CN103635775B - 用于测量表面的干涉距离测量方法以及这样的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量表面（13）的距离测量方法。产生具有相干长度的激光束以便提供测量辐射（MS）并且在所述表面（13）处作为测量辐射（MS）被发射，所述激光束的波长能通过调制激光源（1）的频率在波长范围被调谐，所述表面位于特定距离范围内。由所述表面（13）背向散射的所述测量辐射（MS）再次被接收并且用来对从参考点到所述表面（13）的距离进行干涉测量，使用了测量干涉仪臂和参考干涉仪臂。所述特定距离范围至少部分地位于所述相干长度外，并且所述测量束被分成两个束部分。其中一个束部分相对于另一个束部分被时间上延迟，使得由所述延迟引起的一个光程差匹配与所述特定距离中的距离加上或减去所述激光的相干长度相对应的光程差。

Description

用于测量表面的干涉距离测量方法以及这样的测量装置

本发明涉及用于测量表面的干涉距离测量方法以及距离测量装置，并且还涉及用于测量表面的测量设备。

在许多应用领域中都存在对测量物体的表面的需要并且因此还存在对物体本身进行高精度测量的需要。对于制造业尤其如此，对于制造业，工件的表面的测量和检查具有很高的重要性。各种各样的手段为此目的而存在，这些手段从接触方法延伸直到光学传感器。在高精度光学方法的领域中，特别是与坐标测量装置的使用结合的干涉测量原理扮演着越来越重要的角色。

一个可能性是使用白光干涉测量法来进行高精度测量。在这种情况下，利用是扫描，即，通过调节干涉仪，因此缓慢地或具有光谱分辨检测，通常限于几毫米的测量范围。使用这样的装置的领域因此是受限的，特别是具有坚固结构的表面和对应变化的测量距离的工件不能被测量或者仅能在严格的限制下，例如，长行程时间下被测量。

其它方法使用频率调制激光束作为用于干涉测量装置的测量辐射。因此，例如，从WO2009/036861A1已知一种手段，其中在用于测量表面的方法中，产生频率调制激光束并且将其发射到待测量的表面上。在从作为目标的表面背向散射的测量辐射接收之后，通过干涉测量法确定距离，其中，使用具有部分共用束路径的测量干涉仪臂和参考干涉仪臂。在距离测量的情况下与基本上垂直入射在表面上的测量辐射的偏差通过算法被考虑进来或者通过控制测量辐射的发射在扫描引导期间被避免或减小。

测量干涉仪臂和参考干涉仪臂的部分共用束路径在这种情况下由光学测量头内的反射划界，因此限定了参考干涉仪。这种所谓的共用路径构造允许本地振荡器平面布置在测量头光学元件内，例如，也布置在光学出射表面上，并且因此靠近目标。该构造的优点在于环境影响，例如，温度变化或振动以相同的方式作用在两个干涉仪臂上，使得所产生的信号在这一点上受到相同的影响。然而，该构造的一个缺点在于需要长的相干长度，如果要在操作范围内确保足够的信号强度的话。

与此相反，在白光干涉测量法的领域中使用了具有可调延迟的外部干涉仪臂。然而，对于医疗技术的公共应用领域还提供了其它边界条件。因此，待扫描或测量的这些结构在类型方面从根本上是不同的并且较少关于距离而构成。另外，绝对距离信息不是必须的并且典型地测量所需要的时标少于在测量工业布局的情况下的时标。由于待测量的表面，这里需要较长的测量时长，并且由于待测量的几何形状，更大的测量范围通常也是必需的。例如，在US 2004/061865,US 2008/117436,或DE 198 19 762中发现了该现有技术的方案，这些发明描述了白光干涉仪，该白光干涉仪不具有用于产生频率调制激光辐射的可调谐激光源。在US 4627731中，进入两个具有不同频率的调制器的路径中的测量干涉仪的光信号上游的划分被用来产生外差频率。这种所谓的调制干涉仪还需要精确相等的路径长度。

然而，在利用频率调制激光辐射的干涉测量装置的情况下，测量范围由其相关长度划界，致使应用领域受到限制，并且需要在控制侧相应的开销以能够完全且在很短时间内扫描和测量测量对象。

一个问题在于分别提供用于测量表面或用于检测表面形貌的改进的测量方法或测量装置。

另一问题在于分别提供克服因相干长度存在限制并且因此增大可测量的距离范围的这样的测量方法或测量装置。

本发明利用具有频率调制的，即，可调谐激光源和对应的测量构造的干涉测量原理，如例如已在WO2009/036861A1中描述的。

根据本发明，除用于距离测量的正常辐射场以外，还提供了延迟副本，该延迟副本的延迟基本上对应于测量辐射到达目标并再次返回的实际行进时间，使得减小了有效距离。借助该手段，整个测量装置的工作点在朝着目标的方向上偏移，使得可测量的最大距离被扩大并且因相干长度而存在的限制被克服。由延迟引起的光程差对应于在这种情况下对应于预定距离范围内的距离加上或减去激光的相干长度所得的光程差。具体地，延迟的光程差至多对应于与到待测量表面的距离相对应的光程差，并且至少对应于与到待测量表面的距离相对应的光程差减去激光的相干长度，或者至少对应于与到待测量表面的距离相对应的光程差，并且至多对应于与到待测量表面的距离相对应的光程差加上激光的相干长度。

