(57)【要約】【課題】共焦点結像原理による高速な光学式距離測定のためのセンサにおいて、センサと表面スポットとの間の間隔測定に対して、センサと表面スポットとの間の相対的な運動も、センサの光学素子の機械的な運動も必要としないように改善を行うこと。【解決手段】第１の照射ビームを発する第１の光出力側と、第２の照射ビームを発する第２の光出力側と、ビームスプリッタと、結像光学系と、第１の光入力側と、第２の光入力側と、第１の測定ビームの光強度を検出する第１の光検出器と、第２の測定ビームの光強度を検出する第２の光検出器と、評価ユニットを設け、第１の測定ビームの光強度と第２の測定ビームの光強度の比較結果から当該センサと表面間の間隔を求めるように構成する。【選択図】図１
2004101530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　共焦点結像原理に従った高速な光学式距離測定のためのセンサにおいて、
　第１の照射ビーム（１１１ａ）を発する第１の光出力側と、
　第２の照射ビーム（１１１ｂ）を発する第２の光出力側と、
　ビームスプリッタ（１３０）とを有しており、
　前記ビームスプリッタ（１３０）は、第１の照明ビーム（１１１ａ）がビームスプリッタ（１３０）を通る伝送の後で統合され、第２の照射ビーム（１１１ｂ）がビームスプリッタ（１３０）における反射の後で統合されるように配置されており、
　結像光学系（１４０）を有しており、
　前記結像光学系（１４０）は、統合された２つの照射ビーム（１１１ａ、１１１ｂ）が測定対象の表面（１５０）方向に配向されかつその際の２つの光出力側の結像光学系（１４０）に対する異なった間隔に基づいて、第１の光出力側の第１の実像（１６０ａ）と、第２の光出力側の第２の実像（１６０ｂ）が当該結像光学系からの様々な間隔距離において生成されるように配置構成されており、
　第１の光入力側を有しており、
　前記第１の光入力側は、第１の光出力側と同じ箇所に配置されており、それにより、表面（１５０）において第１の照射ビーム（１１１ａ）の少なくとも部分的な反射によって生成された第１の測定ビーム（１６１ａ）が、結像光学系（１４０）の通過とビームスプリッタ（１３０）を通る伝送の後で第１の光入力側に入射しており、
　第２の光入力側を有しており、
　前記第２の光入力側は、第２の光出力側と同じ箇所に配置されており、それにより、表面（１５０）において第２の照射ビーム（１１１ｂ）の少なくとも部分的な反射によって生成された第２の測定ビーム（１６１ｂ）が、結像光学系（１４０）の通過とビームスプリッタ（１３０）における反射の後で第２の光入力側に入射しており、
　さらに、
　第１の測定ビーム（１６１ａ）の光強度を検出する第１の光検出器（１７０ａ）と、
　第２の測定ビーム（１６１ｂ）の光強度を検出する第２の光検出器（１７０ｂ）と、
　評価ユニットが設けられており、
　前記評価ユニットは、前記２つの光検出器（１７０ａ、１７０ｂ）と結合されており、さらに前記評価ユニットは、第１の測定ビーム（１６１ａ）の光強度と第２の測定ビーム（１６１ｂ）の光強度の比較結果から、当該センサ（１００）と表面（１５０）との間の間隔を求めるように構成されていることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
　さらに付加的に、所定の数のさらなる第１の光出力側と、
　同じ数のさらなる第２の光出力側と、
　同じ数のさらなる第１の光入力側と、
　同じ数のさらなる第２の光入力側と、
　同じ数のさらなる第１の光検出器（１７０ａ）と、
　同じ数のさらなる第２の光検出器（１７０ｂ）とを有しており、
　前記さらなる第１の光出力側は、第１の光出力側に対して側方にずらされて配置され、それぞれ１つのさらなる第１の照射ビームを発し、該ビームはビームスプリッタ（１３０）を通る伝送と結像光学系（１４０）の通過の後で表面（１５０）に入射しており、
　前記さらなる第２の光出力側は、第２の光出力側に対して側方にずらされて配置され、それぞれ１つのさらなる第２の照射ビームを発し、該ビームはビームスプリッタ（１３０）における反射と結像光学系（１４０）の通過の後で表面（１５０）に入射しており、
