CN104520669A - 用于测量测量对象的测量装置、设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用测量测量对象(12)的测量单元(10)，包含：照明单元(14)，用于以照明图案(46)照明所述测量对象(12)；图案产生装置(16)，具有至少一个图案产生元件(36，38；42)，用于造成所述照明图案(46)的依赖于位置的强度分布；以及光学传感器布置(18)，用于采集由所述测量对象(12)反射和/或散射的照明图案(46)。另外，所述测量单元(10)还具有至少在测量对象侧为远心的光学系统(44)，所述光学系统布置在从所述照明装置(14)到所述测量对象(12)的光束路径(24)中，其中，所述光学传感器布置(18)布置为使得其通过所述远心光学系统(44)的至少一部分采集所述照明图案(46)，以及其中具有所述至少一个图案产生元件(36，38；42)的所述图案产生单元(16)设计为使得所述照明图案(46)在所述测量对象侧具有依赖于位置和/或依赖于光谱的后焦距分布(52，54，56)。另外，本发明涉及一种包含这种测量单元的装置以及用于测量测量对象的方法。

Description

用于测量测量对象的测量装置、设备及方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量测量对象的测量装置，包含：照明装置，用于利用照明图案照明测量对象；具有至少一个图案产生元件的图案产生装置，用于造成照明图案的位置上变化的强度分布；以及光学传感器布置，用于检测由测量对象反射和/或散射的照明图案。

另外，本发明涉及一种包含这种测量装置的用于测量测量对象的设备。

进一步，本发明涉及一种测量测量对象的方法。

背景技术

例如，由文献DE 199 55 702A1已知该类型的测量装置、该类型的设备以及该类型的方法。

本发明通常关注无接触式光学传感器，用于形貌上检测测量对象的表面。这种传感器主要用途领域为工业测量，即机械工件的度量学测量。然而，原则上，该类型传感器可用于所有的成像操作。

该类型的无接触式测量光学传感器的一个优点主要在于以下事实：与进行触觉测量的传感器相比，可显著更快地测量表面。

原则上，在现有技术中已知实现触觉测量的这种测量系统。在该情况中，要测量的表面形貌借助于探测头或测量探头来触摸。测量头具有例如红宝石球的触摸元件，并且是坐标测量机器的一部分，该坐标测量机器使探测头具有固定在那里与要测量的表面接触的触摸元件。探测头或探测元件的位置和压力通过应变仪或其它传感器来确定。表面轮廓由点状或连续触觉感知来确定。然而，这种进行触觉测量的系统的速度受到限制。这是由于以下事实，首先，总是需要与要测量的表面的机械接触；其次，进行的测量永远只是点状测量。尽管在所谓的“扫描过程”的背景中可提供自动横越表面上的路径，这仍仅是点状测量的序列。探测元件的尺寸附加地限制表面的可测量半径，即通常不能检测到小凹陷。另外，在一定情形下，非常重的探测元件可导致非常敏感表面的损坏。

另外，已提出单色共焦传感器，其聚焦单色光(通常是激光束)至要测量的表面附近。要测量的表面反射回或散射回的光成像至共焦平面中或附近的针孔光阑上。针孔光阑传输的光能是对物侧焦平面与表面之间距离的测量。举例而言，通过保持传输的光能不变，表面可总是保持在传感器的焦点处。那么，表面形貌可通过以类似于触觉传感器情况中的方式沿着预定路径逐点测量来检测。因而，测量在此还仅以点状形式进行，要求相对精确地设定控制精度和操作距离。

还已知彩色共焦传感器，其中，光谱宽带光聚焦在要测量的表面附近。聚焦通过具有较大纵向色差(即，焦平面根据光波长而极大地变化)的光学系统来实现。同样地，借助于共焦针孔光阑和光谱仪，传感器和表面之间的距离可在相对大操作距离范围上确定，其长度由宽带光的最大与最小波长的物侧顶焦距之间的差产生。在此，同样地，测量在各个情况中仍仅以点状方式进行，如例如文献EP 1 287 311 B1中所示。

另外，已知所谓的条纹照明方法或偏转测量方法，其通常将条纹图案投射至要测量的表面上。要测量的表面形貌使表面反射的条纹变形。反射的条纹由相机(即，二维传感器阵列)检测。表面形貌可由反射的条纹图案的所测变形来推出。条纹照明的简单变型是激光线照明，其中辐射至测量对象上的激光线的形状然后在各情况中被评估。尽管通过该方法可检测及测量较大区域，测量准确度反而比上述点状测量方法的情况更低。另外，在高度散射的表面的情况中，可因评估中的不准确而出现问题。

另外，已知利用相干或部分相干光辐射且从反射方向观察要测量的表面的干涉方法。然后，表面形貌从深度方面(即，在传播方向上)或横向地(即，垂直于传播方向)影响光干涉。利用窄带激光的干涉方法适合例如用于透镜表面的高精度测量。光谱宽带光用于所谓的白光干涉测量法或光学相干断层成像术(OCT)的情况中。干涉测量法的种类总体还包括全息术。因此，所有干涉测量法还需要参考光束路径，然而，所述参考光束路径总是具有对测量装配中干扰的高敏感性。

上述方法中的一些仅进行点状测量。进行区域测量的方法总是以照明方向和观察方向之间的角度来操作。然而，尤其是仅允许相对于要测量的表面的受限观察角度的空间上极大受限的应用，例如孔或通道的测量，不允许照明方向与观察方向之间的大角度，因此进行区域测量的方法的精度还减小。

