko lähtöraon/lähtörakoja tai aallonpituuskaistasuodat-timen (Linear Variable Filter; LVF) valoalueen aikaansaamiseksi. Valoalue voidaan aikaansaada myös erillisillä lähtöelementtiin kiinnitetyillä valokomponenteil-la, kuten ledeillä. Lähtörakojen, aallonpituuskaistasuodattimen tai ledien luoma valoalueen ulkomuoto fokusoidaan virtuaaliselle mittauspinnalle, joka leikkaa mitattavan kohteen pinnan. Samaa virtuaalista mittauspintaa kuvataan toisesta suunnasta kuvausoptiikalla, jonka fokuspisteet sijaitsevat myös mainitulla virtuaalisella mittauspinnalla. Virtuaalinen mittauspinta voi käsittää pinnan pisteet, viivas-ton pinnalla tai mittapistejoukon mainitulla pinnalla. Kuvausjärjestelyssä tietystä valaisulle ja kuvaukselle yhteisestä fokuspisteestä, joka on mitattavan kohteen pinnalla, heijastunut mittasignaali osuu aina tiettyyn kohtaan kuva-anturia. Kuva-usoptiikan kuva-anturille muokkaaman kuvatiedon sisältämän intensiteettimaksimin paikasta määritetään kohteen pinnankorkeus.

Valaisu- ja kuvausjärjestelyjen fokuspisteet on järjestetty mitattavaa pintaa leik-kaavalle virtuaaliselle mittauspinnalle. Mittauspinta voi olla taso, joka voi olla kohtisuorassa mitattavaa pintaa vasten, mutta tämä ei ole kuitenkaan välttämätöntä. Kuvaus ja valaisu on toteutettu konfokaalisesti siten, että sekä valaisuoptiikan fokuspisteet että kuvausoptiikan muodostamat fokuspisteet yhtenevät virtuaalisella mittauspinnalla siten, että yksittäinen, mittauspinnalla fokuksessa oleva valoläh-dealueen piste fokusoituu yhdelle kuvausoptiikan ilmaisimen vastinpisteelle. Tällä järjestelyllä mitattavan kohteen pinta osuu aina johonkin keksinnön mukaisen optisen järjestelyn monista valaisuoptiikoista ja kuvausoptiikalle yhteisistä fokuspis-teistä (konfokaalinen mittausperiaate). Fokuspisteessä tapahtuva optisen signaalin heijastus on moninkertainen verrattuna muihin kohteen pinnasta tapahtuviin heijastuksiin, jotka etenevät kuvausoptiikan läpi ilmaisinvälineille. Fokuspisteestä heijastuneen mittasignaalin paikka indikoidaan kuvausjärjestelyyn sisältyvällä valoherkällä anturilla. Indikoitu pisteen paikka anturilla on kalibroitu vastaamaan tiettyä mitattavan kohteen pinnankorkeutta.

Kohteen pinnan optisten ominaisuuksien määrittämiseksi mitataan edullisesti määritetyssä maksimiheijastuskohdassa myös vastaanotetun valon intensiteetti-profiili paikkamittausakselin suunnasta poikkeavassa suunnassa ainakin yhdessä pisteessä. Tämän intensiteettiprofiilin muoto määräytyy mitattavan kohteen pinnan ominaisuuksista. Tästä profiilista voidaan saada selville esimerkiksi pinnan kiilto-aste. Kiiltoaste voidaan indikoida esimerkiksi mittaamalla valon intensiteetti yhdessä tai useammassa pisteessä paikkamittausakselin ulkopuolelta maksimihei-jastuskohdan ympäristössä.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1a esittää esimerkinomaisesti keksinnön mukaisen optisen mittalaitteen yleistä rakennetta, kuva 1b esittää esimerkin keksinnön mukaisen optisen mittalaitteen toimintaperiaatteesta, kuva 1c esittää esimerkinomaisesti keksinnön mukaisen optisen mittalaitteen soveltamista paksuudenmittaukseen tapauksessa, jossa valo ei läpäise mitattavaa kohdetta, kuva 2a esittää esimerkinomaisesti keksinnön ensimmäisen suoritusmuodon mukaisen mittalaitteen periaatteellista toteutusta, kuva 2b esittää kuvan 2a optisella mittalaitteella läpinäkyvän kalvon mittaustuloksen, kuva 2c esittää esimerkinomaisesti keksinnön toisen suoritusmuodon mukaisen mittalaitteen periaatteellista toteutusta, kuva 2d esittää kuvan 2c optisella mittalaitteella tehdyn läpinäkyvän kalvonpak-suuden mittaustuloksen, kuva 2c2 esittää kuvan 2c optisella mittalaitteella tehdyn kalvon optisia ominaisuuksia kuvaavan mittaustuloksen, kuva 2d esittää esimerkkejä kuvassa 2a esitetyn optisen mittalaitteen lähtöele-menttiin muodostetuista valoalueista, kuva 2e esittää esimerkinomaisesti erään keksinnön mukaisen mittausjärjestelyn, jossa valaisuoptiikan ja kuvausoptiikan fokustasot on kohdistettu tosiinsa kallistamalla lähtöelementtiä ja tuloelementtiä, kuva 2f esittää kuvan 2e optisen mittausjärjestelyn simulointitulokset peilipinnalla ja diffuusilla pinnalla, kuva 3 esittää esimerkinomaisesti keksinnön kolmannen suoritusmuodon mukaisen mittalaitteen periaatteellisen optisen toteutuksen, jossa fokus-alueet kohdennetaan kromaattista aberraatiota hyödyntäen, kuva 4 esittää esimerkinomaisesti keksinnön neljännen suoritusmuodon mukaisen mittalaitteen periaatteellisen optisen toteutuksen, jossa fokus-alueet kohdennetaan palloaberraatiota hyödyntäen, kuva 5a esittää esimerkinomaisesti lähtöelementin toteutuksen, jossa on hyödynnetty muuttuvapaikkaista aallonpituuskaistasuodatinta, kuva 5b esittää esimerkinomaisesti keksinnön viidennen suoritusmuodon mukaisen mittalaitteen periaatteellisen optisen toteutuksen, jossa hyödynnetään muuttuvapaikkaista aallonpituuskaistasuodatinta sekä valaisussa että kuvauksessa, kuva 5c esittää esimerkinomaisesti keksinnön viidennen suoritusmuodon mukaisen mittalaitteen periaatteellisen optisen toteutuksen perspektiivikuvana, kuva 6a esittää esimerkinomaisesti keksinnön kuudennen suoritusmuodon mukaisen mittalaitteen optisen toteutuksen sivulta nähtynä, jossa hyödynnetään sekä muuttuvapaikkaista aallonpituuskaistasuodatinta että kromaattista aberraatiota, kuva 6b esittää esimerkinomaisesti keksinnön viidennen tai kuudennen suoritusmuodon mukaisen mittalaitteen optiikan periaatteellisen toteutuksen ja kuva 7 esittää esimerkinomaisesti keksinnön mukaisen kohteen pinnan ja optisten ominaisuuksien mittausmenetelmän päävaiheita.

Seuraavassa selityksessä olevat suoritusmuodot ovat vain esimerkinomaisia, ja alan ammattilainen voi toteuttaa keksinnön perusajatuksen myös jollain muulla kuin selityksessä kuvatulla tavalla. Vaikka selityksessä voidaan viitata erääseen suoritusmuotoon tai suoritusmuotoihin useissa paikoissa, niin tämä ei merkitse sitä, että viittaus kohdistuisi vain yhteen kuvattuun suoritusmuotoon tai että kuvattu piirre olisi käyttökelpoinen vain yhdessä kuvatussa suoritusmuodossa. Kahden tai useamman suoritusmuodon yksittäiset piirteet voidaan yhdistää ja näin aikaansaada uusia keksinnön suoritusmuotoja.

Seuraavassa esitetään eräitä keksinnön suoritusmuotoja, joissa hyödynnetään konfokaalista mittausperiaatetta. Kuvatuissa suoritusmuodoissa kohteen pinnan valaisu ja kuvaus toteutetaan kaksiakselisesti eri suunnista. Siten saadaan synnytettyä virtuaalinen mittauspinta, johon sekä kuvausoptiikalla että mittausoptiikalla synnytetään lukuisia mainituille optiikoille yhteisiä fokuspisteitä (fokuspisteiden mittausviivastoja ja/tai mittauspistejoukkoja). Kun mitattava kohde leikkaa virtuaalisen mittauspinnan, niin yksi valaisu-ja kuvausoptiikalle yhteinen virtuaalisen mit-tauspinnan fokuspiste osuu kyseiselle pinnalle. Tästä yhteisestä fokuspisteestä syntyvän voimakkaan heijastuksen paikka indikoidaan kuvausoptiikkaan kuuluvalla valoanturilla ja muutetaan kohteen pinnan korkeustiedoksi.

