TW202014671A - 光學地量測與成像一量測物件的裝置與方法 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種彩色共焦量測裝置，包括一光源(1)，該光源投射多個波長的光，特別是一種持續的光譜；一第一分束器(3)，光源(1)透過第一分束器(3)和一成像鏡組(25)成像於一量測物件上，其中成像鏡組(25)具有一種色差，該色差使得不同波長的光線可被該成像鏡組聚焦於不同距離，其中量測物件的反射光透過成像鏡組和第一分束器(3)成像於一第一共焦檢波片單元(10)上；一第一檢波裝置(16)，該第一檢波裝置獲取和分析處理第一檢波片單元(10)透射的光。在本發明的結構型式中，該量測裝置包括一照明光闌單元(2)，該照明光闌單元含有至少一第一孔口，該孔口與第一檢波片單元(10)的一檢波孔協同作為共焦光闌，第一孔口為一狹縫光闌，量測裝置還包括一第二檢波裝置(26)和一第二分束器(13)，且特別是一未極化的分束器，其中第二分束器(13)用於將量測物件(8)的反射光分光成第一分束(14)和第二分束(17)，第一檢波裝置(16)用於利用一逐行檢波器獲取第一分束(14)的光線、分析處理所有波長的總強度以及建立一總強度概覽及/或總強度圖，第二檢波裝置(26)用於同時對第二分束(17)的光進行光譜分光，並且獲取和分析處理多個個別波長或者個別波長範圍的光強度。本發明也涉及一種彩色共焦量測方法。

Description

光學地量測與成像一量測物件的裝置與方法

本發明涉及彩色共焦量測技術和景深範圍擴大的圖像感測器。

一般的量測裝置包括一可發射多種波長光線的光源，用於照射量測對象。此外還包括一第一分束器，光源的光線經由該第一分束器和一成像鏡組成像到量測物件上。該成像鏡組具有一種色差(chromatic aberration)，該色差使得不同波長的光線被該成像鏡組聚焦於不同距離。從量測物件反射的光線透過該成像鏡組和該第一分束器成像到一第一共焦檢波片單元上，然後穿過該第一檢波片單元(10)被一第一檢波裝置(16)獲取並分析處理。

已知專利EP3 222 964 A1已揭露一種用於物件表面測定的彩色共焦裝置。該裝置包括一寬頻光源和一具有色差的透鏡，這種色差使得不同波長的光線可被聚焦於不同的軸向距離。該裝置還包括多個光學量測通道，該些光學量測通道在量測物件表面上分別成像一個點，其中對至少一部分的量測通道分析所有波長的總強度，而不進行光譜分析處理。在該裝置的一實施例中，輸出通道是由帶有光纖耦合器的光纖形成的，這樣既可分析處理總強度又可同時進行量測通道的光譜處理。照明側的光源光 線同樣透過光纖傳導，其中光纖終端用作共焦量測及照明的光圈，使得該裝置可成像於量測物件的量測點上。

不過，該裝置由於個別光纖的原因具有不能完整均勻照明和使量測物件成像的缺點。另外在使用光纖時，量測點的直徑和距離受到量測通道的光纖的直徑的限制。當所需量測點距離和直徑明顯小於光纖的直徑和距離時，就需要用到一個附帶縮小比例尺β<<1的物鏡，從而就要增加物鏡的尺寸和成本。另外由於光纖核心與光纖外徑存在一定的比例關係，所以點直徑與點距離之間就存在比例下限。如果量測點距離和直徑是可變的，那麼物鏡就需配有活動件，從而就要進一步增加物鏡的尺寸和成本。假若不使用光纖，那麼就不能同時對總強度和光譜進行分析處理(參見EP3 222 964 A1的段落131)。為了能夠一次性完成對一個很大的空間範圍的量測，就需要數量很多的光纖和光纖耦合器，非常昂貴和體積龐大。

基於上述習知技術的缺陷，本發明實施例提供一種結構緊湊堅固和製造成本較低的共焦彩色成像裝置，用於對量測物件進行量測，它既可快速測定總強度，又能同時對量測物件至少一個方向伸展的空間範圍的反射光譜進行分析處理。

本發明實施例的另一目的在於提供一種可同時快速分析處理總強度和光譜的方法，其中的量測點距離並非由光學器件預定的。

可通過例如申請專利範圍第1項定義的裝置和申請專利範圍第14項定義的方法實現以上創作目的。

本發明所基於的認識，是在照明側使用一帶有一第一狹縫光闌(slit stop)的照明光闌單元作為共焦光圈可使量測區域得到均勻的照明，從而可將量測物件的反射總強度均勻成像於一第一檢波裝置的一快速逐行檢波器上。相較於受共焦針孔光闌陣列照明的個別量測點，均勻照明可被理 解為始終不變的照明強度。在這裡有令人意外的發現，那就是儘管採用這種空間延展式的光闌代替習知的點式光闌，但仍然可以分析量測物件反射光的光譜分佈狀況，從而使得可以確定(例如)高度資訊。為了既可分析處理總強度又能同時分析處理量測物件的表面光譜分佈狀況，並且維持延展式共焦光闌(狹縫光闌)的優點，本發明實施例之量測裝置包括一第二分束器，該分束器可將樣品反射光分光成兩個分束，這兩個分束可以同時受到不同的分析處理。在本發明實施例中，一分束所有波長的總強度接受一第一檢波裝置的分析處理，一第二檢波裝置負責對另一分束的光進行光譜分光並且確定個別波長或波長範圍的強度。