　前記さらなる第１の光入力側は、それぞれさらなる第１の光出力側と同じ箇所に配置され、それにより、表面（１５０）においてさらなる第１の照射ビームの少なくとも部分的な反射によって生成されたさらなる第１の測定ビームが、結像光学系（１４０）の通過とビームスプリッタ（１３０）を通る伝送の後でさらなる第１の光入力側に入射しており、
　前記さらなる第２の光入力側は、それぞれさらなる第２の光出力側と同じ箇所に配置され、それにより、表面（１５０）においてさらなる第２の照射ビームの少なくとも部分的な反射によって生成されたさらなる第２の測定ビームが、結像光学系（１４０）の通過とビームスプリッタ（１３０）における反射の後でさらなる第２の光入力側に入射しており、
　前記さらなる第１の光検出器（１７０ａ）は、それぞれさらなる第１の測定ビームの光強度を検出し、前記さらなる第２の光検出器（１７０ｂ）は、それぞれさらなる第２の測定ビームの光強度を検出しており、この場合全てのさらなる光検出器（１７０ａ、１７０ｂ）も評価ユニットに結合されており、それにより、さらなる測定ビームの光強度の比較結果からそれぞれ、当該センサ（１００）と、表面（１５０）における同じ数の走査点との間の間隔が求められるように構成されている、請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
　前記光出力側は、ライン状に配列されている、請求項２記載のセンサ。
【請求項４】
　前記光出力側は、マトリックス状に配列されている、請求項２記載のセンサ。
【請求項５】
　前記光出力側と光入力側は、少なくともほぼ点状に形成されている、請求項１から４いずれか１項記載のセンサ。
【請求項６】
　前記光出力側と光入力側は、それぞれ光導波路（３１３ａ、３１３ｂ）の端面（３１４ａ、３１４ｂ）を用いて実現される、請求項１から５いずれか１項記載のセンサ。
【請求項７】
　前記光出力側と光入力側は、それぞれピンホール（１２０ａ、１２０ｂ）を用いて実現される、請求項１から５いずれか１項記載のセンサ。
【請求項８】
　前記光検出器（１７０ａ、１７０ｂ）は、それぞれ白黒型光検出器である、請求項１から７いずれか１項記載のセンサ。
【請求項９】
　第１の光検出器（１７０ａ）は、第１のカメラを用いて実現され、第２の光検出器（１７０ｂ）は第２のカメラを用いて実現されている、請求項１から８いずれか１項記載のセンサ。
【請求項１０】
　第１の光出力側の少なくとも過半数が第１の光源（１１０ａ）に光学的に結合され、
　第２の光出力側の少なくとも過半数が第２の光源（１１０ｂ）に光学的に結合されている、請求項２から９いずれか１項記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、共焦点結像原理に従った高速な光学式距離測定のためのセンサに関している。
【背景技術】
【０００２】
　電子的な構成モジュール上の集積密度の高まりによって、電子的構成素子の接続の数も益々増加している。この傾向に対応するために、複数の構成素子をそれらの下方側でボールソルダリング手法を用いて実装すべき基板の接続面とコンタクトさせるための組付け手法や接続手法も開発されてきた。この種の構成素子は例えばいわゆるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）やフリップチップなどである。信頼性の高いコンタクトを保証するためには、これらの構成素子の実装前に接続が正確に検査されなければならない。なぜなら実装してしまった後では、構成素子と接続面との電気的なコンタクトの不良につながるような不具合を含んだ接続箇所がもはや検出できなくなるからである。
【０００３】
　高品質な電子的構成モジュールを低コストで製造できるようにするために、電気的な構成素子のための最新の検査システムには多大な要求が課せられている。そのためこの検査システムは、検査対象のパラメータ、例えばその寸法や電気的なコネクションの共平面性、コネクションのピッチなどを定めなければならない。さらにこの検査はできるだけ短い検査期間内で実施できることと、なるべく安いコストで無接触に作業できるようにすべきものでもある。この種の三次元表面測定に対する高い要求は、通常は表面状態の測定のための光学的手法によってしか満たすことができない。この関係における光学的検査手法としては、いわゆる伝播時間計測法や三角測量法並びに共焦点検査法が公知である。
