DE69632274T2

DE69632274T2 - Chromatischer optischer Sensor zum Entfernungsmessen

Info

Publication number: DE69632274T2
Application number: DE1996632274
Authority: DE
Inventors: Howard Greenlawn Stern; Robert J. Deer Park Metzger
Original assignee: Robotic Vision Systems Inc
Current assignee: Acuity CiMatrix Inc
Priority date: 1995-07-31
Filing date: 1996-07-20
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2016-07-21
Also published as: DE69610540D1; US5790242A; DE69632274D1; DK0762143T3; EP0997748B1; EP0997748A3; EP0997748A2; EP0762143A1; EP0762143B1; DE69610540T2

Description

Hintergrund der Erfinduug
Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die dreidimensionale (3-D) Bilderfassung und dessen Messung durch chromatische Bereichsauflösung.
Ständige Fortschritte bei der Komplexität der Schaltkreise und der Miniaturisierung von Merkmalen in der Halbleiterindustrie haben zu einem Erfordernis an wesentlich verdichteten Eingangs/Ausgangs (I/O) Leitungen geführt. Oberflächenaufbautechnikbauelementen (SMD) haben weitgehend die traditionellen integrierten (IC) Baugruppen mit Durchgangsbohrungen ersetzt. SMD-Leitungen, wie solche auf Viererflachbauelementen (QFPs) werden direkt auf Verbindungskontaktierungsflecken auf der Oberfläche eines Schaltkreises gelötet und erlauben dabei erhöhte Dichten von Leitungen und einen kleineren Vorrichtungsplatzbedarf. In jüngerer Zeit hat die Kugelrasterbauelementen (BGA) die SMD-Vorrichtungen verbreitet. BGA ersetzt die peripheren SMD-Leitungen mit einer Matrix von Lötkugeln an der Unterseite der Vorrichtung. Zukünftige Trends werden das SMD-Konzept auf Verfahren zur direkten Anbringung erstrecken, wie Flip Chips, bei denen die Verbindungpunkte mit dem Wafer integriert sind.
Diese neuen Bauelementetechnologien stellen erhebliche Anforderungen an die Hersteller dieser Bauelemente. Jede Leitungsdeformation kann dazu führen, dass es unmöglich ist, das Bauelement korrekt auf die Schaltkarte zu löten. Bei BGA und Flip Chip Elementen müssen die Lötkugeln und Verbindungspunkte exakt bemessen und angeordnet sein, um mit korrespondieren Verbindungsflecken auf der gedruckten Schaltkreis(PC-)karte exakt zusammenzupassen. Eine Bauelementanordnung aus SMD-Leitungen, BGA Lötkugeln oder Flip Chip Verbindungen ist eine 3-D-Struktur, die auf einer Karte einen monostabilen oder bistabilen Sitz aufweist. Die Baugruppe kann innerhalb akzeptabler Toleranzen für das erfolgreiche verlöten während der Kartenherstellung liegen oder auch nicht. Typische Prüfungen von SMD-Elementen mit peripheren Leitungen schließen die Überprüfung von Koplanarität, Verteilung der Anschlusspins, Pinbreite, Spaltenbreite, Echtverteilung, Echtweite und Leitungswinkel ein. Eine typische Prüfung einer BGA-Vorrichtung schließt die Überprüfung von Koplanarität, Echtpostions fehler, Rasterung, Kugeldurchmesser und Kartenwölbung ein. Die sich entwickelnden Anforderungen für Flip Chip Elemente werden wahrscheinlich ähnliche geometrische Anforderungen einschließen, mit deutlich größerer geforderter Genauigkeit, wie heute für BGAs benötigt wird.
Einige kommerzielle Leitungsprüfungssysteme benutzen eine maschinelle 2-D-Optik. Statt die 3-D Leitungsgeometrie direkt zu messen, leiten die 2-D Systeme eine 2-D Form aus 2-D Schatten ab und sind daher in ihrer Fähigkeit, die kritische Parameter von SMT-Leitungen adäquat zu charakterisieren, eingeschränkt. Außerdem versuchen 2-D Systeme oft ein ausreichendes Ergebnis durch die Verwendung mehrerer Kameras zu erzielen, die jedoch für sich daraus ergebende Messverschiebungen und Verschlechterung der Gesamtgenauigkeit anfällig sind. Schließlich erfordern alle 2-D Systeme einen erheblichen Arbeitsaufwand an den Elementen, was den Durchsatz verringert und die Elemente beschädigt.
