WO1993011403A1 - Optischer abstandssensor - Google Patents

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WO1993011403A1
WO1993011403A1 PCT/EP1992/002522 EP9202522W WO9311403A1 WO 1993011403 A1 WO1993011403 A1 WO 1993011403A1 EP 9202522 W EP9202522 W EP 9202522W WO 9311403 A1 WO9311403 A1 WO 9311403A1
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WO
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distance sensor
optical distance
measuring
sensor according
photodetectors
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Application number
PCT/EP1992/002522
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English (en)
French (fr)
Inventor
Anton Schick
Richard Schneider
Michael Stockmann
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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Priority to EP92923049A priority patent/EP0615607B1/de
Priority to US08/244,622 priority patent/US5448359A/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/026—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring distance between sensor and object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0608—Height gauges

Definitions

  • the invention relates to an optical distance sensor based on the confocal optical imaging principle for determining height values and for three-dimensional surface measurement.
  • Preferred areas of application are, in particular, the inspection of the soldering points and the checking of the properties of the components in the case of densely populated electronic printed circuit boards, such as, for example, multi-chip modules.
  • Devices known hitherto for recording height raster images which consist of a multiplicity of three-dimensionally present points of object surfaces, are essentially based on the so-called triangulation method.
  • a laser beam scans the surface of the object.
  • the two flat spatial coordinates of a certain surface point are known from the relative position between the scanning beam or illuminating beam and the flat module.
  • the height coordinate of the surface point that is currently being measured is detected by at least one laterally arranged lens in conjunction with a location-sensitive detector.
  • the three-dimensional location coordinates of a multiplicity of surface points can thus be determined. Defects can be identified by comparing a recorded surface image with an ideal surface image and taking certain error criteria into account PCBs are recognized automatically.
  • Measuring systems available on the market according to the triangulation method have certain configurations by means of which the disadvantages mentioned above can be partially avoided.
  • the company Robotic Vision Systems (536 Broadhollow Road, Melville, New York 11747, USA) has used linear photodiode arrays instead of lateral photodiodes to avoid incorrect measurements due to secondary reflections.
  • Corresponding evaluation software detects and eliminates incorrect measurements.
  • the data rate of the system is reduced strong that this is not suitable for a complete inspection in a process line.
  • Matsushita Kotobuki Electric Co., Ltd. (2131 Ohara-minamikata, Kawauchi-machi, Onsen-gun, Ekimken 791-03, Japan) developed a system in which observation is carried out from eight directions. Suitable algorithms are used to evaluate the detector signals. This increases the detection reliability of shiny surfaces.
  • the overall construction is very complex due to the use of approximately four sensor heads, each with eight detectors, which scan by means of a rapidly rotating disk. In addition, the system cannot measure within deep holes. A resolution greater than 40 ⁇ m is not achieved due to mechanical and optical adjustment problems when the sensor head rotates rapidly.
  • Nagoya Electric Works Co., Ltd (550 Takawari, Katori, Tadocho, Kuwana-gun, Mieken 511-01, Japan) uses a laser beam to scan over an assembled printed circuit board and measures the angle of the specular reflection. By evaluating the surface inclination of solder joints or components, the absolute height can be determined by integration. However, inclinations that are greater than 45 ° cannot be detected. This means that the height of objects with vertical walls cannot be measured. A measurement within small holes is not possible and secondary reflections cannot be switched off.
  • a likewise known system is offered by the Omron Institute of Life Science (17 Chudoji minami-cho, Shimogyo-ku, Kyoto 600, Japan).
  • the height information is obtained from the specularly reflected light.
  • the sample is illuminated from different directions with three different colors.
  • the specularly reflected light is detected by a color camera and the inclination of the sample surface is calculated.
  • the scope of services corresponds approximately to the system stem of Nagoya.
  • the detection beams are directed onto the detector surface by means of two deflection devices mounted on the side, via the scanning objective and the beam deflection unit (rotating polygon mirror).
  • the beam deflection unit rotating polygon mirror.
  • a method which has already been tried and tested in the three-dimensional measurement of structures is based on the confocal principle.
  • a point-shaped light source which is usually defined by a pinhole, is imaged on the sample or the object.
  • the backscattered light is in turn imaged on an almost point-like detector.
  • the maximum light intensity only hits the detector (photo detector) if the object and detector planes are actually in the focal point of the respective optics (confocal). If the object is outside the focal plane, the measurement beam is greatly expanded in front of the punctiform detector, as a result of which the measurable intensity decreases sharply.
  • the object of the invention is to provide an optical distance sensor with a high data rate with a simultaneously high resolution and low sensitivity with regard to secondary light reflections.
  • a sensor that is based on the confocal principle works with a point-shaped light source that is imaged on the object.
  • the light backscattered from the object is in turn imaged on an almost point-shaped detector.
  • Object and image or detector are in the focus of the illuminating or measuring beam.
  • the associated shallow depth of field is associated with a high resolution when recording surface points for the three-dimensional measurement of objects.
  • the height information to be recorded is obtained in analogy to the triangulation method by vertical illumination and observation at the largest possible angle to the normal on the object surface.
  • a scanning lens that guides the illuminating beam and the measuring beam simultaneously and the illuminating beam diameter is substantially smaller than the measuring beam diameter, it is considered over the entire aperture cone of the objective.
  • the solid angle that contributes to the detection is therefore significantly larger than that of the triangulation method.
  • the invention is based on the knowledge that a data rate sufficient for today's requirements can be achieved by means of an optical distance sensor which represents a modification of a confocal principle.
  • an optical distance sensor which represents a modification of a confocal principle.
  • the photodetectors are all arranged confocally and represent a subdivision of the height measuring range, which is predetermined by the depth of focus of the illuminating beam if the object is not moved in height. This maximum height measurement range is thus divided into several stages, which can be resolved without mechanical tracking of the object.
  • the point-like arrangement is offset with respect to the various divided measuring beams
  • Photo detectors necessary.
  • the diameters of the photodetectors are designed in such a way that the diameters of the illuminating beam within the depth of focus, which change with the measuring height, are exactly imaged in the assigned photodetectors.
  • the applicable height level within the depth of focus of the illumination beam is recognized by the photodetector with the greatest light intensity.
  • An advantageous embodiment of the invention provides for the use of divider mirrors as a beam splitting unit.
