CN101208579B - 光学测厚器及使用它的装置与方法 - Google Patents

Abstract

测厚器包括光源(20)、所述光源发出的光束以及来自接近目标距离的表面的光束的成形装置(24、25、21)、包括针孔光圈(26)与光电探测传感器(28)的光学探测组件(22)，当所述表面在目标距离时，光电探测传感器产生电压峰值(31)；此外，还包括具有大于所述针孔的孔的光圈(27)以及光电传感器(29)，所述光电传感器产生的电压大于所述探测传感器(28)产生的电压，除非当所述表面位于目标距离时。本发明的方法使用所述测厚器来测量光学镜片的厚度。

Description

光学测厚器及使用它的装置与方法

本发明涉及表面测厚器。

已知的机械测厚器一端与人们希望知道其位置的表面相接触。当测厚器的远端和其对着的表面接触时，所述测厚器通过机械应力传感器传输信号，所述信号表明测厚器抵在所述表面上。在标尺上阅读测厚器的位置，可以获知其位置，且由此推导出所述表面的位置。

尤其通过美国专利6713718与英国专利2337815，还已知无接触光学测厚器，其能发射出光束且能根据所述表面反射的光束进行探测其是否位于距所述表面预定距离处。

本发明的目的在于提供一种同样类型的光学测厚器，其简单、方便且性能优越。

为此，本发明提出一种包括光电装置的光学测厚器，当且仅当所述光学测厚器相对于至少具有部分反射性的表面位于预定目标距离上时，所述光电装置取预定的电状态，所述测厚器包括：

-光源；

-成形装置，用于使由所述光源发出的光束成型为朝向位于所述目标距离的中心汇聚的入射光束，且当所述表面靠近所述目标距离时，将通过所述入射光束的反射来自于所述表面的光束成型为朝向一中心汇聚的待探测光束，该中心不同于所述光源，并当所述表面位于所述目标距离时占据预定位置；以及

-一光学探测组件，其包括被设置在所述预定位置上的针孔光圈(英语：pinhole)，以及当所述表面位于所述目标距离时产生电压峰值的光电传感器；

其特征在于：

-所述成形装置还用于使来自所述表面的所述光束成型为朝向一中心汇聚的鉴别光束，该中心不同于所述光源以及所述待探测光束的中心，当所述表面位于所述目标距离时该中心占据另一预定位置；且

-所述测厚器还包括光学鉴别组件，其包括至少靠近所述另一预定位置而设置具有大于所述针孔的孔的光圈，以及光电传感器，所述光电传感器产生的电压大于由所述探测传感器产生的电压，除非当所述表面位于目标距离时，由此，所述预定电状态为：由探测传感器产生的电压大于由鉴别传感器产生的电压。

