CN101802542B

CN101802542B - 表面测量方法和测量仪

Info

Publication number: CN101802542B
Application number: CN2008801067571A
Authority: CN
Inventors: 克努特·西尔克斯; 托马斯·延森; 克劳斯·施奈德
Original assignee: Leica Geosystems AG
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2028-08-22
Also published as: JP5269080B2; AU2008300962A1; US9127929B2; CA2698961A1; JP2010539458A; WO2009036861A1; CN101802542A; AU2008300962B2; US20100312524A1; EP2185890A1; EP2037214A1; EP2185890B1; CA2698961C

Abstract

在表面(7″)测量的一种方法中，产生调频激光束，发射作为测量光(MS)的所述激光束至所述表面，接收由所述表面(7″)散射回的测量光(MS)，并且干涉式地测量从基准点至所述表面(7″)的距离，其中，所述测量光(MS)在扫描经过待测表面时被发射和接收，并且使用了具有部分共光路的测量干涉仪臂和基准干涉仪臂，所述测量光(MS)基本垂直入射所述表面(7″)的偏差在距离测量时在算法上被考虑，和/或在探测引导期间通过控制所述测量光(MS)的发射来避免或者减小上述偏差。

Description

表面测量方法和测量仪

技术领域

本发明涉及一种表面测量方法和一种同类测量仪。

背景技术

在许多应用领域中要求非常精确地测量物体表面，进而非常精确地测量物体本身。这尤其适用于制造业，对于制造业来说，工件表面的测量和检验有着重要的意义。

对于这些应用存在一系列测量仪，这些测量仪为特殊任务而设计并且也被称为坐标测量仪或坐标测量机。这些测量仪如此测量表面，即，产生机械接触并且探测该表面。例如像在德国专利DE 43 25 337或者德国专利DE 43 25 347中所述的门架式测量机。另一种系统基于使用铰接臂，该铰接臂的设置在组合臂的末端的测量传感器可沿表面移动。属于该类型的铰接臂例如在美国专利US 5,402,582或者欧洲专利EP 1 474 650中有所描述。

现有技术中，在这类坐标测量仪中使用触觉探测器作为标准测量传感器，该触觉探测器由安装在测量杆上的红宝石球体构成，该测量杆在探测时的偏移通过一个开关件或者位移测量件来确定。基于开关点或者偏移位移，计算出接触地点。虽然该方式对于点测量来说确实是成熟的解决方案，但对于可扫描的应用来说，该技术解决方案因为出现的磨擦力、扫描力和力学惯性而只适用于相对缓慢的测量速度。此外，在传感器球体和测量物体上的脏污和磨损造成测量误差。此外，例如管孔的内腔测量恰好需要精确和快速的测量，以便确定局部的波动性和圆度，尤其当该测量需要直接在生产线上完成时。

因此，在现有技术中已经进行了非接触式测量的方式。为此目的而在坐标测量机中采用的光学技术一方面依靠摄影机，该摄影机在入射光或透射光中例如借助阴影投射并在图像识别的辅助下检测局部的尺寸。但是，内孔通过这种方式无法被特性化，表面不平度也只能在使用结构化照明器材的情况下被检测到。

基于三角测量的系统确实允许相当精确地测量距离，但测量头的尺寸在精度为微米级而测量距离为厘米级时而因为发射器光轴和接收器光轴之间所需要的基础而很大。这也适用于共焦和色共焦测量原理，当要实现几厘米的测量范围时，该原理需要大的透镜尺寸。此外，在三角测量法和共焦法中，测量光或观测光线的部分屏蔽都是有问题的，这导致严重的测量误差。

另一种方式利用白光干涉仪来进行高精度测量。在此情况下，该方式或是进行扫描式工作，也就是说通过调节干涉仪而缓慢地进行，或是在光谱分辨探测中原则上被限制到几毫米的测量范围的情况下进行。

例如专利文献WO 92/19930公开了一种类似的干涉测量仪方式，但在这里，人体组织的深层形状的记录在医学技术领域受到普遍重视。

欧洲专利EP 1 744 119公开一种表面测量系统，该系统具有光学相干层析X射线摄影机和调频的源。在此，光纤环形激光器通过声音调谐的滤波件被可调谐地构成。于是，激光束随后用于在共光路干涉仪中，也就是说在对于测量光路和基准光路而采用了至少部分共同的组成元件或者光路的干涉仪中，进行干涉测量式的表面测量。在此情况下，基准距离由干涉仪的测量臂处的反射来提供。为了校准波长而采用基准干涉仪。这样的构造确实从原则上讲适用于快速的非接触式表面扫描测量，但隐含的前提是有利的几何形状条件，就像例如在所示的圆柱形开口的测量中遇到的几何形状条件。可是，这种方式在此设计结构中不适于有任意几何形状和表面起伏的表面的高精度测量。

