用于检查样品的多通道共焦传感器和相关方法
阅读：6发布：2020-05-12
专利汇可以提供用于检查样品的多通道共焦传感器和相关方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种多通道共焦 传感器 ，其包括 光源 (14)、聚焦透镜布置(10)以及光学检测器(25)。该传感器还包括：-第一光学集成 电路 (11)，其布置为将来自所述宽频带光源的光束(24)分离成多个发射光束，所述多个发射光束施加到发射孔(29)的高 密度 阵列；-第二光学集成电路(20)，其布置为在多个收集孔(18)上收集来自待检查样品(17)的多个反射光束并且将所述反射光束传输到光学检测器(25)；-分束器(22)，其布置为(i)通过聚焦透镜布置(10)将所述发射光束从第一光学集成电路(11)引导到检查基底(17)，以及(ii)通过聚焦透镜布置(10)将反射光束从检查样品(17)引导到第二光学集成电路(20)中。，下面是用于检查样品的多通道共焦传感器和相关方法专利的具体信息内容。
1.一种多通道共焦传感器，其包括至少一个光源(14)、至少一个聚焦透镜布置(10)以及至少一个光学检测器(25)，
其特征在于，还包括：
-第一光学集成电路(11)，其布置为将来自所述至少一个光源(14)的光束(24)分离成多个发射光束，所述多个发射光束施加到发射孔(29)的高密度阵列，
-第二光学集成电路(20)，其布置为在多个收集孔(18)上收集来自待检查样品(17)的多个反射光束并且将所述反射光束传输到所述至少一个光学检测器(25)，-分束器(22)，其布置为(i)通过所述至少一个聚焦透镜布置(10)将所述发射光束从所述第一光学集成电路(11)引导到所述检查样品(17)，以及(ii)通过所述至少一个聚焦透镜布置(10)将所述反射光束从所述检查样品(17)引导到所述第二光学集成电路(20)中。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一光学集成电路(11)包括发射通道波导(12)的阵列，所述发射通道波导的阵列在光源(14)的光谱范围内基本消色差并且具有形成所述发射孔(29)的端部。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中所述第一光学集成电路(11)还包括Y形结分离器，所述Y形结分离器在光源(14)的光谱范围内基本消色差。
4.根据权利要求2或3所述的传感器，其中所述第二光学集成电路(20)包括光学检测通道波导(19)的阵列，所述光学检测通道波导的阵列在光源(14)的光谱范围内基本消色差并且具有形成收集孔(18)的第一端部。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中所述光学检测通道波导(19)和光学发射通道波导(12)分别在收集孔(18)和发射孔(29)侧具有相同的间隔。
6.根据权利要求4或5所述的传感器，其中所述光学检测通道波导(19)具有比光学发射通道波导(12)直径大的直径。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的传感器，其中所述光学检测通道波导(19)在收集孔(18)侧具有的接收角大于光学发射通道波导(12)在发射孔(29)侧具有的接收角。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的传感器，其中光学发射波导(12)包括单模波导，并且所述检测通道波导(19)包括光源(14)的光谱范围内的多模波导。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的传感器，其中所述检测通道波导(19)设计为在第二端部上与所述至少一个光学检测器(25)的检测元件的孔和/或像素间距直接或在共轭平面中匹配。
10.根据权利要求4至9中任一项所述的传感器，其中所述检测通道波导(19)布置为使得所述至少一个光学检测器(25)位于收集孔(18)处的在检测通道波导(19)之间耦合到第二集成电路中的杂散光的视线之外。
11.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述第一光学集成电路(11)和第二光学集成电路(20)中的至少一个包括平面基底上的平面波导。
12.根据权利要求11所述的传感器，其包括平面基底上形成的第一光学集成电路(11)和第二光学集成电路(20)，所述第一光学集成电路和第二光学集成电路布置为具有分别面向分束立方体形式的分束器(22)的侧面的边缘。
