特表 2023-543951 物体の距離、表面厚さ、及び光学特性を決定する装置と関連方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-10-18

(54)【発明の名称】物体の距離、表面厚さ、及び光学特性を決定する装置と関連方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/00 20060101AFI20231011BHJP

   G01J 3/36 20060101ALI20231011BHJP

【ＦＩ】

G01B11/00 H

G01J3/36

【審査請求】有

【予備審査請求】有

(21)【出願番号】P 2023543469

(86)(22)【出願日】2021-09-29

(85)【翻訳文提出日】2023-03-28

(86)【国際出願番号】 FI2021050644

(87)【国際公開番号】W WO2022069801

(87)【国際公開日】2022-04-07

(31)【優先権主張番号】20205942

(32)【優先日】2020-09-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FI

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523114338

【氏名又は名称】エルエムアイ テクノロジーズ インク．

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100111235

【弁理士】

【氏名又は名称】原 裕子

(74)【代理人】

【識別番号】100195257

【弁理士】

【氏名又は名称】大渕 一志

(72)【発明者】

【氏名】ケラネン、 ヘイモ

【テーマコード（参考）】

2F065

2G020

【Ｆターム（参考）】

2F065AA02

2F065AA30

2F065BB22

2F065FF09

2F065FF10

2F065GG07

2F065GG12

2F065GG23

2F065GG24

2F065JJ02

2F065JJ16

2F065JJ24

2F065JJ25

2F065JJ26

2F065LL04

2G020AA03

2G020AA04

2G020AA05

2G020CC26

2G020CC27

2G020CC63

2G020CD03

2G020CD24

2G020DA02

2G020DA32

(57)【要約】

本明細書では、物体（２）の位置及び／又は光学的特性を決定するための装置について説明する。この装置は、光を供給するための少なくとも１つの出力素子（４．１）と、出力素子からの光を対象物に向けるための照明光学系（１１）と、光センサ（８）と、物体からの光を光センサに集光するための結像光学系（１３）と、を備える。装置は、光センサ（８）によって検出された光の強度分布の局所最大値から物体（２）の位置及び／又は光学特性を決定するように構成され、局所的最大値は、物体点（２．１）と照明光学系（１１）及び結像光学系（１１）によって形成される一致する焦点点又は焦点領域の１つとの交差点から集められた光の結果である。この装置は、少なくとも２つの異なる波長を有する物体点（２．１）からの反射された光に対する強度値を決定するために使用され得る。また、本明細書では、物体（２）の位置及び／又は光学的特性を決定する方法について説明する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

物体（２）の位置及び／又は光学的特性を決定するための装置であって、
－光を供給するための点状又は線状の出力素子（４．１）と
－前記出力素子（４．１）から前記物体（２）へ光を向けるための照明光学系（１１）と、
－光の強度値を検出するための光センサ（８）と、
－前記物体（２）からの光を前記光センサ（８）に収集するための結像光学系（１３）と
を含み、
前記照明光学系（１１）が、前記出力素子（４．１）の前記位置点（Ｐ１（４．１））からの光を、前記出力素子（４．１）の前記位置点Ｐ１（４．１）に対する前記照明光学系（１１）の主光線（Ｆ１（４．１））に関連する照明座標軸（Ａ１（４．１））に沿って前記照明光学系（１１）から異なる距離に位置付けされる複数の照明焦点点又は焦点領域上に集束するように構成され、ここで、前記主光線（Ｆ１（４．１））は、前記出力素子（４．１）の前記位置点（Ｐ１（４．１））から集束される前記複数の照明焦点点又は焦点領域について相互であり、及び前記同じ照明座標軸（Ａ１（４．１））に沿った前記照明焦点点又は焦点領域の各々は、少なくとも支配波長又は形状が互いに異なり、及び／又は前記照明光学系（１１）の異なる光学的開口で形成され、
前記結像光学系（１３）が、前記光センサ（８）の前記位置点（Ｐ１（８）→Ｐｎ（８））の各々から、前記光センサ（８）の対応する位置点（Ｐ１（８）→Ｐｎ（８））に対して、前記結像光学系（１３）の対応する主光線（Ｆ１（８）→Ｆｎ（８））に関連する撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））に沿って、前記結像光学系（１３）から異なる距離で位置付けされる複数の撮影焦点点又は焦点領域を形成するように構成され、ここで、前記対応する主光線（Ｆ１（８）→Ｆｎ（８））が、前記光センサ（８）の前記対応する位置点（Ｐ１（８）→Ｐｎ（８））から形成される前記複数の撮像焦点点について相互であり、及び前記同じ撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））に沿った前記撮像焦点点又は焦点領域の各々が、少なくとも前記支配波長又は形状において互いに異なり、及び／又は前記結像光学系（１３）の異なる光学的開口で集束され、
前記照明光学系（１１）及び前記結像光学系（１３）が、前記同じ照明座標軸（Ａ１（４．１））に沿った前記複数の照明焦点点又は焦点領域からの様々な焦点点又は焦点領域の各々が、異なる撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））に沿って位置付けされる撮像焦点点又は焦点領域と、一致する焦点点又は焦点領域で一致するように複数の一致する焦点点又は焦点領域を形成するよう構成され、前記照明座標軸（Ａ１（４．１）の方向が、前記撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））の方向と異なり、前記一致する焦点点又は焦点領域の各々が、前記共通の支配波長又は形状に関連する前記照明焦点点及び撮像焦点点又は焦点領域からなり、及び／又は前記照明光学系（１１）と前記結像光学系（１３）の前記相関した光学的開口で形成され、
前記装置が、前記光センサ（８）によって検出された光の強度値の局所最大値から、前記物体（２）の物体点（２．１）の前記位置及び／又は光学特性を決定するように構成されることにより、
－前記物体点（２．１）の前記位置は、前記局所最大値の前記位置から決定され、及び／または
－前記物体点（２．１）の前記光学特性は、前記局所最大値の前記強度又は波長から決定され、
ここで、前記局所最大値は、前記物体点（２．１）と前記一致する焦点点又は焦点領域の１つとの交差点から収集される前記光の結果である、ことを特徴とする、装置。

【請求項2】

前記装置が、複数の線状又は点状の出力素子（４．１→４．ｎ）又はそれらの組合せを含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記照明光学系（１１）は、前記出力素子（４．１→４．ｎ）の各々に対する前記位置点（Ｐ１→Ｐｎ）の各々からの光を、前記対応する出力素子（４．１→４．ｎ）の前記対応する位置点（Ｐ１→Ｐｎ）に対する前記照明光学系（１１）の前記対応する主光線（Ｆ１→Ｆｎ）に関連する前記対応する照明座標軸（Ａ１→Ａｎ）に沿った前記照明光学系（１１）から異なる距離で位置付けされた複数の照明焦点点または焦点領域上に集束するように構成され、前記対応する主光線（Ｆ１→Ｆｎ）は、前記対応する出力素子（４．１→４．ｎ）の前記対応する位置点（Ｐ１→Ｐｎ）から集束された前記複数の照明焦点点又は焦点領域について相互であり、及び前記対応する出力素子（４．１→４．ｎ）の前記対応する位置点（Ｐ１→Ｐｎ）に対する前記同じ対応する照明座標軸（Ａ１→Ａｎ）に沿った前記照明焦点点又は焦点領域の各々が、少なくとも前記支配波長又は形状において互いに異なり、及び／又は前記照明光学系（１１）の異なる光学的開口で形成されることを特徴とする、請求項２に記載の装置。

【請求項4】

前記照明光学系（１１）及び前記結像光学系（１３）は、前記出力素子（４．１→４．ｎ）の各々について前記同じ対応する照明座標軸（Ａ１→Ａｎ）に沿った前記複数の照明焦点点又は焦点領域からの前記様々な焦点点または焦点領域の各々が、異なる撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））に沿って位置付けされる撮像焦点点又は焦点領域と、一致する焦点点又は領域で一致するように複数の一致する焦点点又は焦点領域を形成するよう構成され、前記出力素子（４．１→４．ｎ）の各々に対して前記照明座標軸（Ａ１→Ａｎ）の前記方向が、前記撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））の前記方向から異なることを特徴とする、請求項３に記載の装置。

【請求項5】

前記対応する出力素子（４．１→４．ｎ）の前記対応する位置点（Ｐ１→Ｐｎ）に対する前記照明光学系（１１）の前記対応する主光線（Ｆ１→Ｆｎ）に関連する前記対応する照明座標軸（Ａ１→Ａｎ）に沿った前記照明光学系（１１）から異なる距離で位置付けされる複数の照明焦点点上に、前記出力素子（４．１→４．ｎ）の各々に対する前記位置点（Ｐ１→Ｐｎ）の各々からの光を集束するために縦色収差が照明光学系（１１）に設けられることにより、前記同じ照明座標軸（Ａ１→Ａｎ）に沿った前記照明焦点点の各々が前記支配波長において異なり、及び
前記光センサ（８）の前記位置点（Ｐ１（８）→Ｐｎ（８））の各々から、前記光センサ（８）の前記対応する位置点（Ｐ１（８）→Ｐｎ（８））に対する前記結像光学系（１３）の前記対応する主光線（Ｆ１（８）→Ｆｎ（８））に関連する前記対応する撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））に沿った前記結像光学系から異なった距離で位置付けられた複数の撮像焦点点を形成するために縦色収差が前記結像光学系（１３）に設けられることにより、前記同じ撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））に沿った前記焦点点の各々が前記支配波長において異なる、ことを特徴とする請求項３～４のいずれか一項に記載の装置。

【請求項6】

前記対応する出力素子（４．１→４．ｎ）の前記対応する位置点（Ｐ１→Ｐｎ）に対する前記照明光学系（１１）の前記対応する主光線（Ｆ１→Ｆｎ）に関連する前記対応する照明座標軸（Ａ１→Ａｎ）に沿った前記照明光学系（１１）から異なる距離で位置付けされる複数の撮像焦点点上に、前記出力素子（４．１→４．ｎ）の各々に対して前記位置点（Ｐ１→Ｐｎ）の各々から光を集束するために球面収差を照明光学系（１１）に設けられることにより、前記同じ照明座標軸（Ａ１→Ａｎ）に沿った前記照明焦点点の各々が前記照明光学系（１１）の異なる光学的開口で形成され、及び
前記光センサ（８）の前記位置点（Ｐ１（８）→Ｐｎ（８））の各々から、前記光センサ（８）の前記対応する位置点（Ｐ１（８）→Ｐｎ（８））に対する前記結像光学系（１３）の前記対応する主光線（Ｆ１（８）→Ｆｎ（８））に関連する前記対応する撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））に沿った前記結像光学系（１３）から異なる距離で位置付けられる複数の撮像焦点点を形成するために球面収差が前記結像光学系（１３）に設けられることにより、前記同じ撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））に沿った前記焦点点の各々が前記結像光学系（１３）の異なる光学的開口で形成される、ことを特徴とする請求項３～５のいずれか一項に記載の装置。

【請求項7】

前記対応する出力素子（４．１→４．ｎ）の前記対応する位置点（Ｐ１→Ｐｎ）に対する前記照明光学系（１１）の前記対応する主光線（Ｆ１→Ｆｎ）に関連する前記対応する照明座標軸（Ａ１→Ａｎ）に沿った前記照明光学系（１１）から異なる距離で位置付けられる異なる形状を有する複数の照明焦点領域上に、前記出力素子（４．１→４．ｎ）の各々に対する前記位置点（Ｐ１→Ｐｎ）の各々から光を集束するために、非点収差が前記照明光学系（１１）に設けられることにより、前記同じ照明座標軸（Ａ１→Ａｎ）に沿った前記照明焦点領域の各々が前記照明光学系（１１）の異なる光学的開口で形成され、及び
前記光センサ（８）の前記位置点（Ｐ１（８）→Ｐｎ（８））の各々から、前記光センサ（８）の前記対応する位置点（Ｐ１（８）→Ｐｎ（８））に対する前記結像光学系（１３）の前記対応する主光線（Ｆ１（８）→Ｆｎ（８））に関連する前記対応する撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））に沿った前記結像光学系（１３）からの異なる距離で位置付けられる複数の照明焦点領域を形成するために非点収差が前記結像光学系（１３）に設けられることにより、前記同じ撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））に沿った前記焦点領域の各々が前記結像光学系（１３）の前記異なる光学的開口で形成される、ことを特徴とする請求項３～６のいずれか一項に記載の装置。

【請求項8】

前記照明光学系（１１）及び前記結像光学系（１３）に縦色収差が設けられた時、前記一致する各焦点点は、前記共通の支配波長に関連する照明焦点点及び撮像焦点点からなることを特徴とする、請求項５に記載の装置。

【請求項9】

前記照明光学系（１１）及び前記結像光学系（１３）に球面収差が設けられた時、前記一致する焦点点の各々が、前記照明光学系（１１）及び前記結像光学系（１３）の前記相関する光学的開口で形成されることを特徴とする、請求項６に記載の装置。

【請求項10】

前記照明光学系（１１）及び前記結像光学系（１３）に非点収差が設けられた時、前記一致する焦点領域の各々は、共通の形状に関連する照明焦点領域及び結像焦点領域からなり、前記照明光学系（１１）及び前記結像光学系（１３）の前記相関する光学的開口で形成されることを特徴とする、請求項７に記載の装置。

【請求項11】

前記装置が２つ以上の出力素子（４．１→４．ｎ）を含む時、前記装置は、前記交差した物体点（２．１）の位置を決定するために、どの出力素子（４．１→４．ｎ）から前記局所最大値の前記光が提供されるかを区別するために、前記光センサ（８）によって検出される前記光の前記強度値の前記局所最大値の前記波長を決定するように構成されることを特徴とする、請求項５に記載の装置。

【請求項12】

前記光センサ（８）は、ラインスキャンカメラ、マトリクスカメラ、ＲＧＢカメラ、又は位置感知検出器（ＰＳＤ）であることを特徴とする、前述の請求項のいずれか一項に記載の装置。

【請求項13】

前記光センサ（８）が、前記局所最大値の前記波長を決定するように構成されるＲＧＢカメラであることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。

【請求項14】

点（２．１）の前記位置の決定が三角測量に基づくことを特徴とする、前述の請求項のいずれか一項に記載の装置。

【請求項15】

前記一致する焦点点の分布が、測定される前記物体（２）の物体点（２．１）の位置を決定するための測定空間を定義することを特徴とする、前述の請求項のいずれか一項に記載の装置。