【０００４】
　センサと測定すべき表面との間の距離が当該表面から反射されて戻ってきた光パルスの伝播時間から求められる、伝播時間計測法に対しては、さらなる別の関係においていわゆる干渉測定法もその１つに数えられる。これは干渉性の光ビームの頂上によって非常に高い空間分解能が得られる。この干渉信号は、干渉計の光学素子の機械的な運動によってかまたは干渉計内の光路長さの変化によって生成される。この場合は測定すべき表面の表面結像記録のために比較的長い測定時間が必要となる。
【０００５】
　三角測量法に対しては、照明装置もしくは照射装置が監視装置から離れている全ての手法が含まれる。構造化された照明を用いて動作させる方法、例えばモアレ法などもこの方式に算入される。なぜなら測定すべき表面に照射されるパターンの変形が（この変形の具合からこの表面スポットの高さ位置が算出できる）所定の三角形の角度の下で監視されるだけだからである。構造化された照明を用いた三次元的な表面状態測定は、理想的には等方散乱の対象表面を前提とする。なぜなら非等方散乱の表面、つまり少なくとも僅かな反射性の表面は、ミラーレンズ作用のために三次元表面による構造化された照明の変形が反射できないからである。測定結果の信頼性は測定すべき表面の反射特性に非常に強く依存しているので、構造化された照明を用いたボールソルダリングの検査は、通常は不可能か、極端な困難性を伴ってしか実現できない。
【０００６】
　三角測量法にはそのほかにもさらにレーザー三角測量も含まれている。この場合は測定すべき表面がレーザービームによって走査され、レーザービームの入射点がカメラによって撮影される。この場合は高速偏向ユニット、例えば回転式ポリゴンミラーやガルバノメータスキャナなどがレーザービームの所定の偏向のために用いられる。代替的に、測定すべき対象物の移動によって対象物とレーザービームの間の相対運動を形成してもよい。このレーザー三角測量法を用いた測定は次のような欠点を有している。すなわち表面スポットが複数ある場合には、同時にではなく、ただ時間的に前後にずらしての走査しかできないことである。それにより結果的には検査時間も相応に長くなってしまう。
【０００７】
　三次元表面の測定のための共焦点光学結像法は、二次反射によって生成される散乱光よりも高い分解能と堅牢性の点で抜きんでている。さらに共焦点光学結像法は、次のような利点を有している。すなわち表面測定を同軸的に行うことができる点である。それにより、表面に対して斜めに入射する照明光による陰の問題、もしくは表面に対して傾斜した監視角度による陰の問題は生じない。既に公知である共焦点型顕微鏡は、非常に正確ではあるが緩慢な三次元表面測定の手法を表す。従来の共焦点距離センサは、間隔測定に対してセンサと測定すべき表面との間の周期的な相対運動を必要とする欠点を伴う。そのため移動させるべき質量体の慣性のために走査レートがさらに限られてしまう。
【０００８】
　欧州特許 EP 835423 B1 明細書からは、三次元表面測定のための改良された共焦点センサが公知である。この場合は、複数のレーザービームの線形配置構成の適用下で機械的に動く逆反射鏡によって生じる高速なフォーカスシフトによって迅速な表面測定が可能となる。この場合のイメージ記録はラインカメラによるものに匹敵する。このラインカメラを用いた測定すべき対象物および/またはカメラの、ラインに対して直角方向の運動により、原理的に連続画像が撮影可能となる。この理由からこの改良された共焦点センサは、ウエハや基板などの比較的大きな対象物の測定にも適する。画像の幅は、走査ラインの長さによって確定されるので、比較的広い画像範囲は、表面の蛇行状の走査によって測定されなければならない。ただしこの改良された共焦点センサは、所要のフォーカスシフトが逆反射鏡の運動によって形成されなければならないという欠点も有している。そのため従来の共焦点距離センサよりも少ない質量体を動かすだけでよいが、それにもかかわらず作動される逆反射鏡の慣性は、走査レートを制限する。