13.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述第一光学集成电路和第二光学集成电路还包括对准光学通道波导。
14.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述第一光学集成电路(11)和第二光学集成电路(20)和分束器(22)彼此永久固定。
15.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述聚焦透镜布置(10)包括具有扩大的轴向色差的彩色透镜。
16.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述至少一个光学检测器(25)包括以下传感器中的一个：
-强度光学检测器，其具有检测元件或像素的阵列或矩阵，所述强度光学检测器的像素分别接收在由单个收集孔(18)收集的光的整个光谱上的光；
-光谱光学检测器，其具有滤光或光谱色散元件和检测元件或像素的阵列或矩阵，所述光谱光学检测器的像素分别接收由单个收集孔(18)收集的光的光谱子部分上的光。
17.一种用于检查样品(17)的方法，所述方法在根据前述权利要求中任一项所述的多通道共焦传感器中实现，包括步骤：
-从至少一个光源(14)发射光束，
-将所述光束分离成多个发射光束，
-通过聚焦透镜布置(10)将所述多个发射光束引导到所述检查样品(17)上，-通过所述聚焦透镜布置(10)从所述检查样品(17)收集反射光束，以及-将所收集的反射光束引导到至少一个光学检测器(25)，
其特征在于：
-在第一光学集成电路(11)中实现所述分离步骤，
-在第二光学集成电路(20)中实现所述收集步骤，以及
-在分束器(22)中实现所述引导步骤。
18.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
-改变传感器相对于样品(14)的高度；并且使用消色差聚焦透镜布置(10)和强度光学检测器(25)检测所收集的反射光束的整个光谱上的强度；或
-使用消色差聚焦透镜布置(10)和光谱光学检测器(25)检测所收集的反射光束的光谱；或
-使用彩色聚焦透镜布置(10)和光谱光学检测器(25)检测所收集的反射光束的光谱；
-使用彩色聚焦透镜布置(10)和强度检测器(25)检测所收集的反射光束的整个光谱上的强度。
用于检查样品的多通道共焦传感器和相关方法
技术领域
背景技术
[0003] 这些技术中的几种使用共焦检测方案。这种共焦检测方案包括在聚焦透镜布置一侧上的光发射孔和光收集孔，所述聚焦透镜布置的光学共轭(或图像)通过聚焦透镜布置叠加。这种布置保证由收集孔收集的光基本与从发射孔发出由位于聚焦或共轭位置处的样品反射回的光对应。通过实现这种检测方案，例如，可以避免相邻通道之间的横向串扰和散焦光的收集。
[0005] 共焦检测方案还可以例如用于实现共焦检测。在该情况下，优选实现高NA聚焦透镜布置的传感器在样品表面上方移动到一定高度。在强度检测器上检测到最大强度的距离代表表面的局部高度。
[0006] 共焦检测方案还可以例如用于实现彩色共焦检测。该技术依赖于具有彩色元件或透镜的聚焦透镜布置的使用，所述彩色元件或透镜带有增强色差，其焦距强烈依赖于光学波长。穿过这种透镜的每种波长的光在不同距离处或不同焦平面中聚焦。如上所述，彩色透镜嵌入具有将发射或源孔和收集或检测孔放置在彩色透镜的共焦平面处的共焦设置中，以拒绝散焦光。当反射界面放置在彩色透镜前面时，只有其焦平面与界面位置对应的波长的光由检测孔传输。
[0007] 为了获得3D高度信息，由光谱传感器或光谱仪进行检测，所述光谱传感器或光谱仪通常包括色散元件和传感器(CCD或CMOS)以获取光的强度光谱。通过分析检测到的光的强度光谱获得界面相对于彩色透镜的高度(或距离)。
[0008] 彩色共焦技术还允许获得具有扩大焦深的平面内图像强度或灰度信息(2D信息)。在该情况下，使用强度检测器，所述强度检测器提供在整个光谱上的入射光的强度，而不需要任何光谱选择性。依赖于光谱内容的高度休息丢失，但是强度检测器提供仅与在样品表面上聚焦的波长处的样品上反射的光对应的强度(灰度)信息。因此，在由彩色聚焦透镜布置的光谱色散所给出的深度范围上，可以获得具有最佳横向分辨率的图像。
[0009] 这种设置允许在一个时间点上测量距离。检查大的表面可能非常费时。通过并行提供几种测量通道可以提高采集速度。
