專利名稱：至少一個曲面的非接觸式測量的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于至少一個曲面的非接觸式測量的裝置和方法。
背景技術(shù)：
Matthias Kunkel和Jochen Schulze的一篇題為"Mittendikke von Linsen beriihrungslos messen ",Photonik 6/2004的文章中描述了一種這 種類型的裝置。為了測量透鏡的中間厚度，該文建議測量一個固定參考 點與透鏡上下端的頂點之間的距離.為了進(jìn)行距離測量，將具有光譜寬 帶的光耦合進(jìn)光波導(dǎo)中，并通過光纖耦合器輸送到具有顯著縱向色差的 物鏡上.該物鏡將從該光纖端面射出的光根據(jù)波長的不同聚焦在要測量 的表面上，在此該表面上形成一個直徑為幾個微米的測量斑。然而，該 處照明光纖芯的清晰圖像只能在波長、的情況下獲得。反過來，具有同 樣波長"的光被清晰地成像在光纖末端并被耦合回光波導(dǎo)中。其它波長 由于不清晰的成4象而受到強(qiáng)烈的抑制。反射光經(jīng)過光纖耦合器傳播到分 光計中.在分光計中測到的譜在相關(guān)的波長3n處給出尖銳的峰。通過校 正，從所發(fā)現(xiàn)的波長可以確定要測量的到所述表面的距離。如果透明材 料，具體說是透鏡，的兩個^^面處于物鏡的測量范圍之內(nèi)，那么，在兩 個界面上會分別得到兩個波長、和、的清晰成像。相應(yīng)地會觀察到兩個
峰，從中可以測定到所述兩個界面的距離Si和S2。
為了獲得理想的測量特性，具體說為了獲得高的光靈敏度和大的分辨 率，用于這個目的的已知的測量頭的物鏡根據(jù)所要求的測量距離具有相 應(yīng)的大的直徑，以產(chǎn)生相應(yīng)的大的孔徑。然而，測量頭的安裝空間在一 個空間方向上經(jīng)常是被限制的，特別是當(dāng)多個測量頭以較小的間隔順序 排列在一起的時候。在這種情況下，希望有相應(yīng)的窄的測量頭。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及到一種裝置，用于至少一個曲面的非接觸式測量，該裝
置至少包括
a) 光源，用于產(chǎn)生具有連續(xù)光鐠的光，
b) 配置到所述光源的出光面，
c) 測量頭，包含具有色差的光學(xué)成像系統(tǒng)，用來將所述出光面成像 在與波長有關(guān)的焦平面上，
d) 光學(xué)光鐠儀器，通過該儀器可以記錄通過所述光學(xué)系統(tǒng)投射到要 測量的表面然后從該表面上反射的光的光謙強(qiáng)度分布，以及
e) 估計單元，通過該單元，可以將所述光學(xué)系統(tǒng)和所述表面之間的 距離指定對應(yīng)于由所述光學(xué)光鐠儀器記錄的強(qiáng)度分布的局部極大值處的 每個波長。
此外，本裝置涉及到一種方法，用于至少一個曲面的非接觸式測量， 其中
a) 產(chǎn)生具有連續(xù)光語的發(fā)光面的光源，
b) 用一個具有色差的光學(xué)系統(tǒng)將所述發(fā)光面成像在與波長有關(guān)的焦 平面上，
c )把投射到要測量的表面然后從該表面上反射的光的光鐠強(qiáng)度分布 記錄下來，
d)將所述光學(xué)系統(tǒng)和所^面之間的距離指定對應(yīng)于所記錄的強(qiáng)度 分布的局部極大值處的每個波長.
