專(zhuān)利名稱(chēng)：表面的測(cè)量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面的測(cè)量裝置以及該裝置的操作方法，其中所述裝置具有一產(chǎn)生 多色光束的光源，該光束可通過(guò)成像光學(xué)系統(tǒng)利用光學(xué)色差在距成像光學(xué)系統(tǒng)不同距離 的幾點(diǎn)上聚焦；并可在表面上控制聚焦光束以及設(shè)置一傳感器探測(cè)反射光束。
背景技術(shù)：
在許多工程領(lǐng)域中，重要的是具有有關(guān)表面的狀態(tài)的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)。在許多應(yīng)用中，在 物品生產(chǎn)的過(guò)程中形成的表面毛刺或波度僅在很窄的范圍內(nèi)才可容許。特別是在具有運(yùn) 動(dòng)部件的高精密機(jī)構(gòu)中，表面質(zhì)量差可能導(dǎo)致功能不正?；蚩焖倨茐?。除獲取表面質(zhì)量 的資料外，在許多領(lǐng)域中，要求精確地測(cè)量表面結(jié)構(gòu)。例如，在許多應(yīng)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(cè)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(jī)，籍此通過(guò)三角測(cè)量計(jì)算出有關(guān)表面三維狀態(tài)的資料。然而，以這樣的測(cè)量系統(tǒng)僅 可達(dá)到很有限的測(cè)量精確度。在另一公知的方法中，將一單色光束導(dǎo)向正在探測(cè)的表面，其中該光束總是在表面 上聚焦。如果光學(xué)系統(tǒng)和受照成像點(diǎn)之間的距離因表面不平而變化，而因?yàn)楣馐辉僭?表面上聚焦，則一自動(dòng)聚焦電路可校準(zhǔn)該光學(xué)系統(tǒng)，以便使該光束在表面上重新聚焦。 由光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)程度，可確定距離的變化。以這種方式，可較準(zhǔn)確地測(cè)量表面，但測(cè) 量速度因光學(xué)系統(tǒng)要作必要調(diào)整而嚴(yán)重受限。因此，連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中要對(duì)表面進(jìn)行測(cè)量 是不可行的。為避免這樣的調(diào)整， 一種公知的方法是通過(guò)利用多色光(通常是白光)和色差來(lái)測(cè)量 表面。在這種情況下，利用的事實(shí)是成像光學(xué)系統(tǒng)聚焦取決于光波長(zhǎng)。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(guò)程中，聚焦并不在表面范圍內(nèi) 的光譜折射，基本上經(jīng)由一光圈或玻璃纖維受抑制或阻擋。因此，光學(xué)系統(tǒng)距表面的受 照點(diǎn)的距離可由以這種方式處理的光束的光譜分析來(lái)測(cè)定。雖然可達(dá)到相當(dāng)高的測(cè)量速度，但光學(xué)系統(tǒng)和測(cè)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(cè)物體的表面時(shí)，可獲得檢得光譜中較強(qiáng)的譜移，因此，獲得相對(duì)高 的測(cè)量精確度或分辨率，但可達(dá)到的測(cè)量距離，即傳感器與待測(cè)物體之間的距離卻大大 地減小。如果使用具有長(zhǎng)焦距的透鏡，則可實(shí)現(xiàn)較大間距和測(cè)量面積，但卻大大地減低 了該配置的測(cè)量精確度或分辨率。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的任務(wù)就是對(duì)上述類(lèi)型的裝置進(jìn)行配置并改型，以致于以光學(xué)系統(tǒng)和 測(cè)量物體之間最大可能的距離以及同時(shí)以測(cè)量裝置的最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，盡可能快速、簡(jiǎn)便 地實(shí)現(xiàn)表面的高分辨率測(cè)量。此外，還將提供一種相應(yīng)的方法。依照本發(fā)明權(quán)利要求1的特征可完成上述的任務(wù)。因此，所述的裝置應(yīng)該這樣配置， 以致于成像光學(xué)系統(tǒng)具有達(dá)到目標(biāo)色差的光學(xué)系統(tǒng)和影響自成像光學(xué)系統(tǒng)射出的光的 光束路徑的附加光學(xué)系統(tǒng)。關(guān)于所述的方法，權(quán)利要求18的特征可完成上述的任務(wù)。所述方法的特征在于， 在成像光學(xué)系統(tǒng)中使用故意造成色差的光學(xué)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(xué)系統(tǒng)。首先可以以本發(fā)明的方式認(rèn)識(shí)到，為了達(dá)到最高可能的分辨率和最大可能的測(cè)量距 離，不一定要采用一種解決這兩項(xiàng)問(wèn)題的結(jié)合的技術(shù)方案。這就是說(shuō)，增大分辨率，即 增加色差而無(wú)需減小測(cè)量距離是可能的，并且反之亦然。依照本發(fā)明，還可以認(rèn)識(shí)到， 這兩項(xiàng)問(wèn)題可以結(jié)合在一起，其中成像物體可由兩個(gè)可彼此獨(dú)立的優(yōu)選光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成。 因此，本發(fā)明的成像光學(xué)系統(tǒng)由故意造成色差的光學(xué)系統(tǒng)和影響自成像光學(xué)系統(tǒng)射出的 光的光束路徑的附加光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成。