【特許文献１】欧州特許 EP 835423 B1 明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
　本発明の課題は、共焦点結像原理による高速な光学式距離測定のためのセンサにおいて、センサと表面スポットとの間の間隔測定に対して、センサと表面スポットとの間の相対的な運動も、センサの光学素子の機械的な運動も必要としないように改善を行うことである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
　前記課題は本発明により、
　第１の照射ビームを発する第１の光出力側と、
　第２の照射ビームを発する第２の光出力側と、
　ビームスプリッタとを有しており、
　前記ビームスプリッタは、第１の照明ビームがビームスプリッタを通る伝送の後で統合され、第２の照射ビームがビームスプリッタにおける反射の後で統合されるように配置されており、
　結像光学系を有しており、
　前記結像光学系は、統合された２つの照射ビームが測定対象の表面方向に配向されかつその際の２つの光出力側の結像光学系に対する異なった間隔に基づいて、第１の光出力側の第１の実像と、第２の光出力側の第２の実像が当該結像光学系からの様々な間隔距離において生成されるように配置構成されており、
　第１の光入力側を有しており、
　前記第１の光入力側は、第１の光出力側と同じ箇所に配置されており、それにより、表面において第１の照射ビームの少なくとも部分的な反射によって生成された第１の測定ビームが、結像光学系の通過とビームスプリッタを通る伝送の後で第１の光入力側に入射しており、
　第２の光入力側を有しており、
　前記第２の光入力側は、第２の光出力側と同じ箇所に配置されており、それにより、表面において第２の照射ビームの少なくとも部分的な反射によって生成された第２の測定ビームが、結像光学系の通過とビームスプリッタにおける反射の後で第２の光入力側に入射しており、
　さらに、
　第１の測定ビームの光強度を検出する第１の光検出器と、
　第２の測定ビームの光強度を検出する第２の光検出器と、
　評価ユニットが設けられており、
　前記評価ユニットは、前記２つの光検出器と結合されており、さらに前記評価ユニットは、第１の測定ビームの光強度と第２の測定ビームの光強度の比較結果から、当該センサと表面との間の間隔を求めるように構成されて解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
　本発明は次のような認識に基づいている。すなわち、結像光学系からの様々な離間距離で配置されている２つの異なる光出力側の実像の、高さ（深さ）座標に沿った段階的な配列構成によって、センサから測定すべき表面までの間隔距離は、２つの測定ビームの後方散乱強度間の補間によって定めることができることである。本発明によれば、それぞれ１つの測定ビームが光入力側に入射し、それぞれの光入力側に割当てられた光検出器によって相応の強度が検出される。２つの光入力側の各々は、これらの光入力側に割当てられた光出力側と同じ箇所に存在するので、これらの光出力側と光入力側は、自動的にそれぞれ対で相互にコンフォーカルな配列となる。この理由から第１の光検出器は有利には、表面から反射された第１の照射ビーム（ないし照明ビーム）の測定光を検出する。同じように第２の光検出器は有利には、表面から反射された第２の照射ビームの第２の測定光を検出する。従って測定すべき表面が２つの光出力側の２つの実像の間に存在するならば、間隔距離測定は、特に信頼性の高い数値を提供する。このようなケースでは、２つの強度がそれらの間で補間を実施するために相互比較される。本発明による距離センサは、従来の距離センサに比べて次にような利点がある。すなわち距離の検出が、センサと測定表面の間の相対的運動もセンサ光学素子の移動も必要とせずに行えることである。
【００１２】
