用于借助對菲涅爾衍射邊界曲線的評估確定物體的至少一個(gè)邊緣的位置的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于確定物體、尤其是條狀體的至少一個(gè)邊緣的位置的方法。這 樣的條狀體可以例如是線纜，其包括導(dǎo)體和包圍所述導(dǎo)體的絕緣部。存在測量這樣的條狀 體、尤其是確定位置或直徑的需要。對條形的物體的光學(xué)測量例如由EP 0 924 493 B1已 知，其中通過優(yōu)選激光二極管的聚合的單色的光在沒有成像的光學(xué)系統(tǒng)的情況下在光傳感 器上投影出要測量的條狀體的陰影。相比于以成像的光學(xué)系統(tǒng)工作的測量方法，利用該方 法在布置結(jié)構(gòu)的相對小的尺寸的情況下可取得高的測量精度?；诠庠吹木酆系膯紊妮?射在條狀體的幾何的陰影界限上產(chǎn)生衍射邊界。由接收的衍射邊界可以確定幾何的陰影界 限。這例如通過與由衍射理論已知的參考衍射圖案比較而成為可能。該參考圖案的自由參 數(shù)、尤其是延伸和地點(diǎn)的移動(dòng)變化這樣長時(shí)間，直到產(chǎn)生參考衍射圖案和測得的衍射邊界 強(qiáng)度的曲線之間的優(yōu)化的相關(guān)性。該相關(guān)性當(dāng)然相對耗費(fèi)計(jì)算時(shí)間，從而備選地評估衍射 邊界的典型的特征點(diǎn)、例如局部的最大強(qiáng)度和最小強(qiáng)度的位置，并且由此可以推斷出幾何 的陰影界限的位置。
[0002] 相關(guān)法如提到的是非常耗費(fèi)計(jì)算時(shí)間的，而對衍射邊界的典型的特征點(diǎn)的評估是 快速并且在通常的使用情況中實(shí)現(xiàn)突出的測量精度。因?yàn)榉治霎?dāng)然限制于衍射邊界的典型 的特征點(diǎn)的限定的數(shù)量，可能發(fā)生有缺陷的結(jié)果，如果典型的特征點(diǎn)被干擾的話。例如在光 學(xué)系統(tǒng)的顯著污染或在測量透明的或非常薄的條狀體時(shí)會(huì)是這種情況。這樣可以例如通過 穿過透明的待測量物料到達(dá)的光分量導(dǎo)致干擾衍射邊界并且借此也導(dǎo)致干擾典型的特征 點(diǎn)。在非常薄的條狀體中，可能出現(xiàn)基于兩個(gè)衍射邊界的相互影響的干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 因此從解釋的現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種開頭所述類型的方法，其 在衍射邊界干擾時(shí)也提供可靠的測量結(jié)果并且在此實(shí)現(xiàn)高的測量和評估速度。
[0004] 本發(fā)明通過獨(dú)立權(quán)利要求1、2和3解決該任務(wù)。有利的設(shè)計(jì)在從屬權(quán)利要求、說 明書和附圖中得出。
[0005] 本發(fā)明按照第一方面通過一種用于確定物體、尤其是條狀體的至少一個(gè)邊緣的位 置的方法解決該任務(wù)，其具有步驟：
[0006]-利用至少一個(gè)聚合的光源的光照亮物體，其中，在由物體引起的陰影的兩個(gè)幾 何的界限上產(chǎn)生衍射邊界，
[0007] _利用至少一個(gè)單行或多行的光學(xué)的傳感器接收至少一個(gè)衍射邊界的空間的強(qiáng) 度曲線，
[0008]-將所述至少一個(gè)接收的強(qiáng)度曲線按照位置微分并且關(guān)于二次的位置軸線描繪，
[0009] _將所述按照位置微分的并且關(guān)于二次的位置軸線記錄的至少一個(gè)接收的強(qiáng)度 曲線與至少一個(gè)周期性的參考強(qiáng)度曲線比較，
[0010] -基于進(jìn)行的比較確定所述物體的至少一個(gè)邊緣的位置。
[0011] 本發(fā)明按照第二方面通過一種用于確定物體、尤其是條狀體的至少一個(gè)邊緣的位 置的方法解決該任務(wù)，其具有步驟：
[0012] -利用至少一個(gè)聚合的光源的光照亮物體，其中，在由物體引起的陰影的兩個(gè)幾 何的界限上產(chǎn)生衍射邊界，
