CN101876534A - 测量镜面反射表面的相对位置的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于测量对象的镜面反射面沿测量线的相对位置的方法。该方法包括将至少一个会聚光束会聚于测量线上的标称位置处，并形成来自该镜面反射面的反射束。该反射束的图像在检测器平面处被记录。反射束的图像在检测器平面上的位置被确定并转换成镜面反射面沿测量线离标称位置的位移。还提供了用于实现该方法的装置。

Description

测量镜面反射表面的相对位置的方法和装置

优先权

本申请要求2009年4月30日提交的题为“测量镜面反射表面的相对位置的方法和系统(METHOD AND SYSTEM FOR MEASURINGRELATIVE POSITIONS OF A SPECULAR REFLECTION SURFACE)”的美国专利申请No.12/433,257的优先权。

技术领域

本申请涉及到表面的距离的测量。具体而言，本发明涉及通过三角测量来测量到镜面反射表面的距离的方法和装置。

背景

三角测量计用于测量到对象表面的距离，尤其是在不希望用诸如探头之类的物理装置接触感兴趣的表面的情况下。诸如此类的情况例如可以是具有原始表面的通过熔融形成的玻璃板，在该情况下期望保持表面的原始质量。这样的玻璃表面对可见光起镜面的作用。在玻璃制造中，到表面的距离的测量例如可用来找出玻璃表面位置，以使玻璃表面上的一点进入检查或处理设备的焦点。

在本公开内容中，术语“测量线”指的是与位移测量装置相关联的直线，受测面沿该直线的位移被定义为测量线与受测面相交的点的相对位置。术语“测量方向”指的是测量线的方向。术语“角度容限”指的是不论受测表面与标称取向的倾斜(在某个角度范围内)如何，位移计沿测量线产生位移值的能力。换言之，由某个角度范围内的表面倾斜引起的绝对测量误差不会超过对给定装置规定的测量误差。术语“标称位置”和“标称倾斜”分别指的是优选受测表面位置和倾斜。标称位置和标称倾斜的具体定义取决于测量方法，且将在以下给出。

图1示出了光学三角测量计如何在漫反射面的情况下工作(例如参见专利公开No.JP2001050711(A)(Koji，2001))。来自光源12(通常为激光二极管)的输入光线10通过投影透镜14投射到漫反射面16的位置13处。由输入光线10提供的光在表面16的光斑11处沿多个方向散射，其中标识为反射光线18的散射光的一部分通过物镜20到达检测器22。物镜20可在检测器22上的位置17处形成光斑11的图像。设16′表示位置13′处的表面16。然后，输入光线10在表面16′处提供光斑11′。光斑11′处的光沿多个方向散射，其中标识为反射光线18′的散射光的一部分通过物镜20到达检测器22。物镜20可在检测器22上的位置17′处形成光斑11′的图像。一般而言，图像在检测器22上的位置取决于表面16沿输入光线10的方向的位置。如果表面16从位置13移至13′，则光斑在检测器22上的相应图像的位置将从17移至17′。因此，如果输入光线10的方向被选择为测量方向，则图像在检测器22上的位置与表面16沿输入光线10的方向的位置之间的对应性得以良好定义。在图1中给出的示例中，沿输入光线10的直线是测量线。

校准程序可用于建立转换函数，用于获得表面16沿测量线的位置值，该位置值为反射光线18在检测器22上的图像位置的函数。对于漫反射面16，如果漫射角宽到足以提供反射光的充足部分通过物镜20并被检测器22检测到，则图像在检测器22上的位置对表面16相对于入射光线10的倾斜不敏感。这意味着，输入光线10可在测量方向与表面法线之间的相对宽泛范围角度内入射在表面16上，以提供被物镜20所接收的反射光的充足部分以在检测器22上形成图像，从而使该装置可靠地用于在相对大的表面倾角下测量到漫反射面的距离。在该情况下，标称表面位置可定义为提供最高位移测量准确度的受测表面在工作位置范围内的位置。标称倾斜可定义为使检测器所接收的光的量最大化的受测表面相对于位移计的倾斜。