　さらに本発明によれば、測定すべき表面が光出力側の２つの実像の間に存在しない場合でも距離測定が可能である。このケースでは、測定すべき表面の高さ（深さ）位置が補間によってではなく、補外によって求められる。また本発明によれば、当該距離センサの精度および/または測定範囲が次のことによって増大ないし拡大可能である。すなわち１つまたはそれ以上の段階的に配列される光入力側と出力側のさらなる対を利用することである。それらは結像光学系によって複数の実像を結像し、これらの実像も測定すべき表面に関するそれらの高さ位置に応じて段階的に配列される。
【００１３】
　請求項２による有利な改善例によれば、光入力側ないし光出力側の相対的な配列が、測定すべき表面上の走査点の位置を相互に定める。異なる走査点における測定すべき表面の同時走査は、より大きな走査能力を可能にする。そのため測定すべき対象物の表面状態が著しく迅速に検出できる。
【００１４】
　請求項３による改善例によれば、一次元走査ラインに沿って配列された種々異なる走査点における表面の走査が可能となる。測定すべき対象物の横方向シフトによって、より広い表面が迅速に測定可能となる。測定すべき表面の幅が、走査ラインの長さよりも長い時には、この測定対象物および/または距離センサが対象物表面に入射する照射ビームに対して横方向に蛇行状に移動され、それによって基本的には任意の大きさの表面が当該センサによって測定可能となる。
【００１５】
　請求項４による改善例によれば、二次元走査面上に配列された複数の走査点における測定すべき表面が同時に測定可能となる。それにより走査能力がさらに高められ、測定すべき面が、二次元走査面よりも小さい場合には、もはや測定対象物および/または距離センサの横方向のシフトが不要となる。なぜなら一回の撮影で全ての主要な表面が測定できるからである。
【００１６】
　当該の距離センサの高さ分解能は、光出力側ないし光入力側の断面積に依存するので、請求項５によれば、波長にマッチした断面積を有するほぼ点状の光出力側ないし光入力側が高い分解能を引き出す。
【００１７】
　請求項６によれば、光出力側と光入力側に対して光導波路の端面を用いることによって、光出力側と光入力側がビームスプリッタと結像光学系に対して相対的に容易に調整可能となる。個々の光導波路の端面は、光導波路の他方の端部が光源にも光検出器にも光学的に結合されているならば、光出力側としても光入力側としても作用する。このことは、例えば光導波路の他方の端部を２つの部分端部に分割することによって実現してもよい。この場合は一方の部分端部が光源に結合され、もう一方の部分端部は光検出器に結合される。同様に光導波路の他方の端部は、半透過性のミラーを介して光検出器にも光源にも光学的に結合されてもよい。
【００１８】
　請求項７によれば、光出力側と光入力側がそれぞれピンホールを用いて実現される。そこの場合各ピンホールのホール開口部はビームスプリッタを介して光検出器にも光源にも光学的に結合されている。実現すべき光出力側の数と相対的な配列に応じて個々のピンホールとピンホールライン若しくはピンホールマトリックスが用いられる。このことは当該共焦点距離センサがコンパクトな構造で実現できる利点につながる。
【００１９】
　請求項８によれば、白黒の光検出器を用いれば、スペクトル分解能を有する光検出器（本願では不要であるが）に比べて著しい低コスト化が図られる。
【００２０】
　請求項９によれば、光検出器としてカメラ、特にＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラが用いられる。それらの適用は、特に複数の第１の光検出器と複数の第２の光検出器が、それぞれ唯一の局所分解能型カメラを用いて実現される場合に有利となる。このケースでは、第１の光入力側の各々が第１のカメラの少なくとも１つまたは複数のピクセルに対応付けられ、第２の光入力側の各々が第２のカメラの少なくとも１つ又は複数のピクセルに対応付けられる。このようにして複数の光検出器が低コストで実現可能となる。さらに、基本的には全ての光入力側が唯一つのカメラを用いて実現されてもよい。このことは特に測定ビームの良好なビームガイドに基づいて第１の光入力側が第２の光入力側の近傍に存在する場合には有利となる。
【００２１】
