專利名稱：表面的測量裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種表面的測量裝置以及該裝置的操作方法，其中所述裝置具有一產生 多色光束的光源，該光束可通過成像光學系統(tǒng)利用光學色差在距成像光學系統(tǒng)不同距離 的幾點上聚焦；并可在表面上控制聚焦光束以及設置一傳感器探測反射光束。
背景技術：
在許多工程領域中，重要的是具有有關表面的狀態(tài)的準確認識。在許多應用中，在 物品生產的過程中形成的表面毛刺或波度僅在很窄的范圍內才可容許。特別是在具有運 動部件的高精密機構中，表面質量差可能導致功能不正?；蚩焖倨茐摹３@取表面質量 的資料外，在許多領域中，要求精確地測量表面結構。例如，在許多應用中，值得知道 的是工件中銑削或孔的位置和深度。業(yè)界己公知表面測量的不同方法。在一種可能的方法中，使用兩架或兩架以上的照 相機，籍此通過三角測量計算出有關表面三維狀態(tài)的資料。然而，以這樣的測量系統(tǒng)僅 可達到很有限的測量精確度。在另一公知的方法中，將一單色光束導向正在探測的表面，其中該光束總是在表面 上聚焦。如果光學系統(tǒng)和受照成像點之間的距離因表面不平而變化，而因為光束不再在 表面上聚焦，則一自動聚焦電路可校準該光學系統(tǒng)，以便使該光束在表面上重新聚焦。 由光學系統(tǒng)的調節(jié)程度，可確定距離的變化。以這種方式，可較準確地測量表面，但測 量速度因光學系統(tǒng)要作必要調整而嚴重受限。因此，連續(xù)生產過程中要對表面進行測量 是不可行的。為避免這樣的調整， 一種公知的方法是通過利用多色光(通常是白光)和色差來測量 表面。在這種情況下，利用的事實是成像光學系統(tǒng)聚焦取決于光波長。如果以幾種焦距 聚焦的光束照在一表面上，則光束從表面反射。在反射過程中，聚焦并不在表面范圍內 的光譜折射，基本上經由一光圈或玻璃纖維受抑制或阻擋。因此，光學系統(tǒng)距表面的受 照點的距離可由以這種方式處理的光束的光譜分析來測定。雖然可達到相當高的測量速度，但光學系統(tǒng)和測量物體之間的間距受很苛刻的條件限制。在使用很短焦距的透鏡期 間，在間距變成待測物體的表面時，可獲得檢得光譜中較強的譜移，因此，獲得相對高 的測量精確度或分辨率，但可達到的測量距離，即傳感器與待測物體之間的距離卻大大 地減小。如果使用具有長焦距的透鏡，則可實現(xiàn)較大間距和測量面積，但卻大大地減低 了該配置的測量精確度或分辨率。發(fā)明內容因此，本發(fā)明的任務就是對上述類型的裝置進行配置并改型，以致于以光學系統(tǒng)和 測量物體之間最大可能的距離以及同時以測量裝置的最簡單的設計，盡可能快速、簡便 地實現(xiàn)表面的高分辨率測量。此外，還將提供一種相應的方法。依照本發(fā)明權利要求1的特征可完成上述的任務。因此，所述的裝置應該這樣配置， 以致于成像光學系統(tǒng)具有達到目標色差的光學系統(tǒng)和影響自成像光學系統(tǒng)射出的光的 光束路徑的附加光學系統(tǒng)。關于所述的方法，權利要求18的特征可完成上述的任務。所述方法的特征在于， 在成像光學系統(tǒng)中使用故意造成色差的光學系統(tǒng)和以影響自成像物體射出的聚焦光束 的光束路徑的附加光學系統(tǒng)。首先可以以本發(fā)明的方式認識到，為了達到最高可能的分辨率和最大可能的測量距 離，不一定要采用一種解決這兩項問題的結合的技術方案。這就是說，增大分辨率，即 增加色差而無需減小測量距離是可能的，并且反之亦然。依照本發(fā)明，還可以認識到， 這兩項問題可以結合在一起，其中成像物體可由兩個可彼此獨立的優(yōu)選光學系統(tǒng)構成。 因此，本發(fā)明的成像光學系統(tǒng)由故意造成色差的光學系統(tǒng)和影響自成像光學系統(tǒng)射出的 光的光束路徑的附加光學系統(tǒng)構成。為此，可通過第一光學系統(tǒng)特別簡單而獨立地產生 強烈的色差，而第二光學系統(tǒng)可以影響光束的聚焦。結果，可產生一具有焦點的高度分 色的聚焦光束，并且與此同時，該聚焦光束聚焦在一距成像光學系統(tǒng)較遠的點上。