发明内容

本发明的一个任务在于，提供一种改进的测量方法或者改进的测量仪，该测量方法或者测量仪用于测量表面或者用于检测表面形貌。

本发明的另一任务在于，提供一种测量方法或测量仪，该测量方法或测量仪允许与待测表面的形状和结构无关或关联很小地完成快速且高精度的距离测量。

这些任务通过一种测量表面且尤其是测量工业用工件的表面的方法来实现，所述方法至少包括：

产生相干长度超过1毫米尤其是超过60毫米的调频激光束；

向所述表面发射作为测量光的所述激光束；

接收从所述表面散射回的测量光；以及

利用一测量干涉仪臂和一基准干涉仪臂来干涉式地测量从基准点至所述表面的距离，

其中，所述测量光在探测移动经过待测表面的过程中被发射和接收，并且在干涉式地测量距离时，所述测量干涉仪臂和基准干涉仪臂具有部分共同的光路，尤其是所述部分共同的光路具有限定基准干涉仪臂且位于激光束发射用的光束形成光学系统中的基准面，

所述方法的特征是，

在测量距离时在算法中考虑所述测量光在所述表面上的偏离基本垂直入射的偏差并且/或者在扫描移动时通过控制所述测量光的发射方向来避免或者减小所述偏差。

另一方面，这些任务还通过一种用于测量表面且尤其是测量工业用工件表面的测量仪来实现，所述测量仪至少包括：

-导向机构，用于使探头按规定扫描移动经过待测表面，

-干涉测量式的距离测量装置，所述距离测量装置具有用于产生作为所述测量光的至少一个激光束的调频激光源、用于接收从所述表面散射回的测量光的光线探测器、测量干涉仪臂和基准干涉仪臂，

其中所述探头具有至少一个发射和接收光路用于发射所述测量光，并且所述测量干涉仪臂和基准干涉仪臂具有部分共同的光路，尤其所述部分共同的光路具有限定所述基准干涉仪臂的且位于发射激光束用的光束形成光学系统中的基准面，

所述测量仪的特征是，

所述导向机构被如此控制，即，要遵循所述测量光基本垂直入射所述表面的条件，其中相对表面法线不超过±5°的偏差。

或者这些任务还通过其它方面的改进的解决方案来解决。

例如，调频激光源具有超过40纳米的可调谐波长范围和小于0.04纳米的动态线宽。

本发明利用了借助调频(也就是说可调谐的激光源)的干涉测量式的测量原理，在这里，测量因而在频率范畴内完成。根据本发明，在测距时激光束垂直入射表面的偏差在算法中被考虑或者在扫描引导作为测量传感器的光学探头时可控制地加以考虑，其中也可将两个方式组合。此方式基于以下认识，即，在没有这样的算法上的或控制方面的对于表面变化的修正或者适应时，所期望的精度就无法达到或者无法以所需的扫描速率达到，这是因为由于激光辐射的特性而出现了影响到测量(该测量与角度有关)的与表面之间的相互作用。

对于企图将该光学系统用到工业坐标测量仪(该坐标测量仪具有几厘米的自由照射测量以及直径在红宝石球体范围内的紧凑型探头)来说，采用了上述的干涉测量法。在这种调频干涉测量中采用了一个源，所述源应该是带宽尽量宽的并且能在较短时间内被调谐。此外，也要求相干长度为几厘米的窄带特性。源的调谐通过一个校准干涉仪被标准化，该校准干涉仪的长度能非常精确地知道。为了在测量干涉仪中尽量消除环境影响如温度变化或源于测量设备的振动，基准面尽可能贴靠在光学探头内的一个表面上或者使用这样的光学探头内的表面作为基准面，从而实现了所谓的共光路干涉仪。在此情况下有利的是，当足够的光量从该表面再次耦合输入单模光纤中，其它光学传输应该尽量不将信号反馈回该光纤中。

激光源优选地被构造为光纤环形激光器，该光纤环形激光器具有作为放大介质的光学半导体放大器和可调谐的滤光元件。该可调谐的滤光元件可以被构造为例如法布里-珀罗滤光器或者声音可调谐的光纤布拉格光栅。其它元件是光学耦合器或光学隔离器，这些光学耦合器或光学隔离器在这种系统中的使用和整合对本领域技术人员来说是已知的。

如果期望更高的测量重复率，则用数公里长的光纤长度来扩展光纤环形激光器，在这里，重复率对应于在光纤环中的光渡越时间的倒数。对此方式，业内人士称之为傅立叶域锁模激光器工作：例如在R.Huber等人的“Fourier Domain Mode Locking(FDML)：A new laser operatingregime and applications for optical coherence tomography”，Optics Express，第3225页(2006)，中有所描述。