Andere kommerzielle Systeme verwenden eine maschinelle 3-D Optik, wie in den US-Patenten 4,238,147 4,590,367, 4,529,316, 4,594,001 und 4,991,968 offenbart. Typische maschinelle optische Sensoren beruhen auf dem etablierten Prinzip optischer Dreiecksaufnahme von strukturiertem Licht. Das Objekt (d.h. die SMD Leitung oder die BGA Kugel) wird durch eine gescannte, gebündelte Laserquelle beleuchtet: die reflektierte Energie wird von einer abseits gelegenen Kamera aufgefangen. Das bekannte Raumverhältnis zwischen der Beleuchtungsquelle und der Kamera ermöglicht die Berechnung einer genauen 3-D-Messung. Die Kombination einer Kamera mit einem Projektor für strukturiertes Licht ist ein 3-D-Sensor.
Es ist erstrebenswert, das bekannte optische Dreiecksverfahren zu verbessern, um den anstehenden Erfordernissen nach hoher Auflösung und großem Durchsatz zu genügen. Eine Technik, die Auflösung der optischen Dreiecksaufnahme zu verbessern ist, den Winkelabstand zwischen dem Sender und dem Empfänger zu vergrößern. Diese Verbesserung ist jedoch allenfalls inkrementell, gilt nur für eine Dimension (Bereichsauflösung) und wird mit der Strafe erhöhter Anfälligkeit der Verdeckung der betrachteten Fläche durch benachbarte Flächen erreicht.
Eine andere mögliche Verbesserung ist die Erhöhung der Bereichsauflösung und der lateralen Auflösung, indem die gebündelte Punktgröße des gesendeten Laserstrahls verringert wird. Die Punktgröße ist direkt proportional zu dem Produkt der f-Zahl der Projektionsoptik (vom Ziel aus gesehen) und der Laserwellenlänge. Die Projektionsoptik kann inkrementell verbessert werden, jedoch nicht um eine Größenordnung wenn die Feldtiefe beibehalten wird.
Kürzere Wellenlängen und eine höhere Auflösung können durch die Verwendung von Beleuchtungsquellen mit höherer Frequenz erzielt werden. Derzeitige optische Dreiecksaufnahmensysteme arbeiten im nahen Infrarotbereich (800-900 nm Wellenlänge). Die interessanten kürzeren Wellenlängen liegen im tiefen Ultraviolettbereich (< 300 nm). Unglücklicherweise ist der Ultraviolett(UV-)bereich durch einen Mangel an billigen Festkörperbeleuchtungsquellen, sehr geringe Photodetektorsensibilität und die Abnutzung der optischen Komponenten im Gebrauch charakterisiert. UV-Wellenlängen besitzen große praktische Probleme für ein kommerzielles Hochleistungsprüfsystem.
Eine seit kurzem populäre Technik zur sehr genauen Messung auf Halbleiterwaferflächen, bekannt als konfokale Lasermikroskopie, verwendet einen brechungsbegrenzten monochromatischen Lichtpunkt, der auf eine Zielfläche projiziert minimalen Fokustiefe über die gesamte Feldtiefe, in der sich das Ziel befindet, ein sehr langsamer Prozess. Die Kalibrierung des Mikroskops ist schwierig. Die beweglichen Teile können sich im Gebrauch abnutzen und Wartungszeiten verursachen.
Eine andere jüngere Technik verwendet die Streuungscharakteristika einer diffraktiven Mikro-Fresnel-Linse (MLF) in einem Spektrometer, wie in „Spectrometer Employing a Micor-Fresnel-Lens", Optical Engineering Vol. 34, No. 2 pp. 584-588 (Februar 1995) beschrieben. MFLs haben grundsätzlich einen breiten chromatischen Bildfehler. Zwischen einem Photodetektor und einer MFL wird ein bewegliches feines Loch angeordnet. Die Länge, die durch das feine Loch geht wird von dem Photodetektor erkannt, der einen Strom erzeugt, der der Lichtintensität des an dem feinen Loch gebündelten Lichts entspricht. Durch Bewegen des feinen Lochs wird eine Intensitätsverteilung erzielt. Die Abstände zwischen der MLF und dem feinen Loch, das gebündeltes Licht durchlässt korrespondiert direkt mit der Wellenlänge des einfallenden Lichts. So wird das Spektrum des einfallenden Lichts erhalten. Wenn dagegen die Wellenlänge des einfallenden Lichts (und die zugehörige Brenntiefe) bekannt ist, wird leicht der Abstand zwischen dem feinen Loch und der MLF bestimmt. Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Adaption dieses Prinzips benutzt.
Die obige Technik einen Strahl zu streuen (d.h. mit einer Fresnel-Linse) und basierend auf der Erkennung eines Peaks beim zurückkehrenden Licht einen Bereich zu messen wird auch in einer Veröffentlichung mit dem Titel „Longitudinally Dispersive Profilometer", Pure and Applied Optics, Vol. 4, No. 3, pp. 219-228) Mai 1995) diskutiert. Ein ähnlicher optischer Oberflächenprofilmesser ist in „Optical Surface Profiler Transducer", Optical Engineering, Vol. 27, No. 2, pp. 135-142 (Feb. 1998) beschrieben.
