CN100472176C - 具有光学探针的测量设备 - Google Patents

Abstract

测量设备(1)用于测量一个工件的形状、轮廓和/或粗糙程度，它基于一个非接触的具有很大数值孔径的光学探针。探针有至少两个不同的焦点，其与至少两个光接收器相关。后者产生的差分信号用于控制定位设备(13)以这样的方式跟踪光学探针以便工件表面保持在探针的测量范围内。已经验证差分信号导致快速和精确地跟踪传感器排列(3)的位置。

Description

具有光学探针的测量设备

技术领域

本发明涉及测量设备，尤其是用于测量粗糙度、轮廓或形状的设备。

背景技术

对于测量粗糙度、形状或轮廓，迄今为止光学或触觉测量方法已经被使用，每一种都有典型的限制。触觉测量的原理实质上是基于通过一个探针体与工件表面接触。这可能引起表面的变形，变脏或者甚至损坏。光学测量原理有其它的限制，偶尔可能类似地导致困难。例如，在倾斜面的光学测量过程中可能会碰到问题，并且进一步，由于边缘的偏差，可能产生测量速度以及测量误差的限制。

GB 2144537 A公开了一种基于共焦显微镜方法的光学外形测量设备。此测量设备有一个点状白光源和一个将先前通过准直仪转换成平行光束的光聚焦的物镜。由于期望的物镜的色差，焦点的距离依赖于波长。工件反射的光再次被物镜接收并且由分束器引导到包含一行发光二极管的光谱分析仪。光谱分析仪根据接收的波长使光撞击到这行二极管的特定的位置。从光点落到这行二极管的位置就可以得出涉及所关心的物镜和工件表面间的距离的结论。

已经发现这个原理能很好地适用于快速的距离检测。

来自于同样的公开我们知道，把朝着工件定向的物镜的镜头沿着其光轴的方向振荡以用于导致在测量方向上焦点的来回摆动。再一次可以从振荡信号得出关于物镜和工件表面间的距离的结论。

美国专利No.5785651公开了一种测量设备，特别是用于测量目镜，它有几个并行工作的光学测量系统，每一个作为共焦显微镜工作。每个共焦显微镜包含一个多色光源，一根用于点屏的光纤，一个把光导向工件并从那里接收光以及有实质色差的物镜，一个分束器和一个发射特征化接收到的光的波长的信号的光接收器。

为了检测弯曲体例如像目镜的形状，需要大量的单个传感器排列成矩阵或成行。

美国专利No.5804813公开了一种共焦传感器，用于测量设置在压电作用物(actor)上的工件。一个相干光源和一个具有大数值孔径的物镜被使用。为了测量工件，后者被横向于传感器的光束移动。传感器和工件表面间的距离稍微与物镜的焦距略有不同。物镜的焦点位于工件表面略微的向上或向下。传感器信号在工件经过焦点的期间陡峭的侧翼(flank)被用作测量特性。

这样的传感器有极端小的深度锐度。测量范围限制在几纳米。

发明内容

依照本发明的目的提出一种测量弯曲表面的光学传感器。这个目的通过以下技术方案来实现。

按照本发明的实施例，提供一种测量设备(1)，特别是用于测量工件表面的形状和/或粗糙度，包括：显微光学共焦传感器排列(3)，其包括设置在枢轴臂(4)自由端的至少一个传感器头(16)、光源(19)、光接收器(21)、分束器和物镜(32)，其产生至少两个空间隔开的焦点(35，36)，以及至少两个与不同的焦点(35，36)相关的光接收器(25，27)；所述传感器头(16)通过光纤(17)和光纤耦合器(18)连接到所述光源(19)和所述光接收器(21)；计算电路(28，38)，其输入端连接到光接收器(25，27)，并且在其输出端(42)产生用于距离测量的差分信号(UA)；其中当工件表面位于焦点(35，36)之间时，所产生的差分信号的大小被定义作为零点；其中共焦传感器排列(3)连接到第一定位设备(13)，其具有与测量设备(1)的测量方向(8)实质上一致的第一定位方向(7)；其中共焦传感器排列(3)与第二定位设备(12)连接，其具有与测量设备(1)的测量方向(8)实质上垂直的定向的第二定位方向(11)；其中第二定位设备(12)形成具有枢轴臂(4)和角度指示器或位置传感器(15)的进给设备的一部分，其中枢轴臂(4)携带着传感器排列(3)。