如果 還將實現(xiàn)最小型的傳感器光學系統(tǒng)，則通過特別小型的第一光學系統(tǒng)可故意地造成色 差?？墒褂玫诙鈱W系統(tǒng)形成一高數(shù)值孔徑，故而在同時大的測量間距下具有高分辨率。 因此，只需第二光學系統(tǒng)有一相應的尺寸，而第一光學系統(tǒng)則可任意地小型化。在本發(fā)明一較佳的實施例中，第一光學系統(tǒng)配備一影響該光學系統(tǒng)色差的裝置。為 此，可采用業(yè)界公知的所有方法。為能具體地達到強的色差，第一光學系統(tǒng)可較佳地配置一 GRIN(梯度折射率)透鏡。 GRIN透鏡的幾何結構較為任意，其特征在于，折射率趨向垂直于光束散發(fā)的方向。GRIN 透鏡通常呈圓柱體結構，其中光束在圓柱體的底部及其外表面進入或射出。在本發(fā)明的 裝置中，最好使用至少一個1.0節(jié)距的GRIN透鏡。這就是說，在透鏡內部的一單色光 束作一正弦振蕩的周期運動。為此，折射率的趨向和透鏡的長度必須相互調節(jié)。在一多 色光束中， 一光束的特殊光譜折射，通常是光束的中波長光譜用于確定透鏡的尺寸。GRIN透鏡具有色差隨透鏡長度的增加而變得更大的性能。當光束通過GRIN透鏡 時，中間的圖像總是在透鏡的焦點上再次形成，其中每一中間圖像具有比之前更大的光 譜折射的分色。這種效果可用于使用一個大于1.0節(jié)距的GRIN透鏡產生一特別強烈的 色差，也就是說，一GRIN透鏡，光束在其內部作一個以上的正弦振蕩運動。最好所述 透鏡的長度是一半周期(0.5節(jié)距)的倍數(shù)。然后，可以依比例排列縱向色差而無需改變其 它光參數(shù)，諸如成像比例或整個系統(tǒng)的焦距。然而，依據(jù)整個系統(tǒng)的需求，也可以想到 利用GRIN透鏡的其它較任意的長度。為了影響底部間距(最小測量距離)或一傳感器的測量范圍，可以規(guī)定一校正器具有 GRIN透鏡，以該校正器可在GRIN透鏡和玻璃纖維或光圈之間建立間距。該校正器首 先具有一固定的長度，因此假定起分隔器作用。其次，其以可變的長度構成。有固定長 度的校正器可由玻璃或透明塑料構成，而具可變長度的校正器可以包括一氣隙或凝膠體 以及一適當?shù)目烧{節(jié)的夾持器。然而，所有公知的適當方法和裝置都可使用。較佳地，第二光學系統(tǒng)可由一透鏡系統(tǒng)構成，最好是具有至少一個透鏡的望遠鏡光 學系統(tǒng)，其中最好使用一個或多個非球面透鏡。然后，可能的是在使用幾個透鏡的過程 中，至少兩個透鏡具有相同的焦距，或者所有的透鏡都具有不同的焦距。通過第二光學 系統(tǒng)，可實現(xiàn)一l:l的成像，但也有可能將圖像放大或縮小。測量的范圍和底部間距處 于靠近或遠離光學系統(tǒng)的位置取決于成像的類型。關于本發(fā)明的裝置的具體不同使用，可通過光學系統(tǒng)的其中一透鏡的置換性實現(xiàn)測 量范圍的改變。根據(jù)需要，可在光學系統(tǒng)的兩透鏡之間使用一光束偏轉器。因此，最好使該偏轉器 適合于一具體的幾何形狀。為此，例如，可使用一玻璃纖維、棱鏡或帶有幾個棱鏡和分 隔器的棱鏡光學系統(tǒng)。然而，所述的光束偏轉器也可配備給第一光學系統(tǒng)或安置在第一 和第二光學系統(tǒng)之間。此外，自成像光學系統(tǒng)射出的光束可通過一偏轉器導向。在這種情況下，將光束引 向表面。為此，可指定棱鏡、反射鏡、平面平行板或公知的其它改變方向的裝置。為了 將光束操控在表面的某一位置上和達到對待測表面盡可能全面覆蓋，偏轉器或至少其部 分可配置成可作二維或三維移動。然后，可以利用圍繞不同軸線旋轉或傾斜的運動、具 有不同運動方向的直線運動或者這些運動的組合。對于測量最佳的重現(xiàn)性，可通過電子校正元件完成偏轉器的運動。這些校正元件 可由一電子裝置控制，最好是一微型控制器或其它數(shù)字計算器。最終可將在表面上反射和經光圈或玻璃纖維處理過的光束供給一探測該光束的傳 感器。對采用一附加的電子電路，例如一微型控制器或其它數(shù)字計算器，可自接收光束 的光譜計算測量物體和光學系統(tǒng)之間的距離。為此所需的參考數(shù)據(jù)，即在波長與距離之間賦值可在啟動校準測量裝置之前測定并可由電子裝置得到。