CN113892012A - 用于高速测量表面起伏的装置 - Google Patents

Abstract

用于测量表面起伏的装置提供了相敏摄像装置和处理，以在用已知光源照射表面时重建与该表面匹配的波前轮廓，从而提供非接触式表面起伏测量。

Description

用于高速测量表面起伏的装置

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明是在国家自然科学基金(National Science Foundation)授予的1749050的政府支持下完成的。政府享有本发明中的某些权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年5月20日提交的美国专利申请16/417,186的权益，该美国专利申请在此通过引用并入本文。

背景技术

本发明涉及用于准确测量表面起伏的装置，并且具体涉及用于进行这样的测量的高速非接触式光学系统。

表面起伏的测量是计量学的重要部分，并且用于例如检查加工表面的粗糙度、评估薄膜的厚度、测量表面磨损等。测量表面起伏的许多重要应用要求非接触式测量，这是因为表面将会受到接触的不利影响，或者是因为小而深的槽或台阶会干扰三角测量或物理探头。

用于非接触式表面起伏测量的标准技术使用干涉测量法。干涉测量技术检测两个光束之间的干涉以推断表面高度。通常，这些技术相对缓慢，这是因为它们要求扫描光束和/或保持待分析表面的高度可调节台必须以一系列增量移动以生成不同干涉测量的集合。

发明内容

本发明提供了下述摄像装置类型的系统，该系统可以在无需对台等的机械移动进行干预且同时允许潜在地以视频帧速率进行可行的高速测量的情况下进行区域上多个点的表面起伏测量。摄像装置包括高分辨率波前传感器以及用于提取波前表面的处理电路，该波前表面反映被测量表面的表面起伏。通过消除机械扫描和步进机制，还创建了低成本的表面计量仪器。

更具体地，在一个实施方式中，本发明提供了用于测量表面起伏的装置，该装置具有用于沿照明轴照射待测量表面的光源以及波前角度传感器，该波前角度传感器包括以二维方式分布在传感器区域上的多个位置处的传感器元件阵列，波前角度传感器在每个传感器元件处测量相对于波前角度传感器的轴的波前角度，并且该波前角度传感器被定位成接收来自光源的被待测量表面相移的光。电子计算机提供显示器以及执行程序以执行以下操作的处理器：(a)从传感器元件收集波前角度以计算与波前角度一致的连续表面；以及(b)利用连续表面输出待测量表面的起伏图，该起伏图指示以二维方式分布在该待测量表面上的多个点处的待测量表面沿照明轴的高度。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于提供快速的表面起伏测量方法，该方法消除了典型干涉测量技术的机械扫描或机械台的复杂性。

起伏图可以是以下中的任何一个：一起描述三维表面的截面图的集合、带阴影的三维表面的二维表示、具有等高线的平面图以及高度值阵列。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于提供与由干涉测量法提供的输出显示类型相当的各种输出显示类型中的任意一种。

起伏图提供了表面高度的定量指示。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于提供定量上准确且可重复的表面起伏测量。

传感器元件可以以小于20μm的间隔分布在二维传感器区域上，并且可以存在超过20000个传感器元件。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于提供摄像装置品质的表面起伏测量和图像。

波前角度传感器还可以测量每个传感器元件处的波前强度，并且起伏图可以提供多个点处的光强度的指示。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于测量诸如颜色或暗度变化的其他表面特征，以例如提供关于表面的识别基准或附加信息。

电子计算机还可以执行程序以确定待测量表面上的多个点处的相对于照明轴的方位角，并且起伏图可以提供如同从特定的方位角方向照射的合成了待测量表面起伏的阴影的阴影。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于提供输出图像的合成阴影，从而提供定性地指示表面起伏的视觉线索。

电子计算机还可以执行程序以确定待测量表面上多个点处的相对于照明轴的极角，并且起伏图可以提供如同从漫射光源照射的合成了表面的阴影的阴影。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于提供从表面起伏推导出的体积阴影，从而提供对表面起伏的替选的定性理解。

电子计算机可以根据光源的波前的已知形状通过由光的波前的已知形状调整连续表面来校正起伏图。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于允许通过平面波前和球面波前(球面波前例如来自点源)两者进行照明以及通过相对于待测量表面倾斜的照明进行照明。