依照本发明的测量设备是基于带有两个光接收器的共焦显微镜类型的共焦传感器。共焦传感器排列产生至少两个焦点，所述两个焦点在测量方向上彼此分隔开并且可以以相同或不同的光色和相同或不同的偏振产生。通过波长差分波段分离器，例如分光计，棱镜，通过波长相关反射镜等，以光色实现光接收器与焦点的关联。焦点的差分或光接收器与焦点的关联也可以通过光接收器彼此之间的空间距离或通过偏振滤波器或其它适当的方式实现。

测量设备包含一个差值形成电路，它在两个光接收器传送的信号间建立差值。用这种方法可以获得在两个焦点间的近似的线性测量范围。差分信号在通过工件表面时以近似S形扩展通过过两个焦点间的区域，并且在测量范围的中间零信号可以被定义。用这种方法，一方面在测量范围中间的工件表面的位置可以很容易很简单地确定，另一方面测量范围内的所有其它表面位置都可以很快地检测而无需对测量设备进行机械调整。这就开创一种一方面加快了测量过程，另一方面获得在Z方向上显著的测量深度的可能性的方式。进一步，用这种方法差分信号能理想地作为跟踪信号调整环路使得传感器排列用模拟方式或步进的方式跟随表面轮廓。因此，为用非接触的方式快速、精确地测量空间上广阔的物体提供可能性，例如用透镜，尤其是非球面透镜。这种连接技术上的费用不多。我们获得了一种简单又稳健的测量系统，其能灵活地适应于不同的工件尺寸和形状。

共焦传感器排列更适宜连接到双轴定位设备。当其中一个轴作为牵引轴出现在进给设备中并且基本上平行于工件表面里的时候，另一个轴基本上垂直于其定位。平行轴在分段扫描的测量过程中确定测量路径。随后，通过探针沿着一条线扫描工件表面。垂直轴用作跟踪共焦传感器排列，以便弯曲的工件表面总是保持在它的测量范围之内。这样的一个轴可以例如通过一个携带传感器排列的长的枢轴臂形成。枢轴臂在近似平行于工件表面的方向伸展。它被连接到一个定位设备，该定位设备通过比例控制设备或两点控制设备被持续保持在距测量点或工件面一固定距离处或恒定公差距离内。公差小于测量范围。

原理上，共焦传感器排列的不同构造可以找到应用。最简单的例子是基于非相干或短相干，至少双色光源通过光纤耦合器连接到物镜。光纤耦合器进一步连接到带有具有至少两个光接收器的分光计的物镜上，其输出信号被用于差分放大器。产生的差分信号(强度差分信号)可以用作测量信号与或作为第一个定位设备的设置信号。后者朝着或远离工件表面引导传感器排列。另一个传感器检测这个定位设备的位置，因此检测到传感器排列的位置。这可以通过例如干涉或增量测量系统实现。通过把第一定位设备的位置信号与传感器排列传送的信号相加获得测量信号。在传感器排列被持续跟踪到测量范围中部的情况下，第一定位设备连接到比例控制设备的情况下，定位设备的位置信号也可以当作唯一的测量信号。

更有利的具体化的细节包含在附图，说明书和权利要求中。

附图说明

附图表示了本发明的实施例和示例性应用。

图1是测量设备示意性的基本图解，

图2显示了图1的测量设备在测量工件的形状，

图3表示依照附图1的测量设备的传感器排列的第一基本实施例，

图4是有两个单色光源的传感器排列的改进型实施例的基本图解，

图5是以不同的偏振光工作的传感器排列的实施例的基本图解，

图6显示了由光接收器发射的信号在工件表面通过与其相关的焦点时的强度曲线，

图7图解了在工件表面通过焦点的过程中，通过与两个空间分隔开的焦点相关的两个光接收器求差获得差分信号，

图8是依照第一实施例的作为比例控制设备的控制设备的方框图，以及

图9是依照实施例作为两点控制设备的控制设备的方框图。

具体实施方式

图1图解一个测量设备1用于测量工件2。测量可以是粗糙度测量，形状测量或者轮廓测量。不同的测量任务也可以实现，例如执行粗糙度测量和形状测量。

测量设备1包含一个共焦传感器排列3形式的光学传感器，其结构将在以后结合图3至图5一块描述。传感器排列3用于以非接触的方式扫描工件2的上表面，它由臂4携带，与测量路径相比，臂4相对较长并被基本定向平行于工件2表面。臂4通过滑撬(sled)6支撑在枢轴点5上。图1中通过箭头7示出臂4的可能的枢轴(pivotal)运动。这就定义了传感器排列3精确的运动方向，其实质上与箭头8所示的传感器排列3的测量方向一致。