本發明實施例中的成像鏡組具備顯著的色差效果。這種色差具有突出的優點，那就是所用最短波長與最長波長的聚焦平面相隔一定的距離，該距離對應規定的量測裝置測高範圍。為達此目的，成像鏡組包括至少一阿貝(Abbe)數小於50(更佳小於40，最佳小於30)的透鏡。

較佳地，第一共焦檢波片單元在光路中佈置在第二分束器與第一檢波裝置之間，而第二共焦檢波片單元在光路中佈置於第二分束器與第二檢波裝置之間。為兩種不同的檢波裝置使用兩種不同的檢波片單元，優點在於可以採用不同的光闌以更好地適應檢波裝置的要求，例如為了匹配狹縫光闌的寬度和長度，以便得到不同的空間解析度，同時也可盡可能充分符合兩個檢波裝置的共焦條件。

照明光闌單元更佳包括多個孔口，其中照明光闌單元的一第二孔口與第二檢波片單元的一檢波孔協作起共焦光闌的作用。這樣在選擇孔口時就有更大的靈活性，以便可以完全獨立地為投射到檢波裝置上的光選擇合適的投射參數。

更佳地，照明光闌單元也包含多個孔口，同時第二檢波片單元可更換。如果不採取可更換的形式，也可將第二檢波片單元的一部分(快門)設計成可移動的形式。藉此，孔口或者第二檢波片單元的孔口可以變 化，照明光闌單元的一第二孔口或者一第三孔口可與第二檢波片單元的一檢波孔協作起共焦光闌的作用。該實施例的優點在於成本效益特別好，並且由此所提供的量測裝置的例如第二檢波裝置的空間解析度是可調整的。為使解析度變化，只需更換遮罩即可，或者使一用於遮蔽第二檢波片單元的閒置檢波孔口的、只允許光從檢波孔透射的快門移動便可。

在本發明一較佳實施例中，照明光闌單元包括至少兩個孔口，其中第一孔口與第一檢波片單元協同作為共焦光闌，而第二檢波片單元通過更換或者一個活動機構的移動可與照明光闌單元的第一孔口，不然就是與照明光闌單元的第二孔口或另一孔口協同作為共焦光闌。

在本發明另一較佳實施例中，照明光闌單元的孔口，特別是第一孔口和第二孔口，分別僅與第一檢波片單元的一檢波孔或者第二檢波片單元的一檢波孔協同作為共焦光闌。

較佳地，照明光闌單元的第一孔口與第二孔口為寬度各異的狹縫光闌。此外，第二孔口也可為一針孔光闌，而第一孔口則為一狹縫光闌，其中特別是狹縫光闌(第一孔口)的寬度與針孔光闌的直徑存在差異。在此情況下，照明光闌單元較佳地還包含其他的針孔光闌，該些針孔光闌與第二孔口成排佈設，以便成像量測物件的空間延展區域。

在一較佳實施例中，第一共焦檢波片單元在光路中佈置在第二分束器與第一檢波裝置之間，在第二分束器與第二檢波裝置之間有多條光纖用於第二分束的導引，其中特別是光纖的終端部用作共焦光闌。在該位置採用光纖，優點在於第二檢波裝置能被撓性地佈置在距離很遠的位置，因為光譜分光式的佈置通常需要較大的空間。這種結構形式可結合自由空間光佈置的優點，例如在照明裝置或者第一檢波裝置中。

在本發明的一較佳實施例中，第一共焦檢波片單元同樣可為一(第二)狹縫光闌。更佳地，構成第一共焦檢波片單元的第二狹縫光闌與第一狹縫光闌尺寸相等。其中，第一狹縫光闌、第二狹縫光闌與成像鏡 組的佈置形式，使得第一狹縫光闌在量測物件上的聚焦成像相當於第二狹縫光闌的聚焦成像。這樣就可最佳利用光束的資訊含量。

在本案中，狹縫光闌應被理解為朝一個方向的延展長度基本大於(至少兩倍)朝該方向的垂直方向的延展長度的光闌。狹縫光闌形狀較佳近似於矩形，也可採用其他形狀，例如細邊圓形。

在本案中，總強度應被理解為一檢波器在某一點位或者空間受限的小面積(像素)上按照所有使用的波長範圍累計的測定強度。在各個地點及/或各個時間點可確定不同的總強度。

較佳地，第一檢波裝置和第二檢波裝置都含有對射入光區域進行空間分辨的檢波器。這樣便可對多個地點的射入光強度進行測定，例如利用多種的檢波像素。藉此，可沿至少一個尺度對射入第一和第二檢波裝置的光進行空間分辨，且特別是對等於第二狹縫光闌的較長邊的尺度。

較佳地在第二檢波裝置中使用矩陣檢波器，也就是可將射入光強度以兩種尺度進行分辨的檢波器。在本發明一較佳實施例中，檢波器在第二檢波裝置裡的佈置使得狹縫光闌的較長一側可沿檢波器的一個尺度進行成像，與此同時不同波長的光透過一離散元件沿檢波器的第二尺度而被分光。