因此，引言中提及的文献DE 109 55 702 A1提出了其中在要测量的表面的方向上将发光点或环作为照明图案来辐射的光学测量方法。取决于要测量的表面是否位于图案中，出现特定反射图形，然后可对其进行评估。由图案的可能畸变，进一步可确定的不仅是测量点与传感器之间的距离，而且是探测的表面点的倾斜，以及因此可推导位于测量点周围的点以及它们的位置。

另外，例如文献DE 34 18 767 A1提出对于表面形貌的点状测量使用特定像差、像散。

尽管上述两个文献中公开的方法概括了其中照明方向和观察方向可关于彼此基本上平行且共轴延伸的测量系统，但是所述系统仅有对于分别位于相应传感器记录装置的中心的点的精确测量。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种测量装置，其消除上述方法的缺点，并能够尤其通过不仅是点状的测量来实现较高测量速度。

根据本发明的第一方面，因此提出发展引言中所提的测量装置，以达到以下效果：测量装置还具有至少在测量对象侧是远心的且布置在从照明装置到测量对象的光束路径中的光学系统，其中光学传感器布置布置为使得其通过远心光学系统的至少一部分检测照明图案，以及其中具有至少一个图案产生元件的图案产生装置设计为使得照明图案在测量对象侧具有位置上和/或光谱上变化的顶焦距分布。

根据第一方面提出的方案因此以横向延伸(即，垂直于光的传播方向)的照明图案来照明测量对象。光学传感器布置尤其是检测反射的和/或散射的照明图案的区域二维相机。那么，接着评估图案的成像清晰度，这通过照明图案的位置上和/或光谱上变化的顶焦距分布而变得可能。

换言之，因此，照明图案一方面通过横向的光谱上变化的强度分布而不具有三维图案化。举例而言，照明图案可为大量同心环、棋盘式图案、条纹图案等。另一方面，照明图案进一步具有“第三维度”。也就是说，进一步的编码压印在照明图案的第三维度上，该进一步的编码可基于通过光学传感器布置来检测的图像而聚集。这是位置上和/或光谱上变化的顶焦距分布。位置上变化的顶焦距分布在此意味着焦点可针对照明图案的每个横向位置变化。举例而言，棋盘式图案的不同环或不同单元可具有不同的聚焦深度。取决于照明图案的哪个区域最终清晰地成像，还可推断清晰成像的点的位置，以及进一步可由不清晰的测量推断位于清晰成像的点之间的各点的位置。

同时，还可针对照明图案的每个位置而呈现光谱上变化的顶焦距分布。基本上，在该情况中针对图案的每个点都产生纵向色差。因此，例如如共焦彩色传感器的情况，对于照明图案的每个点，可分析彩色强度分布以及检测点的位置。

因此，“光谱变化”描述波长依赖性。因此，“位置变化”描述对横向位置的依赖性。

根据第二方面的设备包含根据本发明第一方面的测量装置或其构造之一，并且进一步包含用于评估通过光学传感器布置和/或另一光学传感器布置检测的图像的评估单元。

根据本发明第二方面的方法包含以下步骤：利用具有位置上变化的强度分布的照明图案照明测量对象，其中照明图案在测量对象侧还具有位置上和/或光谱上变化的顶焦距分布；通过光学传感器布置检测由测量对象反射和/或散射的照明图案；以及评估在整个检测的照明图案上的图像清晰度和/或光谱分布。

光学系统的至少物侧远心还具有以下效果：测量对象的成像比例依赖于其关于测量对象的相对位置。因此，在评估中不用考虑变化的放大率，这简化了评估，并因此附加地加速测量或改进度量学精度。

在该情况中，“顶焦距”表示通过照明图案的特定点的光线的交叉点与测量装置的位于离测量对象侧最远处的光学元件的表面之间的距离。

根据本发明的第二方面的设备和根据本发明的第三方面的方法因此具有与根据本发明的第一方面的测量装置相同的优点。引言中规定的目的因此完全实现。

在测量装置的一个构造中，设置光学传感器布置为相机，即区域或二维测量传感器，并且其中具有至少一个图案产生元件的图案产生装置设计为使得照明图案在测量对象侧具有位置上变化的顶焦距分布。

这样，因此变得可以单个记录测量大表面区域。

在测量装置的另一构造中，可设置光学传感器布置为光谱仪或光谱上解析的二维传感器，并且其中具有至少一个图案产生元件的图案产生装置设计为使得照明图案在测量对象侧具有光谱上变化的顶焦距分布。

在该构造中，还可通过单个记录完成要测量的测量对象的大表面区域的区域式检测。在该情况中，光谱仪尤其可为多线光谱仪，如下文所说明。此外，传感器可为相机，尤其是数字相机，其检测每个像素的光谱分辨率。这样，大表面区域的全部区域式检测甚至在具有光谱上变化的顶焦距分布的构造的情况中变得可能。

