CN111373301B - 用于无接触测量距一表面的距离或两个表面之间的距离的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于无接触地测量距一表面(19)的距离或两个表面之间的距离的测量设备包括产生多色测量光(12)的测量光源(11)和将由测量光源(11)产生的测量光(12)定向到测量物体(18)上且接收由其反射的测量光(12')的光学测量头(16)。具有色散光学元件(22)和检测器(24)的摄谱仪(20)对反射的测量光(12')进行光谱分析。校准光源(30)产生具有已知且与温度无关的光谱成分的校准光(32)。评估装置(28)根据光谱的变化推导出校正值，借助所述校正值修改一方面光敏单元(26)和另一方面波长或根据波长推导出的变量之间的预设的关联，其中所述光谱由检测器(24)的光敏单元(26)上的校准光(32)产生。

Description

用于无接触测量距一表面的距离或两个表面之间的距离的方 法和设备
发明背景
1.技术领域
本发明涉及用于无接触地测量距一表面的距离或两个表面之间的距离的测量设备以及方法，其中将多色测量光定向到测量物体上并且对从测量物体反射的测量光进行光谱分析。本发明尤其涉及减小因热效应引起的测量精度损害的问题。
2.现有技术
在测量技术中，经常出现测量参考点和固体或液体的测量物体的表面之间的距离的问题。根据测量任务，仅在表面上的一个或几个点处或在大量紧密间隔开的点处测量距离。在后一种情况下，可以根据距离测量值推导出测量物体表面的典型的一维或二维高度轮廓。以这种方式，例如能够证实精确加工的表面中的不平坦性，或者能够确定粗糙度值。在这种测量中绝对测量距离通常并不重要，而仅仅是以高的精度检测检测相对距离变化。
应当测量表面之间的距离，并且尤其测量光学透明层的厚度时同样适用。在这种情况下，也不需要距参考点的绝对距离，因为层厚度从界定层的表面的距离值的差中得出。在本文中，不仅将由被固体承载或固定在固体处的材料制成的层片称作为层，而且也将不需要支撑的相对薄的固体结构称作为层。对此的示例是由玻璃或半导体材料制成的盘，或瓶或类似物体的壁部。
除了电容式或其他电测量原理之外，主要将光学测量原理用于无接触测量距离，因为由此能够实现特别高的测量精度。在这些光学测量原理之一中，借助于光学测量头将多色测量光定向到测量物体上。从测量物体表面反射的测量光由测量头接收并且输送给摄谱仪，所述摄谱仪对反射的测量光进行光谱分析。根据测量光的光谱成分能够推断出距测量物体表面的距离。由于两种不同折射率介质之间的每个光学边界面反射一部分入射光，因此也能够以该方式确定距多个表面的距离，所述多个表面在测量光的传播方向上依次设置。对此的条件仅仅是测量光穿过的光学介质对于所使用的测量光是足够透明的。
在利用这种测量原理的第一类型的测量设备中，使用了彩色共焦测量的概念。这种类型的测量设备具有测量头，所述测量头包含未校正色度的将测量光聚焦到测量物体表面上的光学装置。由于光学装置的彩色纵向色差，将测量管的光谱分量聚焦在不同的焦平面中，其中所述光学装置能够包含由具有强色散的玻璃构成的透镜和/或衍射光学元件。共焦设置的光圈确保只有测量光的其焦平面精确处于测量物体表面上的光谱分量到达摄谱仪，并能够在那里进行光谱分析。摄谱仪包括光栅或另一种色散光学元件以及具有多个光敏单元的检测器。因为将非常窄的波长范围与每个光敏单元相关联，所以能够将距离值直接与检测器的各个单元相关联。如DE 10 2004 049 541 A1中所描述的那样，能够经由校准来确定距离值和单元之间的关联。
光学干涉的概念在同样对从测量物体表面反射的测量光进行光谱分析的另一类型测量设备中使用。从测量物体反射的测量光与参考臂中反射的测量光发生干涉。反射的测量光通过干涉进行光谱调制，其中所寻求的距离值能够根据调制频率推导出。为此目的，在摄谱仪中对由测量物体反射并与在基准臂中反射的测量光发生干涉的测量光进行光谱检测，并进行傅立叶逆变换。
为了保证质量，通常在生产环境中使用上述两种类型的光学测量设备。但是，在生产环境中，环境温度会大幅波动。因此，通常规定测量设备能在+5℃至+60℃的温度范围运行。
在此，出现的问题是不同的环境温度直接影响测得的距离值。在温度波动的情况下，由于光学元件的热膨胀导致重要的光学参数，例如曲率半径和光学边界面之间的距离发生变化。另外，透镜和其他折射光学元件的折射率直接与温度相关。甚至空气或测量光穿过其传播的其他气体的折射率——尽管程度远小于固体——与温度相关。另外，用于将光学元件固定在壳体处的托架的热膨胀会导致光学元件的位置变化，所述位置变化同样影响光学器件的效果。
为了补偿由热引起的测量误差，EP 2 369 294 B1提出了将包含在测量头中的未校正色度的光学装置设计成，使得各个光学元件的光学作用的变化在温度变化时相互补偿。
从EP 2 149 028 B1已知允许热引起的测量值的变化，但是所述测量值在随后的校正步骤中进行校正。为了获得校正值，借助于摄谱仪求出在测量头中的光学表面处反射的测量光分量的光谱组成。在此假定该表面距反射的测量光所耦合到其中的光纤的端部的距离与测量头中的温度相关。以这种方式，能够经由距测量头中的光学表面的距离来间接地测量温度，从而能够在随后在测量物体处进行后续的测量时考虑温度的影响。
以类似的方式，在根据DE 10 2015 118 069 A1已知的测量设备中也考虑在测量头中的与温度相关的效应。在此，为了确定温度变化的影响，在测量头内部中的固定光学边界面处不使用反射，而是在测量头外部的边界面处使用反射。在一个实施例中，测量光在附加的测量臂中定向于阶梯状的反射面上，其中精确地已知阶梯部沿着光学轴线的高度。如果测量到的在两个表面之间的距离值发生变化，则将该影响归因于变化的温度，并用于确定校正系数。于是，在随后的测量中，将测量到的距离值乘以校正系数。