在特別有利的方式中，通過使用一與附加光學系統(tǒng)一起的GRIN透鏡，可構成一成 像光學系統(tǒng)，其可較自由地參數(shù)化和極為小型化。由此可制成具有很小尺寸的測量頭。通過本發(fā)明的幾個較佳的極為小型化的成像光學系統(tǒng)的配置，或者使用一分束器， 可簡單地構成一表面?zhèn)鞲衅?。為此，可同時進行幾項測量。測量點可位于不同的曲線上， 諸如一線段、 一圓扇形或一雙曲線扇形，取決于表面?zhèn)鞲衅鞯囊蠛徒Y構。想得到的還 有二維結構，諸如矩形、陣列。通過使用色差將光束聚焦在一系列點上，并且通過增大測量的間距和范圍，還可以 有利地測量涂有一層透明材料的物體。因而，己經將一光束的光譜折射反射在與涂層的 接觸面上，而其它的折射則在其自身的表面上反射。為此，可用傳感器探測每組具有兩 個間距的兩組光譜折射。同時，從這些間距可確定表面的狀態(tài)以及通過減去兩值來確定 涂層厚度。有不同的可能性對本發(fā)明的構思進行有利地完善和改進。為此， 一方面參照權利要 求l的從屬權利要求，另一方面結合附圖參照以下關于本發(fā)明較佳的實施例的說明。在 結合


本發(fā)明較佳實施例的同時， 一般也對本發(fā)明構思的改進及較佳的實施例作 敘述。附圖簡要說明圖1所示為不同波長的光束通過本發(fā)明的一成像光學系統(tǒng)的主要趨向示意圖；以及圖2所示為穿過一平行平面板的偏轉器的一實施例的示意圖。
具體實施方式
圖1所示為一多色光束2穿過本發(fā)明的成像光學系統(tǒng)1的光束路徑。圖上部分所示 為光束2短波折射的光束路徑，而圖下部分所示為一長波折射的光束路徑。圖中部分所 示為正好聚焦在表面3上的光束2的光譜折射，因此其波長假定為處于圖上下部分所示 的折射數(shù)值之間的值。然后，放射和反射的光束的路徑相同，僅方向相反。成像光學系統(tǒng)1的第一部分包括一 GRIN透鏡4，其與一校正器5(也稱為間隔件) 連接以影響光學系統(tǒng)的長度。 一玻璃纖維(圖中未示)以側向遠離GRIN透鏡4直接配置 在校正器5上，并經其將多色光束2接入校正器5和GRIN透鏡4中，然后再從中接出。 經過玻璃纖維接合并穿過GRIN透鏡的光束離開GRIN透鏡4而與成像光學系統(tǒng)1的第 二透鏡6交會，所述的第二透鏡6由兩個具有相同焦距的非球面透鏡7和8組成。聚焦光束9離開成像光學系統(tǒng)1 ，并照射到表面3上以及在其上反射。反射光束IO(圖 中以虛線表示)以與入射光束2相同的方式穿過成像光學系統(tǒng)并且通過玻璃纖維(圖中未 示)過濾。在一適當?shù)奈恢蒙?，例如，使用一光學分光器，將光束接出并送至一傳感器 中。所述的光學分光器和傳感器都未能在圖中示出。從圖1中明顯地可以看到，在表面3上反射的光束10以一不同的擴展范圍離開校 正器5。如果使玻璃纖維置于遠離GRIN透鏡的末端上，僅有部分光束正好接入纖維中， 其該光束的焦點位于校正器5和玻璃纖維之間的連接點上。這正好適用于在表面3上聚 焦的光譜折射。為此，在表面3上聚焦的光譜折射基本上可由傳感器探測。圖2所示為穿過一平面平行板11的偏轉器的實施例，其使本發(fā)明的裝置用作一表 面掃描儀。 一光束2照射到傾斜設置的平面平行板11上，并且由于相對于周圍的折射 率n增大，光束在界面12和13上折射。為此，對于光束產生一平行位移v,這取決于 平面平行板11的厚度d和折射率n以及入射光束2的入射角度s。該平行位移v可以由 折射定律并考慮到幾何形狀根據(jù)以下公式計算如果平面平行板11繞軸線15旋轉，平行位移的光束14則可在表面3上作一圓形 16。此外，如果影響角度s，即平面平行板ll的傾角，那么圓形16的半徑也可改變。 因此，可以以圓形的方式掃瞄表面3。如果平面平行板ll僅改變其傾角，則可以直線地 掃瞄表面3。
權利要求
1.一種表面的測量裝置，所述裝置具有一產生多色光束(2)的光源，其中所述光束(2)可通過成像光學系統(tǒng)(1)利用光學色差在距成像光學系統(tǒng)(1)不同距離的幾點上聚焦；可把聚焦光束(9)引向表面(3)上；并且設有一傳感器探測反射的光束(10)，其特征在于，所述的成像光學系統(tǒng)(1)包括產生目標色差的光學系統(tǒng)(4)和附加光學系統(tǒng)(6)，所述的附加光學系統(tǒng)影響自成像光學系統(tǒng)(1)射出的聚焦光束(9)的光束路徑。
