DE102018201211B4 - Chromatisch konfokaler Multispotsensor zur Bestimmung von Koordinaten eines Messobjekts - Google Patents

Abstract

Objektiv (112) für einen chromatisch konfokalen Multispotsensor (110), wobei das Objektiv (112) mindestens eine erste Linsengruppe (114) und mindestens eine zweite Linsengruppe (116) aufweist, wobei die erste Linsengruppe (114) in Ausbreitungsrichtung (118) mindestens eines ersten Beleuchtungslichtstrahls (120) und mindestens eines zweiten Beleuchtungslichtstrahls (122) vor einer Pupille (124) und die zweite Linsengruppe (116) hinter der Pupille (124) angeordnet ist, wobei das Objektiv (112) in Ausbreitungsrichtung (118) des ersten Beleuchtungslichtstrahls (120) und des zweiten Beleuchtungslichtstrahls (122) hinter der zweiten Linsengruppe (116) mindestens eine Umlenkvorrichtung (126) aufweist, welche eingerichtet ist, die Ausbreitungsrichtung (118) der Beleuchtungslichtstrahlen (120, 122) zu ändern, wobei die erste Linsengruppe (114) und die zweite Linsengruppe (116) chromatisch aberrative Eigenschaften aufweisen, wobei die erste Linsengruppe (114) und die zweite Linsengruppe (116) eingerichtet sind, Anteile des ersten Beleuchtungslichtstrahls (120) in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei ersten Messpunkten (128) entlang einer optischen Achse (130) des Objektivs (112) zu fokussieren und Anteile des zweiten Beleuchtungslichtstrahls (122) in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei zweiten Messpunkten (132) entlang der optischen Achse (130) des Objektivs (112) zu fokussieren, wobei die erste Linsengruppe (114) eingerichtet ist, einen ersten Farblängsfehler zu erzeugen, wobei die zweite Linsengruppe (116) eingerichtet ist, einen zweiten Farblängsfehler zu erzeugen, wobei sich der erste Farblängsfehler und der zweite Farblängsfehler erheblich unterscheiden, wobei die erste Linsengruppe (114) und die zweite Linsengruppe (116) eingerichtet sind, einen Farbquerfehler zu erzeugen derart, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte (128) und die mindestens zwei zweiten Messpunkte (132) in jeder Messtiefe auf im Wesentlichen parallel zur optischen Achse (130) verlaufenden Geraden (140) angeordnet sind.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft ein Objektiv für einen chromatisch konfokalen Multispotsensor, einen chromatisch konfokalen Multispotsensor und ein Verfahren zur Bestimmung von Koordinaten mindestens zweier verschiedener Bestimmungsorte mindestens eines Messobjekts. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik unter Verwendung eines berührungslosen Koordinatenmessgeräts.
• Stand der Technik
• Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung von Koordinaten mindestens zweier verschiedener Bestimmungsorte eines Messobjekts, insbesondere eines ausgedehnten Messobjekts bekannt. Beispielsweise sind Verfahren für Topografievermessungen, wie zum Beispiel Triangulationsverfahren, Deflektometrie oder Streifenprojektionen bekannt. Diese Verfahren können für vollflächige Messungen über größere Bereiche bis in den Quadratmeterbereich verwendet werden. Jedoch können mit derartigen Verfahren keine für die Koordinatenmesstechnik benötigten Genauigkeiten, beispielsweise bis in den Nanometerbereich, erreicht werden.
• Weiter bekannt sind konfokale und konfokal chromatische Abstandssensoren, so genannte konfokal chromatische Punkt-Sensoren. Bei derartigen Sensoren erfolgt eine Tiefenbestimmung durch eine Auswertung einer Intensitätsverteilung entlang einer Abstandskoordinate z, auch Höhenkoordinate genannt. Konfokal chromatische Sensoren ermöglichen eine Messung der Abstandskoordinate z mit einem einzigen Bild. Grundsätzlich werden bei derartigen Sensoren Messobjektive mit chromatischer Aberration verwendet, welche Anteile eines Lichtstrahls mit verschiedenen Wellenlängen in verschiedenen Fokusebenen entlang einer optischen Achse des Sensors fokussieren. Jeder Wellenlänge des Lichtstrahls kann so eine Abstandskoordinate zugeordnet werden. Wenn sich ein Fokus einer Wellenlänge auf einer Oberfläche des Messobjekts befindet, kann für diese Wellenlänge auf einem Sensorelement des konfokal chromatischen Sensors ein Intensitätsmaximum gemessen werden und so die Tiefe bestimmt werden.
• Weiter bekannt sind konfokal chromatische Multispotsensoren, welche eine parallelisierte Tiefenmessung an vielen verschiedenen Messpunkten gleichzeitig ermöglichen. Beispielsweise wird, wie in FR 2 950 441 A1 beschrieben, eine objektseitig telezentrische Anordnung der Strahlen zu den Messpunkten verwendet. Eine derartige Anordnung stellt sicher, dass ein Messraster in jeder Tiefe das gleiche ist, und ein Einfallswinkel für alle Messpunkte derselbe. Weiter beschreibt US 8 477 320 B2 ein Verfahren zum Messen der Form eines Abschnitts eines halbtransparenten Objekts mit einer Lichtquelle mit einem Breitbandspektrum in einer Vorrichtung zur Erzeugung eines multifokalen Beleuchtungsmusters, einer Linse mit einer großen chromatischen Aberration für die Bildgebung von Foci der Beleuchtungsmuster auf das Objekt und eine Erfassungseinrichtung zur Bestimmung der Wellenlängenspektren der Brennpunkte, welche konfokal auf das Objekt über die Linse abgebildet werden, wobei eine Position eines Spektralpeak für jeden Fokus aus dem jeweiligen Wellenlängenspektrum bestimmt wird, aus welcher ein Ausmaß des Objekt in Richtung des Abbildungsstrahls (Z-Koordinate) berechnet wird.
• Bei einem objektseitig telezentrisch konfokal-chromatischen Multispotsensor ist jedoch durch einen Arbeitsabstand, die Größe eines Messfeldes in radialer Richtung und in z, und die numerische Apertur der Durchmesser einer feldnächsten Optik bereits festgelegt. Beispielsweise ergibt sich bei Verwendung eines Umlenkprismas mit NA = 0.1, Arbeitsabstand 5 mm und Messbereich 10×10×10 mm eine Kantenlänge eines ersten Prismas von etwa 16 mm. Bei Aufgabe der objektseitigen Telezentrie kann die Kantenlänge des Prismas bei ansonsten unveränderten Eigenschaften reduziert werden, ohne dass ein Design des konfokal-chromatischen Multispotsensors wesentlich verändert wird. Nachteilig ist allerdings, dass sich die Größe des Messfeldes mit der Tiefe ändert. Ohne weitere Maßnahmen fallen Hauptstrahlen im Wesentlichen zusammen, so dass bei geringerem Abstand auch das Feld entsprechend kleiner ist, bzw. für den größten Abstand das Messfeld entsprechend vergrößert werden muss, was die Rasterdichte reduziert.
• DE 10 2012 223 873 A1 beschreibt ein chromatisches Punktsensorsystem umfassend einen ersten konfokalen optischen Weg mit einem längsstreuenden Element, das dazu konfiguriert ist, unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedlichen Entfernungen in der Nähe eines Werkstück zu fokussieren; einen zweiten optischen Weg, der dazu konfiguriert ist, unterschiedliche Wellenlängen im Wesentlichen in der gleichen Entfernung in der Nähe des Werkstücks zu fokussieren; eine Lichtquelle, die mit dem ersten konfokalen optischen Weg verbunden ist; eine Lichtquelle, die mit dem zweiten optischen Weg verbunden ist; ein Deaktivierungselement des ersten konfokalen optischen Wegs; ein Deaktivierungselement des zweiten optischen Wegs; und CPS-Elektronik, die einen CPS-Wellenlängendetektor umfasst, der Ausgabespektralprofildaten bereitstellt. Die Ausgabespektralprofildaten des zweiten optischen Wegs sind dazu benutzbar Ausgabespektralprofildaten des ersten konfokalen optischen Wegs in Bezug auf eine entfernungsunabhängige Profilkomponente zu kompensieren, die Fehler aufgrund von Werkstückmaterialauswirkungen aufweist.
• Hillenbrand M. et al., „Parallelized chromatic confocal sensor systems," Proc. SPIE 8788, Optical Measurement Systems for Industrial Inspection VIII, 87880V (13 May 2013); doi: 10.1117/12.2020334, beschreibt einen chromatisch konfokalen Abstandssensor zur parallelen Evaluierung von mehreren lateralen Positionen. Die Multi-Punkt Messung wird mit einem ein- oder zweidimensionalen Detektorarray durchgeführt. Ein erster Sensor kombiniert Konzepte von konfokalem Matrix-Sensing und Snapshot hyperspektral Imaging um ein zweidimensionales Array von lateral entfernten Punkten in einer Aufnahme zu erhalten.
• Aufgabe der Erfindung
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Objektiv für einen chromatisch konfokalen Multispotsensor, einen chromatisch konfokalen Multispotsensor und ein Verfahren bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine Reduzierung einer Baugröße von chromatisch konfokalen Multispotsensoren ermöglicht werden.
• Offenbarung der Erfindung
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
• Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben dem durch diese Begriffe eingeführten Merkmal, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf‟, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
• Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe oder ähnliche Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
• Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
• In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Objektiv für einen chromatisch konfokalen Multispotsensor vorgeschlagen. Unter einem Objektiv kann grundsätzlich ein optisches System, insbesondere ein reell abbildendes optisches System, mit mindestens einem optischen Element verstanden werden. Unter einem chromatisch konfokalen Multispotsensor kann ein chromatisch konfokaler Sensor verstanden werden, bei welchem ein zu untersuchendes Messobjekt gleichzeitig an mehreren Bestimmungsorten beleuchtet wird und so eine gleichzeitige Bestimmung von longitudinalen Koordinaten an mehreren Bestimmungsorten erlaubt. Chromatisch konfokale Multispotsensoren ermöglichen eine parallelisierte Tiefenmessung an vielen Punkten gleichzeitig. Unter einem chromatisch konfokalen Sensor kann grundsätzlich ein optischer Sensor verstanden werden, welcher mindestens einen konfokal chromatischen Strahlengang aufweist. Unter dem Begriff „Strahlengang“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verlauf von Lichtstrahlen durch optische Elemente verstanden werden. Unter einem „chromatisch konfokalen Strahlengang“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Strahlengang verstanden werden, in welchem für mindestens eine Wellenlänge eines Beleuchtungslichtstrahls ein Beleuchtungsstrahlengang und ein Detektionsstrahlengang konfokal sind. Insbesondere kann für mindestens eine Wellenlänge des Beleuchtungslichtstrahls die Bedingung erfüllt sein, dass sich ein erster Fokus auf einem Bestimmungsort auf einer Oberfläche des Messobjekts befindet und sich gleichzeitig ein zweiter Fokus an einem Punkt in einer Mitte eines Blendenelements befindet, welches in einer Ausbreitungsrichtung eines von dem Messobjekt remittierten Lichtstrahls vor einem Sensorelement angeordnet ist. Der konfokal chromatische Sensor kann eingerichtet sein, ein Messobjekt, insbesondere eine Oberfläche und/oder eine Oberflächenkontur eines Messobjekts, zu vermessen. Insbesondere kann der konfokal chromatische Sensor ein berührungsloser Abstandssensor im Bereich der Koordinatenmesstechnik sein oder kann in einem berührungslosen Abstandssensor verwendet werden.