US 9,541,376 B2研究摄谱仪中的温度变化如何影响根据色共焦测量原理工作的测距设备中的测量精度的问题。为了解决该问题而提出借助摄谱仪的检测器不仅检测+1或-1的衍射级，而且检测+1和-1的衍射级。根据检测器的光敏单元之间的距离推导出距离信息，在所述光敏单元处出现两个衍射级的最大值。如果光栅和/或检测器的位置由于温度变化而变化，则这通常导致衍射级的最大值偏移相同的量，使得最大值之间的距离保持恒定。由于在进一步评估中仅研究该距离，使用温度变化不会影响测量精度。
然而，这种已知方案的缺点是必须由检测器评估两个衍射级。在可用光敏单元数量相同的情况下，光谱分辨率由此降低，从而测量精度降低。
发明内容
本发明的目的是改进用于无接触地测量距一表面的距离或两个表面之间的距离的测量设备和方法，使得摄谱仪中的温度变化对测量精度没有影响，或者至少在比至今为止显著更小的程度上影响测量精度。在此，不会承担在已知的解决方案中必须承担的光谱分辨率以及测量精度的损失。
关于测量设备，上述目的通过一种用于无接触地测量距一表面的距离或两个表面之间的距离的测量设备来实现，所述测量设备具有测量光源，所述测量光源设计用于产生多色测量光。此外，测量设备具有光学测量头，所述光学测量头设计用于将由测量光源产生的测量光定向到测量物体上并且接收由测量物体反射的测量光。此外，测量设备包括摄谱仪，所述摄谱仪设计用于对由测量光反射的且由光学测量头接收的测量光进行光谱分析，其中摄谱仪具有色散光学元件和检测器，所述检测器具有多个光敏单元。测量设备的评估装置设计用于根据光敏单元中的至少一部分的测量信号计算距离值。根据本发明，测量设备具有校准光源，所述校准光源设计用于产生校准光，所述校准光具有已知的光谱成分。校准光能够穿过色散光学元件定向到检测器上，而没有事先在通向测量物体的光路中反射。评估装置设计用于根据检测器的至少一些光敏单元上的校准光产生的光谱的变化推导出校正值，借助所述校正值修改一方面光敏单元中的至少一部分和另一方面波长或根据波长推导的变量之间的预设的关联。
本发明基于摄谱仪中的温度变化是测量不精确性的主要原因的认识。在此，需要考虑的是在测量头处和在摄谱仪中会存在不同的温度。紧邻摄谱仪例如通常存在评估装置，所述评估装置通常包括多个电子器件。由其产生的废热能够导致在摄谱仪中存在比在测量头中更高的温度。
为了检测摄谱仪中温度变化的影响并且在此为了能够考虑后续的测量，根据本发明，具有已知光谱成分的校准光穿过摄谱仪的色散光学元件定向到其检测器上。以该方式能够建立一方面校准光的光谱和另一方面检测器的光敏单元之间的清楚的关联。如果由于温度变化而造成光敏单元的位置变化，则在另外的光敏单元处出现校准光光谱中的强度最大值。根据本发明，该偏移直接在评估测量物体处的后续测量时通过修改一方面光敏单元和另一方面波长或从波长中推导出的变量之间的预设的关联被考虑。在最简单的情况下，这种修改的关联例如能够使得特定的光敏单元不再对应于原始预设的波长，而是对应于修改的波长。因为测量光谱中的所找到的距离信息被编码，所以作为修改的关联的结果的光谱的正确检测自动地提供距离的与温度相关的测量值。这种直接的校准类型相对于根据距离测量推导出温度变化影响的方案是有利的。
因为将校准光输送给摄谱仪而没有事先在通向测量物体的光学路径中反射，借助校准光仅检测摄谱仪中的温度变化的影响。通过本发明提供的如下可行性出于多种理由是有利的，所述可行性是能够与测量头中的可能的温度变化影响无关地确定摄谱仪中温度变化的影响的可能性。如果组合地检测测量头中的和摄谱仪中的温度变化，如这在上述EP 2149 028 B1中的情况那样，那么仅能够检测这两个效应的叠加。因为这两个效应通常在评估时需要不同的校正措施，所以在组合地检测温度变化时无法执行最佳校正。因此，例如会出现这种情况，对于与测量头中的上文阐述的反射表面相关联的波长不检测温度变化，因为测量头中和摄谱仪中的效应刚好随机抵消。但是，对于其他波长完全会存在校正需求，所述校正需求在根据EP 2 149 028 B组合地检测该效应的情况下无法识别。
分开地检测温度变化在测量设备的模块化构造方面也是有利的。刚好当摄谱仪中通过温度变化引起的效应相对于测量头中的效应占主导时，有利的是能够与测量头是否具有用于温度检测的机构无关地来执行校正。因此，根据本发明的测量设备不需要专用的测量头，而是能够借助任意的测量头运行进而可通用地使用。
为了能够将校准光输送给摄谱仪的色散光学元件，通常需要将光分配装置引入光路中，借助所述光分配装置能够将校准光和测量光共同地输送给色散光学元件。光分配装置例如能够为分束立方体或光纤耦合器。
最有利的是评估装置设计用于根据强度图案的位置的变化推导出校正值，通过校准光在检测器的光敏单元中的至少一部分上产生强度图案。这种图案通常由局部强度最大值和强度最小值的序列构成。在最简单的情况下，这种强度图案由单个(局部)强度最大值或最小值构成。
如果校准光具有时间稳定的且与温度不相关的光谱成分，则能够最简单地执行根据本发明的校准。为此，校准光源具有与环境温度无关地产生具有不可变化的光谱成分的校准光的特性。然而原则上也考虑使用光谱成分与温度相关的校准光。然而于是，不仅必须精确地已知摄谱仪中的温度，而且也必须精确地已知光谱成分的温度相关性，以便这能够在评估时在计算上考虑。
在最简单的情况下，校准光源为窄带光源，例如激光二极管。当校准光源包括(必要时宽带的)光源和温度稳定的单色仪、例如法布里-珀罗干涉仪时，实现光谱成分的更低的温度相关性。
