DE102011117523B3

DE102011117523B3 - Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Oberflächengeometrie einer dreidimensionalen Probe

Info

Publication number: DE102011117523B3
Application number: DE201110117523
Authority: DE
Inventors: Miro Taphanel
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2031-11-04
Also published as: WO2013064395A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum optischen Bestimmen der Oberflächengeometrie einer dreidimensionalen Probe mit einer polychromatischen Lichtquelle, einer im Strahlengang der Lichtquelle angeordneten Spaltblende, einer in diesem Strahlengang nach der Spaltblende angeordneten, dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung, die so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass sie das Abbild der Spaltblende für unterschiedliche Wellenlängen im Spektrum der Lichtquelle auf unterschiedliche, auf einer vordefinierten Oberfläche (Fokuslinienfläche) im Raum voneinander beabstandet liegende Linien fokussiert, und einer abbildenden optischen Anordnung, die zumindest Abschnitte der Fokuslinienfläche und/oder mehrere, bevorzugt alle der Fokuslinien auf ein und dieselbe, von einem ortsauflösenden und wellenlängenauflösenden Nachweiselement abtastbare oder abgetastete Linie (Abtastlinie) im Raum fokussiert, wobei die Probe so im Raum positionierbar ist oder positioniert ist, dass sie die Fokuslinienfläche schneidet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum optischen Bestimmen der Oberflächengeometrie einer dreidimensionalen Probe, die nachfolgend auch als konfokaler chromatischer Zeilentriangulationssensor bezeichnet wird.
Aus dem Stand der Technik sind bereits konfokale Systeme, konfokal chromatische Systeme und auch Triangulationssensoren zur optischen 3D-Oberflächenmessung bekannt. Siehe hierzu beispielsweise die DIN EN ISO 25178-602:2011-01. Die entsprechenden konfokalen Sensoren haben in der Regel einen punktförmigen Messfleck. Soll die dreidimensionale Struktur einer Oberfläche eines Objekts bzw. einer Probe erfasst werden, muss somit die Oberfläche rasterförmig abgefahren werden. Dabei haben sich zwei Prinzipien durchgesetzt.
Beim ersten Prinzip eines chromatisch konfokalen Sensors fokussiert ein dispersives Element das Licht wellenlängenabhängig in unterschiedlicher Höhe. Reflektiertes Licht, welches auf der Oberfläche fokussiert ist, hat eine deutlich höhere Intensität als Licht, welches nicht fokussiert ist (siehe auch die vorgenannte Norm). Ein Spektrometer identifiziert dann die Wellenlänge mit der höchsten Intensität, wodurch ein Rückschluss auf die Entfernung Oberfläche-Sensor möglich ist. Siehe hierzu auch entsprechende kommerzielle Systeme unter www.micro-epsilon.com/displacement-position-sensors/confocal-sensor/index.html oder www.precitec-optronik.de. Nachteile dieser Systeme sind der punktförmige Messfleck und die Notwendigkeit eines Spektrometers, so dass die Messgeschwindigkeit stark reduziert ist.
Beim zweiten Prinzip (monochromatische konfokale Sensoren, bei denen mittels eines schwingenden Resonators der Fokus variiert wird) führt der Resonator eine harmonische Schwingung durch, welche den optischen Weg verändert. Ein Detektor erfasst die reflektierte Intensität, die maximal wird, wenn der Strahl fokussiert ist. Nachteile sind hier, dass die Systeme technisch sehr aufwendig sind (teure Sensoren), auch müssen komplexe, fehleranfällige bewegliche optische Elemente eingesetzt werden. Siehe hierzu beispielsweise www.nanofocus.de/sprintsensor.html?&L=0.
Einem anderen Prinzip zur Abtastung von dreidimensionalen Oberflächengeometrien folgen sogenannte Triangulationssensoren, die mithilfe eines Laserpunktes oder einer Laserlinie arbeiten. Nachteile sind hier unter anderem, dass diese Sensoren bei spiegelnden Oberflächen versagen. Siehe beispielsweise www.sick.com.
Generell weisen somit bekannte Systeme zum Abtasten einer dreidimensionalen Oberfläche die folgenden Nachteile auf:

• Ein Punktsensor erlaubt kein effizientes Erfassen einer Oberfläche, da ein mäanderförmiges Abfahren der gesamten Oberfläche mit hohem Zeitaufwand notwendig ist.
• Bei den einer senkrechten Messkopfanordnung folgenden Systemen überlagern sich alle Wellenlängen im Messpunkt, was den nachteiligen Einsatz eines Spektrometers bedingt, um die Wellenlänge mit der höchsten Intensität zu bestimmen. Die Notwendigkeit der Verwendung eines Spektrometers reduziert jedoch zusätzlich die Messgeschwindigkeit.
• Wählt man mehrere diskrete Messpunkte beabstandet nebeneinander, so überlagern sich die Beleuchtungen der einzelnen Messpunkte zusätzlich. Die Intensität der fokussierten Wellenlänge hebt sich dadurch schwächer von den überlagerten Wellenlängen ab. Die Messpunkte dürfen damit nicht zu nahe zusammenliegen, müssen also jeweils einen Abstand voneinander aufweisen, damit die Intensität des seitlich überlagerten Lichts nicht zu stark wird. Siehe hier z. B. das Produkt MPLS180 der Firma Stil S.A. (www.stilsa.com).

Aus dem Stand der Technik ( US 2010/0 188 742 A1 ) ist zudem ein konfokal chromatisches Messsystem bekannt. Dieses erweitert den klassischen konfokal chromatischen Punktsensor zu einem Zeilensensor, in dem die Lochblende durch eine Spaltblende ersetzt wird.
Dadurch kann eine Oberflächentopologie gleichzeitig an mehreren Messpunkten nebeneinander ermittelt werden. Der Beleuchtungsstrahlengang und der Abbildungsstrahlengang benutzen das gleiche optische Element. Bereits konfokal chromatische Punktsensoren haben jedoch den Nachteil, dass nicht fokussiertes Licht auch den Sensor erreicht und die fokussierte Wellenlänge nur durch eine erhöhte Intensität ermittelt werden kann. Durch die Anordnung vieler Lochblenden nebeneinander wie bei der US 2010/0 188 742 A1 (oder durch die Benutzung besagter Spaltblende) kommt es jedoch zu seitlichem Übersprechen von nicht fokussiertem Licht, d. h. deutlich mehr nicht fokussiertes Licht erreicht den Sensor.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit eine Vorrichtung zum optischen Bestimmen der Oberflächengeometrie einer dreidimensionalen Probe zur Verfügung zu stellen, mit der dreidimensionale Oberflächengeometrien beliebiger, also z. B. auch spiegelnder Proben zuverlässig, mit höchstmöglicher Auflösung und, im Vergleich zum Stand der Technik, mit erhöhter Geschwindigkeit bestimmt werden können. Aufgabe ist es darüber hinaus, entsprechende Bestimmungsverfahren und Anordnungen zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, durch eine Anordnung gemäß Anspruch 11 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen lassen sich dabei jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann anhand verschiedener Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben. Die in den einzelnen Ausführungsbeispielen dabei in Kombination miteinander verwirklichten einzelnen Merkmale und/oder Bauelemente der Vorrichtungen oder Anordnungen gemäß der Erfindung müssen dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht genau in den in den Ausführungsbeispielen gezeigten Kombinationen realisiert sein. Insbesondere können einzelne der gezeigten Bauteile auch anders angeordnet oder ausgerichtet werden oder auch weggelassen werden. Auch können einzelne der in den Ausführungsbeispielen gezeigten Bauelemente bzw. der im Rahmen der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale jeweils auch für sich (also unabhängig von den anderen in den Ausführungsbeispielen gezeigten Bauelementen bzw. beschriebenen Merkmalen) einen Beitrag zur Verbesserung des Standes der Technik leisten. Die vorliegende Erfindung offenbart somit sämtliche Kombinationen aus einzelnen Merkmalen der verschiedenen Ausführungsbeispiele im Rahmen des dem Fachmann sinnvoll Erscheinenden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein optisches kontaktloses Vermessen der dreidimensionalen Oberflächengeometrie einer Probe bzw. eines Objekts, wobei die Oberfläche jeweils zeilenweise erfasst wird. Es stehen also eine Vielzahl einzelner Messpunkte in einer Zeile nebeneinander gleichzeitig zum Abtasten zur Verfügung, so dass eine gewisse Breite, also eine ganze Zeile, mit einem Messvorgang zu einem Zeitpunkt erfasst werden kann. Ein Verschieben des abgetasteten Objekts (oder der Vorrichtung relativ zu diesem Objekt) ermöglicht dann die Abtastung der nächsten Zeile.
Die vorliegende Erfindung erweitert somit die Idee eines an sich bekannten konfokalen chromatischen Sensors dahingehend, dass nicht nur ein Messpunkt zu einem Zeitpunkt zur Verfügung steht, sondern zu diesem Zeitpunkt eine ganze Zeile (also eine eindimensionale Linie) mit beliebig nahe beieinander liegenden Messpunkten gleichzeitig ausgewertet werden kann.