• Unter einem Messobjekt kann dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebig geformtes zu vermessendes Objekt verstanden werden. Beispielsweise kann das Messobjekt ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus einem Prüfling, einem zu vermessenden Werkstück und einem zu vermessenden Bauteil, beispielsweise einem Kraftfahrzeug. Auch andere Messobjekte sind jedoch denkbar. Insbesondere kann es sich bei dem Messobjekt um ein flächiges Messobjekt handeln, beispielsweise mit einer ausgedehnten Oberfläche. Die Oberfläche kann zumindest teilweise reflektierend sein. Unter teilweise reflektierend kann verstanden werden, dass die Oberfläche des Messobjekts eingerichtet ist, zumindest einen Anteil eines Beleuchtungslichtstrahl zu spiegeln und/oder zu remittieren.
• Das Objektiv weist mindestens eine erste Linsengruppe und mindestens eine zweite Linsengruppe auf. Die erste Linsengruppe ist in Ausbreitungsrichtung mindestens eines ersten Beleuchtungslichtstrahls und mindestens eines zweiten Beleuchtungslichtstrahls vor einer Pupille und die zweite Linsengruppe hinter der Pupille angeordnet. Das Objektiv weist in Ausbreitungsrichtung des ersten Beleuchtungslichtstrahls und des zweiten Beleuchtungslichtstrahls hinter der zweiten Linsengruppe mindestens eine Umlenkvorrichtung auf, welche eingerichtet ist, die Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungslichtstrahlen zu ändern. Die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe weisen chromatisch aberrative Eigenschaften auf. Die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe sind eingerichtet, Anteile des ersten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei ersten Messpunkten entlang einer optischen Achse des Objektivs zu fokussieren und Anteile des zweiten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei zweiten Messpunkten entlang der optischen Achse des Objektivs zu fokussieren. Unter „entlang der optischen Achse zu fokussieren“ kann eine Fokussierung in Richtung der optischen Achse, insbesondere auf der optischen Achse oder parallel zu der optischen Achse, verstanden werden. Die erste Linsengruppe ist eingerichtet, einen ersten Farblängsfehler zu erzeugen. Die zweite Linsengruppe ist eingerichtet, einen zweiten Farblängsfehler zu erzeugen. Der erste Farblängsfehler und der zweite Farblängsfehler unterscheiden sich erheblich. Die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe sind eingerichtet, einen Farbquerfehler zu erzeugen derart, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte und die mindestens zwei zweiten Messpunkte in jeder Messtiefe auf im Wesentlichen parallel zur optischen Achse verlaufenden Geraden angeordnet sind.
• Unter einer Linsengruppe kann ein optisches Element verstanden werden, welches mindestens zwei Linsenelemente aufweist. Die erste Linsengruppe kann als erste Abbildungsoptik bezeichnet werden und die zweite Linsengruppe als zweite Abbildungsoptik. Die erste und die zweite Linsengruppe können eine Vielzahl von Linsenelementen aufweisen. Die Linsenelemente können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einer konkav-konvexen Linse, mindestens einer konvex-konkaven Linse, mindestens einer bikonvexen Linse, mindestens einer plan-konvexen Linse. Die Bezeichnungen „erste“ und „zweite“ sind als reine Bezeichnungen zu verstehen und geben insbesondere keinen Aufschluss über eine Reihenfolge oder ob das Objektiv weitere optische Elemente, insbesondere Linsengruppen, aufweist. Das Objektiv kann eine Vielzahl von Linsenelementen, insbesondere Linsengruppen oder einzelne Linsenelemente, aufweisen, beispielsweise eine dritte und eine vierte Linsengruppe.
• Die erste Linsengruppe ist in Ausbreitungsrichtung des mindestens eines ersten Beleuchtungslichtstrahls und des mindestens eines zweiten Beleuchtungslichtstrahls vor der Pupille und die zweite Linsengruppe hinter der Pupille angeordnet. Unter einer Pupille kann eine Blende verstanden werden, welche einen Strahlungskegel des Beleuchtungslichtstrahls begrenzt, oder ein Bild davon, d.h. die Pupille kann eine reelle oder virtuelle Pupille sein. Die Bezeichnung „vor“ bzw. „nach“ bezieht sich auf den Strahlengang in Beleuchtungsrichtung.
• Das Objektiv weist in Ausbreitungsrichtung des ersten Beleuchtungslichtstrahls und des zweiten Beleuchtungslichtstrahls hinter der zweiten Linsengruppe mindestens eine Umlenkvorrichtung auf. Die Umlenkvorrichtung ist eingerichtet, die Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungslichtstrahlen zu ändern, insbesondere in eine vorbestimmte oder vorbestimmbare Richtung umzulenken. Die Umlenkvorrichtung kann eingerichtet sein, die Beleuchtungslichtstrahlen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung umzulenken. Auch andere Richtungsänderungen sind jedoch denkbar. Unter einer Umlenkvorrichtung kann ein grundsätzlich beliebiges optisches Element verstanden werden, welches eingerichtet ist, die Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungslichtstrahlen in eine vorbestimmte oder vorbestimmbare Richtung zu ändern. Die Umlenkvorrichtung kann ein Element aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Prisma, insbesondere einem Umlenkprisma, einem Spiegel. Beispielsweise kann die Umlenkvorrichtung ein Prisma sein mit einer Kantenlänge von 16 mm. Bevorzugt kann die Kantenlänge kleiner als 16 mm sein, beispielsweise kann die Kantenlänge 12 mm sein. Auch andere Kantenlängen sind jedoch denkbar, insbesondere kürzere Kantenlängen. Beispielsweise kann die Kantenlänge im Verhältnis zur Größe des Messvolumens < 1.2 wie hier im Ausführungsbeispiel, idealerweise sogar < 1, sein.
• Die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe weisen chromatisch aberrative Eigenschaften auf. Unter dem Ausdruck „chromatisch aberrative“ Eigenschaften kann verstanden werden, dass die Linsengruppen eingerichtet sein können, Anteile des Beleuchtungslichtstrahls wellenlängenabhängig zu trennen. Beispielsweise können die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe mindestens eine Linse mit chromatischer Aberration aufweisen. Die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe sind eingerichtet, Anteile des ersten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei ersten Messpunkten entlang einer optischen Achse des Objektivs zu fokussieren und Anteile des zweiten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei zweiten Messpunkten entlang der optischen Achse des Objektivs zu fokussieren. Unter einem „Messpunkt“ kann ein Punkt verstanden werden, an welchem ein Anteil eines der Beleuchtungslichtstrahlen fokussiert wird. Die Bezeichnungen „erste“ und „zweite“ Messpunkte sind als reine Bezeichnungen zu verstehen und geben insbesondere keinen Aufschluss über eine Reihenfolge oder ob weitere Messpunkte vorgesehen sind. Die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe können ein hyperchromatisches optisches System bilden. Die mindestens zwei ersten Messpunkte können in verschiedenen Fokusebenen angeordnet sein. Die mindestens zwei zweiten Messpunkte können in verschiedenen Fokusebenen angeordnet sein. Unter einer Fokusebene, auch Brennebene genannt, kann eine Ebene senkrecht zur optischen Achse verstanden werden, in welcher mindestens ein Fokuspunkt, auch Brennpunkt genannt, des hyperchromatischen optischen Systems für mindestens eine Wellenlänge angeordnet ist. Insbesondere kann das hyperchromatische optische System eingerichtet sein, eine Vielzahl von Anteilen der Beleuchtungslichtstrahlen in Abhängigkeit von der Wellenlänge an einer Vielzahl von verschiedenen Fokusebenen entlang der optischen Achse zu fokussieren. Beispielsweise kann ein erster Anteil des ersten Beleuchtungslichtstrahls mit einer ersten Wellenlänge in einer ersten Fokusebene, beispielsweise an dem ersten ersten Messpunkt, insbesondere einer ersten z-Koordinate, fokussiert werden, und ein zweiter Anteil des ersten Beleuchtungslichtstrahls mit einer zweiten Wellenlänge, welche von der ersten Wellenlänge verschieden ist, kann in einer zweiten Fokusebene, beispielsweise dem zweiten ersten Messpunkt, insbesondere einer zweiten z-Koordinate, welcher von dem ersten ersten Messpunkt verschieden ist, fokussiert werden. Beispielsweise kann ein erster Anteil des zweiten Beleuchtungslichtstrahls mit einer ersten Wellenlänge in einer ersten Fokusebene, beispielsweise an dem zweiten ersten Messpunkt, insbesondere einer ersten z-Koordinate, fokussiert werden, und ein zweiter Anteil des zweiten Beleuchtungslichtstrahls mit einer zweiten Wellenlänge, welche von der ersten Wellenlänge verschieden ist, kann in einer zweiten Fokusebene, beispielsweise dem zweiten zweiten Messpunkt, insbesondere einer zweiten z-Koordinate, welcher von dem zweiten ersten Messpunkt verschieden ist, fokussiert werden. Das Objektiv kann chromatisch unkorrigiert sein.