装置还可以包括接收来自待测量表面的光的聚焦光学器件，并且波前角度传感器可以定位在聚焦光学器件的焦平面处。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于提供能够与用于放大的中间透镜一起工作的系统。

电子计算机可以根据聚焦光学器件的放大率来校正起伏图的定量特征。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于允许生成放大的表面起伏图像的同时保持定量准确度。

波前角度传感器可以提供：光强度感测元件阵列，该光强度感测元件阵列平铺于表面区域以接收具有相对于衬底的表面法线的波前角度的光；以及阴影投射器集，每个阴影投射器与一组至少三个感测元件相关联以根据波前角度选择性地使该组中的不同感测元件形成阴影。电子计算机可以操作成确定由一组中的不同感测元件测量出的光强度以提供指示波前角度的输出信号。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于提供高分辨率传感器系统，该高分辨率传感器系统可以提供有用的视场下的用于准确测量表面起伏所需的足够详细的波前测量。

光感测元件可以是CMOS光检测器。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于利用高度发达的成像技术来产生先进的表面起伏摄像装置。

光源可以是多色光。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于提供可以与环境光或白光等一起工作以提供自然光图像的测量系统。

光源可以是至少一个发光二极管。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于消除对相干光源的需要。

可以通过将波前角度拟合成连续表面的曲线拟合处理来形成连续表面。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于提供将离散的波前测量结果连接成表面的抵抗测量噪声和误差的鲁棒方法。

光源可以被定位在待测量表面的第一侧，并且适于将光发射至待测量表面的第一侧，该光从待测量表面反射至波前角度传感器，并且电子计算机可以使连续表面反转以提供起伏图。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于提供可以与不透明表面一起工作的反射表面起伏测量系统。

该装置可以提供用于支承光源、波前角度检测器和显示器的壳体，该壳体提供用于由用户相对于待测量表面支承壳体的手柄以由用户通过观察显示器上的图像对待测量表面进行定位。

因此，本发明的至少一个实施方式的特征在于提供使用干涉类型设计难以实现的手持式仪器。

这些特定的目的和优点可以仅适用于落入权利要求内的一些实施方式，并且因此不限定本发明的范围。

附图说明

图1为本发明的第一实施方式的的简化图，其提供了照明源以用于照射将测量其起伏的表面，被照射表面向相敏检测器提供波前，相敏检测器与计算机进行通信以提供起伏测量输出；

图2为图1的相敏检测器的透视图，示出了传感器元件的二维阵列并且传感器元件的放大图示出于插图中，传感器元件的放大图描绘了定位在光敏像素上方的用于推导在传感器元件处接收到的光的相位角的阴影投射器集；

图3为沿图2的插图中的线3-3的截面，示出了阴影投射器改变由相邻像素接收到的光的强度以提供可以用于推断波前角度的成比例地不同的信号的操作；

图4为通过分段曲线拟合处理将由不同传感元件测量出的波前角度转换为连续波前曲线的图形表示；

图5为在图4的曲线拟合处理的实现中由图1的计算机执行的流程图；

图6至图7为描绘定量表面起伏的由图1的计算机产生的各种屏幕显示以及图4的显示的描绘；

图8为描绘所显示的表面的极阴影和方位角阴影以提供与定量测量结果组合理解的定性表面起伏的图；

图9为示出类似于图1的用于透射光学系统而不是基于反射的光学系统的替选设计的图；以及

图10为实现本发明的手持式仪器的透视图。

具体实施方式

现在参照图1，根据本发明的一个实施方式的表面起伏测量仪器10可以提供朝分束器16投射如由箭头指示的光14的光源12。分束器16位于待测量表面20与相敏检测器阵列22之间的测量轴的路径中。根据所确定的位置，分束器16使来自光源12的光14沿测量轴18朝待测量表面20转向。从表面20反射的光在相反方向上再次沿测量轴18行进以穿过分束器16并且穿过可选的聚焦光学器件17以被相敏检测器阵列22接收。

如下面将描述的，相敏检测器阵列22向计算机42提供波前角度数据，计算机42处理该数据以在显示器52上提供可显示的起伏图54。在该实施方式中，测量轴18与在表面20与传感器阵列22之间的光路对准，并且将垂直于传感器阵列22的前表面。