Die vorliegende Erfindung geht dabei zunächst von dem an sich bekannten konfokalen chromatischen Punktsensor aus, bei dem eine polychromatische Punktquelle (Lichtquelle samt dahinter angeordneter punktförmiger Lochblende) durch eine Linse chromatisch aufgespalten wird, so dass sich auf der optischen Achse unterschiedliche Fokuspunkte ergeben. Wird eine Oberfläche in diesen chromatisch aufgespaltenen Lichtkegel gehalten, so resultiert, dass genau eine Wellenlänge exakt auf diesen Punkt fokussiert wird und alle anderen Wellenlängen entweder davor oder dahinter fokussiert werden. Im Messpunkt (Messfleck) auf der Oberfläche überlagern sich zwar immer noch alle monochromatischen Wellenlängen, jedoch ist die Intensität der fokussierten Wellenlänge deutlich höher. Aufgrund der Überlagerung ist jedoch ein Spektrometer notwendig, welches die Wellenlänge des Intensitätsmaximums messen kann.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum optischen Bestimmen der Oberflächengeometrie einer dreidimensionalen Probe weist nun auf: Eine polychromatische Lichtquelle, eine im Strahlengang dieser Lichtquelle angeordnete Spaltblende, eine im Strahlengang nach der Spaltblende angeordnete, dispersive und fokussierende optische Anordnung, die so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass sie das Abbild der Spaltblende für unterschiedliche Wellenlängen im Spektrum der Lichtquelle auf unterschiedliche, auf einer vordefinierten Fläche (nachfolgend auch als Fokuslinienfläche bezeichnet) im Ortsraum (nachfolgend auch durch das Weltkoordinatensystem mit den drei kartesischen Koordinaten x, y und z bezeichnet) voneinander beabstandet liegende Linien (nachfolgend auch als Fokuslinien bezeichnet) fokussiert, und eine abbildende optische Anordnung. Dabei können die beiden Funktionen der Dispersion und der Fokussierung mit einem einzigen optischen Element realisiert werden. Ebenso können aber auch mehrere optische Elemente, z. B. ein erstes Element für die Dispersion und ein zweites Element für die Fokussierung, eingesetzt werden.
Die abbildende optischen Anordnung bildet Abschnitte der Fokuslinienfläche (bevorzugt: die gesamte Fokuslinienfläche, auf der die einzelnen Wellenlängen des polychromatischen Spektrums der Lichtquelle zum Liegen kommen) und/oder zumindest mehrere, bevorzugt jedoch alle der Fokuslinien auf ein und dieselbe Linie, die nachfolgen auch als Abtastlinie bezeichnet wird, im Raum fokussiert ab. Die Abtastlinie kann dann von einem ortsauflösenden und wellenlängenauflösenden Nachweiselement (beispielsweise einem Zeilendetektor aus einzelnen RGB-Pixeln) abgetastet, also optisch erfasst werden.
Zum Vermessen der Probe wird diese so im Raum positioniert (bzw. so in das Feld der Fokuslinien eingeschoben), dass die Probe (bzw. zumindest ein Oberflächenabschnitt derselben) die Fokuslinienfläche schneidet.
Unter einem ortsauflösenden und wellenlängenauflösenden Nachweiselement wird dabei ein Detektor verstanden, der unterschiedliche Wellenlängen im Spektrum der polychromatischen Lichtquelle voneinander getrennt nachweisen kann, also die Wellenlänge des jeweils auf die einzelnen Detektorpixel auftreffenden Lichts bestimmen kann. Beispielsweise kann es sich dabei um einen RGB-Zeilensensor handeln.
Die dispersive und fokussierende optische Anordnung ist so ausgebildet und/oder angeordnet, dass das Abbild der Spaltblende für mehrere (bevorzugt: für alle) Wellenlängen im Spektrum der Lichtquelle von ein und derselben Seite der Fokuslinienfläche auf genau diese Fokuslinienfläche fokussiert wird. Ist (siehe auch nachfolgend) die vorbestimmte Fokuslinienfläche im bevorzugten Fall eine Ebene (Fokuslinienebene), so sind dazu sämtliche auf der Strahleneinfallsseite liegenden optischen Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung (also die Lichtquelle, die Spaltblende und die dispersive und fokussierende optische Anordnung) im Halbraum auf einer Seite der Fokuslinienebene angeordnet, wobei die dispersive und fokussierende optische Anordnung dann aus diesem Halbraum heraus die einzelnen Fokuslinien beabstandet voneinander auf die Fokuslinienebene fokussiert. Die abbildende optische Anordnung sowie das Nachweiselement sind dann bevorzugt auf der anderen Seite der Fokuslinienebene, also im anderen Halbraum angeordnet.
Bevorzugt ist dabei, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung auch so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass, für die unterschiedlichen Wellenlängen, der Strahlengang nach der jeweiligen Fokuslinie die Fokuslinienfläche nicht mehr schneidet. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung schneidet dann für jede Wellenlänge des Spektrums der polychromatischen Lichtquelle der Strahlengang die vorbestimmte Fokuslinienfläche genau einmal. Ist die Fokuslinienfläche eine Fokuslinienebene, so ist die optische Achse des einfallenden Strahlengangs (optische Achse der Elemente Lichtquelle, Spaltblende und dispersive und fokussierende optische Anordnung) vorzugsweise um einen endlichen Winkel von z. B. größer 10°, bevorzugt größer 20°, bevorzugt 30° gegenüber der Fokuslinienebene geneigt (die Fokuslinien bilden sich somit gerade nicht auf der optischen Achse aus, sondern in einer dazu gekippten Ebene).
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die dispersive und fokussierende optische Anordnung damit so ausgebildet und/oder angeordnet, dass die Spaltblende für die unterschiedlichen Wellenlängen auf einer vordefinierten Ebene im Raum, der Fokuslinienebene, fokussiert abgebildet wird.
Die (gegebenenfalls mehrere einzelne optische Elemente umfassende) dispersive und fokussierende optische Anordnung einerseits und die abbildende optische Anordnung andererseits (oder zumindest jeweils einzelne der die jeweilige Anordnung bildenden optischen Elemente) können relativ zur Fokuslinienfläche gesehen symmetrisch realisiert werden. Ist die Fokuslinienfläche eine Fokuslinienebene, so bedeutet dies, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung auf einer Seite dieser Ebene und die abbildende optische Anordnung auf der anderen Seite dieser Ebene sowie in Bezug auf diese Ebene gesehen spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet und/oder ausgerichtet sind.
Ebenso wie die Strahleneingangsseite, so kann auch die Strahlenausgangsseite (z. B. Halbraum der abbildenden optischen Anordnung) eine bevorzugt unmittelbar vor dem Nachweiselement angeordnete Spaltblende aufweisen. Diese kann, in Bezug auf die Fokuslinienfläche gesehen, symmetrisch (im Falle einer Fokuslinienebene: spiegelsymmetrisch in Bezug auf diese Ebene) zur Spaltblende der polychromatischen Lichtquelle angeordnet sein. Die Spaltbreite der beiden Spaltblenden liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 10 μm und 300 μm.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die dispersive und fokussierende optische Anordnung als wesentliches optisches Abbildungselement ein gleichzeitig als dispersives und als fokussierendes Element wirkendes reflektierendes, konkaves Gitter auf. Ebenso kann die abbildende optische Anordnung ein gleichzeitig als dispersives und als fokussierendes Element wirkendes reflektierendes, konkaves Gitter aufweisen. Sind sowohl die Einfallsseite als auch die Ausfallsseite der Strahlung mit einem solchen Gitter ausgebildet und ist die Fokuslinienfläche eine Ebene, so sind die beiden Gitter bevorzugt spiegelsymmetrisch zur Fokuslinienebene angeordnet und ausgerichtet. Solche reflektierenden, konkaven Gitter, die gleichzeitig als primäres dispersives Element und als primäres fokussierendes Element wirken, sind dem Fachmann bekannt (siehe z. B. die sogenannten reflektierenden, konkaven, gebrannten, holografischen Gitter („reflective concave blazed holografic gratings” ) der Firma Edmund Optics Inc., 101 East Gloucester Pike, Barrington, NJ 08007-1380 USA).
Alternativ dazu ist jedoch erfindungsgemäß auch eine nicht-symmetrische Anordnung möglich. Die abbildende optische Anordnung umfasst dann bevorzugt ein Objektiv (Kameraobjektiv) und kann als einfache Zeilenkamera (oder Flächenkamera, bei der lediglich eine einzige Zeile ausgenutzt wird) ausgebildet sein. Das Objektiv bildet dann die Fokuslinienfläche und/oder die Fokuslinien auf eine in der Fokuslinienfläche selbst liegende Abtastlinie fokussiert ab. Im Gegensatz zur vorbeschriebenen symmetrischen Anordnung der dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung einerseits und der abbildenden optischen Anordnung andererseits, bei der die Abtastlinie auf der Seite der abbildenden optischen Anordnung, also z. B. im entsprechenden Halbraum seitlich der Fokuslinienebene positioniert ist, kann die abbildende optische Anordnung somit so positioniert, ausgebildet und ausgerichtet werden, dass sie eine direkt auf der Fokuslinienfläche liegende Abtastlinie fokussiert abbildet. Bevorzugt wird, im Falle einer Fokuslinienebene, dazu auch die abbildende optische Anordnung ebenso wie das Nachweiselement in der Fokuslinienebene positioniert.