根据本发明的用于实施延迟辐射场的一个手段是分束器的集成(integration)，其在激光源后方具有下游的延迟部。这样的延迟部可以被实现为例如自由束光学元件并且也可实现为马赫-曾德尔干涉仪中的光纤部分。这样，原则上可以产生相同的辐射场，这些辐射场通过光程差仅相互时移或时延。

例如，马赫-曾德尔干涉仪可以被集成为共用路径装置中的延迟部或延迟部件，而无需改变标准设计。这样，例如，干涉仪的工作点可以移位到光学元件外部，从而可以克服通常由相干长度引起的限制。在这种情况下，例如，可以保持30mm的测量范围，仅其相对于光学测量头的长度在目标方向上被偏移，使得到测量对象的更大距离或间隔也是可实现的。更大距离继而允许采样头的较高的行进速度并且因此允许较短的测量时间或其他测量路径几何形状。

根据本发明的装置的另一改进可以附加地通过设计用于定位点距离的采样头的聚焦系统的焦距来实现。

为了能够防止测量期间或测量之间的延迟的改变，有利的是尽可能机械牢固和热牢固地设计延迟部件。在这种情况下借助已知方法，例如，通过扫描具有已知几何形状的参考球来执行校准。

此后基于示例性实施方式来更详细地描述和说明根据本发明的用于对表面进行干涉测量的测量方法和根据本发明的测量装置，这些示例性实施方式仅在附图中作为例子示意地示出。在具体的图中：

图1示出了在根据本发明的干涉距离测量装置中辐射部分的光学延迟的基本原理的示意图；

图2示出了根据本发明的用于距离测量装置的延迟部的第一示例性实施方式的图示；

图3示出了根据本发明的光学延迟的基本原理的效果的图示；

图4示出了现有技术的用于测量表面的测量设备中的干涉测量装置的示意图；

图5示出了用于这样的测量设备的采样头的结构改造的图示；

图6示出了用于这样的测量设备的收发器光学的示意图；

图7示出了根据本发明的干涉测量装置的第一示例性实施方式的示意图；

图8a至图8b示出了用于该第一示例性实施方式的辐射场的第一示例的频率域中的图示说明；

图9a至图9b示出了用于该第一示例性实施方式的辐射场的第二示例的频率域中的图示说明；

图10示出了根据本发明的干涉测量装置的第二示例性实施方式的示意图；

图11示出了根据本发明的干涉测量装置的第三示例性实施方式的示意图；

图12示出了用于下列模拟的相干性曲线的图示；

图13示出了现有技术的距离测量装置的第一模拟示例的束截面的图示；

图14示出了用于第一模拟示例的接收到的信号的X线断层照片的图示；

图15示出了用于第二模拟示例的束截面的图示；

图16示出了没有延迟的用于第二模拟示例的接收到的信号的X线断层照片的图示；

图17示出了根据本发明的没有延迟的用于第二模拟示例的接收到的信号的X线断层照片的图示；

图18示出了具有优化光学元件的根据本发明的距离测量装置的第三模拟示例的束截面的图示；

图19示出了根据本发明的没有延迟的用于第三模拟示例的接收到的信号的X线断层照片的图示；

图20示出了根据本发明的用于距离测量装置的延迟部分的第二示例性实施方式的图示。

图1示出了根据本发明的干涉距离测量装置中的辐射部分的光学延迟的基本原理的示意图。在这样的用于测量工业工件的装置中，通过频率调制的，即，可调谐激光源1产生激光束作为测量辐射MS，其中，激光源1具有大于1mm的，优选地大于60mm的相干长度。在用于测量工件的表面的光束路径中，包括有延迟部件，该延迟部件具有两个光耦合器2，其中一个光耦合器被设计为用于频率调制激光源1的测量辐射的分束器，该辐射被分成两个辐射部分。

这两个辐射部分中的一个辐射部分经由到待测量目标并且再次返回到辐射检测器的距离未延迟地被引导，而另一部分通过至少一个延迟部件或延迟部3，借助所述至少一个延迟部件或延迟部，其中一个辐射部分相对于另一辐射部分是时延的，使得所形成的延迟对应于测量辐射的行进时间的两倍到达位于相干长度外的距离。在该理想情况下，该距离将对应于待测量的至工件的表面或至另一目标的距离，但是也可以与之偏离。然而，根据本发明，延迟部3被设计成使得时间延迟对应于要位于这样的距离范围内的距离，该距离范围至少部分地还包括大于相干长度的可能测量距离。根据本发明，距离范围的下限也可以已经位于相干长度外。

因此，根据本发明，相对于现有技术的调谐辐射场延迟的第二辐射场被加入现有技术的调谐辐射场。两个辐射场都在辐射检测器处再次叠加，其中一个辐射场被引导经过延迟部。代替现有技术的装置的一个信号，现在产生了两个信号，这两个信号根据延迟部相互偏移并且在测量干涉仪中传播。