产生具有时间稳定且与温度无关的光谱成分的校准光的尤其简单的可行性在于使用一种校准光源，所述校准光源具有宽带光源和反射面的布置，所述反射面的布置通过产生干涉对所述校准光的强度进行光谱调制。与使用激光二极管相反，校准光因此不具有在特定波长下的唯一的强度最大值，而是具有相对宽的光谱，然而所述宽的光谱由于其调制具有多个局部强度最大值。于是，摄谱仪的检测器不仅检测单个强度最大值的位置，而且检测多个强度最大值的位置。这种布置例如能够构成为由光学透明材料制成的平面平行的板。如果板由无热玻璃构成，则在温度波动的情况下通过相反的折射率变化来补偿厚度变化，使得板的光学厚度进而调制频率保持恒定。替选于玻璃板，也能够将厚度d的气隙用于光谱调制。该气隙例如能够形成在在下侧部分反射的第一透明板和第二反射板之间。通过间隔保持件设定板之间的距离，所述间隔保持件由具有低热膨胀的材料(例如石英玻璃或Zerodur微晶玻璃)构成。由此，由气隙产生的光谱调制不显著地与温度相关。
如果校准光和测量光具有不重叠的光谱，则能够与距离测量同时执行校准。特别地，校准光的光谱能够比测量光的光谱更短波。在光谱重叠的情况下，校准能够在距离测量之间的时间区间中执行，因为否则距离测量由于校准光被扭曲。将重叠在此也理解为相同性的特殊情况(即完全重叠)。
如果校准光穿过色散光学元件能够定向到检测器上，使得具有一定波长的校准光射到光敏单元上，则在校准光和测量光的光谱重叠的情况下同时进行校准和测量也是可行的，具有相同波长的反射的测量光不能够射到所述光敏单元上。这优选也是反之亦然，即反射的测量光不能够射到光敏单元上，相同波长的校准光能够射到所述光敏单元上。这例如能够通过将校准光和测量光不同地偏振并且借助于光敏单元上的偏振滤波器实现确保校准光和反射的测量光不能够射到相同单元上。
因为偏振滤波器引起光损失，所以在许多情况下更有利的是使校准光从与反射的测量光不同的方向射到色散光学元件上。由此，校准光在色散光学元件后方具有与测量光不同的路径并且能够与其空间分开。于是，光敏单元例如能够包括第一单元和第二单元，仅校准光能够射到所述第一单元上并且所述第一单元沿着第一行设置，仅反射的测量光能够射到所述第二单元上并且所述第二单元沿着第二行设置，所述第二行平行于所述第一行伸展。
术语校准光源在本文中可宽泛地理解，尤其不需要校准光和测量光由不同的光学器件产生。在一个实施例中，校准光源和测量光源使用相同的光学构件以产生光。于是，校准光源例如具有分束器，所述分束器将由光学构件产生的光的一部分作为测量光输送给测量头并且将光的另一部分输送给单色仪，所述单色仪从光中通过光谱滤波产生校准光。替选于此，光的该部分也能够定向到用于产生调制的校准光谱的平面平行的板上。以该方式，校准光源不需要自身的光学器件。于是必须确保：在校准期间没有测量物体处于光路中或者通向测量物体的光学路径被挡住，以便在此期间测量光在通向测量物体的光学路径中反射并且到达检测器。
尤其有利的是设有两个校准光源，所述校准光源设计用于产生具有不同光谱成分的校准光。于是由两个校准光源产生的校准光同时穿过色散光学元件定向到检测器上，而没有事先在通向测量物体的光路中反射。以该方式，能够检测光敏单元的温度引起的位置变化，所述位置变化不能够描述为统一的地点相关的偏移(offset)。当使用具有不同光谱成分的第一和第二校准光时，能够检测偏移与波长的线性相关性以及考虑在修改光敏单元和波长之间的关联时或者从中推导出的变量。但是在该情况下，由两个校准光源产生的校准光的光谱不应重叠。理想地，测量光的光谱位于由两个校准光源产生的第一和第二校准光的光谱之间。
在检测器上的不同地点处引起由校准光产生的测量信号的另一可行性在于将衍射光栅用作色散光学元件并且将校准光的光谱选择成，使得能够由检测器检测校准光的两个不同的衍射级。在此也存在这样的地点，校准光在所述地点处，理想地在所述检测器的相对置的端部处且在位于其之间的、为测量光预留的区域之外射到检测器上。
此外，本发明的主题是一种用于无接触地测量距一表面的距离或两个表面之间的距离的方法，其具有如下步骤：
a)产生多色测量光；
b)借助于光学测量头将测量光定向到测量物体上并且由光学测量头接收由测量物体反射的测量光；
c)在摄谱仪中对由测量物体反射的且由光学测量头接收的测量光进行光谱分析，所述摄谱仪具有色散光学元件和检测器，所述检测器具有多个光敏单元；
d)根据光敏单元的中的至少一部分的测量信号计算距离值，其中使用一方面光敏单元中的至少一部分和另一方面波长或根据波长推导的变量之间的预设的关联；
e)产生校准光，所述校准光具有已知的光谱组成；
f)校准光能够穿过色散光学元件定向到检测器上，而没有事先在通向测量物体的光路中反射；
g)根据检测器的至少一些光敏单元上的校准光产生的光谱的变化推导出校正值；
h)借助于校准值修改预设的关联；
i)至少重复步骤a)至d)，其中在步骤d)中使用在步骤h)中修改的关联。
上面针对测量设备提出的阐述内容和有利的设计方案的说明相应地适用于方法。
尤其有利的是校准光具有时间稳定的且与温度不相关的光谱成分。
在步骤e)中，校准光能够由温度稳定的单色仪产生，所述单色仪由宽带光源照明。
用于产生校准光的校准光源能够具有宽带光源和由光学透明材料构成的平面平行的板，所述板通过产生干涉对校准光的强度进行光谱调制。
校准光和测量光优选具有不重叠的光谱，其中校准光的光谱尤其能够比测量光的光谱波长更短。在该情况下可以将校准光与测量光同时定向到检测器上并且进行光谱分析。
如果校准光和测量光具有重叠的光谱，则校准光不应与测量光同时定向到检测器上。
能够将由测量光源产生的测量光的一部分分支。于是，通过光谱滤波从测量光的分支的部分中产生校准光。
在一个实施例中，产生具有不同光谱成分的第一和第二校准光并且同时穿过色散光学元件定向到检测器上，而没有事先在通向测量物体的光学路径中反射。在此，第一和第二校准光的光谱优选不重叠。
