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WO2013064395A1 - Vorrichtung zum optischen bestimmen der oberflächengeometrie einer dreidimensionalen probe - Google Patents

Vorrichtung zum optischen bestimmen der oberflächengeometrie einer dreidimensionalen probe Download PDF

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Publication number
WO2013064395A1
WO2013064395A1 PCT/EP2012/070965 EP2012070965W WO2013064395A1 WO 2013064395 A1 WO2013064395 A1 WO 2013064395A1 EP 2012070965 W EP2012070965 W EP 2012070965W WO 2013064395 A1 WO2013064395 A1 WO 2013064395A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
line
focus
dispersive
optical arrangement
plane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2012/070965
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Miro Taphanel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Karlsruher Institut fuer Technologie KIT, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Publication of WO2013064395A1 publication Critical patent/WO2013064395A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2210/00—Aspects not specifically covered by any group under G01B, e.g. of wheel alignment, caliper-like sensors
    • G01B2210/50—Using chromatic effects to achieve wavelength-dependent depth resolution

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for optically determining the surface geometry of a three-dimensional sample, which is also referred to below as a confocal chromatic line triangulation sensor.
  • Confocal systems, confocal chromatic systems and also triangulation sensors for optical 3D surface measurement are already known from the prior art. See, for example, DIN EN ISO 25178-602: 2011-01.
  • the corresponding confocal sensors usually have a punctiform measuring spot. If the three-dimensional structure of a surface of an object or a sample is to be detected, then the surface can be traced out in a grid pattern. Two principles have prevailed here.
  • a dispersive element focuses the light at different levels depending on the wavelength. Reflected light, which is focused on the surface, has a significantly higher intensity than light that is not focused (see also the aforementioned standard) .A spectrometer then identifies the wavelength with the highest intensity Distance surface
  • a point sensor does not allow an efficient detection of a surface, as a meandering Ab ⁇ drive the entire surface with a lot of time is necessary.
  • the illumination of the individual measuring points is additionally superimposed.
  • the intensity of the focused wavelength is less pronounced than the superimposed wavelengths.
  • the measuring points must therefore not be too close to each other, so they must each have a distance from each other, so that the intensity of the laterally superimposed light is not too strong. See here e.g. the product
  • the object of the present invention is therefore to provide a device for optically determining the surface geometry of a three-dimensional sample, with the three-dimensional
  • the present invention enables an optical contactless measurement of the three-dimensional surface geometry of a sample or an object, wherein the surface is detected line by line.
  • a plurality of individual measurement points in a row next to one another are simultaneously available for scanning, so that a certain width, that is to say an entire line, can be detected with one measurement process at a time. Moving the scanned object (or device relative to this object) then allows scanning of the next line.
  • the present invention thus extends the idea of a confocal chromatic sensor known per se to the effect that not only one measuring point at a time is available, but at this time an entire line (ie a one-dimensional line) with measuring points lying close to each other at the same time can be evaluated.
  • the present invention initially starts from the confocal chromatic point sensor known per se, in which a polychromatic point source (light source together with a punctiform aperture arranged behind it) is split chromatically by a lens so that different focus points result on the optical axis. If a surface is held in this chromatically split light cone, the result is that exactly one wavelength is focused exactly on this point and all other wavelengths are focused either in front of or behind it. Although all monochromatic wavelengths are superimposed on the surface of the measurement spot (measurement spot), the intensity of the focused wavelength is significantly higher, but due to the superimposition, a spectrometer is required that can measure the wavelength of the intensity maximum.
  • a device for optically determining the surface geometry of a three-dimensional sample now has: a polychromatic light source, a slit diaphragm arranged in the beam path of this light source, a dispersive and focusing optical arrangement arranged in the beam path after the slit diaphragm and designed and / or arranged in this way is that they are the image of the slit diaphragm for different wavelengths in the spectrum of Light source focused on different, on a predefined surface (hereinafter also referred to as focus line area) in the spatial space ⁇ hereinafter also by the world coordinate system with the three faxsi- see coordinates x, y and z) spaced lines (hereinafter also referred to as focus lines), and an imaging optical arrangement.
  • a predefined surface hereinafter also referred to as focus line area
  • focus lines spaced lines
  • the two func ⁇ NEN the dispersion and the focusing can be realized with a single optical element.
  • a plurality of optical elements for example a first element for the dispersion and a second element for the focusing.
  • the imaging optical arrangement forms sections of the focal line area (preferably: the entire focus line area on which the individual wavelengths of the polychromatic spectrum of the light source come to rest) and / or at least several, but preferably all, of the focus lines on one and the same line that follow also referred to as a scan line, focused in space from.
  • the scanning line can then be scanned by a spatially resolving and wavelength-resolving detection element (for example, a line detector comprising individual RGB pixels), ie optically detected.
  • the sample is positioned in space (or inserted into the field of the focus lines) in such a way that the sample (or at least a surface portion of it) intersects the focal line area.
  • a spatially resolving and wavelength-resolving detection element is understood to mean a detector having different wavelengths in the spectrum can detect the polychromatic light source separately from each other, so the wavelength of each incident on the individual detector pixels light can determine.
  • it may be an RGB line sensor.
  • the dispersive and focusing optical arrangement is designed and / or arranged such that the image of the slit diaphragm for several (preferably: all) wavelengths in the spectrum of the light source from one and the same side of the focus line surface on exactly this focal line area
  • the predetermined focus line surface in the preferred case is a plane (focus line plane)
  • all optical elements of the device according to the invention lying on the radiation incident side ie the light source, the slit diaphragm and the dispersive and focusing optical arrangement
  • the dispersive and focusing optical arrangement then focused from this half space, the individual focus lines spaced apart on the focus line plane .
  • the imaging optical arrangement and the detection element are then preferably on the other side of the focal line plane, that is arranged in the other half-space.
