CN101349545A

CN101349545A - 至少一个曲面的非接触式测量的装置和方法

Info

Publication number: CN101349545A
Application number: CNA2007101361280A
Authority: CN
Inventors: B·米歇尔特; M·孔克尔; C·迪亚茨
Original assignee: PRICETAIK PHOTOELECTRON CO Ltd
Current assignee: PRICETAIK PHOTOELECTRON CO Ltd
Priority date: 2007-07-18
Filing date: 2007-07-18
Publication date: 2009-01-21

Abstract

一种装置和方法用于至少一个曲面的非接触式测量。所述装置包括至少一个光源，用于产生具有连续光谱的光，以及包括一个所述光源的出光面。此外，该装置具有至少一个测量头，该测量头包含具有色差的光学成像系统，用来将所述出光面成像在与波长有关的焦平面上，以及具有一个光学光谱仪器，通过该仪器可以记录由所述光学系统投射到要测量的表面然后从该表面上反射的光的光谱强度分布。所述装置还装备有一个估计单元，通过该单元，可将所述光学系统和所述表面之间的距离指定对应于由所述光学光谱仪器记录的强度分布的每个极大值处的波长。所述要测量的表面在一个空间方向(X)上是平的。所述光学系统的光轴垂直于在该空间方向(X)上的所述表面。此外，所述光学系统的宽度在该空间方向(X)上垂直地朝着其光轴缩小。

Description

至少一个曲面的非接触式测量的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于至少一个曲面的非接触式测量的装置和方法。

背景技术

Matthias Kunkel和Jochen Schulze的一篇题为“Mittendikke vonLinsen berührungslos messen”，Photonik 6/2004的文章中描述了一种这种类型的装置。为了测量透镜的中间厚度，该文建议测量一个固定参考点与透镜上下端的顶点之间的距离。为了进行距离测量，将具有光谱宽带的光耦合进光波导中，并通过光纤耦合器输送到具有显著纵向色差的物镜上。该物镜将从该光纤端面射出的光根据波长的不同聚焦在要测量的表面上，在此该表面上形成一个直径为几个微米的测量斑。然而，该处照明光纤芯的清晰图像只能在波长λ₁的情况下获得。反过来，具有同样波长λ₁的光被清晰地成像在光纤末端并被耦合回光波导中。其它波长由于不清晰的成像而受到强烈的抑制。反射光经过光纤耦合器传播到分光计中。在分光计中测到的谱在相关的波长λ₁处给出尖锐的峰。通过校正，从所发现的波长可以确定要测量的到所述表面的距离。如果透明材料，具体说是透镜，的两个界面处于物镜的测量范围之内，那么，在两个界面上会分别得到两个波长λ₁和λ₂的清晰成像。相应地会观察到两个峰，从中可以测定到所述两个界面的距离s₁和s₂。

为了获得理想的测量特性，具体说为了获得高的光灵敏度和大的分辨率，用于这个目的的已知的测量头的物镜根据所要求的测量距离具有相应的大的直径，以产生相应的大的孔径。然而，测量头的安装空间在一个空间方向上经常是被限制的，特别是当多个测量头以较小的间隔顺序排列在一起的时候。在这种情况下，希望有相应的窄的测量头。

发明内容

本发明涉及到一种装置，用于至少一个曲面的非接触式测量，该装置至少包括：

a)光源，用于产生具有连续光谱的光，

b)配置到所述光源的出光面，

c)测量头，包含具有色差的光学成像系统，用来将所述出光面成像在与波长有关的焦平面上，

d)光学光谱仪器，通过该仪器可以记录通过所述光学系统投射到要测量的表面然后从该表面上反射的光的光谱强度分布，以及

e)估计单元，通过该单元，可以将所述光学系统和所述表面之间的距离指定对应于由所述光学光谱仪器记录的强度分布的局部极大值处的每个波长。

此外，本装置涉及到一种方法，用于至少一个曲面的非接触式测量，其中：

a)产生具有连续光谱的发光面的光源，

b)用一个具有色差的光学系统将所述发光面成像在与波长有关的焦平面上，

c)把投射到要测量的表面然后从该表面上反射的光的光谱强度分布记录下来，

d)将所述光学系统和所述表面之间的距离指定对应于所记录的强度分布的局部极大值处的每个波长。

这种类型的已知装置特别用来测定薄层厚度，尤其是测定透镜的中间厚度。当这些装置被构成扫描3D测量系统时，它们也用于形貌和轮廓的非接触式测量。典型的应用有，在玻璃、塑料、半导体和汽车工业中的质量保证和制造控制，既能用在实验室中，也能用在工业制造中。