已知逐行檢波器的讀出速度一般快於矩陣檢波器的所有資訊讀出速度。也就是說，矩陣檢波器的所謂「幀率」要比逐行檢波器的小。因此，可以選擇分析處理率更高(更快)的此種逐行檢波器。基於這樣的事實，在本發明一較佳實施例中選擇了相比第二檢波裝置較高的第一檢波裝置逐行檢波器分析處理率。這樣選擇的優點在於可以更快地建立一個強度圖，藉此例如在進行掃描一個量測物件時就可使強度圖解析度(沿掃描方向)更高。

較佳地，第二檢波裝置還包括一快門，用於至少有時中斷矩陣檢波器的照明。這樣就可確保在掃描量測物件期間，即相對於量測物件 的偏移期間，對於分析處理率而言只有較小空間範圍的光落在矩陣檢波器上以防止量測值的失真。較佳地，快門僅在逐行檢波器分析處理期間才打開。

較佳地，光源以連續光譜進行投射。這種光源一般也被稱為「寬頻光源」。

較佳地，按照習知的彩色共焦量測原理從第二檢波裝置的獲取光的光譜分佈獲得高度資訊。較佳地，從第二檢波裝置所測定的多個單獨波長或者波長範圍的強度分佈得出量測物件表面的一或多個高度資訊。直接透過檢波裝置及/或一所屬處理器獲取高度資訊。這裡的高度資訊，應被理解為例如量測物件表面與量測裝置或者預定的參考平面的距離，或者是該表面上的各點相對高度。對於對所用光而言至少是部分透明的量測物件，高度資訊也包括量測物件厚度或者量測物件的各層厚度。

通過分析處理總強度，可提供一種雖然不含高度資訊、但可使相對於高度的橫向結構成像影像，其中有鑑於各種波長聚焦於量測物件區域的不同高度，並且利用成像鏡組較大焦深(相較於沒有成像光學單元的色差的狀況)。

在本發明一較佳實施例中，第一檢波裝置所取得的總強度圖可與第二檢波單元對相同量測位置所取得的高度資訊組合，例如通過一顯示裝置疊加顯示出來。更佳地，無論是高度資訊還是在平面裡相對於高度的橫向精確分辨的總強度成像都可被分析處理和輸出。

為了充分利用相對於針孔光闌陣列而言的狹縫光闌優點，對量測物件的反射光較佳透過一位於量測物件與第一檢波裝置之間的自由空間光裝置進行散射。更佳地，由光源傳導到量測物件的光透過一自由空間光裝置進行散射。這種形式的優點在於量測裝置可以結構穩固、製造成本較低和不受溫度的影響。

在本發明一較佳實施例中，第二分束器為一六面體分束器， 該六面體分束器更佳地包括兩個相互聯接的稜鏡，在該兩個稜鏡之間延伸有一分束器面。更佳地，第一分束器也為此類的六面體分束器。

在本發明一更佳實施例中，位於照明側的第一狹縫光闌直接安裝在第一分束器的一個表面上。第一共焦檢波片單元也可額外地或選擇性地直接安裝於第一或者第二分束器的一個表面上。藉此可使量測裝置更佳穩固，因為光學元件不太可能相互偏移。由於六面體分束器的相關表面受不透明塗層的遮蔽，無塗層位置才構成光闌，因此本發明的結構可以非常緊湊和簡單。

在選擇為分束器的分束比例時，應確保量測光線的強度分佈對應分束的優化。光透過第二檢波裝置進行光譜分光，並且被導入一個矩陣檢波器。由此將使量測光線可分佈在更多的像素上(與第一檢波裝置的逐行檢波器相比)。此種效應較佳利用分束器的分束比例來平衡。

在本發明一較佳實施例中，第一共焦檢波片單元佈置在第一分束的光路中，而第二共焦檢波片單元分佈在第二分束的光路中。更佳地，第一檢波片單元為一(第二)狹縫光闌，而第二檢波片單元為一(第三)狹縫光闌不然就是為至少一排的針孔光闌。

在本發明一替代實施例中，第一共焦檢波片單元佈置在第一分束器與第二分束器之間的光路中。該實施例的優點在於量測裝置特別穩固，因為僅需要一檢波片單元，而該檢波片單元如同上述的照明側第一狹縫光闌同樣可安裝在第一六面體分束器上，這樣使得相互偏移不太可能。

在本發明另一替代實施例中，第二分束器設成一繞射光柵。其中零級的繞射形成第一分束，而第一級繞射形成第二分束。這樣使得設計特別緊湊。

較佳地，量測裝置的至少部分與一量測頭集成為一體，且至少是成像鏡組以及第一和第二分束器。更佳地，量測頭垂直於光軸的一個方向的延展度要小於垂直於光軸另一方向的延展度。更佳地，延展度較小 的方向為第一狹縫光闌細邊的方向。這樣使得設計更加緊湊。。