這種類型的已知裝置特別用來測定薄層厚度，尤其是測定透鏡的中 間厚度。當(dāng)這些裝置被構(gòu)成掃描3D測量系統(tǒng)時，它們也用于形貌和輪廓 的非接觸式測量。典型的應(yīng)用有，在玻璃、塑料、半導(dǎo)體和汽車工業(yè)中 的質(zhì)量保證和制造控制，既能用在實驗室中，也能用在工業(yè)制造中。
本發(fā)明的一個目標(biāo)是，配置引言中所介紹類型的裝置和方法，其中 可以^使用其橫截面至少在一個空間方向上具有最小可能尺寸的測量頭，
并且它具有理想的測量特性，具體說是具有高的光靈敏度和大的分辨率。 根據(jù)本發(fā)明，這個目標(biāo)的實現(xiàn)在于，要測量的表面在一個空間方向 上是平的，光學(xué)系統(tǒng)的光軸垂直于該空間方向上的所i^面，該光學(xué)系 統(tǒng)的寬度在該空間方向上垂直地朝向其光軸縮小。
根據(jù)本發(fā)明，該光學(xué)系統(tǒng)因此被做得很窄，使得整個測量頭也比已 知的測量頭更窄。這樣，在光學(xué)系統(tǒng)比較窄的空間方向上，光學(xué)系統(tǒng)的 孔徑相對于其它空間方向上的孔徑而言事實上垂直地朝向光軸縮小了。 然而，縮小了的直徑對于獲得理想的測量特性來說足夠了，只要光學(xué)系 統(tǒng)的光軸在由光學(xué)系統(tǒng)的光軸和縮小的孔徑的空間方向所決定的平面中 基本上垂直于所述表面?？傊?，消除了大的孔徑，有利于測量頭在光軸 垂直于要測量表面的平面中具有較小的外尺寸，但不會損害測量特性。 另一方面，所4面在其中是彎曲的的平面內(nèi)，光學(xué)系統(tǒng)的孔徑足夠大 以獲得理想的測量結(jié)果，從而相應(yīng)地具有大尺寸。
在一個特別有利的實施例中，光學(xué)系統(tǒng)可以是一個相對于其光軸呈 徑向?qū)ΨQ的光學(xué)系統(tǒng)，其中，在至少一側(cè)沿著基本上平行于其光軸的方 向去掉一部分。具體說，所述去掉的部分可以被鋸掉或磨掉。這樣，在 其它的橫向空間方向上，光學(xué)系統(tǒng)保持了其孔徑，從而保持了其理想的 測量特性。
可以方便地在光學(xué)系統(tǒng)的兩個相對側(cè)上分別去掉一部分。這樣，測 量頭就做成對稱的了。
為了能以掃描器方式測量表面，測量頭可以相對于要測量的表面移 動，具體說，在與光學(xué)系統(tǒng)的寬度被縮小的空間方向基本垂直的方向上 移動。
所述光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)選是一個物鏡，具體說，是一個無源的物鏡(passive objective )。采用物鏡后，可以獲得理想的成像特性。此外，不包含任何 電子部分或移動部分的無源光學(xué)系統(tǒng)是非常魯棒的，并且實質(zhì)上對外界 不敏感，特別是對機(jī)械的和/或電子的影響不敏感。
為了能夠以最小的可能損失將光導(dǎo)入測量頭并導(dǎo)離測量頭，可以通 過至少一個光波導(dǎo)，具體說是一個多模光波導(dǎo)，將測量頭連接到光源和 光學(xué)光鐠儀器上。
在另 一個特別有利的實施例中，在光學(xué)系統(tǒng)的寬度縮小的空間方向 上，可以將多個測量頭一個接一個地排列起來。這樣，可以在多個測量 點上對表面同時測量，從而非常快地進(jìn)行測量，這些點沿著一條直線排 列，與測量頭一致。由于多個測量頭在其窄邊上緊緊地排列在一起，因 此，相應(yīng)地可以獲得小的測量點間距，從而在這個空間方向上可以獲得 大的空間分辨率。為了以掃描器方式測量整個表面，所有的測量頭能夠 相對于表面同時移動。所述移動可以垂直于測量頭較窄的空間方向進(jìn)行， 或者斜著這個方向進(jìn)行.
