CN104508421B - 光学测量探针和用于内直径和外直径的光学测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量物体的内直径和/或外直径的光学测量探针，所述光学测量探针具有用于将光束聚焦或对准到物体的表面上的第一光学元件。在此规定，在光学测量探针中如此设置用于将光束分成第一测量光束和第二测量光束的第二光学元件，从而使得第二测量光束反向于第一测量光束的方向从测量探针中导出，第一测量光束构成第一探测点而第二测量光束构成第二探测点。本发明此外还涉及一种相应的、用于利用光学测量探针测量直径的方法。所述光学测量探针和所属的方法能够实现测量探针的内直径和/或外直径的简单的光学检测。

Description

光学测量探针和用于内直径和外直径的光学测量的方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量物体的内直径和/或外直径的光学测量探针，所述光学测量探针具有用于将光束聚焦或对准到物体的表面上的第一光学元件。

本发明此外还涉及一种用于利用测量仪器和光学测量探针光学测量物体的内直径和/或外直径的方法，其中光束由光学测量探针聚焦到物体的表面上。

背景技术

对于形状、直径和表面粗糙度的光学检测已知干涉仪式运行的光学测量系统，其包括调制干涉仪和后置于该调制干涉仪的参考干涉仪。该光学测量系统用于光学间距测量，例如在表面几何结构的测量中的质量保障中。文献EP 1 058 812 B1描述了一种这样的用于检测特别是粗糙表面的形状和间距的干涉仪式的测量仪器，该测量仪器包括至少一个空间上相干的光束生成单元，其光束在测量仪器的测量探针中分成一个通过测量参考分支引导的并且在其中反射的参考测量束和一个通过参考分支引导的并且在粗糙表面上反射的测量束；包括一个装置，用于调制光相或者用于根据第一子光束的相对于第二子光束的光相或光频的外差频率移动光频；包括叠加单元，用于将反射的测量参考光束与反射的测量光束叠加；具有光束分离单元和光束接收单元，用于将叠加的光束分成至少两个具有不同波长的光束并且用于将光束转换为电信号；并且具有分析处理单元，其中粗糙表面的形状或间距基于电信号的相位差是可确定的。在此规定，由光束生成单元发出的光束是在时间上短时相干的并且宽带的，使得光束生成单元、用于形成第一子光束和第二子光束的分束镜和用于相位调制或频率移动的装置设置在一个与测量探针在空间上间距的构造为调制干涉仪的结构单元中，并且在该机构单元中在子光束的光路中设置一个延迟元件，该延迟元件产生两个子光束的光学路径长度的差，该差长于由光束生成单元发出的光束的相干长度。

这样的首先由两个干涉仪组成的干涉仪式的测量仪器可以以不同的干涉仪类型构成。如此调制干涉仪可以构造为马赫-增德尔干涉仪，而测量干涉仪或测量探针紧凑地例如构造为米劳干涉仪。对于干涉仪式的测量仪器共同的是，在第一干涉仪中写入的在短时相干的光束源的两个子光束之间的光路差在第二测量干涉仪或测量探针中又被调整并且如此使得子光束形成干涉。在文献EP 1 058 812 B1中通过延迟元件写入的光路差在此也可以通过不同长度的子臂产生，所述子臂由子光束通过，如在文献EP 1 058 812 B1中在一个以光导体构成的调制干涉仪中所示的那样。

在调制干涉仪中待写入的光路差针对测量干扰仪或测量探针的构造上的实施方式。

文献EP 1 082 580 B1描述了一种干扰仪式测量仪器，用于检测形状、粗糙度或表面与调制干扰仪的间距，该调制干扰仪具有在空间上相干的光源和用于将其光束分成两个子光束的分束镜，其中一个子光束相对于另一子光束借助于调制装置移动其光相或光频并且随后集中在一起，该测量仪器包括测量探针，其中将集中的子光束分成通过测量分支引导的并且在表面上反射的测量光束以及通过参考分支引导的并且在其中反射的参考光束并且其中反射的测量光束与反射的参考光束叠加；并且包括接收单元，用于分开叠加的具有不同波长的光束并且将光束转换为电信号并且用于基于相位差分析处理信号。在此规定，构造为结构单元的调制干扰仪与测量探针在空间上分离并且经由光导纤维装置可与该测量探针耦合，并且测量分支和参考分支通过一个或多个引导测量光束和参考光束的固体形成。