Kuvassa 1a on esitetty keksinnön mukaisen, konfokaalista periaatetta hyödyntävän mittausjärjestelyn periaatteellinen rakenne. Mitattavan kohteen 2 pintaa 2a leikkaamaan projisoidaan virtuaaliselle mittauspinnalle edullisesti valolähdealu-een geometrinen muoto, ja tätä kuvaa monitoroidaan vastaanotinoptiikalla, jossa mitattavasta kohteesta heijastuneen valon valojakauma mitataan valoanturilla. Va-loanturin valojakaumaan syntyy intensiteettimaksimit niihin kohtiin, jotka vastaavat kohteen pinnan ja virtuaaliselle mittauspinnalle projisoidun valoalueen kuvan leikkauspisteitä. Pinnan etäisyys määritetään valoanturin määrittämän valojakauman intensiteettimaksimin paikasta. Jos pinta käsittää useita valoa osittain läpäiseviä ja heijastavia pintoja, kuten esimerkiksi muovikalvo tai lasilevy, menetelmä synnyttää näistä pinnoista kustakin oman erillisen intensiteettimaksimin, ja kalvon paksuus voidaan määrittää näiden intensiteettimaksimien paikkojen eron perusteella.

Kuvan 1a mittausjärjestely 1 käsittää toisistaan kuvassa 1a selkeyden vuoksi erillisinä piirretyt optiset lähetinosat 10 ja 11 ja optiset vastaanotinosat 12 ja 13. Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että mittalaitteen osat voivat muodostaa yhden tai useamman laitekokonaisuuden erillisten osien asemesta, jolloin mittausjärjestely 1 on optinen mittalaite.

Keksinnön mukainen mittausjärjestely 1 käsittää edullisesti optisen valaisuyksikön 10, joka voi käsittää erillisen valolähteen ja optisen lähtöelementin valolähdealu-een aikaansaamiseksi. Valolähde 10 on edullisesti kallistettu kulman β verran valaisun optisen akselin 11a suhteen. Optinen lähtöelementti voi olla edullisesti rako tai diafilmin kaltainen valoa läpäisevä maski. Kun siihen kohdistetaan valoa, valaisuyksikön 10 valolähteestä valo etenee raon läpi. Valolähdealueen kuva, josta erottuu lähtöelementin muoto tai sen muokkaama intensiteetti- tai aallonpituusja-kauma, syntyy, kun valaisuoptiikka 11 kuvaa 11b sen valolähdealueen kuvaksi virtuaaliselle mittauspinnalle 3. Valaisuoptiikan 11 ominaisuudet, kuten esimerkiksi tulokulma-alue ja suurennus, lisäksi määrittävät sen, mitä piirteitä lähtöelementin 102 valoalueesta kuvautuu virtuaaliselle mittauspinnalle 3. Valaisuoptiikan optista akselia esitetään viitteellä 11a.

Mittausjärjestely 1 käsittää lisäksi kuvausoptiikan 12 ja kuvausyksikön 13. Kuva-usyksikkö 13 käsittää edullisesti optisen tuloelementin ja valoanturin, joka edullisesti voi olla CCD-kenno. Kuvausoptiikan 12 optista akselia esitetään viitteellä 12a. Tuloelementille kuvautuu kuvausoptiikalla 12 virtuaaliselle mittauspinnalle 3 valaisuoptiikalla 11 muodostettu valolähdealueen kuva. Tätä tuloelementille syntyvää kuvausta on esitetty viitteellä 12b.

Optisella säteilyllä tarkoitetaan tässä hakemuksessa sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituuskaista sijoittuu välille ultravioletista säteilystä (aallonpituus noin 50 nm) infrapunaiseen säteilyyn (aallonpituus noin 1 mm). Valolähde 10 voi säteillä sovelluksesta riippuen joko valkoista valoa (kaikki näkyvät aallonpituudet) tai yhtä tai useampaa aallonpituutta. Valaisuoptiikka 11 kohdistaa valaisuyksiköstä 10 tulevan optisen säteilyn mitattavaan kohteeseen siten, että optisella lähtöele-mentillä 102 muodostettavan valoalueen eri osat fokusoidaan eri korkeuksille mitattavan pinnan 2 leikkaavalle virtuaaliselle mittauspinnalle 3. Tällöin osalla muokatuista valoalueen kuvan pisteistä fokuspiste voi kohdistua mitattavan kohteen pinnan yläpuolelle ja osalla kohteen sisään (pinnan 2a alle).

Heijastumisella tarkoitetaan tässä hakemuksessa peiliheijastusta ja hajaheijastus-ta (sirontaa), joissa heijastuminen voi tapahtua sileästä pinnasta tai karheasta pinnasta. Lisäksi heijastumisella tarkoitetaan tässä hakemuksessa myös mitattavan kohteen sisältä siroavaa, taittuvaa ja heijastuvaa säteilyä.

Sekä mittausjärjestelyn optiset valaisuvälineet että optiset kuvausvälineet on järjestetty määrittämään molempien fokuspisteet virtuaaliseen mittauspintaan 3 siten, että lähetin- ja vastaanotinoptiikka fokusoivat valaisu- ja kuvausalasta eri pis teitä tunnetulla tavalla virtuaalisella mittauspinnalla 3 eri paikkoihin. Tällöin mitta-uspinnalla 3 löytyy aina vastinepiste jokaiselle sekä valaisuoptiikalla että kuva-usoptiikalla synnytetylle fokuspisteelle. Kun mittavan kohteen pinta 2 on tietyssä virtuaalisen mittauspinnan 3 fokuspisteessä, niin siitä syntyvä heijastus on erittäin voimakas verrattuna muista pinnan 2 pisteistä heijastuneeseen valoon. Kuva-usoptiikalla 12 muokataan mittavan kohteen pinnasta 2 heijastunutta valoa 12b, joka ohjataan kuvausyksikön 13 tuloelementtiin, jonka läpäisseen valon intensiteetin maksimin paikka ilmaistaan valoanturilla ja paikkatieto muokataan sähköiseksi signaaliksi. Valoanturi voi olla esimerkiksi CCD- tai CMOS-matriisi. Kuva-usyksiköstä 13 sähköinen, pinnankorkeutta kuvaava maksimiheijastussignaali johdetaan edullisesti pinnankorkeuden esitysvälineille (ei esitetty kuvassa 1a), joilla kohteen 2 mitattu pinnan 2a pinnankorkeus esitetään.

Kuvan 1b esimerkissä on esitetty esimerkinomaisesti eräs kuvan 1a toteuttava keksinnön edullinen suoritusmuoto. Kuvassa 1b ei ole esitetty optista valolähdettä 10, joka edeltää lähtöelementtiä 100. Lähtöelementti 100 on kallistettu kulman β verran verrattuna valaisun optiseen akseliin 11a. Lähtöelementti 100 voi käsittää yhden tai useamman lähtöraon. Lähtöraon ääripäihin liittyviä pisteitä on kuvattu viitteillä Ki(S) ja Kn(S). Valaisuoptiikka 110 kuvaa lähtöraon virtuaaliselle mittaus-pinnalle 3 siten, että pistettä Ki(S) vastaava piste M(ki) on fokuksessa virtuaalisen mittauspinnan 3 yläpäässä. Vastaavasti pisteen Kn(S) vastinpiste M(kn) on fokuksessa virtuaalisen mittauspinnan 3 alapäässä.

Kuvausoptiikka 120 kuvaa pinnasta 2a heijastuneen valon. Kuvausoptiikkaan kuuluva, tuloelementtiin 130 sisältyvä valoanturi on kallistettu kulman β’ verran kuva-usakselin suhteen. Tällä järjestelyllä kuvausoptiikka 12 on fokuksessa virtuaalisella mittauspinnalla 3 siten, että virtuaalisen mittauspinnan 3 piste M(ki) on fokuksessa vain valoanturin 130 pisteessä Ki(R). Vastaavasti valoanturilla 130 on vastinpiste Kn(R) virtuaalisen mittaustason 3 pisteelle M(kn). Täten jokaiselle lähtö-elementin 100 valoalueen pisteelle välillä Ki(S) -> Kn(S) on virtuaalisen mittaus-pinnan 3 kautta muodostettavissa valoanturille vastinpiste välille Ki(R) -> Kn(R). Kun tietty vastinpistepari osuu kohteen 2 pinnalle 2a, niin tällöin syntyy voimakas heijastus, jonka paikka ilmaistaan valoanturilla 130. Paikka on kalibroitu osoittamaan pinnan 2a korkeus.