方便地，可以使用本裝置確定至少一個由兩個面所界定的層的厚度， 具體說是壁厚。因此，采用這種裝置，可以簡單而精確地測定透明的、 尤其是至少是部分圓柱形的物體，特別是玻璃或塑料瓶子的層厚。
所述方法的獨特之處在于，相對于一個空間方向，所述光學(xué)系統(tǒng)的 光軸排列為垂直于所述表面，在該空間方向上，所述要測量的表面是平 的，所述光學(xué)系統(tǒng)的寬度在該空間方向上垂直地朝著其光軸縮小。
因為所述光學(xué)系統(tǒng)以這種方式相對于所述表面排列，其光軸垂直于 該表面，所以在這個空間方向上，為了測量時得到該光學(xué)系統(tǒng)的相同的 最佳測量特性，使用相對較小的孔徑就足夠了.這樣，所用測量頭可以 做得較窄?？傊?，避免了大的孔徑，有利于在光軸垂直于要測量表面的 平面中產(chǎn)生測量頭的較小的外尺寸。


下面借助于附圖更加詳細(xì)地解釋本發(fā)明的 一個示范性實施例，其中，
圖1示意地顯示了平的測量頭的側(cè)面縱向截面；
圖2示意地顯示了圖1所示的測量頭在其一個窄邊上的平面圖3示意地顯示了圖l和圖2中的測量頭的后視圖4示意地顯示了從側(cè)面看到的具有圖1到圖3所示三個測量頭的
測量頭設(shè)置；
圖5以平面圖示意地顯示了測量玻璃圓柱的壁厚時的圖4中的測量 頭設(shè)置。
具體實施例方式
圖1到圖3顯示了用來對圖5中所示的玻璃圓柱12的壁厚進(jìn)行非接 觸式測定的裝置的測量頭排列(如圖4和圖5所示，在其它圖中未顯示) 中的一個細(xì)長的測量頭，用參考號碼10來指代測量頭的整體。
測量頭10通過一個多模光波導(dǎo)(未顯示)連接到一個已知的光源上， 該光源用來產(chǎn)生具有連續(xù)光鐠的光。將所述光波導(dǎo)引到測量頭10的殼體 16后端的圓柱形光導(dǎo)接頭體14處，即圖l中縱向截面的左側(cè)。在此處， 所述光波導(dǎo)張開地與緊固在光導(dǎo)接頭體14的端面中心的光纖耦合器18 連接。在圖1到圖5所示的實際的示范性實施例中，測量頭10的長度約 為，例如，9 cm到10 cm，并且，加上光導(dǎo)接頭體14的長度約為14 cm 到15 cm。
測量頭10的殼體16基本上為圓柱形，其彼此相對的兩側(cè)20的側(cè)面 是平坦的，在圖1中這兩個側(cè)面平行于繪圖平面，在圖2的平面圖中它 們是水平的，并垂直于繪圖平面；這一點也可以從圖3的后視圖中看到。 所述平坦側(cè)20之間的距離比光導(dǎo)接頭體14的直徑要大一些，如圖2和 圖3所顯示的。在實際的示范性實施例中，測量頭10的殼體16的外直 徑約為5cm到7cm。所述兩個平坦側(cè)20之間的距離約為3 cm到4cm。
在測量頭10中，光波導(dǎo)的末端充當(dāng)出光面(在圖中看不到)，它歸 屬于光源，并與測量頭10的殼體16的末端平行延伸。
測量頭10包括一個具有色差的物鏡22，該物鏡將出光面以縮小的尺 寸成〗象在與波長有關(guān)的焦平面上，該焦平面在圖1中的測量頭IO的右邊。 物鏡22的光軸24與測量頭10的殼體16共軸，在圖1、 2、 4和5中7jC 平取向，穿過出光面。作為例子而選出的某個波長的光錐示于圖1、 2、 4 和5的右邊。光錐25的高度對應(yīng)著物鏡22到焦點的測量距離，該焦點 為錐尖，在玻璃圓柱12的要測量的表面26上.在實際的示范性實施例 中，測量距離介于6.5 cm到7.5 cm之間。物鏡22的長度約為，例如， 5.5 cm到6.5 cm。
如從光導(dǎo)接頭體14所看到的，物鏡22包括第一透鏡對28,該透鏡 對由平凸透鏡30和平凸透鏡32構(gòu)成，以及包括離第一透鏡對有一^巨 離的第二透鏡對34,該透鏡對由雙凸透鏡36和凹凸透鏡38。所述第二 透鏡對34位于測量頭10的面對著圖1中右邊要測量表面26的那個末端 區(qū)域中。物鏡22是無源的，即，它不包含任何電子部分或移動部分。
物鏡22的直徑在空間方向X上垂直地朝著其光軸24減小，與測量 頭10的殼體16的平坦側(cè)20相一致。為此，基本上平行于物鏡22的光 軸24，將原本是相對于光軸24徑向?qū)ΨQ的透鏡32、 36和38的兩個彼此 相對的端分別去掉一部分，例如鋸掉或磨掉，使得透鏡30、 32、 36和38 在這里分別具有平坦的端面32a、 36a和38a。透鏡30的直徑比其它透鏡 32、 36和38的直徑明顯要小，所以不需要縮小。去掉透鏡的側(cè)面部分后， 物鏡22的孔徑在相應(yīng)的垂直于光軸24延伸的橫向空間方向X上，相對 于原來的孔徑減小了 ，而在垂直于該方向的橫向空間方向Y上仍然保持 著原來的孔徑。在圖l、 2、 4和5中，借助于光錐25的相應(yīng)的輪廓，顯 示了在相互垂直的橫向空間方向Y和X上孔徑的差別。圖1中在物鏡22 以及測量頭10的寬的一側(cè)的平面內(nèi)，光錐25的側(cè)錐面與光軸24之間的 一個例如為17°的夾角ot比圖2中物鏡22以及測量頭10的窄的一側(cè)的平 面內(nèi)的一個相應(yīng)的例如為15°的夾角P要明顯地大。