  • beam splitter mirrors represent the simplest type of beam splitting unit. This applies to a division of the measuring beam into up to approximately 20 individual beams.
  • a design simplification is achieved by using a single light diffractive element.
  • This element which acts as a beam splitting unit, splits the measuring beam into one Variety of defined directions. The actual detection remains unchanged.
  • a special feature of this embodiment is an adapted look.
  • a single optic can be used when a light-diffractive element is used. This is used either before or after the diffractive element. The entire measuring beam or all of the divided measuring beams are thus guided over these optics.
  • a diffraction grating or a computer-generated hologram with a defined intensity distribution can be used as the light-diffractive element.
  • the punctiform design of the photodetectors is expediently achieved by the combination of diaphragms and commercially available photodetectors, for example photodiodes.
  • the entire unit thus represents the punctiform photodetector which is arranged confocally when the diaphragm lies in the focal area of the measuring beam. This applies to all diaphragms or photodetectors that are placed on the partial beams.
  • An advantageous embodiment of the invention uses a scanning lens which is corrected for several wavelengths in such a way that chromatic aberration is deliberately brought about.
  • the height scanning range predetermined by the depth of field of the illumination beam is divided into individual stages, in which the depth of field ranges of the individual colors successively line up. After the light has passed through the diaphragms upstream of the point-shaped photodetectors, the light is split up in accordance with the colors and guided to various photodiodes.
  • the point light source is advantageously represented by a laser.
  • the laser supplies the measuring beam, which is sharply imaged onto the surface of an object by means of optics.
  • a laser with monochromatic light or with a light of several wavelengths can be used become. The latter is necessary in the event that a scanning objective corrected for several light wavelengths is used.
  • the high power density of a laser is an essential advantage. 5
  • a correspondingly adapted beam deflection unit is necessary in order to achieve a high data rate when recording a surface raster image. It has proven to be very advantageous to use a rotating polygon mirror, since the interaction of the mechanical drive and the achievement of high data rates are easily controllable. In combination with a small diameter of the illuminating beam at the location of the polygon mirror, high speeds are made possible with a small design of the polygon mirror. 15
  • the separation between the illuminating beam and the measuring beam occurs through a centrally pierced coupling-out mirror.
  • This advantageous embodiment is designed for the predetermined ratio between the numerical apertures of the measuring beam and 20 of the illuminating beam.
  • the ratio between measuring and lighting aperture is a measure of the number of height levels that can be measured in the respective height measuring range. In the case of almost isotropically scattering objects, it is possible to evaluate height values between these honing stages by interpolation. If the Aper ⁇ structure of the measuring beam substantially greater than that of the lighting 30th designed light beam, the light from the observation location on the object is collected at a large angle to a surface normal of the object or over a large solid angle. This significantly improves the height resolution. It is also advantageous that noise caused by speckle is suppressed by a large ratio of detection aperture to illumination aperture.
  • the at least desirable ratio between the opening angles of the measuring beam and the illuminating beam should be 2: 1.
  • a simplification of the optical distance sensor combined with an increase in the data rate is achieved by using a telecentric scan lens. Essentially, this saves one computing process that would be necessary to determine the exact position of an image if the scan lens were not designed to be telecentric.
  • the generally uneven light distributions of the partial beams to the various photodetectors are compensated for in an advantageous manner by an electronic compensation unit. Uneven distributions of the light intensity result depending on the configuration of the beam splitting unit and the diaphragm diameter.
  • the change in the height measuring range can be achieved in an advantageous manner by changing the scanning objective. This takes place in an analogous manner to that of a microscope objective. After the measuring range and resolution are mutually dependent, an electronic adjustment in this regard must be carried out. This enables easy retrofitting of a scanning device. Due to the lateral inclination of an optical distance sensor, flat assemblies made with different assembly technology can be checked (for example "Surface Mounted Devices", "J-Leads" ).
  • Figure 1 shows an explanation of the confocal principle.
  • FIG. 2 shows the course of the light intensity during a mechanical height scan at a point on a flat object surface.
  • FIG. 3 shows an optical distance sensor with a confocal structure for fast scanning by means of a rotating polygon mirror, a large number of detectors operating in parallel being present.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram with regard to the sensor electronics for the parallel processing of the signals from the point-like photodetectors.
  • FIG. 5 shows the focus area of the illuminating beam or the depth of focus.
  • FIG. 1 shows a procedure which has already been tried and tested in the three-dimensional measurement of structured surfaces. This is based on the confocal principle.
  • a punctiform light source is imaged onto the object, for example, by means of a pinhole or, as in this case by a laser 1.
  • the backscattered light is in turn imaged on an almost punctiform detector.
  • Maximum light intensity strikes the detector only in the event that the object and detector planes are actually in the focal point, that is to say are confocal.
  • the punctiform design of each of the two components mentioned occurs through the respective upstream connection of a confocal diaphragm 30, 31.
  • the laser 1 with the optics 11 and the diaphragm 30 can be regarded as a point light source.
  • the punctiform detector consists of the diaphragm 31 and the actual detector 2, for example a photodiode.
  • a confocal constellation is represented by the beam path of the focused beam 16.
  • the object 4 lies in the focal plane with respect to the optics 14.
  • FIG. 1 works with a splitter mirror 15.
  • the objective, here the optics 14, is designed in such a way that there are no differences in the aperture of the measuring beam in relation to the aperture of the illuminating beam
  • the intensity distribution of the diffracted light can be influenced in a predetermined manner depending on the requirement by an appropriately designed hologram.
  • electronic compensation ensures a uniform distribution of the intensities of the divided measuring beams 19.
  • FIG. 4 shows evaluation electronics that process different light intensities in accordance with the existing plurality of photodetectors 21a-n n.
  • Each detector represents a height value within the depth of focus T and the electronics find out the one with the highest power. This is achieved by means of a threshold, the height of which corresponds to a certain percentage value of the sum of all intensity values. If several signals exceed the threshold value, the corresponding height values Z are to be centered.
  • the evaluation electronics receives the corresponding signals from the photodetectors 21a-n via amplifiers 22a-n, adds them in the summer 23 and compares the individual values in comparators 24a-n with the sum.
  • the encoder 25 supplies the desired height value Z. This parallel processing method is necessary in order to achieve a high pixel processing speed. Sample / hold amplifiers, for example, can be used as amplifiers 22a-n.