• Unter „Licht“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung elektromagnetische Strahlung in mindestens einem Spektralbereich ausgewählt aus dem sichtbaren Spektralbereich, dem ultravioletten Spektralbereich und dem Infraroten Spektralbereich verstanden werden. Der Begriff sichtbarer Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 380 nm bis 780 nm. Der Begriff Infraroter (IR) Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 780 nm bis 1000 µm, wobei der Bereich von 780 nm bis 1.4 µm als nahes Infrarot (NIR), und der Bereich von 15 µm bis 1000 µm als fernes Infrarot (FIR) bezeichnet wird. Der Begriff ultraviolett umfasst grundsätzlich einen Spektralbereich von 100 nm to 380 nm. Bevorzugt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung sichtbares Licht, also Licht aus dem sichtbaren Spektralbereich, verwendet. Unter dem Begriff „Lichtstrahl“ kann grundsätzlich eine Lichtmenge verstanden werden, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder ausgesandt wird. Der Lichtstrahl kann ein Strahlenbündel sein. Unter dem Begriff „Beleuchtungslichtstrahl“ kann ein Lichtstrahl verstanden werden, welcher das Messobjekt, insbesondere die Oberfläche des Messobjekts, beleuchtet. Der erste und zweite Beleuchtungslichtstrahl können von einer Beleuchtungsvorrichtung erzeugt werden. Beispielsweise können der erste und zweite Beleuchtungslichtstrahl als getrennte, insbesondere räumlich getrennte, Lichtstrahlen von der Beleuchtungsvorrichtung erzeugt werden. Beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet sein, einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen, welcher unter Verwendung von optischen Elementen, beispielsweise Blendenelementen mit einer Vielzahl von Lochelementen, in mindestens zwei Beleuchtungslichtstrahlen aufgeteilt werden kann.
• Die erste Linsengruppe ist eingerichtet, einen ersten Farblängsfehler zu erzeugen. Die zweite Linsengruppe ist eingerichtet, einen zweiten Farblängsfehler zu erzeugen. Unter einem Farblängsfehler kann eine Abbildungseigenschaft verstanden werden, derart, dass zwei Anteile eines Lichtstrahls mit unterschiedlicher Wellenlänge an zwei verschiedene Fokuspunkt in Abhängigkeit von der Wellenlänge fokussiert werden. Der erste Farblängsfehler und der zweite Farblängsfehler unterscheiden sich erheblich. Unter „erheblich unterscheiden“ kann verstanden werden, dass der erste Farblängsfehler und der zweite Farblängsfehler entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen und/oder sich mindestens um einen Faktor 3 unterscheiden. Der von den Linsengruppen vor und nach der Pupille, oder den jeweils feldnächsten Gruppen, erzeugte Farblängsfehler kann sich um mindestens einen Faktor 3, bevorzugt um einem Faktor 5 und besonders bevorzugt um einen Faktor 10 unterscheiden. Besonders bevorzugt kann eine Ausgestaltung sein, in welcher der erste Farblängsfehler und der zweite Farblängsfehler entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen. Die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe können weiter eingerichtet sein zusätzliche Bedingungen für ein sekundäres Spektrum zu erfüllen.
• Die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe sind eingerichtet, einen Farbquerfehler zu erzeugen derart, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte und die mindestens zwei zweiten Messpunkte in jeder Messtiefe auf im Wesentlichen parallel zur optischen Achse verlaufenden Geraden angeordnet sind. Unter einem Farbquerfehler kann eine Abbildungseigenschaft verstanden werden, dass ein Abbildungsmaßstab von der Wellenlänge des einfallenden Lichts abhängt. Insbesondere kann der Farbquerfehler wie allgemein üblich in einer festen Bezugsebene gemessen werden. Bezüglich dieser Bezugsebene können die Strahlhöhen der Hauptstrahlen unterschiedlich sein, auch wenn tatsächlich die Bildgröße in der jeweils besten Fokusebene die gleiche ist. Beispielsweise können die Linsengruppen, das System aus erster Linsengruppe und zweiter Linsengruppe, eingerichtet sein, für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich große Bilder zu erzeugen. Unter einer Messtiefe kann ein Abstand von dem Objektiv verstanden werden, insbesondere eine longitudinale Koordinate entlang der optischen Achse. Unter „im Wesentlichen parallel“ kann ein paralleler Verlauf verstanden werden, wobei Abweichungen von einem parallelen Verlauf von 10%, bevorzugt 5% und besonderes bevorzugt 1% möglich sind. Abweichungen von einem parallelen Verlauf können von Fertigung und Justage abhängen. Unter „auf einer Gerade angeordnet“ kann eine Anordnung der ersten Messpunkte und der zweiten Messpunkt verstanden werden, bei welche die ersten Messpunkte und die zweiten Messpunkte auf einer Geraden liegen, wobei Abweichungen von der Geraden, insbesondere sich durch ein sekundäres Spektrum, möglich sind. Insbesondere liegen die ersten Messpunkte und die zweiten Messpunkte im Wesentlichen auf einer Geraden, wenn mehr als zwei Wellenlängen bzw. Tiefenebenen vorliegen. Das Objektiv kann eingerichtet sein eine Korrektur des sekundären Spektrums zu erlauben, insbesondere um Abweichungen von einer Anordnung auf den Geraden zu korrigieren. Insbesondere kann das Objektiv Mittel zur Korrektur des sekundären Spektrums aufweisen, beispielsweise Spezialgläser mit anomaler Teildispersion. Unter „auf im Wesentlichen parallel zur optischen Achse verlaufenden Geraden“ kann verstanden werden, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte und die mindestens zwei zweiten Messpunkte für identische Wellenlängen eine identische longitudinale Koordinate aufweisen. Insbesondere liegen die Messpunkte in jeder Messtiefe auf einem identischen Raster. Beispielsweise können der erste Beleuchtungslichtstrahl und der zweite Beleuchtungslichtstrahl jeweils einen Anteil mit einer ersten Wellenlänge λ₁ und einen Anteil mit einer zweiten Wellenlänge λ₂ aufweisen. Das Objektiv, insbesondere die erste und die zweite Linsengruppe, kann eingerichtet sein, den Anteil des ersten Beleuchtungslichtstrahls mit der ersten Wellenlänge an einem ersten ersten Messpunkt f₁ mit einer longitudinalen Koordinate z₁ zu fokussieren und den Anteil des ersten Beleuchtungslichtstrahls mit der zweiten Wellenlänge an einem ersten zweiten Messpunkt f₂ mit einer longitudinalen Koordinate z₂ zu fokussieren. Das Objektiv, insbesondere die erste und die zweite Linsengruppe, kann eingerichtet sein, den Anteil des zweiten Beleuchtungslichtstrahls mit der ersten Wellenlänge an einem zweiten ersten Messpunkt f₃ mit der longitudinalen Koordinate z₁ zu fokussieren und den Anteil des zweiten Beleuchtungslichtstrahls mit der zweiten Wellenlänge an einem zweiten zweiten Messpunkt f₄ mit der longitudinalen Koordinate z₂ zu fokussieren. Die Messpunkte f₁ und f₂ können derart angeordnet sein, dass sie auf einer ersten Geraden liegen, welche im Wesentlichen parallel zur optischen Achse verläuft. Die Messpunkte f₃ und f₄ können derart angeordnet sein, dass sie auf einer zweiten Geraden liegen, welche im Wesentlichen parallel zur optischen Achse verläuft. Das Objektiv kann eine optische Achse aufweisen. Die optische Achse kann eine optische Achse eines oder mehrerer der optischen Elemente des Objektivs sein. Die optische Achse kann in Blickrichtung eines Sensorelements zeigen. Die optische Achse kann eine Achse eines Koordinatensystems des Objektivs sein, beispielsweise die z-Achse. Unter einer longitudinalen Koordinate, insbesondere einer Abstandskoordinate, kann eine Koordinate entlang der z-Achse verstanden werden. Senkrecht zu der z-Achse können weitere Achsen, beispielsweise x-Achse und y-Achse, vorgesehen sein. Wie oben ausgeführt, weist das Objektiv eine Umlenkvorrichtung auf. Die optische Achse kann eine optische Achse der Umlenkvorrichtung sein.
• Insbesondere kann der Farbquerfehler größer als 10% des Produktes aus Numerischer Apertur NA des Objektivs und eines Tiefenmessbereichs sein. Unter einem „Tiefenmessbereich“ kann ein vorgegebener und/oder einstellbarer und/oder vorbestimmbarer Messbereich verstanden werden, in welchem eine Bestimmung der longitudinalen Koordinate erfolgt. Das Objektiv kann eingerichtet sein, ein Messvolumen von 10×10×10 mm³ bereitzustellen. Der Farbquerfehler kann einem Produkt aus Nichttelezentrie und dem Tiefenmessbereich entsprechen. Unter „Nichttelezentrie“ kann eine Abweichung von einem achsenparallelen Verlauf von Hauptstrahlen in dem Objektiv verstanden werden, insbesondere eine Winkeldifferenz. Beispielsweise kann Farbquerfehler bestimmt werden aus: Farbquerfehler [mm] = tan (Winkeldifferenz) ·Tiefenmessbereich [mm].
• Die erste und zweite Linsengruppe können derart angeordnet sein, dass der erste Beleuchtungslichtstrahl und der zweite Beleuchtungslichtstrahl, insbesondere deren Hauptstrahlen, objektseitig nicht-telezentrisch verlaufen. Das Objektiv kann ein nicht-telezentrisches Objektiv sein. Das Objektiv kann eingerichtet sein, zusätzlich zum Farblängsfehler so viel Farbquerfehler einzuführen, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte und die mindestens zwei zweiten Messpunkte weiterhin auf einem in jeder Messtiefe im Wesentlichen identischem Raster liegen. Unter „im Wesentlichen identischem Raster“ kann verstanden werden, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte und die mindestens zwei zweiten Messpunkte auf einem in jeder Messtiefe identischem Raster liegen, wobei Abweichungen von dem identischen Raster, insbesondere sich durch ein sekundäres Spektrum, möglich sind. Unter „objektseitig nicht-telezentrisch“ kann verstanden werden, dass objektseitig eine Abweichung von einem achsenparallelen Verlauf von Hauptstrahlen in dem Objektiv möglich sind. „objektseitig“ bezieht sich dabei auf das zu messende Objekt und nicht auf das Objekt im Sinne der optischen Abbildung, deren Bild auf dem Messobjekt liegt.
• Wie oben ausgeführt, kann das Objektiv eine Vielzahl von Linsenelementen, insbesondere Linsengruppen oder einzelne Linsenelemente, aufweisen, beispielsweise eine dritte und eine vierte Linsengruppe. Die weiteren Linsenelemente können eingerichtet sein, einen Farbquerfehler und/oder einen Farblängsfehler zu erzeugen. Beispielsweise kann ein weiteres Linsenelement in Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls vor der ersten Linsengruppe angeordnet sein und ein weiteres Linsenelement in Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls hinter der zweiten Linsengruppe angeordnet sein. Die weiteren Linsengruppen können beispielsweise eingerichtet sein, den von der ersten und zweiten Linsengruppe erzeugten Farbquerfehler und/oder Farblängsfehler zu vergrößern. Beispielsweise können die weiteren Linsengruppen einen Farbquerfehler mit gleichem Vorzeichen erzeugen und damit Farblängsfehler mit entgegengesetztem Vorzeichen erzeugen.