In einer weiteren Ausführungsform kann die dispersive und fokussierende optische Anordnung mehrteilig ausgebildet sein, d. h. es kann ein dispersives Element (oder eine dispersive Anordnung) zum Realisieren der dispersiven Funktion getrennt von einem fokussierenden Element (oder einem fokussierenden optischen System aus mehreren Elementen) ausgebildet werden. Bevorzugt handelt es sich bei dem dispersiven Element der dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung um ein Transmissionsgitter oder ein Prisma (bevorzugt ein Geradsichtprisma). Bei dem fokussierenden Teil der dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung kann es sich insbesondere um ein fokussierendes System handeln, das mehrere Linsen in einer Scheimpfluganordnung aufweist. Entsprechend kann dann (bevorzugt symmetrisch dazu, siehe oben) auch die abbildende optische Anordnung getrennt voneinander ein dispersives Element (bzw. eine dispersive Anordnung) und ein fokussierendes optisches System (das bevorzugt ebenso in Scheimpfluganordnung ausgebildet sein kann) aufweisen.
Schließlich sind auch andere Ausbildungen der dispersiven und fokussierenden Anordnung denkbar, sofern diese die vorbeschriebene Funktion zur fokussierten Abbildung der unterschiedlichen Fokuslinienfläche erfüllen. Beispielsweise ist es denkbar, die dispersive und fokussierende optische Anordnung als Linsensystem mit wellenlängenabhängigem Brechungsindex auszubilden.
Erfindungsgemäß kann somit im Strahlengang nach der Lichtquelle und der Spaltblende ein dispersives (das heißt, der Brechungsindex ändert sich mit der Wellenlänge) und/oder ein difraktives (das heißt, das Licht wird für unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich gebeugt) Element, das z. B. als die chromatische Aberration ausnutzendes Gitter und/oder Prisma ausgebildet sein kann, angeordnet sein. Diese(s) Element(e) muss/müssen dann die vorstehend genannte Bedingung der Fokuslinienfläche erfüllen, wobei eine geeignete abbildende Optik zum Realisieren des gewünschten, vorzugsweise von einer einzigen Seite auf die Fokuslinienfläche einfallenden Strahlengangs hinzugefügt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das orts- und wellenlängenauflösende Nachweiselement im Strahlengang der abbildenden optischen Anordnung einen Zeilensensor aufweisen. Dieser kann am Ort der Abtastlinie positioniert sein oder im Strahlengang gesehen unmittelbar hinter einer am Ort der Abtastlinie positionierten weiteren Spaltblende der abbildenden optischen Anordnung angeordnet sein. Ebenso kann das Nachweiselement jedoch einen Flächensensor aufweisen. In diesem Fall ist eine Sensorzeile dieses Flächensensors am Ort der Abtastlinie positioniert oder im Strahlengang gesehen unmittelbar hinter einer an diesem Ort positionierten weiteren Spaltblende der abbildenden optischen Anordnung angeordnet. Grundsätzlich ist es auch denkbar, im Strahlengang gesehen hinter einer am Ort der Abtastlinie positionierten weiteren Spaltblende ein Spektrometer als Nachweiselement zu positionieren, mit dem die Abtastlinie ortsaufgelöst abtastbar ist. Dies jedoch zum Preis einer verringerten Abtastgeschwindigkeit.
Bei dem Nachweiselement kann es sich beispielsweise um einen Zeilensensor in Form eines eindimensionalen Zeilenarrays oder auch um einen Flächensensor in Form eines zweidimensionalen Flächenarrays aus Pixeln handeln, die die unterschiedlichen Wellenlängen der Fokuslinien erfassen, trennen und nachweisen können. Beispielsweise können dazu RGB-Kameras mit entsprechenden Pixeln eingesetzt werden. Dabei wird ausgenutzt, dass monochromatisches Licht einen Farbeindruck auf einem RGB-Sensor erzeugen kann. Mittels einer Kalibrierung kann von diesem Farbeindruck auf eine Wellenlänge zurückgeschlossen werden.
Um nun nicht nur eine einzige, eindimensionale Schnittlinie der Oberfläche der Probe abzutasten, muss entweder die Probe relativ zur Vorrichtung oder umgekehrt die Vorrichtung relativ zur Probe bewegt werden. Hierzu ist erfindungsgemäß eine Anordnung vorgesehen, die eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Antriebseinheit zum Realisieren dieser Relativbewegung umfasst. Beispielsweise kann die Probe mit einem im Raum x, y, z verschieblichen Probenhalter durch die Fokuslininenfläche der unbeweglich im Raum x, y, z positionierten Vorrichtung verschoben werden. Ebenso ist es jedoch denkbar, einen im Raum unbeweglichen, die Probe fixierenden Probenhalter vorzusehen und die Vorrichtung auf einem relativ zur Probe bzw. zum Probenhalter geeignet beweglichen Verschiebetisch zu positionieren. Mit einem solchen beispielsweise dreiachsigen Verschiebetisch, auf dem die Vorrichtung angeordnet ist, kann dann die Vorrichtung (bzw. die durch sie im Raum realisierte Fokuslinienfläche) relativ zur Probe verschoben werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung nun anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei zeigen:
1a und 1b eine Skizze zur grundlegenden Funktionsweise der vorliegenden Erfindung.
2 eine Skizze zum Einfall der Strahlung unter einem definierten, endlichen Winkel zur Fokuslinienebene (Schrägeinfall).
3 eine grundlegende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer spiegelsymmetrisch zu dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung ausgebildeten abbildenden optischen Anordnung.
4 eine Aufsicht auf eine Anordnung gemäß 3.
5 ein erstes konkretes Ausführungsbeispiel für den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Symmetrie zwischen der dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung einerseits und der abbildenden optischen Anordnung andererseits.
6 ein zweites konkretes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem nicht-symmetrischen Aufbau.
7 ein drittes konkretes Ausführungsbeispiel mit einem getrennt von einem dispersiven Element ausgebildeten fokussierenden System sowohl in der dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung als auch in der abbildenden optischen Anordnung.
8 eine nicht die Erfindung zeigende, alternative Vorgehensweise.
1a zeigt eine Skizze eines grundlegenden Aufbaus (ohne die abbildende optische Anordnung 6, vergleiche 3) zur Durchführung der Erfindung im kartesischen Ortsraum x, y, z.
Im Strahlengang 2 einer polychromatischen, im sichtbaren Bereich zwischen 350 nm und 750 nm emittierenden Lichtquelle 1 (z. B. eine Xenonlampe, eine Halogenlampe, eine Leuchtstoffröhre oder auch eine geeignete breitbandige LED) ist in y-Richtung eine Spaltblende 3a (Spaltbreite zwischen 10 und 300 μm) angeordnet. Im Strahlengang 2 der Lichtquelle 1 hinter der Spaltblende 3a befindet sich die dispersive und fokussierende optische Anordnung 4. Diese ist so ausgebildet und angeordnet, dass sie das Abbild der Spaltblende 3a für die unterschiedlichen Wellenlängen im sichtbaren Emissionsspektrum der polychromatischen Lichtquelle 1 auf jeweils unterschiedliche, auf einer vordefinierten Oberfläche, die hier eine Ebene ist (Fokuslinienebene 5 parallel zur y-z-Ebene), voneinander beabstandet liegende Linien, die Fokuslinien, fokussiert. Diskret voneinander beabstandete einzelnen Wellenlängen im Spektrum der Lichtquelle 1 werden somit auf diskrete, jeweils auf der vordefinierten Fokuslinienebene liegende Fokuslinien fokussiert abgebildet. So wird beispielsweise die Wellenlänge λ₁ = 380 nm von der dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung auf die Fokuslinie l₁ fokussiert, die Wellenlänge λ₂ = 510 nm in -z-Richtung beabstandet davon auf die Fokuslinie l₂, die Wellenlänge λ₃ = 600 nm beabstandet davon auf die Fokuslinie l₃ und die Wellenlänge λ₄ = 700 nm wiederum weiter in -z-Richtung beabstandet davon auf die Fokuslinie l₄.
Alle Fokuslinien l₁ bis l₄ verlaufen parallel zur Spaltrichtung 3a in y-Richtung.