专利申请公开No.JP2001050711(A)(Koji，2001)和以上描述的原理可限制性地应用于镜面反射面。参照图2，考虑位置25处的镜面反射面24。设24′表示位置25′处的镜面反射面24。此外，设24″表示位置25″处的镜面反射面24。按照原理，对于镜面反射面，光相对于表面法线的反射角值等于入射角值。利用位置25处的镜面反射面24作为示例，入射光10与表面法线26之间的角β₀等于反射光28与表面法线26之间的角β₁。镜面反射面24′的法线26′平行于镜面反射面24的法线26。因此，入射光10和反射光线28′的方向也与镜面反射面24的法线26′分别成角度β₀和β₁。为测量到平行表面24、24′的距离，这些表面的法线(例如法线26或26′)可选择为测量方向。在该情况下，表面24的倾斜是标称倾斜。还假定受测表面基本平坦，因为反射光线未携带发生反射的镜面的点的信息。在该情况下，表面24、24′沿测量方向的位置可通过测量点29、29′的位置来确定，在检测器22上在点29、29′处分别接收来自表面24、24′的反射光线28、28′。应当提供将检测器22上的位置与受测表面沿测量方向的位置相关联的转换函数，以获得测量结果即受测表面位移。

上述转换函数基于将受测表面的法线选为测量方向26且将表面24的取向选为标称倾斜。该转换函数对于与标称倾斜不平行的镜面反射面(诸如位置25″处的倾斜表面24″)将不产生沿测量方向26的正确距离测量值。对于相对于位置25倾斜的表面，例如表面24″，例如光线28″的反射光线照射检测器22的位置将取决于表面法线相对于测量方向的倾斜以及沿选定测量方向的位置。因此，需要与表面法线相对于测量方向的倾斜以及反射光线在检测器上的位置二者有关的信息来无二义性地确定倾斜镜面反射面沿测量方向的位置。使镜面反射面的三角测量困难的根本原因是镜面反射面不能被直接观测——仅周围情形的反射可见或可由光接收装置检测到。专利申请公开No.JP2001050711(A)(Koji，2001)中描述的原理将仅允许对标称倾斜处的基本平行表面或相对于标称倾斜仅在某个窄表面倾斜范围内稍微倾斜的表面进行沿测量方向的表面位移测量，其中测量方向垂直于这些表面。换言之，该方法具有窄的角度容限。

发明内容

本发明的若干方面将在本文中公开。应当理解这些方面可能或可能不彼此重叠。因此，一个方面的一部分可能落在另一方面的范围内，反之亦然。

各个方面通过多个实施例示出，这多个实施例又可包括一个或多个特定实施例。应当理解这些实施例可能或可能不彼此重叠。因此，一个实施例的一部分或其特定实施例可能或可能不落在另一实施例或其特定实施例的范围内，反之亦然。

要解决的问题是如何通过三角测量来测量到镜面的距离，同时获得相对宽的表面倾角容限范围。

在本发明的第一方面中，一种测量物体的镜面反射面沿测量线的的相对位置的方法包括：(a)在测量线上的标称位置处会聚至少一个会聚光束，并形成来自镜面反射面的反射光束；(b)在检测器平面处记录反射光束的图像；(c)确定反射光束的图像在检测器平面中的位置；以及(d)将反射光束的图像的位置转换成镜面反射面沿测量线离标称位置的位移。

在第二方面中，提供了一种用于测量物体的镜面反射面沿测量线的相对位置的装置。该装置包括光源，该光源产生会聚在测量线上的标称位置处的至少一个光束，并形成来自镜面反射面的反射光束。该装置包括在检测器平面处记录反射光束的图像的光检测器。该装置包括数据分析仪，该数据分析仪从光检测器接收记录、处理并分析该记录以确定反射光束的图像在检测器平面中的位置、以及将该位置转换成镜面反射面沿测量线离标称位置的位移。

测量镜面反射面沿给定测量方向离标称位置的位移的问题已得到解决。对于特定工作倾斜范围内的倾角，在特定准确度内的测量结果与受测表面的倾斜无关。这样的测量允许例如检查或处理设备在可相对于检查或处理设备的光轴倾斜的表面的所需区域上的聚焦。该镜面反射面的位移测量可用于准确跟踪该表面的位置，以例如实现涉及镜面反射面的诸如检查、处理、修整或清洗工艺之类的多种制造工艺的优化。

当入射光束的方向与受测表面之间的角度小时(例如在10度与20度之间时)，该方法的准确度不会受损，因此测量装置的部件不阻挡沿测量线的空间。因此，该空间可用于检查装置或其它设备，以用于具有镜面反射面的制品的制造工艺或处理。

如果光学位移计或受测物体安装在可动平台上，则连续测量步骤将允许倾角容限增大。重复包括测量的测量步骤的次序并将受测表面定位成离标称位置更近允许在受测表面的位置范围内实现最大角度容限。

可使用多个会聚光束。来自多个光束的附加信息如第一方面中一样被处理，且可用于以下目的中的一种或多种：增强可靠性、增强准确度、获得关于表面倾斜的信息。例如，在两个光束的情况下，可求解两个方程的联立方程(apparatus of two equations)以得到位移(h)和受测表面在受测表面的平面中相对于轴的倾斜(p)。