【請求項16】

物体（２）に向けられる前記光に対して少なくとも部分的に透明又は半透明である前記物体（２）を測定する時、前記装置は、第１の表面（２ｆ）からの結果である前記光センサ８上の前記検出された光の前記強度値の前記局所最大値と、第２の表面（２ｓ）からの結果である前記光センサ８上の前記検出された光の前記強度値の前記局所最大値との間の位置差から前記物体（２）に向けられる前記光に対して少なくとも部分的に透明又は半透明である前記物体（２）の前記第一の表面（２ｆ）と前記第２の表面（２ｓ）との間の厚さを決定するよう構成される、ことを特徴とする、前述の請求項のいずれか一項に記載の装置。

【請求項17】

前記光センサ（８）は、前記結像光学系（１３）の光軸（１３’）に対して実質的に垂直に配置されたラインスキャンカメラ又はマトリクスカメラであり、前記複数の出力素子（４．１→４．ｎ）は、平面（５）上に配置され、ここで、前記平面（５）は前記照明光学系（１１）の光軸（１１’）に対して斜めの角度を形成することを特徴とする、請求項２～１６のいずれか一項に記載の装置。

【請求項18】

前記隣接する出力素子（４．１→４．ｎ）間の少なくとも１つの間隔が、前記隣接する出力素子（４．１→４．ｎ）間の他の間隔と異なることを特徴とする、請求項２～１７のいずれか一項に記載の装置。

【請求項19】

物体（２）の位置及び／又は光学的特性を決定するための方法であって、
－異なる方向からの前記物体（２）に光学的照明及び光学的検出を提供する工程であって、
・前記出力素子（４．１）の位置点（Ｐ１（４．１））から、前記出力素子（４．１）の前記位置点（Ｐ１（４．１））に対する前記照明光学系（１１）の主光線（Ｆ１（４．１））に関連する照明座標軸（Ａ１（４．１））に沿った前記照明光学系（１１）から異なる距離で位置付けされる複数の照明焦点点又は焦点領域上で光を集束し、ここで、前記主光線（Ｆ１（４．１））は、前記出力素子（４．１）の前記位置点（Ｐ１（４．１））から集束された前記複数の照明焦点点又は焦点領域について相互であり、及び前記同じ照明座標軸（Ａ１（４．１））に沿った前記照明焦点点又は焦点領域の各々は、少なくとも前記支配波長又は形状で互いに異なり、及び／又は前記照明光学系（１１）の異なる光学的開口で形成され、及び
・前記光センサ（８）の前記対応する位置点（Ｐ１（８）→Ｐｎ（８））に対する前記結像光学系（１３）の対応する主光線（Ｆ１（８）→Ｆｎ（８））に関連する撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））に沿った前記結像光学系（１３）から異なる距離で位置付けされる複数の撮像焦点点又は焦点領域は、前記光センサ（８）の前記位置点（Ｐ１（８）→Ｐｎ（８））の各々から形成され、前記対応する主光線（Ｆ１（８）→Ｆｎ（８））は、前記光センサ（８）の前記対応する位置点（Ｐ１（８）→Ｐｎ（８））から形成される前記複数の撮像焦点点又は焦点領域について相互であり、及び前記同じ撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））に沿った各撮像焦点点又は焦点領域の各々が少なくとも前記支配波長又は形状において互いに異なり、及び／又は前記結像光学系（１３）の異なる光学的開口で集束される、工程と、
－前記照明座標軸（Ａ１（４．１））に沿った前記複数の照明焦点点又は焦点領域からの様々な焦点点の各々が、異なる撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））に沿って位置付けされる撮像焦点点又は焦点領域と、一致する焦点点または焦点領域で一致するように複数の一致する焦点点を形成する工程であって、前記照明座標軸（Ａ１（４．１）の方向は、前記照明座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））の方向とは異なり、及び前記一致する焦点点又は焦点領域が、共通の支配波長又は形状に関連する照明焦点点及び撮像焦点点又は焦点領域からなり、及び／又は前記照明光学系（１１）及び前記結像光学系（１３）の前記相関した前記光学的開口で形成される、工程と、
－前記結像光学系（１３）によって前記物体（２）から収集された前記光の強前記度値を前記光センサ（８）によって検出する工程と、
－前記物体（２）の物体点（２．１）の前記位置及び／又は光学的特性を決定する工程であって、前記物体点（２．１）の前記位置は、前記位置から決定され、及び／又は、前記物体点（２．１）の前記光学的特性が、前記検出された光の前記強度または前記強度値の前記局所最大値の波長から決定され、ここで、前記局所最大値は前記物体点（２．１）と前記一致する焦点点又は焦点領域の１つとの交差点から収集された光の結果である、決定する工程と
を含むことを特徴とする、方法。

【請求項20】

前記方法は、さらに、
－複数の出力素子（４．１→４．ｎ）の各々の前記位置点（Ｐ１→Ｐｎ）の各々からの光を、前記対応する出力素子（４．１→４．ｎ）の前記対応する位置点（Ｐ１→Ｐｎ）に対する前記照明光学系（１１）の前記対応する主光線（Ｆ１→Ｆｎ）に関連する前記対応する照明座標軸（Ａ１→Ａｎ）沿った前記照明光学系（１１）から異なる距離で位置付けされる照明焦点点又は焦点領域上に集束させる工程であって、ここで、前記対応する主光線（Ｆ１→Ｆｎ）は、前記対応する出力素子（４．１→４．ｎ）の前記対応する位置点（Ｐ１→Ｐｎ）から集束される前記複数の照明焦点点又は焦点領域に対して相互であり、及び前記対応する出力素子（４．１→４．ｎ）の前記対応する位置点（Ｐ１→Ｐｎ）に対する前記同じ対応する照明座標軸（Ａ１→Ａｎ）に沿った前記照明焦点点又は焦点領域の各々は、少なくとも支配波長又は形状において互いに異なり、及び／又は前記照明光学系（１１）の異なる光学的開口で形成される、工程と、
－前記出力素子（４．１→４．ｎ）の各々に対して前記同じ対応する照明座標軸（Ａ１→Ａｎ）に沿った前記複数の照明焦点点又は焦点領域からの様々な焦点点又は焦点領域の各々が、異なる撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））に沿って位置付けされる撮像焦点点又は焦点領域と、一致する焦点点又は焦点領域で一致するように複数の一致する焦点点又は焦点領域を形成する工程であって、前記出力素子（４．１→４．ｎ）の各々に対する照明座標軸（Ａ１→Ａｎ）の方向が撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））の方向と異なる、工程と
を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の方法。

【請求項21】

前記方法は、さらに、
－第１の表面（２ｆ）からの結果である前記光センサ８上の前記検出された光の前記強度値の前記局所最大値と、第２の表面（２ｓ）からの結果である前記光センサ８上の前記検出された光の前記強度値の前記局所最大値との間の位置差から、前記物体（２）に向けられる光に対して少なくとも一部が透明又は半透明である前記物体（２）の前記第１の表面（２ｆ）と前記第２の表面（２ｓ）との間の厚さを決定する工程、を含むことを特徴とする、請求項１９又は２０に記載の方法。

【請求項22】

前記照明光学系（１１）が、縦色収差を使うことによって、少なくとも前記支配波長において互いに異なる前記対応する出力素子（４．１→４．ｎ）の前記対応する前記位置点（Ｐ１→Ｐｎ）に対して前記同じ対応する照明座標軸（Ａ１→Ａｎ）に沿って前記照明焦点点の各々に集束させることと、
前記結像光学系（１３）が、縦色収差を使うことによって、少なくとも前記支配波長において互いに異なる前記同じ撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））に沿って前記撮像焦点点又は焦点領域の各々に集束させることと
を特徴とする、請求項１９～２１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項23】

前記照明光学系（１１）が、球面収差を使うことによって、前記照明光学系（１１）の異なる光学的開口を有する前記対応する出力素子（４．１→４．ｎ）の前記対応する位置点（Ｐ１→Ｐｎ）に対して前記同じ対応する照明座標軸（Ａ１→Ａｎ）に沿って前記照明焦点点の各々に集束させることと、
前記結像光学系（１３）が、球面収差を使うことによって、前記結像光学系（１３）の異なる光学的開口を有する前記同じ撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））に沿って前記撮像焦点点の各々に集束させることと
を特徴とする、請求項１９～２２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項24】

前記照明光学系（１１）が、非点収差を使うことによって、形状が互いに異なる前記対応する出力素子（４．１→４．ｎ）の前記対応する位置点（Ｐ１→Ｐｎ）に対して前記同じ対応する照明座標軸（Ａ１→Ａｎ）に沿って前記照明焦点領域の各々に集束させることと、
前記結像光学系（１３）が、非点収差を使うことによって、形状が互いに異なる前記同じ撮像座標軸（Ａ１（８）→Ａｎ（８））に沿って前記撮像焦点領域の各々に集束させることと
を特徴とする、請求項１９～２３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項25】

前記方法は、
－前記光センサ（８）を前記結像光学系（１３）の光軸（１３’）に対して実質的に垂直に配置する工程と、
－前記複数の出力素子（４．１→４．ｎ）を平面（５）上に配置する工程であって、前記平面（５）が前記照明光学系（１１）の光軸（１１’）に対して斜めの角度を形成し、好ましくは、前記複数の出力素子（４．１→４．ｎ）が複数の線状出力素子（４．１→４．ｎ）からなる、配置する工程と、を含むことを特徴とする、請求項１９～２４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項26】

前記方法は、次の工程の少なくとも１つ：
－前記物体点（２．１）が少なくとも１つの一致する焦点点と交差するように、前記装置に対して前記物体（２）を移動させる工程であって、ここで、前記少なくとも１つの一致する焦点点の各々が、同じ共通の支配波長を有する、移動させる工程、
－前記物体点（２．１）が少なくとも１つの一致する焦点点と交差するように、前記装置に対して前記物体（２）を移動させる工程であって、ここで、前記少なくとも１つの一致する焦点点の各々が、前記照明光学系（１１）及び前記結像光学系（１３）の前記相関した光学的開口で形成される、移動させる工程、又は
－前記物体点（２．１）が少なくとも１つの一致する焦点点と交差するように、前記装置に対して前記物体（２）を移動させる工程であって、ここで、前記少なくとも１つの一致する焦点領域の各々は、前記共通の形状に関連する照明焦点領域及び撮像焦点領域からなり、前記照明光学系（１１）及び前記結像光学系（１３）の前記相関した光学的開口で形成される、移動させる工程、
を含むことを特徴とする、請求項１９～２４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項27】

前記方法は、次の工程の少なくとも１つ：
－前記物体点（２．１）が多数の一致する焦点点と交差するように、前記装置に対して前記物体（２）を移動させる工程であって、前記交差する一致する焦点点の数が２つ以上である時、前記多数の一致する焦点点の各々が異なる支配波長を有する、移動させる工程、
－前記物体点（２．１）が多数の一致する焦点点と交差するように、前記装置に対して前記物体（２）を移動させる工程であって、前記交差する一致する焦点点の数が２つ以上である時、前記多数の一致する焦点点の各々は、前記照明光学系（１１）及び前記結像光学系（１３）の異なる相関した光学的開口で形成される、移動させる工程、又は
－前記物体点（２．１）が多数の一致する焦点領域と交差するように、前記装置に対して前記物体（２）を移動させる工程であって、前記多数の一致する焦点領域の各々は、共通の形状に関連する照明焦点領域及び撮像焦点領域からなり、前記照明光学系（１１）及び前記結像光学系（１３）の前記相関した光学的開口で形成され、ここで、各一致する焦点領域は、形状が異なり、前記物体点（２．１）と交差する一致する焦点領域の数が２つ以上である時、前記照明光学系（１１）及び前記結像光学系（１３）の異なる相関した光学的開口で形成される、移動させる工程、
を含むことを特徴とする、請求項２５に記載の方法。

【請求項28】

前記方法は、
－少なくとも第１及び第２の時間インスタンスを含む複数の異なる時間インスタンスにおいて、前記光センサ（８）上の前記検出された光の強度値を取得する工程と、
－所定の経路で各２つの時間インスタンス間で、前記装置に対して物体（２）を移動させる工程であって、それによって前記物体点（２．１）は、少なくとも２つの一致する焦点点と交差し、前記少なくとも２つの一致する焦点点の各々は異なる支配波長を有し、前記物体点（２．１）と交差する他の少なくとも２つの一致する焦点点と比較して異なる出力素子（４．１→４．ｎ）と関連する、移動させる工程と、
－前記検出された光の前記取得された強度の局所最大値に対する場所及びそれぞれの強度値を決定する工程と、
－決定された前記局所最大値の場所とそれぞれの強度値、及び前記局所最大値の光がどの出力素子（４．１→４．ｎ）から供給されるかという情報に基づいて、少なくとも２つの異なる波長を有する前記物体点（２．１）からの反射される前記光の強度値を決定する工程と、
を含むことを特徴とする、請求項２０～２５又は請求項２６～２７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項29】

前記隣接する出力素子（４．１→４．ｎ）間の少なくとも１つの間隔を隣接する出力素子（４．１→４．ｎ）間の他の間隔と異ならせて配置する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１９～２８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項30】

前記物体（２）が、前記物体（２）に向けられる前記光に対して少なくとも部分的に透明又は半透明である、前記物体（２）の第１の表面（２ｆ）と第２の表面（２ｓ）との間の厚さを決定するための、請求項１～１８のいずれか一項に記載の装置の使用。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

一般に、本開示は、光学的測定及びイメージングに関する。より詳細には、しかし排他的ではなく、本開示は、物体の位置及び光学的特性の決定に関する。

【背景技術】

【0002】

非接触の光電子計測器は、非破壊で比較的高速を提供し、表面形状や表面特性を提供する。物体や表面の距離や向きを測定するための奥行き情報を知覚するために、共焦点、構造化光又はレーザー三角測量、白色光干渉、縞模様投影、又は焦点深度イメージング技術など、さまざまに異なる技術が存在する。三角測量器は、比較的シンプルで使いやすいことから、さまざまな種類の産業用マシンビジョンシステムに奥行き情報を追加するために広く使用される。三角測量ベースの装置では、通常、レーザービーム又はＬＥＤを被測定物体に照射し、物体点からの反射光を光源と物体点との距離に応じた撮像角度にて光センサで検出する。

【0003】

撮像角度、光源と光センサ間の基線、及び光源から投射される光の角度によって、三角形の形状が定義付けされ、そこから奥行き情報と表面形状を抽出することができる。また、検出された光の強度を抽出し、表面の反射率として、重要な材料の光学的特性に関する情報を提供することが一般的である。

【0004】

現在の三角測量器における既知の問題点として、測定速度が光センサのフレームレートに制限されることが挙げられる。

【0005】

現在のレーザー三角測量器における既知の問題点として、コヒーレントな照明光による光センサ上の干渉模様として見られるスペックルノイズが避けられず、表面位置及び表面光学特性の抽出に支障をきたすことが挙げられる。