在测量装置的另一构造中，可设置图案产生装置的图案产生元件为传输结构(transmission structure)，其相对于辐射的光束路径至少部分倾斜地延伸。

因此，传输结构布置在照明光束路径中。传输结构产生位置上变化的强度分布以及因此的照明图案。照明图案因此通过穿过传输结构的辐射投射至测量对象上。如果传输结构相对于从照明装置至测量对象的光束路径至少部分倾斜地延伸，则位置变化同样针对焦点位置出现。因此，针对传输结构的不同点，可出现不同的焦点位置。如下文所说明，举例而言，可提供多个同心环，其中每个环具有不同的焦点位置。因此，取决于表面的位置，仅特定环或一个或多个环的部分清晰成像。这种照明图案可例如通过如传输结构的锥形物而获得。

本领域普通技术人员从布置的光学装配推断“光束路径”的传播方向。如果光学系统具有折射光学元件，那么光束路径的传播方向平行于折射元件的光轴行进。

在测量这种的另一构造中，可设置图案产生装置的第一图案产生元件为垂直于光束路径延伸的平面传输结构，并且其中图案产生装置的第二图案产生元件为具有纵向色差的折射光学元件或具有球差的光学元件。

同样可利用垂直于光束路径延伸的传输结构产生照明图案。具有纵向色差的折射光学元件还可对于整个照明图案造成光谱上变化的顶焦距。提出的测量原理还可通过具有球差的光学元件来实现。球差同样导致在深度方向上伸长的焦点区域。尽管光学传感器布置上的完全清晰的成像因此在各个情况中均得到实现，仍可在相应校准之后发现平行于光束路径的深度方向上的、反射和/或散射光的强度最大的位置。

在测量装置的另一构造中，可设置测量装置另外具有光学系统中的第一分束器，所述第一分束器将光束路径分为第一测量光束路径和第二测量光束路径，其中第一测量光束路径和第二测量光束路径取向为彼此垂直。

这样，如下文所说明，举例而言，两个方向上的同时测量变得可能。举例而言，这样可确定孔的深度，并且同时可检测到孔的边缘的距离。

在测量装置的一个构造中，可设置第一分束器为二向色分束器。

这样，举例而言，第一测量光束路径可以第一波长范围来操作，第二测量光束路径可以第二波长范围来操作。这样，对第一测量光束路径和第二测量光束路径的依赖于波长的分配可最终在评估期间实现。甚至另外的同时可操作测量光束路径还可通过另外的光束路径的二向色分束来提供。

在测量装置的另一构造中，可设置第一分束器为偏振光学分束器。

这样，对第一测量光束路径和第二测量光束路径的分配可通过两个不同的偏振来实现，这使得能够明确地评估。

在测量装置的另一构造中，可设置图案产生装置的第二图案产生元件为具有纵向色差的折射光学元件，其中光学系统设计为使得中间像在光学系统中产生，以及其中彩色渐变滤波器布置在中间像的平面中。

色彩评估可以该方式实现。特别地，这种评估可通过光谱仪来实现，并且因此不需要针对每个像素进行光谱评估的相机。这可使得更有利的光学传感器布置成为可能，使得可提供整体上更有利的测量装置。

在测量装置的另一构造中，可设置图案产生装置产生的照明图案为栅格形点图案，其中孔图案布置设置在光学系统与光学传感器布置之间，其中孔图案布置的每个孔通过光学波导连接到光学传感器布置。

特别地，在该情况中可设置光学传感器布置为多线光谱仪。

该构造也使得能够在不使用具有针对每个像素的光谱分析的相对花费高的相机的情况下进行色彩评估。孔图案布置或所谓的“针孔阵列”的各个孔可通过光学波导分配给多线光谱仪的线。这样，可单独评估针孔阵列的各点。

在测量装置的另一构造中，可设置具有以细长方式延伸的外壳部分的外壳，其中光学系统具有在以细长方式延伸的外壳部分中的中继光学系统，以及其中从照明装置至测量对象的光束路径以及从测量对象至光学传感器布置的检测光束路径彼此平行地行进穿过中继光学系统。

这同样提供使用平行且共轴行进的照明光束路径和观察光束路径的可能性。特别地，这使得可检查位于空间上非常窄或凹陷的环境中的孔或表面。

在测量装置的另一构造中，可设置测量装置，其还具有：另外的照明装置，用于以另外的照明图案照明测量对象；另外的图案产生装置，具有造成另外的照明图案的位置上变化的强度分布的至少一个图案产生元件；另外的光学系统，至少在测量对象侧是远心的且布置在从另外的照明装置至测量对象的另外的光束路径中；以及另外的光学传感器布置，用于检测由测量对象反射和/或散射的照明图案，其中另外的光学传感器布置设置为使得其通过另外的远心光学系统的至少一部分检测照明图案，以及其中具有至少一个图案产生元件的另外的图案产生装置设计为使得另外的照明图案在测量对象侧具有位置上和/或光谱上变化的顶焦距分布，以及其中另外的光学系统具有至少一个光束偏转元件，用于经由垂直于光束路径的至少一个周向弓形部分将另外的光束路径扩展至测量对象。

因此，以该方式附加地提供另外的独立但起相同作用的传感器装备。通过该传感器装备改变的照明图案可与其它传感器装备的照明图案不同，但也可为相同的照明图案。

这样，因此还能够在两个相互垂直的方向上进行测量，例如在孔的深度方向上的测量和与其垂直的监测到孔边缘的距离的测量。然而，由于经由初始弓形部分或可能经由整个圆周的光束偏转，不必在测量期间旋转测量装置。而是，同时测量大的周向弓形部分。特别地，周向弓形部分可为180°。