有關本發明實施例的詳情，可參見相關的圖式說明。

本發明實施例此外還涉及一種彩色共焦量測方法，其中量測物件在以一尺度延展的一空間範圍內受到一光源的照射，而該光源的光線具有多種波長，其中不同波長的光線以不同的高度聚焦於量測物件區域。量測對象的反射光成像於第一共焦檢波片單元，且特別成像於第二狹縫光闌上，使得第一檢波片單元用作共焦光闌。光線由第一檢波裝置獲取並被分析處理。量測物件的反射光透過一第二分束器分光成兩個分束。第一分束所有波長的總強度將被獲取和分析處理，第二分束的光將被光譜分光，單個波長或者波長範圍的強度也會被獲取和分析處理。

較佳地，根據波長或者波長範圍的強度分佈獲得高度資訊。一般而言，波長以最大強度(本地的或者全域的)對應高度資訊。

更佳地，所獲得的高度資訊與量測位置內的具體地點關聯。較佳地，高度資訊也與總強度圖或者總強度概覽的局部關聯。較佳地，量測裝置還包括用於顯示總強度圖或者總強度概覽以及所屬高度資訊(例如重疊歸類的或者其他視覺形式歸類的)的顯示裝置。

當照明光闌單元包括多個孔口，而該些孔口的一部分與第一檢波片單元、另一部分與第二檢波片單元分別協作成為共焦光闌時，第一和第二檢波裝置在某些情況下並非量測相同的量測物件範圍。在此情況下，將會計算量測位置之間的偏移量，並在顯示資訊時兼顧該偏移量。

透過對量測位置的均勻照明和對檢波裝置上的均勻成像，可以在分析處理過程中顯示各種可被看作虛擬光闌的光闌的效果。

其中最簡單的方式是所用檢波器的個別像素結合所用的第二狹縫光闌寬度構成有效的光闌。為此只需在分析處理時考慮這些個別像素的強度，這些個別像素構成了共焦光闌的透射範圍。對其餘像素的強度在分析處理時不予考慮，因此不屬於共焦光闌的透射範圍。

透過適當的資料分析，還可以顯示虛擬的光闌，例如通過將各種相鄰的像素綜合成一光闌，並將相對應的強度值在分析處理時予以合計。

虛擬光闌可分為多個不同的參數：中點分佈和光闌大小。中點較佳以相同的距離分佈，使中點的位置特性與第一光闌的所在位置和光闌的中點距離關聯。

較佳地，按照表面的結構相應選擇合適的光闌大小和距離。

較佳地，為量測物件的一個空間範圍利用各種共焦光闌進行多種分析處理，而且無需移動量測裝置或量測物件。依據現有習知的共焦量測法，光闌的中點是固定的，因此在不移動量測頭或者量測物件的情況下，只能根據各點之間的一定距離測定各點在表面上的高度。通過使用虛擬光闌，特別可根據虛擬光闌的中點相互位移進行多種分析處理，從而可縮小各個高度資訊點之間的距離。此為一種沿第二狹縫光闌的較長邊進行的虛擬掃描方式。

較佳地，量測裝置與量測物件可以相對移動，並且可沿狹縫光闌的細邊方向進行掃描，亦即對多個位置進行多次量測，並對量測資料進行統一的分析處理。這樣就可通過顯示多個相鄰量測位置上的成像來建立總強度圖。

較佳地，量測裝置或其一部分(量測頭)在掃描期間相對於量測物件移動，且較佳沿第一狹縫光闌細邊的方向。其中在選擇移動速度時，量測裝置較佳在第一檢波裝置的一個處理節拍(亦即分析處理的一個時間段)內的移動幅度小於第一狹縫光闌的寬度。在每個處理節拍都量測一次總強度，接著將各次量測結果合併成一個總圖。

較佳地根據第二檢波裝置的資料，為每個處理節拍建立沿狹縫光闌長邊延伸的高度資訊概況(高度概況)。

在本發明一較佳實施例中，第二檢波裝置上的射入光有時被 一快門阻隔，且第二檢波裝置的矩陣檢波器較佳僅在第一檢波裝置的一個處理節拍內接受光線。藉此，可達到所獲高度資訊等於量測物件表面一個空間受限位置以及不失真或者低微失真的效果。該過程較佳與第一檢波裝置的分析處理過程同步進行，以便知道所給的高度概況對應哪個強度概況。高度資訊較佳透過一個輸出裝置重疊歸類地或以其他視覺形式顯示出來。