[0013]-利用至少一個(gè)單行或多行的光學(xué)的傳感器接收至少一個(gè)衍射邊界的空間的強(qiáng) 度曲線，
[0014] _將所述至少一個(gè)接收的強(qiáng)度曲線按照位置微分，
[0015] _將所述按照位置微分的至少一個(gè)接收的強(qiáng)度曲線與至少一個(gè)參考強(qiáng)度曲線比 較，所述參考強(qiáng)度曲線如由周期性的函數(shù)得出，如果所述函數(shù)具有與位置成基本上反線性 相關(guān)性的周期長度的話，
[0016]-基于進(jìn)行的比較確定物體的至少一個(gè)邊緣的位置。
[0017] 本發(fā)明最后按照第三方面通過一種用于確定物體、尤其是條狀體的至少一個(gè)邊緣 的位置的方法解決該任務(wù)，所述方法具有下述步驟：
[0018]-利用至少一個(gè)聚合的光源的光照亮物體，其中，在由物體引起的陰影的兩個(gè)幾 何的界限上產(chǎn)生衍射邊界，
[0019]-利用至少一個(gè)單行或多行的光學(xué)的傳感器接收至少一個(gè)衍射邊界的空間的強(qiáng) 度曲線，
[0020] _將所述至少一個(gè)接收的強(qiáng)度曲線與至少一個(gè)參考強(qiáng)度曲線比較，如其由周期性 的函數(shù)得出的，如果所述函數(shù)具有與位置成基本上反線性的相關(guān)性的周期長度并且所述函 數(shù)關(guān)于位置積分的話，
[0021] -基于進(jìn)行的比較確定物體的至少一個(gè)邊緣的位置。
[0022] 幾何的陰影界限構(gòu)成關(guān)于物體位置的直接信息。物體位置的確定在此也包括例如 確定物體的僅一個(gè)邊緣的位置。本發(fā)明利用如原則上由EP 0 924 493 B1已知的測量構(gòu)造。 物體或者說條狀體可以在橫截面中大致為圓形。可以涉及線纜，尤其是涉及包括至少一個(gè) 導(dǎo)體和至少一個(gè)包圍所述導(dǎo)體的絕緣包封部的線纜。所述至少一個(gè)聚合的光源可以在此尤 其是也發(fā)射單色的光。所述光源可以是激光器、尤其是二極管激光器。光學(xué)的傳感器可以 例如是CCD或CMOS傳感器、尤其是CCD或CMOS行傳感器。
[0023] 按照本發(fā)明評估光強(qiáng)的菲涅爾衍射曲線，其在聚合的照明中在處于物體后面不太 遠(yuǎn)處的傳感器上產(chǎn)生。這些衍射曲線能夠通過菲涅爾積分?jǐn)?shù)學(xué)地說明。當(dāng)然對于所述積分 不存在由其能夠簡單計(jì)算衍射邊界參考強(qiáng)度曲線的封閉的分析解法。如開頭提到的，由EP 0 924 493 B1已知相關(guān)法，其中測量的衍射邊界曲線與參考曲線比較。然而該方法對于亞 微米范圍中的測量精度是不切實(shí)際的，因?yàn)橐鎯?chǔ)非常大的數(shù)量的參考曲線。
[0024] 物體的位置的確定按照本發(fā)明基于至少一個(gè)接收的強(qiáng)度曲線和至少一個(gè)參考強(qiáng) 度曲線之間的比較或相關(guān)聯(lián)進(jìn)行。參考強(qiáng)度曲線可以例如經(jīng)驗(yàn)地配置有確定的幾何的陰影 界限和物體的借此確定的位置。本發(fā)明的所有三個(gè)方面基于共同的認(rèn)識(shí)，即，接收的衍射邊 界曲線的周期持續(xù)時(shí)間與使用的傳感器上的位置坐標(biāo)具有反線性的或幾乎反線性的相關(guān) 性。亦即周期持續(xù)時(shí)間隨lAx-x gJ減小，其中x是位置并且xgM是幾何的陰影界限的位 置。測得的強(qiáng)度曲線因此可以與參考強(qiáng)度曲線比較，所述參考強(qiáng)度曲線同樣具有其周期持 續(xù)時(shí)間與位置坐標(biāo)的這樣的逆線性的或幾乎反線性的相關(guān)性。在參考強(qiáng)度曲線的函數(shù)的自 變量中，這時(shí)位置坐標(biāo)X尤其是以二次出現(xiàn)。