本发明的一个目标是，配置引言中所介绍类型的装置和方法，其中可以使用其横截面至少在一个空间方向上具有最小可能尺寸的测量头，并且它具有理想的测量特性，具体说是具有高的光灵敏度和大的分辨率。

根据本发明，这个目标的实现在于，要测量的表面在一个空间方向上是平的，光学系统的光轴垂直于该空间方向上的所述表面，该光学系统的宽度在该空间方向上垂直地朝向其光轴缩小。

根据本发明，该光学系统因此被做得很窄，使得整个测量头也比已知的测量头更窄。这样，在光学系统比较窄的空间方向上，光学系统的孔径相对于其它空间方向上的孔径而言事实上垂直地朝向光轴缩小了。然而，缩小了的直径对于获得理想的测量特性来说足够了，只要光学系统的光轴在由光学系统的光轴和缩小的孔径的空间方向所决定的平面中基本上垂直于所述表面。总之，消除了大的孔径，有利于测量头在光轴垂直于要测量表面的平面中具有较小的外尺寸，但不会损害测量特性。另一方面，所述表面在其中是弯曲的的平面内，光学系统的孔径足够大以获得理想的测量结果，从而相应地具有大尺寸。

在一个特别有利的实施例中，光学系统可以是一个相对于其光轴呈径向对称的光学系统，其中，在至少一侧沿着基本上平行于其光轴的方向去掉一部分。具体说，所述去掉的部分可以被锯掉或磨掉。这样，在其它的横向空间方向上，光学系统保持了其孔径，从而保持了其理想的测量特性。

可以方便地在光学系统的两个相对侧上分别去掉一部分。这样，测量头就做成对称的了。

为了能以扫描器方式测量表面，测量头可以相对于要测量的表面移动，具体说，在与光学系统的宽度被缩小的空间方向基本垂直的方向上移动。

所述光学系统优选是一个物镜，具体说，是一个无源的物镜(passiveobjective)。采用物镜后，可以获得理想的成像特性。此外，不包含任何电子部分或移动部分的无源光学系统是非常鲁棒的，并且实质上对外界不敏感，特别是对机械的和/或电子的影响不敏感。

为了能够以最小的可能损失将光导入测量头并导离测量头，可以通过至少一个光波导，具体说是一个多模光波导，将测量头连接到光源和光学光谱仪器上。

在另一个特别有利的实施例中，在光学系统的宽度缩小的空间方向上，可以将多个测量头一个接一个地排列起来。这样，可以在多个测量点上对表面同时测量，从而非常快地进行测量，这些点沿着一条直线排列，与测量头一致。由于多个测量头在其窄边上紧紧地排列在一起，因此，相应地可以获得小的测量点间距，从而在这个空间方向上可以获得大的空间分辨率。为了以扫描器方式测量整个表面，所有的测量头能够相对于表面同时移动。所述移动可以垂直于测量头较窄的空间方向进行，或者斜着这个方向进行。

方便地，可以使用本装置确定至少一个由两个面所界定的层的厚度，具体说是壁厚。因此，采用这种装置，可以简单而精确地测定透明的、尤其是至少是部分圆柱形的物体，特别是玻璃或塑料瓶子的层厚。

所述方法的独特之处在于，相对于一个空间方向，所述光学系统的光轴排列为垂直于所述表面，在该空间方向上，所述要测量的表面是平的，所述光学系统的宽度在该空间方向上垂直地朝着其光轴缩小。

因为所述光学系统以这种方式相对于所述表面排列，其光轴垂直于该表面，所以在这个空间方向上，为了测量时得到该光学系统的相同的最佳测量特性，使用相对较小的孔径就足够了。这样，所用测量头可以做得较窄。总之，避免了大的孔径，有利于在光轴垂直于要测量表面的平面中产生测量头的较小的外尺寸。

附图说明

下面借助于附图更加详细地解释本发明的一个示范性实施例，其中，

图1示意地显示了平的测量头的侧面纵向截面；

图2示意地显示了图1所示的测量头在其一个窄边上的平面图；

图3示意地显示了图1和图2中的测量头的后视图；

图4示意地显示了从侧面看到的具有图1到图3所示三个测量头的测量头设置；

图5以平面图示意地显示了测量玻璃圆柱的壁厚时的图4中的测量头设置。

具体实施方式

图1到图3显示了用来对图5中所示的玻璃圆柱12的壁厚进行非接触式测定的装置的测量头排列(如图4和图5所示，在其它图中未显示)中的一个细长的测量头，用参考号码10来指代测量头的整体。