Eine andere Technik verwendet drei chromatische Filter, um Abstände zu bestimmen, wie in „Three-dimensional image sensing by chromatic confocal microscopy", Applied Optics, Vol. 33, No. 10, pp. 1838-1843 (April 1994) dargelegt. Licht wird durch eine chromatisch bildverschobene Objektivlinse von einem Ziel reflektiert. Mehrere Wellenlängen von Licht werden gleichzeitig von der Zieloberfläche reflektiert und durch drei verschiedene chromatische Filter gelenkt, die ähnlich wie das menschliche Auge funktionieren. Jeder chromatische Filter wird verwendet, um eine andere Farbe zu unterscheiden. Der Abstand eines Ziels von einem bekannten Ort wird aus der relativen Lichtmenge abgeleitet, die durch jeden der drei chromatischen Filter empfangen wird.
Ein anderer Weg, einen Bereich zu bestimmen, ist in dem US-Patent Nr. 3,815,409 beschrieben. Entsprechend der Beschreibung kann eine gechirpte frequenzmodulierte Tonwelle durch eine Streuungslinse geleitet werden, die mit der Frequenz variierende Brenntiefen hat. Jede Frequenz wird bei einer verschiedenen Tiefe zum Objekt gebündelt. Für die Sendung der Tonwelle bis zum Empfang einer reflektierten Tonwelle in einem Wandler wird ein Zeitabstand gemessen. Der Zeitabstand entspricht einer bestimmten Tiefe zum Objekt.
Die mit anhängige Europäische Patentanmeldung Nr. 96 111 721 offenbart einen Sensor, der einen Quellstrahl von einer polychromatischen elektromagnetischen Strahlungsquelle besitzt; sowie erste Mittel zur Verarbeitung des Quellstrahls, um einen einfallenden Strahl zu erzeugen, einschließlich Mitteln den Quellstrahl durch Wellenlänge über Zeit zu modulieren, um den einfallenden Strahl zu erzeugen, der entlang einer Achse für den einfallenden Strahl projiziert wird; wobei der einfallende Strahl auf ein Ziel projiziert wird; sowie einen von einer Oberfläche des Ziels reflektierten Strahl; und Mittel zum Sammeln des reflektierten Strahls; wobei der einfallende Strahl ein zeitmodulierter Strahl ist, so dass der einfallende Strahl eine erste Wellenlänge zu einem ersten Zeitpunkt und eine zweite Wellenlänge zu einem zweiten Zeitpunkt aufweist; wobei Mittel vorhanden sind, den einfallenden Strahl auf das Ziel zu bündeln, wobei die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge Wellenlängen sind, die in unterschiedlichen Abständen von einem bekannten Ort aus entlang der Achse des einfallenden Strahls gebündelt werden; wobei der reflektierte Strahl einen gebündelten und einen ungebündelten Bereich hat und wobei Mittel vorhanden sind, den reflektierten Strahl zu verarbeiten, um einen Abstand des Ziels von dem bekannten Ort zu bestimmen, indem Verhältnisse der gebündelten und ungebündelten Bereiche zu jedem Zeitpunkt verglichen werden.
Aufgaben und Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe er vorliegenden Erfindung, die Nachteile und Beschränkungen des Stands der Technik zu überwinden.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen anderen Ansatz für eine 3-D-Messung zu bieten, als die Dreiecksaufnahme.
Es ist ein weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein schnelles, effizientes Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen und Messen im Mikronbereich zu schaffen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Entfernungssensor zu schaffen, der wellenlängenabhängige Reflektionsfaktoren von einem Ziel kompensiert.
Die obigen und anderen Aufgaben werden durch einen chromatischen optischen Entfernungssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 realisiert. Erfindungsgemäß besitzt ein Chromatischer optischer Sensor zum Entfernungsmessen, Mittel um einen Quellstrahl aus optischer Energie auf ein Ziel von einem bekannten Ort aus zu bündeln, wobei verschiedene Wellenlängen des Quellstrahls an verschiedenen Abständen von dem bekannten Ort gebündelt werden; Mittel zum Einfangen eines von dem Ziel reflektierten Strahl und Mittel zum Erkennen und Interpolieren des reflektierten Strahls um einen Abstand des Ziels von dem bekannten Ort zu bestimmen. Der Sensor besitzt weiter Mittel zum Teilen des reflektierten Strahls in einen gebündelten Teil und einen ungebündelten Teil und Mittel zur Bestimmung eines Verhältnisses einer Amplitude des gebündelten Teils zu einer Amplitude des ungebündelten Teils.
Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein chromatischer optischer Entfernungssensor geschaffen, der weiter aufweist: dass die optische Energie eine hochintensive optische Breitbandenergie ist, die eine Mehrzahl individueller Wellenlängenkomponenten besitzt; Mittel zur Polarisierung der optischen Energie; Mittel zur Einstellung der polarisierten optischen Energie, so dass der Polarisationsbereich der optischen Energie mit einem Bereich optischer Wellenlängen korrespondiert; und Mittel zum selektiven Senden der optischen Energie entsprechend einer besonders orientierten Polarisierung.
Gemäß einer anderen Ausführung wird ein chromatischer optischer Entfernungssensor nach Anspruch 1 geschaffen, der weiter daraus besteht: dass die optische Energie eine polychromatische Lichtquelle ist; Mitteln zu Streuung des poly chromatischen Lichts, wodurch verschiedene Wellenlängen des polychromatischen Lichts in verschiedenen Abständen bündelbar sind; und Mitteln, eine Wellenlänge zu erkennen, bei der der reflektierte Strahl eine maximal Amplitude besitzt, wobei die maximale Amplitude im Verhältnis mit einem Abstand zwischen dem Ziel und den Streuungsmitteln steht.
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung verdeutlicht die in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen zu lesen ist, bei denen gleiche Referenznummern gleiche Elmente bezeichnen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Explosionsdarstellung von oben eines erfindungsgemäßen 3-D-Sensors.
2 ist eine schematische Alternative der Ausführung von 1 zur Erkennung und Interpolation eines Outputs, der von dem zu messenden Ziel reflektiert wird.
3 ist eine Explosionsdarstellung von oben einer Ausführung zum Projizieren optischer Energie auf ein zu messendes Ziel.
4A ist eine Explosionsdarstellung von oben einer Ausführung zur Erkennung eines Outputs von einem zu erfassenden Ziel, die den wellenlängenabhängige Reflektionsfaktor aus der Tiefenberechnung entfernt.
4B ist eine Explosionsdarstellung von oben einer alternativen Ausführung zur Erkennung eines Outputs von einem zu erfassenden Ziel, die den wellenlängenabhängigen Reflektionsfaktor aus der Tiefenberechnung entfernt.
4C ist eine Explosionsdarstellung von oben einer Ausführung zur Erkennung eines Outputs von einem zu erfassenden Ziel, die den wellenlängenabhängigen Reflektionsfaktor aus der Tiefenberechnung entfernt.
5A ist eine Perspektivansicht eines faseroptischen Bündels zur Erkennung eines Outputs von einem zu erfassenden Ziel, die die wellenlängenabhängige Reflektionsfaktor aus der Tiefenberechnung entfernt.
5B ist eine Explosionsdarstellung von oben einer Ausführung zur Erkennung eines Outputs von einem zu erfassenden Ziel, die den wellenlängenabhängigen Reflektionsfaktor aus der Tiefenberechnung entfernt, die das faseroptische Bündel von 5A verwendet.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführung
Die Sensorkonfiguration von 1 benutzt einen Bereich gleichzeitig gesendeter Wellenlängen, um die gesamte Feldtiefe zu beleuchten. Dies steht im Gegensatz zu den Sensorkonfigurationen der 1–3 der gleichzeitig anhängigen Europäischen Patentanmeldung Nr. 96 111 721, die jeweils sequentiell gesendete Wellenlängen verwenden, um die Feldtiefe zu scannen, wenn die gesendete Wellenlänge geändert wird. Der kollimierte Output der Linse 2 wird durch eine Linse 12 und eine Linse 13 geformt. Der geformte Strahl wird durch eine Linse 23 auf ein feines Loch 14 gebündelt. Der Strahl, der aus dem feinen Loch 14 tritt, enthält das volle optische Spektrum der Breitbandbeleuchtungsquelle 1. Der Breitbandstrahl wird dann durch eine Linse 9 kollimiert. Der kollimierte Strahl fällt dann auf einen Strahlungsteiler 15. Ein erster Teil des Strahls wird durch den Strahlungsteiler 15 zu der Objektivlinse 22 geleitet. Ein zweiter Teil des Strahls wird von dem Strahlungsteiler 15 reflektiert, zu der optischen Achse 17 zurückgeleitet, wo er auf einen Detektor 8 fällt.
Die Objektivlinse 22 projiziert den ersten Teil des Strahls mit einer unterschiedlichen Brennebene 100 für jede Wellenlänge auf ein Ziel 6. Wie vorher bei der ersten Ausführung beschrieben, werden längere Wellenlängen näher an der Objektivlinse 22 gebündelt und kürzere Wellenlängen werden weiter entfernt gebündelt. Von der Wellenlänge, die am nächsten an dem Ziel 6 gebündelt wird, wird mehr Licht reflektiert als Licht von den anderen Wellenlängen. Das von dem Ziel 6 reflektierte Licht wird von der Objektivlinse 22 gesammelt und durch den Strah–
5A ist eine Perspektivansicht eines faseroptischen Bündels zur Erkennung eines Outputs von einem zu erfassenden Ziel, die die wellenlängenabhängige Reflektionsfaktor aus der Tiefenberechnung entfernt.