【0006】

さらに、現在のレーザー三角測量器におけるもう一つの既知の問題は、小さな開口数の光学系しか使用できないという制限から、光沢のある傾斜した表面の表面形状を作成する能力が著しく制限されていることである。

【発明の概要】

【0007】

本発明の目的は、被測定物体の表面位置及び表面光学特性の決定という文脈における既存の解決策に関連する１つ以上の問題を少なくとも緩和することである。特に、本発明の目的は、測定速度を向上させることができる表面位置及び表面光学特性を測定するための測定装置を提供することである。さらに、本発明の目的は、光沢のある傾斜した表面の表面位置や表面光学特性の測定にも適した、このような測定装置を提供することである。さらに、本発明の目的は、測定装置の配置を簡素化することである。本発明の更なる目的は、表面位置と、１つ以上の異なる波長の光による反射率、反射率、透過率、及び透過率からなる群から選択される表面の特性の少なくとも１つを同時に決定することができる装置及び方法を提供することである。

【0008】

以下では、本発明の例示的かつ非限定的な実施形態のより詳細な説明の前段階として、本発明のいくつかの概念の基本的な理解を提供するための簡略化された概要を提示する。

【0009】

本発明の目的は、独立請求項の特徴によって達成することができる。

【0010】

本発明の一態様によれば、物体の位置及び／又は光学的特性を決定するための新規な装置が提供される。
本発明による装置は、
－光を供給するための点状又は線状の出力素子と、
－出力素子からの光を物体に導くための照明光学系と、
－光の強度値を検出するための光センサと、
－物体からの光を光センサに集めるための結像光学系と
を含む。

【0011】

照明光学系は、前記出力素子の位置点からの光を、出力素子の位置点に対する前記照明光学系の主光線に関連する照明座標軸に沿って前記照明光学系から異なる距離に位置する複数の照明焦点点又は焦点領域に集光するように構成され、ここで、前記主光線は、出力要素の位置点から集光された複数の照明焦点点又は焦点領域について相互であり、及び同じの照明座標軸に沿った照明焦点点又は焦点領域の各々は、少なくとも支配波長又は形状が互いに異なり、及び／又は、照明光学系の異なる光学的開口で形成される。

【0012】

前記結像光学系は、前記光センサの位置点の各々から、前記光センサの対応する位置点に対する前記結像光学系の対応する主光線に関連する撮像座標軸に沿って前記結像光学系から異なる距離に位置する複数の撮像焦点点又は焦点領域を形成するよう構成され、前記対応する主光線は、光センサの対応する位置点から形成される複数の撮像焦点点について相互であり、及び同じ撮像座標軸に沿った撮像焦点点又は焦点領域の各々は、少なくとも支配波長又は形状が互いに異なり、及び／又は、結像光学系の異なる光学的開口で焦点合わせられる。

【0013】

照明光学系及び結像光学系は、同じ照明座標軸に沿った複数の照明焦点点又は焦点領域からの様々な焦点点又は焦点領域の各々が、異なる撮像座標軸に沿って位置された撮像焦点点又は焦点領域と、一致する焦点点又は焦点領域で一致するように複数の一致する焦点点又は焦点領域を形成し、ここで、照明座標軸の向きは、撮像座標軸の向きとは異なる、ように構成される。さらに、照明光学系及び結像光学系は、複数の一致する焦点点又は焦点領域を形成するように構成され、一致する焦点点又は焦点領域の各々は、共通の支配波長または形状に関連する照明焦点点及び撮像焦点点又は焦点領域からなり、及び／又は照明光学系と結像光学系の相関した光学的開口で形成される。

【0014】

装置は、光センサによって検出された光の強度分布の局所最大値から、前記物体の物体点の位置及び／又は光学特性を決定するように構成され、
－物体点の位置が局所最大値の位置から決定され、及び／又は
－物体点の光学特性は、局所最大値の強度又は波長から決定され、局所最大値は、物体点と、一致する焦点点又は焦点領域の１つとの交点から収集された光の結果である。

【0015】

本発明によれば、物体の位置及び／又は光学的特性を決定するための新しい方法も提供される。本発明による方法は、
－異なる方向から物体を光学的に照らし、光学的に検出することを提供する工程であって、
・出力素子の位置点から、出力素子の位置点に対する照明光学系の主光線に関連する照明座標軸に沿って照明光学系から異なる距離に位置された複数の照明焦点点又は焦点領域に光が集束され、ここで、主光線は、出力素子の位置点から集光された複数の照明焦点点又は焦点領域について相互であり、及び同じ照明座標軸に沿った照明焦点点又は焦点領域の各々は、少なくとも支配波長又は形状が互いに異なり、及び／又は照明光学系の異なる光学的開口で形成され、及び
・前記光センサの対応する位置点に対する結像光学系の対応する主光線に関連する撮像座標軸に沿って結像光学系から異なる距離に位置する複数の撮像焦点点又は焦点領域が、前記光センサの位置点の各々から形成され、ここで、対応する主光線は、光センサの対応する位置点から形成される複数の撮像焦点点又は焦点領域について相互であり、及び同じ撮像座標軸に沿った撮像焦点点又は焦点領域の各々は、少なくとも支配波長又は形状が互いに異なり、及び／又は結像光学系の異なる光学的開口で焦点合わせされる、工程と、
－照明座標軸に沿った複数の照明焦点点又は焦点領域からの様々な焦点点の各々が、異なる照明座標軸に沿って位置付けされた焦点点又は焦点領域と一致するように、複数の一致する焦点点を形成する工程であって、前記照明座標軸の向きは、撮像座標軸の向きと異なり、一致する焦点点又は焦点領域の各々は、共通の支配波長又は形状に関連する照明焦点点及び撮像焦点点又は焦点領域からなり、及び／又は照明光学系及び結像光学系の相関する光学的開口で形成される、工程と、
－結像光学系によって物体から収集された光の強度値を光センサによって検出する工程と、
－物体点の位置が前記検出された光の強度分布の局所的な最大値の位置から決定され、及び／又は物体点の光学特性が検出された光の強度分布の局所最大値の強度又は波長から決定されるように、物体点の位置及び／又は光学特性を決定する工程であって、ここで、前記局所的最大値は前記物体点と一致する焦点点又は焦点領域の１つとの交差から集められた光の結果である、工程と
を含む。

【0016】

本発明によると、物体の第１の表面と第２の表面との間の厚さを決定するための装置の使用も提供され、ここで、前記物体は、物体に向けられる光に対して少なくとも部分的に透明又は半透明である。

【0017】

本発明は、従来技術に比べ、利点を提供し、例えば、本発明は、
－照明や撮像の開口数を大きくすることで、光沢、傾斜のある表面の測定が可能にする、
－照明や撮像における高開口数の光学系の使用によって、大きな被写界深度を維持し、結果として大きな深度（Ｚ方向）測定範囲を確保することを可能にする、
－測定空間をフルに使って物体を集中的に測定することを可能にする、
－１つの画像フレームで複数、例えば数十の表面形状を同時に測定することができるため、測定速度を向上させることが可能である、
－ノンコヒーレントな光の照射を提供することが可能であり、スペックルノイズなく光センサに集光することが可能である、
－物体の拡散反射又は光沢にかかわらず、正確に物体点の位置を決定することが可能である、
－同じ種類の光学系を照明や撮像に利用することが可能である。

【0018】

様々な例示的かつ非限定的な実施形態が、従属請求項を伴って記載される。特許請求の範囲に応じて列挙される特徴は、特に明示的に記載されない限り、相互に自由に組み合わせ可能である。

【0019】

本明細書では、「複数」とは、２つ以上の数量を意味する。さらに、本明細書を通じて、「ａ」又は「ａｎ」、すなわち単数形の使用は、複数形を排除するものではないことを理解されるものとする。

【0020】

本明細書では、「軸」という言葉は想像上の線を意味し、「軸」という言葉は「軸」の複数形である。

【0021】

本明細書では、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」という動詞を、未記載の機能の存在を排除も要求もしないオープンな限定詞として使用する。

【0022】

本発明の特徴と見なされる新規の特徴は、特に添付の特許請求の範囲に記載されている。しかしながら、本発明自体は、その構造及びその動作方法の両方に関して、その追加の目的及び利点とともに、添付の図面と関連して読まれるときに、特定の例示的な実施形態の以下の記載から最もよく理解されるだろう。

【0023】

当業者によって理解されるように、多層構造体の様々な実施形態に関する以前に提示された考慮事項は、変更すべきところは変更して、関連する製造方法の実施形態に柔軟に適用され得、逆も同様である。

【0024】

以下の詳細な説明における実施形態は、あくまで実施例として挙げたものであり、当業者であれば、本明細書に記載した以外の方法で本発明の基本思想を実施することも可能である。ほとんどの実施形態は、他の実施形態との様々な組み合わせで実現することができる。本明細書では、ある特定の実施形態又は実施形態を数カ所で参照する場合があるが、これは、その参照が１つの記載された実施形態のみに向けられていること、又は記載された特性が１つの記載された実施形態においてのみ使用可能であることを意味するものではない。このように、複数の実施形態の個々の特徴を組み合わせて、新たな発明の実施形態を提供することもできる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

次に、本発明を、添付の図面を参照してより詳細に説明する。

【0026】

【図1a】図１ａは、物体の位置及び／又は光学特性を決定するための装置の一実施形態を模式的に示す。

【図1b】図１ｂは、図１ａに従った例示的な強度分布図を示す。

【図2a-2c】図２ａ、図２ｂ、図２ｃは、実施形態で利用される異なる光学収差を模式的に示す。

【図3】図３は、物体の位置及び／又は光学特性を決定する装置の一実施形態を模式的に示す。

【図4a-4b】図４ａ、図４ｂは、スペクトルの内容を示す。

【図5a】図５ａは、物体の位置及び／又は光学特性を決定するための装置の一実施形態を模式的に示す。

【図5b1-5b2】図５ｂ１、図５ｂ２は、図５ａに従った例示的な強度分布図を示す。

【図6a】図６ａは、物体の位置及び／又は光学特性を決定するための装置の一実施形態を模式的に示す。

【図6b】図６ｂは、図６ａに従った例示的な強度分布図を示す。

【図7a-7c】図７ａ、図７ｂ、図７ｃは、本発明に従って決定された物体の表面形状を同時に測定した実施例を示す。

【図8】図８は、物体の位置及び／又は光学特性を決定するための方法の一実施形態を開示するフロー図である。

【図9】図９～図１０は、本発明に係る装置の更なる変形を模式的に示す。

【図10】図９～図１０は、本発明に係る装置の更なる変形を模式的に示す。

【図11】図１１～図１２は、本発明に係る装置の更なる変形を模式的に示す。

【図12】図１１～図１２は、本発明に係る装置の更なる変形を模式的に示す。

【図13】図１３～図１４は、隣接する出力素子の間隔を調整する実施例を示す。

【図14】図１３～図１４は、隣接する出力素子の間隔を調整する実施例を示す。

【図15】図１５は、物体の走査の一実施例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下では、本発明のいくつかの実施形態について開示する。記載する実施形態では、物体表面の照明と撮像を異なる方向から二軸に実現する。このように、投影された照明光源又は照明の光源の画像と撮像の光センサの画像とを、多数の一致する焦点点（測定線及び／又は一致する焦点点又は焦点領域の測定点群）が前記両光学系に共通するように一致させることによって、仮想測定空間を作成することが可能である。測定される物体が仮想測定空間と交差する時、仮想測定空間の１つ又は複数の一致する焦点点又は焦点領域は、特定の物体点で物体と交差する。この物体点と一致する焦点点又は焦点領域との交点から発生する強い反射を光センサで指示し、被測定物体の表面位置に変換する。

【0028】

本明細書では、反射とは鏡面反射と拡散反射を指し、鏡面反射は平滑面からの反射、拡散反射は粗面からの反射を指す。また、反射とは、測定される物体内からの放射線を散乱、屈折、及び反射させることを指す。

【0029】

例えば、測定される物体の表面からの点であることができる物体点と交差するために、有利には、光を提供する照明の出力素子の幾何学的形状、又はその少なくとも一部が、照明光学系を介して投影され、及びこの画像は、物体から反射した光が結像光学系を介して光センサに収集される結像で監視される。光センサによって検出される光の強度分布において、物体点と投影光源形状及び光センサ形状の位置点の画像との交点に相当する点に局所的な強度極大がもたらされる。光センサで定義された光分布の局所強度最大値の場所から物体点の位置を決定し、局所強度最大値の強度又は波長から物体点の光学特性を決定する。

【0030】

本明細書において、強度分布の局所最大値の位置又は場所とは、光センサ８上で、検出された光の強度値が局所最大値になる位置のことである。

【0031】

測定される物体（例えば、ターゲット）が、例えばプラスチックフィルムやガラス板のように、部分的に光を透過し反射する複数の面からなる場合、この方法はこれらの面からそれぞれ個別の局所強度最大値を作成し、測定に関与する材料の屈折率と測定形状が既知の場合、これらの強度最大値の位置の差に基づいてフィルム又は板の厚さを定義することができる。測定形状は、照明角度と撮像角度と、当該角に対する被測定物体２の形状とを含む。

【0032】

いくつかの場合において、物体に向けられる光に対する物体のサブ表面、すなわち、物体の光学特性（透明度や半透明度など）に依存する物体の内部構造上の物体点の位置を決定することも可能である。

【0033】

それぞれの図において、同じまたは対応する部分は同じ参照番号によって示され、ほとんどの場合、重複するテキスト説明も省略される。

【0034】

図１ａは、実施形態１００に係る装置を示す。この装置は、光を供給するための１つの点状の出力素子４．１（すなわち、点状に形成された出力素子）と、出力素子４．１からの光を測定される物体２に向けられる照明光学系１１と、光の強度値を検出するための光センサ８と、光センサ８に物体２からの光を集めるための結像光学系１３と、を備える。