1b zeigt nun, wie diese ortsvariable, fokussierte Abbildung der Fokuslinien l unterschiedlicher Wellenlängen λ auf die Fokuslinienebene 5 dazu verwendet werden kann, die dreidimensionale Oberflächengeometrie eines beliebig geformten Objekts (Probe P) zu erfassen. Bringt man die abzutastende Oberfläche der Probe P in den Bereich der Fokuslinienebene 5 ein, also so, dass diese Oberfläche die Fokuslinienebene 5 schneidet (vergleiche gestrichelt eingezeichnete Ebene 5 in 1b), so wird, an einer definierten y-Koordinate gesehen, lediglich Licht der Quelle 1 einer einzigen Wellenlänge (an der gezeigten y-Koordinate in 1b hier Licht der Wellenlänge λ₃ = 600 nm) fokussiert auf die entsprechende y-Koordinate der Schnittlinie zwischen der Oberfläche der Probe P und der Fokuslinienebene 5 abgebildet. Alle anderen Wellenlängen werden, da deren Fokuslinien oberhalb oder unterhalb der Schnittlinie zwischen der Oberfläche der Probe P und der Fokuslinienebene 5 liegen, an der entsprechenden y-Koordinate lediglich diffus auf die Oberfläche der Probe P abgebildet.
Verwendet man eine geeignete abbildende optische Anordnung 6 und einen im Strahlengang nach derselben (vergleiche 3 bis 7) angeordneten Detektor, z. B. in Form eines Sensors mit einer parallel zur y-Richtung ausgerichteten Pixelzeile, der die einzelnen Wellenlängen bzw. Farben des sichtbaren Lichts der Quelle 1 voneinander unterscheiden kann, so lässt sich anhand der für die vorbeschriebene y-Koordinate mittels dieses Sensors gewinnbaren Farbinformation (hier im gezeigten Fall: λ₃ = gelb) aufgrund der Verteilung der Fokuslinien der unterschiedlichen Wellenlängen bzw. Farben entlang der z-Richtung für diese y-Koordinate eine entsprechende Höheninformation gewinnen. Dabei kann dann, in y-Richtung gesehen, die gesamte Schnittlinie (die ja in ihrer Höhe bzw. z-Koordinate variieren kann) zwischen Probenoberfläche und Fokuslinienebene 5 über die einzelne Pixel des entsprechenden Detektors bzw. Nachweiselementes gleichzeitig erfasst werden. Somit kann, in der vorbeschriebenen Farbcodierung, die gesamte Höheninformation einer einzelnen Höhenlinie der Probenoberfläche P gleichzeitig erfasst werden. Auf Basis einer Relativbewegung der Probe P einerseits und der Vorrichtung zum optischen Bestimmen andererseits in x-Richtung, also senkrecht zur Fokuslinienebene 5, kann so die gesamte Objektoberfläche P schrittweise bzw. zeilenweise abgetastet werden. Bauelemente wie z. B. Verschiebetische, Objekthalter, ... zum Realisieren der entsprechenden Relativbewegung sind dem Fachmann bekannt.
Mit dem in 1a und 1b skizzierten Aufbau der vorliegenden Erfindung lassen sich gegenüber dem Stand der Technik die folgenden Vorteile realisieren: Als Detektor bzw. Nachweiselement kann ein einfacher einzeiliger Pixeldetektor aus z. B. RGB-Kamerapixeln verwendet werden. Hierdurch lässt sich eine deutliche Erhöhung der Messgeschwindigkeit erzielen, da durch das Verwenden z. B. einer solchen RGB-Kamera kein Spektrometer mehr eingesetzt werden muss. Zudem werden weniger und preisgünstigere Komponenten benötigt, um die 3D-Oberflächenabtastung durchzuführen. Da sämtliche der verwendeten optischen Abbildungselemente (vergleiche insbesondere auch nachfolgende 4 bis 7) als fokussierende bzw. scharf abbildende optische Elemente ausgebildet und angeordnet sein können, ist es möglich, beliebig nahe beieinander liegende Oberflächenpunkte der Lichtquelle 1 (durch den Spalt 3a) abzubilden, ohne dass es zu störenden Überlagerungen der Wellenlängen- bzw. Höheninformation zwischen benachbarten Abbildungselementen (bzw. auf der Seite der abbildenden optischen Anordnung: Pixeln) kommt. Es sind somit Zeilensensoren mit prinzipiell beliebig nahe liegenden Messpunkten realisierbar.
Durch das wesentliche technische Merkmal, dass das chromatisch aufgespaltene Licht 2 im Fokuspunkt bzw. in den Fokuslinien l entmischt wird, besteht ein fokussierter Lichtpunkt auf einer Oberfläche aus monochromatischem Licht. Der Farbeindruck von monochromatischem Licht kann jedoch nicht durch die Oberflächenfarbe der Probe P verändert werden. Gerade deswegen kann auf ein Spektrometer verzichtet werden und vom Farbeindruck einer RGB-Kamera direkt auf die Wellenlänge und somit die Höheninformation geschlossen werden. Neben dem Vorteil, dass die einzelnen Messpunkte, welche in einer Zeile angeordnet sind, beliebig nahe nebeneinander liegen dürfen, lässt sich insbesondere auch durch die Verwendung einer identischen Optik für Beleuchtung und Abbildung (vergleiche auch nachfolgende 3 bis 5) die vorliegende Erfindung nicht nur für nicht-spiegelnde Oberflächen der Probe P, sondern ebenso auch für spiegelnde Probenoberflächen P einsetzen, da die Bedingung Einfallswinkel = Ausfallswinkel erfüllt ist. Die vorliegende Erfindung weist somit eine Unabhängigkeit gegenüber Oberflächenfarben der Probe P auf und erlaubt sowohl ein Vermessen von diffusen, als auch von spiegelnden Oberflächen (auch von sämtlichen Mischformen).
Die vorliegende Erfindung (siehe insbesondere auch die 3 und 5) hat insbesondere auch den Vorteil, dass im Strahlengang die Winkelbedingung Einfallswinkel = Ausfallswinkel erfüllt wird, so dass auch spiegelnde Oberflächen P vermessen werden können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zudem nicht telezentrisch ausgeführt. Somit werden die telezentrischen Aufbauten inhärenten Nachteile, dass weniger Licht verwendet werden kann und dass die Messlinie auf dem Objekt kleiner/gleich der Größe der gemeinsamen Linse ist, vermieden. Zudem vermeidet die vorliegende Erfindung auch bei Verschiebungen der Probe in Scanrichtung Nachteile dahingehend, dass die von einer Zeilenkamera aufgenommenen Pixel in Verschiebungsrichtung nicht quadratisch sind, sobald sich die Objekthöhe (bei einer solchen Verschiebung der Probe) ändert. Es ist eine verbesserte laterale Vermessung möglich.
Bei der vorliegenden Erfindung wird somit (vgl. z. B. auch den Aufbau aus 3) einer polychromatischen Lichtquelle 1 eine eindimensionale Spaltblende 2 vorgesetzt. Die Spaltblende wird durch die dispersive und fokussierende optische Anordnung 4 wellenlängenabhängig abgebildet. Die optische Anordnung 4 ist so ausgeprägt, dass sich die Fokuslinien l in einer Fokuslinienebene 5 in z-Richtung übereinanderliegend befinden. Die Entmischung wird erreicht, indem die Fokuslinien der einzelnen Wellenlängen in einer Ebene organisiert werden und das Licht 2 der Beleuchtung 1 (bezogen auf die optische Achse von Lichtquelle 1, Spalt 3a und optischer Anordnung 4) nur von einer Seite auf die Ebene 5 einfällt. Zwischen der optischen Achse der Elemente 1, 3a und 4 und der Ebene 5 ist somit ein endlicher Winkel gegeben, der hier ca. 30° bis 40° beträgt. (Selbstverständlich sind auch andere Winkel zwischen dieser optischen Achse und der Ebene 5 möglich, z. B. 20° bis 25° oder auch Winkel > 45°.)
Dieser Verkippungswinkel ist also so gewählt, dass alle Lichtstrahlen seitlich in die Ebene 5 der Fokuslinien l einfallen. Eine solcher Verkippung hat zur Folge, dass beim Vorliegen einer Oberfläche einer Probe P eine Entmischung des polychromatischen Lichts in der Ebene 5 der Fokuslinien stattfindet. Mit anderen Worten ist der fokussierte Strahlengang in der Fokuslinie bzw. im Fokuspunkt (vergleiche Pfeil in 1b) von keiner benachbarten Wellenlänge überlagert, liegt also monochromatisch vor.
Dabei ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht zwingend notwendig, dass die Fokuspunkte in einer Ebene organisiert sind. Bei geeigneter Ausbildung der dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung ist es beispielsweise auch denkbar, die einzelnen Fokuspunkte bzw. Fokuslinien auf einem Oberflächenabschnitt einer Kugel oder eines Ellipsoids fokussiert abzubilden. Entsprechend muss dann die nachfolgend noch beschriebene abbildende optische Anordnung 6 ausgebildet und angeordnet werden, um die Fokuspunkte bzw. -linien so auf das Nachweiselement abzubilden, dass jeweils nur die auf die Schnittlinie zwischen der Objektoberfläche und der vordefinierten Fokuslinienfläche scharf, das heißt fokussiert abgebildete Wellenlänge scharf auf das Nachweiselement abgebildet wird (wohingegen sämtliche nicht fokussiert auf die entsprechende Schnittlinie auftreffende Wellenlängen dann gerade nicht auf das Nachweiselement fokussiert werden dürfen). Damit die Forderung einer Entmischung der Wellenlängen auf der Oberfläche P eingehalten wird, muss die folgende Bedingung erfüllt sein: Wenn die Fokuspunkte bzw. -linien l der unterschiedlichen Wellenlängen λ die Fokuslinienfläche 5 in einer vordefinierten geometrischen Form ausbilden, dann muss für diese Fokuslinien- bzw. Grenzfläche gelten, dass jeder mögliche, von der Quelle 1 ausgehende Beleuchtungsstrahl im Strahlengang 2 von der gleichen Seite (also z. B. in 1a vom links neben der Fokuslinienebene 5 liegenden Halbraum) aus auf diese Fokuslinienfläche trifft und nach dem genau einmaligen Auftreffen niemals wieder diese Fokuslinienfläche durchstößt.