将在以下详细描述中阐述本发明的附加特征和优点，这些特征和优点在某种程度上对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施此处的描述和权利要求书以及附图所述的本发明可认识到。

应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者仅仅是本发明的示例，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的本发明的本质和特性的概观或框架。

所包括的附图用于提供对本发明的进一步理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。

附图说明

图1示出利用常规三角测量计进行的到漫反射面的距离的测量。

图2示出利用常规三角测量计进行的到镜面反射面的距离的测量。

图3是光学位移计的示意图。

图4是与图3的计一起使用的会聚束光源的示意图。

图5是利用图3的光学位移计进行的表面位置测量的示例。

图6示出在图3的光学位移传感器的检测器上形成的图像的示例。

图7是利用图3的光学位移计进行的表面位置测量的另一示例。

图8A是用于如图1所述的漫射三角测量计的典型转换函数的曲线图。

图8B是用于如图3所述的光学位移计的典型转换函数的曲线图。

实施例描述

除非另外说明，否则在说明书和权利要求书中所使用的诸如那些表示组分的重量百分比、摩尔百分比、尺寸、及某些物理性质的值应被理解为在所有情况都用术语“约”修饰。还应当理解在说明书和权利要求书中所使用的精确数值构成本发明另外的实施方式。已经尽力确保在实施例中公开的数值的精确性。然而，由于在各自测量技术中存在的标准偏差，所测得的任意数值都固有地包含一定的误差。

如本文中所使用，在描述和要求保护本发明时，使用不定冠词“一个(a)”或“一个(an)”表示“至少一个”，而且应当不限于“仅一个”，除非另作说明。因此，例如，对“透镜”的引用包括使用两个或多个此类透镜的实施例，除非上下文明确地另作规定。

如本文所使用，部件或材料的“重量百分比(wt％)”或“重量百分比”、以及“摩尔百分比(mol％)”或“摩尔百分比”或“摩尔百分比”基于包括该部件的组合物或制品的总重量或摩尔数，除非另作说明。

图3是用于测量沿与表面32相交的测量线35到物体34的表面32的距离的光学位移计30的示意图。图3中的制品36、46、42、52、54、55以及53属于位移计30。制品31可以是显微镜或其它设备，受测表面32设置成与该制品31有一定位移。光学位移计30测量表面32与标称位置40之间沿测量线35的距离。光学位移计30的输出可按照至少两种不同方式使用。

在第一示例中，该输出可用于将表面32置于沿测量方向35的期望位置处。例如，如果标称位置40被选择作为表面32的期望位置，则光学位移计30可用于查明表面32离期望位置有多远，且光学位移计30的输出可用于控制将表面32移动多远以将表面32定位于该期望位置。一般而言，沿测量方向的任何已知位置可选择作为期望位置，只要已知位置与标称位置40之间的距离已知。

在第二示例中，光学位移计30的输出可用于测量表面32离例如观测点31之类的观测点的距离。如上所述，光学位移计30测量表面32与标称位置40之间的距离。因此，如果观测点31与标称位置40之间的距离已知，则表面32与观测点31之间的距离可利用观测点31与标称位置40之间的已知距离和光学位移计30的输出来容易地计算。

在第一示例的变型中，光学位移计30可用于跟踪表面32的移动，并将位移计30与其它机械附连的位移计部件保持与离表面32的指定距离处。在该情况下，来自位移计30的输出用作输入运动控制器(未示出)的模拟或数字化的反馈信号。该运动控制器定义速度、加速度以及其它运动参数，并将命令发送至运动装置(未示出)以在需要时修正位置。

束38会聚的点40在该情况下为标称位置。该标称位置优选选择成在光学位移计30的工作范围内。术语“工作范围”指的是其中能进行表面32的位置测量的受测表面的位置间隔。在某些实施例中，标称位置40位于测量方向35上的工作范围的中部。测量线35是与束38和44的主光线38′和44′分别处于同一平面内的直线；38′与35之间的角度和44′与35之间的角度相等。标称倾斜定义为垂直于测量线35的受测表面的取向。图3示出在标称位置40处沿标称取向的受测表面32。物镜46的光轴和位置以及检测器平面50的位置设置成使物镜46将测量线35聚焦在检测器平面50上。如图5所示，由于该设置，即使受测表面32相对于标称取向倾斜，光位移计30也可用，因此测量方向35不垂直于受测表面32。一般而言，测量中的误差将与受测表面32相对于标称取向的倾斜度有关。一般而言，当受测表面接近标称位置时，测量误差减小。