Kuvassa 1c on esitetty esimerkki läpinäkymättömän kohteen paksuuden mittauksesta. Kohteella on kaksi pintaa, joiden välinen etäisyys on kohteen paksuus tietyllä kohdalla. Kuvan 1c esimerkissä pintaa 2a kutsutaan yläpinnaksi ja pintaa 2b alapinnaksi.

Kohteen yläpintaa mitataan kuvan 1a yhteydessä esitetyllä mittajärjestelyllä 1, joka käsittää kuvan 1a yhteydessä selitetyt toiminnalliset komponentit.

Kohteen alapinnan 2b puolella on toinen mittajärjestely 5. Se vastaa rakenteeltaan ja toiminnaltaan mittajärjestelyä 1. Niinpä se käsittää edullisesti optisen valonlähteen 50 ja valaisun optisen käsittelyosan, valaisun optisen osan 51, kuvauksen optisen osan 52, kuvauksen optisen käsittelyosan ja kuvauksen ilmaisinvä-lineet. Optisesta valolähteestä 50 tulevaa optista säteilyä muokataan valaisun optisella osalla 51 mittaustasoon 53. Valaisun tuottama valo heijastuu mittaustasos-sa 53 kohteen pinnasta 2b. Heijastunutta valoa muokataan kuvauksen optisella osalla 52, joka muokattu, heijastunut valo ohjataan kuvauksen optiselle käsittely-osalle 56, jossa valo muokataan edelleen sähköiseksi signaaliksi. Sähköinen signaali voidaan ilmaista ilmaisuvälineillä.

Kohteen tietyn kohdan paksuus saadaan selville yhdistämällä mittausjärjestelyn 1 ja mittausjärjestelyn 5 ilmaisinvälineiden ylä- ja alapintojen mittaustulokset. Ylä-ja alapinnan mittaustuloksien erotus vastaa kohteen paksuutta mittauskohdalla, kun molempien mittausjärjestelyjen 1 ja 5 mittaustason paikkatieto on kalibroitu kolmessa ulottuvuudessa.

Kuvassa 2a on esitetty esimerkinomaisesti keksinnön ensimmäisen suoritusmuodon mukaisen, konfokaalista mittaustapaa hyödyntävän mittalaitteen periaatteellinen toteutus. Sekä valaisuoptiikka 11 että kuvausoptiikka 12 ovat identtiset. Mitattavan kohteen 2 pintaa 2a leikkaamaan luodaan mainituilla optisilla välineillä virtuaalinen mittauspinta 3. Kuvan 2a esimerkissä virtuaalinen mittauspinta 3 on taso, joka on kohtisuorassa pintaa 2a vastaan.

Virtuaalisella mittauspinnalla 3 sekä valaisun valolähdealueen että kuvauksen il-maisinvälineen tietyt osat ovat fokuksessa samoissa kohdissa.

Kuvan 2a esimerkissä lähtöelementti 100 on taso, jossa on viivamainen lähtörako 102 tai lähtörakoja. Lähtöraon toisen ääripään pistettä on merkitty viitteellä Ki(S) ja toisen ääripään pistettä viitteellä Kn(S). Lähtöraon 102 suunta on edullisesti kierretty kiertokulmaan a valaisuoptiikan 11 ja kuvausoptiikan 12 optisten akseleiden määrittämän tasoon nähden, jotta virtuaaliselle mittauspinnalle 3 saadaan fokusoitua lähtöraon kuva 31, jonka suunta on kiertokulmassa φ valaisuoptiikan 11 ja kuvausoptiikan 12 määrittämään tason nähden. Lähtöelementtiä 100 on lisäksi edullisesti kallistettu kallistuskulmaan β valaisuoptiikan optisen akselin suuntaan, jotta lähtöraon jokainen piste K^Sj^K^S) on fokusoitavissa virtuaaliselle mitta-uspinnalle pisteiksi M(ki)->M(kn).

Kuvausyksikössä 13 tuloelementtiin 130 sisältyvää tulorakoa tai ilmaisinelement-tiä 132 on kierretty kiertokulman a’ verran. Lisäksi tuloelementtiä 130 on kallistettu kallistuskulman β’ verran kuvausoptiikan optisen akselin 12a suuntaan, jolloin valaisuoptiikan 11 lähtöelementin valolähdealueesta 102 muodostama kuva 31 virtuaaliselle mittauspinnalle 3 on fokusoitavissa kuvausoptiikalla 12 tuloelementtiin 130 kuluvaan tulorakoon/ilmaisinelementille 132 valolähdealueen 102 pisteitä Ki(S)->Kn(S) vastaaviksi pisteiksi Ki(R)->Kn(R).

Kuvausyksikön 13 valoanturille 132 saadaan paikallinen signaalimaksimi h01, josta voidaan määrittää pinnan 2a paikka. Signaalimaksimi tulee tulorakoon/ilmaisi-melle 132 paikasta h0, jossa valolähdealueen 102a ja tuloraon/ilmaisinelementin 132 yhteinen viivamainen kuva 31 leikkaa mitattavan kohteen 2 pinnan 2a pisteessä M(kx). Tämä leikkauspiste kuvautuu kuvausoptiikalla 12 tulorakoon/ilmaisinelementille 132 pisteeksi KX(R).

Jos mitattava kohde 2 on ainakin osittain läpinäkyvää materiaalia, niin tässä tapauksessa tulorakoon/ilmaisinelementille 132 saapuu toinen voimakas heijastunut valosignaali myös pinnasta 2b (ei esitetty kuvassa 2a). Toinen pinnasta 2b syntynyt signaalimaksimi lm osuu eri kohtaan tulorakoa 132 kuin pinnasta 2a syntynyt signaalimaksimi h0.

Edullisesti kiertokulma a’ on erisuuri kuin nolla. Tällöin mittausjärjestelyä voi käyttää sekä peilimäisillä että mattamaisilla pinnoilla. Jos kiertokulma a’ on nolla, sillä voi mitata pinnan etäisyyttä diffuusiin pintaan, joka tekee selvän kapean intensi-teettimaksimin tulorakoon/ilmaisinelementille 132. Peilimäisellä pinnalla intensi-teettimaksimin alueen leveys kasvaa, eikä selvää maksimin paikkaa välttämättä pysty tarkasti määrittämään.

Jos kiertokulma a’ on tasan 90 astetta, mittaus toimii vain yhdessä pinnan korkeuden kohdassa. Tulorakoon/ilmaisinelementille 132 tulee valoa vain, kun pinta 2a on tietyssä kohdassa h0. Muilla pinnan korkeuksilla valoa ei tule ollenkaan tulorakoon/ilmaisinelementille 132. Tällä 90 asteen kulmalla menetelmää voidaan käyttää ilmaisemaan, milloin pinta on juuri tietyssä kohdassa.

Kuvan 2a mukaisella ratkaisulla saavutetaan seuraavia teknisiä etuja. Valaisuop-tiikka 11 muodostaa fokusoidun kuvan 31 valolähdealueesta 102, kuten esimerkiksi lähtöraosta tai ledeistä, virtuaaliselle mittauspinnalle 3, ja samanaikaisesti kuvausoptiikka 12 on järjestetty kuvaamaan virtuaaliselle mittauspinnalle syntyvä valolähdealueen kuva tulorakoon/ilmaisinelementille 132. Mittausjärjestely mahdollistaa sen, että valaisun ja/tai kuvauksen fokuksen syväterävyysalue voi olla mielivaltaisen pieni, esimerkiksi mikrometrejä, vaikka mitattava pinnankorkeusalue olisi esimerkiksi kymmenen millimetriä.

Toinen ratkaisun tekninen etu on se, että lähtörakoa käytettäessä syntyvään läh-töraon kuvaan 31 suuntautuu valotehoa koko valaisuoptiikan 11 kulma-avaruudesta (= numeerisessa apertuurissa, NA). Samoin kuvausoptiikka 12 kerää mittauspisteistä valoa täydellä kulma-alueella. Tulorakoon/ilmaisinelementille 132 tulee tällöin maksimaalinen valoteho, koska valaisussa ja kuvauksessa on käytettävissä maksimaalinen kulma-avaruus. Keksinnön mukaisessa ratkaisussa suuri kulma-avaruus mahdollistaa mittauksen kiiltävistä pinnoista suurella kulma-alueella. Jos esimerkiksi sekä valaisu että kuvaus tehtäisiin siten, että optiikoiden numeeriset apertuurit olisivat hyvin pienet, pienikin kiiltävän mittauskohteen pinnan kulmamuutos ohjaisi valaisimelta tulevan valon heijastumaan ohi vastaan-otinoptiikan, mikä tekisi mittauksen mahdottomaksi.