[0010] 例如，已知使用如文献US 2012/0019821中所述的光纤束，该文献公开了一种多通道彩色共焦系统。一个光纤模块将光从源朝向彩色透镜引导，而第二光纤模块耦合到色散对象，从而对目标光进行空间滤光，由此形成滤波光。同样已知，使用光纤耦合器将光从源朝向彩色透镜引导，并且将反射光朝向检测器引导。
[0012] 然而，光纤元件的使用具有几个缺点，特别是：
[0013] -由于大量通道(大的纤维束)，光纤元件难于使用或制造；
[0014] -由制造要求设定的光纤几何形状(芯包比)对可实现的通道密度施加了限制。由纤维芯构成的总的有用面积被光纤的总玻璃面积稀释。这对于给定的表面照射，降低了横向分辨率；
[0016] -由于分离器或耦合器的工作原理是利用纤维芯间的模态耦合，因此分离器或耦合器的光纤的耦合比非常依赖于波长，这可能在测量中引入偏差。
[0017] 本发明的目的是提供用于实现彩色共焦、共焦和干涉测量等检测方案的共焦装置，所述共焦装置允许实现大量通道。
[0018] 本发明的目的是提供允许由测量基底上的多个通道传递的照射光点之间的小的间距的共焦装置。
[0019] 本发明的目的是使具有大量通道的共焦装置具有高横向分辨率和高深度分辨率(和/或扩大的深度范围)。
[0020] 本发明的另一个目的在于提供具有大量通道的共焦装置，所述共焦装置减少制造限制。
[0021] 本发明的另一个目的还在于提供通过有限的对准元件和对准步骤将照明阶段的要求与检测阶段的要求解耦的共焦装置。
[0022] 本发明的另一个目的还在于提供具有大量通道的共焦装置，所述共焦装置在机械上是坚固的。
[0023] 本发明的另一个目的还在于提供具有内嵌的对准单元以促进组装以及使组装自动化。
[0024] 本发明的另一个目的还在于提供具有最佳光学特性和计量特性的共焦装置。
发明内容
[0026] 其特征在于，还包括：
[0027] -第一光学集成电路，其布置为将来自所述至少一个光源的光束分离成多个发射光束，所述多个发射光束施加到发射孔的高密度阵列，
[0028] -第二光学集成电路，其布置为在多个收集孔上收集来自待检查样品的多个反射光束并且用于将所述反射光束传输到所述至少一个光学检测器，
[0029] -分束器，其布置为(i)通过所述至少一个聚焦透镜布置将所述发射光束从所述第一光学集成电路引导到所述检查样品，以及(ii)通过所述至少一个聚焦透镜布置将所述反射光束从所述测量样品引导到所述第二光学集成电路中。
[0031] 发射通道波导可以具有直接(例如，在第一光学集成电路的边缘上)或通过一些光学器件或透镜元件来形成发射孔的端部。
[0032] 第一光学集成电路还可以包括Y形结分离器，所述Y形结分离器在光源的光谱范围内或使用的光谱范围内是消色差的或至少基本消色差的。
[0033] 在根据本发明的传感器的另一有利实施例中，第二光学集成电路包括光学检测通道波导的阵列，所述光学检测通道波导的阵列在光源的光谱范围内或使用的光谱范围内是消色差的或基本消色差的。
[0034] 光学检测通道波导可以具有直接(例如，在第一光学集成电路的边缘上)或通过一些光学器件或透镜元件来形成收集孔的第一端部。
[0035] 光学检测通道波导和光学发射通道波导分别在收集孔和发射孔侧可以具有相同的间隔。
[0036] 在本发明的优选形式中，至少在收集孔侧，光学检测通道波导具有比光学发射通道波导直径大的直径。
[0037] 光学检测通道波导在收集孔侧具有的接收角可以大于光学发射通道波导在发射孔侧具有的接收角。
[0038] 光学发射波导尤其可以包括单模波导，而检测通道波导可以包括多模波导或至少在光源的光谱范围内或使用的光谱范围内具有这种行为的波导。
[0039] 检测通道波导优选地设计为在第二端部上与(所述至少一个)光学检测器的检测元件的孔的间距和/或像素间距直接或在共轭平面中匹配(例如，通过成像元件和/或光谱色散元件)。
[0040] 检测通道波导可以布置为使得所述至少一个光学检测器位于收集孔处的在检测通道波导之间耦合到第二集成电路中的杂散光的视线之外。
[0041] 检测通道可以例如具有弯曲的或成角度的形状，使得它们的第一端部和第二端部不再同一定向内。它们还可以具有“S”形使得第一端部和第二端部具有相同的定向，但是具有横向偏差。
[0042] 第一光学集成电路和第二光学集成电路中的至少一个可以包括平面基底上的平面波导。或者，换句话说，可以使用平面波导沉积技术或刻写技术在基底上完成第一光学集成电路和/或第二光学集成电路。