另一方面，滑撬6沿着引导设备9横向于测量方向8、近似在臂4的纵向上运动。这个运动由图1中的箭头11指示。为了沿着引导设备9移动滑撬6，只是示意性地显示被提供为传感器排列3构成第二个定位设备的驱动设备12。另一方面，第一个定位设备13用于臂4关于枢轴点5的受控的枢轴运动。定位设备13例如由控制设备14控制的柱塞(plunger)线圈驱动器构成。对于臂4的枢轴位置的精确检测，提供位置传感器15，例如干涉传感器或增量测量系统。位置传感器15连接到控制设备14。同样地，传感器排列3通过导线16连接到控制设备14。

传感器排列3的第一实施例如图3所示。传感器排列3包含一个放置在臂4自由端的传感器头16(图1)。传感器头16通过光纤17和作为分束器的光纤耦合器18与光源19和光接收器21相连接。光源19至少是双色光源，优选地为发射连续光谱的光源诸如白炽灯等。其它能产生至少两光色的光源也可以找到应用。光源19发射的光耦合到从光纤耦合器18到光源19的光纤17的分支22上。

光接收器21是波长敏感的。它包含，例如一个棱镜或一个光栅23。被工件2的表面反射和再一次被传感器头16接收的光通过光纤的分支24引导到光栅23并从后者引导到一组空间上彼此分隔开的光接收器25，26，27上。它们输出的信号应用到计算电路28。

光接收器25产生输出信号U1，光接收器26产生输出信号U2，光接收器27产生输出信号U3。光接收器相对于光栅23布置以便中间的光接收器26接收到光的波长为λ0。光接收器25和27安排在两边，接收到的光的波长分别是λ0-Δλ和λ0+Δλ。输出的电压U1和U2在各自的波长上正好有最大的幅值。光接收器25至27的距离以及波长和传感器头16的测量范围以这样的方式互相协调以便传感器头16的测量范围和波长范围优选地更近似等于共焦信号的半幅值全宽(FWHM)。在这个连接中，参考图6，说明了在传感器头16沿着其光轴29的方向运动期间，光接收器26上的电压U2的曲线。当工件2的表面经过与光接收器26相关的焦点31时，输出信号U2通过最大值。电压信号曲线是振铃形。电压U2的曲线也被称为共焦信号。来自测量范围中间的偏差h被称为高度位置。实际的高度大小可以依据波长λ0以及来自于输出电压U1至U3的Δλ按照下面定义的关系计算出来，因为它与波长λ成比列。后者是按照下述关系计算的：

$\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_0+\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{2}\frac{\ln \left(U1\right)-\ln \left(U3\right)}{\ln \left(U1\right)-2\ln \left(U2\right)+\ln \left(U3\right)}$

传感器头16包含一个物镜32，它有一个准直透镜33和一个聚焦透镜34。光纤17的末端面作为一个点状光源。物镜32有高色差并沿着光轴29产生不同颜色的焦点35，31，36。在光轴29上由焦点35，36占有范围的长度由物镜32的色差和光源19发射的光的最大频率差Δf确定。如果后者具有连续的光谱，那么在光轴29上就形成一个线形的焦点范围。光接收器25，26，27每个都与所选择的光谱线有关，从而与在聚焦范围上的所选光色的焦点相关。光接收器25和27的输出电压对应于如图6所示的输出信号U2。

借助于上面公式提出的评估策略，计算电路28能够传送把物镜32和工件表面之间距离特性化的测量信号。进一步，计算电路可以是控制设备14的一部分，并且为了那个目的，具有图8所示的方框图并且以比例控制设备37的形式构造一个跟踪电路。后者有至少一个差分放大器38，其具有一个非反相输入39和一个反相输入41，以及一个与定位设备13相连的输出42。光接收器25，27连接到输入39，41。差分放大器38有一个线性特性曲线，或如图7所示，一个被弯曲成稍微为S形的特性曲线。