不必说，在不脱离本发明的范围的情况下，上文提及的特征以及要在下文中说明的那些可不仅以分别指定的组合来使用，而且还可以其它组合或通过它们本身来使用。

附图说明

本发明的实施例示于示图中，并在下文的描述中得到更详细的说明。在图中：

图1显示根据本发明的第一方面的测量装置的示意图；

图2显示测量装置的另一实施例的示意图；

图3显示照明图案的示例性视图；

图4a显示用于阐明倾斜布置的传输结构和产生的位置上变化的顶焦距分布情况中的不同顶焦距的示意图；

与4b显示用于阐明光谱上变化的顶焦距分布的示意图；

图5显示测量装置的另一实施例；

图6显示测量装置的又一实施例；

图7显示测量装置的再一实施例；

图8显示测量装置的再一实施例；

图9显示设备的实施例的示意图；

图10显示可能的照明图案的另一示例；以及

图11显示方法的示意性流程图。

具体实施方式

图1示出测量装置10的示意图。测量装置10用于测量测量对象12。

为此，测量装置10包含照明装置14和图案产生装置16。通过照明装置14和图案产生装置16，照明图案辐射至测量对象12上，其中由测量对象12反射和/或散射的光通过光学传感器布置18来检测。

测量装置10可包含外壳20，其具有以细长方式延伸的外壳部分22，所述外壳部分例如可被推入在空间方面而言难以接近的区域，例如孔。然而，原则上，测量装置10的空间-物理构造是任意的。

光束路径24从照明装置14行进至测量对象12。由测量对象12反射和/或散射且通过光学传感器布置18来检测的光由26指定的光束路径来表示。存在照明光束路径24和检测光束路径26。它们尤其在拉长的外壳部分22中关于彼此平行且共轴地行进。照明光束路径24和检测光束路径26的部分分离视图仅为示意目的而被采用。

测量对象12的面积区域由照明装置14照明。由所述面积区域反射和/或散射的光通过光学传感器布置18来检测。因此，照明光束路径24和检测光束路径26通过分束器28彼此分开。照明装置14和光学传感器布置18的布置应被理解为是举例而言的。原则上，它们还可交换。

在该情况中，图案产生装置16设计为使得由照明装置14辐射到测量对象12的照明图案具有位置上和/或光谱上变化的顶焦距分布。在下文将更详细地说明该顶焦距分布。因此，可关于位置上和/或光谱上依赖的图像清晰度来检查由光学传感器布置18检测的图像，由此，可推导测量对象上的相应检测点相对于测量装置10的位置。

图2显示测量装置10的示意性显示的实施例。相同元件由相同参考标记表示且将不在下文中再次说明。

照明光学元件30和由多个光学元件构成的中继光学系统32被示意性地示出。在该情况中，中继光学系统32在拉长外壳部分22中延伸。另外的分束器34提供在拉长外壳部分22的面朝测量对象12的端部，所述另外的分束器将照明光束路径24分为纵向方向上的第一测量光束路径102与横向方向上的第二测量光束路径104。测量对象12的两个面积区域可以此方式来测量。由测量对象12反射和/或散射的光束路径行进通过分束器34和分束器28，并通过成像光学元件40成像到光学传感器布置18上。另外，传输结构42提供在照明光束路径中。在所示实施例中，传输结构42是锥形光栅。位置上变化的强度分布通过所述光栅来实现。换言之，存在来自照明装置14的光可通过的侧向区域，以及所述光被阻挡的区域。另外，其中光通过传输结构42的区域位于照明光束路径24的不同深度。

这示意性地示于图3中。这样，多个同心环作为照明图案46出现。具有最大直径的环具有直径D。在该情况中，每个环具有在照明方向上在传输结构42中的不同深度。因而，各个环在投射期间的焦点位置也是不同的。

第一测量光束路径102和第二测量光束路径104可坐落为相对于彼此成直角。然而，原则上，第一测量光束路径102和第二测量光束路径104之间的任何其它角度也是可能的。分束器34可为二向色元件。那么，束分离通过不同的波长范围而发生。然而，还可涉及偏振分束器。那么，束分离通过不同的偏振而发生。中继光学系统32例如可通过多个场透镜来实施。然而，中继光学系统32还可具有一个或多个GRIN(梯度折射率)透镜。中继光学系统32还可借助图像保持光学纤维束来实现。还可设想这些构造的一个或多个组合。

原则上，照明装置14与光学传感器布置18的如图2所示的布置还可交换。另外，甚至可提供另外的二向色分束器。通过多个二向色分束器的串联，除了测量光束路径102和104外，还可提供另外的测量光束路径。通过使用光谱上可切换的辐射源14，那么可选择测量光束路径。光谱上可切换的辐射源14例如通过具有不同质心波长的多个单独可切换LED或具有相同质心波长的LED的组形成。