5B ist eine Explosionsdarstellung von oben einer Ausführung zur Erkennung eines Outputs von einem zu erfassenden Ziel, die den wellenlängenabhängigen Reflektionsfaktor aus der Tiefenberechnung entfernt, die das faseroptische Bündel von 5A verwendet.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführung
Die Sensorkonfiguration von 1 benutzt einen Bereich gleichzeitig gesendeter Wellenlängen, um die gesamte Feldtiefe zu beleuchten. Dies steht im Gegensatz zu den Sensorkonfigurationen der 1–3 der gleichzeitig anhängigen Europäischen Patentanmeldung Nr. 96 111 721, die jeweils sequentiell gesendete Wellenlängen verwenden, um die Feldtiefe zu scannen, wenn die gesendete Wellenlänge geändert wird. Der kollimierte Output der Linse 2 wird durch eine Linse 12 und eine Linse 13 geformt. Der geformte Strahl wird durch eine Linse 23 auf ein feines Loch 14 gebündelt. Der Strahl, der aus dem feinen Loch 14 tritt, enthält das volle optische Spektrum der Breitbandbeleuchtungsquelle 1. Der Breitbandstrahl wird dann durch eine Linse 9 kollimiert. Der kollimierte Strahl fällt dann auf einen Strahlungsteiler 15. Ein erster Teil des Strahls wird durch den Strahlungsteiler 15 zu der Objektivlinse 22 geleitet. Ein zweiter Teil des Strahls wird von dem Strahlungsteiler 15 reflektiert, zu der optischen Achse 17 zurückgeleitet, wo er auf einen Detektor 8 fällt.
Die Objektivlinse 22 projiziert den ersten Teil des Strahls mit einer unterschiedlichen Brennebene 100 für jede Wellenlänge auf ein Ziel 6. Wie vorher bei der ersten Ausführung beschrieben, werden längere Wellenlängen näher an der Objektivlinse 22 gebündelt und kürzere Wellenlängen werden weiter entfernt gebündelt. Von der Wellenlänge, die am nächsten an dem Ziel 6 gebündelt wird, wird mehr Licht reflektiert als Licht von den anderen Wellenlängen. Das von dem Ziel 6 reflektierte Licht wird von der Objektivlinse 22 gesammelt und durch den Strah lungsteiler 15 entlang der optischen Achse 15 reflektiert. Das reflektierte Licht wird durch eine Linse 26 auf ein feines Loch 27 gebündelt. Das aus dem feinen Loch 27 austretende Licht wird durch die Linse 37 kollimiert.
Der aus der Linse 37 austretende kollimierte Strahl fällt auf ein Beugungsgitter 41. Das Beugungsgitter 41 verursacht eine räumliche Streuung der optischen Breitbandwellenlängen, die von dem Ziel 6 reflektiert werden. Zu diesem Zweck kann optional ein Wellenlängen streuendes Prisma verwendet werden. Diese räumliche Wellenlängenstreuung ersetzt die zeitliche Wellenlängenstreuung, die in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung offenbart ist. Die räumlich gestreuten Wellenlängen, die von dem Beugungsgitter 41 ausgehen, werden durch eine Linse 38 auf einen Arraydetektor 39 gebündelt. Unterschiedliche Wellenlängen fallen durch die räumliche Streuung gleichzeitig auf verschiedene Zellen des Arraydetektors.
Der Arraydetektor 39 ist eine Anordnung geeigneter Detektoren, wie hochverstärkte Avalanchedioden (APDs), Silikon-PIN-Dioden, ladungsgekuppelten Vorrichtungen (CCD) oder Mikrokanal-Plattenbildverstärkern (MCP), die ein CCD oder ein anderes Array enthalten. Jede einzelne Auflösungszelle des Arraydetektors erkennt Energie in einem bestimmten engen Wellenlängenband der Beleuchtungsquelle 1. Jede einzelne Auflösungszelle des Arraydetektors erkennt Energie, die einem bestimmten engen Bereichsintervall entspricht, das in der breiten Feldtiefe der Objektivlinse 22 enthalten ist. Das Signal 40, der elektrische Output des Detektors 39, beinhaltet entweder eine sequentielle Auswertung des erkannten Signals von allen Auflösungszellen des Detektors 39, oder eine gleichzeitige parallele Auswertung der erkannten Signale aller Auflösungszellen des Detektors 39. Das Signal ist abhängig von der jeweiligen Vorrichtung, die als Detektor verwendet wird, analog oder digital. Indem Standard-Interpolationstechniken verwendet werden, löst die Signal verarbeitende Elektronik 20 den Ort des Ziels in eine kleine Fraktion einer Auflösungszelle des Detektors 39 auf.