在某些实施例中，表面32是镜面反射面。此处，术语“镜面反射面”表示该表面是将单个入射光线反射到窄输出方向范围的相对光滑、类似于反射镜的表面。在某些实施例中，目标对象34可以是材料板。在一个示例中，目标对象34可以是透光材料板，例如由基于玻璃的材料制成的板。该玻璃板可以是具有均匀厚度且通过熔融工艺制成的玻璃板，诸如例如美国专利No.3,682,609(Dockerty，1972)和No.3,338,696(Dockerty，1964)中所描述的那样。具有表面32的对象34的边缘可由支架27支承，该支架27可利用任何合适的平移机构23相对于标称位置40可动。

光学位移计30包括提供一个或多个光束38的至少一个光源36。光束38在测量方向35上会聚于标称位置40。光源36可以是会聚光源，其示例将在下文参照图4进行描述。这些光束可由例如LED(发光二极管)之类的低相干源或由白炽光源发射。或者，激光器可用作该光源。

光学位移计30包括用于接收和记录反射光束44的图像的光检测器42。例如物镜或移轴镜(shift and tilt lens)之类的成像透镜46在检测器42上形成反射图像44。检测器42可以是位置敏感的检测器或像素相关的阵列检测器，例如CCD(电荷耦合器件)或CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器。在像素相关阵列检测器的情况下，检测器42可包括像素的线性阵列或二维阵列。检测器42基本在检测器平面接收并记录图像，为说明起见检测器平面在50处示出。

“优选的光学配置”在本文中定义为成像透镜46和检测器42的位置和取向的配置，以使透镜46形成的测量线35的图像处于检测器平面50中。换言之，为提供优选的光学配置，成像透镜46应当将测量线35聚焦在检测器平面50上。

在作为以上定义的优选光学配置的部分情况的一个示例中，物镜46和检测器42的位置和取向被选择成使物镜46的光轴与测量方向35基本垂直，而检测器平面50与测量方向35基本平行。在另一示例中，物镜46和检测器42的位置和取向被选择成使检测器平面50相对于物镜46的光轴倾斜，且透镜46形成的测量方向35的图像处于检测器平面50中。在图3中所示示例中，物镜46和检测器平面50的轴相对于测量方向35倾斜。

光源36、检测器42以及成像透镜46的配置可使这些部件作为单元一起移动。这可例如通过将成像透镜46机械耦合至检测器42、并将检测器42和光源36安装在合适的公共平台或固定装置(未示出)上来实现。其他配置也是可能的。例如，如图3所示，光源36可安装在平台41上，而检测器42和成像透镜46可安装在平台43上。平台41和43可利用任何合适的平移机构23相对于表面32可移动。

光学位移计30包括用于处理由检测器42收集的数据的处理电子电路52。处理电子电路52的配置将至少部分地取决于所使用的检测器42的类型。处理电子电路52可包括对从检测器42接收的信号进行调节、放大以及数字化中的一个或多个。光学位移计30包括从处理电子电路52接收数据的数据分析仪53。在某些实施例中，数据分析仪53包括用于确定表面32距离标称位置40的位移的机器可读指令，如下所述。数据分析仪53的指令可在具有适当硬件功能的CPU 55上执行。数据分析仪53的指令执行可使用CPU或微处理器55可读的一个或多个程序存储设备。这些程序指令可存储在任何合适的程序存储设备上，该程序存储设备可以是例如一个或多个软盘、CD ROM或其他光盘、磁带或磁盘、只读存储器芯片(ROM)的形式，以及本领域已知或随后开发的类型的其他形式。这些程序指令可以是或多或少可由CPU直接执行的二进制形式的“目标代码”形式、在执行前需要编译或解释的“源代码”形式、或诸如部分编译代码之类的某些中间形式。CPU 55可将光学位移计30的输出(例如数据分析仪53的结果)存储于适当的存储设备57中。CPU 55可在显示设备54上显示数据分析仪53的结果和该装置的状态。处理电子电路52还可包括数模转换器，用于以模拟信号的形式输出测量结果。光学位移计30可包括与存储设备57或CPU 55通信的运动控制器59。运动控制器59可向例如一个或多个平移机构23之类的运动装置发送命令，以基于可从CPU 55或存储设备57获得的光学位移计30的输出调节光学位移计30的测量部件(即光源36、光检测器42以及成像透镜46)相对于表面32的位置、或表面32相对于光学位移计30的测量部件的位置。