• Das Objektiv kann mindestens eine Beleuchtungsblende mit mindestens zwei Beleuchtungsblendenlochelementen aufweisen. Die Beleuchtungsblende kann eine Vielzahl von Beleuchtungsblendenlochelementen aufweisen. Unter einer „Blende“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein optisches Element oder Bauteil des Objektivs verstanden werden, welches eingerichtet ist, eine Ausdehnung eines Strahlenbündels zu begrenzen. Unter einer „Beleuchtungsblende“ kann eine Blende verstanden werden, welche beispielsweise vor der Beleuchtungsvorrichtung angeordnet ist und von der Beleuchtungsvorrichtung beleuchtet wird. Unter einem „Lochelement“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine grundsätzlich beliebig geformte Öffnung verstanden werden. Das Objektiv kann mindestens eine Konfokalblende, auch Detektionslochblende genannt, mit mindestens zwei Konfokalblendenlochelementen aufweisen. Die Beleuchtungsblende und die Konfokalblende können als optische Elemente mit mindestens zwei beliebig geformten und/oder einstellbaren und/oder verstellbaren Öffnungen ausgestaltet sein. Die Beleuchtungsblende und/oder die Konfokalblende können eine Vielzahl von Lochelementen aufweisen, beispielsweise ein Lochraster aus mehreren Löchern. Die Konfokalblende kann eine Vielzahl von Konfokalblendenlochelementen aufweisen. Unter einer „Konfokalblende“ kann eine grundsätzlich beliebige Blende verstanden werden, welche in einer zur Beleuchtungsblende konjugierten Ebene, insbesondere im gleichen Abstand zur ersten Linsengruppe wie die Beleuchtungsblende, entgegen der Beleuchtungsrichtung vor einem Sensorelement angeordnet ist und eingerichtet ist, defokussierte Anteile eines Detektionslichtstrahls, insbesondere stark defokussierte Anteile, auszublenden und fokussierte Anteile durchzulassen. Eine Anordnung, insbesondere eine Position, der Konfokalblende kann anhängig sein vom Messobjekt, einer Lichtmenge und einer gewünschten Auflösung, beispielsweise einer lateralen Auflösung und/oder Auflösung der Abstandsbestimmung. Unter „einem Detektionslichtstrahl“ kann ein Lichtstrahl verstanden werden, welcher von dem Messobjekt, insbesondere von der Oberfläche des Messobjekts, remittiert wird und von einem Sensorelement detektierbar ist. Der Detektionslichtstrahl kann eine Ausbreitungsrichtung aufweisen, so dass der Detektionslichtstrahl die Konfokalblende und das Sensorelement beleuchtet.
• Der Farbquerfehler kann in einer Bildebene, als Querabweichung in einer mittleren Ebene, größer sein als der Durchmesser eines Bildes eines oder beider Konfokalblendenlochelemente. Für eine maximale z-Auflösung kann ein Durchmesser der Löcher typischerweise im Bereich des Durchmessers des Beugungsscheibchens liegen. Ein Abstand zwischen zwei Lochelementen der Beleuchtungsblende und/oder der Konfokalblende kann derart sein, dass Konfokalitätsbedingungen erfüllt sind. Unter Konfokalitätsbedingungen kann die Bedingung verstanden werden, dass defokussierte Anteile des Detektionslichtstrahls ausgeblendet werden und nur fokussierte Anteile in ein Lochelement fallen und durchgelassen werden. Insbesondere kann der Abstand zwischen zwei benachbarten Lochelementen derart sein, dass stark defokussiertes Licht nicht in ein benachbartes Lochelement fällt und durchgelassen wird. Der Abstand zwischen zwei Lochelementen kann derart gewählt werden, dass sich Spektren der Lochelemente überlappen.
• Das Objektiv kann mindestens eine Transfervorrichtung aufweisen. Die Transfervorrichtung kann als Teil einer der Linsengruppen ausgestaltet sein oder ein als ein separates Element. Die Transfervorrichtung kann eingerichtet sein, von der Beleuchtungsvorrichtung erzeugtes Licht auf das Messobjekt, insbesondere auf die Oberfläche des Messobjekts, zu führen und/oder zu lenken. Weiter kann die Transfervorrichtung eingerichtet sein, von dem Messobjekt remittiertes und/oder reflektiertes Licht auf die Konfokalblende zu führen und/oder zu lenken. Die Transfervorrichtung kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Strahlteiler; mindestens einer Linse, mindestens einer Linsengruppe.
• In einem weiteren Aspekt wird ein chromatisch konfokaler Multispotsensor zur Bestimmung von longitudinalen Koordinaten von mindestens zwei verschiedenen Bestimmungsorten mindestens eines Messobjekts vorgeschlagen. Der chromatisch konfokale Multispotsensor umfasst mindestens ein erfindungsgemäßes Objektiv nach einem der oben oder weiter unten beschriebenen Ausführungsformen. Für Einzelheiten in Bezug auf den chromatisch konfokalen Multispotsensor wird auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Objektivs verwiesen.
• Unter dem Ausdruck „Bestimmungsort“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein grundsätzlich beliebiger Ort, insbesondere ein Punkt oder eine Fläche, auf der zu vermessenden Oberfläche des Messobjekts verstanden werden, an welchem eine Bestimmung einer longitudinalen Koordinate erfolgt. Beispielsweise kann ein Bestimmungsort ein Messpunkt auf der Oberfläche des Messobjekts sein. Unter „verschiedenen Bestimmungsorten“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine räumliche Trennung, beispielsweise in mindestens einer Raumrichtung, der Bestimmungsorte auf der Oberfläche verstanden werden, wobei sich die Bestimmungsorte zumindest teilweise überlappen dürfen. Unter „zumindest teilweise überlappen“ kann verstanden werden, dass die Bestimmungsorte nicht vollständig kongruent sind. Unter Koordinaten eines Messobjekts können im Rahmen der vorliegenden Erfindung Koordinaten auf der zu vermessenden Oberfläche des Messobjekts verstanden werden, insbesondere Abstandskoordinaten. Zu diesem Zweck können ein oder mehrere Koordinatensysteme verwendet werden. Beispielsweise kann ein kartesisches Koordinatensystem oder ein Kugelkoordinatensystem verwendet werden. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Unter einer Bestimmung einer Koordinate kann insbesondere eine Bestimmung eines Abstandes zwischen dem jeweiligen Bestimmungsort des Messobjekts und dem chromatisch konfokalen Multispotsensor verstanden werden, beispielsweise ein Abstand zwischen dem jeweiligen Bestimmungsort des Messobjekts und mindestens einem Element des chromatisch konfokalen Multispotsensors, insbesondere dem Sensorelement und/oder mindestens einer Konfokalblende. Der chromatisch konfokale Multispotsensor kann eingerichtet sein, jeweils mindestens eine Koordinate an einer Vielzahl von Bestimmungsorten zu bestimmen, insbesondere gleichzeitig.
• Der chromatisch konfokale Multispotsensor kann mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine polychromatische Lichtquelle und/oder mindestens eine Weißlichtquelle und/oder mindestens eine spektral breitbandige Lichtquelle aufweisen. Unter einer Beleuchtungsvorrichtung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, mindestens einen Lichtstrahl zu erzeugen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine polychromatische Lichtquelle und/oder mindestens eine Weißlichtquelle und/oder mindestens eine breitbandige Lichtquelle aufweisen. Die Lichtquelle kann eine breite und gleichmäßig verteilte spektrale Dichte aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung kann eingerichtet sein, das Messobjekt durch die Beleuchtungsblende hindurch zu beleuchten. Unter „das Messobjekt hindurch zu beleuchten“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden werden, dass die Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet ist, die Beleuchtungsblende zu beleuchten und weiterhin die Oberfläche, insbesondere einen Punkt oder eine Fläche auf der Oberfläche, des Messobjekts zu beleuchten. Die Beleuchtungsvorrichtung kann weiterhin mindestens ein weiteres optisches Element, insbesondere eine Linse, aufweisen, welches eingerichtet ist, den von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahl zu fokussieren.
• Der chromatisch konfokale Multispotsensor weist mindestens ein Sensorelement auf, wobei das Sensorelement eingerichtet ist, mindestens zwei von den zwei Bestimmungsorten reflektierten Detektionslichtstrahlen zu detektieren. Die Konfokalblende kann eingerichtet sein, das Sensorelement zu beleuchten. Für mindestens eine Wellenlänge des Beleuchtungslichtstrahls kann sich ein Fokus auf der Oberfläche des Messobjekts befinden. Gleichzeitig kann ein Anteil des Detektionslichtstrahls für diese Wellenlänge derart in mindestens einem Lochelement, insbesondere in genau einem Lochelement, der Konfokalblende fokussiert sein, dass die Intensität auf dem Sensorelement maximal wird. Die Konfokalblende kann eingerichtet sein, alle weiteren nicht fokussierten spektralen Anteile des Detektionslichtstrahls auszublenden. Unter einem „Sensorelement“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, um mindestens eine optische Messgröße, beispielsweise eine Intensität, des Detektionslichtstrahls, zu erfassen und ein entsprechendes Signal zu generieren, beispielsweise ein elektrisches Signal, beispielsweise ein analoges und/oder ein digitales Signal.
• Der chromatisch konfokale Multispotsensor kann mindestens eine Auswerteeinheit aufweisen, welche eingerichtet ist, jeweils mindestens eine spektrale Intensitätsverteilung der Detektionslichtstrahlen zu bestimmen und aus der jeweiligen spektralen Intensitätsverteilung eine longitudinale Koordinate des jeweiligen Bestimmungsortes des Messobjekts zu bestimmen. Unter einer „spektralen Intensitätsverteilung“ kann eine Verteilung der Intensität des Detektionslichtstrahls als Funktion der Wellenlänge verstanden werden. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um ein Maximum der jeweiligen spektralen Intensitätsverteilung zu bestimmen, einer Wellenlänge zuzuordnen und aus der zugeordneten Wellenlänge die longitudinale Koordinate des Bestimmungsortes des Messobjekts zu bestimmen. Das Sensorelement kann eingerichtet sein, mindestens eine Spektralverteilung zu bestimmen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um mindestens ein Intensitätsmaximum der Spektralverteilung zu bestimmen und dem Intensitätsmaximum eine Wellenlänge zuzuordnen. Unter einer Bestimmung einer Spektralverteilung kann eine Messung und/oder Bestimmung der Intensität des Detektionslichtstrahls als Funktion der Wellenlänge verstanden werden. Die Spektralverteilung kann eine Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von einer Wellenlänge umfassen. Das Sensorelement kann ein spektral auflösender Detektor sein und/oder umfassen. Insbesondere kann das Sensorelement ein Spektrometer sein und/oder umfassen. Das Sensorelement kann mindestens einen multi-spektralen Sensor aufweisen.