为了构建激光源，作为另一个可行方案，也可以应用具有与可移动的光学面(例如多棱反射镜)结合在一起的色散元件(例如光栅或棱镜)的外部腔来快速调谐用于激光共振器的激光波长。

可是，利用该布置结构可得到的原则上可能的高精度的表面测量受到表面的位置和形状的影响，当要实现快速和高精确的测量时，就需要考虑上述的位置和形状影响。粗糙的目标表面在相关的观察中造成所谓的光斑，也就是与位置相关的强度变化，该与位置相关的强度变化是由于与波长有关的几何条件而产生的。当衍射受限地布置光纤传感器用透镜时，在目标表面上被形成的激光斑在光纤平面内实际上对应于艾里斑，也就是点扩展函数。在粗糙目标表面的情况下，这始终存在，其中光斑的最小尺寸由点扩散函数来限定，然而光斑在光纤平面内的位置是不定的。这一结果可能导致明显的光强干扰，在此，目标竖直时的距离信息由此不受其影响或仅受轻微影响。

如果出现目标倾斜，则干涉图显示出振幅的明显变化，该变化可能最终导致窄波长范围内的完全消光。此时，这些影响取决于倾斜度以及表面结构，该倾斜度即为测量光相对于表面法线或者表面切线的垂直线的入射角的偏差。

考虑这些影响，另一可行方案可以在算法上通过自适应计算来完成。通过引入阈值，可以将相位信息的分析计算限制到高于该阈值的振幅值，这是因为只有该区域包含关于至表面的平均距离的可靠信息。但替代阈值地，也可以进行振幅加权的相位计算，由此降低不安全性。

但在此方式中，数据量的减少造成测量不安全性的提高。不过此结果是随机的并且可以通过测量结果的求平均值而被降低。而由不利的光斑位置造成的有缺陷的相位分析是系统性的，因而无法通过单独的测量结果的求平均值来消除。

一种可避免或者至少减轻这些影响的替代方式是在控制方面考虑所出现的目标表面的倾斜，在这样的方式中要相应调整探测过程也就是探头的运动。但在此情况下，也可以结合这两种方式，例如在结合上述两种方式的情况中，探头相对于表面只在某个角度范围内取向，并且所记录下的测量值在算法上被附加修正，例如通过如上所述地采用阈值。

此时，探测运动自身的控制可以基于记录下的测量值来进行，也就是说没有附加的辅助的不精确测量过程。为此，关于波长的振幅变化曲线将被分析，由此能推断出分析结果是否可靠。在相应不规则变化的情况中，可以认为目标表面相对于测量光必然是倾斜的。该信息可以被直接用于调整测量装置或者其用于对目标引导光学探头的导向机构，直到观察到一致的振幅变化曲线并且测量中的系统误差可忽略不计。通过这种方式，从关于某个波长范围的调频干涉测量中得到的振幅变化曲线的无规律性是用于通过坐标测量仪定位光学探头的调节参数。此方式的优点在于，不需要其他的附加的测量组件。

如果描述表面的信息是存在的，就像例如通过建模(例如CAD模型)或者通过之前的不精确测量可实现的信息，那么可以结合探头的已知位置和至少粗略的或者在理论状态下已知的形貌来直接进行控制。

为此，首先在坐标测量机的坐标系中充分精确地确定目标的位置。这可以通过测量空间位置已知的测量点或测量目标的结构来完成。依据CAD数据或其它模型或者不精确测量数据，于是可以规划和执行探测(扫描)。这可通过设备自动、半自动或通过操作人员手动完成。由此，测量点密度和在测量目标上的测量点位置被定下来。此外，如此确定测量光的取向，即，测量光在测量期间充分垂直于测量目标表面，并且如果需要，也尽量减小多重反射的干涉影响。于是，在一个可能的应用场合中，随后在需要的地点在另一个步骤中作为理论-实际比较结果来确定CAD数据和测量目标之差。

而如果目标没有被建模或者只非常粗略地被测量，则必须从在测量过程中汇集的数据中获得所需要的测量目标的坐标，从而能实现测量光足够垂直于测量目标表面。作为上述方式的替代或补充，为此可以与真正的目标测量联合一起，通过在待测点或待测区域的空间位置内和可选地在待测点或待测区域的变化走向内的不精确测量来确定该待测点或待测区域的环境。对此，有意地容忍更大的测量误差，这是因为需要的不是高精确的测量值，而只需要估算表面的取向，也就是表面法线的方向。在随后精确测量中，可以从不精确测量中得到下个测量点的表面的相应实际取向，并且通过使探头导向机构引动来使光路相应地定向。