图3所示的光栅锥布置用作传输结构。部分透射且部分不透明的结构位于传输结构42的锥形表面上。例如，结构可具有如图3所示的同心环。然而，原则上，还可使用任何其它类型的结构，尤其是棋盘形、蜂巢状或光栅状图案。孔结构、条纹或随机图案也是可设想的。原则上，还可使用具有不同空间频率的周期结构。传输结构还可以段状方式细分，其中各个段可具有不同的结构。另外，还可设置仅部分可用横截面具有结构，用于导致照明图案46。从照明装置14，传输结构42作为照明图案经由照明光学元件30、分束器28、中继光学系统32和前光学元件36或横向光学元件38投射至测量对象12上。由于传输结构42的锥形形状，仅传输结构42的特定部分清晰地投射至测量对象12的表面。由表面反射和/或散射的投射辐射经由前光学元件36或横向光学元件38以及中继光学系统32、分束器28和成像光学元件40成像至光学传感器布置18。图2中的光学传感器布置18可设计为数字相机。相机的区域式或二维延伸传感器芯片在此垂直于成像光学元件40的光轴。

如果例如假定照明图案46由同心环构成(如图3所示)，并且进一步假定例如测量对象12的要测量的表面是平面的且例如垂直于前光学元件36的光轴，则在该情况中仅几个环或在极端情况中仅一个环由光学传感器布置18清晰成像。因为例如到前光学元件36的限定距离可分配给每个环，则以相应距离校准为前提，可检测测量对象的表面的光学距离。光学距离传感器因此是可用的。如果测量对象12的表面不垂直于前光学元件36的光轴，或者所述光轴是倾斜的，则清晰成像的环变为椭圆。椭圆的位置，即椭圆的两个轴的位置，以及椭圆的形状，即椭圆的离心率，提供关于测量对象的表面的方向和倾斜角的信息。在测量对象12的任意倾斜或变形的表面的情况中，在光学传感器布置18的检测范围获得相对更复杂的环状，但在特定情形下获得不再圆形或椭圆形结构。那么，通过光学传感器布置18检测的图像仅在特定位置时清晰的。在该情况中，必须执行位置、形状和发射的和/或散射的环结构的图像评估，从而确定表面形貌。

然而，在任意情况中，不只是利用来自测量对象表面上的点的信息获得评估。所示测量装置能够用一个相机记录确定关于与投射面积对应的面积区域的形貌信息。由于光学系统44的至少物侧的远心，进一步不需考虑放大率或成像比例的变化。对于测量对象12的照明，照明光学元件30、分束器28、中继光学系统32和前光学元件36或横向光学元件38形成照明光束路径24的光学系统。对于“返回路径”，有除照明光学元件30外的相同元件，所述照明光学元件30由成像光学元件40替代。

与纯点传感器相比，因此提供以下优点：测量对象12的要测量的表面的极少位置需要移动，作为结果，整个测量过程可显著更快地发生。另外，提供以下优点：测量装置的相对于测量对象12的表面的位置可以单个测量(即单个图像)来检测。在要测量的面积大于投射面积的情况下，可预测应如何有利地选择下一测量位置。特别地，如果仅关于测量对象12的度量信息中的非常少的项预先出现，则显现出较大速度的优点。

经由横向光学元件38的第二测量光束路径104可用于以不同角度同时或顺序测量形貌信息。为了能够明确地分配纵向和横向传感器的测量光束路径102和104，辐射在分束器34处在光谱上或偏振光学地分离。在该情况中，附加地，在传感器侧，即在光学传感器布置18中，相应分配例如必须通过选择来实现。在光谱分离的情况中(即，分束器34例如设计为二向色分束器)，照明装置14的辐射源可为蓝色LED或设有第一波长的单色光可提供给纵向传感器，即穿过前光学元件36的光束路径102。对于横向传感器，即穿过横向光学元件38的第二测量光束路径，例如可提供绿色LED或具有第二波长的单色光源。如果分束器34然后设计为具有第一波长与第二波长之间(例如，蓝色与绿色之间)的分离或位相边缘的二向色分束器，则使用纵向传感器与横向传感器之间的转变可通过利用照明装置14在蓝色与绿色之间或在第一与第二波长之间的照明转变来实现。在该情况中，甚至单色相机可适合用于光学传感器布置18中。关于通过纵向传感器与通过横向传感器的同时测量，那么彩色相机是有利的，其中所述彩色相机还可为多芯片相机。当然，除了LED(发光二极管)以外，还可使用具有任意其它第一和第二波长作为质心波长的其它辐射源。

在偏振光学分离的情况中，分束器34例如将来自辐射装置14的照明辐射分为s偏振光和p偏振光。在光学传感器布置18的检测侧，那么同样提供偏振敏感的分离光学单元(未示于图2中)，从而实现分配给纵向传感器和横向传感器。为了避免可移动元件，假设光学传感器布置18具有第一面相机和第二面相机，s偏振光和p偏振光分别引导到第一面相机和第二面相机上。替代地，敏感面积，即单一二维或面相机的传感器面积还可如传感器的情况一样分开。原则上，除了示意性所示的二维纵向和横向传感器之外，通过另外的分束器，还可补充另外的横向传感器和具有其它观察方向的另外的测量光束路径。

图3详细地显示传输结构42。图3所示的传输结构42设计为光栅锥形物。所述锥形物例如完全填充有玻璃或内部的洞。举例而言，由同心环构成的传输结构应用于锥形物的圆锥形表面上，所述传输结构产生图3所示的照明图案46。暗环代表不透明区域，其例如可通过将铬气相沉积在传输结构42的表面上而产生。传输结构42的表面不必为圆锥的，还可具有一些其它的非平面形式，例如球形的或椭圆形的。表面的曲率可面向照明光束路径24的方向或相反方向。还可提供具有同心环的阶梯状板，或者其它类型的结构。如果传输结构42被填充，则棱镜效应在照明光束24的偏转期间出现。还可提供两侧嵌入的传输结构42，即锥形物的内部空间和互余外部空间被完全填充，使得有效地产生平面平行板。还可提供通过棱镜的锥角而具有分离位置的棱镜，从而实现不同的测量几何形状。