為此，可通過(guò)第一光學(xué)系統(tǒng)特別簡(jiǎn)單而獨(dú)立地產(chǎn)生 強(qiáng)烈的色差，而第二光學(xué)系統(tǒng)可以影響光束的聚焦。結(jié)果，可產(chǎn)生一具有焦點(diǎn)的高度分 色的聚焦光束，并且與此同時(shí)，該聚焦光束聚焦在一距成像光學(xué)系統(tǒng)較遠(yuǎn)的點(diǎn)上。如果 還將實(shí)現(xiàn)最小型的傳感器光學(xué)系統(tǒng)，則通過(guò)特別小型的第一光學(xué)系統(tǒng)可故意地造成色 差?？墒褂玫诙鈱W(xué)系統(tǒng)形成一高數(shù)值孔徑，故而在同時(shí)大的測(cè)量間距下具有高分辨率。 因此，只需第二光學(xué)系統(tǒng)有一相應(yīng)的尺寸，而第一光學(xué)系統(tǒng)則可任意地小型化。在本發(fā)明一較佳的實(shí)施例中，第一光學(xué)系統(tǒng)配備一影響該光學(xué)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(dá)到強(qiáng)的色差，第一光學(xué)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，其中光束在圓柱體的底部及其外表面進(jìn)入或射出。在本發(fā)明的 裝置中，最好使用至少一個(gè)1.0節(jié)距的GRIN透鏡。這就是說(shuō)，在透鏡內(nèi)部的一單色光 束作一正弦振蕩的周期運(yùn)動(dòng)。為此，折射率的趨向和透鏡的長(zhǎng)度必須相互調(diào)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(zhǎng)光譜用于確定透鏡的尺寸。GRIN透鏡具有色差隨透鏡長(zhǎng)度的增加而變得更大的性能。當(dāng)光束通過(guò)GRIN透鏡 時(shí)，中間的圖像總是在透鏡的焦點(diǎn)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(gè)大于1.0節(jié)距的GRIN透鏡產(chǎn)生一特別強(qiáng)烈的 色差，也就是說(shuō)，一GRIN透鏡，光束在其內(nèi)部作一個(gè)以上的正弦振蕩運(yùn)動(dòng)。最好所述 透鏡的長(zhǎng)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(wú)需改變其 它光參數(shù)，諸如成像比例或整個(gè)系統(tǒng)的焦距。然而，依據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的需求，也可以想到 利用GRIN透鏡的其它較任意的長(zhǎng)度。為了影響底部間距(最小測(cè)量距離)或一傳感器的測(cè)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(zhǎng)度，因此假定起分隔器作用。其次，其以可變的長(zhǎng)度構(gòu)成。有固定長(zhǎng) 度的校正器可由玻璃或透明塑料構(gòu)成，而具可變長(zhǎng)度的校正器可以包括一氣隙或凝膠體 以及一適當(dāng)?shù)目烧{(diào)節(jié)的夾持器。然而，所有公知的適當(dāng)方法和裝置都可使用。較佳地，第二光學(xué)系統(tǒng)可由一透鏡系統(tǒng)構(gòu)成，最好是具有至少一個(gè)透鏡的望遠(yuǎn)鏡光 學(xué)系統(tǒng)，其中最好使用一個(gè)或多個(gè)非球面透鏡。然后，可能的是在使用幾個(gè)透鏡的過(guò)程 中，至少兩個(gè)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(guò)第二光學(xué) 系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)一l:l的成像，但也有可能將圖像放大或縮小。測(cè)量的范圍和底部間距處 于靠近或遠(yuǎn)離光學(xué)系統(tǒng)的位置取決于成像的類(lèi)型。關(guān)于本發(fā)明的裝置的具體不同使用，可通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的其中一透鏡的置換性實(shí)現(xiàn)測(cè) 量范圍的改變。根據(jù)需要，可在光學(xué)系統(tǒng)的兩透鏡之間使用一光束偏轉(zhuǎn)器。因此，最好使該偏轉(zhuǎn)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(gè)棱鏡和分 隔器的棱鏡光學(xué)系統(tǒng)。然而，所述的光束偏轉(zhuǎn)器也可配備給第一光學(xué)系統(tǒng)或安置在第一 和第二光學(xué)系統(tǒng)之間。此外，自成像光學(xué)系統(tǒng)射出的光束可通過(guò)一偏轉(zhuǎn)器導(dǎo)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(dá)到對(duì)待測(cè)表面盡可能全面覆蓋，偏轉(zhuǎn)器或至少其部 分可配置成可作二維或三維移動(dòng)。然后，可以利用圍繞不同軸線旋轉(zhuǎn)或傾斜的運(yùn)動(dòng)、具 有不同運(yùn)動(dòng)方向的直線運(yùn)動(dòng)或者這些運(yùn)動(dòng)的組合。對(duì)于測(cè)量最佳的重現(xiàn)性，可通過(guò)電子校正元件完成偏轉(zhuǎn)器的運(yùn)動(dòng)。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(jì)算器。最終可將在表面上反射和經(jīng)光圈或玻璃纖維處理過(guò)的光束供給一探測(cè)該光束的傳 感器。