Keksinnön mukaisen ratkaisun eräs tekninen etu on, että mittaus voidaan toteuttaa siten, että valaisu tulee pintaan vinosta kulmasta virtuaalisen mittauspinnan (kuvassa 2a mittaustaso) pysyessä silti kohtisuorassa kulmassa pintaan nähden.

Lisäksi keksinnöllä on se tekninen etu, että pinnankorkeuden mittaus voidaan toteuttaa yhdellä aallonpituudella tai useammalla aallonpituudella.

Kuvassa 2b on esitetty esimerkki ensimmäisen suoritusmuodon mukaisesta, mittalaitteen valoanturilta 132 saatavasta signaalista kuvan 2a tapauksessa. Kuvassa 2b on esitetty tulorakoon/ilmaisinelementille 132 tulevan valon intensiteetti il-maisinelementin paikan funktiona. Ensimmäinen signaalimaksimi h0 on aiheutunut heijastuksesta kohteen 2 pinnalta 2a. Toinen signaalimaksimi hi on seurausta kohteen 2 pinnalta 2b saapuvasta heijastuksesta. Toinen heijastus hi on suuruudeltaan pienempi kuin ensimmäinen heijastus h0, koska valo on joutunut kulkemaan materiaalin 2 läpi, johon osa valon energiasta on absorboitunut. Signaali-maksimien h0 ja hi paikkojen erotuksesta saadaan määritettyä kohteen 2 paksuus mittauskohdassa, kun materiaalin taitekerroin tunnetaan. Kuvan 2b esittämä in-tensiteettijakauma voidaan mitata esimerkiksi asettamalla monielementtinen valo-anturi suoraan tuloraon 132 taakse tai kuvaamalla tulorako 132 optiikalla mo-nielementtiselle anturille. Tulorako voidaan myös korvata esimerkiksi samanmuotoisella monielementtisellä viiva-anturilla, jolloin erillistä tulorakoa ei tarvita.

Kuvassa 2c on esitetty keksinnön toiseen edullisen suoritusmuodon mukainen mittausjärjestely. Mittausjärjestely poikkeaa kuva 2a mittausjärjestelystä siinä, että tuloelementti 130a käsittää matriisi-ilmaisimen 132a. Matriisi-ilmaisimella 132a on mahdollista yhtä aikaa mitata sekä heijastuneen valon intensiteetti pinnan 2a korkeussuunnassa, pisteet Ki(R)->Kn(R), että heijastuneen valon intensiteetti 90 asteen kulmassa edellä mainittua kohteen 2 pinnan korkeussuunnan ilmaisuakselia vastaan, pisteet P-i(R)->Pn(R). Tämä intensiteettijakauma kuvaa kohteen 2 pinnan optisia ominaisuuksia.

Kuvassa 2d on esitetty kohteen 2 (ainakin osittain valoa läpäisevien) kahden pinnan 2a ja 2b paikat h0 ja hn.

Kuvassa 2c2 on esitetty toiseen mittaussuuntaan pinnalta 2a mitattu intensiteetti jakauma. Kohteen 2 pinnan 2a optiset ominaisuudet vaikuttavat intensiteettija-kauman muotoon.

Kuvassa 2d on esitetty lähtöelementin 100 tai tuloelementin 130 esimerkinomaisia teknisiä toteutuksia. Kuvassa 2d on esitetty esimerkinomaisia lähtö- tai tu-loelementtejä, joissa on yksi tai useampia lähtö- tai tulorakoja 102.

Kuvassa 2e on esitetty esimerkki mittauslaitteesta, jossa lähtöelementti 100 muodostaa 135 asteen kulman valaisuoptiikan 11 optisen akselin kanssa ja jossa tuloelementti 130 muodostaa vastaavasti 135 asteen kulman kuvausoptiikan 12 optisen akselin kanssa. Sekä valaisuoptiikan 11 että kuvausoptiikan 12 suurennos on 1. Tällä järjestelyllä lähtöelementin 100 valoalue ja tuloelementin 130 il-maisinelementti on järjestetty omaamaan yhteiset vastinpisteet virtuaalisella mit-tauspinnalla 3.

Kuvassa 2f on esitetty kuvan 2e mukaisen mittalaitteen simulaatiotulokset il-maisinelementillä kahdessa erilaisessa tapauksessa, peilipinnalla ja diffuusilla pinnalla.

Peilipinnan tapauksessa on saatu pinnankorkeusakselilla (suunta A-B) selkeä maksiarvo, paikkasignaali, pisteessä, jossa virtuaalinen mittaustaso 3 leikkaa kohteen 2 pintaa 2a. Suunta A-B kuvassa 2f vastaa pinnankorkeusakselin mittaus-suuntaa ilmaisinelementillä 132a kuvassa 2c. Peilipinnan tapauksessa oleellisesti pinnankorkeusakselin suhteen risteävässä kulmassa (suunta C-D) edellä mainitussa maksimikohdassa mitattu valon intensiteettijakauma on verraten voimakas ja leveä. Eräässä edullisessa suoritusmuodossa risteävä kulma voi olla 90 astetta pinnankorkeusakseliin verrattuna. Risteävän kulman optimaalinen arvo riippuu edullisesti ainakin lähtöelementillä olevan lähtöraon kulmasta a.

Jos kohteen 2 pinta 2a on diffuusi, niin myös silloin saadaan edelleen voimakas paikkasignaali pisteessä, jossa virtuaalinen mittaustaso 3 leikkaa kohteen 2 pinnan 2a. Diffuusin pinnan tapauksessa pinnankorkeusakselin suhteen risteävässä kulmassa edellä mainitussa maksimikohdassa mitattu valon intensiteettijakauma on kapea ja selkeästi pienempi kuin peilipinnan tapauksessa. Lisäksi intensiteetti-jakauman muoto poikkeaa selkeästi peilipinnan antamasta intensiteettijakaumas-ta. Mittaamalla yhden tai useamman intensiteettijakauman sisältämän pisteen arvo voidaan määrittää kohteen 2 pinnan 2a kiilto-ominaisuudet.

Kuvassa 3 on esitetty keksinnön toinen edullinen suoritusmuoto, jossa hyödynnetään lähtörakoa 102 ja tulorakoja tai valoanturia 132, 132a sekä kromaattista aberraatiota. Kromaattisen aberraation ansiosta lähtöraon 102 kuvat aallonpituuksilla Ai(S), An(S) ja tuloraon 132 kuvat aallonpituuksilla Ai(R), An(R) muodostuvat eri etäisyyksille optiikoista 111 ja 121, jolloin lähtöelementtiä 100 ja valoanturia 132 tai 132a ei tarvitse kallistaa valaisuoptiikan 111 tai kuvausoptiikan 121 akselien 11a ja 12a suhteen (kulmat β ja β’ = 90), vaan kuvatasot yhtyvät virtuaalisella mittauspinnalla 3 keskenään samoilla aallonpituuksilla A^S), Ai(R) -> An(S), An(R). Lähtöelementti 100 ja valoanturi 132 voivat olla tällöin kohtisuorassa kulmassa optisen akselin suhteen, mikä on edullista laiterakenteen kannalta. Tässä suoritusmuodossa valo synnytetään edullisesti valkoista valoa säteilevällä ledillä (ei esitetty kuvassa 3), jolloin saadaan aallonpituusjakaumaltaan riittävän laajakaistaista valoa, jonka eri aallonpituudet voidaan fokusoida eri etäisyyksille optisen akselin suunnassa.

Kuvan 3 esimerkissä lähtöelementissä 100 on esitetty yksi esimerkinomainen läh-törako 102. Kuvan 3 vasemmassa ylälaidassa on esitetty lähtöelementissä 100 olevan lähtöraon 102 asento valaisuoptiikan 111 optisen akselin suunnasta nähtynä. Lähtörako 102 on kiertynyt kiertokulman a verran valaisuoptiikan 111 ja kuvausoptiikan 121 optisten akselien määrittämän tason suhteen.

Eräässä keksinnön edullisessa suoritusmuodossa sylinterimäinen valaisuoptiikka 111 litistää lähtöelementin 100 kuvaa suhteessa x = 1 ja y = 0,2.

Valaisuoptiikalla 111 tuotetaan aksiaalinen, kromaattinen aberraatio. Tällöin kuvan 3 esimerkissä valon punaisen pään komponentit An(S), An(R) ovat fokuksessa virtuaalisella mittauspinnalla 3 kohteen pinnan 2a alapuolella ja vastaavasti valon sinisen pään komponentit Ai(S), Ai(R) ovat fokuksessa pinnan 2a yläpuolella.