在理想情况下，两个横向部分，即延迟部的光程与到目标的距离的两倍可以是相等的，使得检测器上发生了辐射场的同步。然而，在正常情况下，如果由延迟部引起的延迟相对于由到目标和再次返回的行进部分引起的时间延迟充分接近，则这是足够的。差的最大范围或所需要的时间接近性由装置的测量范围预先确定，即，测量装置可以仍处理在测量期间位于测量范围内的行进时间差或光程长度差。测量范围在这种情况下是相干长度的函数。根据本发明，已存在于现有技术的装置中的测量范围因此在朝着目标的方向上偏移，从而得到放置在目标侧的另一工作点。偏移的最大范围这里原则上仅由最大可实现时间延迟可能性，即，在正常情况下，延迟部的光程来限制。最后，由目标测量引起的相对于在作为本地振荡器的参考干涉仪的干涉部分中行进的信号的延迟通过该延迟部减小，从而与未延迟装置相比得到了较小的有效测量距离。因此从根本上保持了辐射检测器上的接收的条件并且因此保持了测量范围受限的所用的干涉测量原理，该限制由相干长度预先确定。然而，测量范围的位置在空间中偏移，使得在干涉仪的未改变和相干长度和目标相关的相对关系的情况下，其最大测量距离由延迟部改变。

图2示出了用于根据本发明的距离测量装置的具有固定长度的延迟部3的第一示例性实施方式，其中延迟部3被设计为马赫-曾德尔构造。由激光源1产生的辐射场被引导经过准直仪4并且由第一分束器2’分成两个不同的偏振辐射部分，其中激光源1、准直仪4和第一分束器2’之间的光学连接优选地被实现为具有偏振获得光纤的光纤构造。在该示例性实施方式中，马赫-曾德尔构造中，π-偏振辐射部分5被直接中继，而相反σ-偏振辐射部分6被引导经过具有大约10cm的臂长度的干涉仪和倒像棱镜8并且最终再次与另一辐射部分结合。

作为可能的设计变型，有利的是使用以偏振模式发射的激光源1，使得与偏振获得光纤的使用一起作为连接件，以45°耦合到干涉仪中是可能的，这继而允许均匀分成两个不同的偏振辐射部分。然而，另选地或附加地，也可以使用连接在延迟部3上游的偏振控制器。两个辐射部分5和6被一起引导回第二分束器2”并且经由45°偏振器和准直仪4被中继，其中连接件这里也可以再次被实现为光纤构造。为了实现干涉仪装置的有效的稳定性，其壁7可以被实现为微晶玻璃。

图3中解释了根据本发明的光学延迟单元的效果，其中场强关于时间，即，在时域中被示出。激光源产生辐射场，该辐射场被分成两个辐射部分，其中，E(ν,t)表示未延迟部，而E(ν,t-τ)表示延迟了τ＝2ΔL/C的辐射部分。在这种情况下，ΔL对应于延迟部的马赫-曾德尔干涉仪的两个臂中的相应一个臂的长度，而C对应于光速。两个辐射部分E(ν,t)和E(ν,t-τ)然后共同地传播并且通过干涉测量装置在时间上偏移。

图4示出了如例如从WO2009/036861A1已知的，现有技术的用于测量表面的测量设备中的干涉测量装置的示意图。这样的装置使用频率调制激光源1来产生至少一个激光束并且使用辐射检测器11来接收测量辐射MS，该测量辐射从表面13被背向散射。频率调制激光源优选地被设计为例如光纤环激光器，使得它具有大于1mm的相干长度，特别是在例如从1mm至20cm的范围内的相干长度，在1.3至1.55μm之间的中心波长以及在小于0.02nm的动态线宽下，即在60mm或更大的相干长度下大于40nm的可调谐波长范围。频率调制激光源1因此是这样的激光源，即，利用该激光源，可调谐其波长的光可以在这样的波长范围内被发射，即，光在其光的频率内可频率调制或者光在其光色内可调谐。相干长度因此也允许在几厘米的深度或距离范围内测量。

本发明因此涉及波长调谐的干涉测量法。应用利用激光源1的干涉测量原理，该激光源以相对于波长的调制方式，即，具有可变波长地发射，其中在频率域内执行测量。在这种情况下，由激光源1，例如激光二极管产生的激光辐射通过例如横越波长斜坡而被调制因此改变了辐射的发射频率。

这样的波长斜坡可以在这种情况下被设计为经典斜坡，即，一系列波长横越后，大体线性地上升和下降。然而，另选地，这一组不同波长也可以可选地被调制，即，以相对于线性排列的序列偏离的方式被调制，只要在一次横越斜坡期间获得了这一组波长并调制了一次即可。因此波长斜坡的概念包括较宽泛的意义，即，一组不同的波长，该组波长实际上可以被移入上升或下降序列中，但不必以该序列被横越和调制。然而，优选的实施方式被设计成具有交替上升和下降线性坡的序列。