[0043] 可以通过组合和组装几个子部分光学集成电路或形成在不同基底部件上的几个光学集成电路(例如，如果集成电路太大而不能在单个基底部件上完成)来分别完成第一集成电路和/或第二集成电路。子部分电路可以例如与对准的波导粘结在一起。
[0044] 在有利的实施例中，根据本发明的传感器可以包括平面基底上形成的第一光学集成电路和第二光学集成电路，所述第一光学集成电路和第二光学集成电路布置为具有分别面向分束立方体形式的分束器的侧面的边缘。分束立方体当然可以是正方形，也可以是任何平行六面体形状(条形等)
[0045] 第一光学集成电路和第二光学集成电路还可有利地包括对准光学通道波导。
[0046] 第一光学集成电路和第二光学集成电路以及分束器可以有利地彼此永久固定，例如，通过将它们粘结在一起。
[0047] 根据一些实现方式，聚焦透镜布置可以包括具有扩大的轴向色差的彩色透镜，所述彩色透镜将来自发射孔的光用于根据波长在不同距离处聚焦到样品上。
[0048] 根据一些实现方式，聚焦透镜布置可以仅包括用于将来自发射孔的光聚焦到样品上的消色差的元件或基本消色差元件。
[0049] 根据一些实现方式，聚焦透镜布置可以包括用于生成在干涉检测模式中使用的参考光束的参考板。
[0050] 在所有实现方式中，聚焦透镜布置可以有利地包括远心透镜或由远心透镜系统构成。
[0051] 根据一些实现方式，光学检测器可以包括强度光学检测器，其具有检测元件或像素的阵列或矩阵，所述强度光学检测器的像素分别接收由单个收集孔收集的光的整个光谱上的光；
[0052] 根据一些实现方式，所述至少一个光学检测器可以包括光谱光学检测器，其具有滤光或光谱色散元件和检测元件或像素的阵列或矩阵，所述光谱光学检测器的像素分别接收由单个收集孔收集的光的光谱子部分上的光；
[0053] 根据本发明的另一方面，提出用于检查样品的方法，所述方法在根据本发明的多通道共焦检测器中实现，包括步骤：
[0054] -从至少一个光源发射光束，
[0055] -将所述光束分离成多个发射光束，
[0056] -通过聚焦透镜布置将所述多个发射光束引导到所述检查样品上，[0057] -通过所述聚焦透镜布置从所述检查样品收集反射光束，以及
[0058] -将所收集的反射光束引导到至少一个光学检测器，
[0059] 在根据本发明的检查方法中
[0060] -在第一光学集成电路中实现分离步骤，
[0061] -在第二光学集成电路中实现收集步骤，以及
[0062] -在分束器中实现光束引导步骤。
[0063] 根据一些实现方式，本发明的方法还可以包括步骤：改变传感器相对于样品的高度；并且使用消色差聚焦透镜布置和强度光学检测器检测所收集的反射光束的整个光谱上的强度。在该情况下，本发明的传感器和方法实现共焦检测方案。
[0064] 根据一些实现方式，本发明的方法还可以包括步骤：使用消色差聚焦透镜布置和光谱光学检测器检测所述收集的反射光束的光谱。在该情况下，本发明的传感器和方法实现光谱干涉检测方案。
[0065] 根据一些其它实现方式，本发明的方法还可以包括步骤：使用彩色聚焦透镜布置和光谱光学检测器检测所收集的反射光束的光谱。在该情况下，本发明的传感器和方法实现3D彩色共焦检测方案。
[0066] 根据一些其它实现方式，本发明的方法还可以包括步骤：使用彩色聚焦透镜布置和强度检测器检测所收集的反射光束的整个光谱上的强度。在该情况下，本发明的传感器和方法实现2D彩色共焦检测方案。
[0067] 因此，本发明基于第一光学集成电路、第二光学集成电路和分束器来实现多通道共焦检测传感器核心。
[0068] 包括消色差通道波导的阵列的第一光学集成电路用于传输通常为宽频带的检测光，以通过聚焦透镜布置创建光束或测量点的高密度阵列。高密度光束阵列在测量基底上覆盖宽的面积，同时允许高的横向分辨率。
[0069] 还包括通道波导阵列的第二光学集成电路收集来自测量样品的反射光并将该信息传输到光学检测台。
[0070] 该第二检测光学集成电路通过调节波导阵列以结合对未聚焦的光进行空间滤光的功能，解耦施加在第一光学电路通道上的约束，从而减少通道之间的串扰，由第一电路的通道阵列保持横向高分辨率并且仍然匹配检测元件对间距和孔的要求。
[0071] 集成电路的光学通道波导设计和整体性质可以结合以使组装步骤和对准步骤最小化和自动化以创建机械上稳定的装置。
[0072] 光学集成电路的设计和生产满足干涉测量的共焦、彩色共焦中高通量、高位置和高分辨率的综合要求。
[0073] 这意味着对装置设计和组装的一系列不同约束。其中之一是需要高密度并行测量通道阵列以增加测量的量(throughput)。然后，阵列具有大量测量通道以及测量通道之间的最小化分隔，而不需要通过允许相邻光学通道之间的串扰来损害系统的分辨率。
