JP7410853B2 - Method and device for non-contact measurement of distance to a surface or distance between two surfaces - Google Patents

Method and device for non-contact measurement of distance to a surface or distance between two surfaces Download PDF

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Description

本発明は、表面に対する間隔又は2つの表面の間の間隔を非接触で測定する測定装置と方法に関するものであって、その場合に多色光が測定対象へ向けられて、測定対象から反射された測定光がスペクトル分析される。本発明は、特に熱効果によって測定精度が損なわれることを減少させる問題に関する。 The present invention relates to a measuring device and method for non-contact measurement of the distance to a surface or the distance between two surfaces, in which case polychromatic light is directed towards the object to be measured and is reflected from the object. The measurement light is spectrally analyzed. The invention relates in particular to the problem of reducing the loss of measurement accuracy due to thermal effects.

測定技術においてしばしば生じる問題は、参照点と固体又は液体の測定対象の表面との間の間隔を測定することである。それぞれ測定課題に応じて、表面上の唯一又は少数の点が測定されるか、あるいは間隔の狭い多数の点が測定される。後者の場合においては、間隔測定値から測定対象の表面の類型論的な1次元又は2次元の高さプロフィールが導き出される。このようにして、たとえば正確に加工された表面の凹凸を証明し、あるいは粗さ指数を定めることができる。これらの測定においては、通常、間隔を絶対的に測定することは重要ではなく、相対的な間隔変化のみが高い精度で検出される。 A problem that often arises in measurement technology is determining the distance between a reference point and the surface of a solid or liquid object to be measured. Depending on the measurement task, only one or a few points on the surface or a large number of closely spaced points are measured. In the latter case, a typological one-dimensional or two-dimensional height profile of the surface to be measured is derived from the distance measurements. In this way, it is possible, for example, to demonstrate the roughness of a precisely machined surface or to determine a roughness index. In these measurements, it is usually not important to measure the spacing absolutely; only relative spacing changes are detected with high accuracy.

表面の間の間隔及び特に光学的に透明な層の厚みを測定しようとする場合に、同じことが言える。この場合においても、参照点に対する絶対的な間隔は必要とされない。というのは、層の厚みは、層を画成する表面のための間隔値の差から生じるからである。 The same is true when trying to measure the spacing between surfaces and especially the thickness of optically transparent layers. Even in this case, absolute spacing for the reference points is not required. This is because the thickness of a layer results from the difference in spacing values for the surfaces that define the layer.

これに関連して、固体のボディによって支持され、あるいはそれに固定されている材料からなる層だけでなく、支持を必要としない薄い固体の構造も、層と称される。その例は、ガラス又は半導体材料からなるディスクあるいはビン又は同様な対象の壁である。 In this context, not only layers of material that are supported by or fixed to a solid body are referred to as layers, but also thin solid structures that do not require support. Examples thereof are the walls of disks or bottles or similar objects made of glass or semiconductor material.

間隔を非接触で測定するために、容量的又は他の電気的測定原理の他に、特に光学的な測定原理も使用される。というのは、それによって特に高い測定精度が得られるからである。このような光学的な測定原理の1つにおいて、多色の測定光が光学的な測定ヘッドによって測定対象へ向けられる。測定対象の表面から反射された測定光が、測定ヘッドによって受け取られて、スペクトログラフへ供給され、そのスペクトログラフが反射された測定光をスペクトル分析する。測定光のスペクトル組成から、測定対象の表面に対する間隔を推定することができる。屈折率の異なる2つの媒体の間の各光学的境界面は、入射する光の一部を反射するので、このようにして、測定光の伝播方向に相前後して配置された複数の表面に対する間隔も定めることができる。そのための条件は、測定光が透過する光学的媒体が、使用される測定光のために充分に透き通っていることだけである。 In addition to capacitive or other electrical measuring principles, in particular optical measuring principles are also used to measure distances without contact. This is because a particularly high measurement accuracy is thereby obtained. In one such optical measurement principle, polychromatic measurement light is directed onto the measurement object by an optical measurement head. Measurement light reflected from the surface of the object to be measured is received by a measurement head and supplied to a spectrograph which spectrally analyzes the reflected measurement light. From the spectral composition of the measurement light, the distance to the surface of the measurement target can be estimated. Since each optical interface between two media with different refractive indices reflects a part of the incident light, it is thus possible to Spacing can also be determined. The only condition for this is that the optical medium through which the measuring light is transmitted is sufficiently transparent for the measuring light used.

この測定原理によって使用される、第1のタイプの測定装置において、色的に共焦点の測定のコンセプトが利用される。このタイプの測定装置は、測定ヘッドを有し、その測定ヘッドが色的に補正されない光学系を有しており、それが測定対象の表面上に測定光を合焦させる。強い分散を有するガラスからなるレンズ及び/又は回折光学素子を有することができる、光学系の色長手収差によって、測定光のスペクトル成分が様々な焦点面に合焦される。共焦点で配置された絞りによって、測定光の、その焦点面が正確に測定対象の表面上に位置するスペクトル成分のみが、スペクトログラフへ達し、そこでスペクトル分析できることが、保証される。スペクトログラフは、格子又は他の分散的光学素子と検出器を有し、その検出器が多数の感光性のセルを有している。各感光性のセルには、極めて狭い波長領域が対応づけられているので、検出器の個々のセルに、間隔値を直接対応づけることができる。間隔値とセルの間の対応づけは、特許文献1(独国特許出願公開第102004049541(A1)号明細書)に記述されているように、較正を介して定めることができる。 In the first type of measuring device used with this measuring principle, a chromatically confocal measuring concept is utilized. This type of measuring device has a measuring head that has a color-uncorrected optical system that focuses the measuring light onto the surface of the object to be measured. The chromatic longitudinal aberrations of the optical system, which can have lenses made of glass with strong dispersion and/or diffractive optical elements, focus the spectral components of the measurement light onto different focal planes. The confocally arranged diaphragm ensures that only those spectral components of the measuring light whose focal plane lies precisely on the surface of the object to be measured reach the spectrograph and can be spectrally analyzed there. A spectrograph has a grating or other dispersive optical element and a detector that has a large number of light-sensitive cells. Since each photosensitive cell is associated with a very narrow wavelength range, it is possible to directly assign spacing values to the individual cells of the detector. The correspondence between spacing values and cells can be determined via calibration, as described in DE 10 2004 049 541 A1.