  • the dispersive and focusing optical arrangement adapted and / or arranged such that the focus line surface is not more cuts for the different wavelengths, the beam path after the jeweili ⁇ gen focus line. In the device according to the invention then cuts for each wavelength of the spectrum of the polychromatic light source the beam path the predetermined focus line area exactly once.
  • the optical axis of the incident beam path is preferably a finite angle of eg greater than 10 °, preferably greater than 20 °, preferably 30 ° inclined with respect to the focal line plane (the focus lines are thus not formed on the optical axis, but in a tilted plane).
  • the dispersive and focusing optical arrangement is thus formed and / or arranged such that the
  • Slit diaphragm for the different wavelengths on a predefined plane in space, the focus line plane, is shown focused.
  • the (optionally a plurality of individual optical elemen ⁇ te comprehensive) dispersive and focusing optical arrangement of a hand, and the imaging optical arrangement, on the other hand (or at least each individual of the respective assembly-forming optical ele- ments) can be realized symmetrically seen relative to the focus line surface.
  • the focus line surface has a focus line plane, this means that the dispersive and focusing optical array on one side of this plane and the imaging optical see arrangement on the other side of this plane seen ⁇ as in respect to this plane arranged mirror-symmetrical to each other and / or are aligned.
  • the beam output side ⁇ eg half-space of the image Denden optical arrangement have a preferably arranged directly in front of the detection element slit. This can, viewed in relation to the focal line area, be arranged symmetrically (in the case of a focal line plane: mirror-symmetrical with respect to this plane) to the slit diaphragm of the polychromatic light source.
  • the gap width of the two slit diaphragms is preferably in the range between 10 ⁇ m and 300 ⁇ m.
  • the dispersive and focusing optical arrangement as the essential optical imaging element on a simultaneously acting as a dispersive and as a focusing element reflective concave grid.
  • the imaging optical arrangement may have a reflective, concave grid acting simultaneously as a dispersive and a focusing element.
  • the two gratings are preferably arranged mirror-symmetrically to the focus line plane and aligned.
  • Such reflective concave gratings which act simultaneously as the primary dispersive element and as the primary focusing element, are known to those skilled in the art (see, for example, the so-called reflective concave blazed holographic gratings of Edmund Optics Inc. , 101 East Gloucester Pike, Barrington, NJ 08007-1380 USA).
  • the imaging optical arrangement then preferably comprises a lens (camera lens) and can be used as a simple line scan. mera (or area camera, in which only a single line is exploited) be formed.
  • the objective then forms the focus line surface and / or the focus lines focused on a scan line lying in the focus line surface itself.
  • the imaging optical arrangement in which the scanning line on the side of the imaging optical arrangement, e.g. is positioned in the corresponding half-space laterally of the focus line plane, the imaging optical arrangement can thus be positioned, formed and aligned so that it focuses a focused directly on the focus line surface scan line.
  • the imaging optical arrangement as well as the detection element are preferably also positioned in the focal line plane for this purpose.
  • the dispersive and focusing optical arrangement may be formed in multiple parts from ⁇ , ie it may be a dispersive element
  • the dispersive element of the dispersive and focusing optical arrangement is preferably a transmission grating or a prism (preferably a straight-line prism).
  • the focusing part of the dispersive and focusing optical arrangement may be a focusing system comprising a plurality of lenses in one
  • a dispersive element or a dispersive device
  • a focusing optical system which may preferably also be designed in Scheimpflug arrangement
  • dispersive and focusing arrangement conceivable, provided that they meet the prescribed function to focus terraced illustration of different focal lines ⁇ surface.
  • dispersive and focusing optical arrangement it is conceivable to form the dispersive and focusing optical arrangement as a lens system with wavelength-dependent refractive index.
  • a dispersive (that is, the refractive index changes with wavelength) and / or a diffractive (that is, the light is diffracted differently for different wavelengths) element e.g. as the chromatic aberration ausnutzendes grid and / or prism can be formed, be arranged.
  • This element (s) must then satisfy the above-mentioned condition of the focal line area, wherein a suitable imaging optics can be added for realizing the desired beam path, preferably incident from a single side on the focal line area.
  • the location and wavelength-resolution detection element in the beam path of the imaging optical arrangement may comprise a line sensor. This can be positioned at the point of scan line or seen in the beam path directly behind one of the abtrucken- at the site of Abtastli ⁇ never positioned further slit diaphragm be arranged the optical arrangement.
  • the detection element can have an area sensor.
  • a sensor line of this surface sensor is positioned at the location of the scanning line or, viewed in the beam path, arranged immediately behind a further slit diaphragm of the imaging optical arrangement positioned at this location.
  • the detection element may be, for example, a line sensor in the form of a one-dimensional line array or even an area sensor in the form of a two-dimensional area array of pixels which can detect, separate and detect the different wavelengths of the focus lines.
  • a line sensor in the form of a one-dimensional line array or even an area sensor in the form of a two-dimensional area array of pixels which can detect, separate and detect the different wavelengths of the focus lines.
  • RGB cameras with corresponding pixels can be used for this purpose. It is exploited that monochromatic light can produce a color impression on an RGB sensor. By means of a calibration can be deduced from this color impression on a wavelength.
  • the device To scan the cutting line of the surface of the sample, either the sample relative to the device or vice versa, the device must be moved relative to the sample.
  • an arrangement is provided according to the invention comprising a device according to one of the preceding claims and a drive unit for realizing this relative movement.
  • the sample with a space x, y, z sliding sample holder through the
  • Focus line surface of the device immovably moved in the space x, y, z.
  • a sample holder fixed in space, fixing the sample, and to position the device on a displacement table which is movable relative to the sample or to the sample holder.
  • the device or the focus area realized by them in the space can be moved relative to the sample.
  • Figure 2 is a sketch for the incidence of
  • FIG. 3 shows a basic embodiment of the present invention with an imaging optical arrangement designed mirror-symmetrically to the dispersive and focusing optical arrangement.
  • FIG. 4 shows a plan view of an arrangement according to FIG. 3.
  • Figure 5 shows a first concrete embodiment of the construction of a device according to the invention with a symmetry between the dispersive and focusing optical arrangement on the one hand and the imaging optical arrangement on the other.
