CN101023319A - 用于对测量对象的多个面进行测定的光测量设备 - Google Patents

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Abstract

本发明建议一种用于借助于光学元件的布置对测量对象(15)的多个面(5，10)进行测定的光测量设备(1)。待测定的第一面(5)例如可以是狭窄的导向孔的内壁，而待测定的第二面(10)通过位于导向孔一端的、阀座的锥形段构成。作为测量设备(1)的光学元件，至少一个分束器(20；20a)和透镜系统(25)被如此布置，使得将入射到分束器(20；20a)的光线(35)垂直地对准于测量对象(10)的第一面(5)，并且入射到分束器(20；20a)的光线(35)的第二部分(40)射到置于分束器(20；20a)之后的透镜系统(25)，并且通过透镜系统(25)垂直地对准于第二面(40)。

Description

用于对测量对象的多个面进行测定的光测量设备
现有技术
本发明涉及一种用于借助光学元件的布置对测量对象的多个面进行测定的光测量设备。另外，本发明还涉及光测量设备作为测量对象的物镜的应用。
干涉仪系统此外适用于无接触检查不同的测量对象的表面。为了检测待检查的对象的表面轮廓，来自干涉仪的光源的对象光线在待测量区域处射中表面。由表面所反射的对象光线被输送给干涉仪的检测器，并且与基准光线一起形成干涉图样，其中可以从所述干涉图样中导出两个光线的行程差。两个光线的该所测量的行程差对应于表面的外形变化。
尤其利用白光干涉仪也能够借助于景深采样(Tiefenabtastung)来扫描测量对象，在该干涉仪中光源发出短相干辐射。正如例如在未预先公开的专利申请DE-10325443.9中所述的那样，在此短相干辐射通过分束器被分成对象光线和基准光线。待测定的对象表面通过物镜被映射到摄像装置、例如到CCD摄像机(“电荷耦合器件(charge-coupled device)”摄像机)并且被通过基准光线所构成的基准波叠加。景深采样可以通过相对于测量设备移动反射基准光线的基准镜或者物镜来进行。在移动对象时，对象的像面和基准面处于相同的平面中。在景深采样时，对象不动地留在CCD摄像机的视场中，而仅仅在景深轴上相对于基准面移动对象。通过这种方式可以以几个纳米范围中的景深分辨率来测定技术表面的测量。也可在报告“Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherenceradar”(T.Dresel，G.Husler，H.Venzke，Appl.Opt.31(7)，p.919-925，1992)中找到该测量方法的技术基础。
在此，如果测量对象的待测定的面不是一致的、平坦的平面，则特定物镜对于测定测量对象是必要的。因为在每个测量过程中必须负责的是，光线在扫描时尽可能垂直地射到待测定的面上。根据DE-10131778A1例如公知一种光学元件的布置，利用所述布置也可以测定弯曲的表面。因此，例如该公知文献的图1c示出：如何也可以利用在那里所介绍的圆形扫描光学系统测定难以到达的测量面，如圆柱体或者孔的内表面。借助于圆形扫描光学系统中的偏向棱镜可以将光线垂直地对准孔的内表面。在另一实施例中，如在该公知的文献的图1d中所示的那样，可以设计圆形扫描光学系统用于在孔的过渡区域处的内部锥形面。借助于特定的光学系统，射到该光学系统上的平行光线在对象侧被转换成垂直于锥形面的光线，也即光线被扇形状打开。然而，实际上如果两个面、也即孔的内表面和通过孔的进一步收缩所引起的内部锥形面可以同时被测定，则是有利的。例如如果至锥形阀座的导向孔的位置被测定，则例如产生这种要求。根据现有技术，可以如此布置或者设计两个或者多个圆形扫描光学系统，使得除了一个表面区域外可以同时由至少一个另外的表面区域产生平整的图像。在基准光程中，于是同样可以根据用于产生不同光行程的另外的表面区域的数量来布置至少一个另外的基准面。因此，可以测量至空间分开的阀座的导向孔的位置。
利用仅一个物镜于是不能测定两个面。根据现有技术的具有偏转镜(图1c)和具有扇形状打开光线的光学系统(1d)的两个实施例的简单组合是不成功的，因为光线将根据两个光学元件的安装顺序或者仅仅检测孔的内表面、或者检测内部的锥形面。
发明内容
具有权利要求1中所说明的特征的本发明光学测量设备与现有技术相比具有以下优点，即能够实现对测量对象的多个难以到达的面的测定。尤其有利的是，可以快速地并且在不改变测量设备的情况下测定不同的测量面(如锥形面或者孔的内表面)。光测量设备也可以被用作在自身已知的干涉仪的测量结构中或者在自动聚焦传感器中的测量对象的特定物镜。
在从属权利要求中给出干涉仪测量设备的优选改进，并且在说明书进行描述。
附图说明
借助附图和接下来的说明进一步描述本发明的实施例。
图1示出在测量设备中的光学元件的布置的第一实施形式，
图2示出在测量设备中的光学元件的布置的第二实施形式，
图3示出具有作为特定物镜的本发明测量设备的干涉仪测量结构，以及
图4示出具有用于双相关图的分析软件的摄像装置。
具体实施方式
