CN101238348B - 表面的测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表面的测量装置以及最好使用该装置进行测量的方法。所述的装置包括产生多色光束(2)的光源。所述的光束(2)通过成像光学系统(1)利用光学色差在距成像光学系统(1)不同距离的几点上聚焦；使聚焦光束(9)射各向表面(3)的一点上；并设置一传感器探测反射的光束(10)。本发明的目的在于尽可能地保持测量头与物体之间的最大距离。所述的成像光学系统(1)包括产生目标色差的一光学系统(4)和影响自成像光学系统(1)射出的聚焦光束(9)的光束路径的附加光学系统(6)。

Description

表面的测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种表面的测量装置以及该装置的操作方法，其中所述装置具有一产生多色光束的光源，该光束可通过成像光学系统利用光学色差在距成像光学系统不同距离的几点上聚焦；并可在表面上控制聚焦光束以及设置一传感器探测反射光束。

背景技术

在许多工程领域中，重要的是具有有关表面的状态的准确认识。在许多应用中，在物品生产的过程中形成的表面毛刺或波度仅在很窄的范围内才可容许。特别是在具有运动部件的高精密机构中，表面质量差可能导致功能不正常或快速破坏。除获取表面质量的资料外，在许多领域中，要求精确地测量表面结构。例如，在许多应用中，值得知道的是工件中铣削或孔的位置和深度。

业界已公知表面测量的不同方法。在一种可能的方法中，使用两架或两架以上的照相机，籍此通过三角测量计算出有关表面三维状态的资料。然而，以这样的测量系统仅可达到很有限的测量精确度。

在另一公知的方法中，将一单色光束导向正在探测的表面，其中该光束总是在表面上聚焦。如果光学系统和受照成像点之间的距离因表面不平而变化，而因为光束不再在表面上聚焦，则一自动聚焦电路可校准该光学系统，以便使该光束在表面上重新聚焦。由光学系统的调节程度，可确定距离的变化。以这种方式，可较准确地测量表面，但测量速度因光学系统要作必要调整而严重受限。因此，连续生产过程中要对表面进行测量是不可行的。

为避免这样的调整，一种公知的方法是通过利用多色光(通常是白光)和色差来测量表面。在这种情况下，利用的事实是成像光学系统聚焦取决于光波长。如果以几种焦距聚焦的光束照在一表面上，则光束从表面反射。在反射过程中，聚焦并不在表面范围内的光谱折射，基本上经由一光圈或玻璃纤维受抑制或阻挡。因此，光学系统距表面的受照点的距离可由以这种方式处理的光束的光谱分析来测定。虽然可达到相当高的测量速度，但光学系统和测量物体之间的间距受很苛刻的条件限制。在使用很短焦距的透镜期间，在间距变成待测物体的表面时，可获得检得光谱中较强的谱移，因此，获得相对高的测量精确度或分辨率，但可达到的测量距离，即传感器与待测物体之间的距离却大大地减小。如果使用具有长焦距的透镜，则可实现较大间距和测量面积，但却大大地减低了该配置的测量精确度或分辨率。

发明内容

因此，本发明的任务就是对上述类型的装置进行配置并改型，以致于以光学系统和测量物体之间最大可能的距离以及同时以测量装置的最简单的设计，尽可能快速、简便地实现表面的高分辨率测量。此外，还将提供一种相应的方法。

依照本发明权利要求1的特征可完成上述的任务。因此，所述的装置应该这样配置，以致于成像光学系统具有达到目标色差的光学系统和影响从成像光学系统射出的光的光束路径的附加光学系统，其中，所述产生目标色差的光学系统(4)包括梯度折射率GRIN透镜。

关于所述的方法，权利要求18的特征可完成上述的任务。所述方法的特征在于，在成像光学系统中使用故意造成色差的光学系统和以影响从成像物体射出的聚焦光束的光束路径的附加光学系统，其中，所述产生目标色差的光学系统(4)包括梯度折射率GRIN透镜。

首先可以以本发明的方式认识到，为了达到最高可能的分辨率和最大可能的测量距离，不一定要采用一种解决这两项问题的结合的技术方案。这就是说，增大分辨率，即增加色差而无需减小测量距离是可能的，并且反之亦然。依照本发明，还可以认识到，这两项问题可以结合在一起，其中成像物体可由两个可彼此独立的优选光学系统构成。因此，本发明的成像光学系统由故意造成色差的光学系统和影响从成像光学系统射出的光的光束路径的附加光学系统构成。为此，可通过第一光学系统特别简单而独立地产生强烈的色差，而第二光学系统可以影响光束的聚焦。结果，可产生一具有焦点的高度分色的聚焦光束，并且与此同时，该聚焦光束聚焦在一距成像光学系统较远的点上。如果还将实现最小型的传感器光学系统，则通过特别小型的第一光学系统可故意地造成色差。可使用第二光学系统形成一高数值孔径，故而在同时大的测量间距下具有高分辨率。因此，只需第二光学系统有一相应的尺寸，而第一光学系统则可任意地小型化。