到此为止描述的测量设备1工作如下：

在工作过程中，首先定位测量设备1以便传感器排列3浮在工件2感兴趣的位置之上。通过启动第一个定位设备13，然后将臂4降低到直到工件2的上表面抵达如图3所示在焦点35，36之间标记为ΔF的区域的程度。物镜32接收从表面反射的光。只有该光撞击在光纤17的点状孔径上，其焦点与工件2的表面相遇(meet)。这个光分量被解耦到分支24。光栅23根据其波长偏转分支24传送的光。用这个方法，符合其波长的光撞击在光接收器25至27形成的行的一个位置上。根据上面的方程，现在计算电路28确定了被扫描的表面点的准确的高度位置。同时，比例控制设备37产生用于控制第一个定位设备13的信号。这由输出电压U1，U3的差值形成(difference formation)产生的(图8)。差分放大器38的输出电压UA对于图3中的ΔF区域内的工件表面的不同位置有一个如图7所示的过程。在中间位置43的任意一侧，输出信号UA实质上线性取决于工件表面到中间位置的偏差Δh。

输出信号UA应用于定位设备13，以便后者基本上以距工件2表面的恒定距离引导传感器头。无论如何，它使工件的表面保持在测量范围ΔF内，即使同时，第二定位设备，即驱动装置12被启动用于沿着一条线扫描工件2的表面。计算电路28传送的信号和位置传感器16的位置信号然后被相加以从此确定Z方向(图的箭头8)上表面测量点的高度的实际大小。

用这个方法和测量设备1，可以测量工件诸如非球面透镜44。在根据图2的例子中，透镜44安装在转盘45上。当旋转后者时，传感器排列3就扫描了透镜44表面的圆形区域。在这一步骤期间第二定位设备12可以休息。第一定位设备13驱使传感器排列3跟随透镜44表面的隆起和凹陷。可选择的，转盘45可以是固定的，激活驱动设备12在适合的子午线上检验透镜44的曲率。如果需要，转盘45和第二驱动设备12可以被同时激活。

图9显示一种用来驱动定位设备13的控制设备的可供选择的实施例。控制设备是两点控制设备46并且连接到光接收器25，27，从而连接到输出电压U1，U3。但是它的差分放大器38并没有将其输出42直接连接到定位设备13。而是输出42连接到一个阈值开关47，如果它的输入信号超越正的阈值48，所述阈值开关就发出一个正的输出信号。如果它的输入降到低于负的阈值49，所述阈值开关就发出一个负的输出信号。否则其输出信号是0。一个步进输入设备51被连接在其后；如果接收到一个正的输入信号，所述步进输入设备51就为定位设备13规定一个正的定位步进。在接收到负的输入信号时候，其为定位设备规定一个负的定位步进。

这样一个两点控制设备46驱使传感器排列3以阶梯形的轨迹跟随工件2的表面轮廓。通过把位置传感器15的位置信号和计算电路28发出的信号相加就再次获得了测量大小。

计算电路28和由其执行的评估算法在考虑到工件2的严格的局部表面特性时是尤其有利的。例如，局部表面斜率或表面微结构可能改变。这将导致根据图7的曲线的线性部分的斜率发生改变，因而致使输出的电压大小UA与工件2的附属表面点的高度位置的准确关联变得困难。这样的关联是由计算电路28是基于至少三个光接收器25，26，27假定的。可供选择的，附加的光接收器可以用于提高分辨率。在这种情况下，必须使用符合上面给出的计算规则的方程。在N个光接收器的情况下，信号的过程(有时首次用对数表示的)由N-1级的多项式近似。这样的多项式的最大值的位置与搜索的高度大小成比例。对于低分辨率足以满足的应用，或将被测量的表面的微结构或斜率变化不是很严格的应用，计算电路28可以只连接到两个光接收器25，27。进一步，计算电路28在这样的情况下可以被差分放大器38代替。

图4显示了传感器排列3又一个实施例。物镜32与前面描述的图3的物镜32一样；因此，参考前面的讨论。

光源19由两个单色发光二极管52，53构成，它们通过光纤耦合器54连接到光纤17的分支22上。发光二极管52，53发射不同色的光；它们可以是激光二极管或普通的发光二极管。

光接收器21可以如图3所示结构。但是，如图4所示，它可以被提供有波长相关的反射器55取代光栅23。这特别地应用在发光二极管52，53的波长实质上彼此不同的场合。光接收器25和27连接到反射器55不同的输出上，并且光接收器25和27依次耦合到差分放大器38上。后者产生根据图7的信号用作定位设备13的跟踪信号。更进一步，它也可以用作测量信号。