[0074] 构成测量通道的通道光学波导也必须与共焦检测系统的彩色或干涉测量特性兼容：它们需要以消色差的方式对通常为宽频带光源进行引导、分离和收集，但是也兼容和保持每个测量通道需要的功率密度以实现无噪声检测。
[0075] 光学波导通道需要优化反射光的收集并且将这些光有效地引导到检测装置。此外，提高分辨率和测量通道数量将降低对准不同功能元件的公差。
[0076] 在本发明中，光学集成电路被设计和组装以提供针对这些约束的解决方案。
[0077] 由于使用集成光学组件和光学波导技术，能够使装置具有非常紧凑的大量测量通道(例如几百个)。
[0078] 使用至少两个光学集成电路和分束器组件来解耦通道光学波导设计上的要求并且优化耦合到光学电路中和耦合出光学电路的光。在光学电路和通道波导的设计阶段期间设定性能，由于集成光学器件技术的性质，能够容易并且成本有效地在生产环境中维护和复现该性能。
[0079] 仅需要组装和对准几个元件。与光纤束方法相比，这具有显著的不同和改进。
[0080] 第一集成电路用于通过对来自宽频带光源的光进行分离以创建大量高密度的测量通道。单模通道波导优选地用于创建消色差和低功耗分离器。由于用单模波导传播可实现的衍射极限，单模通道波导发射具有小光束直径(几微米)的光，并且线性分布以形成小间距(从几微米至几十微米)的阵列以保持高密度。同样由于单模波导传播可实现的低数值孔径(NA)使得通过聚焦透镜布置容易管理发射光。
[0081] 第二集成电路被构建以实现收集来自测量基底界面并穿过聚焦透镜布置的反射光(电路输入)并且将光引导到检测元件(电路输出)的功能。
[0082] 第二集成电路的光学通道波导能够设计为非常精确地匹配第一光学电路中形成的光学通道波导的位置。其能够形成有较大的直径和较大的接收角以引导多模光，并且因此允许反射光的更佳收集效率。
[0083] 由于通道波导沿它们的传播方向的曲率，能够消除耦合到芯片中但未被光学通道波导传播的光，即杂散光。此外，光学通道波导能够设计为匹配检测元件的孔和像素间距。
[0084] 不同电路和分束器能够相对彼此永久对准和固定以实现机械上稳定的装置。由于光学集成技术的大量生产的性质能够容易地使该方法自动化。
[0086] 如前所述，与基于构架的光纤相比，具有平面波导的光学集成电路的使用允许测量通道的更高的密度和数量以及对测量通道间距或间隔非常容易和精确的调节。例如，构建具有几百个通道的系统是容易的，而管理具有多于100个纤维的光纤束是困难的。此外，在组件的制造期间非常精确地调节平面波导的间距是容易的，而束中的纤维的间距需要在V形槽中的复杂组装。
[0087] 与基于耦合器或Y形结的传感器构架(其中所述耦合器或Y形结具有作为用于发射光的发射孔和收集反射回的光的收集孔使用的单个共用光学孔)相比，本发明的布置还具有独特的优点。在本发明中，发射孔和收集孔可以设计得不同并进行优化。
[0088] 例如，优选的是实现用于完成发射孔的单模波导。这保证在衍射极限产生测量光点，其具有最佳空间连贯性和最适于聚焦光学器件的低数值孔径。对于收集孔，最好使用较大的波导，其允许在较大数值孔径上收集从物体反射的更多的光以及允许特别考虑到由于光学器件的分辨率而引起的光点扩大。然后，这种波导可以是多模的。附图说明
[0089] 参考附图可以更好的理解根据本发明的实施例的方法，所述附图仅用于说明的目的而不是限制性的。本发明的其他方面、目标和优点将从下文给出的说明中变得明显：
[0090] -图1示出本发明装置的第一实现方式。
[0091] -图2示出本发明装置的第二实现方式。
[0092] -图3a、图3b和图3c示出实现聚焦透镜布置的一些模式。
具体实施方式
[0093] 应该理解，下文描述的实施例绝不是限制性的。能够特别地设想仅包括以下独立于其他所描述的特征描述的特征选集的本发明的变型，只要该特征选集足以赋予本发明技术优点或者将本发明与现有技术区别开。该选集包括不具有结构细节或者仅具有一部分结构细节的至少一个优选功能性特征，只要该部分单独足以赋予本发明技术优点或者将本发明与现有技术区别开。
[0095] 将参考图1描述本发明的共焦装置。
[0096] 将描述根据第一实现方式的彩色共焦结构。
[0097] 在这种结构中，本发明的装置包括宽频带光源14。光源14可以包括诸如热源(例如卤素)、LED矩阵或例如超连续光谱光源。光源14例如通过光纤24光学地连接到第一光学集成电路11。