同様に測定対象の表面から反射された測定光がスペクトル分析される、他のタイプの測定装置においては、光学的干渉のコンセプトが利用される。測定対象から反射された測定光が、参照アーム内で反射された測定光と干渉する。干渉によって、反射された測定光がスペクトル変調され、その場合に求める間隔値は変調周波数から導き出すことができる。この目的のために、対象から反射されて、参照アーム内で反射された測定光と干渉する測定光が、スペクトログラフ内でスペクトル的に検出されて、逆フーリエ変換される。 In other types of measuring devices, in which the measuring light reflected from the surface of the object to be measured is spectrally analyzed, the concept of optical interference is used. The measurement light reflected from the measurement object interferes with the measurement light reflected within the reference arm. Due to the interference, the reflected measuring light is spectrally modulated, and the determined spacing value can then be derived from the modulation frequency. For this purpose, the measuring light reflected from the object and interfering with the measuring light reflected in the reference arm is spectrally detected in a spectrograph and inversely Fourier transformed.

上述した2つのタイプの光学的測定装置は、しばしば製造環境内で品質保証のために使用される。製造環境においては、もちろん周囲温度は著しく変動する。したがって測定装置は、典型的に、+5℃と+60℃の間の温度領域について、駆動可能と定められている。 The two types of optical measurement devices mentioned above are often used for quality assurance within manufacturing environments. In a manufacturing environment, of course, ambient temperatures vary significantly. The measuring device is therefore typically operable over a temperature range between +5°C and +60°C.

その場合に様々な周囲温度が、測定された間隔値に直接作用する問題が生じる。温度が変動した場合には、光学素子の熱的膨張によって、曲率半径と光学的境界面の間の間隔のような重要な光学的パラメータの変化がもたらされる。さらに、レンズ及び他の屈折光学素子の屈折率は、温度に直接依存する。測定光がそれを通して伝播する、空気又は他のガスの屈折率自体、-固定のボディにおけるよりもずっと少ない程度ではあるが-温度に依存する。さらに、光学素子をハウジングに固定するホルダの熱膨張は、光学素子の位置変化をもたらすことがあり、それも同様に光学系の作用に影響する。 The problem then arises that different ambient temperatures have a direct effect on the measured distance values. When the temperature changes, thermal expansion of the optical element results in changes in important optical parameters such as the radius of curvature and the spacing between the optical interfaces. Furthermore, the refractive index of lenses and other refractive optical elements is directly dependent on temperature. The refractive index of the air or other gas through which the measurement light propagates itself depends on the temperature - albeit to a much lesser extent than in a fixed body. Furthermore, thermal expansion of the holder that secures the optical element to the housing can lead to a change in the position of the optical element, which likewise affects the operation of the optical system.

熱に基づく測定エラーを補償するために、特許文献2(欧州特許第2369294(B1)号明細書)は、測定ヘッドに含まれる色的に補正されない光学系を、温度変化における個々の光学素子の光学作用の変化が相互に補償されるように、設計することを、提案している。 In order to compensate for thermally-based measurement errors, EP 2 369 294 (B1) proposes a chromatically uncorrected optical system included in the measurement head to compensate for the effects of individual optical elements on temperature changes. It is proposed to design such that changes in optical effects are mutually compensated.

特許文献3(欧州特許第2149028(B1)号明細書)からは、測定値の熱的にもたらされる変化を許すが、この変化を後段の補正ステップにおいて補正することが、知られている。補正値を得るために、スペクトログラフを用いて、測定ヘッド内の光学的な表面において反射された測定光成分のスペクトル組成が求められる。その場合に反射された測定光が結合される、光学ファイバーの端部に対するこの表面の間隔が、測定ヘッド内の温度に依存すると仮定される。このようにして温度が測定ヘッド内の光学的な表面からの間隔を介して間接的に測定されるので、後に測定対象において測定する場合に温度の影響を考慮することができる。 It is known from EP 2 149 028 (B1) to allow for thermally induced changes in the measured values, but to compensate for these changes in a subsequent correction step. To obtain the correction value, the spectral composition of the measurement light components reflected at the optical surfaces in the measurement head is determined using a spectrograph. It is assumed that the distance of this surface to the end of the optical fiber, into which the reflected measuring light is coupled, depends on the temperature in the measuring head. In this way, the temperature is measured indirectly via the distance from the optical surface in the measuring head, so that the influence of the temperature can be taken into account in subsequent measurements on the measuring object.

同様なやり方で、特許文献4(独国特許出願公開第102015118069(A1)号明細書)から知られた測定装置においても、測定ヘッド内の温度に依存する効果が考慮される。その場合に温度変化の作用を定めるために、測定ヘッドの内部の固定の光学的境界面における反射ではなく、測定ヘッドの外部の境界面における反射が使用される。実施例において、付加的な測定アーム内の測定光が段付きの反射する面へ向けられ、その場合に光学軸に沿った段の高さは、正確に知られている。2つの表面の間で測定された間隔値が変化した場合に、この作用が変化した温度に割り当てられ、かつ補正ファクターを定めるために使用される。その後、後続の測定において、測定された間隔値が補正ファクターによって乗算される。 In a similar manner, temperature-dependent effects in the measuring head are also taken into account in the measuring device known from DE 102015118069 A1. In order to determine the effect of temperature changes, the reflections at the external boundary surfaces of the measuring head are used instead of the reflections at the internal, fixed optical boundary surfaces of the measuring head. In an embodiment, the measuring light in the additional measuring arm is directed onto a stepped reflective surface, the height of the step along the optical axis being precisely known. If the distance value measured between two surfaces changes, this effect is assigned to the changed temperature and used to determine the correction factor. Then, in subsequent measurements, the measured spacing value is multiplied by the correction factor.

特許文献5(米国特許第9541376(B2)号明細書)は、スペクトログラフにおける変化がどのように、色的に共焦点の測定原理に従って作動する間隔測定装置の測定精度に作用するか、という問題と根本的に取り組んでいる。この問題を解決するために、スペクトログラフの検出器によって、+1又は-1の回折次数ではなく、+1の回折次数も-1の回折次数も検出することが、提案される。間隔情報は、2つの回折次数の最大値が発生する、検出器の感光性のセル間の間隔から導き出される。温度変化によって格子及び/又は検出器の位置が変化した場合に、それによってしばしば回折次数の最大値が同じ大きさだけ変位するので、最大値の間の間隔は一定に留まる。この間隔のみが以降の評価に入るので、温度変化は測定精度に作用しない。 U.S. Pat. No. 9,541,376 (B2) addresses the problem of how changes in the spectrograph affect the measurement accuracy of a spacing measurement device operating according to the chromatically confocal measurement principle. We are fundamentally working on this. To solve this problem, it is proposed to detect both the +1 and -1 diffraction orders with the spectrograph detector, rather than the +1 or -1 diffraction orders. Spacing information is derived from the spacing between the photosensitive cells of the detector where the maxima of the two diffraction orders occur. If the position of the grating and/or the detector changes due to temperature changes, this often causes the maxima of the diffraction orders to shift by the same amount, so that the spacing between the maxima remains constant. Temperature changes do not affect the measurement accuracy since only this interval is included in the subsequent evaluation.