在本發明另一較佳實施例中，第一次掃描用於建立一個強度圖，接著進行第二次掃描用於獲取高度資訊。更佳地，對從強度圖可識別出來的特別感興趣位置獲取高度資訊。

1‧‧‧光源

2‧‧‧照明光闌單元

3‧‧‧第一分束器

4‧‧‧線條

5‧‧‧透鏡

6‧‧‧透鏡

7a‧‧‧高度

7b‧‧‧高度

7c‧‧‧高度

8‧‧‧量測物件

9‧‧‧線條

10‧‧‧第一共焦檢波片單元

10a‧‧‧第二共焦檢波片單元

12‧‧‧透鏡

12a‧‧‧透鏡

12b‧‧‧透鏡

13‧‧‧第二分束器

14‧‧‧第一分束

15‧‧‧透鏡

16‧‧‧第一檢波裝置

17‧‧‧第二分束

18‧‧‧繞射光柵

19‧‧‧透鏡

20‧‧‧矩陣檢波器

21‧‧‧玻璃塊

25‧‧‧成像鏡組

26‧‧‧第二檢波裝置

31‧‧‧量測範圍

32‧‧‧虛擬光闌

33‧‧‧量測範圍

34‧‧‧虛擬光闌

41‧‧‧像素範圍組

42‧‧‧像素範圍組

43‧‧‧像素範圍組

51‧‧‧虛擬光闌

52‧‧‧虛擬光闌

53‧‧‧虛擬光闌

106‧‧‧狹縫光闌

107‧‧‧針孔光闌

108‧‧‧針孔光闌序列

109‧‧‧針孔光闌序列

200‧‧‧遮罩

201‧‧‧狹縫光闌

202‧‧‧狹縫光闌

203‧‧‧狹縫光闌

204‧‧‧狹縫光闌

205‧‧‧針孔光闌

300‧‧‧遮罩

302‧‧‧狹縫光闌

305‧‧‧針孔光闌

400‧‧‧遮罩

401‧‧‧狹縫光闌

404‧‧‧狹縫光闌

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例並配合所附之圖式予以詳細說明。圖式說明：

圖1為一個彩色共焦量測裝置的示意圖；

圖2為一個彩色共焦量測裝置的較佳實施例示意圖；

圖3為一個彩色共焦量測裝置的另一較佳實施例示意圖；

圖4為光闌結構範例示意圖；

圖5為一個彩色共焦量測裝置的另一較佳實施例示意圖；

圖6為虛擬光闌原理圖；

圖7為虛擬掃描原理圖；

圖8為一個彩色共焦量測裝置的較佳實施例示意圖；

圖9a和9b為一個彩色共焦量測裝置的另一較佳實施例示意圖；

圖10為照明光闌單元光闌結構範例和檢波片單元示意圖。

相同的元件符號表示所有圖式中的相同元件。

圖1顯示了一個彩色共焦量測裝置。

其中光源1屬於一照明裝置的部件，可投射多種波長的光。該照明裝置透過一成像鏡組25用光源1照亮一量測物件8。照明裝置包括一第一照明光闌單元2，該照明光闌單元用作量測裝置的共焦光闌並且較佳包含至少一個狹縫光闌。

一第一分束器3引導照明裝置的照明到一成像鏡組25上，該成像鏡組25具有顯著的色差。

量測物件的反射光透過成像鏡組25和第一分束器3投射到一第一共焦檢波片單元10，使該第一檢波片單元10作為共焦光闌。

量測裝置包括一第二分束器13，該分束器將量測物件8的反射光分成一第一分束14和一第二分束17以分別對量測物件8的同一空間範圍進行成像。

量測裝置還包括一第一檢波裝置16和第二檢波裝置26，第一檢波裝置16捕捉第一共焦檢波片單元10透射的光線。第一檢波裝置16用於利用一逐行檢波器捕捉第一分束14的光線，並分析處理所有波長的總強度。第二檢波裝置26用於對第二分束17的相同光線進行光譜分光，並且捕捉和分析處理多個個別波長或者波長範圍的光強度。

圖2顯示了本發明一個較佳實施例的彩色共焦量測裝置範例。

如圖所示，光源1可投射多個波長的光。光透射通過一個裝於一第一六面體分束器3一側的照明光闌單元2。照明光闌單元較佳包括至少一個第一狹縫光闌。光源1與照明光闌單元2共同構成一照明裝置。

光接著透過一例如由一第一透鏡5和一第二透鏡6組成的成像鏡組25成像於一量測物件8上。光路以線條4表示。成像鏡組25的色差使不同波長的光線可聚焦於不同的點或者相對於量測物件8的不同高度7a、7b、7c處。

量測物件8的反射光透過成像鏡組(透鏡6和5)和第一六面體分束器3再反射回來。光路以線條9表示。

在六面體分束器3中，一部分光沿光源1方向反射，另一部分光則沿一第二六面體分束器13反射。在沿第二六面體分束器13的方向佈置的第一六面體分束器3的表面裝有一共焦檢波片單元10，該檢波片單元例如由一第二狹縫光闌組成。第二狹縫光闌的適當佈置方式，使得量測物件8反射的第一狹縫光闌2成像又可近似完全地成像於第二狹縫光闌上。

第一六面體分束器3和照明裝置也可選擇另一佈置形式，使分束器透射的光可沿第二六面體分束器13的方向引導，與此同時光源1佈置在反射路徑上。

第二六面體分束器13將光束分光為兩個分束(14，17)。第一分束14沿第一檢波裝置16的方向轉向。檢波裝置16包括一逐行檢波器，含有多種像素。這些像素成排的佈置形式，使沿第二狹縫光闌(共焦檢波片單元10)的長邊方向射出的光沿像素序列成像。

檢波裝置16的逐行檢波器對應逐行檢波器的每種像素量測全部所用波長的總強度。這樣便可建立沿狹縫光闌的長邊走向的強度概況。

第二分束17透過一離散元件18(或者繞射光柵)分光為光譜分量。由此形成一可成像於一矩陣檢波器20上的二維光場。矩陣檢波器因此可沿狹縫光闌的長邊對每個地點和每種波長測定對應的強度。第二檢波裝置26用於根據測出的強度確定量測物件的高度資訊。