【0035】

装置の光学的照明手段及び光学的撮像手段の両方は、照明光学系１１が１つ以上の出力素子４．１を含む照明からの異なる点を集光し、結像光学系１３が光センサ８を含む撮像領域からの異なる点を仮想測定空間上の異なる位置に既知の方法で集光するように、それらの両方の焦点点又は焦点領域を仮想測定空間へ形成するように構成される。照明（すなわち、出力素子）の位置点から照明光学系１１によって形成される各焦点点又は焦点領域は、少なくとも支配波長又は形状が互いに異なり、及び／又は照明光学系１１の異なる光学的開口で形成される。これに対応して、撮像領域（すなわち、光センサ）のある位置点から結像光学系１３によって形成される各焦点点又は焦点領域は、少なくとも支配波長又は形状が互いに異なり、及び／又は結像光学系１３の異なる光学的開口で形成される。各一致する焦点点又は焦点領域において、照明焦点点又は照明焦点領域（すなわち、照明光学系１１によって形成される焦点点又は焦点領域）が、同じ共通の支配波長又は形状を有する撮像焦点点又は撮像焦点領域（すなわち、結像光学系１３によって形成される焦点点又は焦点領域）と一致（重なり）するように、一致する焦点点又は焦点領域が形成される。追加的又は代替的に、前記焦点点又は焦点領域は、照明光学系１１と結像光学系１３の相関する光学的開口で形成される。すなわち、一致する各焦点点又は焦点領域は、共通の支配波長又は形状に関連する照明及び撮像焦点点又は焦点領域及び／又は照明光学系１１及び結像光学系１３の相関する光学的開口で形成される。それによって、各一致する焦点点又は焦点領域が、形成された焦点点又は焦点領域の共通の支配波長に関連付けられ、及び／又は照明光学系１１及び結像光学系１３の相関する光学的開口で形成される複数の一致する焦点点又は焦点領域（すなわち、共通焦点点又は焦点領域）を形成することが可能である。測定される物体２の表面の物体点が、このように形成された仮想測定空間の一致する焦点点又は焦点領域のいずれかと一致する場合、そこから発生する反射は、物体２の表面の他の物体点からの反射光と比較して非常に強いものとなる。結像光学系１３により、物体２の表面で反射した光は光センサ８に向けられ、伝播した光の局所強度最大値の位置が検出され、検出した光の位置と強度のデータが電気信号に形成される。光センサ８は、例えば、ＣＣＤ、ＣＭＯＳマトリクス、位置感知検出器（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ（ＰＳＤ））等とすることができる。この装置は、処理手段（図１ａには示さず）によって、電気信号から、物体２の表面形状を表す最大反射を決定し、当該手段によって、物体２の物体点の測定位置が決定される。代替的又は追加的に、物体点の光学特性は、対応する局所強度最大値の強度値に対応する最大反射の対応する信号の強度最大値又は局所強度最大値の波長から決定することが可能である。

【0036】

様々な実施形態において、出力素子４．１は、一般に、光を照射し提供するためのＬＥＤ又はレーザベースの光源を含むか、又はそれからなることができる。

【0037】

様々な実施形態において、個々の出力素子は、有利には、別々の光源と、別々の光源からの光（すなわち照明）を通して別々のスリット又はピンホールとを含んでも良い。

【0038】

出力素子から供給される光（すなわち、光放射）は、紫外線（波長ｃａ．５０ｎｍ）から赤外線（波長ｃａ．１ｍｍ）までの波長帯域を有する電磁波とすることができる。

【0039】

提供される光は、白色光（すなわち、すべての可視波長を含む）であっても、１つの波長又は多数の異なる波長を含む光であっても良い。

【0040】

様々な実施形態において、提供される光は、コヒーレント光又は非コヒーレント光のいずれであっても良い。

【0041】

照明光学系１１及び結像光学系１３は、レンズ又はレンズ、ミラーなどの光学部品を含んでも良い。さらに、照明光学系１１と結像光学系１３は、同一であっても非同一であっても良い。

【0042】

実施形態１００の装置では、照明光学系１１と結像光学系１３に縦色収差が利用される。縦色収差により、出力素子４．１の位置点Ｐ_１（４．１）からの波長λ_１（４．１）、λ_２（４．１）、λ_３（４．１）、λ_４（４．１）、λ_ｍ（４．１）の異なる照明焦点点と、波長λ_１（８）、λ_２（８）、λ_３（８）、λ_４（８）、λ_ｍ（８）の光センサ８の端点Ｐ_１（８）とＰ_ｎ（８）の間の異なる位置点からの異なる撮像焦点点は、図１ａを参照のように、対応する主光線の方向に異なる距離で前記光学系を形成する。これは、図２ａでも、照明光学系１１をより拡大して示す。出力素子４．１の位置点Ｐ_１（４．１）から形成される照明焦点点は、同じ照明座標軸Ａ_１（４．１）に沿う。主光線Ｆ_１（４．１）は、出力素子４．１の位置点Ｐ_１（４．１）から形成され、照明光学系１１から異なる波長で異なる距離に位置する照明焦点点に対する相互である。したがって、光センサ８の同じ位置点Ｐ_１（８）→Ｐ_ｎ（８）から形成される撮像焦点点は、対応する位置点Ｐ_１（８）→Ｐ_ｎ（８）に対する結像光学系１３の主光線が同様に同じＦ_１（８）→Ｆ_ｎ（８）を有し、同じ撮像座標軸Ａ_１（８）→Ａ_ｎ（８）に沿う図１ａでは、光センサ８の位置点Ｐ_ｘ（８）から形成される撮像焦点点の主光線Ｆ_ｘ（８）及び関連する撮像軸Ａ_ｘ（８）、及び位置点Ｐ_ｙ（８）から形成される撮像焦点位置の主光線Ｆ_ｙ（８）及び関連する撮像軸Ａ_ｙ（８）が示される。

【0043】

本明細書では、異なる物体のセットを「最初の物体」→「最後の物体」と表記し、Ｐ_１（８）→Ｐ_ｎ（８）によって、光センサの極限位置点Ｐ_１（８）及びＰ_ｎ（８）の間の異なる位置点のセットを意味し、前記ｎは１より大きい任意の整数とし得る。

【0044】

実施形態１００における装置の点状出力素子４．１は、有利には、白色光を放射するＬＥＤベースの光源であっても良い。

【0045】

実施形態１００では、出力素子４．１の照明光学系１１からの距離、出力素子４．１の照明光学系１１の光軸からの変位、光センサ８の結像光学系１３からの距離、及び光センサ８の結像光学系１３の光軸からの傾きを調整することによって、前記光学系は、出力素子４．１の位置点Ｐ_１（４．１）の照明焦点点と光センサ８の異なる位置点Ｐ_１（８）→Ｐ_ｎ（８）の撮像焦点点から一致する焦点点を形成するように構成される。各一致する焦点点において、位置点Ｐ_１（４．１）の１つの照明焦点点は、同じ波長の光センサ８の１つの位置点Ｐ_１（８）→Ｐ_ｎ（８）の撮像焦点点と一致（すなわち、合致）する。つまり、一致する焦点点には、一致する焦点点に共通する支配波長が関連付けされる。さらに、交差物体２の異なる位置を測定するために、一致する焦点点を形成する出力素子４．１の位置点Ｐ_１（４．１）の照明焦点点の各々が、異なる撮像座標軸Ａ_１（８）→Ａ_ｎ（８）に沿った光センサ８の位置点Ｐ_１（８）→Ｐ_ｎ（８）のそのような撮像焦点点と一致するように、一致する焦点点が形成される。異なる撮像座標軸Ａ_１（８）→Ａ_ｎ（８）とそれらの軸に沿った撮像焦点点は、光センサ８の異なる位置点Ｐ_１（８）→Ｐ_ｎ（８）に対応する。したがって、出力素子４．１の位置点Ｐ_１（４．１）の様々な照明焦点点から形成される多数の（様々な）一致する焦点点が有利に存在し、この様々な照明焦点点の各々は、異なる撮像座標軸Ａ_１（８）→Ａ_ｎ（８）に沿って位置付けされた光センサ８の位置点Ｐ_１（８）→Ｐ_ｎ（８）の撮像焦点点と一致させられる。

【0046】

実施形態１００では、照明光学系１１及び結像光学系１３のレンズ又はレンズによって、縦方向（軸方向）の、色収差が生じる。これにより、本実施形態１００では、物体２の表面下の仮想計測空間において、光の赤色端の成分λ_ｍ（４．１），λ_ｍ（８）に焦点が合い、これに対応して、物体２の上方では光の青色端の成分λ_１（４．１），λ_１（８）に焦点が合っていることになる。実施形態１００では、照明と撮像の青色側端部λ_１（４．１），λ_１（８）の両方が仮想計測空間の上端にピントが合っている状態である。したがって、測定空間の下端（図１ａの高さｈ_１の物体２の下）には，スペクトルの赤端λ_ｍ（４．１），λ_ｍ（８）にピントが合っていることになる。物体２の表面の高さは、物体に向けられた光のスペクトルのどの成分が物体から反射されるかに影響を与える。物体２から反射された光信号は、有利には黒白線又はマトリクス光センサ８又はカメラによって検出されるので、スペクトルの成分の色は、この実施形態では重要ではない。しかし、本明細書で後述するように、この反射光の波長情報を利用する場合もある。

【0047】

図１ａの実施例では、物体２の表面の高さｈ_０とｈ_１の２つの異なるケースが図示される。これらの表面層は光を散乱させる。物体２と一致する焦点点の交点は、図示された両方の高さから例示される。表面が表面高さｈ_０の時、物体点２．１は波長λ_２の一致点Ａ_１（Ｓ）Ａ_ｙ（Ｒ）と交差する。この交差点は、光センサ８のＰ_ｙ（Ｒ）の位置点によって示される。それぞれ、表面が表面高さｈ_１の時、物体点２．２は波長λ_４の一致点Ａ_１（Ｓ）Ａ_ｘ（Ｒ）と交差する。この交差点は、光センサ８のＰ_ｘ（Ｒ）の位置点によって示される。

【0048】

図１ｂは、装置の光センサ８から受信した、図１ａの実施例による信号の一実施例を示す。図１ｂは、光センサ８に入射する光の強度を、光センサ８の位置点の位置の関数として示す。局所最大信号ｈ_０（２．１）は、物体２の高さｈ_０における物体点２．１（すなわち、物体点２．１と一致する焦点点Ａ_１（４．１）Ａ_ｙ（８）の交差点）からの反射に起因する。もう１つの局所最大信号ｈ_１（２．２）は、物体２の高さｈ_１における物体点２．２（すなわち、物体点２．２と一致する焦点点Ａ_１（４．１）Ａ_ｘ（８）の交差点）から来る反射の結果である。有利には、受信した局所最大値信号の位置は、座標系１９９に従った位置に対応するように較正される。

【0049】

この装置では、光センサ８で受信した局所最大値の位置と、物体点と一致する焦点点の交点からの反射光が照射される出力素子の位置点が、三角測量に基づいて、物体２のある位置と対応するように較正される。

【0050】

本実施形態１００では、照明と撮像の両方が物体２の表面に関して対称的な角度で示される。しかし、本発明はこのような対称的な測定状況に限定されるものではなく、測定事象に影響を及ぼすことなく、物体表面に関する照明及び撮像の角度を異なる大きさにすることができる。照明と撮像との間の角度は変化するが、それにもかかわらず、測定空間を定義する各一致する焦点点では、個々の照明焦点点と共通の支配波長に関連する撮像焦点点とが一致するように、一致する焦点点が形成され得る。

【0051】

実施の形態１００では、出力素子４．１が照明光学系１１の光軸上にある。しかし、照明及び出力素子４．１の位置は、この位置に限定されるものではなく、出力素子４．１は、さらなる実施形態で見るように、他の位置にも配置することができる。

【0052】

実施形態１００では、出力素子４．１によって提供される光のスペクトルは連続的である必要はなく、例えば、異なる波長のシーケンス又は異なる方法の不連続光のシーケンスを含むことができる。

【0053】

第２の実施形態２００に切り替えて、実施形態２００の様々な特徴は、一般的に実施形態１００のものと類似していると考えられ、不必要な冗長性を避けるために、ここでは繰り返さない。

【0054】

しかしながら、実施形態２００は、照明光学系１１及び結像光学系１３のレンズ又はレンズに球面収差が設けられている点で実施形態１００と異なる。その場合、前記光学系は、照明光学系１１又は結像光学系１３を光が伝播する場所を理由に、異なる照明焦点点θ_１（４．１）→θ_ｍ（４．１）及び撮像焦点点θ_１（８）→θ_ｍ（８）へと光を屈折させる。中央の光学系を伝播する光線は、レンズの外縁を伝播する光線よりも焦点点がθ_１→ｍ（４．１），θ_１－ｍ（８）離れる。

【0055】

これは、出力素子４．１の位置点Ｐ１（４．１）から、２つの異なる開口数θ_１（４．１）及びθ_ｍ（４．１）を有する照明光学系１１が図２ｂで図示される。照明光学系１１の例示的なレンズは、Ｐ_１（４．１）の位置点から、照明光学系１１のレンズ又はレンズの異なる数値開口で照明座標軸Ａ_１（４．１）に沿って照明光学系１１から異なる距離に位置付けされる複数の異なる照明焦点点を形成するように構成される。従って、結像光学系１３は、同特性を含む。また、撮像の場合、球面収差を設けると、結像光学系１３は、光センサ（８）の位置点Ｐ_１（８）→Ｐ_ｎ（８）各々から、撮像座標軸Ａ_１（８）→Ａ_ｎ（８）に沿って結像光学系１３から異なる距離に位置付けされる複数の異なる撮像焦点点を結像光学系１３のレンズ又はレンズの異なる開口数で形成するように構成される。本実施形態では、１つの波長、様々な波長、又は白色光のいずれでも測定を実現することができる。

【0056】

実施形態２００では、測定は、照明光学系１１及び結像光学系１３の、レンズ又はレンズの球面収差、又は一般に、光学部品の球面収差に基づく。一致する焦点点は、実施形態１００について図１ａの実施例で図示されたのと同様に配置され得る。これにより、物体２の表面下の仮想測定空間では、前記光学系のレンズ又はレンズの最小の角度開口で形成される成分θ_ｍ（４．１），θ_ｍ（８）に焦点が合い、これに対応して、前記光学系のレンズ又はレンズの最大の角度開口で形成される成分θ_１（４．１），θ_１（８）は物体２の上方に焦点が合う。さて、球面収差を利用する場合、各々の一致する焦点位置において、出力素子４．１の位置点Ｐ_１（４．１）の１つの照明焦点点と光センサ８の１つの位置点Ｐ_１（８）→Ｐ_ｎ（８）の撮像焦点点の位置が一致する（すなわち、合致）ので、これらの一致する焦点点θ_１→ｍ（４．１）及びθ_１→ｍ（８）は、この一致する焦点点が物体２と交差する時に、光センサ８上の局所最大値を生成する照明光学系（１１）と結像光学系（１３）の相関した（等しい）光学的開口で形成される。