Kuvan 3 esimerkissä sekä valaisun että kuvauksen spektrien siniset päät A^S), Ai(R) ovat fokuksessa virtuaalisen mittauspinnan 3 ylälaidassa. Vastaavasti spektrien punaiset päät An(S), An(R) ovat fokuksessa mittauspinnan alalaidassa (pinnan 2a alapuolella kuvassa 3). Pinnan 2a korkeus vaikuttaa siihen, mikä spektrin komponentti heijastuu pinnasta 2a. Spektrin komponentin värillä ei tässä suoritusmuodossa ole merkitystä, koska pinnasta 2a heijastunut valosignaali ilmaistaan edullisesti mustavalkoisella viiva- tai matriisianturilla/-kameralla 132, 132a. Tässäkin suoritusmuodossa pinnan 2a paikan ilmaisee vastaanotetun signaalin maksimin paikka ilmaisimena toimivan kameran kennolla. Vastaanotetun signaa-limaksimin paikka on kalibroitu vastaamaan pinnan 2a tiettyä korkeutta.

Kuvan 3 esimerkissä sekä valaisu että kuvaus on esitetty symmetrisessä kulmassa pinnan 2a suhteen. Keksintö ei kuitenkaan rajoitu tällaiseen symmetriseen mittaustilanteeseen, vaan valaisun ja kuvauksen kulma pinnan 2a suhteen voi olla erisuuruinen sen vaikuttamatta mittaustapahtumaan. Vaikka valaisun ja kuvauksen välinen kulma muuttuu, niin siitäkin huolimatta päällekkäin menevistä mittausalueista on aina löydettävissä yksi mittauslinja, jossa eri aallonpituuksille on löydettävissä omat fokuspisteet. Tämän suoritusmuodon edullisia teknisiä efektejä on useita. Esimerkiksi lämpötilan aiheuttama aallonpituuden polttovälin muutos (ryömintä) ei vaikuta mittaustulokseen. Jos valaisun ja kuvausoptiikan polttovälin sekä kromaattisen aber-raation lämpötilaryöminnät ovat keskenään yhtä suuret, mittauspinnan paikka pysyy vakiona lämpötilan muuttuessa ja valaisu ja kuvaus ovat edelleen fokuksessa mittauspinnalla keskenään samalla aallonpituudella.

Lisäksi tässä suoritusmuodossa kuvausoptiikan valoanturi 132 tai 132a voi olla kuvausoptiikan optista akselia 12a vastaan kohtisuorassa. Näin ollen mittausalueen koko ja muoto ovat vapaasti määritettävissä käytetyillä valaisu- ja kuvausop-tiikoilla. Esimerkiksi kuvauksessa mittausalueen kokoa voidaan edullisesti suurentaa matriisikameran mittauskennolle.

Kuvassa 4 on esitetty keksinnön kolmas edullinen suoritusmuoto, jossa konfokaa-lisuuden aikaansaamisessa hyödynnetään palloaberraatiota. Kuvassa 4 on esitetty esimerkki myös siitä, mitä palloaberraatiolla tarkoitetaan. Esimerkinomainen linssi 112 tai 122 taittaa valon eri fokuspisteisiin 0i(S), 0n(S) ja 0i(R), 0n(R) sen perusteella, mistä kohtaa valo läpäisee linssin 112 tai 122. Linssin keskikohdalta läpimenevillä valonsäteillä on fokuspiste 0n(S), 0n(R) kauempana kuin linssin ulkoreunoilta läpimenneillä valonsäteillä.

Kuvan 4 suoritusmuodossa korkeusmittaus perustuu linssin tai linssien palloaber-raatioon ja konfokaalikuvaukseen. Käytetty palloaberraatio on edullisesti samansuuruinen kuvauksessa ja valaisussa. Tällöin saman apertuurikulman omaavat signaalit kuvautuvat pinnan normaalin suuntaiselle mittaustasolle. Tässä suoritusmuodossa mittaus voidaan toteuttaa joko yhdellä aallonpituudella tai valkoisella valolla.

Palloaberraatio saa optiikan kuvaamaan lähtöelementissä 100 olevan lähtöraon 102 eri etäisyyksille riippuen optiikan apertuurikulmasta. Esimerkiksi suureen apertuurikulmaan tulevat valonsäteet muodostavat kuvan lähelle kuvausoptiikkaa 112 ja vastaavasti pieneen tuloapertuurikulmaan tulevat säteet muodostavan kuvan etäämmälle kuvausoptiikasta 112. Lähtöelementtiä 100 ja valoanturia 132 ei tällöin tarvitse kallistaa valaisuoptiikan tai kuvausoptiikan akselien 11a ja 12a suhteen (kulmat β ja β’ = 90), vaan kuvatasot yhtyvät virtuaalisella mittauspinnalla 3 keskenään samoilla optiikan apertuurikulmilla. Lähtöelementti 100 ja valoanturi 132 voivat olla tällöin kohtisuorassa kulmassa optisen akselin suhteen, mikä on edullista laiterakenteen kannalta.

Kuvassa 4 esitetyssä keksinnön suoritusmuodossa hyödynnetään lähtörakoa 102 ja valoanturia 132 tai 132a palloaberraation lisäksi. Palloaberraation ansiosta lähtöraon 102 kuva virtuaalisella mittauspinnalla 3 muodostuu eri apertuurikulmilla 0i(S), 6n(S) eri etäisyyksille. Vastaavasti kuvausoptiikassa 122 on sama ominaisuus. Tällöin lähtöelementtiä 100 ja valoanturia 132 ei tarvitse kallistaa valaisuoptiikan 111 tai kuvausoptiikan 121 akselien 11a ja 12a suhteen, vaan kuvatasot yhtyvät virtuaalisella mittauspinnalla 3 keskenään samoilla apertuurikulmilla 0i(S), 0i(R) ja 0n(S), 0n(R). Lähtöelementti 100 ja valoanturi 132 voivat olla tällöin kohtisuorassa kulmassa optisen akselin suhteen, mikä on edullista laiterakenteen kannalta. Myös tässä suoritusmuodossa kuvausyksikön valoanturin 132 tietty piste on kalibroitu vastaamaan pinnan 2a tiettyä korkeutta.

Kuvassa 5a on esitetty esimerkinomainen lähtö- tai tuloelementin 100 tai 130 suoritusmuoto, jossa hyödynnetään muuttuvakaistaista aallonpituussuodatinta 102a. Muuttuvakaistainen aallonpituussuodatin, toiselta nimeltään LVF-suodatin (Linear Variable Filter), päästää tietystä kohtaa lävitseen vain tietyn aallonpituuden λι, λ2, λ„. Jokaisella aallonpituudella on siten oma, kapea, eri paikassa oleva lähtörakonsa, jonka kuva kuvausoptiikalla 11 on fokusoitavissa virtuaaliselle mit-tauspinnalle 3.

Kuvassa 5b on esitetty keksinnön neljäs edullinen suoritusmuoto, jossa konfo-kaalisuuden aikaansaamisessa hyödynnetään muuttuvakaistaista aallonpituus-kaistasuodatinta (LVF-suodatin) sekä valaisussa että kuvauksessa. LVF-suodatin päästää eri osistaan läpi eri aallonpituuksia. LVF-suodattimen toisesta päästä pääsevät läpi lyhemmät aallonpituudet ja toisesta päästä pidemmät aallonpituudet.

Valaisun valolähteen on oltava aallonpituusjakaumaltaan riittävän laajakaistainen valolähde (ei esitetty kuvassa 5b), jotta eri aallonpituudet Ai(S)->An(S) voidaan fokusoida valaisuoptiikalla 113 eri kohtiin virtuaaliselle mittauspinnalle 3. Virtuaaliselle mittauspinnalle 3 luodusta kuvasta saadaan kuvausoptiikalla 123 pinnasta 2a valoanturille 132 paikallinen signaalimaksimi, josta voidaan määrittää etäisyys pintaan 2a. Tässä suoritusmuodossa lähtöelementissä 100 on paikkariippuva aallonpituus-kaistasuodin 102a, joka käsittää aallonpituudet Ai->An. LVF-suodattimen kuva saadaan fokukseen virtuaaliselle mittauspinnalle 3 kallistamalla lähtöelementtiä 100 kulman β verran valaisuoptiikan 113 optisen akselin 11a suhteen. Kulma β voi olla edullisesti esimerkiksi 135 astetta, jolloin valaisun fokusalue osuu virtuaaliselle mittauspinnalle 3

Kuvausyksikön valoanturi 132 on edullisesti muodoltaan viivamainen tai suorakaide, jonka edessä on tuloelementtinä paikkaherkkä aallonpituuskaistasuodin 102a. LVF-suodatin 102a, joka myös käsittää aallonpituudet, Ai—>An, on kallistettu kuvausoptiikan 113 optisen akselin 12a suhteen kulman β’ verran, jotta sen kuva A-i(R)->An(R) yhtyy lähtöelementistä 102a virtuaaliselle mittauspinnalle 3 projisoidun kuvan tasoon. Kulma β’ voi olla edullisesti esimerkiksi 135 astetta, jolloin myös kuvaksen fokusalue osuu virtuaaliselle mittauspinnalle 3.