但在扫描测量过程中，在开始几次测量之后，实际测量路径的最后一些测量点的数据也仍然有效，从这些数据中可估算出测量路径的未来变化。这例如当如下情况时是可行的，即，当针对待扫描表面知道了最大或者最小曲率半径时，或者工件的材料或使用目的从一开始就造成表面的某种起伏变化时(例如在光学透镜或天体反射镜的打磨检查时)。为此，在扫描时可以从最后的一些测量点的历史记录得到未来的一些点，也就是说未来的路径被外插，并且因而估算出与位置相关的表面法线变化。相应地，坐标测量机被二次调整，以便得到尽量平行于表面切线的探头运动。原则上也可以与上述解决方案组合的另一个方式是基于采用不精确测量，不精确测量也可以利用其它测量原理或者附加组成元件来实现。除了同样可探触或可扫描的不精确测量之外，对于在实际的激光测量光的入射点环境中的三个测量点尤其还可以进行并行或依次的测量。

这种测量或者三点测量可以例如通过以下方式完成：

-气压方式，气压传感器同样非接触式地工作并且根据压降来确定距离；

-触觉方式，也就是可接触式的机械式的传感器；

-激光三角测量方式；

-共焦位移传感器；

-激光渡越时间位移传感器；

-电容位移传感器；

-涡流位移传感器；

-电感位移传感器。

针对其中某些解决方案，适合的传感器类型例如由Micro-Epsilon公司提供。

附图说明

以下将结合附图中示意示出的多个实施例来单纯举例详细说明或者解释用于测量表面的本发明方法和本发明测量仪，图中：

图1示意表示本发明测量仪的测量布置结构；

图2以框图形式表示用于执行本发明方法的主要组成部件；

图3表示用于本发明测量仪的光学探头的第一实施方式；

图4a-b示意表示在用于本发明测量仪的光学探头的第一实施方式和另一实施方式中的光路；

图5a-h表示用于本发明测量仪的光学探头的另选实施方式；

图6a-b表示用于一个不倾斜的粗糙目标的干涉图、相位和振幅变化曲线；

图7a-b表示用于倾斜粗糙目标的干涉图和相位振幅变化曲线以及作为本发明方法第一实施方式的阈值规定方式；

图8示意表示用于倾斜粗糙目标的本发明方法的第一实施方式的结果；

图9示意表示本发明方法的第二实施方式；

图10表示用于本发明测量仪的、进行平行不精确测量的探头的实施方式。

具体实施方式

图1表示本发明测量仪的干涉测量式的距离测量布置结构的示意图，该测量仪具有用于产生至少一个激光束的调频激光源1和用于接收由表面7散射回的测量光的光线探测器8。此外，在纤维光学中以光纤环形激光器形式构成的调频激光源1包括光学隔离器1a、光学半导体放大器1b以及例如可被构造为法布里-珀罗元件的可调谐的滤光元件1c。为了去耦，采用第一光学耦合器1d，该第一光学耦合器1d又与第二光学耦合器2相连。在此，调频激光源优选如此设计，即，它具有超过1毫米尤其是介于1毫米至20厘米的相干长度，例如在相干长度为60毫米或更大时在动态线宽度小于0.02纳米时具有介于1.3至1.55微米之间的中心波长和超过40纳米的可调谐波长区。因此，相干长度也允许在几个厘米的深度范围或距离范围内的测量。

由激光源产生的激光束通过第二光学耦合器2被输入带有光学探测器5的校准干涉仪4中，在这里，这个校准干涉仪4可以尤其按照Etalon或Mach-Zehnder结构构成。在此，这个校准干涉仪4此时用于考虑或者说补偿调谐性能的非线性。

第二光学耦合器2的第二输出导致测量所用的构造为共光路几何形状的干涉仪结构，就是说具有部分共同的干涉仪光路以用于测量干涉仪臂和基准干涉仪臂。在此情况下，基准干涉仪臂将通过在渐变折射率透镜6的光出射面上的反射来限定，因而确定恒定的尤其是已知的距离，在这里，避免了进一步的回反射(Rueckreflektionen)的影响。为此，基准面位于用于发射激光束的光束形成光学系统内。另一方面，测量干涉仪臂通过反射而限定在待测表面7上。测量干涉仪臂和基准干涉仪臂的回反射光最终将被引向光束探测器8，该光线探测器8优选被构造为具有超过100MHz带宽的InGaAs探测器。

图2以框图形式解释了用于执行本发明方法的主要组成部件。由光学探头(OP)记录下的信号通过通讯连接机构9a被传输至光学探头测量单元(OPME)，但在这里，作为可选方案，光线探测器也可以设置在光学探头测量单元OPME中，因而可使用光学连接机构例如光纤连接机构代替通讯连接机构9a。光学探头测量单元OPME的数据通过通讯连接机构9b又被传输至坐标测量机KMM的控制单元SE。这个控制单元自身通过通讯连接机构9b、9c和9d传输相应的控制指令至光学探头测量单元OPME、坐标测量机和尤其是导向机构FM，该导向机构FM用于光学探头OP的被限定的扫描移动。为了能分析计算和与操作者U通讯，采用了计算分析单元RAE。