圖2右下方顯示了第二檢波裝置26的立體圖。

透鏡12、15、19的佈置使得共焦檢波片單元10可成像於檢波器上。第三透鏡12較佳地佈置在第一分束器3與第二分束器13中間。在選擇和佈置第三透鏡12時應使光在分束器13內對準。

較佳還有一第四透鏡15佈置在第二分束器13與第一檢波裝置16之間，此外還有一第五透鏡19裝於離散元件18與矩陣檢波器20之 間。

圖3顯示了本發明的另一實施例。

如圖所示，光源1可投射多個波長的光。光線透射穿過第一狹縫光闌2。第一狹縫光闌2較佳裝於一玻璃塊21(例如立方形玻璃)上。使用玻璃塊21有利於量測裝置的構造，防止部件相互偏移。不過量測裝置也可設成不帶有玻璃塊21的，在此情況下就須注意光路長度變化。

較佳在玻璃塊21的邊界位置佈設一第一分束器3。該分束器沿成像鏡組25和量測物件8的方向將光源1的一部分光反射，也如同圖2中所示。

量測物件8的反射光沿光路9重新反射到第一分束器3。其中一部分光沿第二分束器13的方向透射。該分束器較佳直接臨近第一分束器3。

第二分束器13將光分光成第一分束14和第二分束17。每個分束分別配設一共焦檢波片單元，其中第一共焦檢波片單元10設於第一分束14，第二共焦檢波片單元10a設於第二分束17。第一和第二共焦檢波片單元10、10a分別裝於第二分束器13的表面上。

聚焦於量測物件8表面的光透過成像鏡組25成像於第一和第二共焦檢波片單元10、10a上。

第一分束14透過透鏡12b、15成像於第一檢波裝置16的一逐行檢波器上，該逐行檢波器用於量測所有波長的射入光強度。

第二分束17通過一透鏡12a對準，並且透過一離散元件18(例如：繞射光柵)進行光譜分光。透過一透鏡19使由此產生的光場聚焦於一矩陣檢波器20上。

圖4顯示了各種共焦檢波片單元。較佳地，將一狹縫光闌106用於圖1至圖3所示實施例中的共焦檢波片單元10和10a。

此外還可選用一系列的針孔光闌107。其中，針孔光闌107 的直徑較佳等於第一狹縫光闌2的直徑。一系列針孔光闌較佳僅用於第二檢波片單元10a。

另外還可以使用至少兩個偏置(offset)的針孔光闌序列108和109。這種結構形式可使針孔光闌具有很大的點密度，從而減少量測物件表面相鄰點的信號干擾。

圖5顯示了本發明的另一實施例。其中，一繞射光柵18取代六面體分束器用於將光分成兩個分束，也同時用於光譜分光。

量測裝置中涉及照明裝置、成像鏡組和第一分束器3的部件功能如同圖2所示。

光在第一分束器3後側被導引到繞射光柵18上，該繞射光柵同時用作分束器13。在第一分束器3與繞射光柵13、18之間較佳佈設至少一透鏡12以使光對準。

繞射光柵18的零級的繞射較佳形成第一分束14，而光譜分光的第一級繞射形成第二分束17。第一分束14投射到檢波裝置16的一逐行檢波器上，用於量測逐行檢波器各種像素位置的總強度。

光譜分光的第二分束17投射到一矩陣檢波器20上，用於對應位置x和波長λ對強度進行量測。矩陣檢波器20屬於第二檢波裝置26的一部分，用於根據強度的光譜分佈獲取量測物件8的高度資訊。

圖6為虛擬共焦光闌的原理圖。如同上述，第二檢波裝置的一矩陣檢波器20長度等於成像於量測物件8上的狹縫光闌空間位置(y軸)，而另一尺度等於波長λ。其中射入第二檢波裝置的光沿λ軸光譜分光。

始終只能對量測物件8的空間受限的最終範圍獲取對應的高度資訊。該範圍對應彩色共焦量測原理中的一虛擬光闌。其中，對位於矩陣檢波器20範圍31、33內的像素光譜進行觀察，然後以習知的方法從光譜得出一或多個高度資訊。這相當於對虛擬光闌的共焦光闌32、34的觀察。

本發明實施例之量測法的優點在於可以自由選擇量測範圍31和33。如果將範圍31選擇很大，就等於選擇了具有間距較大的虛擬光闌32。如果將距離選擇較小(範圍33)，就等於選擇了間距較小的虛擬光闌34。通過改變範圍31、33的y軸寬度，同樣可以改變虛擬光闌的直徑。

圖7為第二檢波器的x軸虛擬掃描原理圖。在此情況下，像素範圍在量測裝置和量測物件在同一相對位置保持不變時將會移動。基於所選的像素範圍組41、42、43可得出近似重疊的虛擬光闌51、52、53。

利用此種型式重疊的虛擬光闌51、52、53，可比真實的光闌獲得更高的高度概況解析度。

圖8顯示了一彩色共焦量測裝置。

如圖所示，這裡的量測裝置與圖1所示量測裝置相比，照明光闌單元2包括至少兩個孔口，其中至少一個設成狹縫光闌。相應地，照明光闌單元的所有孔口透過成像鏡組25成像於量測物件8上。