  • a second concrete embodiment of the present invention with a non-symmetrical structure.
  • a third concrete Auscul ⁇ tion example with a separate from a dispersive element formed focusing system in both the dispersive and focusing optical arrangement and in the imaging optical arrangement. a non-inventive, alternative approach.
  • FIG. 1 a shows a sketch of a basic structure (without the imaging optical arrangement 6, cf. FIG. 3) for carrying out the invention in the Cartesian spatial space x, y, z.
  • a gap Aperture 3a (gap width between 10 and 300 ⁇ m) is arranged in the beam path 2 of the light source 1 behind the slit diaphragm 3a, which is designed and arranged such that it images the slit diaphragm 3a for the different wavelengths in the visible emission spectrum of the polychromatic light source 1, each focused on different, on a predefined surface, which is here a plane (focus line plane 5 parallel to the yz plane), spaced lines, the focus lines Discretely spaced apart individual wavelengths in the spectrum of the light source
  • All focal lines Ii 1 to 4 are parallel to the cleavage direction 3a in the y direction.
  • detector e.g. in the form of a sensor with a pixel line aligned parallel to the y-direction, which can distinguish the individual wavelengths or colors of the visible light of the source 1 from one another, it is possible to obtain color information obtainable by means of this sensor for the above-described y-coordinate
  • the entire object surface P can be scanned step by step or line by line.
  • Components such as sliding tables, ekthalter, ... to realize the corresponding relative movement are known in the art.
  • FIGS. 1a and 1b With the structure of the present invention outlined in FIGS. 1a and 1b, the following advantages can be achieved in comparison with the prior art:
  • a simple single-line pixel detector from, for example, RGB camera pixels can be used as the detector or detection element.
  • a significant increase in the measurement speed can be achieved, since by using such as an RGB camera no more spectrometer must be used.
  • fewer and less expensive components are needed to perform the 3D surface scan. Since all of the optical imaging elements used (compare, in particular, also below, FIGS.
  • the chromatically split light 2 in the focal point or in the focus lines 1 is unmixed, there is a fo kissed light spot on a surface of monochromatic light.
  • the color impression of monochromatic light can not be changed by the surface color of the sample P.
  • a spectrometer can be dispensed with and the color impression of an RGB camera can be used to directly deduce the wavelength and thus the height information.
  • the device according to the invention is also not designed to be telecentric.
  • the telecentric constructions inherent disadvantages that less
  • a one-dimensional slit 2 is preset.
  • the slit diaphragm is imaged wavelength-dependent by the dispersive and focusing optical arrangement 4.
  • the optical arrangement 4 is so pronounced that the focus lines 1 are located one above the other in a focal line plane 5 in the z-direction.
  • the demixing is achieved by organizing the focal lines of the individual wavelengths in one plane and the light 2 of the illumination 1 (relative to the optical axis of light source 1, slit 3a and optical arrangement 4) is incident on the plane 5 only from one side.
  • This tilt angle is thus chosen so that all light rays incident on the side of the plane 5 of the focus lines 1.
  • Such a tilting has the consequence that in the presence of a surface of a
  • Probe P demixing of the polychromatic light takes place in the plane 5 of the focus lines.
  • the focus points are organized in one plane.
  • imaging optical Anord ⁇ voltage must 6 are formed and arranged to image the focus points, or so-lines on the detection element, that only the sharply on the line of intersection between the object upper Smile Friend and the predefined focus line surface, that is Focused imaged wavelength is sharply imaged on the detection element (whereas all non-focused on the corresponding cutting line incident wavelengths then just not be allowed to focus on the detection element).
  • the focal points or lines 1 of the different wavelengths ⁇ , the linienflä ⁇ che 5 form in a predefined geometric shape, then it must for these focal lines - or interface apply that any possible, emanating from the source 1 illumination beam in the beam path 2 from the same side (ie, for example, in Figure la from left to the focal plane 5 lying half space) from this focus line surface and never hits after exactly one-time impact again this focus line surface pierces.
  • the individual focus lines 1 need not be arranged vertically one above the other, for example also an oblique arrangement conceivable.
  • these optics 4, 6 When using an identical imaging optics on the radiation incidence side and the radiation failure side, ie an identical dispersive and optical arrangement on the one hand and imaging optical arrangement on the other hand, these optics 4, 6 usually symmetric, e.g. mirror symmetry to a focal line plane 5, are arranged.
  • Tilt angle between the optical axis of the elements 1, 3a and 4 on the one hand and the level 5 on the other ⁇ be selected in a range which is limited by the following two conditions (see also Figure 2, identical reference numerals designate identical elements of the device):
  • the minimum tilting is achieved if the angle of the langwel ⁇ ligsten, still provided for imaging wavelength (here, the angle of the wavelength ⁇ 4) relative to the yz plane to zero.
  • a smaller tilt from level 5 would cause this longest wavelength light to pierce level 5 from the other side.
  • the maximum tilt angle is given by the angle of the shortest wave still provided for imaging light (here: ⁇ ) to the horizontal or to the xy plane. If an even greater tilt angles can be set, the object P would be illuminated from below, which is no longer with the detection element 8 (see below) according ⁇ weisbar.
  • Tilt angle results in its concrete size ultimately from the interaction of the Aperture diaphragm (angle of the cone of light in the beam path 2 after the slit diaphragm 3a), the wavelengths intended for imaging ⁇ the steepest and flattest beam of light) and the plane 5 of the focal points. If the above-described condition is fulfilled, then the light on the surface P segregates independently of the concrete surface geometry. However, the segregation takes place only at the point at which the plane 5 of the focus lines intersects the surface P. (This statement is strictly speaking only for one
  • FIG. 3 outlines a basic arrangement for the present invention in accordance with the principle sketched in FIGS. 1 and 2, which is characterized by a mirror-symmetrical arrangement of the focusing-plane 5 of the dispersive and focusing optical arrangement 4 on the one hand and the imaging optical arrangement 6 on the other hand.