图1示出具有光学元件的布置的本发明测量设备1的第一实施形式。在该实例中，导向孔被表示为测量对象15，所述导向孔的直径经由过渡区域从恒定的较高值改变成恒定的较低值。过渡区域自身具有孔的连续收缩，由此形成内部锥形面的一部分的面形状。这种几何形状对应于具有锥形(也即形成圆锥状的)阀座的导向孔的几何形状。内壁对应于待测定的测量对象15的第一面5，锥形阀座对应于第二面10。根据本发明，为了测定导向孔和锥形阀座的内壁，作为光学元件设有至少一个分束器20和一个透镜系统25，其中入射到分束器20上的光线35的第一部分30垂直地对准于测量对象的第一面5，入射到分束器20的光线35的第二部分40射到置于分束器20之后的透镜系统25上，并且通过该透镜系统25垂直地对准于第二面10。分束器20有利地与入射方向呈直角地偏转入射到分束器20上的光线35的第一部分30。使入射到分束器20的光线35的第二部分40在没有任何偏转的情况下对准透镜系统25。
为了能够将光线35分成第一部分30和第二部分40，分束器20是半透光的，也就是说光线35的第一部分30在分束器20处被反射，而第二部分40透过分束器20。在图1中，分束器20是半透光的棱镜。根据测量对象15的轴对称形状，分束器20(这里是棱镜)和/或透镜系统25也具有轴对称形状。透镜系统25锥形地将光线35的第二部分40扇形状打开，使得所述第二部分在每个位置都垂直地射到锥形的阀座上。不仅通过分束器20分开的光线35的第一部分30、而且第二部分40在测量对象15的第一面5或者第二面10处被反射回到测量设备1的光线入射的背离对象的侧。
光学元件通常被布置在镜筒45中、尤其是在镜筒的出射区域中。在来自镜筒的光线35的第一部分30或者第二部分40根据或者依据相应的反射再次射入镜筒中的位置处，镜筒由透光材料组成或者完全取消以形成缺口。出于一目了然的原因，透光材料或者缺口在图中未示出。
在图2中示出了测量设备1的第二实施形式。该第二实施形式不同于第一实施例之处在于，分束器20a通过锥孔构成，也即分束器20a是半透光的盘，所述盘具有轴对称的棱镜形式的缺口。
测量设备1适用于用作在自身公知的干涉仪、尤其是白光干涉仪的测量结构中的测量对象15的特定物镜。根据Michelson的测量结构在图3中被示出，并且测量原理是已知的：在白光干涉仪(短相干干涉仪)情况下，光源50发出短相干辐射。光通过干涉仪的分束器55被分成基准光线60和对象光线65。干涉仪的分束器55应区别于测量设备1的分束器20、20a。基准光线60又被在基准光程中所布置的基准镜70反射，并且又通过分束器55到达摄像装置75(有利地是CCD或者CMOS摄像机(“互补型金属氧化物半导体”摄像机))中。在那里，使基准光线60的光波与对象光线65的光波叠加，所述对象光线65的光波在其侧已经通过在对象光程中所布置的本发明特定物镜被偏转和反射到测量对象15的第一和第二面5和10上。如已所述，根据本发明，对象光线65和入射到测量设备1的分束器20、20a上的光线35被分成第一部分30和第二部分40，用以能够测定两个面。当然，测量设备1作为特定物镜的应用在自动聚焦传感器或者激光、外差或者其他干涉仪的测量结构中也是可能的。
在测量时，优选地可以避免测量设备1相对于测量对象15的相对移动或者反之亦然。因此，测量设备1尤其适合为具有中间图像的干涉仪的特定物镜。具有用于产生中间图像的能力的这种干涉仪根据现有技术是公知的。
此外，重要的是，在对测量对象15的第一5和第二面10进行测量时，两个面5、10不同时处于摄像装置75的焦点中。由两个面5、10所反射的并且被传递到摄像装置75中的光线于是被叠加成一个公共的干涉图像，并且因此测量值失真。因此，在第二面10进入干涉区域并且被扫描之前，第一面5首先被扫描，直至所述第一面移出干涉区域为止。当然，面5、10也可以以相反的顺序被扫描。为了避免在摄像装置75中光线35的第一30和第二部分40的重叠，在光线35的相干长度方面必须考虑对测量设备1的光学元件的布置。将波群的相干长度理解为用于叠加的对干涉所必要的连接长度(Anschlusslnge)。因此，测量设备1的光学元件在考虑刚刚所述的叠加条件的情况下如此被布置，使得入射光线35的第一30和第二部分40的光学路径至少以光线35的相干长度的数量级互不相同。在白光干涉仪情况下相干长度的典型值域为大约2至14μm，而在具有所使用的波长为大约1570μm的外差干涉仪的情况下，产生的相干长度大约为80μm。
对于具有光线35的第一30和第二部分40的不同行程的测量设备1的布置，替代地或者附加地在摄像装置75中可以通过以下方式防止两个子光线30、40的干扰叠加，即可以以电的方式或者磁的方式控制分束器20、20a，以便有针对性地改变所述分束器的透射和反射特性。因此，短期使光线35的第一30和第二部分40的光路消隐。
在该方面，有利的是，使用具有双相关图80用的分析软件的摄像装置75。因为根据本发明光测量设备1能够实现对测量对象15的多个面5、10的测定，所以摄影装置75必须相应分开地分析由不同的面所反射的子光线。如在图4中所示，对在摄像装置75中所产生的干涉图样根据其强度85并且根据位置90分开地进行分析，使得借助于分析软件构成两个相继的相关图95、100。
总之，通过将光线35分成第一30和第二部分40在测量设备1中能够实现对测量对象15的多个面5、10的测定。光学元件的该布置尤其允许仅仅用一个测量设备1测定圆柱体的内表面和形成圆锥状的面。