由激光源1产生的激光辐射经由光学耦合器10耦合到用于测量的干涉仪构造中，该干涉仪构造被设计为共用路径几何形状，即，用于测量干涉仪臂和参考干涉仪臂的部分共用干涉仪束路径。来自施加在延迟部3的输入部处的可调谐激光源1的频率经过调制的光因此被调制了波长。参考干涉仪臂在这种情况下由梯度折射率透镜的光学出口表面处的反射限定，使得恒定的，特别是已知的距离是固定的，其中避免了进一步的背向反射。参考面因此位于收发器光学元件12中，该收发器光学元件将收发器和接收器光学元件的部件集成在用于发射激光束的光束成形光学元件内。测量干涉臂相反由待测量表面13处的反射限定。测量干涉臂和参考干涉臂的背向反射光最终经由光耦合器10被引导回到束检测器11，该束检测器11优选地被设计为具有大于100MHz的带宽的InGaAs检测器。最后，可以在分析单元中确定待测量的距离ΔL。

另外，具有光学检测器5的校准干涉仪(这里未示出)也可以用于考虑或补偿调谐行为中的非线性，其中该校正干涉仪可以特别地实现为标准器构造或马赫-曾德尔构造。

这样的测量装置可以被集成到例如用于扫描测量的坐标测量设备的采样头中，例如从WO2009/03681A1已知的。用于这样的测量设备的这样的采样头的结构在图5中示出。坐标测量设备在这种情况下具有用于在待测量表面上方限定扫描引导采样头的引导装置，并且采样头具有至少一个用于发射干涉距离测量装置的测量辐射MS的发射和接收束路径。

采样头由作为引导装置的臂元件14和接头25以限定的扫描方式在待测量表面上方引导，其中接头15相对于臂元件14的旋转也是可能的。通过相对于臂元件14和下游接头15的旋转能力，采样头可以很好地跟随带角度地或明显变化的表面轮廓。然而，从根本上，更进一步的其他旋转或平移自由度可以集成在引导装置中，以允许进一步改进对采样头的引导。

采样头具有测量束MS的至少一个表面侧发射和接收束路径。在该实施方式中，束路径被引导穿过包含收发器光学元件12的薄管。辐射检测器本身或用于中继到集成在另一位置处的辐射检测器的光波导管可以已经布置在邻接该管的较厚部16处。采样头由引导装置控制使得可以保持激光束在表面上的大体垂直入射的条件，特别是不超过与表面法线的+/-5°的偏差。采样头在这种情况下可以移动使得其相对于切线平面恒定对准地连续移动，特别是使发射和接收束路径垂直于切线平面取向。

图6示意地示出了收发器光学元件12集成到采样头的管中的情况。在该设计中，光纤12a用于引导待发射还待反射的测量辐射MS。发射在这种情况下通过布置在管状部中的梯度折射率透镜12b来执行，该梯度折射率透镜12b将测量辐射发射到待测量的表面13上并且将从该表面反射回的测量辐射MS耦合到光纤12a中。

图7示出了延迟部集成到来自图4的装置中以实现根据本发明的干涉测量装置的第一示例性实施方式。在激光源1和用于测量辐射的第一分束器2之后，该第一分束器将测量辐射分成两个辐射部分，包括有至少一个延迟部3，借此其中一个辐射部分可以相对于另一个辐射部分发生时延，从而可以产生的延迟对应于测量辐射MS值到位于相干长度外的距离的行进时间的两倍，其中，待测量的该距离d可以对应于目标13的表面。借助于根据本发明对延迟部3的使用，现在也可以对与测量装置的距离在由相干长度设定的边界之外，但特别地大于相干长度的目标进行测量。

在该第一示例性实施方式中，延迟部3设置在收发器光学元件12之前的束路径中，从而延迟发生在发射之前。

该第一示例性实施方式也可以在干涉距离测量装置中具有作为校准干涉仪的另一干涉仪，其中它也可以实现为标准器构造或马赫-曾德尔构造。

图8a至图8b以及图9a至图9b示出了在用于第一示例性实施方式的装置中的延迟部的长度的第一示例和第二示例的频率域内的辐射场。

图8a至图8b示出了在用于第一示例的频率域内的图示，其中通过使用测量干涉仪臂和参考干涉仪臂，产生了总共四个辐射场，这四个辐射场在干涉距离测量期间在辐射检测器上叠加。

作为本地振荡器的参考臂的反射以及测量臂中的目标的反射经由目标距离d而彼此延迟了行进时间。因为两个辐射部分被耦合到具有参考臂和测量臂的干涉测量装置中，因此总共四个干涉辐射场产生在辐射检测器上，在图中，未延迟的辐射场用1来表示而延迟的辐射场用2来表示，另外L用于表示本地振荡器(参考臂)而T用于表示目标(测量臂)。由于激光辐射的频率调制，时间间隔或行进部分差也在这种情况下对应于光谱差δf。

检测到的强度I是时间域或频率域内辐射场的产品，强度I的傅里叶变换FT是场E的傅里叶变换FT的折叠(folding)。

$I={\left|E\right|}^2=E\left(t\right)\·\stackrel{\‾}{E\left(t\right)}$

$FT\left(I\right)=FT\left(E\right)\⊗\stackrel{\‾}{FT\left(E\right)}$

其中

E(t)＝E_L1(t)+E_L2(t-τ_MZ)+E_T1(t-τ_T)+E_T2(t-τ_T-τ_MZ)