  • the individual elements of the optical arrangement 4 on the one hand and the individual elements of the optical arrangement 6 on the other hand are arranged on both sides of the plane 5 in pairs mirror-symmetrically to this plane, designed and aligned unless otherwise stated below.
  • identical reference numerals denote identical components in comparison with FIGS. 1 and 2.
  • the dispersive and focusing optical arrangement 4 is arranged and aligned on one side ⁇ left half space 5a) of the plane of symmetry 5 such that all the wavelengths ⁇ used for imaging are made of this
  • the imaging optical arrangement 6 is now arranged and mirror-symmetrical to the arrangement 4 so formed and aligned that the focus lines 1 ⁇ to I4 in the beam path 2 by this imaging arrangement 6 focused on one and the same line, the scan line 7, are shown.
  • the scanning line 7 is in the half space opposite half space 5a mirror-symmetrical ⁇ with respect to the plane 5) positioned to the gap opening 3a, so represents the superimposed with respect to the individual wavelength ⁇ image of the gap 3a. At the location of the scan line 7 is
  • Detection element 8 in the form of a one-dimensional, mirror-symmetrical ⁇ with respect to the plane 5) to the gap 3a, so arranged in the y-direction, aligned RGB pixel detector.
  • the varying z coordinates of a sample P introduced into the line field Ii to I can thus be detected spatially resolved and resolved in a wavelength-resolved manner along the focal lines or in the y direction.
  • FIG. 4 which shows a structure corresponding to FIG. 3 in plan view (that is, opposite to the z-direction)
  • optically identical optics for the dispersive and focusing optical arrangement 4 on the beam output side that is to say as the imaging optical arrangement 6 may even be advantageous if, as shown in FIG. 4, an arrangement 6 is used for the optical imaging, which collects more light (in the spatial dimension in the direction of the sensor, ie the y-direction, as far as possible all light should be exploited)
  • the plane 5 of the focus lines is always parallel to the longitudinal direction of the gap 3a and the longitudinal direction of the line sensor 8.
  • FIG. 5 now shows a concrete structure of the invention, in which the two optical tasks of the dispersive and focusing arrangement 4, ie the splitting of the light into its components as a function of wavelength (dispersive element) and the focusing of this split light onto the focal line surface 5 (focusing element) , is solved by a single assembly (reflective, concave grating 10).
  • Identical reference symbols again designate identical components as in FIGS. 1 to 4.
  • the polychromatic light 2 of the source 1 is after the gap 3a first (to allow a compact space of the entire device) led to a first mirror 9a, the beam path 2 on a reflective concave holographic grating. 10a of the Edmund Optics Inc. company.
  • the mirror 9a and the grating 10a taking over both the dispersive and the focusing function thus form the dispersive and focusing optical arrangement 4 in the half space 5a to the left (ie on the radiation input side of the) focus line plane 5.
  • the imaging optical arrangement 6 of the beam output side in the half space lying on the right of the plane 5 also has a reflective, concave, holographic grating 10b and, in the beam path thereafter, a plane mirror 9b.
  • the two mirrors 9a and 9b are arranged mirror-symmetrically to the plane 5 and aligned and formed identically. The same applies to the two grids 10a and 10b.
  • the focal lines Ii, 1 2 ,... Of the plane 5 are thus focused on the mirror 10b via the mirror 9b Scanned line 7 shown.
  • the beam path on the beam output side is mirror-symmetrical (to plane 5) to the beam path on the incident side.
  • an imaging gap 3b is arranged on the radiation output side (which is identical to the column 3a), which additionally shields the single-line detector 8 positioned at the location of the scan line 7 against this beam component which is undesirable for the detection.
  • this gap 3b is not necessary and can accordingly be omitted.
  • An additional imaging optics in the form of e.g. a lens or the like for imaging the output beam path on the detection element 8 is thus not necessary.
  • each incident wavelength is generated in the corresponding pixel along the y-axis.
  • Direction a different color impression (at varying along the y-direction height z of the surface P), which uniquely identifies this wavelength and thus the local height.
  • a one-time calibration of the sensor 8 is necessary in order to determine the correlation wavelength / color on the one hand and the assigned height of the sample P in the z-direction on the other hand.
  • the two gratings 10a and 10b are so formed that the focal lines 1 do not lie on a plane but on a focus line surface in the form of a sphere portion.
  • the construction results in this case by means of the so-called Rowland circle (compare, for example, also L.
  • the corresponding grating must be calculated for the spectrum of the light source 1. Accordingly, it is of course not only possible to use light sources emitting in the visible range (about 350-750 nm) as the light source 1, but also, for example, as a light source. also in the UV range or in the IR range emitting.
  • Figure 6 shows a second concrete embodiment of the present invention, which basically How the embodiment shown in Figure 5 is realized, so that only the differences will be described below.
  • the optical arrangement 6, which in this case consists of a simple camera lens of an RGB camera, is arranged here in the focal line plane 5 just like the individual line of the RGB camera serving as detection element 8. 6 and 8 are formed in the camera body 13.
  • the viewing direction of the camera 6, 8 is in the plane 5 in -z- direction, ie from above on the individual focus lines 1. Accordingly, the focal length of the camera lens designed as an optical arrangement 6 thus the field of the individual focus lines Ii, l 2f .. ., at least in sections sharply imaged on a single, in the plane 5 and parallel to the y-direction RGB line 8 as a detection element.
  • the variant shown has the advantage of a simpler construction than the variant of the invention shown in FIG. 5, since it only considers the focal line plane or the now colored surface of the sample P with a commercially available line scan camera. (Areas outside the section line between sample surface P and level 5 are indicated by the forming optical arrangement 6 to other, not used for evaluation, not lying in the plane 5 single lines of the line scan camera. ⁇ Prerequisite for the construction shown is that the depth of field of the camera used together with the lens sufficient to the entire desired measurement range, ie a Sufficient section of the plane 5 seen in the z-direction, sharp image.