传感器排列3又一个改进的实施例在图5中说明。在这个连接中，基于同样的参考标记，参照早期的描述。但是与其不同的是，在光纤17的光出口开口和透镜33之间设置一个分束器56，它容许预定的偏振光直接通过。提供另一个光纤57，径向于光轴29。分束器56在平行于光轴29的方向上反射光，其偏振面垂直于光纤17的光，光纤57通过光纤耦合器58连接到光源19，光源可以是单色或多色光源。光纤耦合器58在光纤17，57之间分开源于光源19的光。

当光纤耦合器18引导再次被光纤17接收到的光到光接收器25时，连接到光纤57的光纤耦合器58将接收的光引导到光接收器27。光接收器25，27依次耦合到差分放大器38上。

光纤17光出口到分束分器56的距离不同于光纤57的光出口处到分束器56的距离。当使用单色光的时候，距离差定义为测量范围的长度ΔZ。如果使用多色光，例如，两个发光二极管的光，或有连续光谱的光，焦点35，36退化为长的有色的可能彼此相交或接触的焦线。在这样的情况下，提供光接收器25，27产生波长相关的信号是有利的，例如，通过包括一个偏转光栅或一个棱镜并且通过将各个光接收器25，27分成一行单独的接收器。在这样的情况下，物镜32有色差。计算电路28可以根据图3再次连接到分开的单独的光接收器25，27的行上。这样的计算电路可能仅仅对从光接收器25或光接收器27得到的光接收器组负责。它也可以处理所有光接收器的信号。

一种用于测量工件形状，轮廓与或粗糙度的测量设备1是基于具有很大数值孔径的非接触的光学探针。探针有至少两个不同的焦点，其与至少两个光接收器25，27相关。后者产生差分信号用于控制定位设备13以这样的方式跟踪光学探针以便工件表面保持在探针的测量范围之内。以发现差分信号导致快速和精确地跟踪传感器排列3的位置。

Claims (12)

1.一种测量设备(1)，特别是用于测量工件表面的形状和/或粗糙度，包括：

显微光学共焦传感器排列(3)，其包括设置在枢轴臂(4)自由端的至少一个传感器头(16)、光源(19)、光接收器(21)、分束器和物镜(32)，其产生至少两个空间隔开的焦点(35，36)，以及至少两个与不同的焦点(35，36)相关的光接收器(25，27)；

所述传感器头(16)通过光纤(17)和光纤耦合器(18)连接到所述光源(19)和所述光接收器(21)；

计算电路(28，38)，其输入端连接到光接收器(25，27)，并且在其输出端(42)产生用于距离测量的差分信号(UA)；

其中当工件表面位于焦点(35，36)之间时，所产生的差分信号的大小被定义作为零点；

其中共焦传感器排列(3)连接到第一定位设备(13)，其具有与测量设备(1)的测量方向(8)实质上一致的第一定位方向(7)；

其中共焦传感器排列(3)与第二定位设备(12)连接，其具有与测量设备(1)的测量方向(8)实质上垂直的定向的第二定位方向(11)；

其中第二定位设备(12)形成具有枢轴臂(4)和角度指示器或位置传感器(15)的进给设备的一部分，其中枢轴臂(4)携带着传感器排列(3)。

2.如权利要求1所述的测量设备，其特征在于差分信号(UA)用作用于第一定位设备(13)的跟踪信号。

3.如权利要求1所述的测量设备，其特征在于第一定位设备连接到比例控制设备(37)。

4.如权利要求1所述的测量设备，其特征在于第一定位设备(13)连接到两点控制设备(46)。

5.如权利要求1所述的测量设备，其特征在于光源(19)至少是双色光源且物镜(32)具有色差。

6.如权利要求5所述的测量设备，其特征在于光源(19)具有连续光谱。

7.如权利要求5所述的测量设备，其特征在于光源(19)包含至少两个单色的、单独的光源(52，53)。

8.如权利要求5所述的测量设备，其特征在于在光接收器(25，27)之前连接分光计(23)。

9.如权利要求5所述的测量设备，其特征在于在光接收器(25，27)之前连接波长选择反射器(55)。

10.如权利要求1所述的测量设备，其特征在于光源(19)是单色光源。

11.如权利要求1所述的测量设备，其特征在于传感器排列(3)包括一个偏振光分束器(56)。

12.如权利要求11所述的测量设备，其特征在于分束器(56)被设置在物镜(32)内并且通过两根光纤(17，57)与其耦合，所述两根光纤(17，57)的光出口面距分束器(56)不同的距离。

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