在文献DE 197 21 843 C1中已知一种干涉仪式的测量仪器，用于在测量物体的粗糙表面上的形状测量，该测量仪器包括：光束生成单元，用于发出短时相干光束；第一分束镜，用于形成第一子光束和第二子光束，其中第一子光束朝向待测量的表面，而第二子光束朝向一个装置，该装置具有用于周期地改变光程的反射元件；叠加元件，在该叠加元件上来自表面和装置的光束处于干涉；以及光电探测装置，其接收干扰的光束并且将相应的电信号提供给用于分析处理的控制装置。在此规定，第一子光束借助于至少另一分束镜分成至少两个另外的子光束；该一个另外的子光束作为参考子光束引导到与另一分束镜以预定间距设置的参考镜上，而所述至少一个另外的子光束作为测量子光束偏转到测量物体的相应的测量点（MP1、MP2）上，并且参考子光束和至少一个测量子光束的干扰最大值（E_R、E₁、E₂）分别地是可检测的。有利地在此将附加的第二测量子光束分开。通过比较第一测量子光束和第二测量子光束与来自装置的第二子光束的干扰形成可以获得在测量物体的表面上用于第一测量点的参考点。通过在调制干涉仪（Modulationsinterferometer）中光路径长度的变化可以将第二测量子光束的探测点移动到测量物体的表面的第二测量点。由光路径长度的变化可以如此推断在两个测量点之间的间距，例如孔的直径。在此不利的是，测量区域限于在调制干扰仪中光学路径长度的调节可能性，并且用于提供参考子光束（Referenz-Teilstrahl）的昂贵的光束引导装置是需要的。

除了所述的调制干涉仪，用于确定表面轮廓和粗糙度的另外的光学点测量探测系统和测量方法也是已知的，例如自动对焦传感器、三角测量法（Triangulation）、着色传感器和白光干涉仪（Weisslicht-Interferometer）。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种构造简单的用于测量物体的直径的光学测量探针。

此外本发明的任务在于，提供一种用于运行这样的光学测量探针的方法。

涉及光学测量探针的本发明任务由此解决，即在光学测量探针中如此设有用于将光束分成第一测量光束和第二测量光束的第二光学元件，从而使得第二测量光束反向于第一测量光束的方向从测量探针中导出，第一测量光束构成第一探测点而第二测量光束构成第二探测点。

光学测量探针可以如此定位，从而在第一测量位置中第一测量光束的第一探测点位于表面的第一测量点上。在第二测量位置中第二测量光束的第二探测点位于表面的第二测量点上。探测点在此是这样的位置，在该位置可以例如干涉仪式地说明表面位置。因为两个测量光束沿相反的方向走向，所以可以由平行于测量光束的传播方向的在第一测量位置与第二测量位置之间的间距在两个探测点的已知间距的情况下确定在表面上两个测量点的间距。

测量位置的间距可以例如通过坐标测量仪器或形状测量仪器的探测臂的测量的移动路径或者通过探测臂的调节元件的控制确定，其中光学测量探针是探测臂的一部分。测量点自身的可测量的间距仅仅通过探测臂的调节位移限制。该装置实现了孔的内直径的测量以及测量物体的外直径的测量。通过两个测量光束的定向为此测量探针的旋转不是必要的，由此实现了在有利的结构的情况下的高精度。

由此实现物体、例如工件中的孔的直径的简单的确定，垂直于包含测量探针的探测臂的机械轴线地引导第一测量光束和第二测量光束。随后由探测臂的沿着两个测量光束的传播方向的横向运动获取测量位置的间距。

在测量物体的表面上两个准确对置的测量点的间距可以由此简单地测量，即在一条共同的直线上沿相反的方向引导第一测量光束和第二测量光束。

第一子光束分成第一测量光束和第二测量光束可以由此实现，从而第二光学元件构造为棱镜对，或者第二光学元件由分束镜和紧接着的镜面构成。第一测量光束和第二测量光束的传播的方向通过棱镜或分束镜和镜的反射的表面的定向预定。在此具有棱镜的装置实现了：在一条共同的直线上沿相反的方向引导第一测量光束和第二测量光束。

在同时可自由定位的测量探针的情况下的紧凑的结构由此产生，即光学测量探针在光导体上与分析处理单元耦合。测量探针和分析处理单元形成例如干涉仪式运行的光学测量系统。

第一测量光束和第二测量光束在分析处理单元中的简单的分离的光学分析处理可以由此实现，即第二光学元件构造为偏振光学元件，并且第一测量光束和第二测量光束不同地偏振。为了分析处理实现了不同的偏振层的相应的分离。