图4a举例显示传输结构42在照明测量对象12期间的效应的视图。所述视图示意性地显示在传输结构42上的第一点48和第二点50的成像。所述成像通过光学系统44来实现，其基于单一元件而示意性地示出。照明光束路径24的照明方向示意性地示出。第一点48在离光学系统44的光轴侧向距离d处。这导致具有半径d的环。同样情形对应地适用于点50，其位于侧向距离d2处，因此导致具有半径d2的环。光束路径被示意性地示出。如能看到的，环因此分别清晰地成像为点48'和50'，还处于沿照明光束路径24的不同深度。第一点48的图案因此具有离成像光学系统44的第一顶焦距52。第二点50具有离成像光学系统44的第二顶焦距54。顶焦距52和54是不同的。取决于测量对象12位于哪个深度，不同的环清晰地成像。举例而言，如果测量对象12的表面精确与点48的齐平，或者处于离成像光学系统44的与顶焦距52对应的距离处，则点48相应还通过传感器布置18来清晰地检测或者相应环在使用如图3的照明图案46时被清晰地检测。

通过传输结构42造成的照明图案46相应具有位置上变化的顶焦距分布。

相比之下，图4b示出其中设置光谱上变化的顶焦距分布的示例。在该情况中，传输结构42取向为垂直于照明光束路径24。成像光学系统44有意具有显著的纵向色差。所述纵向色差尤其可通过前光学元件36和/或横向光学元件38造成，所述横向光学元件38被相应选择为具有导致高纵向色差的色散行为的折射光学元件。因此，传输结构42的成像的点52依赖于波长且导致焦点的依赖于波长的畸变。图4b举例针对三个波长示出焦点位置52'、52″和52″'。这导致彼此不同的依赖于波长的顶焦距52、54和56。通过例如利用光谱仪或其中传感器阵列的每个像素使得可光谱评估的相机的依赖于波长的评估，同样可推导测量对象12的表面的深度位置。举例而言，如果测量对象12的表面在离光学系统44的精确对应于顶焦距54的距离处，则反射和/或散射光在相应关联波长具有光谱强度最大值。因此，通过校准，可获得关于传输结构42的整个投射区域的针对每个像素的深度信息。

不用说，照明图案46的两个“深度编码”还可组合，即顶焦距52、54的位置变化与光谱变化可被引入。

图5显示测量装置10的另一实施例。相同元件由相同参考符号表示并将在下文中不再说明。

代替作为传输结构42的锥形物光栅，使用平面的(即，平的)倾斜传输结构42(即，相对于照明光束路径24的传播方向倾斜)用于照明。该传输结构42的结构可由例如平行条纹构成，但是原则上还可使用其它任何类型的结构，尤其是，棋盘状、蜂巢状或光栅状图案、洞结构以及环或随机图案。尤其是，还可使用具有不同空间频率的周期结构。

在测量装置10的该实施例中，传感器阵列或传感器芯片58可布置为均垂直于成像光学元件40的光轴且相对于光轴以倾斜方式布置(如位置58'所指示)。另外，该实施例的功能对应于图3所示实施例。

图6还显示测量装置10的另一实施例。相同元件再次由相同参考符号表示并将不再说明。

在该实施例中，传输结构42再次为平面的且布置为垂直于光轴或照明光束路径24的传播方向。为了还获得关于测量对象12的针对该情况中照明图案46的每个位置的距离或深度信息，前光学元件36和横向光学元件38包含具有大纵向色差的光学元件。照明装置14的辐射源具有宽带设计，例如，白光LED或LED的多色组合的形式。替代地，例如还可构造前光学元件36和/或横向光学元件38具有其它像差，例如提供大像场场曲或物场场曲(球差)，从而能够使用平传输结构42。为了能够通过光学传感器布置18执行评估，成像光学元件40具有第一成像元件60和第二成像元件62。在第一成像元件60和第二成像元件62之间，中间像63产生在中间像平面64中。彩色渐变滤波器插入中间像平面64中。彩色渐变滤波器65可具有长通、短通或带通滤波器特性。如果例如呈现长通滤波器行为，则滤波器边缘的波长随着测量辐射在单色渐变滤波器65上的照射位置而变化。对色彩级别的选择取决于照明图案46的结构。举例而言，如果使用如图3所示的同心环结构，则彩色渐变滤波器还具有同心级别。那么，滤波器边缘的波长从彩色渐变滤波器的中心朝着边缘减小或增加。例如，在线性光栅型传输结构42的情况中，滤波器边缘将从彩色渐变滤波器65的一个边缘到另一个增加或减小。代替彩色渐变滤波器，还可使用衍射光学元件，以获得可比的功能。图6的示例性实施例的所有剩余特性基本上对应于图1中的示例性实施例。然而，在图6的实施例中，分束器34优选为偏振分离分束器，以避免复杂的高级光谱分离。