图3表示用于本发明测量仪的光学探头12的第一实施方式。该探头通过臂件10和铰链11被导向，该臂件10和铰链11作为导向装置以限定的方式扫描经过待测量的表面，在这里，也可以实现铰链11相对臂件10的转动。通过相对于臂件10以及随后的铰链11的转动能力，探头12可以良好地遵循有角度的或剧烈变化的表面曲线变化。但原则上，还可以将其它转动或平移的自由度整合到导向装置中，从而实现了探头12的进一步更好的导向。

探头12具有至少一个朝向表面的测量光MS发射和接收光路。在此实施方式中，这些光路通过一个细管被引导，其中在与该管相连的更粗厚部分中已经可以设有光线探测器自身或光导，该光导用于向整合在其它地方的光线探测器传输光。探头12可通过导向装置被如此控制，即，遵守激光束基本垂直入射表面的条件，尤其是相对表面法线不超过±5°偏差。此时，探头12可如此被移动，即，该探头12以相对表面切线保持不变的取向连续移动，尤其具有垂直于表面切线地定向的发射和接收光路。

图4a-b表示在用于本发明测量仪的光学探头的第一实施方式和另一实施方式中的光路的示意图。

图4a示出了用于光学探头12第一实施方式的光学光路。在这里，光纤12a用于引导待发射的且被反射的测量光MS。在此，发射通过一个设置在管形件内的渐变折射率透镜12b来完成，其向待测表面7′发射测量光并且将由其反射的测量光MS再一次耦合输入到光纤12a中。

以相似方式，图4b所示的光路针对在图5b的下侧示出的光学探头13实施例来实现。在这里，光纤13a和渐变折射率透镜13b同样用于引导发出的和反射回的测量光MS。不过，向表面7′发光此时只在借助一个设置在渐变折射率透镜13b后面的偏转件13c完成偏转后进行，该偏转件允许垂直于探头13的管形件的纵轴线的发射方向。这样一来，管孔或者其它圆柱形开口和结构可以被非常有利地被扫描。

在图5a-h的纵览图中示出了光学探头的不同实施例，在这里，示出了所有变型方案，以便与作为导向机构的臂件10和铰链11进行简单对比。但在此情况下，按照本发明，也可以采用导向机构的其它构造形式，例如配备有球窝接头来代替铰链11。

第一实施方式的如图5a所示的变型方案12′放弃了薄壁管形件，这例如当主要测量平面而不必测量孔或微小结构时是可行的。图5b示出了在图4b中已说明的、垂直发射测量光MS的探头13的变型方案。

图5c所示的探头14是图3和图5b的变型方案的组合体。在这里，测量光的光路被分成其发射和接收方向相互垂直的两路。在此情况下，可以并行或先后利用这两个测量通路，其中当并行使用时，可以得到两个测量布置形式，但或者也可以得到唯一的测量布置形式，其例如通过不同的极化方向来分开这两路。探头的这种构造例如允许测量边缘或者台阶。

图5d和图5e表示图5b和图5c的实施方式的改进结构，在这里，探头13′和14′的管形件可沿其纵轴线和进而相对铰链11转动地构成。这样一来，可以用测量光MS执行圆形扫描运动。另一个可选方式是在此未示出的交叉扫描运动。这种扫描运动尤其也可被用于快速不精确测量，进而用于估算在表面待测区内的表面法线的位置。

图5f和图5g表示具有多路光导向结构的探头15和16，在这里，也可以实现并行切换或串联切换的发射。此实施方式允许高精度测量开口或者表面，无需明显改变探头15和16的位置，或者在测量精度降低的情况下，能实现相对环境中多个点的不精确估算测量。

图5h表示用于局部精密测量的探头17的实施方式。在这里，测量光不是被校准发射，而是在近距离被聚焦，以分辨精细结构化的表面7″。

在图6a-b中示出了用于未倾斜的粗糙铝表面的测量干涉图、相位和振幅变化曲线。在这里，图6a表示超过50纳米波长范围的测量干涉图。在此波长范围内，包络线仅示出很弱的变化。图6b示出相对上述干涉图的相位和振幅变化曲线，在这里，相位用虚线表示，振幅用实线表示。