  • FIG. 5 shows schematically the focus area of the illumination beam 18. This has a waist diameter D1 at its waist.
  • the depth of focus T is defined so that it corresponds to the length of the illumination beam in the focus area, between the beam diameters in both directions ser D2 of the illumination beam 18 has risen to> / 2 times Dl.
  • the maximum height scan range is specified by the depth of focus T. However, it can be changed by changing the scan lens 6. Another possibility that does not conform to the increase in the data rate would be the mechanical movement of the object.
  • the second lateral scanning direction is operated by scanning using the illuminating beam 18.
  • the height values Z are determined for each individual measuring point on the surface of the object 40 via the optical distance sensor. In this way, pixel rates of 2 MHz can be achieved.
  • the data rate or scan speed depends on the polygon mirror configuration.
  • An embodiment of an optical distance sensor contains the following technical data, for example:
  • Illumination beam diameter 0.7 mm rotation speed of the polygon mirror (with 12 facets,
  • Lateral scan length 3.5 mm lateral resolution: 5 ⁇ m pixels / scan length: 700.
  • the pixel data rate for the above-mentioned data is 4.2 MHz, which must be processed by the sensor electronics.
  • the effective factor of the polygon mirror of 0.5 results in an effective pixel data rate of 2.1 MHz.
  • the sensor electronics connected to an optical distance sensor according to FIG. 4 also contains the photo detectors 21a-n.
  • the photodiodes and amplifiers 22a-n used here should have a very large dynamic range with a short rise time in order to compensate for the extremely strong intensity caused by the surface of the object 40. To be able to record or compensate for fluctuations. In order to avoid amplifier overloads, amplifiers with a non-linear gain characteristic can therefore be used.
  • reflecting surfaces can also be checked with a distance sensor according to the invention, it is also important that the intensity control of the illuminating beam 18 can be dispensed with.

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Abstract

Zur Erstellung eines Höhenrasterbildes für die Prüfung von komplexen Einheiten, beispielsweise von bestückten Flachbaugruppen, werden optische Abstandssensoren eingesetzt. Dabei werden das bekannte Triangulationsverfahren oder das ebenfalls bekannte konfokale Prinzip angewandt. Ein Sensor, der eine vollständige Prüfung in annehmbarer Zeit ermöglicht, muß eine entsprechende hohe Datenrate bewältigen. Hierzu wird ein Abstandssensor beschrieben, der gleichzeitig eine hohe Auflösung und eine geringe Empfindlichkeit in bezug auf Sekundärlichtreflexe aufweist. Die wesentlichen Merkmale bestehen in: 1) einem bezüglich des Durchmessers wesentlich größer ausgeformten Meßstrahl (19) relativ zum Beleuchtungsstrahl (18); 2) einem annähernd gleichen Durchmesser der beiden Strahlen am Meßort, wobei der Beleuchtungsstrahl (18) eine größere Fokustiefe (T) aufweist, als der Meßstrahl (19); 3) einer Strahlteilungseinheit (154) zur Aufspaltung des Meßstrahles (19) mit in jedem Teilstrahl angeordneten annähernd punktförmigen Photodetektoren, die in Richtung der Teilstrahlen hintereinander angeordnet sind und die jeweilige Höhenstufe innerhalb der Fokustiefe (T) durch den Photodetektor mit der größten Lichtintensität erkennbar ist.

Description

Optischer Abstandssensor
Die Erfindung betrifft einen optischen Abstandssensor nach dem konfokalen optischen Abbildungsprinzip zur Ermittlung von Hö¬ henwerten und zur dreidimensionalen Oberflächenvermessung. Be¬ vorzugte Einsatzgebiete sind insbesondere die Lötstellenin¬ spektion und die Kontrolle der Bausteinbeschaffenheit bei dicht bestückten elektronischen Flachbaugruppen, wie beispielsweise Multi-Chip-Module.
Bei der Überprüfung der Lötstellen oder Bausteine einer Flach¬ baugruppe wird im wesentlichen auf Leiterbahneinschnürungen, Verunreinigungen durch Partikel, Lötstellenqualität, korrekte Plazierung von Anschlußbeinchen (Pads), Kurzschlüsse usw. untersucht. Durch die zunehmende Erhöhung der Packungsdichte von Bauteilen in der Mikroelektronik wird die Prüfung von dreidimensionalen Objekten bei hoher Auflösung und hohen Prüfgeschwindigkeiten notwendig. Insbesondere sollen unbestückte und bestückte Mikroverdrahtungsplatten automatisch geprüft werden.
Bisher bekannte Einrichtungen zur Aufnahme von Höhenrasterbil- dem, die aus einer Vielzahl von dreidimensional vorliegenden Punkten von Objektoberflächen bestehen, beruhen im wesentli¬ chen auf dem sog. Triangulationsverfahren. Dabei tastet ein Laserstrahl die Oberfläche des Objektes ab. Die beiden ebenen Ortskoordinaten eines bestimmten Oberflächenpunktes sind durch die relative Lage zwischen Abtaststrahl oder Beleuchtungs¬ strahl und der Flachbaugruppe bekannt. Die Höhenkoordinate des Oberflächenpunktes, der aktuell vermessen wird, wird von min¬ destens einem seitlich angeordneten Objektiv in Verbindung mit einem ortsempfindlichen Detektor erfaßt. Somit lassen sich die dreidimensionalen Ortskoordinaten einer Vielzahl von Oberflä¬ chenpunkten bestimmen. Durch den Vergleich eines aufgenommenen Oberflächenbildes mit einem idealen Oberflächenbild und unter Berücksichtigung bestimmter Fehlerkriterien, können Defekte an Flachbaugruppen automatisch erkannt werden.
Das oben erwähnte Triangulationsverfahren ist in verschiedener Hinsicht weiterentwickelt worden, weist jedoch bestimmte prin- zipielle Nachteile auf:
- Es besteht die Gefahr von Sekundärlichteinflüssen, wenn der Detektor das reflektierte Licht von Oberflächenpunk¬ ten des Objektes aufnimmt, die nicht dem aktuellen Auf- treffpunkt entsprechen. Dies kann bei stark glänzenden Oberflächen zu erheblichen Meßfehlern führen.