图7显示测量装置10的又一实施例。在该情况中，传输结构42实施为使得点的栅格形布置出现作为照明图案46，其中照明装置14的光源以光谱宽带方式实施。前光学元件36和横向光学元件38同样具有大纵向色差。孔图案布置或针孔阵列66设置在成像系统到光学传感器布置18的共焦平面中。多线光谱仪设置为光学传感器布置18。针孔阵列是具有以栅格形式布置的孔的光阑，其中各孔侧向上对应于照明点。因此呈现多点光阑。多线光谱仪在此可例如通过借助棱镜、光栅或衍射光学元件而装备使得相机的每条线形成线光谱仪的面相机来实现。可设置针孔阵列66的每个孔通过光波导68(例如，光纤)光学上连接至线光谱仪的相应线。这样，偏振的彩色共焦传感器出现。

替代地，图7中的传输结构42还可设计为传输狭缝。在该情况中，共焦狭缝光阑插入光学传感器布置18上游的共焦平面中。那么，共焦狭缝光阑成像至多线光谱仪的进入狭缝上。因此，获得线偏振的彩色共焦传感器，而不必使用光波导68。

图8显示测量装置10的又一实施例。相同元件再次由相同参考符号表示并将不再说明。图8的视图显示所谓的混合传感器单元。使用前光学元件36的构造原则上对应于先前的示例性实施例的构造。然而，代替横向光学元件38，出现的是自主附加传感器单元。为此，提供尤其在测量对象侧的另外的照明装置70、另外的传感器布置72、另外的光学系统、远心的光学系统74，以及另外的图案产生装置76。这样，另外的光束路径80出现，沿着该路径，另外的照明图案46可垂直于照明光束路径24或以任意其它期望角度投射至测量对象12。为此提供至少一个光束偏转元件78。光束偏转元件78至少经由周向弓形部分82造成另外的光束路径80的扩展。原则上，所述光束可扩展至完整的圆周弓形。在特定情形下，尤其是180°的周向弓形部分也是足够的。这防止测量装置必须旋转以避免与测量对象12的表面(例如，钻的孔)碰撞。

光学传感器布置18和/或另外的光学传感器布置72可连接至评估装置84，用于评估由光学传感器布置18和/或另外的光学传感器布置72检测的图像。所述连接可实施为基于有线，也可是无线的。

尤其在具有以细长方式延伸的外壳部分22的外壳20的情况中，另外的光束路径80可引导到以细长方式延伸的外壳部分外面。举例而言，钻的孔或其它凹陷的直径或形状因此可通过另外的光束路径80来确定。穿过前光学元件36的光束路径在该情况中可主要履行测量钻的孔的深度和/或避免测量装置10与钻的孔的端部的碰撞的任务。

图9示出包含测量装置10的设备100的实施例。设备100例如可为坐标测量机器。坐标测量机器100具有承载结构94，其例如承载评估装置84且可在三个维度上移动传感器头92，所述传感器头具有测量装置10。

原则上，可设置传输结构42构造为可交换的，如箭头86所指示。这样，不同的传输结构可以可用的方式来明确地选择。

如图10所示，可使用例如传输结构，其不具有在整个面积上的照明图案46。举例而言，可提供自由中央区域96，使得标准图像记录在照明图案46的自由中央区域96中进行。这例如借助一下事实来实现：传输结构42的中央区域98不具有任何结构，并允许照明辐射不偏转地通过。

这样实现的是，测量装置10中存在模块性。在设备100中，测量装置10可以可交换方式构造为常规传感器单元，例如常规触觉测量头或常规光学探头。传输结构42的变化可用于将传感器单元灵活地适配于要测量的测量对象12的特性。如果传输结构42被完全移除，例如图9中的实施例可用作具有两个观察方向的标准相机布置。

另外的构造可设置用于提供与LC显示器(液晶显示器)或DMD(数字反射镜装置)形式的照明装置14组合的图案产生装置42、36、38。

使用如图10所示的传输结构，上文概述的距离测量可以与通过自由中央区域96的标准图像记录组合地进行。

其它的组合可能性可在于使用部分中继光学系统32用于补充光学测量，例如OCT测量或杂散光测量。杂散光测量尤其可用于还直接获得除了形貌信息外的关于表面的粗糙度信息。在该情况中，另外的分束器还可设置在中继光学系统32中，以耦合进相应测量光束路径中。

分离位置90可设置在光学传感器布置18与分束器28之间，以视需要将关于照明装置和光学系统的不同实施例联接到光学传感器布置18。分离位置88可设置在分束器28的测量对象侧，使得可为分束器34区域中的不同偏转器与不同中继光学单元32提供不同的前光学元件36和横向光学元件38。不同光束偏转器78还可以该方式交换。举例而言，对不同测量区域与孔直径的适配可以该方式进行。

图11示出方法110的示意性流程图。

所述方法起始于开始步骤112。

第一步骤114包含以具有位置上变化的强度分布的照明图案46照明测量对象12，其中照明图案46在测量对象侧还具有位置上和/或光谱上变化的顶焦距。步骤116包含通过光学传感器布置18检测由测量对象12反射和/或散射的照明图案。

然后，步骤118包含评估尤其通过光学传感器布置18检测的在整个检测的照明图案46上的图像清晰度和/或光谱分布，尤其是光谱强度分布。在评估的情形中，例如如果测量对象12的表面处的检测距离连续减小，还可执行图像评估以快速且可靠地识别碰撞。这样，尤其是，可发生碰撞的预先警告或早期识别，或者可实现作为邻近传感器的应用。