[0098] 第一集成电路11包括将光源14的光引向发射孔29阵列的多个消色差发射通道波导12和Y形结28，所述发射孔通过在第一光学集成电路11的边缘上终结发射通道波导12的端部而形成。离开这些发射孔29的光形成光学测量通道13。优选地，发射通道波导12在源的光谱范围(使用的光谱范围)内是单模的。它们连接级联的Y形结28，所述Y形结在发射孔29之间对光源14进行分离。为了清楚起见，在图1中，只示出了级联Y形结的第一级和最后级。发射通道波导12和Y形结28在源的光谱范围内基本消色差，即，明显地，Y形结28的耦合比很少或不取决于波长。
[0099] 在离开发射孔29后，光学测量通道13的光穿过分束立方体22并且引导到聚焦透镜10。
[0100] 在所述的彩色共焦结构中，聚焦透镜布置10如图3a所述可以包括准直透镜元件30和彩色透镜元件31。
[0101] 具有彩色透镜元件31的聚焦透镜布置10根据已知技术被设计为提供强色差，从而允许穿过透镜的不同光学波长在不同的轴向距离(即，沿透镜的光轴或沿图1所示的Z轴线)处聚焦。
[0102] 各个光学测量通道13的光通过聚焦透镜布置10(或更精确地借助于彩色透镜元件31)根据波长沿测量线15在透镜的轴向(图1中的z轴线)上聚焦在各个测量点15的阵列上。
光源14的各个波长的聚焦范围限定彩色测量范围。
光源14的各个波长的聚焦范围限定彩色测量范围。
[0103] 当在彩色测量范围内存在物体17的界面时，各个光学测量通道13的在该界面上聚焦的波长通过分束器22反射并引导到收集孔18，所述收集孔由第二光学集成电路20中构造的光学通道波导19来限定。
[0104] 由于设置的共焦结构，未聚焦在物体17上的光或未聚焦在物体17上的波长被反射。仅在聚焦在物体17的界面上的波长处，针对彩色聚焦透镜布置10，发射孔29和收集孔18是测量点15的光学共轭。
[0105] 第二光学集成电路20包括检测通道波导19，所述检测通道波导的入口在第二光学集成电路20的边缘上形成发射孔29。这些检测通道波导将收集到的反射光朝向面向第二光学集成电路20边缘的光学检测器25引导。
[0106] 在彩色共焦结构中，光学检测器25可以包括光谱检测器，以创建从各个检测通道波导19发出的光的强度光谱。
[0107] 这种光谱检测器可以包括：第一透镜，其用于准直从检测通道波导19发出的入射光；诸如棱镜、衍射阵列或光栅之类的色散元件，其用于成角度地分散入射光的不同波长；诸如CCD的第二透镜以及线性或矩阵检测器，其用于重构色散光的图像，使得不同波长聚焦在检测器的不同像素上，并且像素提供特定波长处的或有限波长范围内的光强度的测量。
[0108] 光谱检测器还可以包括在CCD或CMOS传感器的像素的阵列或矩阵上应用颜色滤光片的颜色传感器，使得像素提供特定波长处的或有限波长范围内的光强度的测量。
[0109] 在两种情况下，同样通过收集传感器的像素的信息来获得光的强度光谱。针对每个检测通道波导19产生强度光谱。
[0110] 独立的CCD或CMOS阵列可以用于收集每个不同检测通道波导19的光。但是优选地，将来自所有或至少多个检测通道波导19的光引向CCD或CMOS矩阵，波长或颜色沿矩阵的一个方向分散。
[0111] 通过彩色透镜31，存在于测量范围内的物体17的界面使在相应轴向位置处聚焦的波长附近的强度光谱中产生峰值。
[0112] 分析强度光谱以获得测量范围内的物体17的轴向距离信息，或界面或表面的位置。因此，沿光学测量通道13的阵列获得物体17的3D轮廓。通过用传感器扫描物体表面能够获得3D图像。
[0113] 在彩色共焦结构中，光学检测器25还可以包括用于快速2D成像的强度检测器。这种检测器包括(例如)具有像素阵列或矩阵的CCD或CMOS传感器。由于没有色散元件，在该结构中，传感器的像素收集从检测通道波导19发射的光的整个光谱上的全部光。
[0114] 优选地，将来自全部或至少多个检测通道波导19的光引向同一CCD或CMOS阵列(线传感器)或矩阵。
[0115] 因此，沿光学测量通道13的阵列获得物体17的2D强度或灰度线，在扩展的焦深上具有最佳横向分辨率。通过用传感器扫描物体表面能够获得2D图像。
[0116] 需要注意的是，在彩色共焦结构中，光学检测器25能够同时包括光谱检测器和强度检测器，例如，在不同光学检测通道13上用于同时获取2D和3D信息。
[0117] 光学检测器25可以直接利用光学检测器入口或面向检测通道波导端部的传感器，或者使用诸如光纤24、V形槽、对接耦合器、微透镜和/或波导中的锥度之类的尤其与高度自动化和低耦合功率消耗兼容的已知对接方法，与光学集成电路11、20对接。