對(duì)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(jì)算器，可自接收光束 的光譜計(jì)算測(cè)量物體和光學(xué)系統(tǒng)之間的距離。為此所需的參考數(shù)據(jù)，即在波長(zhǎng)與距離之間賦值可在啟動(dòng)校準(zhǔn)測(cè)量裝置之前測(cè)定并可由電子裝置得到。在特別有利的方式中，通過(guò)使用一與附加光學(xué)系統(tǒng)一起的GRIN透鏡，可構(gòu)成一成 像光學(xué)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(cè)量頭。通過(guò)本發(fā)明的幾個(gè)較佳的極為小型化的成像光學(xué)系統(tǒng)的配置，或者使用一分束器， 可簡(jiǎn)單地構(gòu)成一表面?zhèn)鞲衅?。為此，可同時(shí)進(jìn)行幾項(xiàng)測(cè)量。測(cè)量點(diǎn)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(jié)構(gòu)。想得到的還 有二維結(jié)構(gòu)，諸如矩形、陣列。通過(guò)使用色差將光束聚焦在一系列點(diǎn)上，并且通過(guò)增大測(cè)量的間距和范圍，還可以 有利地測(cè)量涂有一層透明材料的物體。因而，己經(jīng)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(cè)每組具有兩 個(gè)間距的兩組光譜折射。同時(shí)，從這些間距可確定表面的狀態(tài)以及通過(guò)減去兩值來(lái)確定 涂層厚度。有不同的可能性對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思進(jìn)行有利地完善和改進(jìn)。為此， 一方面參照權(quán)利要 求l的從屬權(quán)利要求，另一方面結(jié)合附圖參照以下關(guān)于本發(fā)明較佳的實(shí)施例的說(shuō)明。在 結(jié)合


本發(fā)明較佳實(shí)施例的同時(shí)， 一般也對(duì)本發(fā)明構(gòu)思的改進(jìn)及較佳的實(shí)施例作 敘述。附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1所示為不同波長(zhǎng)的光束通過(guò)本發(fā)明的一成像光學(xué)系統(tǒng)的主要趨向示意圖；以及圖2所示為穿過(guò)一平行平面板的偏轉(zhuǎn)器的一實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施方式
圖1所示為一多色光束2穿過(guò)本發(fā)明的成像光學(xué)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(zhǎng)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(zhǎng)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(xué)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(chēng)為間隔件) 連接以影響光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)度。 一玻璃纖維(圖中未示)以側(cè)向遠(yuǎn)離GRIN透鏡4直接配置 在校正器5上，并經(jīng)其將多色光束2接入校正器5和GRIN透鏡4中，然后再?gòu)闹薪映觥?經(jīng)過(guò)玻璃纖維接合并穿過(guò)GRIN透鏡的光束離開(kāi)GRIN透鏡4而與成像光學(xué)系統(tǒng)1的第 二透鏡6交會(huì)，所述的第二透鏡6由兩個(gè)具有相同焦距的非球面透鏡7和8組成。聚焦光束9離開(kāi)成像光學(xué)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(guò)成像光學(xué)系統(tǒng)并且通過(guò)玻璃纖維(圖中未 示)過(guò)濾。在一適當(dāng)?shù)奈恢蒙希?，使用一光學(xué)分光器，將光束接出并送至一傳感器 中。所述的光學(xué)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(kuò)展范圍離開(kāi)校 正器5。如果使玻璃纖維置于遠(yuǎn)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(diǎn)位于校正器5和玻璃纖維之間的連接點(diǎn)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(cè)。圖2所示為穿過(guò)一平面平行板11的偏轉(zhuǎn)器的實(shí)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(shè)置的平面平行板11上，并且由于相對(duì)于周?chē)恼凵?率n增大，光束在界面12和13上折射。為此，對(duì)于光束產(chǎn)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(jì)算如果平面平行板11繞軸線15旋轉(zhuǎn)，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(quán)利要求