来自光源12的这个光14可以是各种颜色中的任意一种颜色(对于人眼可见或不可见)中的单色，或者可以是多色的，例如包括用于帮助可见光成像的白光。在这点上，光源12可以包含不同的灯，通常包含发光二极管(LED)，从而允许针对不同的应用选择单色光和多色光以及不同颜色的光。

在该实施方式中，来自光源12的光14可以提供平面波前24，该平面波前24在保持基本上平面的同时被分束器16朝表面20以90°重定向。如本领域中通常所理解的，光的波前是其中表面上的所有点具有限定光的前向传播的对应相位的表面。通过使用使来自点源的光准直的准直光学器件或者通过使用LED阵列或者使用漫射器或其他已知技术来提供平面波前24。光不必是例如来自激光器的相干光；然而，在广阔的区域内提供的情况下，本发明不排除激光照明的使用。优选地，光14在成像阵列22上接收到时可以同时照射表面20。

可选的聚焦光学器件17可以提供例如反射光学器件或折射光学器件，所述反射光学器件或折射光学器件可以具有聚焦在表面20上并且与表面20的平均高度基本上对准并且大致垂直于测量轴18的物平面，以及聚焦在阵列22的表面上并且与阵列22的表面对准的像平面或焦平面。通常，聚焦光学器件17将以显微镜或望远镜的方式提供放大，以允许测量靠近仪器10的小表面20或远离传感器阵列22的远程表面20。更通常地，聚焦光学器件17将图像的期望分辨率与传感器阵列22的固定分辨率进行匹配。

通常，聚焦光学器件17的效果将是为波前30的x轴维度和y轴维度提供已知的缩放因子，其中x轴和y轴平行于传感器阵列22的表面并且垂直于测量轴18；以及聚焦光学器件17的效果将是为波前30的沿测量轴18的z轴维度提供已知的缩放因子。如下文将讨论的，缩放因子可以用于调整表面起伏的定量测量。

被测量的表面20可以具有任意的尺寸以及提供装配在传感器阵列22视场内的部分的表面起伏。在一个实施方式中，表面20可以具有支承在大致垂直于测量轴18的平面衬底26上的材料28，其中该材料是具有沿测量轴18的各种厚度的表面涂层。在这种情况下，起伏测量将证实表面20的材料28的均匀性，或者可以测量表面20的材料28的侵蚀或磨损。例如在其中结构材料28的表面起伏用于确定表面粗糙度等的应用中，材料28不必支承在衬底26上。术语“起伏”通常指示表面20相对于垂直于测量轴18的任意参考平面并且因此沿z轴的高度。

仍然参照图1，在图1的实施方式中，材料28可以是不透明的，但是必须具有反射表面20。考虑到表面20的反射特性，当来自光源12的平面波前24击中(strike)表面20时，反射波前30将呈现与表面20在多个点处的起伏对应的形状。例如，表面20的具有沿测量轴18的最大起伏或最大高度的部分33a将使波前30的那些部分提前朝传感器阵列22前进，而表面20的具有最小起伏的部分33b将使波前30的那些部分延迟远离表面20。结果是到达传感器阵列22处的波前30模拟了表面20并且可以用于测量表面20的起伏。

接收波前30的传感器阵列22生成波前角度信息41，其允许对由传感器阵列22的传感器元件接收的波前30的不同部分进行离散角度测量，传感器元件分布在传感器阵列22上的直线网格中。如下面将讨论的，将波前角度信息41提供至计算机42进行处理以重建波前30。

计算机42可以是具有一个或更多个处理器44的通用“台式”计算机，所述一个或更多个处理器44执行存储在提供非暂态存储的计算机存储器48中的程序46。计算机42可以提供一个或更多个用户输入设备50例如用于控制成像处理的键盘等，并且可以与显示器52通信以显示起伏图54。替选地，计算机42可以提供用于高速处理成像数据的专用硬件，例如定制现场可编程门阵列等。

现在参照图2，在一个实施方式中传感器阵列22可以提供用于接收光的大致矩形的区域，该区域具有以大致对应于x轴方向和y轴方向的行和列分布在该区域表面上的传感器元件60。在一个实施方式中，传感器元件的数量可以超过20000，并且可以具有沿行或列的小于20μm的中心到中心间隔。