测量头10通过一个多模光波导(未显示)连接到一个已知的光源上，该光源用来产生具有连续光谱的光。将所述光波导引到测量头10的壳体16后端的圆柱形光导接头体14处，即图1中纵向截面的左侧。在此处，所述光波导张开地与紧固在光导接头体14的端面中心的光纤耦合器18连接。在图1到图5所示的实际的示范性实施例中，测量头10的长度约为，例如，9cm到10cm，并且，加上光导接头体14的长度约为14cm到15cm。

测量头10的壳体16基本上为圆柱形，其彼此相对的两侧20的侧面是平坦的，在图1中这两个侧面平行于绘图平面，在图2的平面图中它们是水平的，并垂直于绘图平面；这一点也可以从图3的后视图中看到。所述平坦侧20之间的距离比光导接头体14的直径要大一些，如图2和图3所显示的。在实际的示范性实施例中，测量头10的壳体16的外直径约为5cm到7cm。所述两个平坦侧20之间的距离约为3cm到4cm。

在测量头10中，光波导的末端充当出光面(在图中看不到)，它归属于光源，并与测量头10的壳体16的末端平行延伸。

测量头10包括一个具有色差的物镜22，该物镜将出光面以缩小的尺寸成像在与波长有关的焦平面上，该焦平面在图1中的测量头10的右边。物镜22的光轴24与测量头10的壳体16共轴，在图1、2、4和5中水平取向，穿过出光面。作为例子而选出的某个波长的光锥示于图1、2、4和5的右边。光锥25的高度对应着物镜22到焦点的测量距离，该焦点为锥尖，在玻璃圆柱12的要测量的表面26上。在实际的示范性实施例中，测量距离介于6.5cm到7.5cm之间。物镜22的长度约为，例如，5.5cm到6.5cm。

如从光导接头体14所看到的，物镜22包括第一透镜对28，该透镜对由平凸透镜30和平凸透镜32构成，以及包括离第一透镜对有一段距离的第二透镜对34，该透镜对由双凸透镜36和凹凸透镜38。所述第二透镜对34位于测量头10的面对着图1中右边要测量表面26的那个末端区域中。物镜22是无源的，即，它不包含任何电子部分或移动部分。

物镜22的直径在空间方向X上垂直地朝着其光轴24减小，与测量头10的壳体16的平坦侧20相一致。为此，基本上平行于物镜22的光轴24，将原本是相对于光轴24径向对称的透镜32、36和38的两个彼此相对的端分别去掉一部分，例如锯掉或磨掉，使得透镜30、32、36和38在这里分别具有平坦的端面32a、36a和38a。透镜30的直径比其它透镜32、36和38的直径明显要小，所以不需要缩小。去掉透镜的侧面部分后，物镜22的孔径在相应的垂直于光轴24延伸的横向空间方向X上，相对于原来的孔径减小了，而在垂直于该方向的横向空间方向Y上仍然保持着原来的孔径。在图1、2、4和5中，借助于光锥25的相应的轮廓，显示了在相互垂直的横向空间方向Y和X上孔径的差别。图1中在物镜22以及测量头10的宽的一侧的平面内，光锥25的侧锥面与光轴24之间的一个例如为17°的夹角α比图2中物镜22以及测量头10的窄的一侧的平面内的一个相应的例如为15°的夹角β要明显地大。

此外，测量头10由现有技术中已知的方法通过光波导中的分光镜(未示出)连接到一个分光摄谱仪上(也没有示出)。使用分光摄谱仪可以记录通过物镜22投射到要测量表面26上然后从该表面上反射回来的光的光谱强度分布。

此外，所述装置还有一个估计单元(未示出)，该单元与分光摄谱仪有机地连接在一起。通过所述估计单元，可以将物镜22和要测量表面26之间的距离与分光摄谱仪所记录的强度分布的每个局部极大值处的波长相对应。

图4显示了由三个全同的测量头10所构成的测量头配置。在图4中，测量头10在其物镜22的宽度被减小的空间方向X上一个在另一个之上地排列起来。由于测量头10很窄，其光轴24以及从而给出测量点的焦点就彼此靠得非常近，使得在空间方向X上产生相应的大的分辨率。

在图5所示的平面图中，显示了从其宽的一侧看去的图4中的测量头10。这里，只有上面的测量头10是可见的，其它的测量头被该测量头所遮住。

为了测量玻璃圆柱12的壁，测量头10要这样对齐，使其物镜22的宽度在空间方向X上是减小的，而在这个方向上，要测量的壁的表面26是直的，即，该方向平行于玻璃圆柱12的轴。玻璃圆柱12的轴垂直于图5中的绘图平面。光学轴24于是位于一个平面内，垂直于所述表面26，在该平面内测量头10是窄的。