Gemäß 2 ist eine Alternative zu dem Arraydetektor der vorherigen Ausführung ein Linearpositionssensor PSD, der Ströme I₁ und I₂ ausgibt, die proportional zu einem Ort des gebündelten Lichts entlang einer Länge L der PSD sind. Eine konventionelle OP AMP Anordnung gibt eine Summe I₁ + I₂ und eine Differenz I₁ – I₂ aus, die verwendet werden, ein Offset x des gebündelten Lichts entsprechend der Gleichung 0,5L(I1 – I2) = X(I1 + I2) zu bestimmen.
Die Linse 38 ist vorzugsweise eine binäre optische Linse, wie sie von Teledyne Brown Engineering hergestellt wird. Optional wird statt des Beugungsgitters 41 und der Linse 38 eine binäre optische Linse mit Gitter (nicht gezeigt) verwendet. Andere Detektoren, die die gleiche Funktion erfüllen, wie räumlich linear variierende optische Dämpfer werden optional zur Erfüllung der gleichen Funktion verwendet und sind auf dem technischen Gebiet wohlbekannt.
Gemäß 3 schließt eine Alternative zu der Objektivlinse 22 ein Linsenelement 22a ein, das eine Fresnellinse oder ein Brechungsspiegel ist, was seine Brennlänge entsprechend der Wellenlänge ändert. In einem solchen Fall wird der Lichtstrahl winklig zwischen dem Beleuchtungsstrahl und der Normalen zu der Spiegelfläche des Linsenelements 22A abgebogen. Ein Positionierer 25 bewegt sich entlang einer Normalen zu dem Ziel 6, um eine grobe Bereichslokalisierung der gescannten Feldtiefe herzustellen, indem das Linsenelement 22a mechanisch positioniert wird.
Bei einer alternativen Ausführung ist das Linsenelement 22a um die Achse 30 drehbar und lässt den Taststrahl über die Oberfläche des Ziels 6 scannen. So wird das Linsenelement 22a gedreht, statt den Sensor oder das Ziel zu bewegen.
Gemäß 4A wird eine Anordnung zur Kompensation des wellenlängenabhängigen Reflektionsfaktors des Ziels gezeigt. Nachdem das von dem Ziel reflektierte Licht durch die Linse 26 gebündelt wird und durch das feine Loch 27 auf den Detektor 5 fällt, lenkt ein Strahlungsteiler einen Teil der optischen Energie, vorzugsweise die Hälfte, zu einer zentralen Blende 101. Die zentrale Blende 101 wirkt als umgekehrtes feines Loch, das den Teil der optischen Energie blockiert, der exakt auf sie gebündelt wird. Die durch die zentrale Blende blockierte optische Energie entspricht der optischen Energie, die durch das feine Loch 27 geht. Ein Detektor 105 erkennt das die optische Energie, die durch die zentrale Blende 101 geht, der optischen Energie entspricht, die nicht durch das feine Loch 27 geht. Der Detektor 105 gibt ein Signal 128 an die Signal verarbeitende Elektronik 20. Die Signal verarbeitende Elektronik 20 findet einen Zeitpunkt bei der Abtastung, zu dem ein Verhältnis der Amplitude des Outputs des Detektors 5 zu der Amplitude des Outputs des Detektors 105 an seinem Maximum ist.
Zu diesem Zeitpunkt ist die Energie, die durch das feine Loch 27 geht, eher ein Ergebnis des Lichts, das von dem Ziel 6 reflektiert wird, weil das Ziel an dem Brennpunkt der Objektivlinse 22 ist, als das Ergebnis des wegen eines besonderen wellenlängenempfindlichen Reflektionsfaktors von dem Ziel reflektierten Lichts. Eine kalibrierte Tiefe der zu diesem Zeitpunkt gesendeten Wellenlänge entspricht daher der berflächentiefe des Ziels, da das Verhältnis nur von dem Brennpunkt zu dem feinen Loch 27 abhängt und unabhängig vom Reflektionsfaktor des Ziels ist.
Die Größen der Detektoren 5 und 105 werden optional verringert, indem Feldlinsen (nicht gezeigt) zwischen dem feinen Loch 27 und dem Detektor 5 und zwischen der zentralen Blende 101 und dem Detektor 105 eingefügt werden.
Gemäß 4B ersetzt eine alternative Ausführung zur Entfernung des wellenlägenabhängigen Reflektionsfaktors das feine Loch 27 mit einem Detektor 115, der selbst ein feines Loch aufweist. Diese Ausführung vermeidet den Energieverlust durch den in 4A gezeigten Strahlungsteiler. Der Detektor 115 erkennt das Signal 128, das die Energie repräsentiert, die nicht durch das feine Loch geht, direkt und gibt es aus. Bei dieser Ausführung wird das Signal 128 genauso benutzt, wie vorher zu der Ausführung von 4A beschrieben.