Kuva 5c esittää kuvan 5b mittausjärjestelyä perspektiivikuvana. Lähtöelementtiin 100 sisältyvän LVF-suodattimen 102a eri aallonpituudet Ai~>An on esitetty valaisun optisen akselin 11a suunnasta nähtynä. Vastaavasti tuloelementtiin kuuluvan LVF-suodattimen 102a eri aallonpituudet Ai->An on esitetty kuvauksen optisen akselin 12a suunnasta nähtynä. Tämän suoritusmuodon mukaisella mittalaiteella voidaan toteuttaa pinnan korke-usprofiilin 2h0 mittaus. Menetelmä tuottaa pinnan mittaustuloksen 132h0, pinnan- korkeusprofiMin, matriisi-ilmaisimelle 132a kuvauksen lähtöelementistä kohteeseen 2 projisoidun kuvan leveydelle. Mittauksella voidaan siten toteuttaa esimerkiksi 1000 pisteen pinnankorkeusprofiilimittaus käyttämällä valoanturina 1000 x 1000 pikselin kokoista CCD-kuva-anturia.

Kuvassa 6a on esitetty keksinnön viides edullinen suoritusmuoto sivukuvana. Tässä keksinnön suoritusmuodossa konfokaalisuuden aikaansaamisessa hyödynnetään aallonpituuskaistasuodatinta 102a sekä valaisussa että kuvauksessa. Lisäksi valaisuoptiikkaan 114 ja kuvausoptiikkaan 124 on järjestetty kromaattinen aberraatio. Myös tässä suoritusmuodossa ilmaisimelle 132a saadaan paikallinen signaalimaksimi, josta voidaan määrittää etäisyys pintaan 2a. Lähtöelementtinä hyödynnetään edullisesti paikkariippuvaa aallonpituuskais-tasuodinta 102a. Valaisuoptiikkaan 114 ja kuvausoptiikkaan 124 on järjestetty sopivan suuruinen kromaattinen aksiaalinen aberraatio, jonka avulla lähtöelementin LVF-suodattimen 102a kuva ja kuvausoptiikan 124 valoanturin 132a edessä olevan LVF-suodattimen 102a kuva saadaan aallonpituuksittain fokukseen virtuaalisella mittauspinnalla 3. Lähtöelementin kallistuskulma β voi tällöin olla 90 astetta. Vastaavasti tuloelementin kallistuskulma β’ voi tällöin olla 90 astetta, mikä helpottaa valoanturin 132a ja kuvausoptiikan 124 asemointia tosiinsa nähden.

Kuvan 6a esimerkissä sekä valaisun että kuvauksen spektrien siniset päät (λ^ ovat fokuksessa virtuaalisen mittauspinnan 3 yläosassa. Vastaavasti spektrien punaiset päät (λη) ovat fokuksessa virtuaalisen mittauspinnan 3 alaosassa (pinnan 2a alapuolella kuvassa 6a). Pinnan 2a korkeus vaikuttaa siihen, mikä spektrin aallonpituus heijastuu pinnasta 2a. Kun pinnasta 2a heijastuu aallonpituus, joka on sekä valaisun että kuvauksen yhteisessä fokuspisteessä, niin tämä heijastunut aallonpituus läpäisee valoanturin 132a edessä olevan LVF-suodattimen 102a vain yhdessä kohtaa. LVF-suodattimen 102a läpäissyt spektrin komponentin paikka ilmaistaan esimerkiksi mustavalkoisella matriisikameralla 132a. Tässäkin suoritusmuodossa pinnan 2a paikan ilmaisee vastaanotetun signaalimaksimin paikka va-loanturilla 132a eikä vastaanotetun spektrin aallonpituus. Vastaanotetun signaalimaksimin paikka valoanturilla 132a on kalibroitu vastaamaan pinnan 2a tiettyä korkeutta. Tämän suoritusmuodon mukaisella mittalaitteella voidaan toteuttaa pinnan korke-usprofiilin mittaus. Tämän suoritusmuodon mukainen mittalaite tuottaa etäisyys-mittaustuloksen koko lähtöraosta kohteeseen projisoidun kuvan leveydeltä. Mitta uksella voidaan siten toteuttaa esimerkiksi 1000 pisteen etäisyysprofiilimittaus käyttämällä valoanturina 1000x 1000 pikselin kokoista CCD-kuva-anturia.

Kuvassa 6b on esitetty eräs esimerkinomainen valaisuoptiikka 114 tai kuvausop-tiikka 124, LVF-suodatin 102a sekä valolähde 10 tai valoanturi 132a, jolla voidaan toteuttaa kuvan 6a mukainen keksinnön suoritusmuoto. Optiikan runkoon 580 on asennettu kolme linssiä 581, 582 ja 583, joilla tuotetaan sekä aksiaalinen kromaattinen aberraatio että linssien suurennukset x- ja y-akselien suunnassa. Viitteellä 585 on esitetty aukko, jota vasten LVF-suodatin 102a kiinnitetään.

Jos kyseessä on valaisuoptiikka 114, niin silloin LVF-suodattimen 102a edessä on erimerkiksi valkoista valoa säteilevä led-valolähde 10. Ledin valo kulkee LVF-suodattimen 102a läpi siten, että suodattimesta valkoisen valon eri aallonpituudet pääsevät läpi vain tietyistä kohdista LVF-suodatinta. Linssit 581, 582 ja 583 muokkaavat LVF-suodattimen läpi kulkeneen spektrin eri aallonpituuksiksi hajotetun valon A siten, että lopputuloksena on aksiaalinen, kromaattinen aberraatio.

Jos kyseessä on kuvausoptiikka 124, niin silloin LVF-suodattimen 102a takana on valoanturi 132a, joka voi olla jokin tavanomainen CCD-mittauskenno. Pinnasta 2a heijastuneen valon B tietty aallonpituus kulkee LVF-suodattimen 102a läpi siten, että se läpäisee LVF-suodattimen 102a vain tietystä kohdasta. Tämä aallonpituuden läpäisykohta indikoidaan CCD-kennolla. Mittausjärjestelyssä tietty CCD-kennon kohta on kalibroitu esittämään jotain tunnettua pinnan 2 korkeutta.

Kuvassa 6b esitetty LVF-suodatin voi olla esimerkiksi tyypiltään JDSU LVF4007003A, jonka suodatusalue on 400-700 nm. Suodattimen mitat ovat 12,5 x 5,4 x1,5 mm (pituus; leveys; korkeus). Tämän LVF-suodattimen 3 dB:n kaistanleveys on luokkaa 10 nm.

Kuvassa 7 on esitetty esimerkinomaisena vuokaaviona keksinnöllisen mittausmenetelmän päävaiheita.

Mittausta edeltävässä vaiheessa 70 mittausjärjestelyyn kuuluvat laitteet asennetaan mittauskohteeseen. Samassa yhteydessä sekä valaisuoptiikan että kuva-usoptiikan fokusalueet kohdistetaan toisiinsa. Samalla edullisesti määritetään tai kalibroidaan, mitä pinnan korkeutta vastaanotettu signaalimaksimin paikka mittauskennossa edustaa. Kun mittauslaitteisto on mittauspaikassaan ja kalibroitu mittausta varten, siirrytään varsinaiseen mittausprosessiin.

Vaiheessa 71 synnytetään mittausjärjestelyssä hyödynnettävä valo. Valo voi olla joko yksiväristä tai laajakaistaista, esimerkiksi valkeaa, valoa suoritusmuodosta riippuen. Valolähteenä käytetään edullisesti joko yhtä aallonpituutta säteilevää le-diä tai valkoista valoa säteilevää lediä.

Vaiheessa 72 mittauksessa synnytetään valaisun lähtöelementille 100 valolähde-alue, jolla on mittauskohteen kannalta optimaalinen geometrinen ulkomuoto. Eräässä keksinnön edullisessa suoritusmuodossa tämä tarkoittaa valon ohjaamista vinon hilamaisen rakenteen läpi. Hilamainen rakenne on saatu aikaan tasoon tehdyillä raoilla 102. Tässä suoritusmuodossa jokaisesta hilan raosta syntyy yksi optinen mittaussignaali, joka on kohdistettavissa mittaustasoon, joka on oleellisesti mittauskohteen pinnan normaalin suuntainen.