图4示出可用作图3中的光源36的会聚束光源的示例。如图所示，会聚束光源36包括光源60(在此示例中可以是LED)。LED 60可放置在散热器62上。会聚束光源36还包括将来自LED 60的光耦合到三根(在本特定示例中)光纤66的耦合透镜64。一般而言，光可从光源60耦合到一根或多根光纤66。光纤66可由诸如具有用于容纳光纤66的孔的固定装置之类的合适的光纤固定器68支承。可使用光纤66的出口端69的任何合适配置。例如，出口端69可形成线或三角形。光纤66的出口端69用作小的光发射器。一个或多个会聚透镜70用于在离聚光器70的出口端71一距离处产生光纤66的末端69的实像。聚光器70从各根光纤66产生的光斑的直径可小于光纤66的纤芯的直径。在非限制性示例中，聚光器70可包括发散透镜72和会聚透镜74、76。

图5是图3的光学位移计30的工作原理的图示。为便于计算，坐标系(coordinate apparatus)被选择成使测量线35与Z轴重合，而受测面标称取向与X轴平行。聚光器70在位置40处产生光源60的实像，该位置40在图5中的(x，z)坐标为(0，0)。在该情况下，位置40是三角测量计的标称位置。光源60的该实像表示位置40处的虚拟光源78。待测表面32在沿Z轴的某未知位置处。表面32可沿测量方向35(Z轴)从标称位置40移位，且相对于标称取向倾斜角度A。表面32产生的虚拟光源78的反射在80处示出。该反射80由物镜46利用{L，z_p}处的投影点成像到检测器平面50附近或其中的点C上。角α_t表示检测器平面50相对于测量方向35的倾角。x＝x_s处的检测器平面50′表示当α_t＝0时的检测器平面50。物镜46和检测器42的位置使线35的图像聚焦在检测器平面50上，即根据上述优选光学配置。在满足优选光学配置位置的要求的情况下，物镜46的光轴可以或可以不与观察方向47重合。在某些实施例中，检测器平面50的倾角α_t不等于零，而物镜46的光轴的倾角被选择成使线35聚焦在倾斜检测器平面50上。在也满足优选光学配置的条件的其他实施例中，检测器平面50’的倾角α_t如50′处所示为零，且物镜46的光轴被选择成使反射图像80聚焦在检测器平面50′上。如果移轴镜用作成像透镜46，则移轴镜的光轴可被选择成与测量方向35垂直，同时检测器平面50′可与测量方向35平行。

如果表面32位于标称位置40处，则虚拟光源78位于表面32上。不论表面32是否倾斜，虚拟光源78从表面32的反射80均可与虚拟光源78重合。在该情况下，对于表面32的所有倾角A，虚拟点光源78的图像将聚焦于点79(其中物镜46的光轴47与检测器平面50相交)。因此，当受测表面处于标称位置时，在检测器平面50处接收和记录的图像的位置79将不取决于表面32的倾角。允许的倾斜量范围由图5中所示的会聚束的孔径张角θ确定。倾角的可接受值的要求是物镜46所收集和检测器42所接收的反射光将适合于形成图像以供可靠的图像分析。增大光源60的工作距离同时保持成像物镜46和聚光器70的孔径相同会减小倾斜容限范围。为保持倾斜容限范围恒定，光源60和物镜46的孔径应当与工作距离相应地增大，以保持同一孔径张角。

如果表面32定位于标称取向，即平行于X轴，但从标称位置40移位，则对于所有表面位置，虚拟光源78的反射80将位于测量方向35上。(这在简化的图7中分别通过从表面32、32′的位置37、37′处的反射80、80′示出。)因此，如果检测器平面50和物镜46根据上述优选光学配置来设置，则反射80(位于测量方向35上)将成像到检测器平面50上。在受测表面的标称取向的情况下，检测器46所记录的检测器平面50处的反射图像80的位置将会是表面32离标称位置40的位移的函数。以下将示出，由相对于标称取向的表面倾斜引起的误差在标称位置处最小，在标称位置附近的位置范围中也小。

对检测器所采集的图像的分析得出反射图像80在检测器平面中的位置(或在多个光束或多个反射面的情况下的多个位置)。为获得测量结果，该位置需要与受测表面相对于标称位置的位移相关联。术语“转换函数”在本文中定义为检测器平面50中的位置与受测表面沿测量线35离标称位置的实际表面位移之间的关系。一般而言，转换函数是非线性的，因为检测器平面50中的放大率由于物镜46的光轴与受测表面52之间的角α_t和成像装置中可能的光学畸变而变化。