Desweiteren müssen die einzelnen Fokuslinien l nicht senkrecht übereinander angeordnet sein, es ist z. B. auch eine schräge Anordnung denkbar.
Beim Verwenden einer identischen Abbildungsoptik auf der Strahleneinfallsseite und der Strahlenausfallsseite, also einer identischen dispersiven und optischen Anordnung einerseits und abbildenden optischen Anordnung andererseits, müssen diese Optiken 4, 6 in der Regel symmetrisch, z. B. spiegelsymmetrisch zu einer Fokuslinienebene 5, angeordnet werden.
Um im in 1 gezeigten Fall einer Fokuslinienebene 5 die Bedingung, dass alle möglichen Lichtstrahlen im Strahlengang 2 von einer Seite in die Ebene 5 der Fokuspunkte einfallen, zu erfüllen, muss der Verkippungswinkel zwischen optischer Achse der Elemente 1, 3a und 4 einerseits und der Ebene 5 andererseits in einem Bereich gewählt werden, der durch die folgenden beiden Bedingungen begrenzt ist (vergleiche auch 2, identische Bezugszeichen bezeichnen identische Elemente der Vorrichtung): Die minimale Verkippung ist erreicht, wenn der Winkel der langwelligsten, noch zur Abbildung vorgesehenen Wellenlänge (hier der Winkel der Wellenlänge λ₄) relativ zur y-z-Ebene zu Null wird. Eine kleinere Verkippung gegenüber der Ebene 5 würde dazu führen, dass dieses langwelligste Licht die Ebene 5 von der anderen Seite durchstoßen würde. Der maximale Verkippungswinkel ist durch den Winkel des kurzwelligsten noch zur Abbildung vorgesehen Lichts (hier: λ₁) zur Horizontalen bzw. zur x-y-Ebene gegeben. Würde ein noch größerer Verkippungswinkel eingestellt werden, so würde das Objekt P von unten beleuchtet werden, was nicht mehr mit dem Nachweiselement 8 (siehe nachfolgend) nachweisbar ist. Der verwendbare Bereich für den Verkippungswinkel ergibt sich in seiner konkreten Größe letztendlich aus dem Zusammenspiel der Aperturblende (Winkel des Lichtkegels im Strahlengang 2 nach der Spaltblende 3a), der zur Abbildung vorgesehenen Wellenlängen (steilster und flachster Lichtkegel) und der Ebene 5 der Fokuspunkte. Wird die vorbeschriebene Bedingung erfüllt, dann entmischt sich das Licht auf der Oberfläche P unabhängig von der konkreten Oberflächengeometrie. Die Entmischung findet aber nur an der Stelle statt, an der die Ebene 5 der Fokuslinien die Oberfläche P schneidet. (Diese Aussage gilt streng genommen lediglich für eine Spaltblende mit unendlich kleiner Spaltbreite vor der Beleuchtung; wird eine technisch sinnvolle Blende wie vorbeschrieben eingesetzt, so vermischt sich das Licht wieder geringfügig. Dies führt zu einem geringfügigen Fehler, der jedoch tolerabel ist bzw. herausgerechnet werden kann.)
3 skizziert eine Grundanordnung zur vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung mit dem in den 1 und 2 skizzierten Prinzip, die durch eine zur Fokuslinienebene 5 spiegelsymmetrische Anordnung der dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung 4 einerseits und der abbildenden optischen Anordnung 6 andererseits gekennzeichnet ist. Dabei (und ebenso bei den in 5 und 7 gezeigten konkreten Ausführungsbeispielen zur Erfindung) sind die einzelnen Elemente der optischen Anordnung 4 einerseits und die einzelnen Elemente der optischen Anordnung 6 andererseits beidseits der Ebene 5 jeweils paarweise spiegelsymmetrisch zu dieser Ebene angeordnet, ausgebildet und ausgerichtet, sofern nachfolgend nichts Anderes gesagt ist. In 3 (wie auch in den nachfolgenden Figuren) bezeichnen im Vergleich mit den 1 und 2 identische Bezugszeichen jeweils identische Bauelemente.
Wie bereits zu 1 und 2 beschrieben, ist die dispersive und fokussierende optische Anordnung 4 auf einer Seite (linker Halbraum 5a) der Symmetrieebene 5 so angeordnet und ausgerichtet, dass sämtliche zur Abbildung herangezogene Wellenlängen λ aus diesem Halbraum 5a auf die Ebene 5 einfallen, also die einfallenden Strahlen im Strahlengang 2 diese Ebene 5 lediglich genau einmal schneiden. Auf der dem Halbraum 5a gegenüberliegenden Seite der Ebene 5 ist nun die abbildende optische Anordnung 6 angeordnet und spiegelsymmetrisch zur Anordnung 4 so ausgebildet und ausgerichtet, dass die Fokuslinien l₁ bis L₄ im Strahlengang 2 durch diese abbildende Anordnung 6 fokussiert auf ein und dieselbe Linie, die Abtastlinie 7, abgebildet werden. Die Abtastlinie 7 ist in dem dem Halbraum 5a gegenüberliegenden Halbraum spiegelsymmetrisch (bezogen auf die Ebene 5) zur Spaltöffnung 3a positioniert, stellt also das hinsichtlich der einzelnen Wellenlängen λ überlagerte Abbild des Spaltes 3a dar. Am Ort der Abtastlinie 7 ist das Nachweiselement 8 in Form eines eindimensionalen, spiegelsymmetrisch (bezüglich der Ebene 5) zum Spalt 3a, also in y-Richtung, ausgerichteten RGB-Pixeldetektors angeordnet. Mit diesem Nachweiselement 8 lassen sich somit entlang der Fokuslinien bzw. in y-Richtung gesehen die variierenden z-Koordinaten einer in das Linienfeld l₁ bis l₄ eingebrachten Probe P (hier nicht gezeigt) ortsaufgelöst und wellenlängenaufgelöst detektieren.
Gemäß 3 fokussiert somit eine gespiegelte und baugleiche Optik die Ebene 5 der Fokuslinien auf einen RGB-Zeilensensor 8 am Ort der Abtastlinie 7. Alternativ dazu könnte jedoch auch ein ortsauflösendes Spektrometer als Nachweiselement 8 eingesetzt werden. Die Tatsache, dass eine Entmischung des Spektrums der Quelle 1 auf der Oberfläche P stattfindet hat mehrere Vorteile: Zum einen überlagern sich keine benachbarten Messpunkte (der Farbeindruck von monochromatischem Licht kann durch Oberflächenfarbe nicht verändert werden), so dass die vorgestellte Vorrichtung unabhängig von der Oberflächenfarbe der Probe P ist. Desweiteren kann die Wellenlänge λ von monochromatischem Licht in gewissen Grenzen durch den RGB-Sensor 8 bestimmt werden. Wenn somit mit einem solchen RGB-Sensor gearbeitet wird, so kann die Messgeschwindigkeit deutlich gegenüber einem Spektrometer gesteigert werden. Wie 3 zeigt, ist somit für die vorliegende Erfindung ein verkippter Aufbau der Beleuchtungs- bzw. Strahleneingangsseite einerseits und der Abbildungs- bzw. Strahlenausgangsseite andererseits charakteristisch.
Gemäß 4, die einen der 3 entsprechenden Aufbau in Aufsicht (also entgegen der z-Richtung) zeigt, muss auf der Strahlenausgangsseite, also als abbildende optische Anordnung 6 nicht unbedingt eine baugleiche Optik zur dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung 4 verwendet werden: Es kann sogar von Vorteil sein, wenn, wie in 4 gezeigt, zur optischen Abbildung eine Anordnung 6 verwendet wird, die mehr Licht einsammelt (in der räumlichen Dimension in Richtung Sensor, also der y-Richtung, sollte ja möglichst alles Licht ausgenutzt werden).
Auch ist es nicht unbedingt notwendig, dass, wie in den 1 bis 4 gezeigt, die Ebene 5 der Fokuslinien immer parallel zur Längsrichtung des Spaltes 3a und zur Längsrichtung des Zeilensensors 8 liegt. So könnte z. B. durch eine Scheimpfluganordnung ein Winkel zwischen dieser Ebene und diesen Geraden erreicht werden.