Kleine Objekte, die sich sehr dicht neben relativ großen Objekten oder in Vertiefungen befinden, können in Folge von Abschattungen nicht in jedem Fall erfaßt werden.
- Zur Einhaltung der Scheimpflugbedingung ist meist eine nicht vergrößernde Abbildung auf den Detektor erforder¬ lich. Dies führt bei kleinen Meßfleckgrößen zu hohen Lei- stungsdichten. Eine hohe Leistungsdichte auf den Detektor¬ flächen bei lateralen Photodioden begrenzt die Abtastge¬ schwindigkeit nach oben hin. Der Einsatz von Photo- diodenarrays erhöht die Datenrate nicht.
- Es ist bisher nicht bekannt, durch einfaches Auswechseln beispielsweise eines Objektives am Sensorsystem den Abbil- dungsmaßstab und damit das Auslösungsvermögen zu variie¬ ren.
Auf dem Markt erhältliche Meßsysteme nach dem Triangulations¬ verfahren weisen bestimmte Ausgestaltungen auf, mittels der die oben genannten Nachteile teilweise vermeidbar sind. So hat die Firma Robotic Vision Systems (536 Broadhollow Road, Mel- ville, New York 11747, USA) zur Vermeidung von Fehlmessungen durch Sekundärreflexe anstelle von lateralen Photodioden li¬ neare Photodiodenarrays eingesetzt. Durch entsprechende Aus- werte-Software werden Fehlmessungen erkannt und eliminiert. Insgesamt reduziert sich jedoch die Datenrate des Systems so stark, daß dieses für eine vollständige Inspektion in einer Prozeßlinie nicht geeignet ist.
Um die Probleme bei der Anwendung einer lateralen Photodiode zu bewältigen, hat die Firma Matsushita Kotobuki Electric Co., Ltd. (2131 Ohara-minamikata, Kawauchi-machi, Onsen-gun, Ekime- ken 791-03, Japan) ein System entwickelt, bei welchem aus acht Richtungen beobachtet wird. Eine Auswertung der Detektorsi¬ gnale wird durch geeignete Algorithmen vollzogen. Die Erken- nungssicherheit bei glänzenden Oberflächen steigt dadurch. Die Gesamtkonstruktion wird durch den Einsatz von ca. vier Sen¬ sorköpfen mit je acht Detektoren, die mittels einer schnell rotierenden Scheibe scannen, sehr aufwendig. Darüber hinaus kann das System nicht innerhalb von tiefen Löchern messen. Eine größere Auflösung als 40 μm wird wegen mechanischer und optischer Justierprobleme beim Schnellen Rotieren des Sensor¬ kopfes nicht erreicht.
Die Firma Nagoya Electric Works Co., Ltd (550 Takawari, Ka- tori, Tadocho, Kuwana-gun, Mieken 511-01, Japan) scannt mit einem Laserstrahl über eine bestückte Leiterplatte und mißt den Winkel der spiegelnden Reflexion. Durch die Auswertung der Oberflächenneigung von Lötstellen oder Bauteilen kann die ab¬ solute Höhe durch Integration bestimmt werden. Neigungen, die größer als 45° betragen, können jedoch nicht detektiert wer¬ den. Dadurch ist die Höhe von Objekten mit senkrechten Wänden nicht meßbar. Eine Vermessung innerhalb von kleinen Löchern ist nicht möglich und Sekundärreflexe können nicht ausgeschal¬ tet werden.
Ein ebenfalls bekanntes System wird von der Firma Omron Insti¬ tute of Life Science (17 Chudoji minami-cho, Shimogyo-ku, Kyoto 600, Japan) angeboten. Hierbei wird aus dem spiegelnd reflektierten Licht die Höheninformation gewonnen. Die Probe wird aus verschiedenen Richtungen mit drei verschiedenen Far¬ ben beleuchtet. Das spiegelnd reflektierte Licht wird von ei¬ ner Farbkamera detektiert und die Neigung der Probenoberfläche wird berechnet. Der Leistungsumfang entspricht in etwa dem Sy- stem von Nagoya.
Allgemein kann gesagt werden, daß insbesondere bei Lötstellen mit spiegelnden Oberflächen auftretende Sekundärreflexe an be- nachbarten Lötstellen bei großen Detektorflächen Fehlinforma¬ tionen und entsprechend falsche Höhenwerte zur Folge haben. Der Einsatz von kleinen Detektorflächen ist anzustreben, da hierdurch nur die unmittelbare Umgebung des momentan abzubil¬ denden Meßortes erfaßt wird. Durch den Einsatz eines synchro- nisierten TriangulationsScanners wird dies berücksichtigt.
Hierbei werden die Detektionsstrahlen mittels zweier seitlich angebrachter Umlenkvorrichtungen über das Scanobjektiv und die Strahlablenkeinheit (rotierender Polygonspiegel) auf die De¬ tektorfläche gelenkt. Durch die synchrone Strahlablenkung von Beleuchtungs- und Meßstrahl (Detektionsstrahl) wird nur noch, die Höhenbewegung des Auftreffpunktes auf den Detektor abge¬ bildet, wodurch dieser entsprechend schmal dimensioniert wer¬ den kann und Sekundärreflexe in Scanrichtung ausgeblendet wer¬ den. Senkrecht zur Scanrichtung auftretende Störreflexe sind dadurch nicht zu beseitigen. Systembedingt ist der Auftreff- punkt des Lichtes bzw. der Meßort nur aus zwei Raumrichtungen zu beobachten. Bei dicht bestückten Leiterplatten führt dies zu erheblichen Abschattungen.