这种类型的光学测厚器没有与人们希望得知其位置的表面相接触，从而不会有损害所述表面的风险，其优点在于，可以以简单的光学组件与较低的成本获得实现。

此外，还可能例如实现以下所述的特征，来实现尤其紧凑的光学测厚器，以致于其可以取代机械测厚器。

按照优选的特征，为了生产与使用上的简化与便捷：

-所述成形装置包括：半反射探测分离块，适于把所述探测光束定向为朝向所述探测组件；半反射鉴别分离块，适于把所述鉴别光束定向为朝向所述鉴别组件；以及物镜；

-所述探测分离块被设置介于所述光源与所述鉴别分离块之间，而所述鉴别分离块被设置介于所述探测分离块与所述物镜之间。

-所述探测分离块与所述鉴别分离块彼此连接；

-所述探测组件在测厚器光轴的横向上与探测分离块相对设置，且所述鉴别组件在测厚器光轴的横向上与所述鉴别分离块相对设置；

-所述探测分离块与所述鉴别分离块各自包括半反射镜，其相对于测厚器光轴呈45度角倾斜；且/或

-所述镜面的反射/透射比为50/50；或

-探测分离块的所述镜面具有的反射/透射比为50/50，而鉴别分离块具有的反射/透射比为10/90；

-所述针孔的直径介于10与30微米之间；且/或

-所述物镜由平凸透镜与非球面透镜组合构成。

按照其它优选特征，处于与上述相同的理由：

-所述光源为集成有放大器的激光二极管；

-所述激光二极管的发射波长介于635与1600纳米之间；且/或

-光线从所述激光二极管直接发射到探测分离块上。

该解决方案能使测厚器更紧凑，且能独立于之前所述的特征实施。

按照其它优选特征，出于与上述相同的理由，通过树脂浇铸将所述光源、所述成形装置、所述探测组件以及所述鉴别组件埋入而形成一体，所述树脂将它们彼此保持在一定位置上。

该解决方案能使不同的光学组件彼此保持在一定位置，并在时间上保持稳定，这就令测厚器保持了所有的光学性能。所述方法可以独立于之前所述的特征来实施。

第二方面，本发明的目的还在于，提出一种测量物体厚度的装置，其中，所述物体的希望测量其间的厚度的表面至少具有部分反射性，其特征在于，所述装置包括：

-在所述物体两侧的两个测量臂，其各包括如上所述的测厚器与所述测厚器的移动装置；

-对于各测量臂，用于在标尺上确定测量臂位置的读数头；与

-用于控制所述移动装置、阅读所述测厚器位置，以及当所述测厚器位于预定目标距离时，用于计算所述物体厚度的电子单元。

第三方面，本发明的目的还在于提出一种光学透镜的厚度测量方法，其特征在于其包括将如上所述的厚度测量装置的各测量臂的测厚器相对于所述测厚器对着的所述表面定位于所述目标距离的步骤，以及通过比较所述测厚器的所述位置来测定所述厚度的步骤。

本发明的特征与优点将在下面参照附图对非限制性的优选实施例的描述中表现出来，附图中：

-图1是按照本发明的厚度测量装置的示意图；

-图2是所述装置测厚器远端的放大细节图，其还示出了正在进行测量的眼科透镜，以及所述装置包含的透镜支撑架；

-图3是类似于图1的图，但以细节的方式独立地示出了本发明的两个光学测厚器之一，以及与之相连的处理装置、控制装置与移动装置；

-图4是每一个测厚器的光学部分与光电部分的示意图。

-图5是曲线图，示出了由光学测厚器的探测器发送的电子信号相对于光学测厚器中心与待测定表面之间的相对距离的理论曲线形状；

-图6在同一图表上示出了理论鉴别信号以及实际所获得的探测信号与鉴别信号；且

-图7示出了在比较由光学测厚器的探测器所传输的探测信号与鉴别信号后获得的逻辑信号相对于光学测厚器中心与待测定表面之间的相对距离的曲线图。

图1是按照本发明的测厚装置1的示意图，其用于测量眼科透镜2比如眼镜镜片的厚度。镜片2的各主表面2A、2B的位置由光学测厚器3定位，光学测厚器的末端4分别对着各待定位的表面2A、2B放置。光学测厚器3与电子单元7相同。它们分别能用来定位表面2A与2B。

各测厚器3发射入射光束5(图2)。通过测厚器3对由测厚器对着的表面2A或2B反射的光线的分析，可以如下所述探测出传感器的末端是否相对于所述表面位于预定目标距离上。

在图3与图4上，示出了对着表面2A的测厚器3，但以下描述也同样适于另一传感器3。

各测厚器3通过电子单元7连接在中央处理与控制单元8上，后者可能带有显示装置9。

测厚器3被连接在用于相对于待定位表面移动的移动装置10上，以便构成测量臂。

所述移动装置包括连接于测厚器3上的连接杆11、驱动马达12、驱动杆13以及固定爪14。

杆11与13通过固定爪14相连。

杆11被连接在可在标尺16活动的读数头15上。

移动装置10最后还包括围绕所述连接杆11的引导装置17。

马达12、活动读数头15以及测厚器3被连接到电子单元7，所述电子单元7实现了与两个测厚器(图1)的公共中央单元之间的接口。

按照本发明，如图4所示，光学测厚器3包括：光源20、探测组件22、鉴别组件23以及成形装置。

所述成形装置被设置在光源20与待定位表面2A(或2B)之间，且包括探测分离块24、鉴别分离块25与物镜21。

探测分离块24被设置为介于光源20与鉴别块25之间，同时其按照在测厚器光轴横向上的轴线对着探测组件22。

鉴别块25被设置为介于探测块24与物镜21之间，同时其沿着在测厚器光轴横向上的轴线对着鉴别组件22。

在所示举例中，为了最大化地压缩测厚器，两个块件24与25被结合起来。

分离块24与25分别在一立方体形状的外壳24’或25’中包含半反射二色镜24”或25”。半反射镜24”或25”按照立方体的对角平面被定位，从最靠近光源20以及相应组件22或23的立方体棱边开始延伸，直到相对的对角棱边，从而与测厚器光轴构成45度角。