　請求項１０によれば、複数の第１の光出力側が第１の光源でもって実現され、複数の第２の光出力側が第２の光源でもって実現される。この場合特にフラットな光源が適しており、その際光源のそれぞれ１つの表面素子は光学的結像のもとでさらなる結像光学系とさらなるビームスプリッタを介して光出力側と結合される。さらに全ての光出力側は、唯一つの光源を用いて実現されてもよい。このことは、特に良好なビームガイドによって複数の第１の光出力側が複数の第２の光出力側近傍に配設されていると有利となる。
【００２２】
　本発明のさらに別の利点並びに特徴は以下の明細書で有利な実施形態に基づいて説明する。
【実施例】
【００２３】
　次に本発明を以下の明細書で図面に基づき詳細に説明する。なお図面１〜３中で相互に対応している構成要素にはそれぞれ類似した３桁の数字が付されているが、それらは最初の桁の数字が異なっただけのものである。
【００２４】
　図１に示されている距離センサ１００は、段階的に配列されている２つのピンホールマトリックス、すなわち第１のピンホールマトリックス１２０ａおよび第２のピンホールマトリックス１２０ｂを有している。これらの２つのピンホールマトリックスの各開口部は、第１の照射ビーム１１１ａないし第２の照射ビーム１１１ｂを発する光出力側としてもちいられ、同時に第１の測定ビーム１６１ａないし第２の測定ビーム１６１ｂが入射する光入力側としても用いられる。それ故にこれらの２つのピンホールマトリックス１２０ａ、１２０ｂの開口部は同時に、光出力側としても光入力側としても用いられる。なぜなら各開口部は、光源１１０ａないし１１０ｂとも光学的に結合され、カメラ１７０ａないし１７０ｂとも光学的に結合されているからである。
【００２５】
　ここで説明する本発明の実施例によれば、第１のピンホールマトリックス１２０ａの光出力側が第１の光源１１０ａと次のように結合される。すなわち第１の光源１１１ａから発光された第１の照射ビーム１１１ａが、光学系１１２ａを用いて第１のピンホールマトリックス１２０ａの対応する開口部に結像されるように行われる。図１から明らかなように、第１のピンホールマトリックス１２０ａと光学系１２０ａの間には、ビームスプリッタ１１５ａが設けられており、このビームスプリッタ１１５ａを通って第１の照明ビーム１１１ａが伝送される。第１のピンホールマトリックス１２０ａの光入力側は、類似の形態で第１のカメラ１７０ａに光学的に結合されている。この場合第１の測定ビーム１６１ａが（これは光入力側に入射したものである）ビームスプリッタ１１５ａにおける反射を介して変向され光学系１１３ａによって第１のカメラ１７０ａに結合される。この場合第１の光源１１０ａは、第１のピンホールマトリックス１２０ａの全ての絞り開口部が照射される位に広大な発光面を有している。第１のカメラ１７０ａ（これは局所分解能型カメラ“local resolving camera”である）は、次にように配置されている。すなわち第１のピンホールマトリックス１２０ａの各絞り開口部が第１のカメラ１７０ａの１つまたは複数の画素に対応するように配置されている。それにより第１のピンホールマトリックス１２０ａの光入力側に入射する光強度が相互に依存することなく測定可能となる。
【００２６】
　第２のピンホールマトリックス１２０ｂの光出力側と第２の光源１１０ｂとの光学的な結合並びに第２のピンホールマトリックス１２０ｂの光入力側と第２のカメラ１７０ｂとの光学的な結合も、前述した第１の光源１１０ａと第１のピンホールマトリックス１２０ａの光出力側との結合ないしは第１のピンホールマトリックス１２０ａの光入力側と第１のカメラ１７０ａとの結合に類似して行われる。この場合は図１からも明らかなように、２つの光学系１１２ｂおよび１１３ｂと、ビームスプリッタ１１５ｂが用いられている。このビームスプリッタを通って第２の照射ビーム１１１ｂが伝送され、さらにビームスプリッタにおいて第２の測定ビーム１６１ｂが反射される。
【００２７】
　さらに図１で示されている距離センサ１００の配置構成においては次のような変更もまた可能である。すなわち第１の光源１１０ａないし第２の光源１１０ｂの位置と第１のカメラ１７０ａないし第２のカメラ１７０ｂの位置を入れ替えることも可能である。このケースでは、それぞれの光源と光出力側との間の結合がビームスプリッタ１１５ａないし１１５ｂにおける照射ビーム１１１ａないし１１１ｂの反射を介して行われ、光入力側と２つのカメラとの結合はビームスプリッタ１１５ａないし１１５ｂによる測定ビーム１６１ａないし１６１ｂの伝送を介して行われる。