もちろんこの既知の考え方の欠点は、検出器によって2つの回折次数を評価しなければならないことである。それによって、提供される感光性セルの数が等しい場合には、スペクトル解像度及びそれに伴って測定精度も低下する。 Of course, the disadvantage of this known concept is that two diffraction orders have to be evaluated by the detector. Thereby, the spectral resolution and therefore the measurement accuracy are also reduced when the number of photosensitive cells provided is equal.

独国特許出願公開第102004049541(A1)号明細書German Patent Application No. 102004049541 (A1) 欧州特許第2369294(B1)号明細書European Patent No. 2369294 (B1) 欧州特許第2149028(B1)号明細書European Patent No. 2149028 (B1) specification 独国特許出願公開第102015118069(A1)号明細書German Patent Application No. 102015118069 (A1) 米国特許第9541376(B2)号明細書US Patent No. 9541376 (B2)

本発明の課題は、表面に対する間隔又は2つの表面の間の間隔を非接触で測定する測定装置と方法を、スペクトロメータにおける温度変化が測定精度に作用せず、あるいは少なくとも従来よりもずっと少ない程度で作用するように、改良することである。既知の解決においては容認しなければならなかった、スペクトル解像及びそれに伴う測定精度における損害を容認する必要はない。 It is an object of the invention to provide a measuring device and a method for non-contact measurement of the distance to a surface or the distance between two surfaces, in which temperature changes in the spectrometer do not affect the measurement accuracy, or at least to a much lesser extent than before. The goal is to improve it so that it works. There is no need to accept the losses in spectral resolution and the associated measurement accuracy that had to be accepted in known solutions.

測定装置に関して、上述した課題は、多色の測定光を発生させるように整えられた測定光源を有する、表面に対する間隔又は2つの表面の間の間隔を非接触で測定するための測定装置によって解決される。測定装置は、さらに、光学的な測定ヘッドを有しており、その測定ヘッドは、測定光源から発生された測定光を測定対象へ向けて、測定対象から反射された測定光を受け取るように、整えられている。さらに、測定装置はスペクトログラフを有しており、そのスペクトログラフは、測定光から反射されて、光学的な測定ヘッドによって受け取られた測定光をスペクトル分析するように、整えられており、その場合にスペクトログラフは、分散性の光学素子と、多数の感光性セルを備えた検出器とを有している。測定装置の評価装置は、少なくとも一部の感光性セルの測定信号から間隔値を計算するように、整えられている。本発明によれば、測定装置は較正光源を有しており、その較正光源は、既知のスペクトル組成を有する較正光を発生させるように、整えられている。較正光は、前もって測定対象へ通じる光学路内で反射されることなしに、分散性の光学素子を通して検出器上へ向けることができる。評価装置は、検出器の感光性セルの少なくともいくつかにおいて較正光によって発生されるスペクトルの変化から補正値を導き出すように、整えられており、その補正値によって感光性セルの少なくとも一部と、波長又は波長から導き出される変量との間のあらかじめ定められた対応づけが修正される。 Regarding the measuring device, the problem mentioned above is solved by a measuring device for non-contact measurement of a distance to a surface or a distance between two surfaces, which has a measuring light source arranged to generate polychromatic measuring light. be done. The measuring device further includes an optical measuring head, the measuring head directing the measuring light generated from the measuring light source towards the measuring object and receiving the measuring light reflected from the measuring object. It's arranged. Furthermore, the measuring device has a spectrograph, which spectrograph is arranged to spectrally analyze the measuring light reflected from the measuring light and received by the optical measuring head, in which case A spectrograph has a dispersive optical element and a detector with a large number of photosensitive cells. The evaluation device of the measuring device is arranged to calculate the distance value from the measuring signals of at least some of the photosensitive cells. According to the invention, the measuring device has a calibration light source arranged to generate calibration light having a known spectral composition. The calibration light can be directed onto the detector through the dispersive optical element without being previously reflected in the optical path leading to the measurement object. The evaluation device is arranged to derive a correction value from a spectral change caused by the calibration light in at least some of the photosensitive cells of the detector, and by which correction value the at least some of the photosensitive cells and A predetermined correspondence between the wavelength or a variable derived from the wavelength is modified.

本発明は、スペクトログラフ内の温度変化が測定精度のための重要な要因である、という認識から出発している。その場合に、測定ヘッドにおいて、かつスペクトログラフ内で、異なる温度が支配する可能性があることが、考慮される。スペクトログラフのすぐ近傍には、たとえば評価装置が配置されていることが多く、その評価装置は通常多数の電子的なコンポーネントを有している。それらから発生された熱損失によって、測定ヘッド内よりも高い温度がスペクトログラフ内を支配することになり得る。 The invention starts from the recognition that temperature variations within the spectrograph are an important factor for measurement accuracy. In that case, it is taken into account that different temperatures can prevail in the measuring head and in the spectrograph. For example, an evaluation device is often arranged in the immediate vicinity of the spectrograph, which evaluation device usually has a large number of electronic components. The heat losses generated from them can lead to higher temperatures prevailing in the spectrograph than in the measurement head.

スペクトログラフ内の温度変化の影響を検出して、後続の測定において考慮することができるようにするために、本発明によれば、既知のスペクトル組成を有する較正光が、スペクトログラフの分散性の光学素子を通してその検出器へ向けられる。このようにして、較正光のスペクトルと検出器の感光性セルとの間の一義的な関係が形成される。温度変化によって、感光性セルの位置の変化がもたらされた場合に、較正光のスペクトル内の最大強度は、他の感光性セルにおいて生じる。本発明によれば、この変位は、感光性セルと波長又は波長から導き出される変量との間あらかじめ定められた対応づけが修正されることによって、後の測定対象における測定を評価する際に直接考慮される。もっとも簡単な場合において、この種の修正された対応づけは、所定の感光性セルがもはや元のあらかじめ定められた波長にではなく、修正された波長に相当すると、見なすことができる。求める間隔情報は、測定光のスペクトル内でコード化されているので、修正された対応づけの結果であるスペクトルの正しい検出は、自動的に間隔についての温度に依存しない測定値を提供する。較正のこの直接的なやり方は、温度変化の影響が間隔測定から導き出される考え方に比較して、効果的である。 In order to be able to detect the effects of temperature changes in the spectrograph and take them into account in subsequent measurements, according to the invention, a calibration light with a known spectral composition is applied to the dispersion of the spectrograph. is directed through an optical element to its detector. In this way, a unique relationship is formed between the spectrum of the calibration light and the photosensitive cells of the detector. If a change in temperature results in a change in the position of a photosensitive cell, the maximum intensity in the spectrum of the calibration light will occur in another photosensitive cell. According to the invention, this displacement is directly taken into account when evaluating the measurements on the subsequent measurement object by modifying the predetermined correspondence between the photosensitive cell and the wavelength or variables derived from the wavelength. be done. In the simplest case, a modified mapping of this kind can be considered such that a given photosensitive cell no longer corresponds to the original predetermined wavelength, but to a modified wavelength. Since the desired spacing information is encoded within the spectrum of the measurement light, correct detection of the spectrum as a result of the corrected mapping automatically provides a temperature-independent measurement of the spacing. This direct method of calibration is effective compared to the idea that the effects of temperature changes are derived from interval measurements.