Eräässä toisessa keksinnön edullisessa suoritusmuodossa tässä vaiheessa 72 hyödynnetään valkeaa valoa, joka johdetaan LVF-suodattimeen 102a. Tässä suoritusmuodossa valkea valo hajotetaan spektriksi LVF-suodattimella 102a ja hajotettu spektri kohdistetaan mittauskohteen pinnan normaalin suuntaiselle mittaus-tasolle.

Vaiheessa 73 vaiheessa 72 synnytettyä valolähdealueen 102, 102a kuvaa muokataan valaisuoptiikalla. Muokkauksen lopputuloksena saadaan aikaiseksi oleellisesti mitattavan pinnan 2 leikkaava virtuaalinen mittauspinta 3 tai sitä edustava tunnettu fokuspisteiden joukko.

Vaiheessa 74 valaisuoptiikalla muokattu valolähdealueen kuva osuu mittauksen kohteena olevalle pinnalle 2a. Koska valaisuoptiikan muodostamat fokuspisteet ovat virtuaalisella mittauspinnalla 3, niin vain yksi mahdollisista fokuspisteistä osuu mitattavalle pinnalle 2a, kun virtuaalinen mittauspinta 3 leikkaa mittauksen kohteena olevan pinnan 2a. Tästä fokuspisteestä heijastuu valonsäde, jonka intensiteetti on paljon suurempi kuin pinnan 2a muista kohteista kuvausoptiikkaan heijastuva valo, koska myös kuvausoptiikalla on heijastuspisteessä yksi fokuspis-teensä.

Vaiheessa 75 valonsäde kuvataan pinnalta 2a kuvausoptiikalla käytetyille pai-kanmittausvälineelle. Kuvausoptiikka on sellainen, että vain virtuaalisella mittaus-pinnalla 3 olevat pisteet ovat fokuksessa myös kuvauksessa hyödynnetyllä il-maisinvälineellä 130, 130a.

Eräässä keksinnön edullisessa suoritusmuodossa kuvausoptiikkaan kuuluu myös LVF-suodatin 102a, jota voidaan edullisesti hyödyntää myös paikanilmaisuväli-neenä.

Vaiheessa 76 pinnasta 2a heijastunutta valoa vastaanotetaan joko viivailmaisimel-la 132, matriisi-ilmaisimella 132a, mustavalkokameralla tai värikameralla.

Vaiheessa 77 määritetään vastaanotetusta heijastuneesta valosta maksimiarvon paikka ilmaisinvälineillä 132, 132a. Jokainen yksittäinen maksimiarvon paikka il-maisinvälineellä on kalibroitu vastaamaan tiettyä pinnan etäisyyttä.

Vaiheessa 78 tarkistetaan, mitataanko myös kohteen 2 pinnan 2a optisia ominaisuuksia. Jos muita optisia ominaisuuksia ei mitata, niin prosessi jatkuu vaiheeseen 79.

Vaiheessa 79 tarkistetaan, onko vastaanotetusta kohteesta 2 heijastuneesta valosta indikoitu useampia erillisiä maksimiarvoja. Jos maksimiarvoja on vain yksi, niin silloin mitattu arvo esittää mittauksen kohteena olevan pinnan etäisyyttä.

Jos vaiheessa 79 todetaan kaksi tai useampia maksiarvoja, niin vaiheessa 80 määritetään heijastuspisteiden etäisyys pinnasta. Tässä tapauksessa on kyseessä läpikuultava, yhdestä tai useammasta materiaalikerroksesta koostuva kalvo-mainen rakenne. Tässä tapauksessa ensimmäinen indikoitu maksimiarvo edustaa kalvon yläpinnan korkeutta ja viimeinen indikoitu maksimiarvo kalvon alapinnan korkeutta. Mikäli maksimiarvoja on enemmän kuin kaksi, niin silloin edustaa jokainen muu indikoitu maksimiarvo mitattavan materiaalin sisällä olevaa rajapintaa, joka heijastaa valoa. Indikoitujen maksimien paikoista voidaan laskea jokaisen kaivorakenteeseen kuuluvan kerroksen paksuus. Jos osittain valoa läpäisevä materiaali ei sisällä selviä erillisiä kalvoja, vaan on luonteelta esimerkiksi diffuusisti sirottava materiaali, menetelmän tuottama signaali tuottaa tietoa valon sironnan voimakkuudesta eri syvyyksiltä. Tämän typpinen mittauskohde voisi olla esimerkiksi iho.

Jos vaiheessa 78 todetaan, että myös kohteen 2 optisia ominaisuuksia mitataan, niin silloin siirrytään vaiheeseen 81. Vaiheessa 81 mitataan pinnan 2a sironta-ominaisuudet. Sirontaominaisuudet saadaan selville mittaamalla pinnan paikan ilmaisemassa maksimiheijastuskohdassa myös valon intensiteettiprofiili yhdessä tai useammassa pisteessä paikka-akselin suhteen risteävässä suunnassa. Mitattu valon intensiteettiprofiilin sisältämät pisteet tässä suunnassa ovat verrannollisia kohteen 2 pinnan 2a sirontaominaisuuksiin. Kun kohteen 2 sirontaominaisuudet on määritetty, mittausprosessi jatkuu vaiheeseen 82. Eräässä keksinnön edullisessa suoritusmuodossa pinnan aiheuttaman maksimiheijastuskohdan ympäristössä mitataan valon intensiteettiprofiili eräänlaisena alueprofiilina.

Yksittäinen pinnankorkeuden mittausprosessi päättyy vaiheeseen 82. Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että mittausprosessi voi palata takaisin vaiheeseen 71, jolloin saadaan aikaiseksi jatkuva mittausprosessi.

Edellä on kuvattu eräitä keksinnön mukaisen menetelmän ja laitteen edullisia suoritusmuotoja. Keksintö ei rajoitu juuri kuvattuihin ratkaisuihin, vaan keksinnöllistä ajatusta voidaan soveltaa lukuisilla tavoilla patenttivaatimusten asettamissa rajoissa.

Claims (18)

1. Mittalaite (1, 5) mitattavan kohteen (2) pinnan (2a, 2b) paikan ja optisten ominaisuuksien määrittämiseksi optisen säteilyn avulla, joka mittalaite käsittää: - optisen valolähteen (10) - valaisuoptiikan (11, 110, 111, 112, 113, 114), joka suuntaa valolähteen (10) valoa mitattavaan kohteeseen (2) - kuvausoptiikan (12, 120, 121, 122, 123, 124), joka on järjestetty keräämään mit-tauskohteesta heijastunutta tai sironnutta valoa kuvausyksikölle (13) - kuvausyksikön (13), joka on järjestetty ilmaisemaan mittauskohteesta (2) tulevan valon intensiteettijakauma, tunnettu siitä, että -valolähde (10) käsittää lähtöelementin (100), jossa on ainakin yksi viivamainen optinen lähtöelementti (102, 102a) tai pistemäisiä optisia lähtöelementtejä, jotka optiset lähtöelementit on järjestetty tuottamaan valoa ainakin yhdellä aallonpituudella - kuvausyksikkö (13) käsittää valoanturin (130), joka koostuu yhdestä tai useammasta viivamaisesta, pistemäisestä tai aluemaisesta ilmaisinalueesta (132, 132a), jotka sisältävät korkeintaan yhden vastinpisteen (Ki(R)->Kn(R)) kullekin valolähteen (10) optisen lähtöelementin (102, 102a) yksittäiselle pisteelle (Ki(S)->Kn(S)), joka kuvausyksikkö (13) on järjestetty määrittämään valon intensiteettiarvot ainakin osalle ilmaisinalueen (132, 132a) vastinpisteistä (K^R^K^R)) sekä määrittämään mitattavan pinnan (2a, 2b) paikka valon intensiteettimaksimin (KX(R)) paikasta ilmaisinalueella (132, 132a), ja että - valaisuoptiikka (11) ja kuvausoptiikka (12) on järjestetty muodostamaan yhteinen fokuspiste virtuaaliselle mittauspinnalle (3) siten, että virtuaalisella mittaus-pinnalla (3) valaisuoptiikan (11) muodostama kuva valolähteen (10) optisen lähtö-elementin (102, 102a) pisteistä (Ki(S)->Kn(S)) on päällekkäinen vain kuvausoptiikan (12) ilmaisinalueen (132, 132a) vastinpisteiden (Ki(R)->Kn(R)) muodostaman kuvan kanssa ainakin yhdellä valaisinoptiikan (11) tai kuvausoptiikan (12) yhteisellä aallonpituudella (λ) tai apertuurikulmalla (Θ).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että mittalaite käsittää myös välineet (132a) mitattavan pinnan (2a, 2b) kiiltoasteen tai optisten ominaisuuksien määrittämiseksi pinnan (2a, 2b) paikkaa osoittavaa maksimi-intensiteettialuetta ympäröivältä alueelta mitatun valon intensiteettiarvojen jakaumasta (Pi(R), Pn(R))·

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että virtuaalinen mittauspinta (3) on yksi seuraavista: taso, kaareva pinta, viiva, viivasto tai pistejoukko.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että optisen valolähteen (10) lähtöelementti (100) käsittää yhden tai useampia viivamaisia lähtöra-koja (102), jotka muodostavat kiertokulman a valaisuoptiikan (11) optisen akselin (11a) ja kuvausoptiikan (12) optisen akselin (12a) määrittämän tason kanssa, ja että mainittu kiertokulma a on 0-90 astetta.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että optinen valolähde muodostaa kallistuskulman β valaisuoptiikan (11) optisen akselin (11 a) suhteen ja että mainitulla kallistuskulmalla β valaisuoptiikka (11) on järjestetty fokusoimaan lähtörakojen (102) kuva virtuaaliselle mittauspinnalle (3).