【００２８】
　第１のピンホールマトリックス１２０ａの光出力は、ビームスプリッタ１３０を通る伝送の後で結合光学系１４０を用いて当該距離センサ１００の対象領域内に結像される。この場合は結合光学系１４０からの所定の間隔において第１のピンホールマトリックス１２０ａの実像１６０ａが生成される。相応に第２のピンホールマトリックス１２０ｂは、ビームスプリッタ１３０における反射の後で結合光学系１４０によって第２のピンホールマトリックス１２０ｂの実像１６０ｂを結像する。２つのピンホールマトリックス１２０ａ，１２０ｂの段階的配列構成に基づいて、２つの実像１６０ａ、１６０ｂが結像光学系１４０から異なった間隔距離で生成される。
【００２９】
　ここにおいて測定すべき表面１５０が、２つの実像１６０ａ、１６０ｂの間の領域に存在するならば、この表面はその高さ位置に応じて第１の照明ビーム１１１ａと第２の照明ビーム１１１ｂによって異なる照度で照明される。なぜならこれらの２つの照明ビームによって照明される面積が異なった大きさとなるからである。
【００３０】
　本発明による、光入力側と光出力側のコンフォーカルな配列構成（これは絞り開口部と光源並びにカメラとの同時の光学的結合によって自動的に充たされる）に基づいて、第１の照明ビーム１１１ａと第２の照明ビーム１１１ｂによって走査される表面スポットの高さ位置が、２つのカメラ１７０ａ，１７０ｂによって検出される光強度を定める。２つのカメラ１７０ａ，１７０ｂによって測定される光強度の補間によって、２つの実像１６０ａ、１６０ｂの間の領域に存在する表面１５０の正確な高さが算出できる。
【００３１】
　次に走査点の高さ位置の計算を図２に基づき以下の明細書で詳細に説明する。図示の座標系では、走査点からの後方散乱した光強度が高さ座標ｚに依存して表されている。第１の強度経過２８０ａは、高さ座標ｚに沿って相応の表面スポットがシフトした場合の表面スポットから後方散乱された測定ビーム１６１ａの強度を表している。相応のことは第２の強度経過２８０ｂに対しても当てはまる。この図２からも明らかなように、２つの強度経過２８０ａおよび２８０ｂは良好な近似においてそのつど１つのガウス曲線によって書き表される。高さ座標ｚに沿った２つのガウス曲線２８０ａおよび２８０ｂの相対間隔は、２つの実像１６０ａ、１６０ｂの間の間隔に相応する。この間隔は、同時に高さ測定領域Δｚも定める。２つの強度経過２８０ａおよび２８０ｂは、高さ座標ｚ０のもとで交差している。これは、２つの実像１６０ａ，１６０ｂの間の中央を正確に表している。測定された２つの強度、すなわち第１のカメラ１７０ａによって測定される第１の強度Ｉ１と、第２のカメラ１７０ｂによって測定される第２の強度Ｉ２に基づいて、そのつどの走査点の高さ位置ｚｍが求められる。この決定は図２中にグラフで表されている。
【００３２】
　２つの強度経過２８０ａおよび２８０ｂが正確にガウス曲線によって書き表されることを前提とすれば、高さ座標ｚｍは、分析によって確定することも可能である。その場合には、２つのガウス状の強度経過２８０ａおよび２８０ｂのそのつどの経過を表す２つの式によって一次方程式系が解かれる。この方程式系の解は以下の式、
　　　ｚｍ ＝ Ｚ０ ＋ ［ｌｎ（Ｉ１）−ｌｎ（Ｉ２）］ × （σ２／４Δｚ）
から得られる。この場合前記ｌｎは自然対数に対するものであり、前記σは２つのガウス状の強度経過２８０ａおよび２８０ｂの半値幅である。
【００３３】
　この式の迅速な計算を可能にするために、強度Ｉ１とＩ２の２つの対数を図には示されていない評価ユニットによって、当該評価ユニット内にファイルされているテーブルに基づいて求めるようにしてもよい。
【００３４】
　さらに前述した、既知の半値幅σのもとでの補間は、対象表面の絶対強度ないし反射率に依存しないこともここで述べておく。
【００３５】