校准过程可用于通过将沿测量方向的多个已知表面位置与检测器42所感测到的图像中的相应多个位置相关联来建立转换函数。标称取向上的校准函数可通过在标称取向上设定表面来获得。然后该表面沿垂直于该表面的测量方向平移，同时将该表面保持于标称取向，以在检测器上获得与沿测量方向的表面位置相对应的一组图像位置。例如多项式内插之类的适当的插值函数可用于表示该转换函数。

或者，作为反射图像80在检测器平面S中的位置和表面32的斜率p＝Tan(A)的函数的表面32的位移h(S，p)的以下理论表达式可用作转换函数：

$h(S,p)=L\frac{1+p^2}{2}\frac{(x_s-L)\mathrm{Tan\α}-(\mathrm{Tan\αSin}{\mathrm{\α}}_t+\mathrm{Cos}{\mathrm{\α}}_t)S}{(x_s-L)-(\mathrm{Sin}{\mathrm{\α}}_t-\mathrm{pCos}{\mathrm{\α}}_t)S},---\left(1\right)$

其中L是物镜46的x位置，α是表面32与物镜46的光轴之间的角，而α_t是检测器平面50与测量方向35之间的角。这里{x_s，L Tanα}是X-Z坐标系中S轴原点的位置。对于小斜率值p＜＜1，假定表面32接近标称位置40，确定由表面32与标称取向的倾斜引起的表面32与标称位置40之间的距离时的误差可估算为

$\mathrm{\Δh}=h(S,p)-h(S,0)\≈-\frac{\mathrm{Sin\αCos}{\mathrm{\α}}_t}{\mathrm{Cos}({\mathrm{\α}}_t-\mathrm{\α})-\mathrm{pSin\αCos}{\mathrm{\α}}_t}\mathrm{ph}.---\left(2\right)$

根据方程(2)可以得出，当表面32与物镜46的光轴之间的角α减小时，误差减小。根据方程(2)还可以得出，该误差与该表面离标称位置的位移成比例。

数据分析仪(图3中的53)从检测器42接收数据，该数据在区域检测器的情况下为图像的形式，或在线性阵列的情况下为波形的形式。该数据在被数据分析仪接收之前已被处理电子电路(图3中的52)处理。为说明目的，可被数据分析仪接收的图像的描绘在图6中示出。受测对象是0.7mm厚度的玻璃板。在该图像中出现了两组斑点90、92。斑点组90对应于来自目标对象的前镜面(图5中的32)的反射，而斑点组92对应于来自目标对象的后镜面(图5中的33)的反射(如果该目标对象透明)。每个斑点组90、92具有三个斑点，对应于由三个光纤(图4中的66)形成的三个束。(应当注意，图5仅示出从前表面32反射的光线。从后表面33的反射未在图5中示出。)对应于前表面的斑点组90被选择用于计算测得距离。对转换函数从图像中的像素坐标到距离值的多项式内插用于计算测得距离。如上所述，该内插利用校准数据建立，该校准数据是沿测量方向的已知位置的点处采集的一系列图像。如果目标对象的倾角已知，则斑点组92可用于确定目标对象的厚度，或如果目标对象的厚度已知，则斑点组92可用于确定倾角。在该示例中，多个光束可用于提高位移计的准确度和可靠性。

图8A是用于测量镜面反射面的位移时用于漫射三角测量计的典型转换函数的曲线图。图8B是用于如本发明中所述的光学位移计的典型转换函数的曲线图。在图8A和8B中，当受测表面为标称斜率时(例如方程(1)中p＝0)，线P₀是转换函数。曲线P₁和P₂示出了对于分别以斜率p＝p1和p＝p2倾斜的表面的h(受测表面与标称位置之间的距离)与S(图像在检测器平面上的位置)的典型相关性。为说明目的，曲线P₁和P₂之间的差别被放大。对于如上所述的光学位移计，P₁和P₂曲线在标称位置S＝S₀、h＝0处会聚，如图8B所示。注意，此类会聚不会在漫射三角测量传感器的典型转换函数中出现，如图8A所示。标称位置处的会聚带来了通过重复测量并根据测量结果减小表面与标称位置之间的距离来实现工作范围内的任何表面倾斜处的最小测量误差的机会。设表面斜率等于p2，而实际表面位置等于h₁。图像在检测器平面上的位置将是S₁ ^*。在对S₁ ^*应用转换函数之后，光学位移计所报告的该表面离标称位置的测得距离将是h₁ ^*，从而测量误差的绝对值为|h₁-h₁ ^*|。如果光学位移计或该表面移动离标称的测得距离h₁ ^*以接近标称位置，则相对于标称位置的实际表面位置将是h₂，且该位移计所报告的表面离标称的测得距离将是h₂ ^*。从而完成第二次测量之后的误差绝对值将是|h2-h2^*|，这小于第一次测量中的|h₁-h₁ ^*|。通过将光学位移计或表面向标称位置再次移动距离h₂ ^*、接着重新测量该表面的位置，可将测量误差的绝对值进一步减小。使测量误差处于可接受测量误差的绝对值范围内所需的重复次数取决于具体装置配置，且例如可通过比较测得位移的连续值来确定。