  • FIG. 7 shows an arrangement which is fundamentally identical to the arrangement shown in FIG. 3, so that only the differences will be described below.
  • FIG. 7 shows a further concrete embodiment of the present invention, in which the dispersive and focusing optical arrangement 4 has a plurality of individual optical elements (ie, the dispersion and focusing functions are separate). The same then applies to the symmetrical to the focal plane 5 formed optical arrangement. 6
  • the dispersive and focusing arrangement 4 initially has a first collection point.
  • Lens 12a ' through which the polychromatic light 1 is imaged after the slit diaphragm 3a to infinity.
  • This parallel light impinges in the beam path 2 after the converging lens 12a ' on a dispersive optical element IIa, which is here designed as a transmission grating and that the light decomposed into its spectral components (shown at the wavelengths ⁇ to ⁇ 3 , the 3 correspond to wavelengths shown).
  • a prism in particular a straight-viewing prism (also called a dispersion prism).
  • Each wavelength ⁇ to ⁇ 3 thus leaving the Transmissi- onsgitter IIa at a different angle and is incident on a second converging lens 12 '' of the arrangement 4.
  • This second condenser lens 12a '' of the arrangement 4 focuses the light of the different wavelengths ⁇ (each of which for the individual wavelengths ⁇ to ⁇ 3 is parallel, but in each case incident on the converging lens 12a '' at a different angle) on a virtual plane Ela.
  • a sharp intermediate image of the gap 3a arises for each wavelength.
  • This plane Ela is used as the focal plane of a Scheimpflug arrangement.
  • the focus line plane 5 forms the image plane of these known to those skilled in Scheimpflug configuration and the lens main plane of the Scheimpflug is a further, third collecting lens 12a '' 'of the assembly 4 is positioned (this plane is indicated by the stressesszei ⁇ chen E2a).
  • this plane is indicated by the strainszei ⁇ chen E2a.
  • the planes Ela, E2a and 5 intersecting in the common intersection line P £ (in which the Scheimpflug condition is fulfilled) form the three planes for which the Scheimpflug condition is fulfilled
  • Scheimpflug condition will thus be the sharp Plots of the gap (ie, the focus lines of the gap) on the plane Ela imaged on the focal plane 5.
  • the Scheimpflug condition in the line P s is satisfied, ie the intermediate image plane Ela is optically focused by the converging lens 12a '''in the plane E2a on the focus line plane 5.
  • this dispersive and focusing optical arrangement thus form the three lenses 12a ' to
  • Scheimpflug arrangement on the side of the imaging optical arrangement 6 is the focus line plane 5), the focus line plane 5, the plane E2b and the plane Elb thus also intersect in the
  • the symmetrical optical structure 6 takes over the imaging function on the detection element 8.
  • the functions "focus” and “dispersion” therefore need not necessarily be solved by one and the same optical element (on the imaging side, the element IIb forms the dispersive element of the arrangement 6 and the three lenses 12b 'to 12b' '' form the focusing system 12b ⁇ .
  • FIG. 8 does not show the present invention but an alternative procedure: If the surface color of the sample P is known or if it is measured separately, the illumination by the source 1 does not necessarily have to be monochromatically demixed. It can be three light sources in eg blue, red and green (light sources ⁇ -LQ, ...) via a Lin ⁇ se Scheimpflug arrangement (tilted lens 4 ') are mapped. Thus, a rainbow pattern can be projected using, for example, an RGB projector. The colors are laterally projected at an angle so that the color encodes a specific height. Alternatively, no RGB projector can be used, but a prism, in combination with white light.
  • the actual illumination plane is defined blurred, so that the individual wavelengths in the plane 5 ', by the imaging optical assembly 6' with the Detection element 8 'is considered sitting in this plane 5', mix. This mixing results in a rainbow pattern. Thus, a correlation can again be found between the height in the z direction and the measured color.
  • the disadvantage when no monochromatic light or monochromatic separation is used is that the surface color of the sample P falsifies the result. Thus, the surface color must be measured extra or only monochrome surfaces may be measured.
  • the present invention ( Figures 1 to 5 and 7) can be used for any specular and non-specular objects for their surface measurement. Only with too dark objects, which reflect too little light, the invention can not be used. Due to the expected high speeds are also inline processes of interest, the device erfindungsgeraäße can thus be used in particular in the form of a workstation for complex processes. Particularly with reflective surfaces, for example la ⁇ For short- surfaces, the invention has great advantages in terms of fast and flexible measurement has.
  • a concrete application is, for example, the conductor track or printed circuit board inspection.

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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

Vorrichtung zum optischen Bestimmen der Oberflächengeometrie einer dreidimensionalen Probe
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vor- richtung 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 Sen- soren haben in der Regel einen punktförmigen Messfleck. Soll die dreidimensionale Struktur einer Oberfläche eines Objekts bzw. einer Probe erfasst werden, rauss somit die Oberfläche rasterförmig abgefahren werden. Dabei haben sich zwei Prinzipien durchge- setzt.
Beim ersten Prinzip eines chromatisch konfokalen Sensors fokussiert ein dispersives Element das Licht wellenlängenabhängig in unterschiedlicher Höhe. Re- flektiertes 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, wo- durch 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 Resona¬ tors der Fokus variiert wird) führt der Resonator ei¬ ne harmonische Schwingung durch, welche den optischen Weg verändert. Ein Detektor erfasst die reflektierte Intensität, die maximal wird, wenn der Strahl fokus- siert 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 Ab¬ fahren der gesamten Oberfläche mit hohem Zeitaufwand notwendig ist.
• Bei den einer senkrechten Messkopfanordnung folgenden Systemen überlagern sich alle Wellenlän¬ gen 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).