每个传感器元件60可以提供以二维分布的多个(在该示例中为四个，但至少三个)光敏像素64。像素64被从通过掩膜62内使得光能够到达像素64的开口露出的像素64的表面向上延伸的不透明掩模62例如金属化层包围。掩模62提供阴影投射器，该阴影投射器根据光传播的方向来遮蔽某些像素64，光传播方向又与波前角度相关。接收到的波前的角度改变阴影的长度和位置，阴影的长度和位置可以通过分析在不同光敏像素64处接收到的光强度的改变来测量。

现在参照图3，在一个示例中，接收到的光具有相对于测量轴18成角度的波前30，具有上述波前30的光在像素64b的边缘处朝掩模62b倾斜将在像素64b的露出的光敏区域的一部分上方投射阴影，从而降低了像素64b上的平均强度，该平均强度为表面强度71的积分。与之相比，基本上将照射像素64a的整个露出的区域，从而提供高得多的平均强度。因此，像素64a相对于像素64b的较大平均强度(在像素64的区域上积分的强度71)将是波前30的传播角度72的函数。

这种从强度71中提取角度可以由执行程序46的计算机42来进行，并且可以例如通过将针对四个像素64中的每一个的标准化的平均强度值集合应用至查找表来进行以为每个传感器元件60提供极角和方位角(或其他等效的二维角度测量)。可以用解析方法建立查找表中的值或者通过校准处理生成查找表中的值，在该校准处理中像素64上平均强度的测量是利用已知角度的光进行的。通常，该处理将使用特定的光源12来进行，并且因此可以使用相对于单色输出的不同频率且多色的各种不同的光源12来创建校准集合。

还应当理解，可以例如通过组合来自每个像素的强度信号并且基于传播角度72通过根据经验得出的值对来自每个像素的强度信号进行缩放来从每个传感器元件60提取总强度信号以适应阴影。

图2的传感器设计可以通过添加掩模62所采用的最终金属化层而适于利用常规CMOS像素阵列进行工作，并且因此针对高性能CMOS摄像装置，传感器阵列22可以具有极高的空间分辨率和由市场驱动的相对低的成本。然而，应当理解，可以使用其他成像敏感技术例如CCD成像器，并且掩模62可以采用各种配置例如，如由2018年5月9日提交的题为“Wavefront Detector”并且在此通过引用并入本文的美国专利申请15/975,435所教导的。

现在参照图1、图2和图5，在计算机42的程序46的控制下，根据处理块70仪器10可以接收通常成来自每个像素64的原始强度值形式的波前角度信息41。然后根据处理块70该原始强度信息可以用于使用如上所述的校准值和查找表或通过分析装置来为每个传感器元件60确定局部波前角度和强度。

现在参照图4，来自每个传感器元件60的数据仅提供波前角度，并且因此这些角度的测量结果必须一起拟合至与波前30匹配的合成波前表面76中。该拟合处理在二维测量结果内寻找分段地具有由不同传感器元件60所指示的角度的连续曲线，并且该拟合处理可以例如通过最小二乘法来完成。在这个拟合处理中，合成的波前表面可以被约束为例如给定阶数的多项式以强制实施如由用户选择的平滑度。注意，绝对合成波前表面76将是角度测量结果74以及传感器元件60的几何间隔与位置两者的函数，传感器元件60的几何间隔与位置是已知的并且被编程至程序40中。产生合成波前表面76的该处理由图5的处理块78指示。

如由处理块80所指示的，在形成合成波前表面76之后，程序40可以针对来自光源12的照明的波前中的像差来校正合成波前表面76。例如，该像差可以包括来自光源12的波前24与平面的偏差(例如，以适应来自点源的球面波前)，或者其中光14以相对于测量轴18的非零角度击中表面20的平面波前24的未对准。该校正处理可以用解析方法将产生的波前24确定为来自表面20的反射并且执行从合成波前表面76中逐点减去该产生的波前24。替选地，应当理解，可以通过测量已知表面20并提供校正表来根据经验确定校正因子。