在这种情况下，E_L1(t)表示仅经由参考部分行进的未延迟辐射部分，E_L2(t-τ_MZ)表示仅经由参考部分行进的延迟辐射部分，E_T1(t-τ_T)表示经由目标距离行进的未延迟辐射部分，最后E_T2(t-τ_T-τ_MZ)表示都延迟并且还经由目标距离行进的辐射部分。在这种情况下，τ_MZ表示经由延迟部引导的辐射部分的行进时间，τ_T表示经由目标距离行进的辐射部分的行进时间。光谱间隔δf(2L)和δf(2d)可以表示为光程差L和d的函数。

因此，在图8a的频率域内的图示中产生了四个辐射部分或辐射场的四个频率，图8b中所示的四个拍频是在折叠之后由这四个频率产生的。在这种情况下延迟辐射场与未延迟场发生干涉，使得由图8a中的箭头表示的目标距离的扩大或对应光谱间隔δf(2d)的扩大导致频率e(f_T1,t)的变化并因此导致图8b所示的拍频i_{L2_T1}的偏移。

针对光频f增大的频率调制，第一未延迟反射在时间t具有最高频率e(f_L1,t)。在折叠之后，两个L场的干涉项具有最高强度，但是由于其位于相干范围外而被抑制。相反，辐射场e(f_T1,t)和e(f_L2,t)的干涉的最低拍频分量i_{L2_T1}表示期望的有用信号。

图9a至图9b示出了对于用于第一示例性实施方式的辐射场的第二示例的频率域内的图示，其中由延迟部件引起的延迟被选择为大于经由目标部分的行进时间或者大于测量辐射到待测量表面的行进时间的两倍。

在这种情况下，图9a中所示的目标距离d的扩大或者对应的光谱间隔δf(2d)的扩大导致图9b中针对i_{L2_T1}的拍频的减小。这样的偏移可以提供优点，由于在这种情况下拍频i_L1-T2和i_{T1_T2}+i_{L1_L2}也朝着较高频率偏移因此可以因相干性而被更强烈地抑制。

通常，除直流区以外的相干长度的两侧通过将工作范围偏移到正常相干长度以外而变得可用。然而，无歧义性被损失并且必须注意才能选择工作距离的正确侧。

图10示出了根据本发明的干涉测量装置的第二示例性实施方式的示意图，其中延迟部3被包括在根据图4的装置中的收发器光学元件12之后的束路径中，使得分成辐射部分，其中一部分的延迟仅发生接收之后并且恰好在辐射检测器11之前。根据本发明，整个延迟也可以由不同的局部(partial)延迟部引起，然而，如果期望的总延迟或光程差针对辐射部分产生，则这些局部延迟部也可以布置在束路径的各个点处。

根据本发明的干涉测量装置的第三示例性实施方式在图11中被示意地示出。虽然在第一和第二示例性实施方式中，使用了限定长度的固定延迟部，但是在这种情况下，通过与根据图7的第一示例性实施方式相比未改变的构造，使用多个可以切换的不同长度的延迟部，从而提供多个可选择的离散延迟时间。与可能的相干长度结合的延迟部之间的特定叠加在校准单个延迟部时是有利的。在这种情况下，延迟部之间的长度差稍微小于相干长度，由此发生测量范围叠加。在离开一个范围时，也可以通过切换到下一个延迟长度而达到下一个范围。因此可以利用两个延迟部来测量同一个距离，这允许采取距离校准。延迟部在这种情况下可以形成为光纤，光纤作为光学相干性X断层摄影术的应用的标准件可以得到。因此，例如，生产商，General Photonics、Newport、Ozoptics和Santec提供作为标准件的光纤耦合的延迟部，该延迟部具有达到350ps的延迟时间或者110mm的长度。

对于可以被切换的延迟部另选地的是，根据本发明，也可以使用延迟部的可连续或离散调节的变型，例如具有可调节臂长度的干涉仪。

基于简单的模拟结果在下面的图12至图19中示出了延迟部对测量的影响。在这种情况下，图12示出了用于下面的模拟的相干曲线的图示，其示出了信号强度和相干效应。基本的相干曲线被如下定义：

$coh\left(z\right)=e^{-{\left(\frac{2z\·\sqrt{\ln \left(2\right)}}{L_{coh}}\right)}^2}$

其中z作为光程差并且相关长度L_coh：＝50mm。

下列定义和等式用于这些模拟：

时间延迟:

相位:φ(t,τ):＝π·ν(t-τ)·(t-τ)

激光幅值:E_{Laser_0}:＝1

激光场:E_Laser(t,d):＝E_{Laser_0}·e^{i·φ(t,τ(d))}

本地振荡器

-长度:d_L:＝0m

-反射率:R:＝1％

-振荡器-激光场:

目标-激光场:

辐射检测器场:E:＝(E_L(t)+E_T(t))