如果规定，在分析处理单元中存储在第一测量光束的第一探测点与第二测量光束的第二探测点之间的间距，和/或分析处理单元设计为用于控制用于探测臂的运动的调整元件，和/或分析处理单元与测量机构连接，所述测量机构用于确定在第一测量位置与第二测量位置之间的间距，如此在具有在测量位置之间的间距和在探测点之间的间距的分析处理单元中存在用于确定在两个表面之间的间距的所有必要的信息。在测量位置之间的间距可以在此备选地由调节元件的控制或由探测臂的移动位移的测量确定。

本发明的涉及方法的任务由此解决，即在光学测量探针中的光束分成具有第一探测点的第一测量光束和具有与第一探测点正好对置的第二探测点的第二测量光束；在第一步骤中光学测量探针如此定位到第一测量位置上，使从而得第一探测点位于物体的第一表面上；在第二步骤中探测臂如此定位到第二测量位置上，从而使得第二探测点位于物体的第二表面上；并且所述表面的间距由在第一测量位置与第二测量位置之间的间距和在第一探测点与第二探测点之间的校准间距确定。探测点在此是这样的位置，在该位置上可以光学地说明表面位置。第一测量位置用作参考点。基于该参考点探测臂如此长地朝第二表面的方向运动，直至第二探测点位于第二表面上。由测量探针并继而探测臂的移动路径以及由装置特定的在两个探测点之间的校准间距现在可以推断在两个表面之间的间距。该方法实现了测量物体的内直径或外直径的准确测量。最大可测量的直径在此仅仅依赖于探测臂的最大移动路径。

如果规定，第一测量光束和第二测量光束垂直于探测臂的机械轴线引导到表面上，那么可以在第二测量位置开始移动时准确地确定移动路径。

为了确定在两个表面之间的间距，将校准间距准确地认识为在两个探测点之间的距离是必要的。为了准确地确定校准间距可以规定，在第一探测点与第二探测点之间的校准间距在一个校准步骤中在一个校准物体上以已知的形式确定；并且校准间距存储在分析处理单元中。在校准步骤中，首先针对第一表面调节第一探测点，而随后针对校准物体的第二表面调节第二探测点。由对此必要的移动路径可以在校准物体的两个表面的已知间距的情况下确定在两个探测点之间的校准间距并且为了以后的测量而存储在分析处理单元中。

附图说明

在下文中根据在附图中示出的实施例进一步阐明本发明。附图示出：

图1是光学测量探针的示意图；

图2是光学元件。

具体实施方式

图1示出了光学测量探针10的示意图。光学测量探针10在示出的实施例中是用于检测物体的内直径或外直径的光学测量仪器的一部分。光学测量探针10经由光导体11与光学测量仪器的一个未示出的分析处理单元耦合。由分析处理单元经由光导体11引导到光学测量探针10的光束13通过构造为格林透镜的第一光学元件12聚焦并且由以棱镜对形式的第二光学元件20分成具有第一探测点15的第一测量光束14和具有第二探测点17的第二测量光束16。第一光学元件12将第一子光束13聚焦到两个探测点15、17。

光学测量探针10和光导体11是一个未示出的形状测量仪器的探测臂的一部分。光学测量探针10可以如此在空间上相对于待测量的表面定位。

第一测量光束14和第二测量光束16通过第二光学元件20如此转向，从而使得它们垂直于光学测量探针10进而形状测量仪器的探测臂的机械轴线由光学测量探针10射出。在此测量光束14、16如此定向，使得所述测量光束沿着直线沿相反的方向延伸。

光学测量仪器如此设计，从而当该光学测量仪器位于测量光束14、16的焦点也就是在探测点13、15其中之一上时，该光学测量仪器显示了一个表面。这可以例如干涉仪式地实现。

为了确定测量物体的直径，例如测量一个孔的内直径，光学测量仪器首先在一个校准物体上进行校准，该校准物体具有在两个对置表面之间的已知间距。在此确定在探测点15、17之间的间距并且作为校准间距存储在分析处理单元中。

为了确定孔的直径，光学测量探针10在孔中如此定位，使得第一探测点15位于孔的内表面上。该第一测量位置存储在形状测量仪器的坐标系统中。随后探测臂进而光学测量探针10沿着测量光束14、16位于其上的直线如此移动，使得第二探测点17位于孔的对置的表面上。而且存储这两个测量位置。由两个测量位置和校准间距现在可以确定孔的直径。

图2示出了已经在图1中引入的以棱镜对的形式的第二光学元件20。第一棱镜22和第二棱镜27相对地通过接触面26定向。在第一棱镜22上设有第一光束射入面21、第一光束出射面23以及第一反射面24。相应地第二棱镜27包含第二光束射入面25、第二光束出射面28以及第二反射面29。