再次参照图5，由处理块82指示的程序40的最终步骤可以在每个传感器元件60的位置处基于合成波前表面76和/或合成波前表面76的表面法线来输出表面起伏图54，例如根据该表面法线相对于穿过每个传感器元件60的测量区域中心的与测量轴18平行的平行线的极角和方位角来捕获该表面起伏图54。根据以上描述将理解，在该实施方式中，生成表面起伏图54需要将合成波前表面76反转并绕测量轴18旋转180°以适应与图1相关联的图像处理的固有反转和旋转。

通过仪器10输出的最简单的形式下的表面起伏图54可以提供与表面20上的特定位置相关联的数字高度或起伏值，表面20上的特定位置的图像通过特定传感器元件60接收。例如，表面起伏图54可以仅是数字值阵列。然而，优选地，表面起伏图54提供诸如如图1所示的图像，该图像提供起伏高度的视觉表示并且具有标记和图例，从而提供在待测量表面20上的多个点处沿测量轴18测量出的表面起伏的定量指示。

参照图6，在一种形式中，该起伏图54可以提供简单的二维图86，该二维图86指示在一个图轴(例如，x轴)上沿表面20的维度以及在另一图轴上的表面20的高度，从而提供在特定y值下沿穿过表面20在x-y平面中的一个截面的各个点处的表面20的高度。应当理解，可以为沿y轴位移的多个平面提供多个这样的图86，并且多个这样的图86可以叠加以得到三维效果。侧刻度88允许曲线66上的点与数字值相关联，该数字值可以提取自利用缩放因子修改后的合成波前表面76，该缩放因子对于如上所述的聚焦光学器件17可能是必需的。

如图7所示，替选的显示器提供了表面20在x-y平面中的平面图像。该描绘还可以示出强度值，在该示例中，该强度值示出了表示低反射区域的变暗带90，并且该描绘可以例如通过与数字图例94相关联的等高线92或者通过与数字颜色图例98相关联的颜色96来提供定量的起伏指示。

这些起伏图54可以通过表面20的伪阴影描绘来增强，或者替选地可以提供表面20的伪阴影描绘，以提供对表面形状的更直观的理解，并且这可以是有帮助的，因为理想情况下以去除阴影线索的角度照射表面20。这样的伪阴影可以提供例如极角阴影，其中将在图5的处理块80处提取的极角与任意的假设照明方向100进行比较，并且通过将合成波前表面76(经过适当地反转或旋转)的表面法线与照明方向100进行比较来创建阴影，使得与照明方向100相对且与照明方向100平行的表面法线与最亮的阴影相关联，并且与照明方向100平行且与照明方向100对准的表面法线被赋予最暗的阴影。这在远离入射光的表面102的斜坡上创建阴影效果以提供对表面的直观理解。

替选地或附加地，伪阴影可以基于方位角，这将在其中表面法线具有面朝上离开图像的方位角的图像中提供最亮的阴影，并且在方位角平行于图像平面时提供最暗的阴影。该阴影表示在体积非定向照明情况下会看到的阴影。

现在参照图9，本发明还可以在透射模式而不是反射模式下操作，在透射模式下，光源12被定位在透明衬底26的后侧，该透明衬底26保持待测量透明材料28，该透明材料提供衬底26上的背对光源12的表面20。如上所述，来自光源12的具有波前24的光14现在可以穿过衬底26和材料28以创建指示材料28沿测量轴18的高度的波前30。在其中材料28的折射率均匀的情况下，可以通过波前30捕获高度，并且可以捕获波前30中每线性距离的相位延迟量作为将由程序46适应的缩放因子。通常，材料28的较厚部分将向波前30提供与材料28的高度成比例的较大延迟。

波前30可以被如上所述的聚焦光学器件17接收，然后被传感器阵列22接收，并且波波前角度信息41可以再次发送至计算机42用于进行分析。在这种情况下，由于不同的光学器件，不必执行合成波前表面76的反转；然而，取决于聚焦光学器件17，可以执行180°的旋转。应当理解，在该透射模式下，替选地，衬底26可以直接放置在传感器阵列22之上，其中材料28面向光源12以提供“接触”摄影而无需聚焦光学器件。

现在参照图10，因为通过并行测量表面的多个点上的表面高度(这抵消了少量运动的影响)而获得的潜在高测量速率以及由于不需要其中测量系统与表面之间的间隔距离必须被准确地控制和增加的干涉测量所必需的机械固定两者，本发明为手持式表面起伏测量系统108提供了可能性。