較正光が、測定対象へ通じる光学路内で前もって反射されることなしに、スペクトログラフへ供給されるので、較正光によって、スペクトログラフ内の温度変化の影響のみが検出される。スペクトログラフ内の温度変化の影響を、測定ヘッド内に温度変化があってもその影響に関係なく定めることができるようにする、本発明によって与えられる可能性は、複数の理由から効果的である。上述した特許文献3(欧州特許第2149028(B1)号明細書)の場合のように、スペクトログラフ内と測定ヘッド内の温度変化が組み合わせて検出される場合には、2つの効果の重なりのみが検出される。2つの効果は、通常、評価する際に異なる補正措置を必要とするので、温度変化が組み合わせて検出される場合には、最適な補正を実施することはできない。すなわち、たとえば、上述した測定ヘッド内の反射する表面に対応づけられた波長について、測定ヘッド内とスペクトログラフ内の効果が偶然に相殺され、それによって温度変化が検出されない場合が生じ得る。しかし他の波長については、絶対的に補正の必要が生じることがあり、それは、特許文献3に基づいて効果を組み合わせて検出する場合には、認識されない。 Since the calibration light is supplied to the spectrograph without being previously reflected in the optical path leading to the measurement object, only the effects of temperature changes within the spectrograph are detected by means of the calibration light. The possibility afforded by the invention to be able to determine the influence of temperature changes in the spectrograph independently of the influence of temperature changes in the measuring head is advantageous for several reasons. . As in the case of the above-mentioned Patent Document 3 (European Patent No. 2149028 (B1)), when temperature changes inside the spectrograph and inside the measurement head are detected in combination, only the overlap of the two effects is detected. Detected. Since the two effects usually require different correction measures when evaluated, an optimal correction cannot be carried out when temperature changes are detected in combination. That is, for example, for wavelengths associated with reflective surfaces in the measuring head mentioned above, it may happen that the effects in the measuring head and in the spectrograph cancel each other out, so that no temperature change is detected. However, for other wavelengths, there may be an absolute need for correction, which is not recognized when detecting a combination of effects based on Patent Document 3.

温度変化を別々に検出することは、測定装置のモジュラー構造に関しても、効果的である。まさに、スペクトログラフ内に温度変化によってもたらされる効果が、測定ヘッド内の効果に比較して優先的である場合に、測定ヘッドが温度検出する手段を有するか否かに関係なく、補正を実施することができると、効果的である。したがって本発明に係る測定装置は、特殊な測定ヘッドを必要とせず、任意の測定ヘッドによって駆動することができ、したがってユニバーサルに使用可能である。 Separate detection of temperature changes is also advantageous with respect to the modular construction of the measuring device. Precisely if the effects caused by temperature changes in the spectrograph are predominant compared to the effects in the measuring head, the correction is carried out irrespective of whether the measuring head has means for sensing temperature or not. It is effective if you can do it. The measuring device according to the invention therefore does not require a special measuring head, can be driven by any measuring head, and is therefore universally usable.

較正光をスペクトログラフの分散性の光学素子へ供給することができるようにするために、一般的に、光路内に光分割装置を導入し、それを用いて較正光と測定光を共通に分散性の光学素子へ供給することが必要となる。光分割装置は、たとえばビームスプリッタキューブ又はファイバーカップラーとすることができる。 In order to be able to feed the calibration light to the dispersive optics of the spectrograph, a light splitting device is generally introduced in the optical path, with which the calibration and measurement light are commonly distributed. It is necessary to supply the optical elements with the same characteristics. The light splitting device can be, for example, a beam splitter cube or a fiber coupler.

もっとも効果的なのは、評価装置が、検出器の感光性セルの少なくとも一部上に較正光によって発生された強度パターンの位置の変化から、補正値を導き出すように、整えられている場合である。この種のパターンは、通常、ローカルな最大強度と最小強度の連続からなる。もっとも簡単な場合において、この種の強度パターンは個々の(ローカルな)最大強度又は最小強度からなる。 Most advantageously, the evaluation device is arranged to derive the correction value from the change in position of the intensity pattern generated by the calibration light on at least a portion of the photosensitive cells of the detector. This type of pattern usually consists of a series of local maxima and minima. In the simplest case, this type of intensity pattern consists of individual (local) maxima or minima.

本発明に係る較正は、較正光が時間的に安定し、かつ温度に依存しないスペクトル組成を有する場合に、もっとも簡単に実施される。そのために較正光源は、周囲温度に関係なく、変化しないスペクトル組成を有する較正光を発生させる特性をもたなければならない。しかし原理においては、温度に依存するスペクトル組成を有する較正光を使用することも、考えられる。しかしその場合には、スペクトログラフ内の温度だけでなく、スペクトル組成の温度依存性も正確にわかっていなければならず、それによって評価する際にそれを計算で考慮することができる。 Calibration according to the invention is most easily carried out when the calibration light has a temporally stable and temperature-independent spectral composition. To this end, the calibration light source must have the property of generating calibration light with a spectral composition that does not change, regardless of the ambient temperature. However, it is also conceivable in principle to use calibration light with a temperature-dependent spectral composition. However, in that case, not only the temperature within the spectrograph but also the temperature dependence of the spectral composition must be known precisely so that it can be taken into account in the calculations during the evaluation.

もっとも簡単な場合においては、較正光源は狭帯域の光源、たとえばレーザーダイオードである。スペクトル組成のさらに小さい温度依存性は、較正光源が(場合によっては広帯域の)光源と温度安定のモノクロメータ、たとえばファブリ・ペロー干渉計を有する場合に、得られる。 In the simplest case, the calibration light source is a narrowband light source, for example a laser diode. An even smaller temperature dependence of the spectral composition is obtained if the calibration light source comprises a (possibly broadband) light source and a temperature-stable monochromator, for example a Fabry-Perot interferometer.