在图1中示出的聚焦的光束13通过光束射入面21、25入射到棱镜22、27中。光束13的一部分在第一反射面24上反射并且离开第一棱镜22作为第一测量光束14通过第一光束出射面23。光束13的另一部分在第二反射面29上反射并且离开第二棱镜27作为第二测量光束16通过第二光束出射面28。通过棱镜22、27和反射面24、29的设置实现了：测量光束14、16沿相反的方向垂直于光学测量探针10的机械轴线离开光学测量探针10。由此构成两个正好相反设置的探测点15、17，它们位于一个直线上并且垂直于光学测量探针10并继而探测臂的机械轴线定向。由测量物体的表面反射回的测量光束14、16经由相应的光束出射面23、28，相应的反射面24、29以及相应的光束射入面21、25引导回到在图1中示出的第一光学元件12和光导体11。

Claims (9)

1.用于测量物体的内直径和/或外直径的光学测量探针，所述光学测量探针具有用于将光束聚焦或对准到物体的表面上的第一光学元件，其特征在于，在所述光学测量探针（10）中如此设置用于将光束（13）分成第一测量光束（14）和第二测量光束（16）的第二光学元件（20），从而使得所述第二测量光束（16）反向于所述第一测量光束（14）的方向从所述光学测量探针（10）中导出，并且所述第一测量光束（14）构成第一探测点（15）而所述第二测量光束（16）构成第二探测点（17），其中，在第一步骤中所述光学测量探针（10）如此定位到第一测量位置上，从而使得所述第一探测点（15）位于物体的第一表面上；其中，在第二步骤中包含所述光学测量探针的探测臂如此定位到第二测量位置上，从而使得所述第二探测点（17）位于物体的第二表面上；并且其中，所述表面的间距由所述第一测量位置与所述第二测量位置之间的间距和所述第一探测点（15）与所述第二探测点（17）之间的校准间距确定，其中，在一条共同的直线上沿相反的方向引导所述第一测量光束（14）和所述第二测量光束（16）。

2.根据权利要求1所述的光学测量探针，其特征在于，垂直于包含所述光学测量探针的探测臂的机械轴线引导所述第一测量光束（14）和所述第二测量光束（16）。

3.根据权利要求1所述的光学测量探针，其特征在于，所述第二光学元件（20）构造为棱镜对，或者所述第二光学元件（20）由分束镜和紧接着的镜面构成。

4.根据权利要求1所述的光学测量探针，其特征在于，所述光学测量探针（10）通过光导体（11）与分析处理单元耦合。

5.根据权利要求1所述的光学测量探针，其特征在于，所述第二光学元件（20）构造为偏振光学元件，并且所述第一测量光束（14）和所述第二测量光束（16）程度不同地偏振。

6.根据权利要求4所述的光学测量探针，其特征在于，在所述分析处理单元中存储有在所述第一测量光束（14）的第一探测点（15）与所述第二测量光束（16）的第二探测点（17）之间的间距；和/或设计所述分析处理单元以便控制用于探测臂的运动的调整元件；和/或所述分析处理单元与用于确定在第一测量位置与第二测量位置之间的间距的测量机构连接。

7.用于利用测量仪器和光学测量探针（10）光学测量物体的内直径和/或外直径的方法，其中将光束由所述光学测量探针（10）聚焦到物体的表面上，其特征在于，在所述光学测量探针（10）中的光束分成具有第一探测点（15）的第一测量光束（14）和具有与所述第一探测点（15）正好对置的第二探测点（17）的第二测量光束（16）；在第一步骤中所述光学测量探针（10）如此定位到第一测量位置上，从而使得所述第一探测点（15）位于物体的第一表面上；在第二步骤中包含所述光学测量探针的探测臂如此定位到第二测量位置上，从而使得所述第二探测点（17）位于物体的第二表面上；并且所述表面的间距由所述第一测量位置与所述第二测量位置之间的间距和所述第一探测点（15）与所述第二探测点（17）之间的校准间距确定，其中，在一条共同的直线上沿相反的方向引导所述第一测量光束（14）和所述第二测量光束（16）。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述第一测量光束（14）和所述第二测量光束（16）垂直于所述探测臂的机械轴线地引导到表面上。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在所述第一探测点（15）与所述第二探测点（17）之间的校准间距在一个校准步骤中在一个校准物体上以已知的形式确定；并且所述校准间距存储在分析处理单元中。