5 zeigt nun einen konkreten Aufbau zur Erfindung, bei der die beiden optischen Aufgaben der dispersiven und fokussierenden Anordnung 4, also das Aufspalten des Lichts wellenlängenabhängig in seine Bestandteile (dispersives Element) und das Fokussieren dieses aufgespaltenen Lichts auf die Fokuslinienfläche 5 (fokussierendes Element), durch eine einzige Baueinheit (reflektierendes, konkaves Gitter 10) gelöst ist. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen wieder identische Bauteile wie in den 1 bis 4.
Das polychromatische Licht 2 der Quelle 1 wird nach dem Spalt 3a zunächst (um einen kompakten Bauraum der gesamten Vorrichtung zu ermöglichen) auf einen ersten Spiegel 9a geführt, der den Strahlengang 2 auf ein reflektives, konkaves, holografisches Gitter 10a der Firma Edmund Optics Inc. lenkt. Der Spiegel 9a und das sowohl die dispersive als auch die fokussierende Funktion übernehmende Gitter 10a bilden somit die dispersive und fokussierende optische Anordnung 4 im Halbraum 5a links der (also auf der Strahleneingangsseite der) Fokuslinienebene 5.
Ebenso wie die optische Anordnung 4 weist auch die abbildende optische Anordnung 6 der Strahlenausgangsseite im rechts der Ebene 5 liegenden Halbraum zunächst ein reflektives, konkaves, holografisches Gitter 10b und, im Strahlengang danach, einen ebenen Spiegel 9b auf. Die beiden Spiegel 9a und 9b sind zur Ebene 5 spiegelsymmetrisch angeordnet und ausgerichtet sowie identisch ausgebildet. Entsprechendes gilt für die beiden Gitter 10a und 10b.
Die Fokuslinien l₁, l₂, ... der Ebene 5 werden somit vom Gitter 10b über den Spiegel 9b fokussiert auf die Abtastlinie 7 abgebildet. Der Strahlengang auf der Strahlenausgangsseite ist dabei spiegelsymmetrisch (zur Ebene 5) zum Strahlengang auf der Einfallsseite.
Wie 5 darüber hinaus zeigt, werden außerhalb der Schnittlinie zwischen der Ebene 5 und der Probenoberfläche P auf die Probenoberfläche P und von dort auf das Gitter 10b und den Spiegel 9b auftreffende Strahlen von der abbildenden optischen Anordnung 6 außerhalb der Abtastlinie 7 abgebildet. Bezogen auf die Ebene 5 spiegelsymmetrisch zum Einfallsebenenspalt 3a ist auf der Strahlenausgangsseite ein Abbildungsspalt 3b angeordnet (der identisch zum Spalte 3a ausgebildet ist), der den am Ort der Abtastlinie 7 positionierten Einzeilendetektor 8 noch zusätzlich gegen diese für den Nachweis unerwünschten Strahlanteile abschirmt. Dieser Spalt 3b ist jedoch nicht notwendig und kann demgemäß auch weggelassen werden. Eine zusätzliche Abbildungsoptik in Form z. B. eines Objektivs oder Ähnliches zur Abbildung des Ausgangsstrahlengangs auf das Nachweiselement 8 ist somit nicht notwendig.
Dass nur die fokussierten Wellenlängen (hier: Wellenlänge λ₂ bzw. Fokuslinie l₂) wieder auf das Nachweiselement 8 abgebildet werden, liegt an der Feldblende, also dem Bereich, den der Sensor 8 beobachtet. Licht außerhalb dieses Bereichs wird zwar auch abgebildet, trifft jedoch neben den Zeilendetektor 8. Licht trifft somit nur auf den Sensor 8, wenn der entsprechende Lichtstrahl durch seinen Fokuspunkt in der Fokusebene 5 hindurchgeht.
Im farbsensitiven Zeilensensor 8 erfolgt dann letztendlich eine Farbmessung: Jede auftreffende Wellenlänge erzeugt im entsprechenden Pixel entlang der y-Richtung einen anderen Farbeindruck (bei entlang der y-Richtung variierender Höhe z der Oberfläche P), der diese Wellenlänge und somit die lokale Höhe eindeutig identifiziert. In diesem Zusammenhang ist in der Regel eine einmalige Kalibrierung des Sensors 8 notwendig, um den Zusammenhang Wellenlänge/Farbe einerseits und zugeordnete Höhe der Probe P in z-Richtung andererseits zu bestimmen.
In einer alternativen Ausführungsform (hier nicht gezeigt) sind die beiden Gitter 10a und 10b so ausgeformt, dass die Fokuslinien l nicht auf einer Ebene, sondern auf einer Fokuslinienfläche in Form eines Sphärenabschnittes liegen. Die Konstruktion ergibt sich dabei mithilfe des sogenannten Rowlandkreises (vergleiche z. B. auch L. Candler, „Modern Interferometers”, Higler & Watt, London, 1951). Der Unterschied eines Aufbaus, der die Fokuspunkte, wie in 5 gezeigt, auf einer Ebene anordnet, sowie eines Aufbaus, der die Fokuspunkte auf einem Sphärenabschnitt anordnet, liegt lediglich in der Form des Spiegels, auf den das Gitterelement des reflektiven, konkaven Gitters 10a, 10b aufgebracht ist. (Ist dieser Spiegel in der Lage, die Fokuslinien in einer Ebene abzubilden, so wird von einem aberrationskorrigierten Spiegel gesprochen.)
Das entsprechende Gitter muss dabei für das Spektrum der Lichtquelle 1 berechnet sein. Dementsprechend lassen sich als Lichtquelle 1 selbstverständlich nicht nur im sichtbaren Bereich (ca. 350–750 nm) emittierende Lichtquellen einsetzen, sondern z. B. auch im UV-Bereich oder im IR-Bereich emittierende.
6 zeigt ein zweites konkretes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das grundsätzlich wie das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel realisiert ist, so dass nachfolgend lediglich die Unterschiede beschrieben werden.
Die Strahleneingangsseite der in 6 gezeigten Variante, also die Elemente 1, 3a, 9a und 10a im einfallenden Strahlengang, ist/sind identisch wie beim in 5 gezeigten Fall ausgebildet, ausgerichtet und angeordnet, so dass sich die Unterschiede lediglich auf die Strahlenausgangsseite, also auf die abbildende optische Anordnung 6 und das Nachweiselement 8 beziehen.
Anstelle einer symmetrischen Positionierung der abbildenden optischen Anordnung ist die optische Anordnung 6, die hier aus einem einfachen Kameraobjektiv einer RGB-Kamera besteht, hier ebenso wie die als Nachweiselement 8 dienende einzelne Zeile der RGB-Kamera in der Fokuslinienebene 5 angeordnet. 6 und 8 sind im Kameragehäuse 13 ausgebildet. Die Blickrichtung der Kamera 6, 8 geht in der Ebene 5 in -z-Richtung, also von oben auf die einzelnen Fokuslinien l. Entsprechend der Brennweite der als Kameraobjektiv ausgebildeten optischen Anordnung 6 wird somit das Feld der einzelnen Fokuslinien l₁, l₂, ... zumindest abschnittsweise scharf auf eine einzelne, in der Ebene 5 und parallel zur y-Richtung liegende RGB-Zeile 8 als Nachweiselement abgebildet.
Die gezeigte Variante hat den Vorteil eines einfacheren Aufbaus als die in 5 gezeigte Variante der Erfindung, da sie die Fokuslinienebene bzw. die nun farbig erscheinende Oberfläche der Probe P lediglich mit einer handelsüblichen Zeilenkamera betrachtet. (Außerhalb der Schnittlinie zwischen Probenoberfläche P und Ebene 5 liegende Bereiche werden durch die abbildende optische Anordnung 6 auf andere, nicht zur Auswertung herangezogene, nicht in der Ebene 5 liegende einzelne Zeilen der Zeilenkamera abgebildet.) Voraussetzung für den gezeigten Aufbau ist, dass der Tiefenschärfebereich der verwendeten Kamera samt Objektiv ausreicht, um den gesamten erwünschten Messbereich, also einen ausreichenden Abschnitt der Ebene 5 in z-Richtung gesehen, scharf abzubilden. Entsprechende Einschränkungen sind beim in 5 gezeigten Aufbau nicht gegeben: Die Tiefenschärfe-Problematik tritt bei dem in 5 gezeigten konfokalen System nicht auf, da nur fokussierte Strahlengänge betrachtet werden. Zudem hat die in 5 gezeigte Variante den Vorteil, dass sie bei beliebigen, insbesondere also auch bei spiegelnden Oberflächen der Probe P zuverlässig funktioniert (wohingegen bei der in 6 gezeigten Variante eine diffuse Lichtabstrahlung in z-Richtung notwendig ist, was in der Regel bei spiegelnd reflektierten Flächen P nicht möglich ist).
7 zeigt eine Anordnung, die grundsätzlich mit der in 3 gezeigten Anordnung identisch ist, so dass nachfolgend lediglich die Unterschiede beschrieben werden.