【0057】

第３の実施形態３００は、照明光学系１１及び結像光学系１３のレンズ又はレンズに非点収差が設けられている点で、実施形態２００と異なっている。この場合、光学系からの距離が異なると、ある位置の点からの焦点が点状ではなく線状又は楕円状の中間に見えるように、前記光学系は異なる焦点領域φ_１（４．１）→φ_ｍ（４．１）及びφ_１（８）→φ_ｍ（８）に光を屈折させる。非点収差により接線方向と矢状方向の光線は、異なる光学系で屈折し、両者の光線は照明光学系１１又は結像光学系１３を伝播する敷地内の異なる焦点領域で対応する位置点に対して対応する主光線と交差することになる。これらの接線面や矢状面の光線は、焦点をあてられた撮像点が得られず、むしろ、前記光学系からの距離に応じて、直線状から楕円状の細長い集束部が連続的に発生する。

【0058】

これは、照明光学系１１について、出力素子４．１の位置点Ｐ_１（４．１）から照明光学系１１の異なる光学的開口によって形成される形状の異なる３つの照明焦点領域φ_１（４．１），φ_ｎ（４．１）及びφ_ｍ（４．１）が図２ｃに示される。従って、結像光学系１３は、同特性を含む。

【0059】

実施形態３００では、測定は、照明光学系１１及び結像光学系１３のレンズ又はレンズの非点収差に基づく。一致する焦点点は、実施形態１００について図１ａの実施例で図示されたのと同様に配置され得る。これにより、照明及び撮像のある位置点から形成される焦点領域のうち最も楕円形状の照明及び撮像の焦点領域φ_ｍ（４．１），φ_ｍ（８）が物体２の表面下の仮想測定空間内に位置し、これに対応して焦点領域のうち最も線状の焦点領域φ_ｍ（４．１），φ_ｍ（８）が物体２の上方に合焦していることになる。さて、非点収差を利用する場合、各々の一致する焦点領域において、出力素子４．１の位置点Ｐ_１（４．１）の１つの照明焦点領域φ_１→ｍ（４．１）は、同一形状で関連付けられた光センサ８の１つの位置点Ｐ_１（８）→Ｐ_ｎ（８）の撮像焦点領域φ_１→ｍ（８）と一致（すなわち、合致）して、照明光学系１１及び結像光学系１３の相関光学的開口を有して形成される。本実施形態では、１つの波長、様々な波長、又は白色光のいずれでも測定を実現することができる。

【0060】

図３は、実施形態４００による測定配置を示す。本実施形態は、参照番号４．１及び４．２で示される２つの線状（線形）出力素子と、参照番号８ｂで示されるマトリクス光センサとを含む点でこれまでの実施形態と異なる。マトリクス光センサ８ｂでは、位置点Ｋ_１（８ｂ）→Ｋ_ｎ（８ｂ）及びＰ_１（８ｂ）→Ｐ_ｎ（８ｂ）の異なる２方向の物体２からの反射光の強度を測定することができるので、光センサ８ｂの前記位置点から直角座標系（すなわち直交座標系）を形成することができる。照明光学系１１及び結像光学系１３は、前述したような方法で任意の光学収差を含み得る。したがって、出力素子４．１の位置点Ｐ１（４．１）→Ｐｎ（４．１）からの光と出力素子４．２の位置点Ｐ１（４．２）→Ｐｎ（４．２）からの光の異なる成分は、照明光学系１１から異なる距離に集光される。したがって、結像光学系１３は、結像光学系１１からの距離が異なる位置点Ｋ_１（８ｂ）→Ｋ_ｎ（８ｂ）及びＰ_１（８ｂ）→Ｐ_ｎ（８ｂ）から焦点点又は領域を形成するように構成される。

【0061】

照明光学系１１と結像光学系１３は、上述したような態様で、一致する焦点点又は一致する焦点領域を形成するように配置される。さて、出力素子４．１及び４．２がともに線状の幾何学的形状を有する場合、照明光学系１１及び結像光学系１３によって一致する焦点点又は焦点領域を、線が前記両出力素子の異なる位置点及び光センサ８ｂの異なる位置点から形成される異なる深さの線に配置することが可能である。

【0062】

照明光学系１１と結像光学系１３で縦色収差を利用する場合、仮想測定空間の異なる深さに、支配波長が共通の一致する照明焦点点と撮像焦点点の線が存在することになる。これに対応して、球面収差を利用する場合は、異なる深さに一致する焦点点の線が存在し、この一致する焦点点の各々の対応する線は、照明光学系１１と結像光学系１３の対応する相関（等しい）光学的開口で形成される一致する照明焦点点と撮像焦点点からなる。これに対応して、照明光学系１１及び結像光学系１３に非点収差が利用される場合、異なる深さに一致する焦点領域の線があり、この一致する焦点領域の各対応線は、同じ形状に関連する一致する照明焦点領域及び撮像焦点領域からなり、一致する照明焦点領域及び撮像焦点領域は、照明光学系１１と結像光学系１３の対応する相関（等）光学的開口で形成される。

【0063】

図３において、照明光学系１１と結像光学系１３で縦色収差を利用する場合、物体２の表面とＬ１ａ及びＬ１ｂと表記される一致する焦点点の線との交点が図示される。Ｌ１ａは、出力素子４．１の位置点Ｐ_１（４．１）→Ｐ_ｎ（４．１）の照明焦点点と光センサ８ｂの位置点Ｐ_１（８ｂ）→Ｐ_ｎ（８ｂ），Ｋ_１（８ｂ）→Ｋ_ｎ（８ｂ）の撮像焦点点から形成される線状に位置する表面のある物体点と一致する焦点点の交点による反射線である。それぞれ、Ｌ２ｂは、出力素子４．２の位置点Ｐ_１（４．２）→Ｐ_ｎ（４．２）の照明焦点点と光センサ８ｂの位置点Ｐ_１（８ｂ）→Ｐ_ｎ（８ｂ），Ｋ_１（８ｂ）→Ｋ_ｎ（８ｂ）の撮像焦点点から形成される線状に位置する表面のある物体点と一致する焦点点の交点による反射線である。図３では、Ｌ１ａとＬ２ｂの各々から、１つの交差点が一致する焦点点Ａ_ｚ（４．１）Ａ_ｘｙ（８）で、及び他の交差点が一致する焦点点Ａ_ｚ（４．２）Ａ_ｘｙ（８）で起こるものが個別に例示される。出力素子４．１の位置点Ｐ_ｚ（４．１）に対する主光線Ｆ_ｚ（４．１）に関連付けられた照明座標軸Ａ_ｚ（４．１）に沿った照明焦点点の１つと、光センサ８ｂの位置点Ｐ_ｘ（８ｂ）Ｋ_ｙ（８ｂ）に対する主光線Ｆ_ｘｙ（８ｂ）に関連付けられた撮像座標軸Ａ_ｘｙ（８ｂ）に沿った撮像焦点点の１つから一致する焦点点Ａ_ｚ（４．１）Ａ_ｘｙ（８）が形成される。それぞれ、出力素子４．２の位置点Ｐ_ｚ（４．２）に対する主光線Ｆ_ｚ（４．２）に関連付けられた照明座標軸Ａ_ｚ（４．２）に沿った照明焦点点の１つと、光センサ８ｂの位置点Ｐ_ｘ（８ｂ）Ｋ_ｘ（８ｂ）に対する主光線Ｆ_ｘｘ（８ｂ）に関連付けられた撮像座標軸Ａ_ＸＸ（８ｂ）に沿った撮像焦点点の１つから一致する焦点点Ａ_ｚ（４．２）Ａ_ＸＸ（８）が形成される。本開示による他の任意の一致する焦点点のようにまた、実施形態３００の多数の一致する焦点点の各々は、特定の一致する照明焦点点及び撮像焦点点の同じ波長にそれぞれ関連付けられる。

【0064】

一致する焦点点Ａ_ｚ（４．１）Ａ_ｘｙ（８）の位置で物体２の表面が交差することにより、出力素子位置Ｐ_ｚ（４．１）から発した光の反射が発生し、その反射光の一部が光センサ８ｂの位置点Ｐ_ｘ（８ｂ）Ｋ_ｙ（８ｂ）に集められ、形成した反射データに局所最大値を発生させることができる。それぞれ、一致する焦点点Ａ_ｚ（４．２）Ａ_ｘｘ（８）の位置で物体２の表面が交差することにより、出力素子位置Ｐ_ｚ（４．２）から発した光の反射が発生じ、その反射光の一部が光センサ８ｂの位置点Ｐ_ｘ（８ｂ）Ｋ_ｘ（８ｂ）に集められ、形成した反射データに対して局所最大値を発生させることができる。同様に、Ｌ１ａとＬ１ｂの他の交差からも、光センサ８ｂ上の対応する線が図示されているように、局所最大値が形成される。

【0065】

様々な実施形態において、装置は、複数の線状又は点状の出力素子４．１→４．ｎ又はそれらの組み合わせを含む。

【0066】

様々な出力素子を含む実施形態では、照明光学系１１は、出力素子４．１→４．ｎの各々に対する位置点Ｐ_１→Ｐ_ｎ各々の光を、対応する照明座標軸Ａ_１→Ａ_ｎに沿って照明光学系１１から異なる距離に位置付けされた複数の照明焦点点又は焦点領域に集光するように構成される。これらの軸の各々は、対応する出力素子４．１→４．ｎの対応する位置点Ｐ_１→Ｐ_ｎに対する照明光学系１１の対応する主光線Ｆ_１→Ｆ_ｎと関連付けられる。対応する主光線Ｆ_１→Ｆ_ｎは、対応する出力素子４．１→４．ｎの対応する位置点Ｐ１→Ｐｎから集光した複数の照明焦点点又は焦点領域に対して相互である。対応する出力素子４．１→４．ｎの対応する位置点Ｐ_１→Ｐ_ｎに対する同じ対応する照明座標軸Ａ_１→Ａ_ｎに沿った照明焦点点又は焦点領域の各々は、少なくとも支配波長又は形状が互いに異なり、及び／又は照明光学系１１の異なる光学的開口を用いて形成される。

【0067】

さらに、照明光学系１１及び結像光学系１３は、複数の一致する焦点点又は焦点領域を形成するように構成され、出力素子４．１→４．ｎの各々について同じ対応する照明座標軸Ａ_１→Ａ_ｎに沿った複数の照明焦点点又は焦点領域からの様々な焦点点又は焦点領域の各々が異なる撮像座標軸Ａ１（８）→Ａｎ（８）にそって位置付けされた撮像焦点点又は焦点領域を有する対応する焦点点又は焦点領域で一致し、出力素子４．１→４．ｎの各々に対する照明座標軸Ａ_１→Ａ_ｎの方向が撮像座標軸Ａ_１（８）→Ａ_ｎ（８）の方向と異なる。

【0068】

様々な実施形において、縦色収差は、出力素子４．１→４．ｎの各々の位置点Ｐ_１→Ｐ_ｎのそれぞれからの光を、対応する照明座標軸Ａ_１→Ａ_ｎに沿って照明光学系１１から異なる距離に位置付けされた複数の照明焦点点に集束するために照明光学系１１に利用され、対応する出力素子４．１→４．ｎの位置点Ｐ_１→Ｐ_ｎに対して照明光学系１１の対応する主光線Ｆ_１→Ｆ_ｎと関連づけられることにより、同じ照明座標軸Ａ_１→Ａ_ｎに沿った各照明焦点点が支配波長で異なる。対応して、光センサ８の位置点Ｐ_１（８）→Ｐ_ｎ（８）の各々から、光センサ８の対応する位置点Ｐ_１（８）→Ｐ_ｎ（８）に対して、結像光学系１３の対応する主光線Ｆ_１（８）→Ｆ_ｎ（８）に関連する対応する撮像座標軸Ａ_１（８）→Ａ_ｎ（８）に沿って結像光学系１３から異なる距離で位置付けされた複数の撮像焦点点を形成するように結像光学系１３に縦色収差が設けられたものであり、同じ撮像座標軸Ａ_１（８）→Ａ_ｎ（８）に沿った各焦点点が支配波長で異なるようにする。

【0069】

マトリクス光センサが使用されるそれらの実施形態において、各撮像座標軸、主光線、及び位置点は、実施形態４００について記載したように、光センサ８ｂの位置点の座標系と関連付けられても良い。

【0070】

照明光学系１１と結像光学系１３に縦色収差が設けられている場合、一致する各々の焦点は、共通の支配波長に関連する照明焦点点と撮像焦点点からなる。

【0071】

様々な実施形において、球面収差は、出力素子４．１→４．ｎの各々の位置点Ｐ_１→Ｐ_ｎのそれぞれからの光を、対応する出力素子４．１→４．ｎの対応する位置点Ｐ_１→Ｐ_ｎに対して照明光学系１１の対応する主光線Ｆ_１→Ｆ_ｎと関連づけられる、対応する照明座標軸Ａ_１→Ａ_ｎに沿って照明光学系１１から異なる距離に位置付けされた複数の撮像焦点点に集束するために照明光学系１１に提供されることにより、同じ照明座標軸Ａ_１→Ａ_ｎに沿った各照明焦点点が、照明光学系１１の異なる光学的開口で形成される。対応して、光センサ８の位置点Ｐ_１（８）→Ｐ_ｎ（８）の各々から、光センサ８の対応する位置点Ｐ_１（８）→Ｐ_ｎ（８）に対して、結像光学系１３の対応する主光線Ｆ_１（８）→Ｆ_ｎ（８）に関連する対応する撮像座標軸Ａ_１（８）→Ａ_ｎ（８）に沿って結像光学系１３から異なる距離で配置した複数の撮像焦点点を形成すべく結像光学系１３には、球面収差が設けられることにより、同一の撮像座標軸Ａ_１（８）→Ａ_ｎ（８）に沿った各焦点が、結像光学系１３の異なる光学的開口で形成される。

【0072】

照明光学系１１と結像光学系１３に球面収差が設けられている場合、照明光学系１１と結像光学系１３の相関する光学的開口で各同時焦点位置が形成される。

【0073】

様々な実施形態では、非点収差は、各出力素子４．１→４．ｎの位置点Ｐ_１→Ｐ_ｎのそれぞれからの光を、対応する出力素子４．１→４．ｎの位置点Ｐ_１→Ｐ_ｎに対して照明光学系１１の対応する主光線Ｆ_１→Ｆ_ｎに関連する対応する照明座標軸Ａ１→Ａｎに沿って照明光学系１１から異なる距離で位置付けされた異なる形状の複数の照明焦点領域に集束するように照明光学系１１に設けられることで、同一の照明座標軸Ａ_１→Ａ_ｎに沿った各照明焦点領域が、照明光学系１１の異なる光学的開口で形成される。対応して、非点収差は、光センサ８の位置点Ｐ_１（８）→Ｐ_ｎ（８）のそれぞれから、光センサ８の対応する位置点Ｐ_１（８）→Ｐ_ｎ（８）に対して、結像光学系１３の対応する主光線Ｆ_１（８）→Ｆ_ｎ（８）に関連する対応する撮像座標軸Ａ_１（８）＞Ａ_ｎ（８）に沿って結像光学系１３から異なる距離で位置する異なる形状の複数の撮像焦点領域を形成すべく結像光学系１３に設けられることで、同一の撮像座標軸Ａ_１（８）→Ａ_ｎ（８）に沿った各焦点領域が、結像光学系１３の異なる光学的開口で形成される。