　さらに付言すれば、本願の距離センサ１００は有利には、光距離スイッチ（例えばドイツ連邦共和国特許出願 DE 101 45 167.9-34 明細書参照）と一緒に組み合わせて用いることも可能である。この場合有利には、検出すべき表面がちょうど２つの実像１６０ａと１６０ｂの中間にさしかかると同時に当該光距離スイッチが信号を発するまで、当該の検出すべき表面が距離センサ１００の方向に移動される。この時点で一方の側の検出すべき表面と、他方の側の距離センサ１００ならびに光距離スイッチとの間の相対運動が停止される。それにより例えば高さ測定および共平面性測定のための検出すべき表面が、距離センサ１００に対して正しく位置に置かれる。
【００３６】
　図３には本発明のさらに別の実施例による距離センサ３００が示されている。ここでは２つのピンホールマトリックスが第１の光導波路３１３ａの第１の端面３１４ａないし第２の光導波路３１３ｂの第２の端面３１４ｂのマトリックス状の配列構成に置き換えられている。これらの光導波路３１３ａないし３１３ｂの端面３１４ａないし３１４ｂは、図１に示された本発明の第１実施例の場合と同じように、光出力側としても光入力側としても作用する。照射ビーム３１１ａおよび３１１ｂ並びに測定ビーム３６１ａないし３６１ｂの、ビームスプリッタ３３０および結像光学系３４０を介した経過は、前記距離センサ１００におけるビーム経路と同一である。結像光学系３４０に対する第１の端面３１４ａと第２の端面３１４ｂの相対的な段階的配列構成に基づいて、結合光学系３４０からの異なった間隔の中で、対象領域においては第１の端面３１４ａの実像３６０ａと、第２の端面３１４ｂの実像３６０ｂが生じる。
【００３７】
　端面３１４ａないし３１４ｂとは反対側の光導波路３１３ａないし３１３ｂ端面は、当該図３には示されていないが、それぞれ光源とも光検出器とも光学的に結合されている。この結合は、ビームスプリッタを介してか、あるいは、端面３１４ａないし３１４ｂとは反対側の光導波路３１３ａないし３１３ｂ端面をそれぞれ２つの部分端面に分割するようにして行ってもよい。この場合は一方の部分端面が光源と結合され、もう一方の部分端面は光受信器と光学的に結合される。
【００３８】
　実像３６０ａと３６０ｂの間に存在する、走査点の高さ位置ｚｍの計算は、前述の図２に基づいて説明したやり方と同じように行われる。
【００３９】
　本発明によれば、結像光学系１４０に相対する光出力側の段階的な配列構成によって、距離センサ１００の対象領域内で、光出力側の実像１６０ａ、１６０ｂが、異なる高さで生成される距離センサ１００が得られる。実像１６０ａと１６０ｂの間に存在する測定すべき表面１５０は、光出力側から発せられる照明ビーム１１１ａ、１１１ｂを少なくとも部分的に後方散乱させ、それによって２つの測定ビーム１６１ａ、１６１ｂが生成される。それらの光強度はそれぞれの光検出器１７０ａ、１７０ｂによって測定される。測定された光強度の補間によって表面１５０の走査点の高さ位置が計算できる。本発明の実施例によれば、測定すべき表面１５０は、同時に複数の走査点において測定することも可能である。また有利には光生成のために２つのフラットな光源１１０ａ，１１０ｂが用いられてもよいし、光検出に対して２つのフラットな局所分解能型カメラが用いられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】段階的配列構成のピンホールを伴った共焦点距離センサの概略図である
【図２】走査点の高さ位置の検出を表した図である
【図３】段階的配列構成の光導波路端部を伴った共焦点距離センサの概略図である
【符号の説明】
【００４１】
　１００　　　距離センサ
　１１０ａ　　第１の光源
　１１０ｂ　　第２の光源
　１１１ａ　　第１の照射ビーム
　１１１ｂ　　第２の照射ビーム
　１１２ａ　　光学系
　１２０ａ　　第１のピンホールマトリックス
　１２０ｂ　　第２のピンホールマトリックス
　１４０　　　結像光学系
　１５０　　　測定すべき表面
　１６０ａ　　実像
　１６０ｂ　　実像
　１７０ａ　　第１のカメラ
　１７０ｂ　　第２のカメラ
【図１】
2004101530.tif 000003
【図２】
2004101530.tif 000004
【図３】
2004101530.tif 000005