7 zeigt eine weitere konkrete Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die dispersive und fokussierende optische Anordnung 4 mehrere einzelne optische Elemente aufweist (die Dispersions- und die Fokussierfunktion also getrennt sind). Entsprechendes gilt dann für die symmetrisch zur Fokuslinienebene 5 ausgebildete, optische Anordnung 6.
Im Strahlengang 2 der Lichtquelle 1 nach der Spaltblende 3a der Einfallsseite weist die dispersive und fokussierende Anordnung 4 zunächst eine erste Sammellinse 12a' auf, durch die das polychromatische Licht 1 nach der Spaltblende 3a nach Unendlich abgebildet wird. Dieses parallele Licht trifft im Strahlengang 2 nach der Sammellinse 12a' auf ein dispersives optisches Element 11a, das hier als Transmissionsgitter ausgebildet ist und dass das Licht in seine spektralen Anteile zerlegt (gezeigt an den Wellenlängen λ₁ bis λ₃, die den in der 3 gezeigten Wellenlängen entsprechen). Alternativ zu dem Transmissionsgitter kann jedoch auch ein Prisma eingesetzt werden, insbesondere ein Geradsichtprisma (auch Dispersionsprisma genannt).
Jede Wellenlänge λ₁ bis λ₃ verlässt das Transmissionsgitter 11a somit unter einem anderen Winkel und trifft auf eine zweite Sammellinse 12a'' der Anordnung 4. Diese zweite Sammellinse 12a'' der Anordnung 4 fokussiert das Licht der unterschiedlichen Wellenlängen λ (welches jeweils für die einzelnen Wellenlängen λ₁ bis λ₃ parallel ist, jedoch jeweils unter einem anderen Winkel auf die Sammellinse 12a'' auftrifft) auf eine virtuelle Ebene E1a. Auf dieser Ebene E1a entsteht für jede Wellenlänge ein scharfes Zwischenbild des Spaltes 3a. Diese Ebene E1a wird als Schärfeebene einer Scheimpfluganordnung verwendet. Die Fokuslinienebene 5 bildet die Bildebene dieser dem Fachmann bekannten Scheimpfluganordnung und in der Objektivhauptebene der Scheimpfluganordnung ist eine weitere, dritte Sammellinse 12a''' der Anordnung 4 positioniert (diese Ebene ist durch das Bezugszeichen E2a gekennzeichnet). Mit anderen Worten bilden die Ebenen E1a, E2a und 5, die sich in der gemeinsamen Schnittgeraden P_S schneiden (in der also die Scheimpflugbedingung erfüllt ist) die drei Ebenen, für die die Scheimpflugbedingung erfüllt ist. Mit der Scheimpflugbedingung werden somit die scharfen Zwischenbilder des Spaltes (also die Fokuslinien des Spaltes) auf der Ebene E1a auf die Fokuslinienebene 5 abgebildet. Dazu wird die Scheimpflugbedingung in der Geraden P_S erfüllt, d. h. die Zwischenbildebene E1a wird optisch scharf durch die Sammellinse 12a''' in der Ebene E2a auf die Fokuslinienebene 5 abgebildet. Bei dieser dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung bilden somit die drei Linsen 12a' bis 12a''' ein fokussierendes System 12a, das getrennt von dem Transmissionsgitter 11a als dispersives Element der Anordnung 4 ausgebildet ist.
Bezogen auf die Fokuslinienebene 5 spiegelsymmetrisch zur dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung 4, jedoch in dem dem Halbraum 5a dieser Anordnung gegenüberliegendem Halbraum der Ebene 5 ist auch der fokussierende Teil der abbildenden optischen Anordnung 6 in Scheimpfluganordnung ausgebildet: Die entlang der z-Richtung in der Fokuslinienebene 5 getrennten Fokuslinien l₁, l₂, ... werden über die spiegelsymmetrisch zur Linse 12a''' in der Objektivhauptebene E2b angeordnete Sammellinse 12b''' scharf auf die Zwischenbildebene E1b abgebildet, die die Bildebene der Scheimpfluganordnung der abbildenden optischen Anordnung 6 ausbildet (die Schärfeebene der Scheimpfluganordnung auf der Seite der abbildenden optischen Anordnung 6 ist die Fokuslinienebene 5). Die Fokuslinienebene 5, die Ebene E2b und die Ebene E1b schneiden sich somit ebenfalls in der die Schnittgeraden dieser Scheimpfluganordnung bildenden Geraden P_S. Die Zwischenbilder der Ebene E1b werden dann über die Sammellinse 12b'', die bezogen auf die Ebene 5 spiegelsymmetrisch zur Linse 12a'' angeordnet ist, auf das optische Transmissionsgitter 11b der Anordnung 6 (die bezogen auf die Ebene 5 spiegelsymmetrisch zum Transmissionsgitter 11a angeordnet ist) abgebildet, durch das Transmissionsgitter 11b zu einem gemeinsamen parallelen Strahlengang vereinigt und durch die (bezogen auf die Ebene 5) spiegelsymmetrisch zur Linse 12a' angeordnete weitere Sammellinse 12b' der Anordnung 6 auf die im abbildungsseitigen Spalt 3b, der bezogen auf die Ebene 5 spiegelsymmetrisch zum Spalt 3a angeordnet ist, liegende Abtastlinie 7 fokussiert.
Somit übernimmt der symmetrische, optische Aufbau 6 die abbildende Funktion auf das Nachweiselement 8. Die Funktionen „fokussieren” und „Dispersion” müssen also nicht zwingend von ein und demselben optischen Element gelöst werden (auf der Abbildungsseite bildet das Element 11b das dispersive Element der Anordnung 6 und die drei Linsen 12b' bis 12b''' bilden das fokussierende System 12b).
8 zeigt nicht die vorliegende Erfindung, sondern eine alternative Vorgehensweise: Ist die Oberflächenfarbe der Probe P bekannt oder wird diese separat gemessen, so muss die Beleuchtung durch die Quelle 1 nicht zwingend monochromatisch entmischt werden. Es können drei Leuchtquellen in z. B. Blau, Rot und Grün (Leuchtquellen λ₁–LQ, ...) über eine Linse in Scheimpflug-Anordnung (verkippte Linse 4') abgebildet werden. Es kann somit ein Regenbogenmuster projiziert werden, in dem beispielsweise ein RGB-Projektor benutzt wird. Die Farben werden seitlich unter einem Winkel projiziert, so dass die Farbe eine spezielle Höhe codiert. Alternativ dazu kann kein RGB-Projektor verwendet werden, sondern ein Prisma, in Kombination mit Weißlicht. Die eigentliche Beleuchtungsebene ist dabei definiert unscharf, so dass sich die einzelnen Wellenlängen in der Ebene 5', die durch die abbildende optische Anordnung 6' mit dem Nachweiselement 8' in dieser Ebene 5' sitzend betrachtet wird, vermischen. Diese Vermischung hat zur Folge, dass ein Regenbogenmuster entsteht. Somit kann wieder ein Zusammenhang gefunden werden zwischen Höhe in z-Richtung und gemessener Farbe. Der Nachteil wenn kein monochromatisches Licht bzw. keine monochromatische Entmischung verwendet wird ist, dass die Oberflächenfarbe der Probe P das Ergebnis verfälscht. Somit muss die Oberflächenfarbe extra gemessen werden oder es dürfen nur einfarbige Oberflächen vermessen werden.
Ein weiterer Nachteil der in 8 gezeigten Anordnung ist, dass der Farbeindruck von der Oberflächenneigung abhängig ist, da sich die vermischenden Farben jeweils unter einem Winkel vermischen. So trifft zum Beispiel die Farbe Blau mit einem anderen Winkel ein als die Farbe Rot. Je nach diffuser Abstrahlcharakteristik (über den Winkel) der Oberfläche wird (mal mehr, mal weniger) Rot im Vergleich zu Blau zurückreflektiert und somit ändert sich der gemessene Farbeindruck. Am stärksten wird dieser Effekt sichtbar, wenn eine spiegelnde Oberfläche vermessen werden würde: Angenommen, für das blaue Licht würde gerade die Bedingung Einfallswinkel = Ausfallswinkel gelten, so würde dies für das rote Licht nicht gelten und es würde nur blaues Licht auf den RGB-Sensor treffen. Das in 8 gezeigte Messverfahren versagt somit bei spiegelnden Oberflächen.
Die vorliegende Erfindung (1 bis 5 und 7) kann für beliebige spiegelnde und nicht spiegelnde Objekte zu deren Oberflächenvermessung eingesetzt werden. Lediglich bei zu dunklen Objekten, welche zu wenig Licht reflektieren, kann die Erfindung nicht eingesetzt werden. Durch die zu erwartenden hohen Geschwindigkeiten sind auch Inline-Prozesse von Interesse, die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit insbesondere auch in Form einer Arbeitsstation bei komplexen Prozessabläufen eingesetzt werden. Besonders bei spiegelnden Oberflächen, zum Beispiel lackierten Oberflächen, hat die Erfindung große Vorteile hinsichtlich einer schnellen und flexiblen Vermessung. Eine konkrete Anwendung ist beispielsweise die Leiterbahnen- oder Leiterplatineninspektion.