如上所述，光学位移计30测量表面与标称位置之间沿测量线的距离。距离测量可以是单步过程或多步重复过程。在单步过程中，如上所述，光学位移计30测量该表面与标称位置之间的距离，并输出该结果。该结果可存储以供光学位移计30或另一设备稍后使用。该结果可用于简单地查明该表面的位置，或将该表面移动至期望位置，如上所述。该多步过程涉及通过标称位置或表面的平移插入的一系列单步过程。移动装置应当能进行指定距离的该平移。该表面相对于标称位置的位置可通过平移光学位移计或负责发光和对光反射成像的光学位移计的部件而改变。在两步过程中，例如，光学位移计用于测量该表面与标称位置之间的距离。接着，该表面或标称位置移动与光学位移计的输出相等的量。这会将该表面置于标称位置处，或比初始位置更接近标称位置。接着，光学位移用于重复上一步骤。该重复测量过程的优点在于，测量结果随着表面向标称位置移动更近而改善。如果重复测量过程用于定位表面，则当标称位置向该表面移动时，该表面可被固定。如果多步过程用于将该表面定位于期望位置，则位移计应当设置并固定以使其标称位置接近期望表面位置。该表面应当根据上一步骤中获得的测量结果而向标称位置移动。在任一种情况下，位置编码器、步进电机或其他合适的设备可用于跟踪标称位置的平移，且位置编码器的输出可用于调节该过程的最终结果。以此方式，玻璃板检查或处理设备可在预定准确度内准确地定位于离玻璃表面最优的工作距离(或玻璃可相对于设备定位)。

上述光学位移计的配置使其可与诸如显微镜之类的其他设备一起使用，以定位表面上的一点。在实际应用中，显微镜可沿测量方向设置，而光学位移计对通过显微镜观看的表面沿测量方向进行距离测量。光学位移计测得的距离可由显微镜或其他相似的设备使用，以使受测表面上的特定位置进入焦点例如用于检查目的，或将该表面置于特定位置，或将表面保持于特定距离。光学位移计可用于诸如通过熔融工艺形成的玻璃板的表面之类的镜面的非接触式检查。

附图中的附图标记具有以下含义：

10：输入光线；12：光源；13：位置；13′：位置；14：投影透镜；16：漫反射面；18：反射光线；18′：反射光线；20：物镜；23：平移机构；22：检测器；24：镜面反射面；25：位置；25′：位置；25″：位置；27：固定器；30：光学位移计；31：观测点；32：表面；32′：表面；33：背面；34：目标对象；35：测量方向；36：光源；37：位置；37′：位置；38：光束；40：标称位置；41：平台；42：光检测器；43：平台；44：反射；46：成像透镜；50：检测器平面；52：处理电子电路；53：数据分析仪；54：显示设备；55：CPU；57：存储设备；59：运动控制器；60：光源；62：散热器；64：耦合透镜；66：光纤；68：光纤固定器；69：光纤末端；70：聚光器；72：发散透镜；74，76：会聚透镜；79：焦点；80：反射；80′：反射；90，92：斑点集。

因此，本公开内容包括以下非限制性方面/实施例中的一个或多个：

C1.一种用于测量对象的镜面反射面沿测量线的相对位置的方法，包括：

(a)将至少一个会聚光束会聚于测量线上的标称位置处，并形成来自该镜面反射面的反射束；

(b)在检测器平面处记录该反射束的图像；

(c)确定反射束的图像在检测器平面中的位置；以及

(d)将反射束的图像的位置转换成镜面反射面沿测量线离标称位置的位移。

C2.如C1所述的方法，其中多个会聚光束在步骤(a)中在标称位置处会聚。

C3.如C1或C2所述的方法，其中还包括：

(e)基于步骤(d)中获得的位移将镜面反射面或标称位置移动一定量；以及

(f)重复步骤(a)-(d)。

C4.如C1或C2所述的方法，其中还包括：

(e)基于步骤(d)中获得的位移将镜面反射面或标称位置移动一定量；

(f)确定位移测量中的绝对误差；以及

(g)重复步骤(a)-(f)直到该绝对误差处于或小于预定值。

C5.如C1或C2所述的方法，其中还包括：

(e)存储或输出该位移作为该方法的结果。

C6.如C1到C3中的任一项所述的方法，其中该对象具有多个镜面反射面，反射束在步骤(a)中从多个镜面反射面中的每一个形成，且反射束的图像在步骤(b)中在检测器平面处被记录。