这样的手持式表面起伏测量系统108可以提供具有手柄112的壳体110，该手柄112可以被抓握使得仪器10可以由用户完全支承。壳体110的后表面可以提供显示器52并且该壳体可以包括计算机42和传感器阵列22。聚焦光学器件17可以同心地放置在环形照明器117内，从而提供朝表面20引导的基本平面波照明114(而不需要分束器)。通过使用包含在手柄112内或壳体110内其他地方的电池电力供应116，可以提供完全的便携性。可以进行快速连续测量并且将其显示在显示器52上，并且可以收集所述快速连续测量以在其中需要记录或测量表面20的演化的情况下提供存储视频记录。

在图1、图2和图10的实施方式中通常将理解：来自照明源的光不必垂直于待测量表面击中该表面，而是可以成角度以避免对分束器16的需要，该角度可提取自通过如上所述的简单数学过程测量出的波前。

某些术语在本文中仅用于参照的目的，因此并不旨在进行限制。例如，术语如“上”、“下”、“上面”和“下面”指代所参照的附图中的方向。诸如“前”、“后”、“背”、“底部”和“侧”的术语在一致但任意的参考系内描述了部件的各部分的取向，这通过参照文本以及描述讨论中的部件的相关附图将变得清楚。这样的术语可以包括以上特别提及的词、其派生词和类似含义的词。类似地，除非由上下文明确地指出，否则术语“第一”、“第二”以及涉及结构的其他这样的数字术语不暗示次序或顺序。

定量方法和输出提供与待测量表面的客观参数相关的具有可限定精度的可重复数值，并且可以通过将数字直接应用于图像的各个部分来输出，或者通过编号键例如将显示颜色与数字相关联以及其他公知的显示数值的方法来输出。

在介绍本公开内容和示例性实施方式的元件或特征时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在意指存在一个或更多个这样的元件或特征。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是包容性的并且意指可能存在除了具体指出的那些之外的其他元件或特征。还应理解，除非特别标识为执行顺序，否则本文中描述的方法步骤、处理和操作不应被解释为必须要求以所讨论或所说明的特定顺序执行。还应当理解，可以采用附加的或替选的步骤。

对“电子计算机”和“处理器”或者“该微处理器”和“该处理器”的引用可以理解为包括可以在一个或多个独立和/或分布式环境中通信的一个或更多个这样的装置，并且因此可以被配置成经由有线通信或无线通信与其他处理器通信，其中这样一个或更多个处理器可以被配置成在一个或更多个处理器控制的设备上进行操作，这些设备可以是相似或不同的设备。此外，除非另有详细说明，否则对存储器的引用可以包括一个或更多个处理器可读和可访问的存储器元件和/或部件，其可以在处理器控制的设备内部，在处理器控制的设备外部，并且可以经由有线或无线网络访问。

特别地，本发明并非旨在限于本文中包括的实施方式和说明，并且权利要求应当被理解为包括在所附权利要求的范围内的这些实施方式的修改形式，所述修改形式包括实施方式的一部分和不同实施方式的要素的组合。本文中所描述的所有公开——包括专利公开和非专利公开——在此通过引用整体并入本文中。

为了帮助专利局以及基于本申请发布的任何专利的任何读者解释所附权利要求，申请人希望指出，除非在特定的权利要求中明确地使用词语“用于……的装置”或“用于……的步骤”，否则申请人不旨在使任何所附权利要求或权利要求的要素援引35U.S.C.112(f)。

Claims (21)

1.一种用于测量表面起伏的装置，包括：

光源，所述光源用于沿照明轴照射待测量表面；

波前角度传感器，所述波前角度传感器包括以二维方式分布在传感器区域上的多个位置处的传感器元件阵列，所述波前角度传感器在每个传感器元件处测量相对于所述波前角度传感器的轴的波前角度，所述波前角度传感器被定位成接收来自所述光源的被所述待测量表面相移的光；以及