图7a-b示出了用于相同的但相对于测量光的入射方向倾斜的表面的干涉图、相位和振幅变化曲线的相应视图。在图7a中，在收缩区中相位信息很不明确，该相位信息具有强烈的“异常测值”。在此位置上，在光纤芯区域内存在破坏性的光斑干涉，有建设性的干涉部分侧移，但基于波长相关性，该破坏性的光斑干涉只存在在几纳米的相对小的光谱区中。如果在光纤平面中研究该情况，则该光斑与波长相关地围绕光纤芯移动。如果光斑直接位于光纤芯上，则该光斑相应地确定激光斑在表面上的正确投影，这在测量中允许对关于斜面的距离信息的均匀加权，就是说，在此情况下能精确确定平均值。在光斑移动的情况下，这就无法再做到了，这是因为在光纤平面内的移动也对应于在待测表面中的“虚假”移动，也就是说，在这种情况下，平均的距离信息偏离激光斑的实际中心点。在这种方式下，存在着振幅大小和激光斑的精确中心确定之间的关系。

在作为本发明方法第一实施方式的自适应算法分析计算中，基于阈值仅分析计算相位信息，该相位信息属于高于阈值的振幅值，这在图7b中用表示相位的虚线黑体区来表明。另一个可能方案是在测量距离时的相位值的振幅加权，以便计算出相位信息。

图8表示本发明方法第一实施方式的、对于图7a-b所示的倾斜粗糙的铝表面的相应结果。在此，标出了在目标按照不连续的步骤侧移时的测量距离(mm)，但没有改变几何距离。实线对应于测量距离，但没有阈值标准，虚线对应于带有阈值标准的测量。如清楚已知的，测量值波动范围因在分析计算中采用了阈值标准而缩小。

图9表示本发明方法的第二实施方式，该方法包括产生调频的激光束，作为测量光MS向表面7″发射该激光束，接收由该表面7″散射回的测量光MS，并且干涉式地测量从基准点至该表面7″的距离。在这里，激光束在扫描移动经过待测表面7″的期间中被发射和接收，其中在探头12沿虚线所示测量路径扫描引导时激光束垂直入射表面的偏差可控地加以考虑，其做法是如此进行控制，即，要遵守激光束基本垂直入射表面7″的条件，尤其是相对表面法线不超过±5°的偏差。通过这个控制过程而做到了测量光的入射角总是保持在围绕该表面7″的表面法线的窄公差范围内或为垂直于该表面7″的垂线，或者只有在满足该条件时，才能进行随后可利用的测量。

借助作为导向机构的铰链11和臂件10，探头12的控制可以结合所接收的测量光MS的振幅的与波长有关的变化曲线作为发射用调节参数来进行。在这里，激光束入射的角度可能发生变化，这种变化一直存在，直到获得基本上与波长无关的振幅变化。作为替代或补充，控制可以在利用关于表面7″的形貌信息的情况下进行，尤其是利用一个用于表面1″的模型，在这里，该模型优选由计算机产生或者通过在前的粗略扫描而建成。来自模型或者待测物体的粗略扫描的数据被用于如此定位探头12，即，测量光MS沿表面法线取向。该控制也可以利用在先测量距离结果的外插来进行，尤其是在考虑表面的预先确定的最大和/或最小曲率半径的情况下。

另一种可行方案提供对于辅助不精确测量的记录从而确定该表面7″的变化趋势，就像例如在用图10中所示的完成并行的不精确测量的探头18实施方式中做到的那样。

探头18基本对应于图3中的变型方案，但现在具有附加的测量件18a，所述测量件借助于其不精确测量轴线GM相对于测量光MS的发射轴线轴向平行地取向并且也可枢转地安置在铰链11上。因此，测量件18a可以以相同方式随测量光MS的发射轴线移动。此外，可以选择测量件18a的不同的数量，在这里，探头18原则上具有至少一个用于局部不精确测量的组成元件。在这个实施例中，三个测量件18a围绕探头体被布置，从而可以进行平行三点测量。这允许在利用局部不精确测量情况下测量光MS在表面7′″上的入射点附近的控制。

在此情况下，测量件18a可以采用许多测量原理，尤其是可以以声学方式(尤其是借助超声波)、光学方式(尤其是借助三角测量原理、相位测量原理或者渡越时间测量原理)、以机械接触的方式(尤其是通过使位移传感器偏移)、电感方式、电容方式或气压方式构成。因此，用于局部不精确测量的相应组成元件例如可以具有以下传感器之一，

-气压传感器

-超声波传感器

-触觉传感器

-激光三角测量传感器

-共焦位移传感器

-激光-渡越时间-位移传感器

-激光-相位测量-位移传感器

-电容位移传感器

-涡流位移传感器，或者

-感应位移传感器

除了图10中所示的实施方式外，根据本发明，还可以利用其它的或者传感器的不同的布置结构来进行不精确测量。因此，例如也可以实现独立的机动性，结果，与高精度测量过程无关地并行并且在其它地点进行不精确测量以记录下表面形貌。尤其是，这种不精确测量也可以基于其他的作为探测式的测量方法或点式的测量方法，例如从立体摄影测量术中已知的测量方法。