半反射镜的反射/透射比为50/50。

在所示例子中，物镜21由结合起来的透镜21’与21”的系统构成：例如平-凸透镜21’与非球面模塑透镜21”相组合。

探测组件22由针孔光圈26构成，其挨靠光电传感器28设置，所述光电传感器例如为集成有预放大器的光电二极管类型。

光圈26的孔直径约为10到30微米。

鉴别组件23也由挨靠光电传感器29设置的光圈27构成，所述光电传感器29例如为集成有预放大器的光电二极管类型，然而，鉴别组件23的光圈27的孔直径大于光圈26的针孔，从而能获得更大的空间灵敏度。

在所示例子中，使用激光二极管作为光源20。激光二极管的发射区域充分小(点状)，且发散性足够弱，从而无需在激光二极管后添加进入光圈(diaphragme d′entrée)，也无需添加透镜。光路因此在光源20与探测块24之间是直达的，这能令测厚器变得更为紧凑。

对于二极管20，适合的发射波长介于635与1600纳米之间。

现在来描述由激光二极管所发射的光束到探测组件20与鉴别组件23的光路。

由光源20所发射的部分光线无偏转地透过所述两个半反射镜24”与25”。透过光束在穿过物镜21后，被成型为朝向位于预定目标距离的系统中心F1汇聚的入射光束5。

当待定位表面在所述目标距离附近时待定位表面对入射光束的反射形成的光束重新穿过物镜21，，随后部分光线经由半反射镜24”的反射沿着在系统光轴横向上的轴线被引向探测组件22，从而构成朝向中心F2汇聚的待探测光束5’，所述中心F2与光源分开，且当表面2A(或2B)位于目标距离上时，所述中心F2占据光圈中心。

位于针孔光圈背后的光电传感器28能根据所接收的光线在所述表面位于所述预定目标距离时探测到所述表面的存在，因为当所述表面位于中心F1的位置时，待探测光束5’朝向因此占据光圈中心的中心F2汇聚。针孔光圈26因此令最大量的光线通过。相反，当在中心F1与待定位表面之间存在距离时，被反射的光束不再朝光圈中心汇聚，而是朝沿系统的光轴有轴向偏移的一点汇聚：被反射光线因此几乎完全被围绕光圈针孔的不透光材料阻断。

由散焦面(plan défocalisé)发出的反射光线因此受到探测组件22的光圈26的限制：仅在中心F1位置上被反射的光线能够穿过所述光圈，从而激发探测传感器28的感光区域。

另一部分的光线通过半反射镜25”的反射沿着在系统光轴横向上的轴线被引向鉴别组件23，从而形成朝向另一中心汇聚的鉴别光束5”，所述中心区别于光源20以及待探测光束5’的中心F2，且当表面2A(或2B)位于目标距离上时，它靠近鉴别组件23。

各传感器28与29分别产生正比喻所接收光线强度的电压。

借助图5，现在来描述光学测厚器的工作。

在该曲线图上(纵坐标Y)示出了由探测传感器28与鉴别传感器29输出的电压值根据待定位标表面相对于中心F1的相对距离(横坐标X)的变化。

为了确定待定位的物体表面的位置，单元8控制移动装置10，直到所述测厚器到达将其与所述表面分开的距离在所述目标距离周围的探测区间I₂内的位置，以下将说明如何获得所述距离。

随着测厚器相对于待定位表面的移动，经由探测组件22与鉴别组件23接收的光线强度随之变化：探测传感器28提供由曲线30表示的探测信号，而鉴别传感器29提供由曲线40表示的鉴别信号。

当待定位的物体表面2A(或2B)与测厚器中心F1重合时，光束5’的光线穿过光圈26，且照亮探测组件22的传感器28。相反，当测厚器中心F1远离表面2A(或2B)，或当表面2A(或2B)远离中心F1时，反射光线的相当大的一部分不再穿过光圈26，由传感器28接收的光线强度显著降低。

光圈26十分小的尺寸带来非常大的空间选择性，这可以由非常窄的峰值电压31表现出来。

所述小尺寸引起衍射现象，其最开始对于曲线30的总体形状为心形正弦平方(双曲正弦平方，sinus cardinal au carré)型，这解释了次级峰值31’、31”等的存在。

所述次级峰值无助于峰值31的探测。尤其是，对由传感器28产生的电压信号的导数的取消的研究不会在不同峰值之间造成区别。对阈值的探测是可能的，但阈值将取决于反射比，即，在眼镜片的情况下，取决于镜片的指标或表面处理的性质。因此，对于不同类型的表面与材料，需要调整阈值。