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 Äusführungsbei- spiele im Detail beschrieben. Die in den einzelnen Ausführungsbeispielen dabei in Kombination miteinan- der 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. Insbe- sondere 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 sämt- liehe 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 Zei- le. 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 Mess- punkten 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 fokussie- rende 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 Oberfläche (nachfolgend auch als Fokuslinienfläche bezeichnet) im Ortsraum {nachfolgend auch durch das Weltkoordinatensystem mit den drei kartesi- sehen 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 Funktio¬ nen 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 je- doch 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 einge- schoben), 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.
In der bevorzugten Variante der vorliegenden Erfindung ist die dispersive und fokussierende optische Anordnung 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 jeweili¬ gen 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 (opti- sehe 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 Elemen¬ te umfassende) dispersive und fokussierende optische Anordnung einerseits und die abbildende optische Anordnung andererseits (oder zumindest jeweils einzelne der die jeweilige Anordnung bildenden optischen Ele- mente) 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 opti- sehe Anordnung auf der anderen Seite dieser Ebene so¬ wie 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 abbil- denden optischen Anordnung) eine bevorzugt unmittelbar vor dem Nachweiselement angeordnete Spaltblende aufweisen. Diese kann, in Bezug auf die Fokuslinienfläche gesehen, symmetrisch (im Falle einer Fokusli- nienebene: spiegelsymmetrisch in Bezug auf diese Ebene) zur Spaltblende der polychromatischen Lichtquelle angeordnet sein. Die Spaltbreite der beiden Spaltblenden liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 10 μιη und 300 pm.
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 fokussieren- des Element wirkendes reflektierendes, konkaves Gitter aufweisen. Sind sowohl die Einfallsseite als auch die Ausf llsseite 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 Zeilenka- mera (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 aus¬ gebildet sein, d.h. es kann ein dispersives Element
(oder eine dispersive Anordnung) zum Realisieren der dispersiven Funktion getrennt von einem fokussieren- den 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 fokussieren- des 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 fokus- sierten Abbildung der unterschiedlichen Fokuslinien¬ fläche 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 Abtastli¬ nie positionierten weiteren Spaltblende der abbilden- den 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 Flachenarrays 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
Fokuslininenflache 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 :
Figuren la und lb eine Skizze zur grundlegenden
Funktionsweise der vorliegenden Erfindung .
Figur 2 eine Skizze zum Einfall der
Strahlung unter einem definierten, endlichen Winkel zur Fokuslinienebene {Schrägeinfall) .
Figur 3 eine grundlegende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer spiegelsymmetrisch zu dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung ausgebildeten abbildenden optischen Anordnung.
Figur 4 eine Aufsicht auf eine Anordnung gemäß Figur 3. Figur 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. ein zweites konkretes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem nichtsymmetrischen Aufbau. ein drittes konkretes Ausfüh¬ rungsbeispiel 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. eine nicht die Erfindung zeigende, alternative Vorgehensweise.
Figur la zeigt eine Skizze eines grundlegenden Aufbaus (ohne die abbildende optische Anordnung 6, vergleiche Figur 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 Halo¬ genlampe, eine Leuchtstoffröhre oder auch eine geeig¬ nete breitbandige LED) ist in y-Richtung eine Spalt- blende 3a (Spaltbreite zwischen 10 und 300 μπι} 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 λι = 380 nm von der dispersiven und fokussierenden optischen Anordnung auf die Fokuslinie Ii fokussiert, die Wellenlänge λ2 = 510 nm in -z-Richtung beabstandet davon auf die Fokuslinie I2, die Wellenlänge λ3 = 600 nm beabstandet davon auf die Fokuslinie 13 und die Wellenlänge λ4 = 700 nm wiederum weiter in
-z-Richtung beabstandet davon auf die Fokuslinie 14. Alle Fokuslinien Ii bis 14 verlaufen parallel zur Spaltrichtung 3a in y-Richtung.
Figur lb zeigt nun, wie diese ortsvariable, fokus- sierte Abbildung der Fokuslinien 1 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 Fokuslinien¬ ebene 5 schneidet (vergleiche gestrichelt eingezeichnete Ebene 5 in Figur lb) , so wird, an einer defi- nierten y-Koordinate gesehen, lediglich Licht der Quelle 1 einer einzigen Wellenlänge (an der gezeigten y-Koordinate in Figur lb 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 Figuren 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 Vor- richtung 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, Ob ekthalter, ... zum Realisieren der entsprechenden Relativbewegung sind dem Fachmann bekannt .
Mit dem in Figuren la 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-0berflächenabtastung durchzuführen. Da sämtliche der verwendeten optischen Abbildungselemente (vergleiche insbesondere auch nachfolgende Figuren 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 prinzi¬ piell beliebig nahe liegenden Messpunkten realisierbar .
Durch das wesentliche technische Merkmal, dass das chromatisch aufgespaltene Licht 2 im Fokuspunkt bzw. in den Fokuslinien 1 entmischt wird, besteht ein fo- kussierter Lichtpunkt auf einer Oberfläche aus monochromatischem Licht. Der Farbeindruck von monochromatischem Licht kann jedoch nicht durch die Oberflächenfarbe der Probe P verändert werden. Gerade deswe- gen 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, belie- big nahe nebeneinander liegen dürfen, lässt sich ins¬ besondere auch durch die Verwendung einer identischen Optik für Beleuchtung und Abbildung (vergleiche auch nachfolgende Figuren 3 bis 5) die vorliegende Erfindung nicht nur für nicht-spiegelnde Oberflächen der Probe P, sondern ebenso auch für spiegelnde Proben¬ oberflächen 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 Figuren 3 und 5) hat insbesondere auch den Vor- teil, 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 telezent- rischen 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 vorlie¬ gende Erfindung auch bei Verschiebungen der Probe in Scanrichtung Nachteile dahingehend, dass die von einer Zeilenkamera aufgenommenen Pixel in Verschie- bungsrichtung 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 Fig. 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 1 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 1 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 Figur lb) von keiner benachbarten Wellenlänge überla¬ gert, 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 fo- kussiert abzubilden. Entsprechend muss dann die nachfolgend noch beschriebene abbildende optische Anord¬ nung 6 ausgebildet und angeordnet werden, um die Fokuspunkte bzw. -linien so auf das Nachweiselement abzubilden, dass jeweils nur die auf die Schnittlinie zwischen der Objektober läche 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 1 der unterschiedlichen Wellenlängen λ die Fokuslinienflä¬ che 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 Figur la 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 1 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 Figur 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 anderer¬ seits in einem Bereich gewählt werden, der durch die folgenden beiden Bedingungen begrenzt ist (vergleiche auch Figur 2, identische Bezugszeichen bezeichnen identische Elemente der Vorrichtung) : Die minimale Verkippung ist erreicht, wenn der Winkel der langwel¬ ligsten, 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: λι) 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) nach¬ weisbar 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.)