此外，測量頭10由現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法通過光波導(dǎo)中的分光鏡(未 示出)連接到一個分光攝i糾上(也沒有示出)。使用分光攝*^可以記 錄通過物鏡22投射到要測量表面26上然后從該表面上反射回來的光的 光譜強(qiáng)度分布。
此外，所述裝置還有一個估計單元(未示出)，該單元與分光攝"^ 有;liU^連接在一起。通過所述估計單元，可以將物鏡22和要測量表面26 之間的距離與分光攝鐠儀所記錄的強(qiáng)度分布的每個局部極大值處的波長
相對應(yīng)。
圖4顯示了由三個全同的測量頭10所構(gòu)成的測量頭配置。在圖4中， 測量頭10在其物鏡22的寬度被減小的空間方向X上一個在另一個之上 地排列起來。由于測量頭10很窄，其光軸24以及從而給出測量點的焦 點就彼此靠得非常近，使得在空間方向X上產(chǎn)生相應(yīng)的大的分辨率。
在圖5所示的平面圖中，顯示了從其寬的一側(cè)看去的圖4中的測量 頭IO。這里，只有上面的測量頭IO是可見的，其它的測量頭被該測量頭 所遮住。
為了測量玻璃圓柱12的壁，測量頭10要這樣對齊，使其物鏡22的 寬度在空間方向X上是減小的，而在這個方向上，要測量的壁的表面26 是直的，即，該方向平行于玻璃圓柱12的軸。玻璃圓柱12的軸垂直于 圖5中的繪圖平面。光學(xué)軸24于是位于一個平面內(nèi)，垂直于所M面26， 在該平面內(nèi)測量頭IO是窄的。
為了測量玻璃圓柱12的壁厚，該圓柱在空間方向Y上垂直于物鏡 22的光軸24、在圖5中從底部向上、沿著各測量頭10的光出射一側(cè)移 動。因此，測量頭IO相對于要測量表面26移動，基本上垂直于物鏡22 的寬度減小的空間方向X。圓柱壁在空間方向X上是直的，這里X方向 平行于玻璃圓柱12的軸，在該方向上物鏡22具有小的孔徑。當(dāng)玻璃圓 柱12移動通過時，玻璃圓柱12的壁與測量頭10之間的最短距離近似地 對應(yīng)著物鏡22的平均測量距離，使得所述壁的內(nèi)表面(表面26)和壁的 外表面分別被指定對應(yīng)著當(dāng)面向測量頭10的壁的 一側(cè)通過時由測量頭10 所得到的各焦平面中的一個焦平面。當(dāng)玻璃圓柱12通過時，兩個峰l^r 經(jīng)由每個測量頭IO被各自的分光攝鐠儀同時記錄下來，由估計儀器確定 到壁的內(nèi)表面和外表面的相應(yīng)距離，由此確定玻璃圓柱12的壁厚。
除了物鏡22之外，還可使用具有色差的其它類型的光學(xué)成像系統(tǒng)。
除了分光攝謙儀之外，還可以使用另外的光學(xué)光鐠儀器，例如，分 光計。
除了在兩側(cè)20，還可以只在透鏡32、 36和38的一側(cè)去掉一部分。
除了在與物鏡22寬度減小的空間方向相垂直的方向上移動之外，測 量頭10也可以在與物鏡22寬度減小的空間方向斜交的方向移動。
除了無源物鏡22之外，還可以使用例如可人工調(diào)節(jié)或可自動調(diào)節(jié)的
物鏡o
本裝置不限于確定壁的厚度。相反，它可以用于確定由兩個表面界 定的任何透明體薄層的厚度，這甚至包括內(nèi)置的層。
除了玻璃圓柱12的表面26之外，還可以測量其它的曲面，這些曲 面在至少一個空間方向上是平的，包括例如瓶子、圓錐或棱錐。
本裝置，特別是測量頭10，也可以用作高分辨距離傳感器。它也可 以被配置成一個掃描3D測量系統(tǒng)，用于甚至是非透明表面的形貌和輪廓 的非接觸式測量。
測量頭10的尺寸、光錐25的測量距離以及夾角ct和P可以比作為 例子所給出的那些值顯著地大或顯著地小。
權(quán)利要求
1.用于至少一個曲面的非接觸式測量的裝置，至少包括a)光源，用于產(chǎn)生具有連續(xù)光譜的光，b)所述光源的出光面，c)測量頭，包含具有色差的光學(xué)成像系統(tǒng)，用來將所述出光面成像在與波長有關(guān)的焦平面上，d)光學(xué)光譜儀器，通過該儀器能夠記錄由所述光學(xué)系統(tǒng)投射到要測量的表面然后從該表面上反射的光的光譜強(qiáng)度分布，以及e)估計單元，通過該單元，能夠?qū)⑺龉鈱W(xué)系統(tǒng)和所述表面之間的距離指定對應(yīng)于由所述光學(xué)光譜儀器記錄的所述強(qiáng)度分布的每個局部極大值處的波長，其特征在于，所述要測量的表面(26)在一個空間方向(X)上是平的，所述光學(xué)系統(tǒng)(22)的光軸(24)垂直于該空間方向(X)上的所述表面(26)，所述光學(xué)系統(tǒng)(22)的寬度在該空間方向(X)上垂直地朝著其光軸(24)縮小。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述裝置，其特征在于，所述光學(xué)系統(tǒng)是一個相 對于其光軸(24)徑向?qū)ΨQ的光學(xué)系統(tǒng)(22)，其中，至少在一側(cè)(20、 32a、 36a、 38a)上基本上與其光軸(24)平行地去掉一部分.