• Unter „einer Auswerteeinheit“ kann dabei allgemein eine elektronische Vorrichtung verstanden sein, welche eingerichtet ist, um von dem Sensorelement erzeugte Signale auszuwerten. Beispielsweise können zu diesem Zweck eine oder mehrere elektronische Verbindungen zwischen dem Sensorelement und der Auswerteeinheit vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht-flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um das Sensorelement anzusteuern. Die Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Auswerteeinheit kann ganz oder teilweise in das Sensorelement integriert sein. Das Sensorelement kann beispielsweise direkt oder indirekt mit der Auswerteeinheit verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteeinheit jedoch auch ganz oder teilweise am Ort des Sensorelements angeordnet sein, beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers, und/oder kann ganz oder teilweise in das Sensorelement integriert sein.
• Wie oben ausgeführt, kann der Abstand zwischen zwei Lochelementen derart gewählt werden, dass sich Spektren der Lochelemente überlappen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, überlappende räumliche und spektrale Informationen zu trennen, insbesondere mit mindestens einem algorithmischen Verfahren.
• In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung von longitudinalen Koordinaten mindestens zweier verschiedener Bestimmungsorte mindestens eines Messobjekts vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
• - Erzeugen mindestens eines ersten Beleuchtungslichtstrahls und eines zweiten Beleuchtungslichtstrahls mit mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung;
• - Beleuchten des Messobjekts mit den Beleuchtungslichtstrahlen durch eine Beleuchtungsblende mit mindestens zwei Beleuchtungslochelementen an den mindestens zwei Bestimmungsorten;
• - Fokussieren von Anteilen des ersten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei ersten Messpunkten entlang einer optischen Achse des Objektivs und Fokussieren von Anteilen des zweiten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei zweiten Messpunkten entlang der optischen Achse des Objektivs; wobei die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe chromatisch aberrative Eigenschaften aufweisen;
• - Erzeugen eines ersten Farblängsfehler mit der ersten Linsengruppe und Erzeugen eines zweiten Farblängsfehlers mit der zweiten Linsengruppe, wobei sich der erste Farblängsfehler und der zweite Farblängsfehler erheblich unterscheiden,
• - Erzeugen eines Farbquerfehlers mit der ersten Linsengruppe und der zweite Linsengruppe derart, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte und die mindestens zwei zweiten Messpunkte in jeder Messtiefe auf im Wesentlichen parallel zur optischen Achse verlaufenden Geraden angeordnet sind.
• Hierbei können die Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden.
• In dem Verfahren kann jeweils mindestens ein von den Bestimmungsorten reflektierter Detektionslichtstrahl mit einem Sensorelement detektiert werden. In dem Verfahren kann jeweils mindestens eine spektrale Intensitätsverteilung der Detektionslichtstrahlen bestimmt werden und aus der jeweiligen spektralen Intensitätsverteilung eine longitudinale Koordinate des jeweiligen Bestimmungsorts des Messobjekts bestimmt werden.
• In dem Verfahren kann ein erfindungsgemäßer chromatisch konfokaler Multispotsensor verwendet werden. Für Einzelheiten in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren wird auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen chromatisch konfokalen Multispotsensors verwiesen.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen vorteilhaft. Durch Zulassen von Farbquerfehler kann eine Reduzierung einer Baugröße von chromatisch konfokalen Multispotsensoren ermöglicht werden. Durch eine Aufgabe von objektseitiger Telezentrie kann eine Reduzierung einer Kantenlänge einer Umlenkvorrichtung ermöglicht werden. Beispielsweise kann es möglich sein, ein Prisma als Umlenkvorrichtung mit einer reduzierten Kantenlänge von 12 mm zu verwenden bei gleichbleibendem Tiefenmessbereich.
• Zusammenfassend sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgende Ausführungsformen besonders bevorzugt:
• Ausführungsform 1: Objektiv für einen chromatisch konfokalen Multispotsensor, wobei das Objektiv mindestens eine erste Linsengruppe und mindestens eine zweite Linsengruppe aufweist, wobei die erste Linsengruppe in Ausbreitungsrichtung mindestens eines ersten Beleuchtungslichtstrahls und mindestens eines zweiten Beleuchtungslichtstrahls vor einer Pupille und die zweite Linsengruppe hinter der Pupille angeordnet ist, wobei das Objektiv in Ausbreitungsrichtung des ersten Beleuchtungslichtstrahls und des zweiten Beleuchtungslichtstrahls hinter der zweiten Linsengruppe mindestens eine Umlenkvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, die Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungslichtstrahlen zu ändern, wobei die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe chromatisch aberrative Eigenschaften aufweisen, wobei die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe eingerichtet sind, Anteile des ersten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei ersten Messpunkten entlang einer optischen Achse des Objektivs zu fokussieren und Anteile des zweiten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei zweiten Messpunkten entlang der optischen Achse des Objektivs zu fokussieren, wobei die erste Linsengruppe eingerichtet ist, einen ersten Farblängsfehler zu erzeugen, wobei die zweite Linsengruppe eingerichtet ist, einen zweiten Farblängsfehler zu erzeugen, wobei sich der erste Farblängsfehler und der zweite Farblängsfehler erheblich unterscheiden, wobei die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe eingerichtet sind, einen Farbquerfehler zu erzeugen derart, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte und die mindestens zwei zweiten Messpunkte in jeder Messtiefe auf im Wesentlichen parallel zur optischen Achse verlaufenden Geraden angeordnet sind. Ausführungsform 2: Objektiv nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die mindestens zwei ersten Messpunkte und die mindestens zwei zweiten Messpunkte in jeder Messtiefe auf einem identischen Raster liegen.
• Ausführungsform 3: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe derart angeordnet sind, dass der erste Beleuchtungslichtstrahl und der zweite Beleuchtungslichtstrahl objektseitig nicht-telezentrisch verlaufen.
• Ausführungsform 4: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Objektiv chromatisch unkorrigiert ist.
• Ausführungsform 5: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Objektiv mindestens eine Beleuchtungsblende mit mindestens zwei Beleuchtungsblendenlochelementen aufweist.
• Ausführungsform 6: Objektiv nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Beleuchtungsblende eine Vielzahl von Beleuchtungsblendenlochelementen aufweist.
• Ausführungsform 7: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Objektiv mindestens eine Konfokalblende mit mindestens zwei Konfokalblendenlochelementen aufweist, wobei der Farbquerfehler in einer Bildebene größer ist als der Durchmesser eines Bildes eines oder beider Konfokalblendenlochelemente.
• Ausführungsform 8: Objektiv nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Konfokalblende eine Vielzahl von Konfokalblendenlochelementen aufweist.
• Ausführungsform 9: Objektiv nach einer der vier vorhergehenden Ausführungsformen, wobei ein Abstand zwischen zwei Lochelementen der Beleuchtungsblende und der Konfokalblende derart ist, dass Konfokalitätsbedingungen erfüllt sind.
• Ausführungsform 10: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Farbquerfehler größer als 10% des Produktes aus Numerischer Apertur NA des Objektivs und eines Tiefenmessbereichs ist.
• Ausführungsform 11: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Farbquerfehler einem Produkt aus Nichttelezentrie und dem Tiefenmessbereich entspricht.
• Ausführungsform 12: Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die von den Linsengruppen vor und nach der Pupille erzeugten Farblängsfehler ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen oder sich bei gleichem Vorzeichen um mindestens einen Faktor 3, bevorzugt um einem Faktor 5 und besonders bevorzugt um einen Faktor 10 unterscheiden.
• Ausführungsform 13: Chromatisch konfokaler Multispotsensor zur Bestimmung von longitudinalen Koordinaten von mindestens zwei verschiedenen Bestimmungsorten mindestens eines Messobjekts umfassend mindestens ein Objektiv nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen.
• Ausführungsform 14: Chromatisch konfokaler Multispotsensor nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der chromatisch konfokale Multispotsensor mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen.
• Ausführungsform 15: Chromatisch konfokaler Multispotsensor nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Beleuchtungsvorrichtung mindestens eine polychromatische Lichtquelle und/oder mindestens eine Weißlichtquelle und/oder mindestens eine spektral breitbandige Lichtquelle aufweist.
• Ausführungsform 16: Chromatisch konfokaler Multispotsensor nach einem der drei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet ist, das Messobjekt durch die Beleuchtungsblende zu beleuchten.
• Ausführungsform 17: Chromatisch konfokaler Multispotsensor nach einem der drei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der chromatisch konfokale Multispotsensor mindestens ein Sensorelement aufweist, wobei das Sensorelement eingerichtet ist, mindestens zwei von den zwei Bestimmungsorten reflektierten Detektionslichtstrahlen zu detektieren.
• Ausführungsform 18: Chromatisch konfokaler Multispotsensor nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei der chromatisch konfokale Multispotsensor mindestens eine Auswerteeinheit aufweist, welche eingerichtet ist, jeweils mindestens eine spektrale Intensitätsverteilung der Detektionslichtstrahlen zu bestimmen und aus der jeweiligen spektralen Intensitätsverteilung eine longitudinale Koordinate des jeweiligen Bestimmungsortes des Messobjekts zu bestimmen.
• Ausführungsform 19: Chromatisch konfokaler Multispotsensor nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, um ein Maximum der jeweiligen spektralen Intensitätsverteilung zu bestimmen, einer Wellenlänge zuzuordnen und aus der zugeordneten Wellenlänge die longitudinale Koordinate des Bestimmungsortes des Messobjekts zu bestimmen.