然后，所述方法在停止步骤120结束。

Claims (15)

1.一种用于测量测量对象(12)的测量装置(10)，包含：照明装置(14)，用于以照明图案(46)照明所述测量对象(12)；图案产生装置(16)，具有至少一个图案产生元件(36，38；42)，用于造成所述照明图案(46)的位置上变化的强度分布；以及光学传感器布置(18)，用于检测由所述测量对象(12)反射和/或散射的照明图案(46)，其特征在于，所述测量装置(10)还具有光学系统(44)，其至少在测量对象侧是远心的且布置在从所述照明装置(14)到所述测量对象(12)的光束路径(24)中，其中，所述光学传感器布置(18)布置为使得其通过远心光学系统(44)的至少一部分检测所述照明图案(46)，并且其中具有所述至少一个图案产生元件(36，38；42)的所述图案产生装置(16)设计为使得所述照明图案(46)在所述测量对象侧具有位置上和/或光谱上变化的顶焦距分布(52，54，56)。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述光学传感器布置(18)是相机，并且其中具有所述至少一个图案产生元件(36，38；42)的所述图案产生装置(16)设计为使得所述照明图案(46)在所述测量对象侧具有位置上变化的顶焦距分布(52，54，56)。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述光学传感器布置(18)是光谱仪或光谱上解析的二维传感器，并且其中具有所述至少一个图案产生元件(36，38；42)的所述图案产生装置(16)设计为所述照明图案(46)在所述测量对象侧具有光谱上变化的顶焦距分布(52，54，56)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述图案产生装置(16)的图案产生元件(36，38；42)是传输结构(42)，所述传输结构相对于所述光束路径(24)至少部分倾斜地延伸。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述图案产生装置(16)的第一图案产生元件(36，38；42)是垂直于所述光束路径(24)延伸的平面传输结构(42)，并且其中所述图案产生装置(16)的第二图案产生元件(36，38；42)是具有纵向色差的折射光学元件或具有球差的光学元件。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述光学系统(44)还具有第一分束器(34)，所述第一分束器将所述光束路径(24)分为第一测量光束路径(102)和第二测量光束路径(104)，其中，所述第一测量光束路径(102)和所述第二测量光束路径(104)彼此垂直取向。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述第一分束器(34)为二向色分束器。

8.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述第一分束器(34)为偏振光学分束器。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述图案产生装置(16)的第二图案产生元件(36，38)是具有纵向色差的折射光学元件，其中，所述光学系统(44)设计为使得中间像(63)在所述光学系统(44)中产生，并且其中，彩色渐变滤波器(65)布置在所述中间像(63)的平面(64)中。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的测量装置，其特征在于，由所述图案产生装置(16)产生的所述照明图案(46)是栅格形点图案，其中，孔图案布置(66)设置在所述光学系统(44)与所述光学传感器布置(18)之间，其中，所述孔图案布置的每个孔通过光学波导(68)连接到所述光学传感器布置(18)。

11.根据权利要求10所述的测量装置，其特征在于，所述光学传感器布置(18)为多线光谱仪。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置具有以细长方式延伸的外壳部分(22)的外壳，其中，所述光学系统(44)具有在以细长方式延伸的外壳部分(22)中的中继光学系统(32)，并且其中，从所述照明装置(14)至所述测量对象(12)的所述光束路径(24)以及从所述测量对象(12)至所述光学传感器布置(18)的检测光束路径(26)彼此平行地行进穿过所述中继光学系统(32)。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还具有：另外的照明装置(70)，用于以另外的照明图案(46)照明所述测量对象(12)；另外的图案产生装置(76)，具有至少一个图案产生元件，用于造成所述另外的照明图案(46)的位置上变化的强度分布；另外的光学系统(74)，至少在测量对象侧是远心的且布置在从所述另外的照明装置(70)至所述测量对象(12)的另外的光束路径(80)中；以及另外的光学传感器布置(72)，用于检测由所述测量对象(12)反射和/或散射的照明图案(46)，其中，所述另外的光学传感器布置(72)设置为使得其通过所述另外的远心光学系统(74)的至少一部分检测所述照明图案(46)，并且其中，具有所述至少一个图案产生元件的所述另外的图案产生装置(76)设计为使得所述另外的照明图案(46)在所述测量对象侧具有位置上和/或光谱上变化的顶焦距分布(52，54，56)，并且其中，所述另外的光学系统(44)具有至少一个光束偏转元件(78)，用于经由垂直于所述光束路径(24)的至少一个周向弓形部分(82)将所述另外的光束路径(88)扩展至所述测量对象(12)。

14.一种用于测量测量对象(12)的设备(100)，包含根据权利要求1至13中任一项所述的测量装置(10)，其特征在于，所述设备(100)还具有至少一个评估单元(84)，用于评估通过所述光学传感器布置(18)和/或所述另外的光学传感器布置(72)检测的图像。

15.一种用于测量测量对象(12)的方法，包含以下步骤：

-以具有位置上变化的强度分布的照明图案(46)照明所述测量对象(12)，其中，所述照明图案(46)在所述测量对象侧还具有位置上和/或光谱上变化的顶焦距(114)，

-通过光学传感器布置(18)检测由所述测量对象(12)反射和/或散射的照明图案(46)(116)，

-评估在整个检测的照明图案(46)上的图像清晰度和/或光谱分布(118)。