电子计算机，所述电子计算机提供显示器以及执行存储在非暂态介质中的程序以执行以下操作的处理器：

(a)从所述传感器元件收集波前角度以计算与所述波前角度一致的连续表面；以及

(b)利用所述连续表面输出所述待测量表面的起伏图，所述起伏图指示以二维方式分布在所述待测量表面上的多个点处的所述待测量表面沿照明轴的高度。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述起伏图选自由以下组成的组：一起描述三维表面的截面图的集合、带阴影的三维表面的二维表示、具有等高线的平面图以及高度值阵列。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述起伏图提供了表面高度的定量指示。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感器元件以小于20μm的间隔分布在二维传感器区域上，并且存在超过20000个传感器元件。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述波前角度传感器还测量每个传感器元件处的波前强度，并且其中，所述起伏图提供所述多个点处的光强度的指示。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电子计算机还能够执行所述程序以确定所述待测量表面上的多个点处的相对于所述照明轴的方位角，并且其中，所述起伏图提供如同从特定的方位角方向照射的合成了所述表面的阴影的阴影。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电子计算机还能够执行所述程序以确定所述待测量表面上的多个点处的相对于所述照明轴的极角，并且其中，所述起伏图提供如同从漫射光源照射的合成了所述表面的阴影的阴影。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电子计算机根据所述光源的波前的已知形状通过从所述连续表面减去所述光的波前的已知形状或向所述连续表面添加所述光的波前的已知形状来校正所述起伏图。

9.根据权利要求1所述的装置，还包括接收来自所述待测量表面的光的聚焦光学器件，并且其中，所述波前角度传感器定位在所述聚焦光学器件的焦平面处。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述起伏图提供所述多个点处的表面高度的定量指示，并且其中，所述电子计算机根据所述聚焦光学器件的放大率来校正所述起伏图定量输出。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述波前角度传感器还提供：

光强度感测元件阵列，所述光强度感测元件阵列平铺于所述表面区域以接收具有相对于所述阵列的表面法线的波前角度的光；

阴影投射器集，每个阴影投射器与一组至少三个感测元件相关联以根据所述波前角度选择性地使该组中的不同感测元件形成阴影；以及

其中，所述电子计算机操作成确定由一组中的不同感测元件测量出的光强度以提供指示波前角度的输出信号。

12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光感测元件阵列是CMOS光检测器。

13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光感测元件阵列为CCD光检测器。

14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源为多色光。

15.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源是至少一个发光二极管。

16.根据权利要求1所述的装置，其中，通过将所述波前角度拟合成连续表面的曲线拟合处理来形成所述连续表面。

17.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源被定位在所述待测量表面的第一侧，并且将光发射至所述待测量表面的第一侧，所述光从所述待测量表面反射至所述波前角度传感器，并且其中，所述电子计算机使所述连续表面反转以提供所述起伏图。

18.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光源被定位在所述待测量表面的第一侧，并且将光发射至所述表面的第一侧以穿过所述表面的第一侧并且从与所述待测量表面的第一侧相反的第二侧出来。

19.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置提供用于支承所述光源和所述波前角度检测器以及所述显示器的壳体，所述壳体提供用于由用户相对于所述待测量表面支承所述壳体的手柄以由所述用户通过观察所述显示器上的图像对所述待测量表面进行定位。

20.一种使用摄像装置系统测量待测量表面的表面起伏的方法，所述摄像装置系统具有：

光源，所述光源用于沿照明轴照射待测量表面；

波前角度传感器，所述波前角度传感器包括以二维方式分布在传感器区域上的多个位置处的传感器元件阵列，所述波前角度传感器在每个传感器元件处测量相对于所述波前角度传感器的轴的波前角度，所述波前角度传感器被定位成接收来自所述光源的被所述待测量表面相移的光；以及

电子计算机，所述电子计算机提供显示器以及执行存储在非暂态介质中的程序的处理器，所述方法包括：

(a)使用所述光源照射所述待测量表面；

(b)从所述传感器元件收集波前角度并且使用所述计算机计算与所述波前角度一致的连续表面；以及

(c)利用所述连续表面输出所述待测量表面的起伏图，所述起伏图指示以二维方式分布在所述待测量表面上的多个点处的所述待测量表面沿照明轴的高度。

21.根据权利要求19所述的方法，包括以帧速率重复(b)以产生示出所述待测量表面随时间演化的视频起伏图。

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