第一共焦檢波片單元10在此實施例中佈置於第二分束器13與第一檢波裝置16中間。第一共焦檢波片單元10僅含有一個唯一的狹縫光闌，該狹縫光闌與照明光闌單元2的狹縫光闌協同作為共焦光闌。因此量測物件8僅有一個照明範圍成像於檢波裝置16上。

第二共焦檢波片單元10a在此實施例中佈置於第二分束器13與第二檢波裝置26中間。第二共焦檢波片單元10a包括一或多個孔口，該孔口與那些不與第一共焦檢波片單元10協作的照明光闌單元2孔口協同作為共焦光闌。因此，量測物件的另一範圍成像於第二檢波裝置26上。

透過第一和第二共焦檢波片單元10、10a分別完全阻隔照明光闌單元成像的一個空間部分。

在本發明一較佳實施例中，第二共焦檢波片單元10a是可更換的。另外還包括一個活動件(快門)，該活動件可選擇性地遮蔽第二共焦檢波片單元10a孔口的一部分。圖9a和9b顯示了該較佳實施例的兩種狀態。

圖9a和9b所示實施例的結構總體上如圖3所示，其中照明單元和檢波片單元2、10、10a旋轉了90°。

照明光闌單元具有至少兩個孔口，在這裡舉例作為第一和第二狹縫光闌予以說明，其中狹縫光闌可被一排針孔光闌取代。

現結合圖8對成像情況進行說明。第一共焦檢波片單元10包括一個唯一的狹縫光闌，其中照明光闌單元的第一狹縫光闌成像於第一共焦檢波片單元10的狹縫光闌上，並且對應分束14射入檢波裝置16。

第二共焦檢波片單元10a在圖9a顯示為第一可更換的遮罩，該遮罩含有一個狹縫光闌，該狹縫光闌受照明光闌單元第二狹縫光闌的成像。與此相應，分束17被導入第二檢波裝置26並且成像作為分束14的另一空間範圍。

第二共焦檢波片單元10a較佳是可更換的。圖9b顯示了一個第二可更換的遮罩，該遮罩具有一個在另一位置的狹縫光闌可接受照明光闌單元的第一狹縫光闌的成像。

第二檢波裝置26因此如同第一檢波裝置16那樣可選擇性地接受量測物件的相同範圍或者不同的範圍。

在本發明的更佳地實施例中，照明光闌單元的狹縫光闌具有不同的寬度，其中第一或另一檢波片單元10、10a的相應狹縫光闌寬度分別相等。

更佳地，照明光闌單元還包括多於兩個的尺寸不同的狹縫光闌，其中第二共焦檢波片單元10a的可更換遮罩與此協調。

在本發明的另一實施例中，照明光闌單元的第二狹縫光闌可被一排針孔光闌取代，其中第二共焦檢波片單元10a較佳也擁有相應的針孔光闌序列。

如果不採用可更換的遮罩，第二共焦檢波片單元10a也可配設一個活動件(快門)用於遮蔽那些無需使用的孔口。

圖10顯示了較佳採用的遮罩，這些遮罩安裝於照明光闌單元2和檢波片單元裡。

其中遮罩200屬於例如配有三個狹縫光闌201、202和203的照明光闌單元的部件之一。適合第二共焦檢波片單元10a的遮罩為遮罩300，該遮罩300包括一狹縫光闌302，該狹縫光闌與狹縫光闌202的結構和尺度相同。這些遮罩可被一個未圖示出來的、配有一個與狹縫光闌203相同的狹縫光闌的遮罩替換。遮罩400為配有一狹縫光闌401、適合第一共焦檢波片單元10的遮罩，該遮罩與狹縫光闌201的結構和尺度相同。

作為遮罩200的替代，可採用一個配有一個狹縫光闌204和一針孔光闌205的遮罩。在本實施例中，第二共焦檢波片單元10a包括一排與之相應的針孔光闌305，而第一共焦檢波片單元10包括一個狹縫光闌404。

1‧‧‧光源

2‧‧‧照明光闌單元

3‧‧‧第一分束器

8‧‧‧量測物件

10‧‧‧第一共焦檢波片單元

13‧‧‧第二分束器

14‧‧‧第一分束

16‧‧‧第一檢波裝置

17‧‧‧第二分束

25‧‧‧成像鏡組

26‧‧‧第二檢波裝置

Claims (17)

1. 一種彩色共焦量測裝置，包括：

   一光源(1)，該光源投射多個波長的光，特別是投射一連續的光譜，

   一第一分束器(3)，光源(1)透過該第一分束器(3)和一成像鏡組(25)成像於一量測物件上，其中該成像鏡組(25)具有色差，該色差使得不同波長的光線可被該成像鏡組聚焦於不同距離進行，其中該量測物件的反射光透過該成像鏡組和該第一分束器(3)成像於一第一共焦檢波片單元(10)上，