Claims (10)

1.用于借助于光学元件的布置对测量对象(15)的第一(5)和第二面(10)进行测定的光测量设备(1)，其特征在于，作为光学元件如此布置至少一个分束器(20；20a)和一个透镜系统(25)，使得使入射到分束器(20；20a)的光线(35)的第一部分(30)垂直地对准于测量对象(10)的第一面(5)，并且入射到分束器(20；20a)的光线(35)的第二部分(40)射到置于分束器(20；20a)之后的透镜系统(25)上，并且通过透镜系统(25)垂直地对准于第二面(10)。
2.根据权利要求1所述的光测量设备(1)，其特征在于，分束器(20；20a)与入射方向成直角地偏转入射到分束器(20；20a)的光线(35)的第一部分(30)和/或在没有任何偏转的情况下将入射到分束器(20；20a)的光线(35)的第二部分(40)对准透镜系统(25)。
3.根据权利要求1或者2所述的光测量设备(1)，其特征在于，分束器(20；20a)的透射和反射可以通过电的或者磁的控制改变。
4.根据权利要求1至3之一所述的光测量设备，其特征在于，分束器(20；20a)是棱镜或者锥孔。
5.根据权利要求1至4之一所述的光测量设备(1)，其特征在于，分束器(20；20a)和/或透镜系统(25)具有轴对称形状。
6.按照权利要求1至5之一所述的光测量设备(1)，其特征在于，透镜系统(250以锥形状将入射光线(35)的第二部分(40)呈扇形状打开。
7.根据权利要求1至6之一所述的光测量设备(1)，其特征在于，光元件被布置在镜筒(45)中、尤其是镜筒(45)的出射区域中。
8.根据权利要求1至7之一所述的光测量设备(1)，其特征在于，光学元件如此被布置，使得入射光线(35)的第一(30)和第二部分(40)的光学路径至少相差光线(35)的相干长度的数量级。
9.根据权利要求1至8之一所述的光测量设备(1)的应用，其特征在于，测量设备(1)被用作在自动聚焦传感器或者自身公知的干涉仪、尤其是激光、外差或者白光干涉仪的测量结构中的测量对象(15)用的特定物镜。
10.根据权利要求9所述的光测量设备(1)的应用，其特征在于，测量设备(1)与具有双相关图(80)用的分析软件的摄像装置(75)一起被使用。
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