時間的に安定し、かつ温度に依存しないスペクトル組成を有する較正光を発生させる特に簡単な可能性は、広帯域の光源と、干渉の形成によって較正光の強度をスペクトル変調する、反射する表面の配置とを有する較正光源を使用することにある。したがってレーザーダイオードの使用とは異なり、この較正光源は、所定の波長における唯一の最大強度ではなく、比較的広いスペクトルを有するが、そのスペクトルは変調によって複数のローカルな最大強度を有している。その場合にスペクトログラフの検出器は、個々の最大強度の位置だけでなく、複数の最大強度の位置も検出する。この種の配置は、たとえば光学的に透明な材料からなる平面平行のプレートとして形成することができる。プレートが非熱伝導性のガラスからなる場合に、温度変動における厚み変化は、逆方向の屈折率変化によって補償されて、プレートの光学的厚みとそれに伴って変調周波数は一定に留まる。ガラスプレートの代わりに、厚みdのエアギャップもスペクトル変調に使用することができる。このエアギャップは、たとえば、第1の透明かつ下側が部分反射するプレートと、第2の反射するプレートとの間に形成することができる。プレート間の間隔は、スペースホルダによって調節され、そのスペースホルダは、熱膨張の小さい材料(クォーツガラス又はゼロデュア)からなる。それによってエアギャップによって発生されるスペクトル変調は、とりたてて言うほど温度に依存しない。 A particularly simple possibility to generate calibration light with a temporally stable and temperature-independent spectral composition is the arrangement of a broadband light source and a reflective surface that spectrally modulates the intensity of the calibration light by the formation of interferences. and using a calibrated light source with Therefore, unlike the use of laser diodes, this calibrated light source does not have a single maximum intensity at a given wavelength, but rather a relatively broad spectrum, but the spectrum has multiple local intensity maxima due to modulation. The detector of the spectrograph then detects not only the individual maximum intensity position, but also a plurality of maximum intensity positions. An arrangement of this type can be formed, for example, as plane-parallel plates of optically transparent material. If the plate is made of thermally non-conductive glass, the thickness change with temperature variations is compensated by the refractive index change in the opposite direction, so that the optical thickness of the plate and thus the modulation frequency remain constant. Instead of a glass plate, an air gap of thickness d can also be used for spectral modulation. This air gap can be formed, for example, between a first transparent, partially reflective plate on the underside and a second reflective plate. The spacing between the plates is adjusted by space holders, which are made of a material with low thermal expansion (quartz glass or Zerodur). The spectral modulation thereby generated by the air gap is not particularly temperature dependent.

較正光と測定光が、重なり合わないスペクトルを有する場合に、較正は間隔測定と同時に実施することができる。特に較正光のスペクトルは、測定光のスペクトルよりも短波とすることができる。スペクトルが重なる場合には、較正は、間隔測定の間のタイムインターバルで実施されなければならない。というのは、そうでないと間隔測定が較正光によって歪曲されてしまうからである。ここでは重なり合うというのは、同一性の特殊場合(したがって完全な重なり)でもある。 Calibration can be performed simultaneously with spacing measurements if the calibration light and measurement light have non-overlapping spectra. In particular, the spectrum of the calibration light can be of shorter wavelength than the spectrum of the measurement light. If the spectra overlap, calibration must be performed in the time interval between distance measurements. This is because otherwise the spacing measurements would be distorted by the calibration light. Overlapping here is also a special case of identity (and thus complete overlap).

較正光と測定光のスペクトルが重なり合う場合でも、ある波長を有する較正光が感光性セルへ入射し、そのセルに同じ波長を有する反射された測定光が入射できないようにして、分散性の光学素子を通して較正光を検出器へ向けることができる場合には、同時の較正と測定が可能である。好ましくは逆の場合も成立し、すなわち同じ波長を有する較正光が入射することのできる感光性セルへ、反射された測定光は入射できない。これはたとえば、較正光と測定光が異なるように分極されており、かつ分極フィルタによって感光性セル上で、較正光と反射された測定光が同一のセル上に入射できないことが保証されることによって、達成することができる。 Even if the spectra of the calibration light and measurement light overlap, the calibration light with a certain wavelength is incident on a photosensitive cell and the reflected measurement light with the same wavelength is not allowed to enter the cell, so that the dispersive optical element Simultaneous calibration and measurement is possible if the calibration light can be directed through the detector to the detector. Preferably, the reverse also holds true, ie no reflected measuring light can enter a photosensitive cell into which a calibration light having the same wavelength can enter. This means, for example, that the calibration light and the measurement light are polarized differently and that the polarization filter ensures on the photosensitive cell that the calibration light and the reflected measurement light cannot be incident on the same cell. This can be achieved by

分極フィルタは光損失をもたらすので、多くの場合において、較正光を反射された測定光とは異なる方向から分散性の光学素子へ入射させると、より効果的である。それによって、較正光は分散性の光学素子の後方で測定光とは異なるルートをとり、かつ空間的にそれから分離することができる。その場合に感光性のセルは、第1のセルと第2のセルを有し、第1のセル上には較正光のみが入射することができ、かつその第1のセルは第1の列に沿って配置されており、第2のセル上には反射された測定光のみが入射することができ、かつ第2のセルは、第1の行に対して平行に延びる第2の行に沿って配置されている。 Since polarizing filters introduce optical losses, it is often more effective to have the calibration light enter the dispersive optical element from a different direction than the reflected measurement light. Thereby, the calibration light can take a different route than the measurement light behind the dispersive optical element and be spatially separated therefrom. The photosensitive cell then has a first cell and a second cell, on the first cell only the calibration light can be incident, and the first cell is in the first column. , and only reflected measurement light can be incident on the second cell, and the second cell is arranged in a second row extending parallel to the first row. located along.

これに関連して、較正光源という概念は、広く解釈すべきである。特に、較正光と測定光が異なる光学的コンポーネントから発生されることは、不要である。実施例においては、較正光源と測定光源は光を発生させるために同一の光学的コンポーネントを使用する。その場合に較正光源は、たとえばビームスプリッタを有し、そのビームスプリッタが光学コンポーネントから発生された光の一部を測定光として測定ヘッドへ供給し、光の他の部分をモノクロメータへ供給し、そのモノクロメータが光からスペクトルフィルタリングによって較正光を発生させる。その代わりに、光のこの部分を、変調された較正光スペクトルを発生させるために平面平行のプレートへ向けることもできる。このようにして較正光源は、専用の光学的コンポーネントを必要としない。その場合にはもちろん、較正の間光路内に測定対象が存在しないこと、あるいは測定対象へ通じる光学路が遮蔽されており、それによって一方で、測定光が測定対象へ通じる光学路内で反射されて、検出器へ達することが、保証されなければならない。 In this context, the concept of calibration light source should be interpreted broadly. In particular, it is unnecessary for the calibration light and the measurement light to be generated from different optical components. In embodiments, the calibration light source and the measurement light source use the same optical components to generate the light. In that case, the calibration light source has, for example, a beam splitter that supplies a part of the light generated by the optical component as measuring light to the measuring head and another part of the light to a monochromator; The monochromator generates calibration light from the light by spectral filtering. Alternatively, this portion of the light can be directed to a plane-parallel plate to generate a modulated calibration light spectrum. In this way the calibration light source does not require dedicated optical components. In that case, of course, there is no measuring object in the optical path during the calibration, or the optical path leading to the measuring object is blocked, so that on the one hand the measuring light is reflected in the optical path leading to the measuring object. must be guaranteed to reach the detector.