Ein bei der dreidimensionalen Vermessung von Strukturen be¬ reits bewährtes Verfahren basiert auf dem konfokalen Prinzip. Hierbei wird eine punktförmige Lichtquelle, welche gewöhnlich durch eine Lochblende definiert wird, auf die Probe bzw. das Objekt abgebildet. Das rückgestreute Licht wird wiederum auf einen nahezu punktförmigen Detektor abgebildet. Die maximale Lichtintensität trifft hierbei nur auf den Detektor (Photo¬ detektor) , wenn die Objekt- und die Detektorebene tatsächlich im Brennpunkt der jeweiligen Optik liegen (konfokal) . Befindet sich das Objekt außerhalb der Brennebene, so erfolgt eine starke Aufweitung des Meßstrahles vor dem punktförmigen Detek¬ tor, wodurch die meßbare Intensität stark abnimmt.
in auf dem konfokalen Prinzip beruhender Sensor wird bei- spielsweise in dem Artikel - 3-D profile detection of etched patterns using a laser Scanner; Moritoshi Ando et al; Procee- dings of SPIE, Vol 389, Optical Systems Engineering III; Los Angeles, California, USA; 20. - 21. Januar 1989 - beschrieben. Es wird insbesondere in den Figuren 2 und 3 dargestellt, daß die Objektebene und die Sensorebene jeweils im Fokusbereich liegen. Weiterhin beschreibt dieser Artikel den Einsatz von Scan-Linsen, sowie einen rotierenden Polygonspiegel als Strahlablenkungseinheit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Ab¬ standssensor mit hoher Datenrate bei gleichzeitig hoher Auflö¬ sung und geringer Empfindlichkeit in bezug auf Sekundärlicht¬ reflexe zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht mittels der Lehre des kennzeichnenden Teiles im Patentanspruch 1.
Ein Sensor, der auf dem konfokalen Prinzip aufbaut, arbeitet mit einer punktförmigen und auf das Objekt abgebildeten Licht¬ quelle. Das vom Objekt rückgestreute Licht wird seinerseits auf einen nahezu punktförmigen Detektor abgebildet. Objekt und Bild bzw. Detektor befinden sich im Fokus des Beleuchtungs¬ bzw, des Meßstrahles. Die damit verbundene geringe Schärfen- tiefe ist verbunden mit einer hohen Auflösung bei der Aufnahme von Oberflächenpunkten zur dreidimensionalen Messung von Ob¬ jekten.
Die aufzunehmende Höheninformation bzw. der Höhenwert werden in Analogie zum Triangulationsverfahren durch senkrechtes Be¬ leuchten und Beobachten unter einem möglichst großen Winkel zur Normalen auf der Objektoberfläche gewonnen. Jedoch wird beim Einsatz eines Scanobjektives, das Beleuchtungsstrahl und Meßstrahl gleichzeitig führt und wobei der Beleuchtungsstrahl- durchmesser wesentlich kleiner ausbildet ist, als der Me߬ strahldurchmesser, über den gesamten Öffnungskegel des Objek¬ tives betrachtet. Somit werden sämtliche vom Auftreffpunkt des Beleuchtungsstrahles auf der Objektoberfläche ausgehenden Strahlen bei der Messung berücksichtigt. Der Raumwinkel, der zur Detektion beiträgt, ist demnach wesentlich größer, als der des Triangulationsverfahrens.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine für heutige Anforderungen ausreichende Datenrate mittels eines op¬ tischen Abstandssensors zu verwirklichen ist, der eine Modifi¬ zierung eines konfokalen Prinzipes darstellt. Um die relativ langsame mechanische laterale und axiale Objektverschiebung bei der Aufnahme eines gerasterten Oberflächenbildes zu umge¬ hen, wurden mehrere parallel arbeitende nahezu punktförmige Photodetektoren entsprechend der mehrfach geteilten Meßstrah¬ len installiert. Die Photodetektoren sind alle konfokal ange¬ ordnet und stellen eine Unterteilung des Höhenmeßbereiches dar, der durch die Fokustiefe des BeleuchtungsStrahles vorge¬ geben ist, wenn das Objekt nicht in der Höhe verfahren wird. Dieser maximale Höhenmeßbereich wird somit in mehrere Stufen unterteilt, die ohne mechanisches Nachführen des Objektes auf¬ lösbar sind. Hierzu ist die bezogen auf die verschiedenen auf- geteilten Meßstrahlen versetzte Anordnung der punktförmigen
Photodetektoren notwendig. Die Durchmesser der Photodetektoren sind so ausgelegt, daß die Durchmesser des BeleuchtungsStrah¬ les innerhalb der Fokustiefe, die sich mit der Meßhöhe ändern, genau in die zugeordneten Photodetektoren abgebildet werden. Die jeweilig zutreffende Höhenstufe innerhalb der Fokustiefe des Beleuchtungsstrahles wird durch den Photodetektor mit der größten Lichtintensität erkannt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht den Ein- satz von Teilerspiegeln als Strahlteilungseinheit vor. Strahl¬ teilerspiegel stellen trotz des mechanischen Aufwandes die einfachste Art einer Strahlteilungseinheit dar. Dies gilt für eine Aufteilung des Meßstrahles in bis zu ca. 20 Einzelstrah¬ len.
Eine konstruktive Vereinfachung wird durch den Einsatz eines einzigen lichtbeugenden Elementes erzielt. Dieses als Strahl¬ teilungseinheit wirkende Element spaltet den Meßstrahl in eine Vielzahl von definierten Richtungen auf. Die eigentliche De- tektion bleibt unverändert. Eine Besonderheit dieser Ausfüh¬ rungsform besteht in einer angepaßten Optik. Anstelle einer üblicherweise hinter der Strahlteilungseinheit in jedem ein- zelnen aufgeteilten Meßstrahl plazierten Optik ist beim Ein¬ satz eines lichtbeugenden Elementes eine einzige Optik ver¬ wendbar. Diese wird entweder vor oder nach dem lichtbeugenden Element eingesetzt. Somit werden der gesamte Meßstrahl bzw. sämtliche aufgeteilten Meßstrahlen über diese Optik geführt. Als lichtbeugendes Element kann beispielsweise ein Beugungs¬ gitter oder ein computergeneriertes Hologramm mit einer defi¬ nierten Intenεitätsverteilung eingesetzt werden.
Die punktförmige Ausbildung der Photodetektoren wird zweckmä- ßiger Weise durch die Kombination von Blenden und handelsübli¬ chen Photodetektoren, beispielsweise Photodioden, erreicht. Die gesamte Einheit stellt somit den punktförmigen Photodetek¬ tor dar, der konfokal angeordnet ist, wenn die Blende im Fo¬ kusbereich des Meßstrahles liegt. Dies gilt für sämtliche Blenden bzw. Photodetektoren, die auf den Teilstrahlen pla¬ ziert sind.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung verwendet ein Scanobjektiv, das für mehrere Wellenlängen derart korrigiert ist, daß bewußt eine chromatische Aberration herbeigeführt wird. Der durch die Schärfentiefe des Beleuchtungsstrahles vorgegebene Höhenscanbereich wird in diesem Fall in einzelne Stufen aufgeteilt, in dem die Schärfentiefenbereiche der ein¬ zelnen Farben sich sukzessive aneinanderreihen. Nach dem Durchgang des Lichtes durch die den punktförmigen Photodetek¬ toren vorgeschalteten Blenden wird das Licht entsprechend den Farben aufgespalten und auf verschiedene Photodioden geführt.