【0074】

照明光学系１１と結像光学系１３に非点収差が設けられている場合、一致する焦点領域の各々は、共通の形状に関連付けられた照明焦点領域と結像焦点領域からなり、照明光学系１１と結像光学系１３の相関した光学的開口で形成される。

【0075】

図４ａ及び図４ｂは、照明光学系１１及び結像光学系１３において縦色収差を利用するような場合において、波長（λ）の関数として収集光の強度（Ｉ）を示す収集光のスペクトル内容の実施例である。図４ｂは、物体２と一致する焦点点の一つとの交差で発生する反射光を集光した光センサ８の位置点からのスペクトルの実施例である。図４ｂのスペクトルには、ある特定の波長λ_ｐで非常に明確な最大値があり、物体２と一致する焦点点の交差から反射する特定の波長の光であることを示し、物体２の光学特性に関する情報が明らかにされる。一方、交差の測定された光が主に構成するその波長λ_ｐの強度は、光センサ８の位置点から集光した光のスペクトルにおいて、当該位置点が交差点からの光を集光する光センサ８上の位置点に近い場合、強く減衰される。このような位置点から収集した光のスペクトルは、図４ａに示すように、交差点からの反射光のスペクトルの最大値に主に集中する波長λ_ｐの場所で非常に明確な減衰が見られる。

【0076】

光学特性の測定では、被測定物体のある特定の物体点における局所最大値の強度を決定される。局所最大値の強度は、局所最大値が決定された物体点の反射率に比例する。さらに、対象点が物体表面にある場合、局所最大値の強度を求めることで、表面の反射率に関する情報を得ることができる。

【0077】

照明光学系１１と結像光学系１３で縦色収差を利用する場合、測定空間における一致する焦点点の位置と関連する局所最大値の波長を較正することが可能であり、これにより、表面の高さのように、物体の位置を測定することによって、その位置からの特定の既知の波長における物体の反射率に関する情報を得ることができる。さらに、装置が様々な出力素子を含む場合、様々な測定ジオメトリーがあり、前記様々な測定ジオメトリーによって、多様な波長を使用して物体を同時に測定することが可能である。

【0078】

図５ａは、参照番号４．１及び４．２で示される２つの点状出力素子を含む実施形態５００を示す。実施形態５００は、さらに、照明光学系１１及び結像光学系１３における縦色収差を利用し、これにより、多数の一致焦点点が異なる高さに形成され、一致焦点点の各々は、上記のように共通の支配波長に関連する照明焦点点及び結像焦点点からなる。図５ａには、出力素子の２つの位置点Ｐ_１（４．１）及びＰ_１（４．２）から形成される照明焦点点と、ｚ方向の深さで５つの異なる波長λ_１～λ_５を有する光センサ８の２つの位置点Ｐ_ｗ（８）及びＰ_ｑ（８）から形成される撮像焦点点とが図示される。さらに、これらの照明焦点点と撮像焦点点の一部からなる４つの異なる一致焦点、すなわち、Ａ_１（４．２）Ａ_ｑ（８）をλ_１、Ａ_１（４．１）Ａ_ｑ（８）をλ_２、Ａ_１（４．２）Ａ_ｗ（８）をλ_２、及びＡ_１（４．１）Ａ_Ｗ（８）をλ_４として図示する。

【0079】

図５ａには、測定される物体２の２つの異なる可能な表面高さｈ_ａとｈ_ｂをさらに示す。物体２の表面の高さが高さｈ_ａを有する時、２つの交差点が発生する。ｈ_ａで交差する１つの一致する焦点点は、出力素子４．１の位置点Ｐ_１（４．１）から形成される照明焦点点の１つと、光センサ８の位置点Ｐ_ｗ（８）から形成される照明焦点点の１つとからなるＡ_１（４．１）Ａ_ｑ（８）である。ｈ_ａで交差する別の一致する焦点点は、出力素子４．２の位置点Ｐ_１（４．２）から形成される照明焦点点との一つと、光センサ８の位置点Ｐ_ｗ（８）から形成される撮像焦点点の一つとからなるＡ_１（４．２）Ａ_ｗ（８）である。これらの交差点はいずれも、図５ｂ１に示すような強度分布に局所最大値を生じさせる。センサ８上の位置点Ｐ_ｗ（８）に対応する局所最大値ｈ_ａ（２．２ａ）は、物体点２．１ａと一致する焦点点Ａ_１（４．１）Ａ_ｑ（８）の交差の結果である。これに対応して、センサ８上の位置点Ｐ_ｑ（８）に対応する局所最大値ｈ_ａ（２．１ａ）は、物体点２．２ａと一致する焦点点Ａ_１（４．２）Ａ_ｗ（８）の交差の結果である。

【0080】

物体２の表面高さがｈ_ｂの時、物体点２．１ｂと一致する焦点点Ａ_１（４．１）Ａ_ｗ（８）の位置で表面と仮想測定空間の交差が発生する。この交差は、図５ｂ２に示すように、光センサ８の同じ位置点Ｐ_ｗ（８）に、上述した一致する焦点点Ａ_１（４．２）Ａ_ｗ（８）の交差と同じ局所最大値を発生させる。交差の位置を決定し、さらに物体点の位置を決定するために、実施形態５００の装置は、交差点の反射から収集された光が出力素子、この実施例では４．１又は４．２のいずれかのどの位置点から発生したかを解決するように構成される。物体２と一致する焦点点の一方との交差からの反射光の局所最大値は、主に１つの支配波長からなるため、装置は、局所最大値の波長を決定することによって、局所最大値の光がどの出力素子（この実施例では４．１又は４．２のいずれか）から発せられるかを決定することができる。これは、出力素子４．１→４．ｎの異なる位置点Ｐ_１→Ｐ_ｎに関連する一致する焦点点の各位置について、ある波長λ_１→ｍに一義的に対応するように較正されるように行うことができる。したがって、図５ａの実施例では、波長λ_２の光センサ８の位置点Ｐ_ｗ（８）に対応する局所最大値は、出力素子４．２の位置点Ｐ_１（４．２）に一義的に対応することになる。このため、波長λ_４の光センサ８の位置点Ｐ_ｗ（８）に対応する局所最大値は、出力素子４．１の位置点Ｐ_１（４．１）に一義的に対応することになる。

【0081】

一実施形態では、光センサ８がＲＧＢカメラであるように、局所最大値の波長を決定することができる。

【0082】

２つ以上の出力素子４．１→４．ｎを含み、照明光学系１１と結像光学系１３の縦色収差を利用する実施形態では、装置は、光センサ８で検出した光の強度分布の局所最大値の波長を決定し、どの出力素子４．１→４．ｎから局所最大値の光が供給されているかを識別して交差物体点２．１の位置を決定するように構成される。光センサ８は、局所最大値の波長を決定するように構成されるＲＧＢカメラであっても良い。

【0083】

様々な実施形態において、光センサ８は、ＣＣＤ又はＣＭＯＳセンサなどであっても良い。

【0084】

また、測定装置、撮像装置、三角測量装置、又は光学装置とも呼ばれる。

【0085】

装置の出力素子は、照明素子又は光源素子とも呼ばれ得る。

【0086】

一致する焦点位置の分布は、測定される物体２の物体点２．１の位置を決定するための測定空間を定義する。

【0087】

実施形態では、測定される物体（２）の物体点の位置は、一致する焦点点の分布に関連するｘｙｚ座標系のｘ、ｙ、又はｚ座標の少なくとも１つについて決定される。

【0088】

図６ａは、物体（２）に向けられる光に対して少なくとも部分的に透明又は半透明である物体２ｄの厚さの測定の実施形態６００を示す。物体２ｄは、２つの表面を含み、それらの互いの間は、ある位置での物体の厚さＤとなる。図６ａの実施例では、第１表面を２ｆ、第２表面を２ｓと表記される。実施形態６００は、照明光学系１１及び結像光学系１３に任意の光学収差で利用でき、上述したような方法で物体２ｄの交差位置が測定される。

【0089】

図６ｂは、装置の光センサ８から受信した図６ａの実施例による信号の一実施例を示す。局所最大信号ｈ_２ｆ（２．１ｓ）は、上表面２ｆの物体点２．１ｆからの反射（すなわち、物体点２．１ｆと一致する焦点点Ａ_１（４．１）Ａ_ｂ（８）の交差）によって生じたものである。もう１つの局所最大信号ｈ_２ｓ（２．１ｆ）は、下表面の物体点２．１ｓ（すなわち、物体点２．１ｓと一致する焦点点Ａ_１（４．１）Ａ_ａ（８）の交点）から来る反射の結果である。これらの物点２．１ｆ、２．１ｓの位置における物体の厚さＤは、測定される物体の屈折率と測定形状が既知の場合、前記局所極大の距離Ｄ’から決定され得る。

【0090】

一実施形態では、物体（２）に向けられる光に対して少なくとも部分的に透明又は半透明である物体（２）の第１表面（２ｆ）と第２表面（２ｓ）との間の厚さは、第１表面（２ｆ）からの結果である光センサ８上の検出光の強度分布の局所最大値と第２表面（２ｓ）からの結果である光センサ８上の検出光の強度分布の局所最大値との位置差から決定される。

【0091】

図７ａは、本発明による測定される物体２ｃの表面を測定した場合のマトリクスカメラ型のセンサ８上の強度分布の一実施例を示す。照度の高い領域が明るい領域として示される。図７ａで、単一の撮像フレームで背景よりも明るいこれらの水平な領域の各々は、表面と、上記の方法で測定される異なる一致する焦点点を含む異なる線とが同時に交差した結果である。この例示的な測定は、２７の直線状の出力素子の照明からなる。図７ａでは、線の不連続性は、測定される物体２ｃに応じた表面形状の変化に起因する。２７本の線は、それぞれ２ｃの異なる表面部分から同時に測定される。図７ｂでは、２ｃの撮像領域を破線で図示される。図７ｃは、測定された表面形状を例示する物体２ｃの模式的な側面図を示す。

【0092】

図８は、例示的かつ非限定的な実施形態８００による方法のフローチャートを示す。
本方法は、以下の工程：
－工程８０２：異なる方向からの物体の光学的照明及び光学的検出を提供する、
－工程８０４：物体から反射された光を検出する、
－工程８０６：物体点の位置を決定する、及び
－工程８０８：光学特性を決定する、を含む。

【0093】

８０２において、光は、出力素子の各々の位置点の各々から、対応する出力素子の対応する位置点のための照明光学系の対応する主光線に関連付けられた対応する照明座標軸に沿って照明光学系から異なる距離に配置された照明焦点点又は焦点領域上に集光される。対応する主光線は、対応する出力素子の対応する位置点から集光された複数の照明焦点点又は焦点領域に対する相互である。対応する出力素子の対応する位置点に対する同じ対応する照明座標軸に沿った照明焦点点又は焦点領域の各々は、少なくとも支配波長又は形状が互いに異なり、及び／又は照明光学系の異なる光学的開口で形成される。

【0094】

さらに８０２において、光センサの位置点の各々から、光センサの対応する位置点に対する結像光学系の対応する主光線に関連する撮像座標軸に沿って結像光学系から異なる距離に複数の異なる撮像焦点点又は焦点領域が形成される。対応する主光線は、光センサの対応する位置点から形成される複数の撮像焦点点に対する相互である。同じ撮像座標軸に沿った撮像焦点点又は撮像領域の各々は、少なくとも支配波長又は形状が互いに異なり、及び／又は結像光学系の異なる光学的開口で焦点合わせされる。

【0095】

さらに８０２において、出力素子の各々に対して同じ対応する照明座標軸に沿った複数の照明焦点点又は焦点領域からの様々な焦点点又は焦点領域の各々が、異なる撮像座標軸に沿って位置付けされた撮像焦点点と一致する焦点点又は焦点領域で一致するように、複数の一致する焦点点又は焦点領域が形成される。各々の出力素子の照明座標軸の向きは、撮像座標軸の向きと異なるように構成される。一致する焦点点又は焦点領域の各々は、共通の支配波長又は形状に関連する照明焦点点及び撮像焦点点又は焦点領域からなり、及び／又は照明光学系と結像光学系の相関した光学的開口で形成される。

【0096】

８０４では、結像光学系によって物体から収集された光の強度値が検出される。

【0097】

８０６では、検出光の強度分布の局所最大値の位置から、物体点の位置を決定する。

【0098】

８０８では、検出光の強度分布の局所最大値の強度又は波長から、物体点の光学特性を決定する。

【0099】

工程８０６及び８０８は、８０６又は８０８のいずれか、あるいは代替的に８０６及び８０８の両方を達成することができる任意の工程である。

【0100】

測定プロセスを工程８０２に戻し、それによって連続的な測定プロセスが生成されることは、当業者にとって明らかである。

【0101】

実施形態による方法では、物体の第１表面上の物体点と物体の第２表面上の物体点との間の位置差から、物体に向けられる光に対して少なくとも部分的に透明又は半透明である物体の第１表面と第２表面との間の厚さを決定する工程を含む。

【0102】

実施形態による方法では、照明光学系が、縦色収差を利用して、少なくとも支配波長において互いに異なる対応する出力素子の対応する位置点に対して、同じ対応する照明座標軸に沿って照明焦点点の各々に焦点を合わせる工程を含む。さらに、結像光学系は、縦色収差を利用して、少なくとも支配波長において互いに異なる同一の撮像座標軸に沿って、撮像焦点点又は焦点領域の各々に焦点を合わせる。

【0103】

実施形態による方法では、方法は、照明光学系が、球面収差を使うことによって、照明光学系の異なる光学的開口で対応する出力素子の対応する位置点に対して同じ対応する照明座標軸に沿って照明焦点点の各々に焦点を合わせる工程を含む。さらに、結像光学系は、球面収差を使用することによって、結像光学系の異なる光学的開口で同じ撮像座標軸に沿って各々の撮像焦点点に焦点を合わせる。

【0104】

実施形態による方法では、方法は、照明光学系が、非点収差を使用することによって、形状が互いに異なる対応する出力素子の対応する位置点に対して、同じ対応する照明座標軸に沿って各々の照明焦点領域に焦点を合わせる工程を含む。さらに、結像光学系は、非点収差を使うことによって、互いに形状が異なる同じ撮像座標軸に沿って撮像焦点領域の各々に焦点を合わせる。