在本发明一较佳的实施例中，第一光学系统配备一影响该光学系统色差的装置。为此，可采用业界公知的所有方法。

为能具体地达到强的色差，第一光学系统可较佳地配置一GRIN(梯度折射率)透镜。GRIN透镜的几何结构较为任意，其特征在于，折射率趋向垂直于光束散发的方向。GRIN透镜通常呈圆柱体结构，其中光束在圆柱体的底部及其外表面进入或射出。在本发明的装置中，最好使用至少一个1.0节距的GRIN透镜。这就是说，在透镜内部的一单色光束作一正弦振荡的周期运动。为此，折射率的趋向和透镜的长度必须相互调节。在一多色光束中，一光束的特殊光谱折射，通常是光束的中波长光谱用于确定透镜的尺寸。

GRIN透镜具有色差随透镜长度的增加而变得更大的性能。当光束通过GRIN透镜时，中间的图像总是在透镜的焦点上再次形成，其中每一中间图像具有比之前更大的光谱折射的分色。这种效果可用于使用一个大于1.0节距的GRIN透镜产生一特别强烈的色差，也就是说，一GRIN透镜，光束在其内部作一个以上的正弦振荡运动。最好所述透镜的长度是一半周期(0.5节距)的倍数。然后，可以依比例排列纵向色差而无需改变其它光参数，诸如成像比例或整个系统的焦距。然而，依据整个系统的需求，也可以想到利用GRIN透镜的其它较任意的长度。

为了影响底部间距(最小测量距离)或一传感器的测量范围，可以规定一校正器具有GRIN透镜，以该校正器可在GRIN透镜和玻璃纤维或光圈之间建立间距。该校正器首先具有一固定的长度，因此假定起分隔器作用。其次，其以可变的长度构成。有固定长度的校正器可由玻璃或透明塑料构成，而具可变长度的校正器可以包括一气隙或凝胶体以及一适当的可调节的夹持器。然而，所有公知的适当方法和装置都可使用。

较佳地，第二光学系统可由一透镜系统构成，最好是具有至少一个透镜的望远镜光学系统，其中最好使用一个或多个非球面透镜。然后，可能的是在使用几个透镜的过程中，至少两个透镜具有相同的焦距，或者所有的透镜都具有不同的焦距。通过第二光学系统，可实现一1∶1的成像，但也有可能将图像放大或缩小。测量的范围和底部间距处于靠近或远离光学系统的位置取决于成像的类型。

关于本发明的装置的具体不同使用，可通过光学系统的其中一透镜的置换性实现测量范围的改变。

根据需要，可在光学系统的两透镜之间使用一光束偏转器。因此，最好使该偏转器适合于一具体的几何形状。为此，例如，可使用一玻璃纤维、棱镜或带有几个棱镜和分隔器的棱镜光学系统。然而，所述的光束偏转器也可配备给第一光学系统或安置在第一和第二光学系统之间。

此外，从成像光学系统射出的光束可通过一偏转器导向。在这种情况下，将光束引向表面。为此，可指定棱镜、反射镜、平面平行板或公知的其它改变方向的装置。为了将光束操控在表面的某一位置上和达到对待测表面尽可能全面覆盖，偏转器或至少其部分可配置成可作二维或三维移动。然后，可以利用围绕不同轴线旋转或倾斜的运动、具有不同运动方向的直线运动或者这些运动的组合。

对于测量最佳的重现性，可通过电子校正元件完成偏转器的运动。这些校正元件可由一电子装置控制，最好是一微型控制器或其它数字计算器。

最终可将在表面上反射和经光圈或玻璃纤维处理过的光束供给一探测该光束的传感器。对采用一附加的电子电路，例如一微型控制器或其它数字计算器，可从接收光束的光谱计算测量物体和光学系统之间的距离。为此所需的参考数据，即在波长与距离之间赋值可在启动校准测量装置之前测定并可由电子装置得到。

在特别有利的方式中，通过使用一与附加光学系统一起的GRIN透镜，可构成一成像光学系统，其可较自由地参数化和极为小型化。由此可制成具有很小尺寸的测量头。

通过本发明的几个较佳的极为小型化的成像光学系统的配置，或者使用一分束器，可简单地构成一表面传感器。为此，可同时进行几项测量。测量点可位于不同的曲线上，诸如一线段、一圆扇形或一双曲线扇形，取决于表面传感器的要求和结构。想得到的还有二维结构，诸如矩形、阵列。

通过使用色差将光束聚焦在一系列点上，并且通过增大测量的间距和范围，还可以有利地测量涂有一层透明材料的物体。因而，已经将一光束的光谱折射反射在与涂层的接触面上，而其它的折射则在其自身的表面上反射。为此，可用传感器探测每组具有两个间距的两组光谱折射。同时，从这些间距可确定表面的状态以及通过减去两值来确定涂层厚度。

有不同的可能性对本发明的构思进行有利地完善和改进。为此，一方面参照权利要求1的从属权利要求，另一方面结合附图参照以下关于本发明较佳的实施例的说明。在结合附图说明本发明较佳实施例的同时，一般也对本发明构思的改进及较佳的实施例作叙述。