如果色散光学元件是衍射光栅，则校准光的光谱选择成，使得能够由检测器检测校准光的两个不同的衍射级。
借助于校准光能够以较大的时间间隔执行校准，因为温度通常仅相对缓慢地变化。然而也可以在每次测量中同时(例如在不同光谱的情况下)或在其之后不久或在其之前借助于校准光执行校准。在该情况下，在步骤i)中不仅重复步骤a)至d)，而且重复全部之前步骤a)至h)。
定义
将多色光理解为光谱是宽带的并且例如能够包含多种色彩的光，或者具有例如通过卡曼滤波器产生的多个窄带的光谱分量的光。
色散光学元件应理解为其中对于功能至关重要的光学特性、例如折射率或衍射角显示出明显的色散，并且该色散对于功能是期望的光学元件。由玻璃构成的普通透镜因此——尽管折射能力很小程度是与波长相关的——不是色散光学元件。相反，这在色散棱镜或衍射光栅中不同，所述色散棱镜或衍射光栅表现出强的色散并且设计用于以不同强度折射或衍射不同波长的光。
附图说明
下面，根据附图更详细地阐述本发明的实施例。在所述附图中示出：
图1是根据现有技术的用于测量距离的设备的示意图；
图2a和2b是包含在摄谱仪中的检测器的像素如何检测光谱中的一个强度最大值的示意图，而且是在温度提高之前或之后检测；
图3a和3b是包含在摄谱仪中的检测器的像素如何检测光谱中的两个强度最大值的示意图，而且是在温度提高之前或之后检测；
图4是本发明的第一实施例的根据图1的示意图，所述第一实施例使用色共聚焦测量的原理；
图5是本发明的第二实施例，所述第二实施例同样使用色共聚焦测量的原理并且其中校准光源包含单色仪；
图6是包含两个不同的单色仪的校准光源的一个变型；
图7是包含用于产生光谱调制的校准光的玻璃板的校准光源的一个变型；
图8是由玻璃板产生的校准光的光谱；
图9是其中校准光聚焦地射到玻璃板上的校准光源的一个变型；
图10是其中校准光透射经过玻璃板的校准光源的一个变型；
图11是本发明的第三实施例，所述第三实施例同样使用色共聚焦测量的原理并且其中校准光由与产生测量光的光学元件相同的光学元件产生；
图12是本发明的第四实施例，所述第四实施例同样使用色共聚焦测量的原理并且其中校准光和测量光在自由空间中传播；
图13是本发明的第五实施例，其中测量设备使用干涉测量原理；
图14是本发明的第六实施例，其中校准光和测量光不能够射到检测器的相同像素上。
具体实施方式
1.测量原理和存在问题
图1示出根据现有技术的测量设备10的示意图。测量光源11产生宽频谱的测量光12，所述测量光经由例如能够为分束镜立方体的光分配装置14并且经由测量头16定向到测量物体18上。在图1中对测量光12的由测量物体18的表面19反射的一部分用黑色箭头表明并且设有附图标记12'。反射的测量光12'由测量头16接收并且由光分配装置14定向到摄谱仪20上。摄谱仪20包含色散光学元件22，其例如能够为衍射光栅或衍射棱镜。此外，摄谱仪20包含检测器24，所述检测器包含多个光敏单元26。光敏单元26沿着直的或弯曲的线设置并且在下文中称作为像素。由像素产生的信号由评估装置28评估，以便从中计算距表面19的距离值。
在测量时，反射的测量光12'通过色散光学元件22偏转，其中偏转角与反射的测量光12'的波长相关。如果反射的测量光12'是单色的，如这在色共聚焦的测量设备中的情况一样，则反射的测量光仅射到检测器24的一个或一些少量的像素26上，如这在图1中通过黑色突出的像素26'所表明的。在反射的测量光12'与事先在参考臂(未示出)中反射的测量光干涉的测量设备中，在检测器24上获得宽的、被光谱调制的光谱。随后，检测器24检测到多个强度最大值，其中将一调制频率与测量物体18和测量头16之间的每个间距相关联。通过傅里叶变换能够根据由检测器24产生的信号计算期望的距离值，如这本身在现有技术中已知的。
下面，为了简单起见，测量设备10根据色共聚焦测量原理工作。但是，所有考虑事项在做出必要的变通的情况下也适用于以干涉方式工作的测量设备。
图2a示出检测器24的多个像素26及其上方的强度分布，所述强度分布由色散光学元件22根据反射的测量光12'产生。可见看到光谱强度分布涂在多个像素26上。每个像素26产生电信号，所述电信号优选线性地或根据复杂化的特征曲线与撞击的光的强度相关。通过将像素26的输出信号进行比较能够容易地确定在哪个像素26上达到最高强度。在图2a中，所述像素以黑色标记并且用26'标记。能够将特定波长与所述像素关联。因为在色共聚焦测量设备中将一距离与每个波长相关联，所以能够从在哪个像素处出现最高强度的信息中直接推导出距离值。像素p和波长λ之间的关联例如能够具有关联表格的形式，如在下面所描述的：
像素p<sub>i</sub> 波长λ<sub>i</sub>
p<sub>1</sub> λ<sub>1</sub>
p<sub>2</sub> λ<sub>2</sub>
p<sub>3</sub> λ<sub>3</sub>
p<sub>4</sub> λ<sub>4</sub>
p<sub>5</sub> λ<sub>5</sub>
p<sub>6</sub> λ<sub>6</sub>
… …
将特定的波长λi与每个pi相关联。于是，当像素和波长之间的关联无法通过简单公式说明时，使用关联表于是尤其是有利的。关联表由测量设备的制造商通过校准确定，其中借助可调的校准光源求出将波长λ的光由色散光学元件22定向到哪个像素上。所述校准在精确指定的温度中执行。
如果在摄谱仪2中温度例如由于直接相邻的且产生废热的电子评估装置28而升高，则能够改变像素26与其中包含强度最大值的光谱之间的相对布置。对此的原因可以是像素26和/或色散光学元件22的位置变化。如图2a和2b之间的比较说明的那样，相对布置的这种变化引起最大强度不再处于像素26'上，而是处于相邻的或进一步远离的像素26”上。