图13示出了现有技术的没有延迟部的距离侧装置的第一模拟示例的束截面。

具有30mm的目标距离以及由其产生的60mm的光程差的该示例的参数如下：

以及58dBm的由目标损失产生的功率级，其中假定作为目标的暗金属表面的反射率(albedo)被设定为10％。距离z(水平的)和束截面(竖直的)分别以毫米指定。

出于简单起见，为了示出相干影响，其作为调制损失应用于傅里叶空间中，即，检测到的功率的傅里叶变换的P'＝FT(p)乘以相干函数P＝P'·coh。距离d或光程差(空气中OPD_T≈2·d)经由等式而对应于频率f，且激光器的光谱调谐率γ为

用于第一模拟示例的接收到的信号的关联X线断层扫描照片在图14中示出，其中，相对于以毫米为单位的光程差d来绘制功率级db。实际上，由于相干性损失和噪音，从30mm的距离开始就达到了检测极限。因此，在不考虑这些影响的模拟中，所需信号强度应该位于由虚线示出的阈值-60dB之上，从而可以考虑实际上占优势的条件。

如图中可以看到的，由实线示出的没有根据本发明的延迟的信号强度在60mm的光程差处或者在30mm的目标距离处达到其最大值并且因此略高于大约-60dB的灵敏度。

图15示出了用于第二模拟示例的束截面的图示。目标距离现在是10cm，从而得到了200mm的光程差(OPD)。数值孔径对应于来自图13的第一模拟示例。到束腰的距离是10mm，从而出射光瞳的直径为0.875mm。

如从图16所示的接收到的信号的关联X线断层照片可以看到的，信号强度的最大值略低于要针对实际条件来设定的-60dB的阈值，因此低于可检测水平。

这与如针对第二模拟示例的图17所示的，具有延迟的根据本发明的引入的模拟的结果形成了对比。

在选择延迟部OPD_MZ的光程差的情况下，可能的范围由激光的相干长度来预限定。对于没有延迟的良好的信号分析，距离或其OPD_MZ应该在相干长度的范围内：

0<OPD_T<L_coh

如果使用了延迟部，则该范围偏移了该部的OPD_MZ：

OPD_MZ<OPD_T<L_coh+OPD_MZ

最小延迟部在这种情况下：

OPD_MZmin＝OPD_T-L_coh,

而最大是：

OPD_MZmax＝OPD_T,

从而对于选择延迟部的长度，可能的范围由以下产生：

OPD_MZmin<OPD_MZ<OPD_MZmax

OPD_T-L_coh<OPD_MZ<OPD_T

在这种也由图8描述的情况下，目标距离的扩大导致测量到的拍频的扩大，这对应于所谓的“正常”测量范围。对应于图9的其它范围的利用也是可能的，其中延迟部大于该距离的OPD，并且目标距离的扩大导致拍频的减小，所谓的“反向(inverse)”测量范围：

OPD_T<OPD_MZ<OPD_T+L_coh

如果测量范围(无论正常或是反向)的无歧义性都可以由目标的移动来确定，例如，那么延迟距离可以在以下两个范围内：

OPD_T-L_coh<OPD_MZ<OPD_T+L_coh

在上述示例中，由于

d＝100mm→OPD_T＝200mm andL_coh＝50mm,

和对正常测量范围的限制，延迟部必须在以下范围内：

150mm<OPD_MZ<200mm

如果使用延迟部，则激光场包括两项，其中它们相互延迟并且d_MZ表示根据本发明的延迟部的长度(在空气中，公式成立)。

$E_{Laser}(t,d):=\frac{1}{4}{E}_{Laser\_0}\&CenterDot;e^{i\&CenterDot;\mathrm{\&phi;}(t,\mathrm{\&tau;}(d\left)\right)}\&CenterDot;\frac{1}{4}{E}_{Laser\_0}\&CenterDot;e^{i\&CenterDot;\mathrm{\&phi;}(t,\mathrm{\&tau;}(d+d_{MZ}\left)\right)}$

通过分开辐射场并且将该辐射场引导到一起所产生的损失以因子1/4加以考虑。目标距离再次是10cm并且因此光程差(OPD_T)是200mm。为了引起延迟，例如d_MZ＝90mm(OPD＝180mm)的长度的附加部被引入两个辐射部分中的位于可能的正常范围内的一个辐射部分中。

在X线断层照片中，四个所形成的拍频中的三个拍频的效应现在可识别。在200mm处，可分配给目标的正常信号是可识别的，而相反在180mm处，出现了与延迟部相关的信号。在20mm处，延迟的本地振荡器辐射场和未延迟的测量干涉仪辐射场，即，包括目标的干涉仪臂的干涉信号是可识别的。

为了清楚起见在图中未示出位于380mm处的由延迟的本地振荡器辐射场和延迟的测量干涉仪辐射场所构成的干涉信号。

20mm处的信号，尽管由延迟部引起了6dB的附加损失，仍高于灵敏度阈值因此很好检测到。

图18示出了具有针对100mm的目标距离优化的光学元件的根据本发明的距离测量装置的第三模拟示例的束截面的图示。下列参数应用于该模拟示例：

作为目标而采用的暗金属表面的反射率在该示例中被设定为10％，从而得到了由-44dBm的目标损失产生的功率级。数值孔径因此可以被因子5扩大，并且损失可以减少7dBm，这意味着对应较高的信号强度。