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että va-laisuoptiikkaan (11) ja kuvausoptiikkaan (12) on järjestetty pitkittäinen kromaattinen aberraatio siten, että valaisuoptiikan (11) lähtöraoista (102) muodostama kuva ja kuvausoptiikan (12) ilmaisinalueesta (132, 132a) muodostama kuva ovat vastinpisteiltään päällekkäiset virtuaalisessa mittaustasossa (3) ainakin jollakin yhteisellä aallonpituudella (An(S), An(R)).

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että va-laisuoptiikkaan (11) ja kuvausoptiikkaan (12) on järjestetty palloaberraatio siten, että valaisuoptiikan (11) lähtöraoista (102) muodostama kuva ja kuvausoptiikan (12) ilmaisinalueesta (132, 132a) muodostama kuva ovat vastinpisteiltään päällekkäiset virtuaalisessa mittaustasossa (3) ainakin jollain valaisuoptiikan (11) ja kuvausoptiikan (12) yhteisellä apertuurikulmalla (0n(S), 0n(R)).

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että -optinen valaisuyksikkö (10) käsittää ei-monokromaattisen valon valolähteen ja lähtöelementti (100) käsittää paikkariippuvan aallonpituuskaistasuodattimen (102a), - ilmaisinalue (130) käsittää myös paikkariippuvan aallonpituuskaistasuotimen (102a), jonka ilmaisinalueen vastinkohdissa on sama päästökaistan aallonpituus (Ai, An) kuin niitä vastaavissa valolähdealueen aallonpituuskaistasuotimen (102a) kohdissa - lähtöelementti (100) on kallistettu kallistuskulmaan β valaisuoptiikan (11) optisen akselin suhteen (11a) ja myös ilmaisinalue (132) on kallistettu vastaavaan kallistuskulmaan β’ siten, että lähtöelementin (100) aallonpituussuodattimen (102a) pisteellä ja tuloelementin (130) aallonpituussuodattimen (102a) vastinpisteellä on niille yhteinen fokuspiste virtuaalisella mittauspinnalla (3) keskenään samoilla aallonpituuksilla (A„(S), An(R)).

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että -optinen valaisuyksikkö (10) käsittää ei-monokromaattisen valolähteen ja lähtö-elementti (100) käsittää paikkariippuvan aallonpituuskaistasuodattimen (102a) - tuloelementti (130) käsittää myös paikkariippuvan aallonpituuskaistasuotimen (102a), jonka vastinkohdissa on sama päästökaistan aallonpituus (Ai, An) kuin niitä vastaavissa lähtöelementin (100) aallonpituuskaistasuotimen (102a) kohdissa - valaisuoptiikkaan (11) ja kuvausoptiikkaan (12) on järjestetty pitkittäinen kromaattinen aberraatio siten, että lähtöelementin (100) aallonpituussuodattimen (102a) yksittäisellä pisteellä ja tuloelementin (130) aallonpituussuodattimen (102a) vastinpisteellä on vain yksi yhteinen fokuspiste virtuaalisella mittauspinnalla (3) keskenään samoilla aallonpituuksilla (An(S), An(R)).

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että valoilmaisin (132, 132a) on viivakamera, matriisikamera tai valon painopisteilmaisin.

11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että mitattaessa optisesti läpinäkyvää kohdetta (2) jokainen kohteen (2) sisäinen tai ulkoinen rajapinta (2a, 2b) tuottaa erillisen signaalimaksimin (h0, hi), joiden erotuksesta mittalaite (1) on järjestetty määrittämään läpinäkyvän kohteen (2) paksuus.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen mittalaite, tunnettu siitä, että kohteen (2) sisältä sironneen/siroavan valon intensiteettijakaumasta on järjestetty määritettäväksi kohteen (2) sisäinen rakenne eri syvyyksiltä sironneen valon intensiteetistä.

13. Mittausjärjestely mitattavan kohteen (2) paksuuden mittaamiseksi, joka käsittää ensimmäisen mittalaitteen (1) ensimmäisen pinnan (2a) mittaamiseksi ja toisen mittalaitteen (5) toisen pinnan (2b) mittaamiseksi, jossa mittausjärjestelyssä ensimmäinen mittalaite (1) on järjestetty mittaamaan kohteen yläpinnan (2a) korkeus ja toinen mittalaite (5) on järjestetty mittaamaan kohteen alapinnan (2b) korkeus ja mittaustulosten ero on järjestetty indikoitavaksi mittausjärjestelyssä koh teen paksuutena, tunnettu siitä, että molemmat mittalaitteet ovat patenttivaatimuksen 1 mukaisia.

14. Menetelmä kohteen (2) pinnan (2a) korkeuden mittaamiseksi optisesti, jossa kohteen pinnan optinen valaisu (11) ja optinen kuvaus (12) toteutetaan kaksiakse-lisesti ainakin yhdellä aallonpituudella siten, että sekä valaisu että kuvaus kohdistuu pintaan eri suunnasta, tunnettu siitä, että kuvaus ja valaisu toteutetaan kon-fokaalisesti virtuaaliselle mittauspinnalle (3), joka leikkaa kohteen (2) pinnan (2a, 2b), ja että kohteen (2) pinnankorkeus indikoidaan kuvausyksikön (13) vastaanottaman, kohteen (2) pinnasta (2a, 2b) heijastuneen valon valojakauman intensi-teettimaksimin paikasta (KX(R)) kuvausyksikön (13) kuva-anturissa (132, 132a), joka sisältää korkeintaan yhden vastinpisteen (Ki(R)->Kn(R)) kullekin valolähteen (10) optisen lähtöelementin (102, 102a) jokaiselle yksittäiselle pisteelle (Ki(S)-> Kn (S)).

15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että optinen valokuvio synnytetään valaisemalla (71, 72) yhtä tai useampaa viivamaista lähtö-rakoa (102), joiden synnyttämää valolähdealueen kuvaa muokataan (73) va-laisuoptiikalla siten, että lähtörakojen luoman valokuvion (11b, 31) eri osat (Ki(S), Kn(S)) ovat fokuksessa virtuaalisella mittauspinnalla (3) eri kohdissa.

16. Patenttivaatimuksen 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valaisuop-tiikka (11, 111, 112) fokusoi lähtörakojen (102) synnyttämän optisen valokuvion (11b, 31) virtuaaliselle mittauspinnalle (3) joko kromaattisella aberraatiolla tai pal-loaberraatiolla.

17. Patenttivaatimuksen 15 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että konfokaa-lisuuden saavuttamiseksi kuvausoptiikka (12, 121, 122) kuvaa virtuaalisella mittauspinnalla (3) olevan lähtöraon (102) kuvan (11b, 31) ja kohteen (2) pinnan (2a, 2b) leikkauskohtaan syntyvän heijastuskohdan tuloelementillä (130) yhden il-maisinelementin (132, 132a) päälle joko kromaattista aberraatiota tai palloaber-raatiota käyttäen.

18. Patenttivaatimuksen 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ei-monokromaattista valoa suodatetaan paikkariippuvalla aallonpituussuodattimella (102a) ennen valaisuoptiikkaa (113) ja että valaisuoptiikan (113) virtuaaliselle mittauspinnalle (3) kuvaaman, paikkariippuvan aallonpituussuodattimen (102a) aikaansaama lähtöraon kuva ja kohteen (2) pinnan (2a, 2b) leikkauskohdasta heijastuva valonaallonpituus (λ^ λη) kuvautuu kuvausoptiikan (123) jälkeen olevan paikkariippuvan aallonpituussuodattimen (102a) läpi yhden ilmaisinelementin (132, 132a) päälle.