【0105】

実施形態による方法では、方法は、光センサを結像光学系の光軸に対して実質的に垂直に配置する工程と、複数の出力素子を平面上に配置する工程とを含む。前記平面が照明光学系の光軸に対して斜めの角度を形成し、好ましくは、前記複数の出力素子が複数の線状の出力素子からなる。

【0106】

図９及び図１０は、さらなる実施形態９００を示す。本実施形態では、装置は２つ以上の出力素子を含む。図９では、装置９００は５つの出力素子４．１→４．５を含むが、用途に応じて出力素子の数は変えても良い。さらに、出力素子は、本明細書の他の箇所で述べたように、線状又は点状の出力素子又はそれらの組み合わせとすることができる。出力素子４．１→４．５が線状の出力素子である場合、それらは装置の座標系１９９においてｘ方向に伸びる。

【0107】

出力素子は、平面５上に互いに整列して配置される。本実施形態９００では、前記２つ以上の出力素子を含む平面５が、照明光学系１１の光軸１１’に対して斜めの角度αに配置される。用途に応じてラインセンサ又はマトリクスセンサのいずれかになり得る光センサ８は、図９に示すように、結像光学系１３の光軸１３’に対して実質的に垂直の角度βで配置される。光センサ８がラインセンサである場合、図９に示すように、有利にはＹＺ－平面上に配置される。

【0108】

照明光学系１１及び結像光学系１３に縦色収差を提供することにより、各出力素子４．１→４．５の位置点から先の実施形態と同様に、照明焦点点及び撮像焦点点とそれらの照明焦点点及び撮像焦点点から形成される一致する焦点点が設けられる。代替的に、球面収差又は非点収差、あるいはこれら３つの任意の組み合わせで焦点点及び領域を形成することも、装置９００で使用可能である。

【0109】

図９の装置９００では、角度βにより、光センサ８の異なる位置点Ｐ１（８）→Ｐ８（ｎ）から形成される撮像焦点点は、座標系１９９のＹ方向に対してγの傾斜の角度となる一組の焦点面ＦＰ８（λ１→λｍ）に配置される。各出力素子４．１→４．５の異なる位置点から形成される照明焦点点と、同じ波長を有するある撮像焦点点とが一致するように、平面５を角度βに傾けることによって、ある照明焦点点と撮像焦点点との間の一致する焦点点が形成（すなわち、一致）される。その結果、各出力素子の照明焦点点は、他の出力素子に関連する一致する焦点点と比較して、少なくとも部分的に異なる高さで（すなわち、異なるＺ座標で）それぞれの撮像焦点点と一致するように、一致する焦点点は形成される。これは、図９に示されており、各出力素子４．１、４．２、４．３、４．４、及び４．５からの１つの位置点から形成される同じ照明軸（主光線）に沿った照明焦点点に関連する一連の一致する焦点点が線として図示され、Ｓ４．１（λ１→ｍ）、Ｓ４．２（λ１→ｍ）、Ｓ４．３（λ１→ｍ）、Ｓ４．４（λ１→ｍ）、Ｓ４．５（λ１→ｍ）と表記される。これらの一致する焦点点の線は、少なくとも部分的にＺ方向に異なる高さで配置される。最短波長λ１の焦点面ＦＰ８（λ１）と最長波長λｍの焦点面ＦＰ８（λｍ）の間にある照明焦点点と撮像焦点点から一致点が形成される。その結果、焦点面ＦＰ８（λ１）及びＦＰ８（λｍ）の間には、それぞれ、ＦＰ８（λ１）を結像光学系１３に最も近い焦点面、焦点面ＦＰ８（λｍ）を結像光学系１３に最も遠い焦点面として、複数の一致する焦点点の分布が形成される。一致する焦点位置の分布には、異なる出力素子４．１、４．２、４．３、４．４、及び４．５にそれぞれ関連する一致する焦点位置の空間的に分離した線Ｓ４．１（λ１→ｍ）、Ｓ４．２（λ１→ｍ）、Ｓ４．３（λ１→ｍ）、Ｓ４．４（λ１→ｍ）、及びＳ４．５（λ１→ｍ）がある。これらの線の各々は、Ｚ方向に一致する焦点点の被写界深度の合計に寄与する。このことは，出力素子４．１が１つしかない場合や、異なる出力素子に関連する一致する焦点点の全ての線が類似のＺ座標を有するように配置されている場合に比べ、一致する焦点点によって定義される測定空間の全体の使用可能なＺ範囲が大きくなることを意味する。

【0110】

図１０は、図９の測定空間を一部拡大示す。図１０では、装置９００の測定空間の全Ｚ範囲がＺｔｏｔとして描かれる。最上位のＺ座標を有する一致する焦点点は線Ｓ４．５（λ１→ｍ）上に位置し、支配波長λ１を有する。それぞれ、図９及び図１０の装置９００の測定空間の最も低い一致する焦点点（すなわち、最も低いＺ座標を有する）は、支配波長λｍを有する線Ｓ４．１（λ１→ｍ）上に位置する。ΔＺ（４．１）、ΔＺ（４．２）、ΔＺ（４．３）、ΔＺ（４．４）、及びΔＺ（４．５）はそれぞれ、一致する焦点点Ｓ４．１（λ１→ｍ）、Ｓ４．２（λ１→ｍ）、Ｓ４．３（λ１→ｍ）、Ｓ４．４（λ１→ｍ）、及びＳ４．５（λ１→ｍ）の線上で一致する焦点点によって定義されるＺ方向の測定（サブ）範囲を示す。これらの測定（サブ）範囲は，図のようにＺ方向に一部重なっている場合がある。その結果、装置９００のＺｔｏｔは、これらの（サブ）範囲からなる。

【0111】

図９及び図１０ではまた、平面を有する物体２も図示される。図では、物体２の表面と、異なるＹ座標及び異なる支配波長を有する一致する焦点点との２つの交差点が存在する。線Ｓ４．２（λ１→ｍ）において、Ａ１（４．２）Ａｑ（８）の一致する焦点点と１つの交差点が発生する。Ａ１（４．２）Ａｑ（８）は、出力素子４．２の位置点Ｐ１（４．２）から形成される照明焦点点Ａ１（４．２）と光センサ８の位置点Ｐｑ（８）から形成される照明焦点点Ａｑ（８）を一致させた一致する焦点点である。図９と図１０に示す別の交差点は、それぞれ、線Ｓ４．１（λ１→ｍ）におけるＡ１（４．１）Ａｗ（８）の一致する焦点位置で発生する。Ａ１（４．１）Ａｗ（８）は、出力素子４．１の位置点Ｐ１（４．１）から形成される照明焦点点Ａ１（４．１）と光センサ８の位置点Ｐｑ（８）から形成される照明焦点点Ａｑ（８）を一致させた一致する焦点点である。

【0112】

本開示の他の実施形態と同様に、装置９００においても各出力素子４．１→４．ｎは、出力素子４．１→４．ｎの異なる位置点Ｐ１→Ｐｎに関連する一致する焦点点の各位置が、ある波長λ１→ｍ及び光センサ８上のある位置点に対応するように別々較正される。

【0113】

装置９００では、最短波長λ１の焦点面ＦＰ８（λ１）と最長波長λｍの焦点面ＦＰ８（λｍ）との間で一致する焦点点が制限される。これらの焦点面間の一致する点の制限は、様々な方法で行うことができる。例えば、出力素子４．１→４．ｎの前に（バンドパス）フィルタを配置し、そこから放射される光を制限することができる。代替的又は追加的に、光センサ８の前に（バンドパス）フィルタを配置して、そこで検出される光を制限することもできる。代替的に、出力素子４．１→４．ｎは、λ１～λｍの制限された範囲内にある波長でのみ発光するように構成することができる。

【0114】

装置９００の全Ｚ測定範囲は、個々の出力素子に関連するサブ範囲からなるので、全Ｚ測定範囲は、出力素子の数４．１→４．ｎによって制御することができる。

【0115】

また、隣接する出力素子の間隔を調整することで、一致する焦点点が測定空間のＺ範囲全体をカバーすることが可能である。さらに、測定空間の各高さ位置（すなわち、Ｚ座標）に対して少なくとも２つの異なる一致する焦点点が存在するように、隣接する出力素子の間隔を調整することが可能である。

【0116】

装置９００で実現し得るには様々な利点がある。１つの利点としては、結像光学系１３を簡略化できること、また、検出される光が実質的に直角にセンサ表面に到達するように配置されるので、撮像の品質を向上させることも可能であることが挙げられる。

【0117】

また、他の利点は、照明及び結像光学系の開口数が比較的大きくても、一致する焦点点を形成することができることが挙げられる。これにより、光沢や傾きのある表面の測定が可能になる。なお、平行光源のレーザー光を測定される物体に照射する一般的なレーザー三角法３Ｄセンサでは、すでに視力的に傾いた光沢面では、すべての光が撮像開口部の外に出てしまい、傾いた光沢面の３Ｄ測定は不可能である。

【0118】

また、出力素子の数を増やすことで測定範囲を広げることができるため、結像及び照明光学系の縦色収差を増やすことなく、装置の全体のＺ測定範囲を広げることができるという他の利点も挙げられる。その結果、出力素子（すなわち、光源）が狭い波長帯域で発光するように構成された装置のＺ測定範囲を広げることが可能になる。例えば、４ｍｍなどの測定Ｚレンジを提供するために、結像光学系の縦色収差は２００μｍと短くすることが可能である。

【0119】

例えば、装置の出力素子は青色光のみを放射するように構成することができ、したがって、そのような装置の光学系の縦色収差は、それらの青色波長用に調整することができる。

【0120】

縦色収差に対して代替的又は追加的に本明細書で説明したように、球面収差及び／又は非点収差を装置９００の光学系に用いることができる。これらの場合、装置は、縦色収差を利用して、一致する焦点点の分布によって定義される測定空間を形成する図９、図１０の実施例と同様に実現することが可能である。球面収差を利用した場合の一致する焦点点、非点収差を利用した場合の一致する焦点領域は、本明細書に上記したように形成することができる。さらに、光センサ８の最低焦点面と最高焦点面との間の一致する焦点点又は領域の制限は、当業者に理解されるように、光学系の光学的開口を制限することによって、及び／又は光学系の設計によって行うことができる。

【0121】

球面収差又は非点収差を利用する本開示の他の実施形態と同様に、装置の各出力素子４．１→４．ｎは、出力素子４．１→４．ｎの異なる位置点Ｐ１→Ｐｎに関連する一致する焦点点又は領域の各位置が、照明光学系及び結像光学系のある相関する光学的開口と光センサ８上のある位置点とを対応するように較正されるように、別々に較正することが可能である。

【0122】

実施形態では、光センサ８は、結像光学系１３の光軸１３に対して実質的に垂直に配置されるラインスキャンカメラ又はマトリクスカメラであり、複数の出力素子４．１→４．ｎは、平面５上に配置され、平面５は、照明光学系１１の光軸１１’に対して斜めの角度を形成する。

【0123】

被測定物体の表面形状やトポグラフィを取得するためには、装置の測定空間を通して物体を走査する必要がある。その後、表面形状は、物体２の個々の物体点の位置計測値（高さやＺ座標など）の再構成として作成することができる。物体の３Ｄ測定が望まれる場合、装置は有利には少なくとも１つの線状要素４．１→４．５を含む。装置が４．１→４．５の出力素子がいくつ、どのような種類を含むかが関係する装置の設計は、用途に応じて異なる。表面測定の取得に関連するのは、装置の出力素子４．１→４．５の設計が、測定したいすべての物体点が少なくとも１つの一致する焦点点又は領域と交差するようなものである。

【0124】

走査測定は、測定される物体を、装置の一致する焦点点又は領域によって定義される測定空間を通して移動させる（すなわち、走査する）ように実現させることができる。このような走査では、例えば、リニアアクチュエータ又はコンベアなどで物体を移動させることができる。代替的に、物体は、物体の表面の対象点が装置の少なくとも１つの一致する焦点点と交差するように、装置を、例えばレール上で、又は他の種類の任意の移動機構又は手段の助けを借りて移動させることによって、走査が実際に行われる時にその場所に保持され得る。

【0125】

測定される物体の各表面点が、Ｚ測定範囲内の物体点のＺ位置にかかわらず、少なくとも１つの一致する焦点点を通過するように、装置の所定の走査経路及びＺ測定サブ範囲を調整することができる。

【0126】

一致する焦点点が照明光学系１１及び結像光学系１３の縦色収差を利用して形成される実施形態による方法において、前記方法は、物体点２．１が少なくとも１つの一致する焦点点と交差するように装置に対して物体２を動かす工程を含み、少なくとも１つの一致する焦点点の各々が共通の支配波長を有する。

【0127】

一致する焦点点が照明光学系１１及び結像光学系１３の球面収差を利用して形成される実施形態による方法において、前記方法は、物体点２．１が少なくとも１つの一致する焦点点と交差するように装置に対して物体２を動かす工程を含み、少なくとも１つの一致する焦点点の各々が照明光学系１１及び結像光学系１３の相関する光学的開口で形成される。

【0128】

一致する焦点点が照明光学系１１及び結像光学系１３の球面収差を利用して形成される実施形態による方法において、前記方法は、物体点２．１が少なくとも１つの一致する焦点領域と交差するように装置に対して物体２を動かす工程を含み、少なくとも１つの一致する焦点領域の各々が共通の形状に関連する照明焦点領域及び撮像焦点領域からなり、照明光学系１１及び結像光学系１３の相関する光学的開口で形成される。

【0129】

図１１では、物体２のある点から反射される光の強度値を、複数の異なる波長で決定する実施例を示す。図の装置１０００は、装置９００に対応し、したがって、同じ又は対応する部分は、同じ参照数字で示され、重複するテキストの記載も省略する。しかしながら、物体２のある点から反射される光の強度値を複数の異なる波長で決定することは、装置９００に限定されるものではない。実際には、本開示の他の実施形態、例えば、装置４００又は５００でも同じことが可能である。

【0130】

本発明による装置で物体２のある点から反射される光の強度値を複数の異なる波長で決定することは、装置が２つ以上の出力素子を含む場合と、照明光学系１１及び結像光学系１３の縦色収差を利用することによって、一致する焦点点を形成する場合に行うことが可能である。つまり、２つ以上の出力素子から形成される複数の一致する焦点点が存在する。前記一致する焦点点は、互いに空間的に離れた一致する焦点点の線が存在するように分布し、各々がある出力素子のある位置点４．１→４．５に関連する。さらに、各線の一致する焦点点では、照明光学系１１からの異なる距離及び異なる高さ（すなわち、Ｚ座標）を有する波長の高い順に一致する焦点点が配置される。