[0025] 本發(fā)明按照所有三個(gè)方面此外共同的認(rèn)識(shí)是，一方面由在邊緣上引起的接收的衍 射邊界曲線I (X)通過按照位置的微分或求導(dǎo)和另一方面關(guān)于二次的x軸線的記錄，能夠產(chǎn) 生尤其是非常好地接近正弦函數(shù)的周期性的函數(shù)。后一種行為（關(guān)于二次的位置軸線的記 錄提供周期性的曲線）導(dǎo)致，在周期性的函數(shù)的自變量中的位置x以二次出現(xiàn)，因 此適用V(x) =x2。因此對于在邊緣上求導(dǎo)的衍射邊界曲線適用通過正弦函數(shù)的近似：
[0026]
[0027] 對應(yīng)地可以通過正弦函數(shù)產(chǎn)生參考曲線IRrf(x)，所述參考曲線非常好地對應(yīng)于接 收的強(qiáng)度曲線。為此在正弦函數(shù)的自變量中的位置x以二次設(shè)置并且隨后所述函數(shù)值關(guān)于 位置積分：
[0028]
[0029] 在本發(fā)明的第一方面中，兩個(gè)以上列舉的運(yùn)算（按照位置的微分和關(guān)于二次的位 置軸線的記錄）應(yīng)用到接收的強(qiáng)度曲線上并且所述接收的強(qiáng)度曲線直接與周期性的函數(shù)、 例如正弦函數(shù)比較。在本發(fā)明的第二方面中，兩個(gè)運(yùn)算中的第一運(yùn)算、即按照位置的微分應(yīng) 用到接收的強(qiáng)度曲線上。這樣獲得的強(qiáng)度曲線與參考強(qiáng)度曲線比較，如其例如由正弦函數(shù) 產(chǎn)生的，在所述正弦函數(shù)的自變量中，位置x以二次出現(xiàn)。因此參考強(qiáng)度曲線在該情況中是 如下曲線，所述曲線的周期長度與位置具有反線性的相關(guān)性。在本發(fā)明的第三方面中，不同 于第二方面，在產(chǎn)生參考強(qiáng)度曲線時(shí)對接收的強(qiáng)度曲線按照位置的微分通過關(guān)于位置的積 分代替。因此在第三方面中，參考強(qiáng)度曲線對應(yīng)于方程（1)產(chǎn)生。本發(fā)明的所述三個(gè)方面 接著參考圖6至8進(jìn)一步解釋。
[0030] 明顯的是，所有三個(gè)方面基于相同的認(rèn)識(shí)。區(qū)別僅在于，測量的強(qiáng)度曲線在比較之 前是否經(jīng)歷并且經(jīng)受多少運(yùn)算、尤其是數(shù)學(xué)的運(yùn)算。對應(yīng)地然后選擇用于比較考慮的參考 強(qiáng)度曲線。當(dāng)然，參考強(qiáng)度曲線尤其是在本發(fā)明的第二和第三方面中不是必須實(shí)際上經(jīng)受 第一和第二運(yùn)算的所述一個(gè)或兩個(gè)反運(yùn)算。而是它們可以對于按照本發(fā)明的方法已經(jīng)作為 存儲(chǔ)的參考曲線存在。但它們對應(yīng)于如下函數(shù)，所述函數(shù)由周期性的函數(shù)、例如周期性的正 弦函數(shù)出發(fā)通過使用一個(gè)或兩個(gè)數(shù)學(xué)的反函數(shù)可能產(chǎn)生。當(dāng)然還有，本發(fā)明的一些或全部 的方法步驟按照一個(gè)或多個(gè)、尤其是全部的三個(gè)方面也可以平行地、即局部或完全同時(shí)地 實(shí)施。
[0031] 周期性的函數(shù)、例如正弦函數(shù)比其他函數(shù)可顯著更簡單地評估，尤其是在透明的 或非常薄的物體中，其方式為，所述至少一個(gè)接收的強(qiáng)度曲線與周期性的參考強(qiáng)度曲線、尤 其是正弦形的參考強(qiáng)度曲線比較或相關(guān)。尤其是當(dāng)最初接收的強(qiáng)度曲線具有顯著的可能使 評估變得困難或甚至成為不可能的干擾時(shí)，能夠通過強(qiáng)度曲線的按照位置的一階導(dǎo)數(shù)和關(guān) 于二次的位置軸線的記錄產(chǎn)生如下曲線，所述曲線能夠非常好地接近正弦曲線。所述正弦 曲線的重要信息、如相位和頻率，也能夠在存在強(qiáng)烈干擾的接收的衍射邊界曲線時(shí)被提取。 如解釋的，本發(fā)明基于如下認(rèn)識(shí)，即，在邊緣的菲涅爾衍射圖案中的強(qiáng)度波動(dòng)的周期持續(xù)時(shí) 間關(guān)于位置并且尤其是關(guān)于與幾何的陰影界限的距離反線性地改變?；谠撜J(rèn)識(shí)，能夠在 運(yùn)行時(shí)間