Figur 3 skizziert eine Grundanordnung zur vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung mit dem in den Figuren 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 Figuren 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 Figur 3 (wie auch in den nachfolgenden Figuren) bezeichnen im Vergleich mit den Figuren 1 und 2 identische Bezugszeichen jeweils identische Bauelemente. Wie bereits zu Figuren 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 1χ bis I4 im Strahlengang 2 durch diese abbildende Anordnung 6 fo- kussiert 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 Ii bis I eingebrachten Probe P (hier nicht gezeigt} ortsaufgelöst und wellenlängenaufgelöst detektieren.
Gemäß Figur 3 fokussiert somit eine gespiegelte und baugleiche Optik die Ebene 5 der Fokuslinien auf einen RGB-Zeilensensor 8 am Ort der Abtastlinie 7. Al¬ ternativ 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 verän- dert 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 Figur 3 zeigt, ist somit für die vorliegende Erfindung ein verkippter Aufbau der Beleuch- tungs- bzw. Strahleneingangsseite einerseits und der Abbildungs- bzw. Strahlenausgangsseite andererseits charakteristisch .
Gemäß Figur 4, die einen der Figur 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 Figur 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 Figuren 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 Win- kel zwischen dieser Ebene und diesen Geraden erreicht werden . Figur 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 Figuren 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 Ii, 12, ... 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 Figur 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 Ä2 bzw. Fokuslinie 12) 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 ge¬ zeigt) sind die beiden Gitter 10a und 10b so ausgeformt, dass die Fokuslinien 1 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 Interfero- meters", Higler & Watt, London, 1951) . Der Unterschied eines Aufbaus, der die Fokuspunkte, wie in Figur 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 aberrationskorri- gierten 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.
Figur 6 zeigt ein zweites konkretes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das grundsätzlich wie das in Figur 5 gezeigte Ausführungsbeispiel realisiert ist, so dass nachfolgend lediglich die Unterschiede beschrieben werden.
Die Strahleneingangsseite der in Figur 6 gezeigten Variante, also die Elemente 1, 3a, 9a und 10a im einfallenden Strahlengang, ist/sind identisch wie beim in Figur 5 gezeigten Fall ausgebildet, ausgerichtet und angeordnet, so dass sich die Unterschiede lediglich auf die Strahlenausgangsseite, also auf die ab¬ bildende 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 1. Entsprechend der Brennweite der als Kameraobjektiv ausgebildeten optischen Anordnung 6 wird somit das Feld der einzelnen Fokuslinien Ii, l2f ... 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 Figur 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 ab- bildende 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. Entspre¬ chende Einschränkungen sind beim in Figur.5 gezeigten Aufbau nicht gegeben: Die Tiefenschärfe-Problematik tritt bei dem in Figur 5 gezeigten konfokalen System nicht auf, da nur fokussierte Strahlengänge betrach¬ tet werden. Zudem hat die in Figur 5 gezeigte Variante den Vorteil, dass sie bei beliebigen, insbesondere also auch bei spiegelnden Oberflächen der Probe P zuverlässig funktioniert (wohingegen bei der in Figur 6 gezeigten Variante eine diffuse Lichtabstrahlung in z-Richtung notwendig ist, was in der Regel bei spiegelnd reflektierten Flächen P nicht möglich ist) .
Figur 7 zeigt eine Anordnung, die grundsätzlich mit der in Figur 3 gezeigten Anordnung identisch ist, so dass nachfolgend lediglich die Unterschiede beschrieben werden.
Figur 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 Sammel- linse 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 opti- sches Element IIa, das hier als Transmissionsgitter ausgebildet ist und dass das Licht in seine spektralen Anteile zerlegt (gezeigt an den Wellenlängen λι bis λ3, die den in der Figur 3 gezeigten Wellenlängen entsprechen) . Alternativ zu dem Transmissionsgitter kann jedoch auch ein Prisma eingesetzt werden, insbesondere ein Geradsichtprisma (auch Dispersionsprisma genannt) .
Jede Wellenlänge λι bis λ3 verlässt das Transmissi- onsgitter IIa 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 Wellen- längen λι bis λ3 parallel ist, jedoch jeweils unter einem anderen Winkel auf die Sammellinse 12a'' auftrifft) auf eine virtuelle Ebene Ela. Auf dieser Ebene Ela entsteht für jede Wellenlänge ein scharfes Zwischenbild des Spaltes 3a. Diese Ebene Ela 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 Bezugszei¬ chen E2a gekennzeichnet). Mit anderen Worten bilden die Ebenen Ela, E2a und 5, die sich in der gemeinsamen Schnittgeraden P£ schneiden (in der also die Scheimpflugbedingung erfüllt ist} die drei Ebenen, für die die Scheimpflugbedingung erfüllt ist. Mit der
Scheimpflugbedingung werden somit die scharfen Zwi- schenbilder des Spaltes (also die Fokuslinien des Spaltes) auf der Ebene Ela auf die Fokuslinienebene 5 abgebildet. Dazu wird die Scheimpflugbedingung in der Geraden Ps erfüllt, d.h. die Zwischenbildebene Ela 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 IIa als dispersives Element der Anordnung 4 ausgebildet ist.