【0131】

図１１は、装置１０００の一致する焦点点によって定義される測定空間を通して物体２を走査することを例示する。図中、参照数字ｔ_１、ｔ_２、及びｔ_３は、同じ物体点ｏと計測空間の異なる一致する焦点点との交差の異なる時間インスタンスを示す。走査方向は、物体２の移動経路の上に左から右へ長い矢印で示す。その経路を破線で示し、１０１０と表記する。

【0132】

物体２のある物体点からの反射する光の強度値を複数の異なる波長で決定する場合、その物体点は、それぞれ異なる支配波長を有する異なる一致する焦点点と交差するように測定空間を走査され、他の交差する一致する焦点点と比較して、異なる出力素子に関連付けされる。図１１では、物体点が第１の時間インスタンスｔ１でＳ４．３（λ１→ｍ）の一致する焦点点と、第２の時間インスタンスｔ２でＳ４．２（λ１→ｍ）の一致する焦点点と、第３の時間インスタンスｔ３でＳ４．１（λ１→ｍ）の一致焦する点点と交差するように走査が実現される。これらの３つの交差点の各々から反射する光は、光センサ８で対応する強度で異なる位置で検出される。図中、光センサ８上の検出光の位置をそれぞれＩｍ（ｔ１）、Ｉｍ（ｔ２）、及びＩｍ（ｔ３）と表記する。

【0133】

本明細書で説明するように、物体点と一致する焦点点との交点から反射される光は、局所最大強度を生じ、その光センサ８上の位置から、物体点の位置を決定することができる。また、装置のプロセッサ（図示せず）は、交差点に関わる前記一致する焦点点への放射光に対応するその交差点からの反射光の波長を決定するように構成することも可能である。これは、局所最大値の位置と、どの出力素子４．１→４．５から局所最大値の光が供給されるかについての情報に基づいて決定され得る。したがって、ある一致する焦点点と交差する物体点からの反射光の強度値とそれに対応する波長を決定するように構成される。出力素子４．１→４．５局所最大値の光が提供される情報は、物体２が所定の経路で測定空間を通って移動される時に取得することができ、それによって移動中の物体点又は走査方向物体の座標が異なる時間インスタンスで既知である。これは、例えば、物体２の走査を実現する手段に符号化することができる。

【0134】

代替的に、出力素子４．１→４．５がどの情報から局所最大値の光を提供しているかを知るために、交差した一致する焦点点に関連する光を発する出力素子を、物体の走査と同期してオン及びオフで切り替えるように実現することもできる。

【0135】

本明細書で説明したように、その照明１１及び結像光学系１３に縦色収差を利用して一致する焦点点を形成する装置は、個々の出力素子４．１→４．ｎの異なる位置点Ｐ１→Ｐｎに関連する一致する焦点点の各位置が、ある波長λ１→ｍと光センサ８上のある位置点とに対応するように較正することが可能である。したがって、このような較正と、光センサ８上の局所最大値の位置情報と、どの出力素子４．１→４．ｎから局所最大値の光が供給されるかの情報とに基づいて、局所最大値の波長を決定することが可能である。

【0136】

図１２には、時間インスタンスｔ１、ｔ２、及びｔ３において、それぞれ異なる交差した一致する焦点に供給される光の波長分布の模式図が示される。これらの分布の最大強度は、時間インスタンスｔ１、ｔ２、及びｔ３において、交差した一致する焦点点の支配波長に対応する。したがって、図１２は、光センサ８のＩｍ（ｔ１）、Ｉｍ（ｔ２）、及びＩｍ（ｔ３）の位置の光について検出された局所最大値がそれぞれ異なる波長を有することを示す。

【0137】

その結果、走査測定において物体の表面形状を取得するのと同じ時間内に、複数の異なる波長を有する表面点からの反射される光の強度値を決定することが有利に可能となる。さらに、出力素子の数を増やすことによって行うことができるその物体点と交差させるべき一致する焦点点の数を増やすことによって、ある物体点からの反射される光に対する波長の異なる決定強度値の数を増やすことが有利に可能である。

【0138】

さらなる１つの利点は、同じ表面点を複数の波長で測定する場合、各々の測定される物体点が１つの一致する焦点と交差する測定と比較して、ノイズによって不確かさが減少するため、取得した表面形状測定の解像度も向上することも挙げられる。

【0139】

実施形態による方法では、少なくとも２つの異なる波長を有する物体点２．１からの反射される光に対する強度値を決定する工程を含み、この工程は、以下の段階：
－少なくとも第１及び第２の時間インスタンスを含む複数の異なる時間インスタンスにおける光センサ８上の検出光の強度値を取得する工程と、
－所定の経路で各２つの時間インスタンス間で装置に対して物体２を移動させる工程であって、それによって物体点２．１が少なくとも２つの一致する焦点点と交差し、少なくとも２つの一致する焦点点の各々が異なる支配波長を有し、物体点２．１と交差する他の少なくとも２つの一致合する焦点点と比較して異なる出力素子４．１→４．ｎと関連づけられる、工程と、
－検出光の取得された強度値の局所最大値の位置及びそれぞれの強度値を決定する工程と、
－決定された局所最大値の位置とそれぞれの強度値、及び局所最大値の光がどの出力素子４．１→４．ｎから供給されるかの情報に基づいて、少なくとも２つの異なる波長を有する物体点２．１からの反射される光に対する強度値を決定する工程と、を含む。

【0140】

図５ａ、５ｂ１、及び５ｂ２及び本明細書において、隣接する出力素子４．１→４．ｎが互いに十分に近い間隔で配置される場合、これらに隣接して異なる出力素子４．１→４．ｎから供給される検出光の局所強度最大値は光センサ８上の同じ位置に位置付けされ得ることが実証された。

【0141】

隣接する出力素子４．１→４．ｎが互いに十分に間隔が空いている場合、これらの隣接する異なる出力素子４．１→４．ｎから供給される検出光の局所強度最大値（すなわち、ピーク）は光センサ８上で全く重なることができない。この場合、装置の較正は明確に実現され、光センサ８上の各局所強度最大値に対して、ただ１つの、既知の出力素子４．１→４．ｎがあり、そこから局所強度最大値の光が提供され得る。このようなケースを図１３に示す。図では、３つの出力素子４．１、４．２、４．３に関連する一致する焦点点からなる空間的に分離した３つの線Ｓ４．１（λ１→ｍ）、Ｓ４．２（λ１→ｍ）、及びＳ４．３（λ１→ｍ）がある（これらの３つの出力素子及び照明光学系１１は図に示されていない）。４．１、４．２、及び４．３の間の十分な間隔により、これら３つの出力素子に関連する一致する焦点点Ｓ４．１（λ１→ｍ）、Ｓ４．２（λ１→ｍ）、及びＳ４．３（λ１→ｍ）は測定空間上で互いに大きく離間し、これらの線の測定領域、図ではＡ、Ｂ、及びＣが結像光学系１３を介して光センサ８上の分離した重複しない領域、それぞれＡ’、Ｂ’、及びＣ’上に撮像される。図でこのケースが示されるように、異なる撮像領域が互いに重ならない場合、局所強度最大値の光が提供され得る出力素子４．１→４．ｎが１つだけ存在することになる。隣接する出力素子４．１→４．ｎの間隔を設計して、光センサ上に撮像の別々の領域が存在し、撮像の領域の各々が一義的に一つの出力素子４．１→４．ｎのみに対応するようにすることが可能である。

【0142】

図１３に示す設計と比較して，隣接する出力素子４．１→４．ｎをより密に配置する方法の１つとして、光センサ８としてＲＧＢセンサを使用する方法がある。図１４では、１０個の空間的に離れた線の一致する焦点点からなる測定空間が例示される。１４０１は、１０個の出力素子４．１→４．１０からの光が、一致する焦点点のそれぞれの線に提供される方向を描く。図には、波長λｍを持つ一致する焦点点の線Ｓ４．ｎ（λ１→ｍ）とその１つの一致する焦点点ＣＦＰ（λｍ）の線が描かれる。１４０２は、ＲＧＢセンサ（出力素子４．１→４．１０、照明光学系１１、結像光学系１３は図示せず）の方向を描く。青色、緑色、及び赤色の帯域は、ＲＧＢセンサ８の焦点面の波長帯域を描く。このＲＧＢセンサ８の焦点面の３つの別帯域は、センサ上の３つ別々の領域に撮像の重なり合う領域を分割して使用することができる。つまり、ＲＧＢセンサ８上の同じ位置を有する前記３つの隣接する線の各々から一致する焦点点が存在するように、３つの隣接した線の一致する焦点点の間隔を密にすることが可能である。したがって、光センサ８上のある場所の同じ撮像焦点点に関連付けられる、赤色、緑色、及び青色の各焦点面バンドに１つの一致する焦点点が存在し得、前記場所上のチャンネルの各々の局所強度最大値は、較正によりある出力素子４．１→４．ｎに対応するように明確に識別され得る。

【0143】

図１５では、装置の実施形態１５００の９つの異なる線の一致する焦点点（すなわち、９つの異なる出力素子４．１→４．ｎに関連する一致する焦点点がある）によって定義された測定空間を通った物体２の走査が示される。なお、便宜上、出力素子４．１→４．ｎ、照明光学系１１及び結像光学系１３、光センサ８は図示されない。図に示すのは、物体２のある物体点が、５つの異なる時間インスタンスｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、及びｔ５において、５本の一致する焦点点の線と交差する破線で示す所定の経路１０１０において、ある順序で一致する焦点点と交差することである。測定空間のＺ範囲は、物体２の各物体点（表面点）が、異なる出力素子４．１→４．ｎに関連する一致する焦点点の異なる線と同じ数だけ交差するように調整されることに留意することが重要である。図では、物体点と交差する一致する焦点点の異なる線の数が５本になるようにＺ範囲が調整される。

【0144】

図では、参照符号Ｄで、一致する焦点点の隣接した線間の距離又は間隔が描かれるが、この実施例では、一致する焦点点の各線間が同じになるように調整される。つまり、この実施例の出力素子は、互いに等間隔に配置される。なお、装置の隣接する出力素子間の距離は同じである必要はなく、用途に応じて変化させられることを留意しなければならない。

【0145】

２つの連続する時間インスタンス間で、物体を走査方向に所定の経路１０１０でどれだけ移動させなければならないか、及び一致する焦点の隣接線の対応する間隔Ｄが分かっている（すなわち、出力素子間の距離が分かっている）場合、２つの連続する時間インスタンスｔｎ－１とｔｎ（すなわち、ｄＴ＝ｔｎ－ｔｎ－１）の間の時間の期間ｄＴも分かっている。

【0146】

最初の時間インスタンスｔ１において、物体２の物体点は、一致する焦点点Ｓ４．ｎ（λ１→ｍ）の１つの線の一致する焦点点と交差している。この交差点は、光センサ８のある位置（例えばＸＹ位置）に局所強度最大値を引き起こす。物体の軌道が既知であるため、所定の経路１０１０により、物体の物理的物体点は、第２の時間インスタンスｔ２＝ｔ１＋ｄＴ１において光センサの新しい位置（例えば、新しいＸＹ位置）上に別の局所強度最大値を引き起こし、この新しい位置は先行位置から計算することが可能である。この手順は、新しい時間インスタンスｔ１＋ｄＴ１＋ｄＴ２＋ｄＴ３．．．で、同じ物体点が測定空間全体を移動するまで何度でも繰り返すことができる。物体２が測定空間全体を通過すると、それ以上の信号（すなわち強度最大値）は検出されない。この実施例では、物体点と一致する焦点点の異なる線の５つの一致する焦点点との５つの交差点あるため、５つの異なる時間インスタンスｔ１→ｔ５において５つの局所強度最大が検出される。次に、これらの交差点に関連する各出力素子４．１→４．ｎは、光センサ８上で検出された連続した局所強度最大値の光を提供する５つの対応する出力素子の適切なセットにこれらの測定交差点をあてはめることによって特定することができる。物体点の位置上の面高は、光センサ８上の局所強度最大値の位置と、前記局所強度最大値を生じた光がどの出力素子からの情報に基づいて、較正から決定することが可能である。前記局所最大値の波長は、光センサ８上の前記局所強度最大値の位置と、どの出力素子から前記局所強度最大値の原因となった光が供給されたかという情報とに基づいて決定することが可能である。これにより、ある局所強度最大値の波長や強度などの他の特性のうち、一致する焦点点の線と交差させる回数だけ、物体点の位置を決定することができ、物体点の高さ（すなわちＺ座標）の決定などを向上させることができる。この実施例では、物体点の高さを５回決定される。

【0147】

本明細書で述べたように、ある組の出力素子４．１→４．ｎ間の間隔は、装置内の他の隣接する出力素子間の間隔とは異なることがある。この隣接する出力素子４．１→４．ｎの間隔の異同は、ある局所最大値の光をどの出力素子が提供したかを特定する際に利用することができる。例えば、図１５の実施例の装置において、隣接する出力素子の異種間隔が１つであった場合、対応する波長における物体表面の反射率が低いため、例えば最初の時間インスタンスｔ１において局所強度最大値がなくても問題ない。この場合、時間インスタンスｔ４→ｔ５において４つの局所強度最大が決定され、隣接する出力素子の間隔の非類似性４．１→４．ｎによって、検出された局所強度最大値の順序の最初又は最後であることが、欠落した局所強度最大値を識別することができる。局所強度最大値が最初と最後の局所強度最大値の間で欠落している場合（すなわち、物体の表面の反射率が対応する波長で低い場合）、欠落した局所強度最大値の位置は、連続する時間インスタンス間の決定された期間、及び最初と最後の時間インスタンス間の合計時間に基づいて決定することが可能である。

【0148】

実施形態では、隣接する出力素子４．１→４．ｎ間の少なくとも１つの間隔は、隣接する線状出力素子４．１→４．ｎ間の他の間隔と異なる。

【0149】

本発明は、前述の実施形態を参照して上で説明されており、本発明のいくつかの利点が実証されている。

【0150】

本開示は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の思想は、特許請求の範囲に記載された範囲内で多数適用することが可能である。

【0151】

特許請求の範囲に応じて列挙される特徴は、特に明示的に記載されない限り、相互に自由に組み合わせ可能である。

【図1a】

【図1b】

【図2a】

【図2b】

【図2c】

【図3】

【図4a-4b】

【図5a】

【図5b1-5b2】

【図6a】

【図6b】

【図7a】

【図7b】

【図7c】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【国際調査報告】