Die punktförmige Lichtquelle wird in vorteilhafter Weise durch einen Laser dargestellt. Der Laser liefert den Meßstrahl, der über eine Optik scharf auf die Oberfläche eines Objektes abge¬ bildet wird. Hierbei kann ein Laser mit monochromatischem Licht oder mit einem Licht mehrerer Wellenlängen eingesetzt werden. Letzteres ist für den Fall notwendig, daß ein für meh¬ rere Lichtwellenlängen korrigiertes Scanobjektiv eingesetzt wird. Die hohe Leistungsdichte eines Lasers ist von wesentli¬ chem Vorteil. 5
Zur Erzielung einer hohen Datenrate bei der Aufnahme eines Oberflächenrasterbildes ist eine entsprechend angepaßte Strahlablenkeinheit notwendig. Es hat sich als sehr vorteil¬ haft erwiesen, hierbei einen rotierenden Polygonspiegel einzu- 10 setzen, da das Zusammenspiel von mechanischem Antrieb und die Erzielung hoher Datenraten hierbei gut beherrschbar sind. In Kombination mit einem kleinen Durchmesser des Beleuchtungs- Strahles am Ort des Polygonspiegels werden hohe Drehzahlen bei gleichzeitig kleiner Auslegung des Polygonspiegels ermöglicht. 15
Die Trennung zwischen Beleuchtungsstrahl und Meßstrahl ge¬ schieht durch einen zentrisch durchbohrten AuskoppelSpiegel. Diese vorteilhafte Ausgestaltung ist auf das vorbestimmte Ver¬ hältnis zwischen den numerischen Aperturen des Meßstrahles und 20 des Beleuchtungsstrahles ausgelegt.
Es ist von großer Bedeutung, wenn die Apertur des Meßstrahles in bezug auf die des Beleuchtungsstrahles am Meßort größer ist. Das Verhältnis zwischen Meß- und Beleuchtungsapertur ist 25 ein Maß für die Anzahl der Höhenstufen, die im jeweiligen Hö¬ henmeßbereich gemessen werden können. Bei nahezu isotrop streuenden Objekten ist es möglich, durch Interpolation Höhen¬ werte zwischen diesen Honenstufen auszuwerten. Wird die Aper¬ tur des Meßstrahles wesentlich größer, als die des Beleuch- 30. tungsstrahles ausgelegt, so wird das Licht des Beobachtungsor- tes auf dem Objekt unter einem großen Winkel zu einer Flächen¬ normalen des Objektes bzw. über einen großen Raumwinkel gesam¬ melt. Dies verbessert die Höhenauflösung wesentlich. Ebenso ist es vorteilhaft, daß durch ein großes Verhältnis von Detek- 5 tions- zu Beleuchtungsapertur ein durch Speckle verursachtes Rauschen unterddrückt wird. Das mindestens anzustrebende Ver¬ hältnis zwischen den Öffnungswinkeln von Meßstrahl und Be¬ leuchtungsstrahl sollte 2 : 1 betragen. Eine Vereinfachung des optischen Abstandssensors verbunden mit einer Erhöhung der Datenrate wird durch den Einsatz eines te- lezentrischen Scanobjektives erreicht. Hierbei wird im wesent- liehen ein Rechenvorgang eingespart, der bei nicht telezentri- scher Auslegung des Scanobjektives zur genauen Lageermittlung eines Bildes notwendig wäre.
Die in der Regel auftauchenden ungleichmäßigen Lichtverteilun- gen der Teilstrahlen auf die verschiedenen Photodetektoren werden in vorteilhafter Weise durch eine elektronische Kompen¬ sationseinheit ausgeglichen. Ungleichmäßige Verteilungen der Lichtintensität ergeben sich je nach Ausgestaltung der Strahl¬ teilungseinheit und der Blendendurchmesser.
Die Veränderung des Höhenmeßbereiches kann in vorteilhafter Weise durch den Wechsel des Scanobjektives erreicht werden. Dies geschieht in analoger Weise wie bei einem Mikroskopobjek¬ tiv. Nachdem sich Meßbereich und Auflösung gegenseitig bedin- gen, muß eine diesbezügliche elektronische Abstimmung vorge¬ nommen werden. Dadurch wird eine leichte Umrüstung einer Abtasteinrichtung ermöglicht . Durch die seitliche Neigung eines optischen Abstandssensors lassen sich mit verschiedener Bestücktechnik angefertigte Flachbaugruppen prüfen (beispielsweise "Surface Mounted Devices", "J-Leads " ... ) .
Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren das kon¬ fokale Prinzip und ein Ausführungsbeispiel beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Erläuterung des konfokalen Prinzips .
Figur 2 zeigt den Verlauf der Lichtintensität während eines mechanischen Höhenscans an einem Punkt einer ebenen Objektoberfl che. Figur 3 zeigt einen optischen Abstandssensor mit konfokalem Aufbau zum schnellen Scannen mittels eines ro¬ tierenden Polygonspiegels, wobei eine Vielzahl von parallel arbeitenden Detektoren vorhanden ist . Figur 4 zeigt eine Prinzipskizze bezüglich der Sensorelektro¬ nik für die parallele Verarbeitung der Signale der punktförmigen Photodetektoren. Figur 5 zeigt den Fokusbereich des BeleuchtungsStrahles bzw. die Fokustiefe.