为了避免随之而来的测量不精确性，根据本发明，修改像素和波长之间的关联表。如果例如在所有像素中位移为Δp像素，则能够执行如下校正计算：
pi，kor＝pi-Δp (公式1)
在此，pi,korr是校正过的像素编号并且pi是原始的像素编号。于是对于波长得到如下校正的关联规定：
λi，korr(Pi)＝λ(pi-ΔP) (公式2)
其中，λkorr(pi)是像素pi处的信号的校正的波长并且λ(pi)是从原始关联表中得出的值。
然而通常，摄谱仪20中的温度变化不仅导致简单的且对于全部像素26都相同的偏移Δp，如其在图2a和2b中说明的那样。相反地，检测器24的不同像素的偏差能够不同。
该情况在图3a和3b中说明。在图3a中表明在检测器24的彼此更加远离的地点处的两个强度最大值。在一输出温度下这两个强度最大值位于像素26-1'或26-2'上。然而在温度升高的情况下，该位移能够不同，如这在图3b说明的。在左侧示出的强度最大值仅向左位移一个像素，而在右侧示出的强度最大值向右位移三个像素。这种与波长相关的像素偏差Δp＝Δp(λ)下面称作为缩放误差。
如果在色共聚焦测量设备中存在与波长无关的偏移Δp＝恒定值，则这直接作用于所测量的距离值，因为每个像素直接与一距离值相关联。如果测量透明体的表面之间的距离，则由于差异的形成无法注意到距离值中的偏差。如果出现这种缩放误差(Δp＝Δp(λ))，则其影响两个表面之间的距离测量，因为在该情况下由于偏移的波长相关性不能计算出错误的距离值。
在干涉测量设备中，在与波长无关的偏差Δp＝恒定值的情况下同样出现距离测量中的误差。与色共聚焦测量方法类似，在测量测量物体的表面之间的距离时的缩放误差导致测量不精确性。对此的细节在下文中结合第五实施例继续阐述。
2.第一实施例
图4示出根据本发明的测量设备10的第一实施例的根据图1的视图。所述测量设备如在图1中示出且在现有技术中已知的测量设备那样具有测量光源11、光分配装置14、测量头16和摄谱仪20，所述摄谱仪包含色散光学元件22和具有像素26的检测器24。
附加地，根据本发明的测量设备10具有校准光源30，所述校准光源在所示出的实施例中设计用于产生校准光。校准光由彼此分开的且窄带的两个光谱分量构成，这两个光谱分量在下文中称为第一和第二校准光。
波长为λa的第一校准光32a用箭头32a表示并且波长为λb的第二校准光32b用箭头32b表示。第一和第二校准光32a、32b通过光分配装置14穿过色散光学元件22定向到检测器24上，而没有事先在通向测量物体18的光学路径中反射。色散光学元件22根据波长将校准光偏转，使得第一校准光32a的强度最大值射到第一像素26a上并且第二校准光32b的强度最大值射到第二像素26b上。这里假定校准光源30设计成使得第一和第二校准光32a、32b具有时间稳定的且与温度无关的光谱成分。因此，波长λa、λb在在通常运行期间出现的所有温度下是恒定的。
如果像素26和光谱之间的相对布置在摄谱仪20中温度变化的情况下变化，则这能够直接借助于校准光32a、32b检测。在此使用与上面参考图3a和3b阐述的相同的考虑。因此，对于这两个波长λa、λb的每个确定校准光出现在哪个像素上。通过与原始关联表的比较能够容易地确定在温度变化的情况下这两个波长的像素偏差Δp有多大。如果这两个波长中的偏差相同，则存在与波长无关的偏差(Δp＝恒定值)，使得根据公式(1)得出尤其简单的校正。
在偏差与波长相关的情况下，能够通过如下线性公式计算校正的像素编号pkorr：
Figure BDA0002426721790000141
在此，Δp(λa)和Δp(λb)是借助于校准光32a、32b测量的两个波长λa、λb的偏差，并且pmess是像素，在所述像素处测量到最高的强度。随后，根据校正的像素位置在色共聚焦距离测量中能够容易地计算校正过的距离值。
代替使用具有两个不同波长的校准光，能够使用仅具有一种波长的校准光并且确保所述校准光在两个不同的地点处射到检测器26上。如果例如将衍射光栅用作为色散光学元件22，则所述衍射光栅能够设计成使得能够由检测器26检测校准光的+1和-1的衍射级。以该方式，在检测器24上同样获得两个彼此远离的地点，在这两个地点处出现具有已知波长的校准光。理想地，在距离测量时测量光12射到的像素位于所述地点之间。以该方式，距离测量不受校准的干扰，并且同时校准光射到检测器24的地点最大地彼此远离，这在确定通过公式(3)描述的线性函数方面是有利的。如果校准光和测量光的光谱重叠，则校准光能够射到与测量光相同的像素上，进而使测量失真。为了避免这种情况，在该情况下必须借助测量光执行测量之间的时间段中的校准。替选地，能够通过适当的措施造成尽管光谱叠加，但校准光能够从不射到与测量光相同的像素上。对此的细节在下文中结合第六实施例描述。
如果校准光源30仅产生具有唯一波长的校准光，则借此无法确定缩放误差。在其中不出现缩放误差或缩放误差小到可忽略的测量设备10产生仅具有一种波长的校准光因此是足够的。
3.第二实施例
图5示出根据色共聚焦测量原理工作的测量设备10的第二实施例的示意图。测量光源11在此由LED 34构成，所述LED产生波长约500nm至700nm的多色光。测量光12由会聚透镜36耦合输入到光纤38中并且经由构成为光纤耦合器40的光分配装置到达至测量头16。在那里，测量光12从光纤39射出并且通过由两个透镜42、44构成的不被色校正的镜头定向到测量物体18上。由于镜头的纵向色差，射出的测量光12聚焦在不同的波平面中，如这在图5中针对三种不同的波长表明的。在测量物体18的表面19处反射的测量光12经由测量头18返回到光纤39中，并且经由光纤耦合器40被输送给另一光纤41，所述另一光纤通向摄谱仪20。