• Ausführungsform 20: Verfahren zur Bestimmung von longitudinalen Koordinaten mindestens zweier verschiedener Bestimmungsorte mindestens eines Messobjekts, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
  • - Erzeugen mindestens eines ersten Beleuchtungslichtstrahls und eines zweiten Beleuchtungslichtstrahls mit mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung;
  • - Beleuchten des Messobjekts mit den Beleuchtungslichtstrahlen durch eine Beleuchtungsblende mit mindestens zwei Beleuchtungslochelementen an den mindestens zwei Bestimmungsorten;
  • - Fokussieren von Anteilen des ersten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei ersten Messpunkten entlang einer optischen Achse des Objektivs und Fokussieren von Anteilen des zweiten Beleuchtungslichtstrahls in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei zweiten Messpunkten entlang der optischen Achse des Objektivs; wobei die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe chromatisch aberrative Eigenschaften aufweisen;
  • - Erzeugen eines ersten Farblängsfehlers mit der ersten Linsengruppe und Erzeugen eines zweiten Farblängsfehlers mit der zweiten Linsengruppe, wobei sich der erste Farblängsfehler und der zweite Farblängsfehler erheblich unterscheiden,
  • - Erzeugen eines Farbquerfehlers mit der ersten Linsengruppe und der zweite Linsengruppe derart, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte und die mindestens zwei zweiten Messpunkte in jeder Messtiefe auf im Wesentlichen parallel zur optischen Achse verlaufenden Geraden angeordnet sind.
• Ausführungsform 21: Verfahren nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei jeweils mindestens ein von den Bestimmungsorten reflektierter Detektionslichtstrahl mit einem Sensorelement detektiert wird, wobei jeweils mindestens eine spektrale Intensitätsverteilung der Detektionslichtstrahlen bestimmt wird und aus der jeweiligen spektralen Intensitätsverteilung eine longitudinale Koordinate des jeweiligen Bestimmungsorts des Messobjekts bestimmt wird.
• Ausführungsform 22: Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei ein chromatisch konfokaler Multispotsensor nach einem der vorhergehenden einen chromatisch konfokalen Multispotsensor betreffenden Ansprüche verwendet wird.
• Figurenliste
• Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in der Figur schematisch dargestellt.
• Im Einzelnen zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen chromatisch konfokalen Multispotsensors.
• Ausführungsbeispiele
• 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen chromatisch konfokalen Multispotsensors 110. Der chromatisch konfokale Multispotsensor weist ein Objektiv 112 auf. Das Objektiv 112 weist mindestens eine erste Linsengruppe 114 und mindestens eine zweite Linsengruppe 116 auf. Die erste Linsengruppe 114 ist in Ausbreitungsrichtung 118 mindestens eines ersten Beleuchtungslichtstrahls 120 und mindestens eines zweiten Beleuchtungslichtstrahls 122 vor einer Pupille 124 und die zweite Linsengruppe 116 hinter der Pupille angeordnet. Die erste Linsengruppe 114 und die zweite Linsengruppe 116 können eine Vielzahl von Linsenelementen aufweisen. Die Linsenelemente können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einer konkav-konvexen Linse, mindestens einer konvex-konkaven Linse, mindestens einer bikonvexen Linse, mindestens einer plan-konvexen Linse. Das Objektiv 112 kann eine Vielzahl von Linsenelementen, insbesondere Linsengruppen oder einzelne Linsenelemente, aufweisen, beispielsweise eine dritte und eine vierte Linsengruppe.
• Das Objektiv 112 weist in Ausbreitungsrichtung 118 des ersten Beleuchtungslichtstrahls 120 und des zweiten Beleuchtungslichtstrahls 122 hinter der zweiten Linsengruppe 116 mindestens eine Umlenkvorrichtung 126 auf. Die Umlenkvorrichtung 126 ist eingerichtet, die Ausbreitungsrichtung der Beleuchtungslichtstrahlen 120, 122 zu ändern, insbesondere in eine vorbestimmte oder vorbestimmbare Richtung umzulenken. Die Umlenkvorrichtung 126 kann eingerichtet sein, die Beleuchtungslichtstrahlen 120, 122 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 118 umzulenken. Auch andere Richtungsänderungen sind jedoch denkbar. Die Umlenkvorrichtung 116 kann ein Element aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Prisma, insbesondere einem Umlenkprisma, einem Spiegel. Beispielsweise kann die Umlenkvorrichtung ein Prisma sein mit einer Kantenlänge von 16 mm. Bevorzugt kann die Kantenlänge kleiner als 16 mm sein, beispielsweise kann die Kantenlänge 12 mm sein. Auch andere Kantenlängen sind jedoch denkbar.
• Die erste Linsengruppe 114 und die zweite Linsengruppe 116 weisen chromatisch aberrative Eigenschaften auf. Die erste Linsengruppe 114 und die zweite Linsengruppe 116, insbesondere ein System aus erster Linsengruppe 114 und zweiter Linsengruppe 116, sind eingerichtet, Anteile des ersten Beleuchtungslichtstrahls 120 in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei ersten Messpunkten 128 entlang einer optischen Achse 130 des Objektivs 112 zu fokussieren und Anteile des zweiten Beleuchtungslichtstrahls 122 in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei zweiten Messpunkten 132 entlang der optischen Achse 130 zu fokussieren. Die erste Linsengruppe 114 und die zweite Linsengruppe 116 weisen chromatisch aberrative Eigenschaften auf. In 1 ist ein Ausführungsbeispiels gezeigt, in welchem die erste Linsengruppe 114 und die zweite Linsengruppe, insbesondere das System aus erster und zweiter Linsengruppe, den ersten Beleuchtungslichtstrahl 120 an drei ersten Messpunkten und den zweiten Beleuchtungslichtstrahl 122 an drei zweiten Messpunkten fokussiert. Die erste Linsengruppe 114 und die zweite Linsengruppe 116 können ein hyperchromatisches optisches System bilden. Die mindestens zwei ersten Messpunkte 128 können in verschiedenen Fokusebenen angeordnet sein. Die mindestens zwei zweiten Messpunkte 132 können in verschiedenen Fokusebenen angeordnet sein. Insbesondere kann das hyperchromatische optische System eingerichtet sein, eine Vielzahl von Anteilen der Beleuchtungslichtstrahlen 120, 122 in Abhängigkeit von der Wellenlänge an einer Vielzahl von verschiedenen Fokusebenen entlang der optischen Achse 130 zu fokussieren. Beispielsweise kann ein erster Anteil des ersten Beleuchtungslichtstrahls 120 mit einer ersten Wellenlänge in einer ersten Fokusebene, beispielsweise an dem ersten ersten Messpunkt 134, insbesondere einer ersten z-Koordinate, fokussiert werden, und ein zweiter Anteil des ersten Beleuchtungslichtstrahls 120 mit einer zweiten Wellenlänge, welche von der ersten Wellenlänge verschieden ist, kann in einer zweiten Fokusebene, beispielsweise dem zweiten ersten Messpunkt 136, insbesondere einer zweiten z-Koordinate, welcher von dem ersten ersten Messpunkt 134 verschieden ist, fokussiert werden. Beispielsweise kann ein erster Anteil des zweiten Beleuchtungslichtstrahls 122 mit einer ersten Wellenlänge in einer ersten Fokusebene, beispielsweise an dem zweiten ersten Messpunkt 134, insbesondere einer ersten z-Koordinate, fokussiert werden, und ein zweiter Anteil des zweiten Beleuchtungslichtstrahls 122 mit einer zweiten Wellenlänge, welche von der ersten Wellenlänge verschieden ist, kann in einer zweiten Fokusebene, beispielsweise dem zweiten zweiten Messpunkt 136, insbesondere einer zweiten z-Koordinate, welcher von dem zweiten ersten Messpunkt 134 verschieden ist, fokussiert werden. Das Objektiv 112 kann chromatisch unkorrigiert sein.
• Der erste Beleuchtungslichtstrahl 120 und zweite Beleuchtungslichtstrahl 122 können von einer Beleuchtungsvorrichtung 138 erzeugt werden. Beispielsweise können der erste Beleuchtungslichtstrahl 120 und zweite Beleuchtungslichtstrahl 122 als getrennte, insbesondere räumlich getrennte, Lichtstrahlen von der Beleuchtungsvorrichtung 138 erzeugt werden. Beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung 138 eingerichtet sein, einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen, welcher unter Verwendung von optischen Elementen, beispielsweise Blendenelementen mit einer Vielzahl von Lochelementen, in mindestens zwei Beleuchtungslichtstrahlen aufgeteilt werden kann. Der chromatisch konfokale Multispotsensor 110 kann eine parallelisierte Tiefenmessung an vielen Punkten gleichzeitig ermöglichen. Die Beleuchtungsvorrichtung 138 kann eingerichtet sein, eine Mehrzahl von Beleuchtungslichtstrahlen zu erzeugen, beispielsweise zwei, drei, vier, zehn oder mehr. In Figur ist exemplarisch eine Ausführungsform mit zwei Beleuchtungslichtstrahlen gezeigt mit einem Lichtbündel zum Feldrand und einem Lichtbündel zur Feldmitte.
• Der chromatisch konfokale Multispotsensor 110 kann die mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung 138 aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung 138 kann mindestens eine polychromatische Lichtquelle und/oder mindestens eine Weißlichtquelle und/oder mindestens eine spektral breitbandige Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung 138 kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung 138 kann mindestens eine polychromatische Lichtquelle und/oder mindestens eine Weißlichtquelle und/oder mindestens eine breitbandige Lichtquelle aufweisen. Die Lichtquelle kann eine breite und gleichmäßig verteilte spektrale Dichte aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung 138 kann weiterhin mindestens ein weiteres optisches Element, insbesondere eine Linse, aufweisen, welches eingerichtet ist, den von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahl zu fokussieren.