2. 如權利要求l所述的裝置，其特征在于，所述的光學系統(tǒng)(4)包括一色差的影響器。
3. 如權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述的光學系統(tǒng)(4)包括一 GRIN(梯度 折射率)透鏡(4)，其長度最好大于l.O節(jié)距。
4. 如權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述的GRIN透鏡(4)包括一影響成像比例 和/或測量范圍的校正器(5)。
5. 如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述的校正器(5)具有一固定的長度。
6. 如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述的校正器(5)可以受其長度影響。
7. 如權利要求l至6中任何一項所述的裝置，其特征在于，所述的光學系統(tǒng)(6)可由至 少一個透鏡(7， 8)構成。
8. 如權利要求l至7中任何一項所述的裝置，其特征在于，所述的光學系統(tǒng)(6)具有一 個或一個以上非球面透鏡(7， 8)。
9. 如權利要求7或8所述的裝置，其特征在于，在帶有兩個或兩個以上透鏡的光學系 統(tǒng)(6)中，至少兩個透鏡具有相等的焦距。
10. 如權利要求7或8所述的裝置，其特征在于，在帶有兩個或兩個以上透鏡的光學 系統(tǒng)(6)中，所有的透鏡均具有不同的焦距。
11. 如權利要求7至10中任何一項所述的裝置，其特征在于，所述的光學系統(tǒng)(6)的至 少一個透鏡設置成可替換的。
12. 如權利要求7至11中任何一項所述的裝置，其特征在于，所述的光學系統(tǒng)(6)可形 成1:1圖像。
13. 如權利要求7至12中任何一項所述的裝置，其特征在于，將玻璃纖維安置在所述 光學系統(tǒng)(6)的透鏡之間。
14. 如權利要求7至13中任何一項所述的裝置，其特征在于，將一棱鏡安置在所述的光學系統(tǒng)(6)的透鏡之間。
15. 如權利要求1至14中任何一項所述的裝置，其特征在于，提供一偏轉器以使光束 偏斜。
16. 如權利要求15所述的裝置，其特征在于，所述的偏轉器設有一棱鏡、 一反射鏡、 一平面平行板(ll)或其它改變方向的器件。
17. 如權利要求15或16所述的裝置，其特征在于，所述的偏轉器(ll)最好可通過電子 校正元件操控。
18. —種具體使用如權利要求1至17中任何一項所述的裝置測量表面的方法，其中光 束(2)通過成像光學系統(tǒng)(1)利用光學色差在距成像光學系統(tǒng)(l)不同距離的幾點上聚焦; 使聚焦光束(9)射向表面(3)的一點上；并且設置一傳感器探測反射的光束(IO)，其特征在 于，在所述的成像光學系統(tǒng)(l)中，使用一產生目標色差的光學系統(tǒng)(4)和一附加光學系 統(tǒng)(6)，所述的附加光學系統(tǒng)影響自成像光學系統(tǒng)(1)射出的聚焦光束(9)的光束路徑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種表面的測量裝置以及最好使用該裝置進行測量的方法。所述的裝置包括產生多色光束(2)的光源。所述的光束(2)通過成像光學系統(tǒng)(1)利用光學色差在距成像光學系統(tǒng)(1)不同距離的幾點上聚焦；使聚焦光束(9)射各向表面(3)的一點上；并設置一傳感器探測反射的光束(10)。本發(fā)明的目的在于盡可能地保持測量頭與物體之間的最大距離。所述的成像光學系統(tǒng)(1)包括產生目標色差的一光學系統(tǒng)(4)和影響自成像光學系統(tǒng)(1)射出的聚焦光束(9)的光束路徑的附加光學系統(tǒng)(6)。
文檔編號G01B11/24GK101238348SQ200680015790
公開日2008年8月6日 申請日期2006年5月10日 優(yōu)先權日2005年5月17日
發(fā)明者B·梅塞施米特, K·維斯培特納, T·施塔梅斯特 申請人:微-埃普西龍測量技術有限兩合公司;格林泰克有限公司