   一第一檢波裝置(16)，該第一檢波裝置獲取和分析處理該第一檢波片單元(10)透射的光，

   其特徵在於，該量測裝置包括一照明光闌單元(2)，該照明光闌單元含有至少一第一孔口，該第一孔口與該第一檢波片單元(10)的一檢波孔協同作為共焦光闌，該第一孔口為一狹縫光闌，該量測裝置還包括一第二檢波裝置(26)和一第二分束器(13)，且特別是一未極化的分束器，其中該第二分束器(13)用於將該量測物件(8)的反射光分光成第一分束(14)和第二分束(17)，第一檢波裝置(16)用於利用一逐行檢波器獲取該第一分束(14)的光線、分析處理所有波長的總強度以及建立一總強度概覽及/或總強度圖，該第二檢波裝置(26)用於同時對該第二分束(17)的光進行光譜分光，並且獲取和分析處理多個個別波長或者個別波長範圍的光強度。
2. 如申請專利範圍第1項的量測裝置，其中該第一共焦檢波片單元(10)在光路中佈置在該第二分束器(13)與該第一檢波裝置(16)之間，該第二共焦檢波片單元(10a)在光路中佈置於該第二分束器(13)與該第二檢波裝置(26)之間。
3. 如申請專利範圍第2項的量測裝置，其中該照明光闌單元(2)更包括一第二孔口，該第二孔口與該第二檢波片單元(10a)的一檢波孔協同作為共焦光闌。
4. 如申請專利範圍第2項的量測裝置，其中該照明光闌單元(2)更包括一第二孔口或一第三孔口，該第二檢波片單元(10a)可更換或者包括一活動件，該活動件使選擇性地該照明光闌單元的該第二孔口或者該第三孔口與該第二檢波片單元(10a)的一檢波孔協同作為共焦光闌。
5. 如申請專利範圍第3或4項的量測裝置，其中該照明光闌單元的孔口，特別是該第一孔口和該第二孔口，分別僅與該第一檢波片單元(10)的檢波孔不然就是該第二檢波片單元(10a)的檢波孔協同作為共焦光闌。
6. 如申請專利範圍第2項的量測裝置，其中該照明光闌單元(2)更包括一第二孔口，該第二檢波片單元(10a)可更換或者包括一活動件，該活動件使選擇性地照明光闌單元的該第二孔口或者該第一孔口與該第二檢波片單元(10a)的一檢波孔協同作為共焦光闌。
7. 如申請專利範圍第3項至第6項中任一項的量測裝置，其中該照明光闌單元的該第一和該第二孔口為狹縫光闌，該第一與該第二孔口的寬度不同；或者該第二孔口為一針孔光闌，該針孔光闌的直徑特別不等於為狹縫光闌之該第一孔口的直徑。
8. 如申請專利範圍第1項的量測裝置，其中該第一共焦檢波片單元(10)在光路中佈置在該第二分束器(13)與該第一檢波裝置(16)之間，在該第二分束器(13)與該第二檢波裝置(16)之間有多條光纖用於該第二分束 (17)的導引，其中特別地該些光纖的終端部作為共焦光闌。
9. 如前述申請專利範圍任一項的量測裝置，其中該第一檢波裝置(16)且特別是逐行檢波器的分析處理率高於該第二檢波裝置(26)的分析處理率。
10. 如前述申請專利範圍任一項的量測裝置，其中該第二檢波裝置(26)及/或一被指派的估計裝置用於從該第二檢波裝置(26)所獲取的多個單波長或者多個波長範圍的強度分佈得出該量測物件(8)表面的一或多個高度資訊。
11. 如前述申請專利範圍任一項的量測裝置，其中量測物件(8)的反射光透過位於該量測物件(8)與該第一檢波裝置(16)之間的一自由空間光裝置進行傳播。
12. 如前述申請專利範圍任一項的量測裝置，其中該光源(1)的光透過該自由空間光裝置散射至該量測物件(8)。
13. 如前述申請專利範圍任一項的量測裝置，其中該第二分束器(13)具有預定的一分束比例，該分束比例使兩個分束(14，17)的強度不均等。
14. 如前述申請專利範圍任一項的量測裝置，其中該第二分束器(13)設成一繞射光柵(18)，其中零級的繞射形成該第一分束(14)，而第一級繞射形成該第二分束(17)。
15. 一種彩色共焦量測方法，用於一量測物件(8)，其中該量測物件(8)至少在一縫隙狀空間範圍內被可投射多個波長的一光源(1)照射，該不同波 長的光可被聚焦於該量測物件(8)範圍內的不同高度位置，該量測物件(8)的反射光可成像於一第一共焦檢波片單元(10)，使該第一共焦檢波片單元(10)作為共焦光闌，其中該量測物件(8)的反射光被一第一檢波裝置(16)獲取和分析處理，

    其特徵在於，該量測物件(8)的反射光被分光成一第一分束(14)與一第二分束(17)，該第一分束(14)所有波長的總強度被獲取和分析處理，該第二分束(17)的光被光譜分光而單個波長或者單個波長範圍的強度也被獲取和分析處理。
16. 如申請專利範圍第15項的量測方法，其中根據可選的虛擬共焦光闌(32，34)的比例分析處理所獲取的光譜強度。
17. 如申請專利範圍第16項的量測方法，其中針對該量測物件(8)的一空間範圍利用各個虛擬共焦光闌(32，34，51-53)進行多次分析處理，其中特別對該些虛擬共焦光闌(32，34，51-53)的位置進行不同的選擇。

Images