鉴别组件23能允许引入自动调整的基准，在这种情况下即由传感器29产生的电压，由图5上的曲线40所示。

光圈27具有当待定位的表面位于区间I₁(图5)内时(此时所发送的信号对应于平台41)能令光束5”完整通过的尺寸与位置。

在所述区间I₁之外，一部分光线被光圈27所中止。

因此，在平台41之外，部分光束被光圈27截断，信号因此相对于平台41值急剧下降，为相对于表面2A(或2B)的距离的平方的倒数。

当由曲线40所示的鉴别信号达到平台41的值，且当由曲线30所示的探测信号超过鉴别信号的平台41，从而达到峰值31时，测厚器与表面之间的距离对应于目标距离(即与中心F1之间的距离为零)。相反，与衍射现象有关的次级峰值小于鉴别传感器所产生的电压信号值。

实际上，传感器29的灵敏度在其中心与边缘之间的变化可引起鉴别信号的平台41形状的改变，因此获得一凸的圆滑形状42(图6)。

其中探测信号值大于鉴别信号值的间隙对应于认为表面与测厚器中心F1重合的探测区间I₂。所述区间表现为由图7上曲线50所示的逻辑信号，该逻辑信号是借助于比较器60(图4)比较由探测组件22与鉴别组件23所传输的电压值而获得的，当中心F1与表面之间的距离在区间I₂之内时，获得第一逻辑状态51，否则则获得第二逻辑状态52。

因此，其中逻辑信号具有对应于被认为对于表面的定位可接受的公差阈值的状态51的等于I₂的空间宽度，在眼睛片的情况下即区间I₂可例如具有10微米的宽度，这对应于各待定位表面的最大在5微米左右的测量不精确性值。

例如，可以使用TTL逻辑来实现所述信号。

当测厚器进入探测区间I₂时，中央单元8控制测厚器停止移动，由读数头15读取测厚器位置并传输到电子单元7。在知道了测厚器与待定位表面的之间的距离(等于目标距离)的情况下，表面的位置因此可以被确定。

所述探测方式可以称为差分方式，因为其通过比较两个不同探测器获得的两个不同信号值而获得。

这种探测方式因此与信号的幅度、次级峰值、镜片指数无关，甚至与覆盖镜片的不同层的性质无关，只要这些层部分反射测厚器发射的选定波长的光线。

这种探测方式还可以通过选择大于区间I₂的区间I₁，来实现对区间I₂的“提前”探测。当鉴别信号接近平台41，这就意味着测厚器接近区间I₂从而接近目标距离，这就可允许在接近所述目标距离时，例如使测厚器的快速行进慢下来。

在预先的校准阶段中，通过计算得出目标距离的实际值。在所述校准阶段中，光学测厚器被放置于相对于厚度已知的校准镜片表面的目标距离上，测厚器与待定位镜片表面之间的距离可以通过简单地比较测厚器位于目标距离时与校准镜片表面之间的参考距离而获得。

可以同时或不同时地运用同样的定位方法，借助第二测厚器来定位镜片的第二主表面，所述第二测厚器对着所述第二主表面设置，且带有相同的测厚器移动装置与位置读取装置。

借助中央单元8，通过简单比较希望测定其厚度的镜片主表面的位置，可以得出镜片厚度。

为了获得尽可能紧凑的光学测厚器，设置在传感器之前的光圈是在黑色材料的薄片上形成孔。各薄片被结合在对光源20发出的光线透明的块上，块本身被结合在传感器上。没有在图上示出的所述透明块件的目的是改善光学测厚器的强度。

在组装测厚器时，在光学测厚器的组件全部到位后，所述组件被埋入固化树脂中，从而完全固定不同组件彼此之间的位置与距离，从而令测厚器的光学性质不会随着时间的推移由于组件的移动而变差。

在未示出的实施变型中，探测分离块与鉴别分离块没有相互结合，以便在空间上使鉴别信号的平台41相对于探测信号的峰值31移动，以便例如增加对靠近区间I₂的探测的提前量。

在另一实施变型中，鉴别块25的镜25”具有的反射/透射比为10/90，从而能为透射最大量的光线用于探测信号，光圈27的孔的较大直径能允许以微量的光获取鉴别信号。

在另一实施变型中，分离块被简单的分光镜所取代。

在另一实施变型中，光学读数头15与在上面读取位置的标尺16被线性移动传感器LVDT(Linear Variable Differential Transformer，线性差动变压器)所取代。

本发明不仅限于上述描述与示出的实施方式，而是包括所有的实施变型。

Claims (16)

1.一种包括光电装置的光学测厚器，当且仅当所述光学测厚器(3)相对于至少具有部分反射性的表面(2A、2B)位于预定目标距离上时，所述光电装置取预定的电状态，所述测厚器包括：