在所示出的实施例中，校准光源30具有宽带的LED 46，所述LED产生蓝紫色光谱范围中的光。校准光32由会聚透镜48准直并且经过单色仪50，所述单色仪从校准光32的光谱中滤除窄带的频带。现在单色的校准光32由会聚透镜52耦合到光纤54中，所述光纤与光纤耦合器40连接，使得校准光经由光纤41通向摄谱仪20。
在摄谱仪20中，校准光32还有测量光12由会聚透镜55准直并且定向到色散光学元件上，所述色散光学元件构成为反射光栅56。在其处反射的且衍射的光经由另一会聚透镜57定向到具有像素26的检测器24上，所述检测器与评估装置28连接。
在该实施例中，校准光源30因此仅产生具有唯一波长的校准光，使得无法检测与波长相关的像素偏移。
图6示出根据一个变型的校准光源30，其中在准直的光路中在透镜48之后设置有由两个子元件构成的单色仪50。这两个子元件设置在光路中，使得校准光32的大致一半穿过子元件50a并且另一半穿过子元件50b。这两个子元件50a、50b具有不同的滤波作用，使得在图6中示出的实施例中产生具有不同波长的第一和第二校准光32a、32b。
子元件50a、50b例如能够为法布里-珀罗干涉仪。这种干涉仪的可行的构型包括具有平面平行的且部分反射覆层的表面的板。能够穿过干涉仪的光的波长与板厚度相关。因此，借助不同的板厚度能够实现不同的光谱滤波。
在图7中示出校准光源30的另一变型。在该变型中，校准光不由一个或两个单色分量构成，而是刚好如测量光12那样是多色的。但为了能够将波长与检测器24的像素26相关联，对校准光的光谱I(p)进行光谱调制，如这在图8示出的。如果强度最大值彼此分开足够远，则其能够以足够的精度由检测器24分辨并且与各个像素相关联。
如图7示出，为了产生光谱调制，由LED 46产生的宽带的校准光经由光圈51、分束立方体53和会聚透镜59定向到透明板58上，所述透明板的后侧60完全地反射校准光32并且其前侧62部分地反射所述校准光。通过在后侧60和前侧62处反射的校准光32的干涉形成图8中示出的光谱调制，所述光谱调制的可变部分与
Figure BDA0002426721790000161
成比例。在公式(4)中，n表示折射率并且d表示板58的厚度。
如果板58的厚度d和折射率n不随温度变化，则出现干涉最大值的波长保持恒定。优选地，板58因此由玻璃构成，所述玻璃的热膨胀系数和折射率变化在通常出现的温度的情况下小到可忽略。于是，调制频率进而检测器26上的强度最大值的位置在宽的温度范围内保持恒定，而且即使LED 46的发射光谱在温度变化时变化的情况下也如此。
另一可行性在于，将无热玻璃用作板58，其中通过折射率的相反的减小至少基本上补偿几何厚度的热引起的增加。以该方式，板58的光学厚度即使在温度变化的情况下也以高精度保持恒定，所述光学厚度定义为几何厚度和折射率的乘积并且确定调制频率。这种无热玻璃的实例例如是Schott公司的N-PK51和N-FK51A。
借助这种调制的光谱，也能够照亮检测器26上的两个地点，在所述两个地点之间存在由测量光照射的像素。在最简单的情况下，为此由检测器26检测校准光的两个衍射级，如这在上文结合第一实施例所描述的那样。
在图7中用虚线绘制光谱滤波器64，所述光谱滤波器仅让小于极限波长的波长通过。极限波长短于测量光12的最小波长。以该方式确保没有校准光能够到达处于测量光12的光谱中的检测器24。因此，校准光32不会损害真正的距离测量。如果校准光源30的LED 46的光谱与测量光源11的LED 34的光谱部分重叠，则这种光谱滤波器64是有利的。在光谱不重叠的情况下，能够弃用光谱滤波器64。
图9示出校准光源30的另一变型，该变型与图7中示出的变型的区别仅在于校准光32不作为准直的射束，而是作为聚焦的射束射到板58上。
在图10中示出的校准光源30的变型中，与在图7和9中示出的变型不同，以透射方式穿透板58。由此，简化校准光源30的构造，因为不需要分束立方体53。
4.第三实施例
在上述实施例中，不同的光学元件产生测量光和校准光。以该方式能够尤其简单地确保光谱不重叠，并且在测量期间也能够执行校准。
如果有足够的时间在距离测量之间定期执行常规校准，则能够由相同的光学元件产生测量光和校准光。图11示出这种构造的实施例，其中，校准光源30仅由图7中示出的实施例中的会聚透镜和板58构成。由测量光源11产生的测量光12经由光纤耦合器40输送给校准光源30并且定向到板58上。如上面参考图7所阐述的那样，在那里，光谱调制被施加给校准光。光谱调制的校准光然后如在图5中示出的实施例那样经由光纤41到达摄谱仪20中。通过弃用校准光源中的LED 46简化校准光源30的构造。
于是，当借助于光谱滤波器将测量光的一部分分支并输送给摄谱仪时，也能够弃用附加的产生光的光学元件。在该情况下，校准能够与距离测量同时执行。但是在该变型中，用于距离测量的带宽更小，由此缩小用于距离测量的测量范围。
5.第四实施例
图12示出根据本发明的测量设备10的另一实施例，该测量设备基本上对应于图11中示出的变型。然而，在测量光源11、校准光源30、测量头16和摄谱仪20之间，测量光12和校准光32不在光纤中传播，而是在自由空间中传播。因此，图5中示出的实施例的光纤耦合器被分束立方体40'代替。
此外，摄谱仪20中的光路被折叠，使得测量光12和校准光32在反射光栅56处的衍射之前和之后都穿过相同的透镜56。
在该实施例中，测量光12从未另外示出的测量光源的出射窗70中射出，并且经由两个光圈72、74经由分束立方体40'定向到测量头16上。
6.第五实施例