Claims

Vorrichtung zum optischen Bestimmen der Oberflächengeometrie einer dreidimensionalen Probe (P) mit einer polychromatischen Lichtquelle (1), einer im Strahlengang (2) der Lichtquelle (1) angeordneten Spaltblende (3a), einer in diesem Strahlengang (2) nach der Spaltblende (3a) angeordneten, dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung (4), die so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass sie das Abbild der Spaltblende (3a) für unterschiedliche Wellenlängen (λ₁, ..., λ_n) im Spektrum der Lichtquelle (1) auf unterschiedliche, auf einer vordefinierten Fläche (Fokuslinienfläche 5) im Raum (x, y, z) voneinander beabstandet liegende Linien (Fokuslinien l₁, ..., l_n) fokussiert, und einer abbildenden optischen Anordnung (6), die zumindest Abschnitte der Fokuslinienfläche (5) und/oder mehrere, bevorzugt alle der Fokuslinien (l₁, ..., l_n) auf ein und dieselbe, von einem ortsauflösenden und wellenlängenauflösenden Nachweiselement (8) abtastbare oder abgetastete Linie (Abtastlinie 7) im Raum (x, y, z) fokussiert, wobei die Probe (P) so im Raum (x, y, z) positionierbar ist oder positioniert ist, dass sie die Fokuslinienfläche (5) schneidet, dadurch gekennzeichnet, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung (4) so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass das Abbild der Spaltblende (3a) für mehrere, insbesondere für alle der unterschiedlichen Wellenlängen (λ₁, ..., λ_n) im Spektrum der Lichtquelle (1) von ein und derselben Seite (5a) der Fokuslinienfläche (5) aus auf diese Fokuslinienfläche (5) fokussiert wird.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung (4) auch so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass für diese mehreren, insbesondere für alle diese unterschiedlichen Wellenlängen (λ₁, ..., λ_n) der Strahlengang (2) nach der jeweiligen Fokuslinie (l₁, ..., l_n) die Fokuslinienfläche (5) nicht mehr schneidet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung (4) so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass sie das Abbild der Spaltblende (3a) für die unterschiedlichen Wellenlängen (λ₁, ..., λ_n) im Spektrum der Lichtquelle (1) auf unterschiedliche, auf einer vordefinierten Ebene im Raum (x, y, z) voneinander beabstandet liegende Fokuslinien (l₁, ..., l_n) fokussiert, dass also die Fokuslinienfläche (5) eine Fokuslinienebene ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung (4) einerseits und die abbildende optische Anordnung (6) andererseits, oder zumindest jeweils einzelne optische Elemente (9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b, 12a, 12b) dieser beiden optischen Anordnungen (4, 6), relativ zur Fokuslinienfläche (5) gesehen symmetrisch angeordnet, ausgerichtet und/oder ausgebildet sind, bevorzugt zu einer Fokuslinienebene spiegelsymmetrisch angeordnet, ausgerichtet und/oder ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die abbildende optische Anordnung (6) eine in Bezug auf die Spaltblende (3a) gesehen symmetrisch zur Fokuslinienfläche (5), bevorzugt spiegelsymmetrisch zu einer Fokuslinienebene, angeordnete weitere Spaltblende (3b) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung (4) ein gleichzeitig als dispersives und als fokussierendes Element wirkendes reflektierendes, konkaves Gitter (10a) aufweist und/oder dass die abbildende optische Anordnung (6) ein gleichzeitig als dispersives und als fokussierendes Element wirkendes reflektierendes, konkaves Gitter (10b) aufweist, wobei im bevorzugten Fall des Vorhandenseins beider Gitter (10a, 10b) diese bevorzugt symmetrisch zur Fokuslinienfläche (5), bevorzugt spiegelsymmetrisch zu einer Fokuslinienebene, angeordnet und ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die bevorzugt ein Objektiv umfassende oder als ein solches Objektiv ausgebildete abbildende optische Anordnung (6) die Abschnitte der Fokuslinienfläche (5)/die Fokuslinienfläche (5) und/oder die mehreren/alle Fokuslinien (l₁, ..., l_n) auf eine auf der Fokuslinienfläche (5), bevorzugt auf einer Fokuslinienebene, liegende Abtastlinie (7) fokussiert, wobei am Ort der Abtastlinie (7) bevorzugt ein Zeilensensor oder eine Zeile eines Flächensensors als Nachweiselement (8) positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung (4) ein dispersives Element (11a), bevorzugt ein Transmissionsgitter oder ein Prisma, bevorzugt ein Geradsichtprisma, und im Strahlengang (2) hinter dem dispersiven Element (11a) ein mindestens eine Sammellinse (12a', 12a'', 12a''') umfassendes fokussierendes System (12a), insbesondere ein Linsensystem in Scheimpfluganordnung, aufweist und/oder dass die abbildende optische Anordnung (6) ein dispersives Element (11b), bevorzugt ein Transmissionsgitter oder ein Prisma, bevorzugt ein Geradsichtprisma, und im Strahlengang (2) hinter dem dispersiven Element (11b) ein mindestens eine Sammellinse (12b', 12b'', 12b''') umfassendes fokussierendes System (12b), insbesondere ein Linsensystem in Scheimpfluganordnung, aufweist, wobei die beiden optischen Anordnungen (4, 6) bevorzugt gemäß Anspruch 4 ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung (4) als Linsensystem mit wellenlängenabhängigem Brechungsindex ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das orts- und wellenlängenauflösende Nachweiselement (8) • einen Zeilensensor aufweist, der am Ort der Abtastlinie (7) positioniert ist oder der im Strahlengang (2) gesehen unmittelbar hinter einer an diesem Ort positionierten weiteren Spaltblende (3b) der abbildenden optischen Anordnung (6) angeordnet ist, • einen Flächensensor aufweist, wobei eine Sensorzeile dieses Flächensensors am Ort der Abtastlinie (7) positioniert ist oder im Strahlengang (2) gesehen unmittelbar hinter einer an diesem Ort positionierten weiteren Spaltblende (3b) der abbildenden optischen Anordnung (6) angeordnet ist, oder • ein bevorzugt im Strahlengang (2) gesehen hinter einer am Ort der Abtastlinie (7) positionierten weiteren Spaltblende (3b) angeordnetes Spektrometer aufweist, mit dem die Abtastlinie (7) ortsaufgelöst abtastbar ist, und/oder dass das orts- und wellenlängenauflösende Nachweiselement (8) einen Zeilensensor in Form eines eindimensionalen Zeilenarrays oder einen Flächensensor in Form eines zweidimensionalen Flächenarrays aus die unterschiedlichen Wellenlängen (λ₁, ..., λ_n) unterscheidenden Pixeln, insbesondere RGB-Kamerapixeln, umfasst.
Anordnung umfassend eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Antriebseinheit zum Realisieren einer Relativbewegung zwischen der Probe (P) einerseits und der Vorrichtung, insbesondere ihrer Fokuslinienfläche (5), andererseits.
Verfahren zum optischen Bestimmen der Oberflächengeometrie einer dreidimensionalen Probe (P), das bevorzugt mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird, wobei im Strahlengang (2) einer polychromatischen Lichtquelle (1) eine Spaltblende (3a) angeordnet wird, wobei im Strahlengang (2) nach der Spaltblende (3a) eine dispersive und fokussierende optischen Anordnung (4) positioniert wird, die so ausgebildet und/oder angeordnet wird, dass sie das Abbild der Spaltblende (3a) für unterschiedliche Wellenlängen (λ₁, ..., λ_n) im Spektrum der Lichtquelle (1) auf unterschiedliche, auf einer vordefinierten Fläche (Fokuslinienfläche 5) im Raum (x, y, z) voneinander beabstandet liegende Linien (Fokuslinien l_l, ..., l_n) fokussiert, wobei im Strahlengang (2) nach der dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung (4) eine abbildende optische Anordnung (6) so positioniert wird, dass diese zumindest Abschnitte der Fokuslinienfläche (5) und/oder mehrere, bevorzugt alle der Fokuslinien (l₁, ..., l_n) auf ein und dieselbe, von einem ortsauflösenden und wellenlängenauflösenden Nachweiselement (8) abgetastete oder abzutastende Linie (Abtastlinie 7) im Raum (x, y, z) fokussiert, und wobei die Probe (P) so im Raum (x, y, z) positioniert wird, dass zumindest ein Abschnitt der Probenoberfläche die Fokuslinienfläche (5) schneidet, dadurch gekennzeichnet, dass die dispersive und fokussierende optische Anordnung (4) so ausgebildet und/oder angeordnet wird, dass das Abbild der Spaltblende (3a) für mehrere, insbesondere für alle der unterschiedlichen Wellenlängen (λ₁, ..., λ_n) im Spektrum der Lichtquelle (1) von ein und derselben Seite (5a) der Fokuslinienfläche (5) aus auf diese Fokuslinienfläche (5) fokussiert wird.