[0118] 检测通道波导19优选地设计为允许多模传播。这允许使它们在收集孔18处具有较大的横截面面积和更大的接收角，使得最大程度地收集从测量点15的反射光并且还使得由邻近检测通道获得的反射光引起的串扰最小化。
[0119] 在所述共焦检测方案中，检测通道波导19进一步以成角度(90度)或弯曲的设计构建，使得将未耦合到检测通道波导19中的光远离光学检测器25引导。换句话说，检测通道波导19布置为使得光学检测器25位于收集孔18水平处的杂散光的视线之外。
[0120] 需要注意的是，如图1所示，检测通道波导19的角度设计允许将光学检测器25集成到第二光学集成电路20的两侧上。当然，一些其它实现方式可以将光学检测器25实施在第二集成电路20的单侧上。
[0121] 如上所述，第二(检测)光学集成电路20可以构建和布置为使得满足以下特性和要求：
[0122] -检测通道波导19阵列在其入口的间距(或收集孔18阵列间距)与第一集成电路11的第一电路发射通道波导19阵列间距(或发射孔29阵列间距)匹配；
[0123] -具有多模引导(较大尺寸和接收角)，其用于从基底反射的测量光的更好的光收集；
[0124] -检测通道波导19阵列在其出口的间距与光学检测器25像素的间距匹配；
[0125] -使光学检测器25的光学孔匹配；
[0126] -使检测通道波导19具有曲率，以拒绝未耦合到检测通道波导19中的杂散光。
[0127] 特别地，检测通道波导19可以布置在检测器侧上，以使光学检测器25像素的间距与这些光学检测器25的光学孔或这些光学检测器25的入口光学器件匹配。
[0128] 例如，当使用强度检测器时，期望的是使从不同检测通道波导19发出的光投射到光学检测器25的不同像素上以避免串扰。这可以通过提供在其输出侧的间距例如对应于两倍的检测器像素间距(两个像素中的一个像素用于串扰隔离)的检测通道波导19来实现。如果光学检测器具有成像入口台，检测通道波导19可以布置有间距和数值孔径，使得通过该成像台以相同方式匹配检测器像素间距。
[0129] 例如，当使用光谱检测器时，期望的是使从不同检测通道波导19发出并且光谱色散地投射到光学检测器25的不同行像素上以避免串扰。这还可以通过提供在其输出侧处的间距例如对应于两倍的检测器像素间距(两个像素行中的一个像素行用于串扰隔离)的检测通道波导19来实现。当然，如前所述，必须考虑光学检测器25的成像入口台。
[0131] 第一光学集成电路11和第二光学集成电路20相对彼此对准并且与聚焦透镜10对准，并且保持与分束器22永久地紧密接触。
[0132] 特别地，在一些实现方式中，第一光学集成电路11和第二光学集成电路20结合到或粘结到分束器22从而形成单件或整体式布置。用于形成永久连接的方法是在光路中或附近使用光学粘合剂。然后，制造出机械上坚固且光学上稳定的装置。
[0133] 能够将对准光学通道波导26、27分别添加到第一光学集成电路11和第二光学集成电路20，以提供对准单元。这些对准光学通道波导26、27能够永久或暂时耦合到光纤，引导来自指示灯和/或到达监测装置(例如，功率计或摄像头)的光。
[0134] 例如，第一组对准波导26用于在聚焦透镜10的焦平面(或成像平面)中对准第一光学集成电路11。这些第一对准波导26布置在发射通道波导12的两侧上并且具有位于这些发射通道波导12的发射孔29附近的发射孔。
[0135] 在对准的第一步中，朝向聚焦透镜布置10和放置在聚焦透镜布置10的参考位置或共轭平面处的参考物体17或镜，将光注入这些第一对准波导26。在这些第一对准波导26中收集回反射光。通过优化该耦合来调节聚焦透镜布置10和第一光学集成电路11的相对定位。
[0136] 然后，第二光学集成电路20上的第二组对准波导27用于使该第二光学集成电路20相对于第一光学集成电路11对准。这些第二对准波导27具有收集孔18，所述收集孔设计为通过聚焦透镜布置10与第一对准波导12的发射孔位于共焦布置中。
[0137] 在对准的第二步中，朝向聚焦透镜布置10和放置在聚焦透镜布置10的参考位置或共轭平面处的参考物体17或镜，将光注入该第一对准波导26。随后定位第二光学集成电路20，从而优化耦合到第二对准波导27中的反射光。
[0138] 在该阶段，实现第一光学集成电路11、第二光学集成电路20、分束立方体22以及聚焦透镜布置10的相对对准。所有部件能够固定在一起。
[0139] 在最后一步，能够使用在光学检测通道波导19中传播的光，将光学检测器25相对于这些检测通道波导19对准。