根据本发明的测量设备的至此所描述的实施例均基于色共聚焦距离测量原理。然而，如上面已经确定的那样，本发明还能够在用于距离测量的干涉设备中使用。在这种设备中，测量头16没有显著的纵向色差。代替于此，在反射的测量光12'与参考光干涉之后，从反射的测量光的光谱中获得距离信息。
图13示出这种测量设备10的实施例。所述测量设备很大程度上对应于图5中示出的实施例，区别是对测量头16中包含的镜头进行了色校正，并且附加地将具有端侧的镜82的参考臂80连接到光纤耦合器84。在基准臂80中，由测量光源11产生的测量光12在镜86处反射，并且在光纤耦合器84中与在测量物体18的表面19处反射的测量光12'干涉。干涉由摄谱仪20检测，并在检测器24上产生调制光谱。通过快速傅里叶逆变换(IFFT，Inverse FastFourier Transformation)，能够从光谱中获得调制频率，所述调制频率分别与一距离值相关联。对于更多细节，参考本申请人的DE 10 2016 005 021 A1。
为了能执行快速傅里叶逆变换，首先必须根据由各个像素pi测量的强度值Pint(pi)中推导出与相位相关的强度Pint(Pi)。在此，波数k通过关系
k＝n(λ)/λ (公式5)
与波长λ结合，其中n(λ)表示构成测量物体18且测量光必要时进入其中的介质的色散。波长λ又经由在第1节中阐述的关联表pi＝pi(λi)与像素编号p相关联。为了校正像素编号p，在此也使用根据公式1或3校正的像素编号pkorr。结果是波数k和像素编号p之间的修改的关联，该关联对于将与像素相关的强度Pint(pi)换算为相位相关的强度Pint(ki)是必需的。
7.第六实施例
在之前描述的实施例中，必须要么校准光和测量光的光谱无重叠，要么校准不能够与测量同时执行。
如已经结合第一实施例简要指出的那样，尽管校准光和测量光的光谱重叠，通过适当的光束引导能够造成在借助测量光测量期间同时执行校准。以该方式，例如能够对每个单独的测量动用借助于校准光同时确定的关联表。
图14示意地示出摄谱仪20的一部分。可见的是色散光学元件，其在此主要出于更好的可视性的原因而构成为透射光栅84。透射光栅84设置在准直的光路中，如这在图5、11和12中示出的反射光栅56中也是这种情况。如在其他实施例中那样，会聚透镜57将衍射光聚焦到检测器24上。
与上述实施例不同，检测器24不仅具有一条像素行，而且具有两条像素行86、88。沿着第一像素行86设置第一像素26-1，在所示出的实施例中平行于z方向的光学轴线90伸展穿过第一像素行，仅测量光12'能够射到所述第一像素上。沿着第二像素行88设置第二像素26-2，所述第二像素行沿x方向偏移但平行于第一像素行86伸展，仅校准光32能够射到第二像素上。
在该实施例中，测量光12'也与轴线平行地射到色散光学元件(透射光栅84)上。因为透射光栅84的衍射结构沿x方向延伸，所以测量光12'与波长相关地在yz平面中偏转，并且由会聚透镜57定向到第一像素行86的第一像素26-1中的一个上，如这在上述实施例中也是这种情况。
相反，在该实施例中，准直的且在图14中以虚线表示的校准光32不与轴线平行地射到透射光栅84上，而且相对于xz平面以不同于零的角度射到透射光栅上。由此，会聚透镜57不将在yz平面中衍射的校准光32聚焦在第一像素行86的像素26-1上，而是聚焦在沿x方向与其偏移设置的第二像素行88的第二像素26-2上。由于入射方向不同，即使波长进而衍射角相同，如这在图14中是这种情况，也无法将校准光32和测量光12'聚焦在相同的像素上。因此，在该实施例中，而且即使校准光32和测量光12'具有相同的光谱，也能够同时执行校准和测量。因此，该方案能够与图11中示出的实施例特别好地组合，其中校准光32和测量光12'由相同的LED 34产生，因此具有相同的光谱。
因为两条像素行86、88设置在相同的检测器24中并且在所示出的实施例中甚至直接相邻设置，两条像素行86、88中的像素始终具有相同的y位置。由此，能够从施加校准光32的第二像素26-2的位置直接推断出设置在其下方的第一像素26-1的位置。因此，对于评估而言，校准光32是否射到第一像素26-1上或设置在其上的第二像素26-2上没有区别。
为了能够将校准光32和测量光12'从不同方向定向到色散光学元件22上，在如图5和11所示的基于光纤的布置中将校准光32经由自身的光纤引导。然后，将光纤的两个端部彼此并排地设置在会聚透镜55的焦平面中。在图14示出的实施例中，需沿x方向设置光纤端部的偏移。
在具有如图12中示例性示出的自由射束传播的布置的情况下，仅校准光源30的光圈51必须垂直于纸平面移位。
显然，也能够以其他方式，例如通过使用楔形棱镜引起射束倾斜。
能够不仅通过校准光和测量光到色散光学元件上的不同入射方向来确保校准光和测量光在检测器上的期望的空间分离。替选地，例如考虑使校准光和测量光不同地偏振，例如正交线性偏振或相反圆形偏振。然后，能够借助于直接设置在像素26-1、26-2之前或其上的合适的偏振滤波器实现校准光仅射到像素上，具有相同波长的反射的测量光不能够射到所述像素上，反之亦然。
附图标记说明
10 测量设备
11 测量光源
12 测量光
12’ 反射的测量光
14 光分配装置
16 测量头
18 测量物体
19 表面
20 摄谱仪
22 色散光学元件
24 检测器
26 光敏单元(像素)
28 评估装置
30 校准光源
32 校准光
34 测量光源的LED
36 会聚透镜
38 光纤
39 光纤
40 光纤耦合器
40’ 分束立方体
41 光纤
42 会聚透镜
44 会聚透镜
46 校准光源的LED
48 会聚透镜
50 单色仪
51 光圈
52 会聚透镜
53 分束立方体
54 光纤
55 会聚透镜
56 反射光栅
57 会聚透镜
58 板