Gemäß 4C wird eine alternative Ausführung gezeigt, die ebenfalls Strahlungsteilerverluste vermeidet, während der wellenlängenabhängige Reflektionsfaktor aus der Tiefenberechnung entfernt wird. Das feine Loch 27 von 4A ist durch ein verspiegeltes feines Loch 127 ersetzt, das den Teil der optischen Energie reflektiert, der nicht durch das feine Loch geht. Der Detektor 105 und das Signal 128 werden wie vorher bei der Ausführung von 4A beschrieben, verwendet.
Bei jeder in den 4A–4C gezeigten Ausführungen entspricht die Spitzenwertbildung des Verhältnisses des Signals von Detektor 5 geteilt je nach dem durch das Signal der Detektoren 105 oder 115 der Entfernung der Oberfläche des Ziels, wie durch den besten Brennpunkt des auf das Ziel fallenden Lichts angezeigt. Mit anderen Worten wird ein Verhältnis von gebündeltem farbigen Licht zu ungebündeltem farbigen Licht erhalten. Das ungebündelte farbige Licht wird durch den Detektor 105 oder 115 erkannt. Der Vergleich des Verhältnisses des gebündelten Lichts zu dem ungebündelten Licht verhindert falsche Beurteilungen von einigen farbempfindlichen Charakteristika des Ziels.
Das Prinzip, das dem Trennverfahren der Ausführungen er 4A–4C zugrundeliegt wird verwendet, um Zielfarbempfindlichkeit gegenüber Reflektionsfaktorveränderungen der Ausführung von 1 zu entfernen, indem das Licht, das die Linse 26 verlässt, in zwei Pfade geteilt wird. Ein Pfad besteht nur aus Licht, das durch das feine Loch 27 geht. Der andere Pfad besteht nur aus Licht, das um das feine Loch 27 herumgeht. Jedoch gibt es Probleme, die mit der Verwendung der Ausführungen von 4A–4C mit der Ausführung von 1 zusammenhängen, weil es nötig ist, die von dem Ziel 6 reflektierten optischen Breibandwellenlängen räumlich zu streuen.
Gemäß den 5A–5B bewirkt ein faseroptisches Bündel 130 die Trennung der Pfade. Das faseroptische Bündel 130 ist in einem Abstand von der Linse 26 angeordnet. Ein innerer Bereich 131 ist genauso dimensioniert, wie das feine Loch 27. Ein äußerer Bereich 132 umschließt den inneren Bereich 131. Der innere Bereich 131 empfängt das gleiche Licht, wie es das feine Loch 27 getan hätte, während der äußere Bereich 132 ungebündeltes Licht empfängt. So wird die Trennung von dem von dem Ziel 6 reflektierten Licht in gebündeltes und ungebündeltes Licht erreicht.
Das Licht von dem inneren Bereich 131 geht durch die Linse 37, das Beugungsgitter 41, die Linse 38 und zu dem Arraydetektor 39, wie bei der Ausführung von 1 beschrieben. Unterschiedliche Wellenlängen fallen durch die räumliche Streuung gleichzeitig auf verschiedene Zellen des Arraydetektors. Deshalb ist das Signal 40 ein Maß des von dem Ziel reflektierten gebündelten Lichts. Das Licht Beugungsgitter 141, eine Linse 138 und zu dem Arraydetektor 139. Das Signal 140 ist ein Maß des von dem Ziel 6 reflektierten ungebündelten Lichts.
Es wird ein Verhältnis berechnet, das den besten Brennpunkt unabhängig von dem Zielreflektionsfaktor gegenüber der Wellenlänge anzeigt. Das Verhältnis der Energie, die durch den inneren Bereich 131 geht, gegenüber der Energie, die durch den äußeren Bereich 132 geht, ist wenn der Brennpunkt am Besten ist, bei einem Maximum für die Farbe (Wellenlänge). Es muss darauf geachtet werden, dass ausreichend Signal vorhanden ist, um bei der Brechung des Verhältnisses zu vermeiden, dass durch Null geteilt wird.
Es ist vorzuziehen, die gleiche Anzahl von Fasern zum Empfangen von Energie in dem inneren Bereich zu haben, wie in dem äußeren Bereich, um die Berechnungen zu vereinfachen. Dann ist, wenn von dem Ziel 6 nur ungebündeltes Licht reflektiert wird, das Verhältnis von dem im inneren Bereich 131 empfangenen Licht zu dem von dem äußeren Bereich 132 empfangenen Licht 1:1. Das Verhältnis ändert sich, je mehr gebündeltes Licht in dem inneren Bereich 131 empfangen wird.
Es ist weiter zu bedenken, dass die Erfindung mit unterschiedlichen Wellenlängen elektromagnetischer Energie, die von dem tiefen Ultraviolett bis zu dem langen Infrarot reichen, ausgeführt werden kann.