Bezogen auf die Fokuslinienebene 5 spiegelsymmetrisch zur dispersiven und fokussierenden optischen Anord- nung 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 ge- trennten Fokuslinien Ii, l2r... werden über die spiegelsymmetrisch zur Linse 12a' ' ' in der Objektivhauptebene E2b angeordnete Sammellinse 12b' ' ' scharf auf die Zwischenbildebene Elb abgebildet, die die Bildebene der Scheimpfluganordnung der abbildenden opti- sehen 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 Elb schneiden sich somit ebenfalls in der die
Schnittgeraden dieser Scheimpfluganordnung bildenden
Geraden Ps . Die Zwischenbilder der Ebene Elb werden dann über die Sammellinse 12b' ' , die bezogen auf die Ebene 5 spiegelsymmetrisch zur Linse 12a'' angeordnet ist, auf das optische Transmissionsgitter IIb der An- Ordnung 6 (die bezogen auf die Ebene 5 spiegelsymmetrisch zum Transmissionsgitter IIa angeordnet ist) ab- gebildet, durch das Transmissionsgitter IIb zu einem gemeinsamen parallelen Strahlengang vereinigt und durch die (bezogen auf die Ebene 5) spiegelsymmet- risch 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 IIb das dispersive Element der Anordnung 6 und die drei Linsen 12b' bis 12b''' bilden das fo- kussierende System 12b} .
Figur 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 λι-LQ, ... ) über eine Lin¬ se 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 Figur 8 gezeigten Anord¬ nung 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 Figur 8 gezeigte Messverfahren versagt somit bei spiegelnden Oberflächen.
Die vorliegende Erfindung (Figuren 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 Ge- schwindigkeiten sind auch Inline-Prozesse von Interesse, die erfindungsgeraäße Vorrichtung kann somit insbesondere auch in Form einer Arbeitsstation bei komplexen Prozessabläufen eingesetzt werden. Beson- ders bei spiegelnden Oberflächen, zum Beispiel la¬ ckierten Oberflächen, hat die Erfindung große Vorteile hinsichtlich einer schnellen und flexiblen Vermessung. Eine konkrete Anwendung ist beispielsweise die Leiterbahnen- oder Leiterplatineninspektion.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zum optischen Bestimmen der Oberflä¬ chengeometrie 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 fokus- sierenden optischen Anordnung (4), die so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass sie das Abbild der Spaltblende (3a) für unterschiedliche Wellenlängen {λι,...,λη) im Spektrum der Lichtquelle (1) auf unterschiedliche, auf einer vordefinierten Oberfläche (Fokuslinienfläche 5) im Raum (x,y,z) voneinander beabstandet liegende Linien (Fokuslinien llr...,ln) fokussiert, und einer abbildenden optischen Anordnung (6), die zumindest Abschnitte der Fokuslinienfläche (5) und/oder mehrere, bevorzugt alle der Fokuslinien (Ii,..., ln) 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. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch 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 (λι,...,λη) im Spektrum der Lichtquelle (1) von ein und derselben Seite (5a) der Fokuslinienfläche (5) aus auf diese Fokuslinien¬ fläche (5) fokussiert wird, wobei die dispersive und fokussierende optische Anordnung {4} darüber hinaus bevorzugt auch so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass für diese mehreren, insbesondere für alle diese unterschiedlichen Wellenlängen (λι,..,,λη) der
Strahlengang (2) nach der jeweiligen Fokuslinie (li,...,ln) 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 (λι,...,λη) im Spektrum der Lichtquelle (1) auf unterschiedli¬ che, auf einer vordefinierten Ebene im Raum (xryrz) voneinander beabstandet liegende Fokuslinien (li,...,ln) fokussiert, dass also die Fo¬ kuslinienfläche (5) eine Fokuslinienebene ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet , dass die dispersive und fokussierende optische Anord¬ nung (4) einerseits und die abbildende optische Anordnung (6) andererseits, oder zumindest jeweils einzelne optische Elemente (9a, 9b, 10a, 10b, IIa, IIb, 12a, 12b) dieser beiden optischen Anordnungen (4, 6), relativ zur Fokuslinienflä¬ che (5) gesehen symmetrisch angeordnet, ausge¬ richtet und/oder ausgebildet sind, bevorzugt zur 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 zur 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 fokussie- rendes Element wirkendes reflektierendes, konkaves Gitter (10b) aufweist, wobei im bevorzugten Fall des Vorhandenseins beider Gitter (10a, 10b) diese bevorzugt symmet¬ risch zur Fokuslinienfläche (5), bevorzugt spiegelsymmetrisch zur Fokuslinienebene, angeordnet und ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche dadurch gekennzeichnet , dass die bevorzugt ein Objektiv umfassende oder als ein solches Objektiv ausgebildete abbildende optische Anordnung (6) die Abschnitte der Fokusli¬ nienfläche (5} / die Fokuslinienfläche (5) und/oder die mehreren / alle Fokuslinien
(Ii,..., ln) auf eine auf der Fokuslinienfläche (5), bevorzugt auf der 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 (IIa), bevorzugt ein Transmissionsgitter oder ein Prisma, bevorzugt ein Geradsichtprisma, und im Strahlen¬ gang (2) hinter dem dispersiven Element (IIa) ein mindestens eine Sammellinse (12a', 12a' ', 12a''') umfassendes fokussierendes System (12a), insbesondere ein Linsensystem in Scheimpflug- anordnung, aufweist und/oder dass die abbildende optische Anordnung (6) ein dispersives Element (IIb) , bevorzugt ein Transmissionsgitter oder ein Prisma, bevorzugt ein Geradsichtprisma, und im Strahlengang (2) hinter dem dispersiven Element (IIb) 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 Flä- chenarrays aus die unterschiedlichen Wellenlängen (λι,...,λη) 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 (λι,...,λη) im Spektrum der Lichtquelle (1) auf unterschiedliche, auf einer vordefinierten Oberfläche (Fokuslinienfläche 5) im Raum (x,y,z) voneinander beabstandet liegende Linien (Fokuslinien li,...,ln) 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 (li,...,ln) 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 .
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