• Die erste Linsengruppe 114 ist eingerichtet, einen ersten Farblängsfehler zu erzeugen. Die zweite Linsengruppe 116 ist eingerichtet, einen zweiten Farblängsfehler zu erzeugen. Der erste Farblängsfehler und der zweite Farblängsfehler unterscheiden sich erheblich. Die erste Linsengruppe 114 und die zweite Linsengruppe 116 sind eingerichtet, einen Farbquerfehler zu erzeugen derart, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte 128 und die mindestens zwei zweiten Messpunkte 132 in jeder Messtiefe auf im Wesentlichen parallel zur optischen Achse 130 verlaufenden Geraden 140 angeordnet sind. Der erste Farblängsfehler und der zweite Farblängsfehler können entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen und/oder sich mindestens um einen Faktor 3 unterscheiden. Der von den Linsengruppen, insbesondere von der ersten Linsengruppe 114 und der zweiten Linsengruppe 116, vor und nach der Pupille 124, oder den jeweils feldnächsten Gruppen, erzeugte Farblängsfehler kann sich um mindestens einen Faktor 3, bevorzugt um einem Faktor 5 und besonders bevorzugt um einen Faktor 10 unterscheiden. Beispielsweise können die Linsengruppen 114, 116, insbesondere das System aus erster Linsengruppe 114 und zweiter Linsengruppe 116, eingerichtet sein, für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich große Bilder zu erzeugen. Die mindestens zwei ersten Messpunkte 128 und die mindestens zwei zweiten Messpunkte 132 für identische Wellenlängen können eine identische longitudinale Koordinate aufweisen. Insbesondere liegen die Messpunkte in jeder Messtiefe auf einem identischen Raster 142. Beispielsweise können der erste Beleuchtungslichtstrahl 120 und der zweite Beleuchtungslichtstrahl 122 jeweils einen Anteil mit einer ersten Wellenlänge λ1 und einen Anteil mit einer zweiten Wellenlänge λ2 aufweisen. Das Objektiv 112, insbesondere die erste Linsengrupp 114 und die zweite Linsengruppe 116, kann eingerichtet sein, den Anteil des ersten Beleuchtungslichtstrahls 120 mit der ersten Wellenlänge an einem ersten ersten Messpunkt f1 mit einer longitudinalen Koordinate z1 zu fokussieren und den Anteil des ersten Beleuchtungslichtstrahls 120 mit der zweiten Wellenlänge an einem ersten zweiten Messpunkt f2 mit einer longitudinalen Koordinate z2 zu fokussieren. Das Objektiv 112, insbesondere die erste Linsengruppe 114 und die zweite Linsengruppe 116, kann eingerichtet sein, den Anteil des zweiten Beleuchtungslichtstrahls 122 mit der ersten Wellenlänge an einem zweiten ersten Messpunkt f3 mit der longitudinalen Koordinate z1 zu fokussieren und den Anteil des zweiten Beleuchtungslichtstrahls 122 mit der zweiten Wellenlänge an einem zweiten zweiten Messpunkt f4 mit der longitudinalen Koordinate z2 zu fokussieren. Die Messpunkte f1 und f2 können derart angeordnet sein, dass sie auf einer ersten Geraden 144 liegen, welche im Wesentlichen parallel zur optischen Achse 130 verläuft. Die Messpunkte f3 und f4 können derart angeordnet sein, dass sie auf einer zweiten Geraden 146 liegen, welche im Wesentlichen parallel zur optischen Achse 130 verläuft.
• Die optische Achse 130 kann eine optische Achse eines oder mehrerer der optischen Elemente des Objektivs 112 sein. Die optische Achse kann in Blickrichtung eines Sensorelements 148 zeigen. Die optische Achse 130 kann eine Achse eines Koordinatensystems des Objektivs sein, beispielsweise die z-Achse. Senkrecht zu der z-Achse können weitere Achsen, beispielsweise x-Achse und y-Achse, vorgesehen sein. Wie oben ausgeführt, weist das Objektiv 112 eine Umlenkvorrichtung 126 auf. Die optische Achse 130 kann eine optische Achse der Umlenkvorrichtung 126 sein.
• Insbesondere kann der Farbquerfehler größer als 10% des Produktes aus Numerischer Apertur NA des Objektivs und eines Tiefenmessbereichs sein. Das Objektiv 112 kann eingerichtet sein, ein Messvolumen 150 von 10×10×10 mm³ bereitzustellen. Der Farbquerfehler kann einem Produkt aus Nichttelezentrie und dem Tiefenmessbereich entsprechen. Die erste Linsengruppe 114 und die zweite Linsengruppe 116 können derart angeordnet sein, dass der erste Beleuchtungslichtstrahl 120 und der zweite Beleuchtungslichtstrahl 122, insbesondere deren Hauptstrahlen, objektseitig nicht-telezentrisch verlaufen. Das Objektiv 112 kann ein nicht-telezentrisches Objektiv sein. Das Objektiv 112 kann eingerichtet sein, zusätzlich zum Farblängsfehler so viel Farbquerfehler einzuführen, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte 128 und die mindestens zwei zweiten Messpunkte 132 weiterhin auf einem in jeder Messtiefe identischen Raster 142 liegen.
• Das Objektiv 112 kann eine Vielzahl von Linsenelementen, insbesondere Linsengruppen oder einzelne Linsenelemente, aufweisen, beispielsweise eine dritte und eine vierte Linsengruppe. Die weiteren Linsenelemente können eingerichtet sein, einen Farbquerfehler und/oder einen Farblängsfehler zu erzeugen. Beispielsweise kann ein weiteres Linsenelement in Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls 120, 122 vor der ersten Linsengruppe 114 angeordnet sein und ein weiteres Linsenelement in Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungslichtstrahls 120, 122 hinter der zweiten Linsengruppe 116 angeordnet sein. Die weiteren Linsengruppen können beispielsweise eingerichtet sein, den von der ersten und zweiten Linsengruppe erzeugten Farbquerfehler und/oder Farblängsfehler zu vergrößern. Beispielsweise können die weiteren Linsengruppen einen Farbquerfehler mit gleichem Vorzeichen erzeugen und damit Farblängsfehler mit entgegengesetztem Vorzeichen erzeugen.
• Das Objektiv 112 kann mindestens eine Beleuchtungsblende 152 mit mindestens zwei Beleuchtungsblendenlochelementen 154 aufweisen. Die Beleuchtungsblende 152 kann eine Vielzahl von Beleuchtungsblendenlochelementen 154 aufweisen. Das Objektiv 112 kann mindestens eine Konfokalblende 156, auch Detektionslochblende genannt, mit mindestens zwei Konfokalblendenlochelementen 158 aufweisen. Die Beleuchtungsblende 152 und die Konfokalblende 156 können als optische Elemente mit mindestens zwei beliebig geformten und/oder einstellbaren und/oder verstellbaren Öffnungen ausgestaltet sein. Die Beleuchtungsblende 152 und/oder die Konfokalblende 156 können eine Vielzahl von Lochelementen aufweisen, beispielsweise ein Lochraster aus mehreren Löchern. Die Konfokalblende kann eine Vielzahl von Konfokalblendenlochelementen aufweisen. Die Konfokalblende 156 kann in einer zur Beleuchtungsblende konjugierten Ebene angeordnet sein und eingerichtet sein, defokussierte Anteile eines Detektionslichtstrahls 160, insbesondere stark defokussierte Anteile, auszublenden und fokussierte Anteile durchzulassen. Ein Abstand zwischen zwei Lochelementen der Beleuchtungsblende 152 und/oder der Konfokalblende 156 kann derart sein, dass Konfokalitätsbedingungen erfüllt sind.
• Der Farbquerfehler kann in einer Bildebene, als Querabweichung in einer mittleren Ebene, größer sein als der Durchmesser eines Bildes eines oder beider Konfokalblendenlochelemente.
• Das Objektiv 112 kann mindestens eine Transfervorrichtung 162 aufweisen. Die Transfervorrichtung 162 kann als Teil einer der Linsengruppen ausgestaltet sein oder ein als ein separates Element. Die Transfervorrichtung 162 kann eingerichtet sein, von der Beleuchtungsvorrichtung 138 erzeugtes Licht auf ein Messobjekt, insbesondere auf die Oberfläche des Messobjekts, zu führen und/oder zu lenken. Weiter kann die Transfervorrichtung 162 eingerichtet sein, von dem Messobjekt remittiertes und/oder reflektiertes Licht auf die Konfokalblende zu führen und/oder zu lenken. Die Transfervorrichtung 162 kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Strahlteiler; mindestens einer Linse; mindestens einer Linsengruppe.
• Der chromatisch konfokale Multispotsensor 110 weist das mindestens eine Sensorelement 148 auf, wobei das Sensorelement 148 eingerichtet ist, mindestens zwei von zwei Bestimmungsorten reflektierten Detektionslichtstrahlen 162 zu detektieren. Die Konfokalblende 156 kann eingerichtet sein, das Sensorelement 148 zu beleuchten. Für mindestens eine Wellenlänge des Beleuchtungslichtstrahls 120, 122 kann sich ein Fokus auf der Oberfläche des Messobjekts befinden. Gleichzeitig kann ein Anteil des Detektionslichtstrahls 162 für diese Wellenlänge derart in mindestens einem Lochelement, insbesondere in genau einem Lochelement, der Konfokalblende fokussiert sein, dass die Intensität auf dem Sensorelement 148 maximal wird. Die Konfokalblende 156 kann eingerichtet sein, alle weiteren nicht fokussierten spektralen Anteile des Detektionslichtstrahls 162 auszublenden. Das Sensorelement 148 kann eine Intensität des Detektionslichtstrahls 162 erfassen und ein entsprechendes Signal generieren, beispielsweise ein elektrisches Signal, beispielsweise ein analoges und/oder ein digitales Signal.
• Der chromatisch konfokale Multispotsensor 110 kann mindestens eine Auswerteeinheit 164 aufweisen, welche eingerichtet ist, jeweils mindestens eine spektrale Intensitätsverteilung der Detektionslichtstrahlen 162 zu bestimmen und aus der jeweiligen spektralen Intensitätsverteilung eine longitudinale Koordinate des jeweiligen Bestimmungsortes des Messobjekts zu bestimmen. Die Auswerteeinheit 164 kann eingerichtet sein, um ein Maximum der jeweiligen spektralen Intensitätsverteilung zu bestimmen, einer Wellenlänge zuzuordnen und aus der zugeordneten Wellenlänge die longitudinale Koordinate des Bestimmungsortes des Messobjekts zu bestimmen. Das Sensorelement 148 kann eingerichtet sein, mindestens eine Spektralverteilung zu bestimmen. Die Auswerteeinheit 164 kann eingerichtet sein, um mindestens ein Intensitätsmaximum der Spektralverteilung zu bestimmen und dem Intensitätsmaximum eine Wellenlänge zuzuordnen. Die Spektralverteilung kann eine Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von einer Wellenlänge umfassen. Das Sensorelement 148 kann ein spektral auflösender Detektor sein und/oder umfassen. Insbesondere kann das Sensorelement 148 ein Spektrometer sein und/oder umfassen. Das Sensorelement 148 kann mindestens einen multi-spektralen Sensor aufweisen.
• Zwischen dem Sensorelement 148 und der Auswerteeinheit 164 können eine oder mehrere elektronische Verbindungen vorgesehen sein. Die Auswerteeinheit 164 kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht-flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um das Sensorelement anzusteuern. Die Auswerteeinheit 164 kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur. Die Auswerteeinheit 164 kann beispielsweise zentral oder auch dezentral aufgebaut sein. Auch andere Ausgestaltungen sind denkbar. Die Auswerteeinheit 164 kann ganz oder teilweise in das Sensorelement 148 integriert sein. Das Sensorelement 148 kann beispielsweise direkt oder indirekt mit der Auswerteeinheit 164 verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteeinheit 164 jedoch auch ganz oder teilweise am Ort des Sensorelements 148 angeordnet sein, beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers, und/oder kann ganz oder teilweise in das Sensorelement integriert sein.
• Bezugszeichenliste