Claims

Chromatischer optischer Sensor zum Entfernungsmessen, bestehend aus: Mitteln um einen Quellstrahl (30) aus optischer Energie auf ein Ziel (6) von einem bekannten Ort zu bündeln, wobei verschiedene Wellenlängen des Quellstrahls an verschiedenen Abständen von dem bekannten Ort gebündelt werden; Mitteln zum Einfangen eines von dem Ziel (6) reflektierten Strahls; Mitteln zum Erkennen und Interpolieren des reflektierten Strahls um einen Abstand des Ziels von dem bekannten Ort zu bestimmen; dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor weiter besteht aus: Mitteln zum Teilen des reflektierten Strahls in einen gebündelten Teil und einen ungebündelten Teil; und Mitteln zur Bestimmung eines Verhältnisses einer Amplitude des gebündelten Teils zu einer Amplitude des ungebündelten Teils.
Chromatischer optischer Sensor zum Entfernungsmessen gemäß Anspruch 1, wobei die Mittel zum Teilen ein faseroptisches Bündel (130) mit einem inneren Bereich (131) und einem äußeren Bereich (132) besitzen.
Chromatischer optischer Sensor zum Entfernungsmessen gemäß Anspruch 1, weiter bestehend aus Mitteln zur Erkennung einer Amplitude des Quellstrahls als Zeitfunktion.
Chromatischer optischer Sensor zum Entfernungsmessen gemäß Anspruch 1, wobei die Mittel zum Erkennen und Interpolieren Mittel zum Zerstreuen des reflektierten Strahls besitzen.
Chromatischer optischer Sensor zum Entfernungsmessen nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Erkennen und Interpolieren des reflektierten Strahls eine hochverstärkte Avalanchediode, eine Silikon PIN-diode, eine Ladungsgekuppelte Vorrichtung, ein Mikrokanal-Plattenbildverstärker oder ein Sensor zum erfassen einer linearen Position sind.
Chromatischer optischer Sensor zum Entfernungsmessen gemäß Anspruch 1, weiter bestehend aus: dass die optische Energie eine optische Breitbandenergie hoher Intensität ist und eine Mehrzahl einzelner Wellenlängenbestandteile besitzt; Mitteln zur Polarisierung der optischen Energie; Mitteln zum Abstimmen der polarisierten optischen Energie, so dass ein Polarisierungsbereich der optischen Energie einem Bereich optischer Wellenlängen entspricht; und Mitteln zum selektiven Übertragen der optischen Energie gemäß einer besonders orientierten Polarisierung.
Chromatischer optischer Sensor zum Entfernungsmessen gemäß Anspruch 6, weiter bestehend aus: Mitteln zur Herstellung einer genauen Zeitbasis der selektiv übertragenen optischen Energie; und Mitteln zur Bestimmung einer Amplitude der selektiv übertragenen optischen Energie als Funktion der Zeit.
Chromatischer optischer Sensor zum Entfernungsmessen gemäß Anspruch 1, weiter bestehend aus: dass die optische Energie eine polychromatische Licht quelle ist; Mitteln zur Streuung des polychromatischen Lichts, wobei verschiedene Wellenlängen des polychromatischen Lichts in verschiedenen Abständen bündelbar sind; und Mitteln zur Erkennung einer Wellenlänge, bei der der reflektierte Strahl eine maximale Amplitude besitzt, wobei die maximale Amplitude mit einem Abstand zwischen dem Ziel und den Mitteln zur Streuung in Verbindung steht.
Chromatischer optischer Sensor zum Entfernungsmessen gemäß Anspruch 8, wobei die Mittel zur Erkennung einer Wellenlänge einschließen: Mittel zum gleichzeitigen Reflektieren wenigstens einer Mehrzahl von Wellenlängen des polychromatischen Lichts von jener Lichtquelle um den reflektierten Strahl zu erzeugen; Mittel zur Streuung des reflektierten Strahls; Mittel zur Querablenkung des reflektierten Strahls um ein Ausmaß, das auf jede der Mehrzahl von Wellenlängen bezogen ist; und Mitteln zur Erkennung einer Querposition einer maximalen Amplitude des quer abgelenkten reflektierten Strahls, wobei die Querposition auf einen Abstand zwischen dem Ziel und den Mitteln zur Streuung bezogen ist.
Chromatischer optischer Sensor zum Entfernungsmessen gemäß Anspruch 8, wobei die Mittel zur Erkennung einer Wellenlänge einen Arraydetektor (39) besitzen.
Chromatischer optischer Sensor zum Entfernungsmessen gemäß Anspruch 8, wobei die Mittel zur Erkennung einer Wellenlänge einen Detektor zur Erfassung einer linearen Position besitzen.
Chromatischer optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zur Bündelung eine beugungsbegrenzte Linse, eine Objektivlinse (22) einen Beugungsspiegel oder eine Mikro-Fresnellinse besitzen.