[0140] 除了提供优化共焦装置的性能的单元之外，还能够使用对准光学通道波导26、27来使装置组装过程自动化。
[0141] 可以使用几种技术完成第一光学集成电路11和第二光学集成电路20以产生光学波导，所述光学波导是嵌入具有较低折射率的透明基底中的具有较高折射率的区域。例如，可以利用玻璃基底上的离子交换过程来完成光学集成电路。当玻璃基底和熔融盐浴适当地接触时，在它们之间发生该离子交换。该现象通过修改其组合物局部地增加玻璃的光学指数。
[0142] 薄金属层沉积在玻璃基底上。利用传统光刻技术在金属层中开出具有与波导、Y形结和其它组件对应的设计的，尺寸为几微米到几十微米的开口。
[0143] 可以实施一步或两步离子交换过程以在玻璃表面上或下创建波导。
[0148] 在本发明中使用的Y形结可以包括第一波导，所述波导在两个分支波导中终结的锥形区(或锥形部)中逐渐扩大。锥形区优选为足够光滑以允许绝热过渡部具有从耦合到分支波导中的第一波导发出的引导光的空间模式的扩展。
[0149] 这种布置具有在宽的光谱范围上基本消色差的优点。因此，在这种宽的光谱范围上可以获得固定的分光比(例如，50/50)。
[0150] 需要注意的是，使用依赖传播模式耦合方案的传统的基于纤维的耦合器或Y形分离器无法实现这种消色差行为，这是因为所述传播模式耦合方案对波长具有很强的依赖性。
[0151] 参考图2，第一光学集成电路11、第二光学集成电路20和分束器22可以(如在图1中的结构中)布置为使得第一集成电路11和第二光学集成电路20面向分束器22的正交面，但是还布置为使得它们的波导平面彼此正交(而在图1的布置中，这些集成电路的波导平面彼此平行或处于同一平面)。
[0152] 或者，换句话说，在图2的布置中，第一集成电路11和第二光学集成电路20。
[0153] 这种结构具有需要小很多的分束立方体22的优点，所述分束立方体可以例如是细长条的形状。
[0154] 已经针对彩色共焦结构描述了本发明的装置。
[0155] 如前所述，所述装置也可以用于实现其他检测方案，下面将说明其一些示例。前面已经解释过的所有内容，特别是关于图1、图2和图3a的内容，都适用于这些其他实现方式，除了以下说明的区别之外。
[0156] 根据另一实现方式，参考图3b，本发明的装置可以实现共焦检测方案。
[0157] 在该情况下：
[0158] -光源14可以是单色(激光)或宽频带光源；
[0159] -聚焦透镜布置10可以包括消色差透镜33，所述消色差透镜具有高NA以将测量光束聚焦到物体17的表面上；
[0160] -光学检测器25可以包括强度检测器。
[0161] 装置还可以包括Z扫描台34以将传感器和物体17沿Z轴线相对地移动。然后可以在根据Z扫描台34的位置的测量点处获得物体17的表面的高度，针对所述测量点，在强度光学检测器25上获得最大强度。
[0162] 根据另一实现方式，参考图3c，本发明的装置可以基于低相干干涉技术实现干涉检测方案。
[0163] 根据第一变型，可以在光谱域中实现低相干干涉技术。在该情况下：
[0164] -光源14可以是宽频带光源；
[0165] -聚焦透镜布置10可以包括消色差透镜35，所述消色差透镜用于将测量光束聚焦到物体17的表面上以及可选地聚焦到干涉仪的参考板32上；
[0166] -光学检测器25可以包括光谱检测器。
[0167] 在该结构中，通过由参考板32和/或物体17的界面反射的光束之间的干涉来调制由光谱光学检测器25获得的光的强度光谱。可以使用已知技术从该强度光谱中获得参考板32和物体17之间的高度和/或物体17的层厚度。
[0168] 根据第二变型，可以实现具有扫频源的低相干干涉技术。在该情况下：
[0169] -光源14可以是扫频激光；
[0170] -聚焦透镜布置10可以包括消色差透镜35，所述消色差透镜用于将测量光束聚焦到物体17的表面上以及可选地聚焦到干涉仪的参考板32上；
[0171] -光学检测器25可以包括强度检测器。
[0172] 在该机构中，通过在频率范围上对光源14进行扫频获得光的强度光谱，并且用强度光检测器25针对每个频率获取光强度。如上所述，可以使用已知技术从该强度光谱中获得参考板32和物体17之间的高度和/或物体17的层厚度。
[0173] 虽然已经结合多个实施例描述了本发明，但是显然，许多替代方案、修改和变型对于可应用领域普通技术人员来说是显而易见的。因此，其旨在包含本发明精神和范围内的所有这样的替代、修改、等同物和变型。
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