一种彩色共焦测量设备制造技术

本申请公开了一种彩色共焦测量设备，包括：光源(1)；第一共焦光阑(2)；光学照射/成像系统(BA)，至少包括：第一分光元件(4)及与第一分光元件(4)空间上分开的、具有至少一第一透镜的第一透镜系统(5)；与光学照射/成像系统(BA)空间上分开的光学检测/成像系统(DA)，光学检测/成像系统(DA)配置成仅接收由物体(30)反射的、与来自与照射光射中物体的方向不同方向的光；光学检测/成像系统(DA)配置成使所有波长的焦线成像在第二共焦光阑(9)上；及检测器(10)，配置成记录通过第二光阑(9)的光的强度；其中第一共焦光阑(2)为狭缝光阑，藉此，代替针对每一波长形成焦点，焦线沿与第一透镜系统(5)的对称轴(40)形成锐角的区域段形成。统(5)的对称轴(40)形成锐角的区域段形成。统(5)的对称轴(40)形成锐角的区域段形成。

【技术实现步骤摘要】
一种彩色共焦测量设备
[0001]本申请为2019年11月29日申请的、专利技术名称为“光学测量设备”的中国专利申请201911201555.1的分案申请。


[0002]本专利技术涉及光学测量设备，尤其涉及用于测量物体的光色测量设备。

技术介绍

[0003]用于测量物体的光学测量设备已知。EP 2 076 733 B1公开了一种用于确定物体表面和厚度的测量仪器，其包括多色光源和具有色散元件的光学处理器部分，色散元件使直射在将要测量的物体上的光学辐射按非轴向色散。在该设备中，光学辐射的不同波长按物体表面的法线方向在不同高度聚焦。用于光学辐射的第二处理器部分将测量物体在镜面反射方向反射的光导向检测器，其配置成确定最大强度的波长以确定表面高度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目标在于提供一种改进的、用于测量物体的测量设备。
[0005]本专利技术的一方面提出一种测量设备，包括发射多个波长的光源，其光通过第一共焦光阑射入光学照射/成像系统。该光学照射/成像系统包括第一分光元件，其被设计为棱镜或光栅。第一分光元件根据波长拆分光，即不同波长的光以相同角度射中分光元件但以不同角度离开该分光元件。在棱镜情形下，这因色散引起；在光栅情形下，一阶或更高阶的衍射(正或负阶衍射)用作光学输出并进行光谱拆分。
[0006]在该过程中，光进入第一分光元件，针对所有波长使得准直。这仅在下述情形下可能：在光源与第一分光元件之间未设置有具有明显随波长而变的焦距的元件尤其是具有明显色差(色像差)的透镜或透镜组合。
[0007]光学照射/成像系统还包括第一透镜系统，其具有至少一第一透镜。第一透镜系统与第一分光元件空间上分开，即它们为两个分开的元件。第一透镜系统的有效焦距对于不同波长而显著变化。该性质被称为轴向色差。
[0008]光通过光学照射/成像系统聚焦，不同波长的聚焦位置尤其是焦点或焦线被形成在不同位置。这些位置沿测量段尤其是线段或区域段坐落，测量段与第一透镜系统的对称轴形成锐角。
[0009]焦点或焦线位于其上的线段或区域段的区域表示测量设备的测量范围。与线段交叉并反射至少一部分光的任何物体均可被测量。
[0010]从焦点到透镜系统的距离因第一透镜系统的轴向色差而随波长变化。在没有明显轴向色差的情形下，焦点将大约垂直于对称轴成一线。
[0011]测量设备还包括与光学照射/成像系统空间上分开的光学检测/成像系统。空间上分开使能使用更小、更轻的光学元件。光学检测/成像系统配置成接收由物体反射的、来自与照射光射中物体的方向不同方向的光，及使所使用的所有波长的焦点成像在第二共焦光
阑上。
[0012]第二共焦光阑具有抑制焦点未对准而射中测量物体因而在第二共焦光阑上未被精确成像的波长的光的效果，因而降低背景噪声及提高信噪比。
[0013]测量设备还包括检测器，其配置成获得通过第二光阑的光的强度。
[0014]由于明显的轴向色差，当聚焦位置或焦点的成像质量好时，光入射角可增大以有效抑制或减少所谓的阴影效应。
[0015]本专利技术的特征因而具有测量光在测量物体上的平均入射角更陡的优点，从而减少阴影。
[0016]另一方面，入射角也不垂直于物体，因而可能分开地穿过光学照射/成像系统和光学检测/成像系统，及入射方向或接收方向不同于焦点成一线的方向。因此，来自未被聚焦在物体表面上的波长的光不仅仅焦点未对准地成像在第二共焦光阑上而且还被横向偏移。这意味着未聚焦在物体上的那些波长的光较少通过第二共焦光阑，及背景噪声将继续被抑制。测量设备的分辨率仅由所使用的物镜(光学照射/成像系统和光学检测/成像系统)的分辨率确定。