110

Multispotsensor

112

Objektiv

114

Erste Linsengruppe

116

Zweite Linsengruppe

118

Ausbreitungsrichtung

120

Erster Beleuchtungslichtstrahl

122

Zweiter Beleuchtungslichtstrahl

124

Pupille

126

Umlenkvorrichtung

128

Erste Messpunkte

130

Optische Achse

132

Zweite Messpunkte

134

Erster erster Messpunkt bzw. erster zweiter Messpunkt

136

Zweiter erster Messpunkt bzw. zweiter zweiter Messpunkt

138

Beleuchtungsvorrichtung

140

Geraden

142

Raster

144

Erste Gerade

146

Zweite Gerade

148

Sensorelement

150

Messvolumen

152

Beleuchtungsblende

154

Beleuchtungsblendenlochelement

156

Konfokalblende

158

Konfokalblendenlochelement

160

Detektionslichtstrahl

162

Transfervorrichtung

164

Auswerteeinheit

Claims (10)

1. Objektiv (112) für einen chromatisch konfokalen Multispotsensor (110), wobei das Objektiv (112) mindestens eine erste Linsengruppe (114) und mindestens eine zweite Linsengruppe (116) aufweist, wobei die erste Linsengruppe (114) in Ausbreitungsrichtung (118) mindestens eines ersten Beleuchtungslichtstrahls (120) und mindestens eines zweiten Beleuchtungslichtstrahls (122) vor einer Pupille (124) und die zweite Linsengruppe (116) hinter der Pupille (124) angeordnet ist, wobei das Objektiv (112) in Ausbreitungsrichtung (118) des ersten Beleuchtungslichtstrahls (120) und des zweiten Beleuchtungslichtstrahls (122) hinter der zweiten Linsengruppe (116) mindestens eine Umlenkvorrichtung (126) aufweist, welche eingerichtet ist, die Ausbreitungsrichtung (118) der Beleuchtungslichtstrahlen (120, 122) zu ändern, wobei die erste Linsengruppe (114) und die zweite Linsengruppe (116) chromatisch aberrative Eigenschaften aufweisen, wobei die erste Linsengruppe (114) und die zweite Linsengruppe (116) eingerichtet sind, Anteile des ersten Beleuchtungslichtstrahls (120) in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei ersten Messpunkten (128) entlang einer optischen Achse (130) des Objektivs (112) zu fokussieren und Anteile des zweiten Beleuchtungslichtstrahls (122) in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei zweiten Messpunkten (132) entlang der optischen Achse (130) des Objektivs (112) zu fokussieren, wobei die erste Linsengruppe (114) eingerichtet ist, einen ersten Farblängsfehler zu erzeugen, wobei die zweite Linsengruppe (116) eingerichtet ist, einen zweiten Farblängsfehler zu erzeugen, wobei sich der erste Farblängsfehler und der zweite Farblängsfehler erheblich unterscheiden, wobei die erste Linsengruppe (114) und die zweite Linsengruppe (116) eingerichtet sind, einen Farbquerfehler zu erzeugen derart, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte (128) und die mindestens zwei zweiten Messpunkte (132) in jeder Messtiefe auf im Wesentlichen parallel zur optischen Achse (130) verlaufenden Geraden (140) angeordnet sind.
2. Objektiv (112) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mindestens zwei ersten Messpunkte (128) und die mindestens zwei zweiten Messpunkte (132) in jeder Messtiefe auf einem identischen Raster (142) liegen.
3. Objektiv (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Linsengruppe (114) und die zweite Linsengruppe (116) derart angeordnet sind, dass der erste Beleuchtungslichtstrahl (120) und der zweite Beleuchtungslichtstrahl (122) objektseitig nicht-telezentrisch verlaufen.
4. Objektiv (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Objektiv (112) mindestens eine Konfokalblende (156) mit mindestens zwei Konfokalblendenlochelementen (158) aufweist, wobei der Farbquerfehler in einer Bildebene größer ist als der Durchmesser eines Bildes eines oder beider Konfokalblendenlochelemente (158).
5. Objektiv (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Farbquerfehler größer als 10% des Produktes aus Numerischer Apertur NA des Objektivs (112) und eines Tiefenmessbereichs ist.
6. Objektiv (112) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Farbquerfehler einem Produkt aus Nichttelezentrie und dem Tiefenmessbereich entspricht.
7. Objektiv (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die von den Linsengruppen vor und nach der Pupille (124) erzeugten Farblängsfehler ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen oder sich bei gleichem Vorzeichen um mindestens einen Faktor 3, bevorzugt um einem Faktor 5 und besonders bevorzugt um einen Faktor 10 unterscheiden.
8. Chromatisch konfokaler Multispotsensor (110) zur Bestimmung von longitudinalen Koordinaten von mindestens zwei verschiedenen Bestimmungsorten mindestens eines Messobjekts umfassend mindestens ein Objektiv (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
9. Chromatisch konfokaler Multispotsensor (110) Anspruch 8, wobei der chromatisch konfokale Multispotsensor (110) mindestens ein Sensorelement (148) aufweist, wobei das Sensorelement (148) eingerichtet ist, mindestens zwei von den zwei Bestimmungsorten reflektierten Detektionslichtstrahlen (160) zu detektieren, wobei der chromatisch konfokale Multispotsensor (110) mindestens eine Auswerteeinheit (164) aufweist, welche eingerichtet ist, jeweils mindestens eine spektrale Intensitätsverteilung der Detektionslichtstrahlen (160) zu bestimmen und aus der jeweiligen spektralen Intensitätsverteilung eine longitudinale Koordinate des jeweiligen Bestimmungsortes des Messobjekts zu bestimmen.
10. Verfahren zur Bestimmung von longitudinalen Koordinaten mindestens zweier verschiedener Bestimmungsorte mindestens eines Messobjekts, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst: - Erzeugen mindestens eines ersten Beleuchtungslichtstrahls (120) und eines zweiten Beleuchtungslichtstrahls (122) mit mindestens einer Beleuchtungsvorrichtung (138); - Beleuchten des Messobjekts mit den Beleuchtungslichtstrahlen (120, 122) durch eine Beleuchtungsblende (152) mit mindestens zwei Beleuchtungslochelementen (154) an den mindestens zwei Bestimmungsorten; - Fokussieren von Anteilen des ersten Beleuchtungslichtstrahls (120) in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei ersten Messpunkten (128) entlang einer optischen Achse (130) des Objektivs (112) und Fokussieren von Anteilen des zweiten Beleuchtungslichtstrahls (122) in Abhängigkeit von der Wellenlänge an mindestens zwei zweiten Messpunkten (132) entlang der optischen Achse (130) des Objektivs (112), wobei die erste Linsengruppe (114) und die zweite Linsengruppe (116) chromatisch aberrative Eigenschaften aufweisen; - Erzeugen eines ersten Farblängsfehlers mit der ersten Linsengruppe (114) und Erzeugen eines zweiten Farblängsfehlers mit der zweiten Linsengruppe (116), wobei sich der erste Farblängsfehler und der zweite Farblängsfehler erheblich unterscheiden, - Erzeugen eines Farbquerfehlers mit der ersten Linsengruppe (114) und der zweiten Linsengruppe (116) derart, dass die mindestens zwei ersten Messpunkte (128) und die mindestens zwei zweiten Messpunkte (132) in jeder Messtiefe auf im Wesentlichen parallel zur optischen Achse (130) verlaufenden Geraden (140) angeordnet sind.

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