附图中所示的实施例用于说明。尤其是，探头的实施方式的图只是示意性的。可以根据实际状况设定布置结构。根据应用目的或者测量仪器类型，导向装置也可以明显不同于所示出的导向装置。

Claims

1.一种测量表面(7、7′、7″、7″′)的方法，所述方法至少包括：

产生相干长度超过1毫米的调频激光束；

向所述表面发射作为测量光(MS)的所述激光束；

接收从所述表面(7、7′、7″、7″′)散射回的测量光(MS)；以及

利用一测量干涉仪臂和一基准干涉仪臂来干涉式地测量从基准点至所述表面(7、7′、7″、7″′)的距离，

其中，所述测量光(MS)在探测移动经过待测表面的过程中被发射和接收，并且在干涉式地测量距离时，所述测量干涉仪臂和基准干涉仪臂具有部分共同的光路，所述部分共同的光路具有限定基准干涉仪臂且位于激光束发射用的光束形成光学系统中的基准面，

所述方法的特征是，

在扫描移动时通过控制所述测量光(MS)的发射方向来避免或者减小所述测量光(MS)在所述表面(7、7′、7″、7″′)上的偏离基本垂直入射的偏差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述表面是工业用工件的表面。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，该方法包括产生相干长度超过60毫米的调频激光束。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，在测量距离时，为计算相位信息，考虑用于散射回的测量光(MS)的干涉图中的大于一个阈值的振幅值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，在测量距离时，为了计算相位信息而进行相位值的振幅加权。

6.根据权利要求1-5之一所述的方法，其特征是，在扫描移动时如此进行发射的控制，即，在测量距离中要遵循所述测量光(MS)基本垂直入射所述表面(7、7′、7″、7″′)的条件，其中相对于表面法线不超过±5°的偏差。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述控制

-结合所接收的测量光(MS)振幅的与波长相关的变化曲线而作为发射用调节参数地进行；和/或

-在利用关于所述表面(7、7′、7″、7″′)形貌的信息的情况下进行；和/或

-在所述测量光(MS)入射点附近利用局部不精确测量来进行，其中为不精确测量或者粗略扫描而采用以下测量原理中的至少一个：

-声音，

-光，

-机械接触，

-电感，

-电容，

-气压，和/或

-利用之前的测距结果的外插来进行。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述控制通过改变所述测量光(MS)的入射直到出现基本与波长无关的振幅变化曲线来进行。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述控制在利用所述表面(7、7′、7″、7″′)的模型的情况下进行。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征是，其中所述表面(7、7′、7″、7″′)的模型通过计算机生成或者通过之前的粗略扫描建立。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述控制通过并行或先后的对三个测量点的不精确测量来进行。

12.根据权利要求7所述的方法，其特征是，为不精确测量或者粗略扫描而采用借助超声波的声音的测量原理。

13.根据权利要求7所述的方法，其特征是，为不精确测量或者粗略扫描而采用借助三角测量原理、相位测量原理或渡越时间的光的测量原理。

14.根据权利要求7所述的方法，其特征是，为不精确测量或者粗略扫描而采用通过使行程传感器偏移的机械接触的测量原理。

15.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述控制通过在考虑所述表面(7、7′、7″、7″′)的预先规定的最大和/或最小曲率半径的情况下，利用之前的测距结果的外插来进行。

16.一种测量表面(7、7′、7″、7″′)的方法，所述方法至少包括：

产生相干长度超过1毫米的调频激光束；

向所述表面发射作为测量光(MS)的所述激光束；

所述方法的特征是，

在测量距离时在算法中考虑所述测量光(MS)在所述表面(7、7′、7″、7″′)上的偏离基本垂直入射的偏差并且在扫描移动时通过控制所述测量光(MS)的发射方向来避免或者减小所述偏差。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征是，所述表面是工业用工件的表面。

18.根据权利要求16所述的方法，其特征是，该方法包括产生相干长度超过60毫米的调频激光束。

19.根据权利要求16所述的方法，其特征是，在测量距离时，为计算相位信息，考虑用于散射回的测量光(MS)的干涉图中的大于一个阈值的振幅值。

20.根据权利要求16所述的方法，其特征是，在测量距离时，为了计算相位信息而进行相位值的振幅加权。

21.根据权利要求16-20之一所述的方法，其特征是，在扫描移动时如此进行发射的控制，即，在测量距离中要遵循所述测量光(MS)基本垂直入射所述表面(7、7′、7″、7″′)的条件，其中相对于表面法线不超过±5°的偏差。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征是，所述控制