-光源(20)；

-成形装置(24、25、21)，用于使由所述光源发出的光束成型为朝向位于所述目标距离的第一中心(F1)汇聚的入射光束(5)，且当所述表面靠近所述目标距离时，将来自于所述入射光束(5)通过所述表面反射的光束成型为朝向一第二中心(F2)汇聚的待探测光束(5′)，该第二中心(F2)与所述光源分开，并当所述表面位于所述目标距离时占据预定位置；以及

-光学探测组件(22)，其包括被设置在所述预定位置上的针孔光圈(26)，以及当所述表面位于所述目标距离时产生电压峰值(31)的光电探测传感器(28)；

其特征在于：

-所述成形装置(24、25、21)还用于使来自所述表面的所述光束成型为朝向一第三中心汇聚的鉴别光束(5″)，该第三中心与所述光源以及所述待探测光束的第二中心分开，当所述表面位于所述目标距离时该第三中心占据另一预定位置；且

-所述测厚器还包括光学鉴别组件(23)，其包括至少靠近所述另一预定位置而设置、孔大于所述针孔光圈(26)的针孔的光圈(27)，以及光电鉴别传感器(29)，所述光电鉴别传感器(29)产生的电压大于由所述光电探测传感器(28)产生的电压，除非当所述表面(2A、2B)位于所述目标距离时，由此，所述预定电状态为：由光电探测传感器(28)产生的电压大于由光电鉴别传感器(29)产生的电压。

2.如权利要求1所述的测厚器，其特征在于所述成形装置包括：半反射探测分离块(24)，用于把所述探测光束(5′)定向为朝向所述探测组件(22)；半反射鉴别分离块(25)，用于把所述鉴别光 束(5″)定向为朝向所述鉴别组件(23)；以及物镜(21)。

3.如权利要求2所述的测厚器，其特征在于，所述探测分离块(24)被设置在所述光源(20)与所述鉴别分离块(25)之间，而所述鉴别分离块(25)被设置在所述探测分离块(24)与所述物镜(21)之间。

4.如权利要求3所述的测厚器，其特征在于，所述探测分离块(24)与所述鉴别分离块(25)彼此结合起来。

5.如权利要求2到4中任一项所述的测厚器，其特征在于，所述探测组件(22)在测厚器光轴的横向上与探测分离块(24)相对设置，且所述鉴别组件(23)在测厚器光轴的横向上与所述鉴别分离块(25)相对设置。

6.如权利要求2到4中任一项所述的测厚器，其特征在于，所述探测分离块(24)与所述鉴别分离块(25)各自包括相对于测厚器光轴倾斜45度的半反射镜(24″，25″)。

7.如权利要求6所述的测厚器，其特征在于，所述半反射镜(24″，25″)的反射/透射比为50/50。

8.如权利要求6所述的测厚器，其特征在于，探测分离块的所述半反射镜(24″)具有的反射/透射比为50/50，而鉴别分离块的所述半反射镜(25″)具有的反射/透射比为10/90。

9.如权利要求1到4中任一项所述的测厚器，其特征在于，所述针孔的直径介于10与30微米之间。

10.如权利要求2到4中任一项所述的测厚器，其特征在于，所述物镜(21)由平凸透镜(21′)与非球面透镜(21″)组合构成。

11.如权利要求1到4中任一项所述的测厚器，其特征在于，所述光源(20)为集成有放大器的激光二极管。

12.如权利要求11所述的测厚器，其特征在于，所述激光二极管的发射波长介于635与1600纳米之间。

13.如权利要求11所述的测厚器，其特征在于，光线从所述激光二极管直接发射到探测分离块(24)上。

14.如权利要求1到4中任一项所述的测厚器，其特征在于，通 过树脂浇铸将所述光源(20)、所述成形装置(24、25、21)、所述探测组件(22)以及所述鉴别组件(23)埋入而形成一体，所述树脂将它们彼此保持在一定位置上。

15.一种测量物体(2)厚度的装置，其中，所述物体(2)的希望测量其间的厚度的表面(2A，2B)至少具有部分反射性，其特征在于，所述装置包括：

-在所述物体(2)两侧的两个测量臂，其各包括如权利要求1到14中任一项所述的测厚器(3)与所述测厚器的移动装置(10)；

-对于各测量臂，用于在标尺(16)上确定测量臂位置的读数头(15)；与

-用于控制所述移动装置(10)、读取所述测厚器位置，以及当所述测厚器位于预定目标距离时，用于计算所述物体厚度的电子单元(7、8)。

16.一种光学透镜的厚度测量方法，其特征在于其包括将如权利要求15所述的厚度测量装置的各测量臂的测厚器相对于所述测厚器对着的所述表面定位于所述目标距离的步骤，以及通过比较所述测厚器的所述位置来测定所述厚度的步骤。 

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