2つの較正光源が設けられており、それらが、異なるスペクトル組成を有する較正光を発生させるように、整えられていると、特に効果的である。その場合に2つの較正光源から発生された較正光は、前もって測定対象へ通じる光学路内で反射されることなしに、同時に分散性の光学素子を通して検出器へ向けられる。このようにして、統一的な場所に依存しない変位(オフセット)として記述されない、感光性セルの温度に基づく位置変化が検出される。異なるスペクトル組成を有する第1と第2の較正光が使用される場合に、変位が波長に線形に依存することが検出されて、感光性セルと波長又は波長から導き出される変量との間の対応づけを修正する際に考慮される。この場合においては、2つの較正光源から発生される較正光のスペクトルは、もちろん重なり合わない。理想的には、測定光のスペクトルは、2つの較正光源から発生される第1と第2の較正光のスペクトルの間に位置する。 It is particularly advantageous if two calibration light sources are provided and arranged to generate calibration light with different spectral compositions. The calibration light generated by the two calibration light sources is then simultaneously directed through the dispersive optical element to the detector without being previously reflected in the optical path leading to the measurement object. In this way, a temperature-based position change of the photosensitive cell is detected, which is not described as a uniform location-independent displacement (offset). When first and second calibration lights with different spectral compositions are used, a linear dependence of the displacement on the wavelength is detected, thereby establishing a correspondence between the photosensitive cell and the wavelength or a variable derived from the wavelength. will be taken into account when revising the assignment. In this case, the spectra of the calibration light generated by the two calibration light sources will of course not overlap. Ideally, the spectrum of the measurement light lies between the spectra of the first and second calibration light generated by the two calibration light sources.

検出器上の様々な場所において較正光によって発生される測定信号をもたらす他の可能性は、分散性の光学素子として回折格子を使用し、かつ較正光のスペクトルを、検出器によって較正光の2つの異なる回折次数が検出可能であるように、選択することにある。ここでも、較正光が検出器へ入射する場所は、理想的にはその対向する端部及びその間に位置する、測定光用に予約された領域の外部に位置する。 Another possibility of providing measurement signals generated by the calibration light at different locations on the detector is to use a diffraction grating as a dispersive optical element and to divide the spectrum of the calibration light into two parts of the calibration light by the detector. The problem lies in choosing such that two different diffraction orders are detectable. Again, the point where the calibration light enters the detector is located outside the area reserved for the measurement light, ideally located at and between its opposite ends.

本発明の対象は、さらに、対象への間隔又は2つの表面の間の間隔を非接触で測定する方法に関するものであり、以下のステップを有する:
a)多色の測定光が発生され;
b)測定光が、光学的な測定ヘッドによって測定対象上へ向けられて、測定対象から反射された測定光が光学的な測定ヘッドによって受け取られ;
c)測定対象から反射されて、光学的な測定ヘッドによって受け取られた測定光が、スペクトログラフ内でスペクトル分析され、前記スペクトログラフが分散性の光学素子と、多数の感光性セルを備えた検出器とを有し;
d)少なくとも一部の感光性セルの測定信号から間隔値が計算され、その場合に感光性セルの少なくとも一部と、波長又は波長から導き出される変量との間のあらかじめ定められた対応づけが使用され;
e)既知のスペクトル組成を有する、較正光が発生され;
f)較正光が測定対象へ通じる光学路内で前もって反射されることなしに、較正光が分散性の光学素子を通して検出器上へ向けられ;
g)検出器の感光性セルの少なくともいくつかの上で較正光によって発生されるスペクトルの変化から、補正値が導き出され、
h)あらかじめ定められた対応づけが、補正値によって修正され;
i)少なくともステップa)からd)が繰り返され、その場合にステップd)においてステップh)で修正された対応づけが使用される。
The subject of the invention furthermore relates to a method for contact-free measurement of a distance to an object or a distance between two surfaces, comprising the following steps:
a) polychromatic measuring light is generated;
b) measurement light is directed onto the measurement object by an optical measurement head, and measurement light reflected from the measurement object is received by the optical measurement head;
c) detection in which the measuring light reflected from the measuring object and received by an optical measuring head is spectrally analyzed in a spectrograph, said spectrograph being equipped with dispersive optical elements and a number of photosensitive cells; having a vessel;
d) spacing values are calculated from the measurement signals of at least some of the photosensitive cells, using a predetermined correspondence between at least some of the photosensitive cells and wavelengths or variables derived from the wavelengths; is;
e) calibration light is generated, having a known spectral composition;
f) the calibration light is directed through a dispersive optical element onto the detector without being previously reflected in the optical path leading to the measurement object;
g) deriving a correction value from the spectral changes produced by the calibration light on at least some of the photosensitive cells of the detector;
h) the predetermined correspondence is modified by the correction value;
i) At least steps a) to d) are repeated, with the mapping modified in step h) being used in step d).

測定装置について上で与えられた説明と好ましい形態に対する指摘は、方法についても同様に当てはまる。 The explanations given above for the measuring device and the indications for preferred embodiments apply equally to the method.

較正光が時間的に安定で、温度に依存しないスペクトル組成を有していると、特に効果的である。 It is particularly advantageous if the calibration light has a temporally stable and temperature-independent spectral composition.

較正光は、ステップe)において温度安定のモノクロメータによって発生され、そのモノクロメータは広帯域の光源によって照明される。 The calibration light is generated in step e) by a temperature stable monochromator, which monochromator is illuminated by a broadband light source.

較正光を発生させる較正光源は、広帯域の光源と光学的に透明な材料からなるプレートとを有し、そのプレートが干渉の発生によって較正光の強度をスペクトル変調する。 A calibration light source for generating calibration light has a broadband light source and a plate of optically transparent material that spectrally modulates the intensity of the calibration light by creating interference.