59 会聚透镜
60 后侧
62 前侧
64 光谱滤波器
70 出射窗
72 光圈
74 光圈
80 参考臂
82 镜
84 透射光栅
86 第一像素单元
88 第二像素单元
90 光学轴线

Claims (10)

1.一种用于无接触地测量距一表面(19)的距离或两个表面之间的距离的测量设备，其具有
测量光源(11)，所述测量光源设计用于产生多色测量光(12)，
光学测量头(16)，所述光学测量头设计用于将由所述测量光源(11)产生的测量光(12)定向到测量物体(18)上且接收由所述测量物体(18)反射的测量光(12')，
摄谱仪(20)，所述摄谱仪设计用于对由所述测量物体(18)反射的且由所述光学测量头(16)接收的测量光(12')进行光谱分析，其中所述摄谱仪(20)具有色散光学元件(22)和检测器(24)，所述检测器具有多个光敏单元(26)，
评估装置(28)，所述评估装置设计用于根据所述光敏单元(26)中的至少一部分的测量信号计算距离值，
其特征在于，
所述测量设备(10)具有校准光源(30)，所述校准光源具有宽带光源(46)和反射面的布置，所述反射面的布置通过产生干涉对所述校准光的强度进行光谱调制，所述校准光源(30)设计用于产生校准光(32)，所述校准光具有已知的时间稳定的且与温度不相关的光谱成分，所述校准光(32)能够穿过所述色散光学元件(22)定向到所述检测器(24)上，而没有事先在通向所述测量物体(18)的光路中反射，并且
此外所述评估装置(28)设计用于根据所述检测器(24)的至少一些所述光敏单元(26)上的所述校准光(32)产生的光谱的变化推导出校正值，借助所述校正值修改一方面所述光敏单元(26)中的至少一部分和另一方面波长或根据波长推导的变量之间的预设的关联。
2.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述评估装置(28)设计用于根据强度图案的位置的变化推导出校正值，通过所述校准光(32)在所述检测器(24)的所述光敏单元(26)中的至少一部分上产生所述强度图案。
3.根据权利要求1或2所述的测量设备，其特征在于，所述校准光(32)和所述测量光(12)具有不重叠的光谱。
4.根据权利要求1或2所述的测量设备，其特征在于，所述校准光(32)和所述测量光(12)具有重叠的光谱，但是所述校准光(32)不能够与所述测量光(12)同时定向到所述检测器(24)上。
5.根据权利要求1或2所述的测量设备，其特征在于，所述校准光(32)和所述测量光(12)具有至少部分重叠的光谱，并且所述校准光(32)能够穿过所述色散光学元件(22)定向到所述检测器(24)上，使得具有一定波长的校准光(32)射到光敏单元上，具有相同的波长的反射光(12’)不能够射到所述光敏单元上。
6.根据权利要求5所述的测量设备，其特征在于，所述校准光(32)从与所述反射的测量光(12’)不同的方向射到所述色散光学元件(22)上，并且所述光敏单元(26)包括第一单元(26-1)和第二单元(26-2)，仅所述校准光(32)能够射到所述第一单元上并且所述第一单元沿着第一行(86)设置，仅所述反射的测量光(12’)能够射到所述第二单元上并且所述第二单元沿着第二行(88)设置，所述第二行平行于所述第一行(86)伸展。
7.根据权利要求1或2所述的测量设备，其特征在于，所述校准光源(30)具有通过产生干涉来对所述校准光的强度进行光谱调制的平面平行的板(58)或将由所述测量光源(11)产生的测量光(12)的一部分分路的分束器(40')和单色仪(50)。
8.根据权利要求1或2所述的测量设备，其特征在于两个校准光源，所述校准光源设计用于产生具有不同光谱成分的校准光，其中在由所述两个校准光源(30)产生的校准光(32a、32b)能够同时穿过所述色散光学元件(22)定向到所述检测器(24)上，而没有事先在通向所述测量物体(18)的光路中反射。
9.根据权利要求1或2所述的测量设备，其特征在于，所述色散光学元件是衍射光栅，并且将所述校准光(32)的光谱选择成，使得能够由检测器(24)检测所述校准光的两个不同的衍射级。
10.一种用于无接触地测量距一表面(19)的距离或两个表面之间的距离的方法，其具有如下步骤：
a)产生多色测量光(12)；
b)借助于光学测量头(16)将所述测量光(12)定向到测量物体(18)上并且由所述光学测量头(16)接收由所述测量物体(18)反射的测量光(12’)；
c)在摄谱仪(20)中对由所述测量物体(18)反射的且由所述光学测量头(16)接收的测量光(12')进行光谱分析，所述摄谱仪具有色散光学元件(22)和检测器(24)，所述检测器具有多个光敏单元(26)；
d)根据所述光敏单元(26)中的至少一部分的测量信号计算距离值，其中使用一方面所述光敏单元中的至少一部分和另一方面波长或根据波长推导的变量之间的预设的关联；
e)由校准光源(30)产生校准光(32)，所述校准光具有已知的时间稳定的且与温度不相关的光谱成分，其中所述校准光源(30)具有宽带光源(46)和反射面的布置，所述反射面的布置通过产生干涉对所述校准光的强度进行光谱调制；
f)所述校准光(32)能够穿过所述色散光学元件(22)定向到所述检测器(24)上，而所述校准光(32)没有事先在通向所述测量物体(18)的光路中反射；
g)根据所述检测器(24)的至少一些所述光敏单元(26)上的所述校准光(32)产生的光谱的变化推导出校正值；
h)借助于所述校准值修改所述预设的关联；
i)至少重复步骤a)至d)，其中在步骤d)中使用在步骤h)中修改的关联。
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