1.一種表面的測(cè)量裝置，所述裝置具有一產(chǎn)生多色光束(2)的光源，其中所述光束(2)可通過(guò)成像光學(xué)系統(tǒng)(1)利用光學(xué)色差在距成像光學(xué)系統(tǒng)(1)不同距離的幾點(diǎn)上聚焦；可把聚焦光束(9)引向表面(3)上；并且設(shè)有一傳感器探測(cè)反射的光束(10)，其特征在于，所述的成像光學(xué)系統(tǒng)(1)包括產(chǎn)生目標(biāo)色差的光學(xué)系統(tǒng)(4)和附加光學(xué)系統(tǒng)(6)，所述的附加光學(xué)系統(tǒng)影響自成像光學(xué)系統(tǒng)(1)射出的聚焦光束(9)的光束路徑。
2. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述的光學(xué)系統(tǒng)(4)包括一色差的影響器。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述的光學(xué)系統(tǒng)(4)包括一 GRIN(梯度 折射率)透鏡(4)，其長(zhǎng)度最好大于l.O節(jié)距。
4. 如權(quán)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(cè)量范圍的校正器(5)。
5. 如權(quán)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(zhǎng)度。
6. 如權(quán)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(zhǎng)度影響。
7. 如權(quán)利要求l至6中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述的光學(xué)系統(tǒng)(6)可由至 少一個(gè)透鏡(7， 8)構(gòu)成。
8. 如權(quán)利要求l至7中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述的光學(xué)系統(tǒng)(6)具有一 個(gè)或一個(gè)以上非球面透鏡(7， 8)。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的裝置，其特征在于，在帶有兩個(gè)或兩個(gè)以上透鏡的光學(xué)系 統(tǒng)(6)中，至少兩個(gè)透鏡具有相等的焦距。
10. 如權(quán)利要求7或8所述的裝置，其特征在于，在帶有兩個(gè)或兩個(gè)以上透鏡的光學(xué) 系統(tǒng)(6)中，所有的透鏡均具有不同的焦距。
11. 如權(quán)利要求7至10中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述的光學(xué)系統(tǒng)(6)的至 少一個(gè)透鏡設(shè)置成可替換的。
12. 如權(quán)利要求7至11中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述的光學(xué)系統(tǒng)(6)可形 成1:1圖像。
13. 如權(quán)利要求7至12中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，將玻璃纖維安置在所述 光學(xué)系統(tǒng)(6)的透鏡之間。
14. 如權(quán)利要求7至13中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，將一棱鏡安置在所述的光學(xué)系統(tǒng)(6)的透鏡之間。
15. 如權(quán)利要求1至14中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，提供一偏轉(zhuǎn)器以使光束 偏斜。
16. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述的偏轉(zhuǎn)器設(shè)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(quán)利要求15或16所述的裝置，其特征在于，所述的偏轉(zhuǎn)器(ll)最好可通過(guò)電子 校正元件操控。
18. —種具體使用如權(quán)利要求1至17中任何一項(xiàng)所述的裝置測(cè)量表面的方法，其中光 束(2)通過(guò)成像光學(xué)系統(tǒng)(1)利用光學(xué)色差在距成像光學(xué)系統(tǒng)(l)不同距離的幾點(diǎn)上聚焦; 使聚焦光束(9)射向表面(3)的一點(diǎn)上；并且設(shè)置一傳感器探測(cè)反射的光束(IO)，其特征在 于，在所述的成像光學(xué)系統(tǒng)(l)中，使用一產(chǎn)生目標(biāo)色差的光學(xué)系統(tǒng)(4)和一附加光學(xué)系 統(tǒng)(6)，所述的附加光學(xué)系統(tǒng)影響自成像光學(xué)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(cè)量裝置以及最好使用該裝置進(jìn)行測(cè)量的方法。所述的裝置包括產(chǎn)生多色光束(2)的光源。所述的光束(2)通過(guò)成像光學(xué)系統(tǒng)(1)利用光學(xué)色差在距成像光學(xué)系統(tǒng)(1)不同距離的幾點(diǎn)上聚焦；使聚焦光束(9)射各向表面(3)的一點(diǎn)上；并設(shè)置一傳感器探測(cè)反射的光束(10)。本發(fā)明的目的在于盡可能地保持測(cè)量頭與物體之間的最大距離。所述的成像光學(xué)系統(tǒng)(1)包括產(chǎn)生目標(biāo)色差的一光學(xué)系統(tǒng)(4)和影響自成像光學(xué)系統(tǒng)(1)射出的聚焦光束(9)的光束路徑的附加光學(xué)系統(tǒng)(6)。
文檔編號(hào)G01B11/24GK101238348SQ200680015790
公開(kāi)日2008年8月6日 申請(qǐng)日期2006年5月10日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:微-埃普西龍測(cè)量技術(shù)有限兩合公司;格林泰克有限公司