較正光と測定光は、好ましくは、重なり合わないスペクトルを有しており、その場合に較正光のスペクトルは、特に測定光のスペクトルよりも短波とすることができる。この場合においては、較正光を測定光と同時に検出器へ向け、スペクトル分析することが、可能である。 The calibration light and the measurement light preferably have non-overlapping spectra, in which case the spectrum of the calibration light can in particular be shorter-wave than the spectrum of the measurement light. In this case, it is possible to direct the calibration light to the detector simultaneously with the measurement light and perform a spectral analysis.

較正光と測定光が、重なり合うスペクトルを有する場合には、較正光は測定光と同時に検出器へ向けてはならない。 If the calibration light and measurement light have overlapping spectra, the calibration light should not be directed to the detector at the same time as the measurement light.

測定光源から発生された測定光の一部を分岐させることができる。その場合にスペクトルフィルタリングによって、測定光の分岐された部分から較正光が発生される。 A part of the measurement light generated from the measurement light source can be branched. By means of spectral filtering, calibration light is then generated from the branched part of the measuring light.

実施例において、異なるスペクトル組成を有する第1と第2の較正光が発生されて、前もって測定対象へ通じる光学路内で反射されることなしに、同時に分散性の光学素子を通して検出器へ向けられる。その場合に第1と第2の較正光のスペクトルは、好ましくは重ならない。 In an embodiment, first and second calibration lights having different spectral compositions are generated and simultaneously directed through a dispersive optical element to the detector without being previously reflected in an optical path leading to the measurement object. . The spectra of the first and second calibration light then preferably do not overlap.

分散性の光学素子が回折格子である場合に、較正光のスペクトルは、検出器によって較正光の2つの異なる回折次数を検出することができるように、選択することができる。 If the dispersive optical element is a diffraction grating, the spectrum of the calibration light can be selected such that two different diffraction orders of the calibration light can be detected by the detector.

較正光による較正は、比較的大きい時間間隔で実施することができる。というのは、温度は通常比較的ゆっくりと変化するからである。しかしまた、各測定において同時に(たとえばスペクトルが異なる場合において)、あるいはその直後又は前に、較正光によって較正を実施することが、可能である。この場合において、ステップi)でステップa)からd)だけでなく、先行するすべてのステップa)からh)が繰り返される。 Calibration with calibration light can be performed at relatively large time intervals. This is because temperature usually changes relatively slowly. However, it is also possible to carry out the calibration with a calibration light at the same time (for example in the case of different spectra) or immediately or before each measurement. In this case, in step i) not only steps a) to d) but also all previous steps a) to h) are repeated.

定義
多色光というのは、スペクトル的に広帯域であり、かつたとえば複数の色を含むことができ、あるいは、たとえばコームフィルタによって発生されるような、複数の狭帯域のスペクトル成分を有する光である。
Definitions Polychromatic light is light that is spectrally broadband and can contain, for example, more than one color, or has more than one narrowband spectral component, such as, for example, produced by a comb filter.

分散性の光学素子というのは、機能のために前面にでてくる光学的特性、たとえば屈折率又は回折角度がはっきりとした分散を示し、かつ機能のために分散が望ましい、光学素子である。したがってガラスからなるノーマルなレンズは、-屈折力がわずかな程度波長に依存しているが-分散性の光学素子ではない。それに対して他方でこれは、著しい分散を示し、かつそのように設計されている分散プリズム又は回折格子の場合には、異なる波長の光を異なる強さで屈折又は回折させる。 A dispersive optical element is an optical element in which the optical property that comes into play for its function, such as the refractive index or the angle of diffraction, exhibits a sharp dispersion, and where dispersion is desirable for its function. A normal lens made of glass is therefore not a dispersive optical element - although its refractive power is wavelength dependent to a small extent. On the other hand, it exhibits significant dispersion and, in the case of dispersive prisms or diffraction gratings so designed, refracts or diffracts light of different wavelengths with different intensities.

以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

従来技術に基づく間隔を測定する装置を図式的に示している。1 schematically shows a device for measuring distances according to the prior art; スペクトログラフに含まれる検出器のピクセルがどのようにしてスペクトル内の最大強度を、特に温度上昇の前又は後において検出するかを、図式的に示している。1 schematically shows how the pixels of the detector included in the spectrograph detect the maximum intensity in the spectrum, in particular before or after an increase in temperature; スペクトログラフに含まれる検出器のピクセルがどのようにしてスペクトル内の最大強度を、特に温度上昇の前又は後において検出するかを、図式的に示している。1 schematically shows how the pixels of the detector included in the spectrograph detect the maximum intensity in the spectrum, in particular before or after an increase in temperature; スペクトログラフに含まれる検出器のピクセルがどのようにしてスペクトル内の2つの最大強度を、特に温度上昇の前又は後において検出するかを、図式的に示している。1 schematically shows how the pixels of a detector included in a spectrograph detect two maximum intensities in a spectrum, in particular before and after a temperature increase; スペクトログラフに含まれる検出器のピクセルがどのようにしてスペクトル内の2つの最大強度を、特に温度上昇の前又は後において検出するかを、図式的に示している。1 schematically shows how the pixels of a detector included in a spectrograph detect two maximum intensities in a spectrum, in particular before and after a temperature increase; 図1と同様の図式的な表示において、色共焦点の測定の原理を使用する、本発明の第1の実施例を示している。In a schematic representation similar to FIG. 1, a first embodiment of the invention is shown, using the principle of color confocal measurement. 同様に色共焦点の測定の原理を使用し、かつ較正光源がモノクロメータを有している、本発明の第2の実施例を示している。2 shows a second embodiment of the invention, also using the principle of color confocal measurement and in which the calibration light source comprises a monochromator; 2つの異なるモノクロメータを有する、較正光源のための変形例を示している。3 shows a variant for the calibration light source with two different monochromators; スペクトル変調された較正光を発生させるためのガラスプレートを有する、較正光源のための変形例を示している。2 shows a variant for a calibration light source with a glass plate for generating spectrally modulated calibration light; ガラスプレートによって発生された較正光源のスペクトルを示している。Figure 2 shows the spectrum of the calibration light source generated by the glass plate. 較正光がガラスプレート上に合焦して入射する、較正光源のための変形例を示している。2 shows a variant for the calibration light source, in which the calibration light is focused onto the glass plate; 較正光がガラスプレートを透過して通過する、較正光源のための変形例を示している得。Figure 3 shows a variant for the calibration light source in which the calibration light passes through the glass plate. 同様に色共焦点の測定の原理を使用し、かつ較正光が測定光と同じ光学素子によって発生される、本発明の第3の実施例を示している。3 shows a third embodiment of the invention, which similarly uses the principle of color confocal measurement and in which the calibration light is generated by the same optical element as the measurement light. 同様に色共焦点の測定の原理を使用し、かつ較正光と測定光が自由空間内で伝播する、本発明の第4の実施例を示している。A fourth embodiment of the invention is shown, which similarly uses the principle of color confocal measurement and in which the calibration light and the measurement light propagate in free space. 測定装置が干渉法測定原理を使用する、本発明の第5の実施例を示している。5 shows a fifth embodiment of the invention, in which the measurement device uses an interferometric measurement principle; 較正光と測定光が検出器の同一のピクセルへ入射することができる、第6の実施例を示している。A sixth embodiment is shown in which the calibration light and the measurement light can be incident on the same pixel of the detector.