[0017]通常，焦点位于其上的线段优选以直角或者几乎以直角与将要测量的物体的表面交叉。这具有测量不失真的优点。在直角时，平行于表面的坐标值(x/y坐标)对于每一焦点是常数且既不取决于表面上方(z)的高度也不取决于波长。这意味着表面的地形可直接在笛卡尔(Cartesian)坐标系中确定，无需进行另外的转换。因此，在测量中不会出现表面失真。
[0018]在光学照射/成像系统和光学检测/成像系统对称设置时，线段垂直于表面的设置还具有更高光效能的优点。
[0019]本专利技术的有利发展在下面进行描述。
[0020]光源优选发射连续光谱。所发射的光谱最好在可见光范围(约400
‑
800nm)或者在红外范围。
[0021]第一透镜系统对于光源的最小波长的焦距与第一透镜系统对于光源的最大波长的焦距相差量δf。δf与平均波长的焦距f0的商优选大于5％。这种色差水平可被视为明显。
[0022][0023]光源的最小波长的焦点与最大波长的焦点之间的距离限定测量设备的测量范围。对于每一应用均有特别适当的测量范围。例如，选择的测量范围有利地大于将要测量的物体上的最大结构或者预期高度差。同时，选择的测量范围不应太大，因为测量范围与分辨率之间通常呈相反关系。在本申请中，测量范围优选在几毫米或小于1毫米的范围中。
[0024]测量范围通过相对于第一透镜系统的对称轴横向和轴向移动不同波长的焦点而预先确定。轴向运动和横向运动优选相差小于2的因子，最好大约一样。换言之，轴向和横向运动与测量范围本身均属于同样的量级。
[0025]焦点位置的横向和轴向运动有利地选择成使得通过不同波长的焦点位置的线段与第一透镜系统的对称轴具有小于60
°
的角度。该角度小于或等于45
°
特别有利。这特别适合避免阴影并使设计紧凑。
[0026]还优选穿过不同波长的焦点的线段与第一透镜系统的对称轴具有大于30
°
的角
度。
[0027]特别优选地，第一透镜系统对于光源的最小波长的焦距与第一透镜系统对于光源的最大波长的焦距之间相差的量大约对应于测量设备的预先确定的测量范围。
[0028]为实现足够的焦斑位错(色差)，第一透镜系统中的至少一透镜有利地具有ν
d
<40的阿贝数。
[0029]光学照射/成像系统优选包括设置在光源与第一分光元件之间的准直透镜。该准直透镜优选为消色差透镜，即不同波长的焦距或一样或仅稍微不同。这使所有波长的光路准直。作为备选，准直透镜可通过几个透镜而变换布置，这几个透镜在一起看待时具有上面提出的性质。
[0030]也可能提供具有色差的准直透镜，使得斑点的轴向运动在准直透镜与第一透镜系统之间分配。这意味着光路对于所有波长并未被第一分光元件完美地准直。
[0031]确保焦点位于其上的线段笔直是有利的，这通过第一透镜系统的焦点的波长依存关系与第一分光元件的拆分的波长依存关系彼此匹配而实现。特别有利地，这通过考虑波长依存关系之间的数学关系而实现(参见图3a和3b的阐释)。优选地，或者棱镜被选择为第一分光元件并与包括一个或多个色散透镜的第一透镜系统结合，或者光栅被选择为第一分光元件并与第一透镜系统中的至少一衍射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种彩色共焦测量设备，包括：
‑
发射多个波长的光的光源(1)；
‑
来自光源(1)的光通过其的第一共焦光阑(2)；
‑
光学照射/成像系统(BA)，至少包括：
‑‑
被设计为棱镜或光栅的第一分光元件(4)，其中进入第一分光元件(4)的光准直；及
‑‑
与第一分光元件(4)空间上分开的、具有至少一第一透镜的第一透镜系统(5)，第一透镜系统(5)的有效焦距(f(λ))对于不同波长而显著不同(λ)，使得光学照射/成像系统(BA)设计成使得不同波长的焦线被形成在不同位置，这些位置沿与第一透镜系统(5)的对称轴(40)形成锐角的线段(41)坐落；
‑
所述测量设备配置成测量与所述线段(41)交叉并反射至少一部分光的物体(30)；
‑
所述测量设备包括与光学照射/成像系统(BA)空间上分开的光学检测/成像系统(DA)，光学检测/成像系统(DA)配置成仅接收由物体(30)反射的、与来自与照射光射中物体的方向不同方向的光；光学检测/成像系统(DA)配置成使所有波长的焦线成像在第二共焦光阑(9)上；及
‑
所述测量设备包括检测器(10)，配置成记录通过第二光阑(9)的光的强度；其中第一共焦光阑(2)为狭缝光阑，藉此，代替针对每一波长形成焦点，焦线沿与第一透镜系统(5)的对称轴(40)形成锐角的区域段形成。2.根据权利要求1所述的彩色共焦测量设备，其特征在于，第一透镜系统(5)对于光源(1)的最小波长的焦距与第一透镜系统对于光源(1)的最...

【专利技术属性】
技术研发人员：C，
申请(专利权)人：普雷茨特光电有限公司，
类型：发明
国别省市：