附图简要说明

图1所示为不同波长的光束通过本发明的一成像光学系统的主要趋向示意图；以及

图2所示为穿过一平行平面板的偏转器的一实施例的示意图。

具体实施方式

图1所示为一多色光束2穿过本发明的成像光学系统1的光束路径。图上部分所示为光束2短波折射的光束路径，而图下部分所示为一长波折射的光束路径。图中部分所示为正好聚焦在表面3上的光束2的光谱折射，因此其波长假定为处于图上下部分所示的折射数值之间的值。然后，放射和反射的光束的路径相同，仅方向相反。

成像光学系统1的第一部分包括一GRIN透镜4，其与一校正器5(也称为间隔件)连接以影响光学系统的长度。一玻璃纤维(图中未示)以侧向远离GRIN透镜4直接配置在校正器5上，并经其将多色光束2接入校正器5和GRIN透镜4中，然后再从中接出。经过玻璃纤维接合并穿过GRIN透镜的光束离开GRIN透镜4而与成像光学系统1的第二透镜6交会，所述的第二透镜6由两个具有相同焦距的非球面透镜7和8组成。

聚焦光束9离开成像光学系统1，并照射到表面3上以及在其上反射。反射光束10(图中以虚线表示)以与入射光束2相同的方式穿过成像光学系统并且通过玻璃纤维(图中未示)过滤。在一适当的位置上，例如，使用一光学分光器，将光束接出并送至一传感器中。所述的光学分光器和传感器都未能在图中示出。

从图1中明显地可以看到，在表面3上反射的光束10以一不同的扩展范围离开校正器5。如果使玻璃纤维置于远离GRIN透镜的末端上，仅有部分光束正好接入纤维中，其该光束的焦点位于校正器5和玻璃纤维之间的连接点上。这正好适用于在表面3上聚焦的光谱折射。为此，在表面3上聚焦的光谱折射基本上可由传感器探测。

图2所示为穿过一平面平行板11的偏转器的实施例，其使本发明的装置用作一表面扫描仪。一光束2照射到倾斜设置的平面平行板11上，并且由于相对于周围的折射率n增大，光束在界面12和13上折射。为此，对于光束产生一平行位移v，这取决于平面平行板11的厚度d和折射率n以及入射光束2的入射角度ε。该平行位移v可以由折射定律并考虑到几何形状根据以下公式计算：

$v=d\·\sin \mathrm{\ϵ}\·(1-\frac{\cos \mathrm{\ϵ}}{\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\ϵ}}})$

如果平面平行板11绕轴线15旋转，平行位移的光束14则可在表面3上作一圆形16。此外，如果影响角度ε，即平面平行板11的倾角，那么圆形16的半径也可改变。因此，可以以圆形的方式扫瞄表面3。如果平面平行板11仅改变其倾角，则可以直线地扫瞄表面3。

Claims (18)

1.一种表面的测量装置，所述装置具有一产生多色光束(2)的光源，其中所述光束(2)可通过成像光学系统(1)利用光学色差在距成像光学系统(1)不同距离的几点上聚焦；可把聚焦光束(9)引向表面(3)上；并且设有一传感器探测反射的光束(10)，其特征在于，所述的成像光学系统(1)包括产生目标色差的光学系统(4)和附加光学系统(6)，所述的附加光学系统影响从成像光学系统(1)射出的聚焦光束(9)的光束路径；其中，所述产生目标色差的光学系统(4)包括梯度折射率GRIN透镜。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述产生目标色差的光学系统(4)包括一色差的影响器。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的梯度折射率GRIN透镜具有大于1.0节距的长度。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的梯度折射率GRIN透镜包括一影响成像比例和/或测量范围的校正器(5)。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的校正器(5)具有一固定的长度。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的校正器(5)受其长度影响。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的光学系统(6)可由至少一个透镜(7，8)构成。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的光学系统(6)具有一个或一个以上非球面透镜(7，8)。

9.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，在带有两个或两个以上透镜的光学系统(6)中，至少两个透镜具有相等的焦距。

10.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，在带有两个或两个以上透镜的光学系统(6)中，所有的透镜均具有不同的焦距。

11.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述的光学系统(6)的至少一个透镜设置成可替换的。

12.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述的光学系统(6)可形成1∶1图像。

13.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，将玻璃纤维安置在所述光学系统(6)的透镜之间。

14.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，将一棱镜安置在所述的光学系统(6)的透镜之间。

15.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，提供一偏转器以使光束偏斜。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述的偏转器设有一棱镜、一反射镜、一平面平行板(11)。

17.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述的偏转器(11)可通过电子校正元件操控。

18.一种具体使用如权利要求1至17中任何一项所述的装置测量表面的方法，其中光束(2)通过成像光学系统(1)利用光学色差在距成像光学系统(1)不同距离的几点上聚焦；使聚焦光束(9)射向表面(3)的一点上；并且设置一传感器探测反射的光束(10)，其特征在于，在所述的成像光学系统(1)中，使用一产生目标色差的光学系统(4)和一附加光学系统(6)，所述的附加光学系统影响从成像光学系统(1)射出的聚焦光束(9)的光束路径；其中，所述产生目标色差的光学系统(4)包括梯度折射率GRIN透镜。

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