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，在所述光學(xué)系統(tǒng)(22) 的兩個相對側(cè)(20、 32a、 36a、 38a)分別去掉一部分，
4. 根據(jù)前面的權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，所述測量頭 (10)能夠相對于所述要測量的表面(26)移動，特別是在基本上垂直于所述空間方向(X)的方向上移動，而在該空間方向上所述光學(xué)系統(tǒng)(22) 的寬度被縮小了。
5. 根據(jù)前面的權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，所述光學(xué)系 統(tǒng)是一個物鏡(22)，尤其是一個無源的物鏡。
6. 根據(jù)前面的權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，所述測量頭 (10)通過至少一個光波導(dǎo)，尤其是一個多模光波導(dǎo)，連接到所述光源和所述光學(xué)光i普儀器上。
7. 根據(jù)前面的權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，多個測量頭 (10)在所述空間方向(X)上一個接一個地排列起來，而在該方向上，所迷光學(xué)系統(tǒng)(22)的寬度被縮少了。
8. 根據(jù)前面的權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，使用該裝置 能夠確定由兩個表面(26)所界定的至少一個層的厚度，尤其是壁的厚 度。
9. 用于至少一個曲面的非接觸式測量的方法，其中，a) 產(chǎn)生具有連續(xù)光i普的發(fā)光面的光源，b) 用一個具有色差的光學(xué)系統(tǒng)將所述發(fā)光面成像在與波長有關(guān)的焦 平面上，c) 記錄投射到要測量的所i^面然后從該表面上反射的光的光鐠強(qiáng) 度分布，以及d) 將所述光學(xué)系統(tǒng)和所述表面之間的距離指定對應(yīng)于所記錄的強(qiáng)度 分布的每個極大值處的波長，其特征在于，所述光學(xué)系統(tǒng)(22)的所述光軸(24)在一個空間方向(X)上垂直 于所i^面(26)排列，在該空間方向上，所述要測量的表面(26)是 平的，所述光學(xué)系統(tǒng)(22)的寬度在該空間方向(X)上垂直地朝著其光 軸(24)縮小，
全文摘要
一種裝置和方法用于至少一個曲面的非接觸式測量。所述裝置包括至少一個光源，用于產(chǎn)生具有連續(xù)光譜的光，以及包括一個所述光源的出光面。此外，該裝置具有至少一個測量頭，該測量頭包含具有色差的光學(xué)成像系統(tǒng)，用來將所述出光面成像在與波長有關(guān)的焦平面上，以及具有一個光學(xué)光譜儀器，通過該儀器可以記錄由所述光學(xué)系統(tǒng)投射到要測量的表面然后從該表面上反射的光的光譜強(qiáng)度分布。所述裝置還裝備有一個估計單元，通過該單元，可將所述光學(xué)系統(tǒng)和所述表面之間的距離指定對應(yīng)于由所述光學(xué)光譜儀器記錄的強(qiáng)度分布的每個極大值處的波長。所述要測量的表面在一個空間方向(X)上是平的。所述光學(xué)系統(tǒng)的光軸垂直于在該空間方向(X)上的所述表面。此外，所述光學(xué)系統(tǒng)的寬度在該空間方向(X)上垂直地朝著其光軸縮小。
文檔編號G01B11/24GK101349545SQ200710136128
公開日2009年1月21日 申請日期2007年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月18日
發(fā)明者B·米歇爾特, C·迪亞茨, M·孔克爾 申請人:普萊斯泰克光電子有限公司