为了测量玻璃圆柱12的壁厚，该圆柱在空间方向Y上垂直于物镜22的光轴24、在图5中从底部向上、沿着各测量头10的光出射一侧移动。因此，测量头10相对于要测量表面26移动，基本上垂直于物镜22的宽度减小的空间方向X。圆柱壁在空间方向X上是直的，这里X方向平行于玻璃圆柱12的轴，在该方向上物镜22具有小的孔径。当玻璃圆柱12移动通过时，玻璃圆柱12的壁与测量头10之间的最短距离近似地对应着物镜22的平均测量距离，使得所述壁的内表面(表面26)和壁的外表面分别被指定对应着当面向测量头10的壁的一侧通过时由测量头10所得到的各焦平面中的一个焦平面。当玻璃圆柱12通过时，两个峰随后经由每个测量头10被各自的分光摄谱仪同时记录下来，由估计仪器确定到壁的内表面和外表面的相应距离，由此确定玻璃圆柱12的壁厚。

除了物镜22之外，还可使用具有色差的其它类型的光学成像系统。

除了分光摄谱仪之外，还可以使用另外的光学光谱仪器，例如，分光计。

除了在两侧20，还可以只在透镜32、36和38的一侧去掉一部分。

除了在与物镜22宽度减小的空间方向相垂直的方向上移动之外，测量头10也可以在与物镜22宽度减小的空间方向斜交的方向移动。

除了无源物镜22之外，还可以使用例如可人工调节或可自动调节的物镜。

本装置不限于确定壁的厚度。相反，它可以用于确定由两个表面界定的任何透明体薄层的厚度。这甚至包括内置的层。

除了玻璃圆柱12的表面26之外，还可以测量其它的曲面，这些曲面在至少一个空间方向上是平的，包括例如瓶子、圆锥或棱锥。

本装置，特别是测量头10，也可以用作高分辨距离传感器。它也可以被配置成一个扫描3D测量系统，用于甚至是非透明表面的形貌和轮廓的非接触式测量。

测量头10的尺寸、光锥25的测量距离以及夹角α和β可以比作为例子所给出的那些值显著地大或显著地小。

Claims

1.用于至少一个曲面的非接触式测量的装置，至少包括：

a)光源，用于产生具有连续光谱的光，

b)所述光源的出光面，

d)光学光谱仪器，通过该仪器能够记录由所述光学系统投射到要测量的表面然后从该表面上反射的光的光谱强度分布，以及

e)估计单元，通过该单元，能够将所述光学系统和所述表面之间的距离指定对应于由所述光学光谱仪器记录的所述强度分布的每个局部极大值处的波长，

其特征在于，

所述要测量的表面(26)在一个空间方向(X)上是平的，所述光学系统(22)的光轴(24)垂直于该空间方向(X)上的所述表面(26)，所述光学系统(22)的宽度在该空间方向(X)上垂直地朝着其光轴(24)缩小。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述光学系统是一个相对于其光轴(24)径向对称的光学系统(22)，其中，至少在一侧(20、32a、36a、38a)上基本上与其光轴(24)平行地去掉一部分。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在所述光学系统(22)的两个相对侧(20、32a、36a、38a)分别去掉一部分。

4.根据前面的权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述测量头(10)能够相对于所述要测量的表面(26)移动，特别是在基本上垂直于所述空间方向(X)的方向上移动，而在该空间方向上所述光学系统(22)的宽度被缩小了。

5.根据前面的权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述光学系统是一个物镜(22)，尤其是一个无源的物镜。

6.根据前面的权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述测量头(10)通过至少一个光波导，尤其是一个多模光波导，连接到所述光源和所述光学光谱仪器上。

7.根据前面的权利要求之一所述的装置，其特征在于，多个测量头(10)在所述空间方向(X)上一个接一个地排列起来，而在该方向上，所述光学系统(22)的宽度被缩少了。

8.根据前面的权利要求之一所述的装置，其特征在于，使用该装置能够确定由两个表面(26)所界定的至少一个层的厚度，尤其是壁的厚度。

9.用于至少一个曲面的非接触式测量的方法，其中，

a)产生具有连续光谱的发光面的光源，

c)记录投射到要测量的所述表面然后从该表面上反射的光的光谱强度分布，以及

d)将所述光学系统和所述表面之间的距离指定对应于所记录的强度分布的每个极大值处的波长，

其特征在于，

所述光学系统(22)的所述光轴(24)在一个空间方向(X)上垂直于所述表面(26)排列，在该空间方向上，所述要测量的表面(26)是平的，所述光学系统(22)的宽度在该空间方向(X)上垂直地朝着其光轴(24)缩小。