Figur 1 zeigt eine bei der dreidimensionalen Vermessung von strukturierten Oberflächen bereits bewährte Verfahrensweise. Diese basiert auf dem konfokalen Prinzip. Beim konfokalen Prinzip wird eine punktförmige Lichtquelle, beispielsweise ge¬ bildet mittels einer Lochblende oder, wie in diesem Fall durch einen Laser 1, auf das Objekt abgebildet. Das rückge¬ streute Licht wird wiederum auf einen nahezu punktförmigen De¬ tektor abgebildet. Nur für den Fall, daß die Objekt- und De- tektorebene tatsächlich im Brennpunkt liegen, also konfokal sind, trifft auf den Detektor maximale Lichtintensität. Hier¬ bei ist zu beachten, daß die punktförmige Ausbildung jedes der beiden erwähnten Bauteile durch die jeweilige Vorschaltung einer konfokalen Blende 30, 31 geschieht. Als punktförmige Lichtquelle kann demnach der Laser 1 mit der Optik 11 und der Blende 30 betrachtet werden. Der punktförmige Detektor besteht aus der Blende 31 und dem eigentlichen Detektor 2, beispiels¬ weise einer Photodiode. Eine konfokale Konstellation wird durch den Strahlengang des fokussierten Strahles 16 darge- stellt. Für diesen Fall liegt das Objekt 4 in der Brennebene bezüglich der Optik 14. Gleiches gilt für die Blenden 30, 31 bezüglich der Optik 12, 13. Befindet sich das Objekt 41 außer¬ halb der Brennebene, so tritt eine starke Strahlaufweitung entsprechend dem defokussierten Strahl 17 ein. Dies ist gleichbedeutend mit einem starken Intensitätsabfall am Detek¬ tor 2.
Bedingt durch das konfokale System liegt zwar eine geringe Schärfentiefe vor, die jedoch eine hohe Auflösung zur Folge hat. Die in Figur 1 dargestellte Anordnung arbeitet mit einem Teilerspiegel 15..Das Objektiv, hier die Optik 14, ist so aus¬ gelegt, daß keinerlei Unterschiede in der Apertur des Me߬ strahles im Verhältnis zu der Apertur des Beleuchtungsstrahles
Figure imgf000013_0001
die damit verbundenen wesentlichen Vorteile ausgeglichen wer¬ den. So kann die Intensitätsverteilung des gebeugten Lichtes beispielsweise durch ein entsprechend ausgelegtes Hologramm je nach Anforderung in vorbestimmter Weise beeinflußt werden. Beim Einsatz eines Beugungsgitters und auch beim Einsatz von Teilerspiegeln sorgt eine elektronische Kompensation für eine Gleichverteilung der Intensitäten der aufgeteilten Meßstrahlen 19.
Die Figur 4 zeigt eine Auswerteelektronik, die entsprechend der vorhandenen Mehrzahl von Photodetektoren 21a-n n ver¬ schiedene Lichtintensitäten verarbeitet. Jeder Detektor reprä¬ sentiert einen Höhenwert innerhalb der Fokustiefe T und die Elektronik findet den mit der höchsten Leistung heraus. Dies wird mittels einer Schwelle, deren Höhe einem bestimmten pro¬ zentualen Wert der Summe aller Intensitätswerte entspricht, erreicht. Oberschreiten mehrere Signale den Schwellwert, so sind die entsprechenden Höhenwerte Z zu mittein. Die Auswerte¬ elektronik nimmt von den Photodetektoren 21a-n die entspre- chenden Signale über Verstärker 22a-n auf, addiert sie im Sum¬ mierer 23 und vergleicht die Einzelwerte in Komparatoren 24a-n mit der Summe. Der Encoder 25 liefert den gewünschten Höhen¬ wert Z. Um eine hohe Pixelverarbeitungsgeschwindigkeit zu er¬ reichen, ist diese parallele Verarbeitungsweise notwendig. Als Verstärker 22a-n können beispielsweise Sample/Hold-Verstärker eingesetzt werden.
Die Figur 5 zeigt schematisch den Fokusbereich des Beleuch¬ tungsstrahles 18. Dieser hat an seiner Taille einen Taillen- durchmesser Dl. Die Fokustiefe T ist so definiert, daß sie der Länge des Beleuchtungsstrahles im Fokusbereich entspricht, zwischen der jeweils in beiden Richtungen der Strahldurchmes¬ ser D2 des Beleuchtungsstrahles 18 auf das >/2-fache von Dl an¬ gestiegen ist. Durch die Fokustiefe T ist der maximale Höhen- scanbereich vorgegeben. Er kann jedoch durch den Wechsel des Scanobjektives 6 verändert werden. Eine andere Möglichkeit, die jedoch nicht mit der Erhöhung der Datenrate konform geht, wären die mechanische Bewegung des Objektes. Ein Sensor nach
Figure imgf000015_0001
Richtungen vermieden werden. Durch den Einsatz eines zusätzli¬ chen Galvanometerspiegeis könnte die laterale Verschiebung des Objekts 40 vollständig entfallen. Die zweite laterale Abtast- richtung wird durch Scannen mittels des BeleuchtungsStrahles 18 bedient. Die Höhenwerte Z werden für jeden einzelnen Me߬ punkt auf der Oberfläche des Objektes 40 über den optischen Abstandssensor ermittelt. Auf diese Weise lassen sich Pixelra¬ ten von 2 MHz realisieren. Die Datenrate bzw. Scan-Geschwin¬ digkeit ist abhängig von der Polygonspiegelkonfiguration. Eine Ausführungsform eines optischen Abstandssensors enthält bei¬ spielsweise folgende technische Daten:
Meßstrahldurchmesser: 7,5 mm
Beleuchtungsstrahldurchmesser: 0,7 mm Rotationsgeschwindigkeit des Polygon¬ spiegels (mit 12 Facetten,
Nutzungsfaktor 0,5): 15.000 Umdrehungen/Minute
Scanlänge (lateral) : 3,5 mm laterale Auflösung: 5 um Pixel/Scanlänge: 700.
Innerhalb eines Scans, d.h. innerhalb einer abgetasteten Zeile beträgt bei den obengenannten Daten die Pixeldatenrate 4,2 MHz, die von der Sensorelektronik verarbeitet werden muß. Auf- grund des Nutzungsfaktors des Polygonspiegels von 0,5 ergibt sich eine effektive Pixeldatenrate von 2,1 MHz.Bei einer mitt¬ leren Abtastgeschwindigkeit mit 2 x 10^ Pixel/Sekunde ergibt sich bei sehr komplizierten Leiterplatten beispielsweise eine Prüfzeit von 20 Minuten für eine Fläche von 250x250 mm. Bei einfach strukturierten Leiterplatten liegt die Prüfzeit im Bereich von wenigen Minuten.