-声音，

-光，

-机械接触，

-电感，

-电容，

-气压，和/或

-利用之前的测距结果的外插来进行。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征是，所述控制通过改变所述测量光(MS)的入射直到出现基本与波长无关的振幅变化曲线来进行。

24.根据权利要求22所述的方法，其特征是，所述控制在利用所述表面(7、7′、7″、7″′)的模型的情况下进行。

25.根据权利要求24所述的方法，其特征是，其中所述表面(7、7′、7″、7″′)的模型通过计算机生成或者通过之前的粗略扫描建立。

26.根据权利要求22所述的方法，其特征是，所述控制通过并行或先后的对三个测量点的不精确测量来进行。

27.根据权利要求22所述的方法，其特征是，为不精确测量或者粗略扫描而采用借助超声波的声音的测量原理。

28.根据权利要求22所述的方法，其特征是，为不精确测量或者粗略扫描而采用借助三角测量原理、相位测量原理或渡越时间的光的测量原理。

29.根据权利要求22所述的方法，其特征是，为不精确测量或者粗略扫描而采用通过使行程传感器偏移的机械接触的测量原理。

30.根据权利要求22所述的方法，其特征是，所述控制通过在考虑所述表面(7、7′、7″、7″′)的预先规定的最大和/或最小曲率半径的情况下，利用之前的测距结果的外插来进行。

31.一种用于测量表面(7、7′、7″、7′)的测量仪，所述测量仪至少包括：

-导向机构，用于使探头(12-18，12′-14′)按规定扫描移动经过待测表面(7、7′7″、7″′)，

-干涉测量式的距离测量装置，所述距离测量装置具有用于产生作为测量光(MS)的至少一个激光束的调频激光源(1)、用于接收从所述表面散射回的测量光(MS)的光线探测器(8)、测量干涉仪臂和基准干涉仪臂，

其中所述探头(12-18、12′-14′)具有至少一个发射和接收光路用于发射所述测量光(MS)，并且所述测量干涉仪臂和基准干涉仪臂具有部分共同的光路，所述部分共同的光路具有限定所述基准干涉仪臂的且位于发射激光束用的光束形成光学系统中的基准面，

所述测量仪的特征是，

所述导向机构被如此控制，即，要遵循所述测量光(MS)基本垂直入射所述表面(7、7′、7″、7″′)的条件，其中相对表面法线不超过±5°的偏差。

32.根据权利要求31所述的测量仪，其特征是，所述表面是工业用工件的表面。

33.根据权利要求31所述的测量仪，其特征是，所述基准干涉仪臂通过在所述光束形成光学系统的渐变折射率透镜(6)的光学出射面处的反射来被限定。

34.根据权利要求31至33之一所述的测量仪，其特征是，

-所述探头(14、14′、15、16)通过多个平行的和/或可切换的光路多路地构成，和/或

-所述探头(13、14′)被构造成用来执行所述测量光(MS)的交叉扫描运动或者圆形扫描运动。

35.根据权利要求31至33之一所述的测量仪，其特征是，所述探头(18)具有至少一个用于在所述测量光(MS)入射点附近进行局部不精确测量的组成元件(18a)。

36.根据权利要求35所述的测量仪，其特征是，所述探头(18)具有以下传感器中的至少一个，

-气压传感器，

-触觉传感器，

-超声波传感器，

-激光三角测量传感器，

-共焦位移传感器，

-激光-渡越时间-位移传感器，

-激光-相位测量-位移传感器，

-电容位移传感器，

-涡流位移传感器，或者

-电感位移传感器。

37.根据权利要求31至33之一所述的测量仪，其特征是，所述干涉测量式的距离测量装置具有校准干涉仪(4)。

38.根据权利要求37所述的测量仪，其特征是，所述校准干涉仪(4)是Etalon或者Mach-Zehnder结构。

39.根据权利要求31至33之一所述的测量仪，其特征是，所述调频激光源(1)具有介于1.3和1.55微米之间的中心波长。

40.根据权利要求31至33之一所述的测量仪，其特征是，所述调频激光源(1)具有超过40纳米的可调谐波长范围和小于0.04纳米的动态线宽。

41.根据权利要求31至33之一所述的测量仪，其特征是，所述调频激光源(1)为光纤环形激光器，所述光纤环形激光器具有光学半导体放大元件(1b)。

42.根据权利要求31至33之一所述的测量仪，其特征是，所述调频激光源(1)具有法布里-珀罗滤光件、可声音调制的光纤布拉格光栅或者与频散元件(1c)相连的多角反射棱镜。

43.根据权利要求31至33之一所述的测量仪，其特征是，所述光线探测器是带宽超过100MHz的InGaAs探测器(8)。