在图19中示出了针对根据本发明的不具有延迟的第三模拟示例的接收到的信号的关联X线断层照片。可以清楚地识别在20mm处明显超过了可检测阈值。

图20示出了图2所示的延迟部3的具体实施方式。耦合从下方执行至第一分束器2”’。第一辐射部分6在微晶玻璃部分7中所钻出的且密封的空气通道中传播。第二辐射部分5传播至第二分束器2””，该分束器再次将两个辐射部分5和6一起引导。两个分束器2”’和2””可以由例如SiO₂制成，并且其耦合和解耦表面可以具有抗反射涂层。来自图2的倒像棱镜8被实现为具有两个所示的有反射涂层的(例如，金)的微晶玻璃部分8’和8”。

空气通道中的密度不会因温度而改变并且光程保持恒定。分束器内的路径对于两个干涉仪臂是相等的。马赫-曾德尔干涉仪的所示部分3因此是无热的(athermal)。

Claims (34)

1.一种用于测量表面(13)的距离测量方法，所述距离测量方法至少包括以下步骤：

-产生激光束，该激光束的波长能通过激光源(1)的频率调制在波长范围内进行调谐，以提供具有相干长度的测量辐射，

-将所述测量辐射发射到所述表面(13)上，所述表面(13)位于预定距离范围内，

-接收从所述表面(13)背向散射的所述测量辐射，以及

-采用测量干涉仪臂和参考干涉仪臂从参考点到所述表面(13)进行干涉距离测量，

其中，所述测量辐射是在待测量的所述表面(13)上方进行扫描引导期间发射的并且再次被接收，其中，在所述干涉距离测量期间，测量干涉仪臂和参考干涉仪臂具有具有参考表面的部分共用的光束路径，所述参考表面限定了所述参考干涉仪臂并且位于用于发射所述激光束的束成形光学元件内，

-所述预定距离范围至少部分地位于所述相干长度外，并且

-所述测量辐射被分成两个辐射部分(5、6)，其中，利用延迟部(3、3’)使一个辐射部分(6)相对于另一个辐射部分被时间延迟，使得由此造成的光程差对应于与所述预定距离范围内的距离加上或减去所述激光束的所述相干长度相对应的光程差，并且其中，所述延迟部(3、3’)至少部分地实现为微晶玻璃，

所述距离测量方法的特征在于：

通过耦合到第一分束器(2’、2”’)中，在所述第一分束器(2’、2”’)中所述测量辐射被分成第一辐射部分(6)和第二辐射部分(5)，其中，所述第一辐射部分(6)在微晶玻璃部分中的空气通道中传播，

并且利用第二分束器(2”、2””)来执行所述第一辐射部分(6)和所述第二辐射部分(5)的一起引导，

其中，所述第一分束器(2’、2”’)和所述第二分束器(2”、2””)以及所述微晶玻璃部分被设计并布置成，使得所述空气通道中的光程保持恒定，并且针对所得到的干涉仪装置的两个臂，所述分束器(2’、2”、2”’、2””)内的光程也是相等的。

2.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，由所述延迟引起的光程差

-至多对应于与到待测量的所述表面(13)的距离相对应的光程差，并且

-至少对应于与到待测量的所述表面(13)的距离减去所述激光束的所述相干长度相对应的光程差，或者

由所述延迟引起的光程差

-至少对应于与到待测量的所述表面(13)的距离相对应的光程差，并且

-至多对应于与到待测量的所述表面(13)的距离加上所述激光束的所述相干长度相对应的光程差。

3.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述表面(13)是工业工件的表面。

4.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，该激光束的波长能以斜坡的形式在波长范围内进行调谐，以提供具有相干长度。

5.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述相干长度大于1mm。

6.根据权利要求5所述的距离测量方法，其特征在于，所述相干长度大于60mm。

7.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述预定距离范围完全地位于所述相干长度外。

8.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述延迟部(3、3’)的壁(7)实现为微晶玻璃。

9.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述延迟发生在将所述测量辐射发射到待测量的所述表面(13)上之前。

10.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述延迟发生在接收到从待测量的所述表面(13)背向散射的所述测量辐射之后。

11.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，提供了多个可选择的离散延迟时间。

12.一种用于测量表面(13)的干涉距离测量装置，所述干涉距离测量装置至少包括：

-一个频率调制激光源(1)，其用于产生至少一个激光束，所述至少一个激光束的波长能通过所述频率调制激光源(1)在波长范围内进行调谐，以提供具有相干长度的测量辐射，

-一个光束路径，所述光束路径具有

-发射光学元件，其用于将所述测量辐射发射到所述表面上，所述表面位于预定距离范围内，

-接收光学元件，其用于接收从所述表面背向散射的所述测量辐射，

-测量干涉仪臂和参考干涉仪臂，所述测量干涉仪臂和所述参考干涉仪臂具有部分共用的光束路径，

-一个辐射检测器(11)，其用于接收从所述表面(13)背向散射的所述测量辐射，

-一个分析单元，其用于确定从所述距离测量装置的参考点到所述表面(13)的距离，

-用于所述测量辐射的至少一个分束器，所述至少一个分束器将该测量辐射分成两个辐射部分(5、6)，以及

-至少一个延迟部(3、3’)，通过所述至少一个延迟部(3、3’)，其中一个辐射部分(6)能相对于另一个辐射部分(5)被时间延迟，使得由此造成的光程差对应于与所述预定距离范围内的距离加上或减去所述激光束的所述相干长度相对应的光程差，