C7.如C1到C6中的任一项所述的方法，其中还包括在步骤(b)之前或与步骤(b)同时将测量线聚焦在检测器平面上。

C8.如C1到C7中的任一项所述的方法，其中步骤(d)包括利用沿测量线的多个已知表面位置和检测器平面上相应的多个图像位置来校准镜面反射面沿测量线的位移和反射束图像在检测器平面中的位置之间的转换函数。

C9.一种用于测量对象的镜面反射面沿测量线的相对位置的装置，包括：

光源，该光源产生会聚于测量线上的标称位置处的至少一个光束，并形成来自镜面反射面的反射光束；

光检测器，该光检测器在检测器平面处记录反射光束的图像；以及

数据分析仪，该数据分析仪从光检测器接收记录、处理并分析该记录以确定反射光束的图像在检测器平面中的位置、以及将该位置转换成镜面反射面沿测量线离标称位置的位移。

C10.如C9所述的装置，其中还包括成像透镜，其中成像透镜和检测器平面定位和取向成使成像透镜将测量线聚焦在检测器平面上。

C11.如C10所述的装置，其中成像透镜是物镜或移轴镜。

C12.如C9到C11中的任一项所述的装置，其中数据分析仪利用沿测量线的多个已知表面位置和检测器平面上相应的多个图像位置来校准镜面反射面沿测量线的位移和反射束图像在检测器平面中的位置之间的转换函数，以将该位置转换成位移。

对本领域的技术人员显而易见的是，可在不背离本发明的精神和范围的情况下对本发明作出各种修改和变化。因而，本发明旨在涵盖本发明的所有这些修改和变型，只要它们落在所附权利要求书及其等价技术方案的范围中即可。

Claims (10)

1.一种用于测量对象的镜面反射面沿测量线的相对位置的方法，包括：

(a)将至少一个会聚光束会聚于所述测量线上的标称位置处，并形成来自所述镜面反射面的反射束；

(b)在检测器平面处记录所述反射束图像；

(c)确定所述反射束的所述图像在所述检测器平面中的位置；以及

(d)将所述反射束的所述图像的位置转换成所述镜面反射面沿所述测量线离所述标称位置的位移。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，多个会聚光束在步骤(a)中在所述标称位置处会聚。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括：

(e)基于步骤(d)中获得的所述位移将所述镜面反射面或所述标称位置移动一定量；以及

(f)重复步骤(a)-(d)。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括：

(e)基于步骤(d)中获得的所述位移将所述镜面反射面或所述标称位置移动一定量；

(f)确定所述位移测量中的绝对误差；以及

(g)重复步骤(a)-(f)直到所述绝对误差处于或小于预定值。

5.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述对象具有多个镜面反射面，反射束在步骤(a)中从所述多个镜面反射面中的每一个形成，且所述反射束的图像在步骤(b)中在所述检测器平面处被记录。

6.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，步骤(d)包括利用沿所述测量线的多个已知表面位置和所述检测器平面上相应的多个图像位置来校准所述镜面反射面沿所述测量线的位移与所述反射束的图像在所述检测器平面中的位置之间的转换函数。

7.一种用于测量对象的镜面反射面沿测量线的相对位置的装置，包括：

光源，所述光源产生会聚于所述测量线上的标称位置处的至少一个光束，并形成来自所述镜面反射面的反射光束；

光检测器，所述光检测器在检测器平面处记录所述反射光束的图像；以及

数据分析仪，所述数据分析仪从所述光检测器接收记录、处理并分析所述记录以确定所述反射光束的图像在所述检测器平面中的位置、以及将所述位置转换成所述镜面反射面沿所述测量线离所述标称位置的位移。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括成像透镜，其中所述成像透镜和所述检测器平面定位和取向成使所述成像透镜将所述测量线聚焦在所述检测器平面上。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述成像透镜是物镜或移轴镜。

10.如权利要求7到9中的任一项所述的装置，其特征在于，所述数据分析仪利用沿所述测量线的多个已知表面位置和所述检测器平面上相应的多个图像位置来校准所述镜面反射面沿所述测量线的所述位移与所述反射束的图像在所述检测器平面中的所述位置之间的转换函数，以将所述位置转换成所述位移。

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