Die an einen optischen Abstandssensor angeschlossene Sensor¬ elektronik entsprechend der Figur 4 beinhaltet auch die Photo- detektoren 21a-n. Die hier eingesetzten Photodioden und Ver¬ stärker 22a-n sollten einen sehr großen Dynamikbereich bei kurzer Anstiegszeit aufweisen, um die durch die Oberfläche des Objektes 40 verursachten, extrem starken Intensitäts- Schwankungen erfassen bzw. ausgleichen zu können. Um Verstär¬ kerübersteuerungen zu vermeiden, können deshalb Verstärker mit einer nichtlinearen Verstärkungskennlinie eingesetzt werden.
Neben der Tatsache, daß mit einem erfindungsgemäßen Abstands¬ sensor auch spiegelnde Flächen geprüft werden können, ist zu¬ dem von Bedeutung, daß auf die Intensitätsregelung des Be- leuchtungsstrahleε 18 verzichtet werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Optischer Abstandssensor nach dem konfokalen optischen Ab¬ bildungsprinzip zur Ermittlung von Höhenwerten und zur dreidimensionalen Oberflächenvermessung, insbesondere zur Inspektion elektronischer Flachbaugruppen , mit einer punktförmigen Lichtquelle, die auf die Oberfläche abgebildet wird, einer Strahlablenkeinheit zum schrittweisen Abtasten der Oberfläche, einem Scanobjektiv (6), durch das der Beleuchtungs- strahl (18) und der Meßstrahl (19) geführt werden und einem zur punktförmigen Lichtquelle konfokal angeordne¬ ten Photodetektor (2), g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen Beleuchtungsstrahl (18), der im Verhältnis zum Meßstrahl (19) einen wesentlich kleineren Durchmesser in den Pupillen des Scanobjektives (6) aufweist, einen annähernd gleichen Durchmesser von Beleuchtungs- strahl (18) und Meßstrahl (19) am Meßort auf der Objek¬ toberfläche, wobei der Beleuchtungsstrahl (18) eine größere Fokustiefe (T) als der Meßstrahl (19) aufweist, eine Strahlteilungseinheit (154) zur Aufspaltung des Meßstrahles (19), hinter der jeweils in Richtung der geteilten Meßstrahlen (19) eine Optik (152a-n) und ein annähernd punktförmiger Photodetektor angeordnet sind, wobei die Photodetektoren zur Unterscheidung von Höhen¬ werten innerhalb der Fokustiefe (T) des Beleuchtungs¬ strahles (18) in Richtung der geteilten Meßstrahlen (19) versetzt angeordnet sind und die jeweilige Höhen¬ stufe durch den Photodetektor mit der größten Lichtin¬ tensität erkennbar ist,
Durchmesser der Photodetektoren, welche so ausgelegt sind, daß die sich mit der Höhe ändernden Durchmesser des Beleuchtungsstrahles (18) innerhalb der Fokustiefe
(T) genau in die zugehörigen Photodetektoren abgebildet werden.
2. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Strahlteilungseinheit (154) durch eine Vielzahl von im Meßstrahl (19) hintereinander angeordneten Teiler¬ spiegeln (151a-n) dargestellt ist.
3. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Teilung des Meßstrahles (19) ein einziges licht¬ beugendes Element vorhanden ist, das den Meßstrahl (19) in eine Vielzahl definierter Richtungen teilt, wobei die punktförmigen Photodetektoren zur Unterscheidung von Hö- henwerten innerhalb der Fokustiefe (T) des Beleuchtungs- strahles (18) in Richtung der geteilten Meßstrahlen (19) versetzt angeordnet sind und die jeweilige Höhenstufe durch den Photodetektor mit der größten Lichtintensität erkennbar ist.
Optischer Abstandssensor nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß statt der Optik (152a-n) eine einzige Optik vor oder nach dem lichtbeugenden Element angeordnet ist.
5. Optischer Abstandssensor nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die annähernd punktförmige Ausbildung der Photodetek- toren (21a-n) durch den Einsatz einer vorgeschalteten Blende (153a-n) dargestellt ist.
6. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 5, rückbezogen auf Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Scanobjektiv (6) für mehrere Lichtwellenlängen derart ausgelegt ist, daß die Schärfentiefenbereiche der einzelnen Farben sich sukzessive aneinander reihen und die Intensitäten hinter den Blenden (153a-n) durch mehrere farbempfindliche Photodetektoren in Abhängigkeit von der Farbe auf ehmbar sind.
7. Optischer Abstandssensor nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die punktförmige Lichtquelle durch einen Laser (10) dargestellt ist.
8. Optischer Abstandssensor nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Strahlablenkeinheit durch einen rotierenden Poly- gonspiegel (5) dargestellt ist.
9. Optischer Abstandssensor nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Trennung von Beleuchtungsstrahl (18) und Meßstrahl (19) ein Auskoppelspiegel (150) eingesetzt wird, der eine zentrale Bohrung aufweist.
10. Optischer Abstandssensor nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Verhältnis zwischen den Öffnungswinkeln von Me߬ strahl (19) und Beleuchtungsstrahl (18) am Meßort minde¬ stens 2:1 beträgt.
11. Optischer Abstandssensor nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Scanobjektiv (6) telezentrisch aufgebaut ist.
12. Optischer Abstandssensor nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur An- derung der dreidimensionalen Auflösung und des Meßberei¬ ches das Scanobjektiv (6) in seiner Brennweite veränderbar oder gegen ein anderes austauschbar ist.
13. Optischer Abstandssensor nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine elektronische Kompensationseinheit vorhanden ist, die ungleichmäßige Intensitätsverteilungen der Teilstrah- len des Meßstrahles (19) auf die verschiedenen Photodetek¬ toren kompensiert.
14. Optischer Abstandssensor nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die elektronischen Verstärker (22a bis n) entsprechend der Photodetektoren (21a bis n) eine nichtlineare Verstär¬ kungskennlinie aufweisen, um Übersteuerungen zu vermeiden.
15. Optischer Abstandssensor nach einem der vorhergehenden An- sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Abstandssensor in Bezug auf eine Normale zur Objekt- Oberfläche geneigt ist, um dreidimensionale Objekte auch schräg von oben betrachten zu können.
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