其中，所述延迟部(3、3’)至少部分地由微晶玻璃制成，

所述距离测量装置的特征在于：

所述延迟部(3、3’)被设计成马赫-曾德尔构造，

其中，在第一分束器(2’、2”’)之后，第一辐射部分(6)在微晶玻璃部分中钻出的且密封的空气通道中传播，利用第二分束器(2”、2””)，由所述第一分束器(2’、2”’)分支出的第二辐射部分(5)与所述第一辐射部分(6)一起被引导，并且在发生温度变化的情况下，针对所述延迟部(3、3’)的干涉仪装置的两个臂，所述第一分束器(2’、2”’)和所述第二分束器(2”、2””)内的光程是相等的。

13.根据权利要求12所述的距离测量装置，其特征在于，所述延迟部(3、3’)被设计为无热干涉仪装置，使得所述空气通道中的光程保持恒定。

14.根据权利要求12所述的距离测量装置，其特征在于，利用两个经反射性涂覆的微晶玻璃部分(8’、8”)实现了倒像棱镜(8)，

并且/或者所述第一分束器(2’、2”’)和所述第二分束器(2”、2””)由SiO₂制成，其中，它们的耦合和解耦表面具有减反射涂层。

15.根据权利要求12所述的距离测量装置，其特征在于，所述表面(13)是工业工件的表面。

16.根据权利要求12所述的距离测量装置，其特征在于，该激光束的波长能以斜坡的形式在波长范围内进行调谐，以提供具有相干长度。

17.根据权利要求12所述的距离测量装置，其特征在于，所述相干长度大于1mm。

18.根据权利要求17所述的距离测量装置，其特征在于，所述相干长度大于60mm。

19.根据权利要求12所述的距离测量装置，其特征在于，所述接收光学元件是组合的发射和接收光学元件(12)。

20.根据权利要求12所述的距离测量装置，其特征在于，所述辐射检测器(11)是带宽大于100MHz的InGaAs检测器。

21.根据权利要求12所述的距离测量装置，其特征在于，其特征在于，所述延迟部(3、3’)的壁(7)由微晶玻璃制成。

22.根据权利要求12所述的距离测量装置，其特征在于，其特征在于，所述延迟部(3、3’)被设计成具有呈光纤结构的光学连接的所述马赫-曾德尔构造。

23.根据权利要求14所述的距离测量装置，其特征在于，其特征在于，利用两个用金涂覆过的微晶玻璃部分(8’、8”)实现了倒像棱镜(8)。

24.根据权利要求12所述的距离测量装置，其特征在于，所述至少一个分束器将所述测量辐射分成两个不同偏振的辐射部分(5、6)。

25.根据权利要求12或14所述的距离测量装置，其特征在于，所述延迟部(3、3’)

-能连续调节，或者

-能从多个不同长度的延迟部(3、3’)中选择。

26.根据权利要求25所述的距离测量装置，其特征在于，所述延迟部(3、3’)能够切换。

27.根据权利要求25所述的距离测量装置，其特征在于，所述延迟部(3、3’)由不同长度的光纤形成。

28.根据权利要求12或14所述的距离测量装置，其特征在于，所述延迟部(3、3’)在所述光束路径中布置在所述发射光学元件之前。

29.根据权利要求12或14所述的距离测量装置，其特征在于，所述延迟部(3、3’)在所述光束路径中布置在所述接收光学元件之后。

30.根据权利要求12或14所述的距离测量装置，其特征在于，所述干涉距离测量装置具有作为校准干涉仪的另一干涉仪。

31.根据权利要求30所述的距离测量装置，其特征在于，所述另一干涉仪呈标准器构造或马赫-曾德尔构造。

32.一种用于测量表面的测量设备，所述测量设备包括：

-引导装置(14、15)，用于在待测量的所述表面上方对采样头进行限定的扫描引导，以及

-根据权利要求12至31中任一项所述的干涉距离测量装置，其中

-所述采样头具有用于发射所述测量辐射的至少一个发射和接收光束路径，并且

-所述测量干涉仪臂和所述参考干涉仪臂中的光束路径具有部分共用的部分，所述部分共用的部分具有参考面，所述参考面限定了所述参考干涉仪臂并且位于用于发射所述激光束的束成形光学元件内。

33.根据权利要求32所述的测量设备，其特征在于，所述测量设备是用于测量工业工件的坐标测量设备。

34.根据权利要求32所述的测量设备，其特征在于，所述参考干涉仪臂由在所述束成形光学元件的梯度折射率透镜的光学出射表面处的反射来限定。