1.測定原理と問題提起
図1は、従来技術に基づく測定装置10を図式的な表示で示している。測定光源11は、多色測定光12を発生させ、その測定光は、たとえばビームスプリッタキューブとすることができる、光分割装置14と測定ヘッド16とを介して測定対象18へ向けられる。図1において、測定光12の、測定対象16の表面19から反射された部分が、黒い矢印で示唆され、かつ参照符号12’を有している。反射された測定光12’は、測定ヘッド16によって受け取られて、光分割装置14によってスペクトログラフ20へ向けられる。スペクトログラフ20は、分散性の光学素子22を有しており、それは、回折格子又は拡散プリズムとすることができる。さらにスペクトログラフ20は、検出器24を有しており、その検出器が多数の感光性のセル26を有している。感光性のセル26は、直線又は湾曲した線に沿って配置されており、以下においてはピクセルと称される。ピクセルから発生された信号は、評価装置28によって評価されて、それに基づいて表面19に対する間隔値が計算される。
1. Measuring Principle and Problem Statement FIG. 1 shows a diagrammatic representation of a measuring device 10 according to the prior art. The measurement light source 11 generates polychromatic measurement light 12, which is directed onto the measurement object 18 via a light splitting device 14 and a measurement head 16, which can be, for example, a beam splitter cube. In FIG. 1, the part of the measuring light 12 reflected from the surface 19 of the measuring object 16 is indicated by a black arrow and has the reference numeral 12'. The reflected measurement light 12' is received by the measurement head 16 and directed by the light splitting device 14 to the spectrograph 20. Spectrograph 20 has a dispersive optical element 22, which can be a diffraction grating or a diffusing prism. Furthermore, spectrograph 20 has a detector 24 that includes a number of photosensitive cells 26 . The photosensitive cells 26 are arranged along straight or curved lines and are referred to below as pixels. The signals generated by the pixels are evaluated by an evaluation device 28 and a spacing value for the surface 19 is calculated based thereon.

測定において、反射された測定光12’は、分散性の光学素子22によって偏向され、その場合に偏向角度は、反射された測定光12’の波長に依存している。反射された測定光12’が、色共焦点の測定装置の場合にそうであるように、単色である場合に、その反射された測定光は、図1に黒く強調されたピクセル26’によって示唆されるように、検出器24の1つ又はわずかなピクセル26へ入射する。反射された測定光12’が、その前に参照アーム(図示せず)内で反射された測定光と干渉するような測定装置においては、検出器24上に幅広のスペクトルが得られ、それがスペクトル変調されている。その場合に検出器24は、多数の最大強度を検出し、その場合に測定対象18と測定ヘッド16の間の各間隔に、変調周波数が対応づけられている。フーリエ変換によって、検出器16から発生された信号から所望の間隔値が計算され、これは従来技術においてそれ自体知られている。 In the measurement, the reflected measurement light 12' is deflected by a dispersive optical element 22, the deflection angle being dependent on the wavelength of the reflected measurement light 12'. If the reflected measuring light 12' is monochromatic, as is the case in a color confocal measuring device, it is indicated by the black highlighted pixel 26' in FIG. is incident on one or a few pixels 26 of the detector 24, as shown in FIG. In a measuring device in which the reflected measuring beam 12' interferes with the measuring beam previously reflected in a reference arm (not shown), a broad spectrum is obtained on the detector 24, which Spectrally modulated. The detector 24 then detects a number of maximum intensities, each distance between the measuring object 18 and the measuring head 16 being associated with a modulation frequency. A desired spacing value is calculated from the signal generated by the detector 16 by means of a Fourier transformation, which is known per se in the prior art.

以下においては単純化するために、測定装置10が色共焦点の測定の原理に従って作動するものとする。しかしすべての考え方は、必要な変更を加えて、干渉法的に作動する測定装置についても当てはまる。 In the following, for the sake of simplicity, it will be assumed that the measuring device 10 operates according to the principle of color confocal measurement. However, all considerations also apply mutatis mutandis to interferometrically operated measuring devices.

図2は、検出器24の複数のピクセル26を示し、さらに、反射された測定光12’から分散性の光学素子22によって発生される、強度分布を示している。スペクトル強度分布が複数のピクセル26にわたって広がっていることが認識される。各ピクセル26が電気信号を発生し、その信号は、好ましくは線形に、あるいは複雑な特性曲線に従って、発生する光の強度に依存している。ピクセル26の出力信号を比較することによって、どのピクセル26上で最高の強度が達成されるか、が容易に定められる。図2aにおいて、このピクセルは黒でマーキングされ、かつ符号26’で示されている。このピクセルに、所定の波長を対応づけることができる。色共焦点の測定装置においては、各波長に間隔が対応づけられているので、どのピクセルにおいて最大の強度が発生したかの情報から、直接間隔値が導き出される。ピクセルpと波長λの間の対応づけは、たとえば、以下に示すような対応テーブルの形状を有することができる:

Figure 0007410853000001
FIG. 2 shows a plurality of pixels 26 of the detector 24 and also shows the intensity distribution generated by the dispersive optical element 22 from the reflected measurement light 12'. It is recognized that the spectral intensity distribution is spread across multiple pixels 26. Each pixel 26 generates an electrical signal, which signal is dependent on the intensity of the light it generates, preferably linearly or according to a complex characteristic curve. By comparing the output signals of the pixels 26, it is easily determined on which pixel 26 the highest intensity is achieved. In FIG. 2a, this pixel is marked in black and designated 26'. A predetermined wavelength can be associated with this pixel. In a color confocal measuring device, each wavelength is associated with an interval, so the interval value can be directly derived from information about which pixel the maximum intensity occurs. The correspondence between pixels p and wavelengths λ may have the form of a correspondence table, for example, as shown below:
Figure 0007410853000001

各ピクセルp1に、所定の波長λ1が対応づけられている。対応テーブルの使用は、特に、ピクセルと波長の間の関係が、単純な式で示されない場合に、効果的である。対応テーブルは、測定装置のメーカーにより較正によって定められ、その較正において同調可能な較正光源によって、拡散光学素子22からの波長λの光がどのピクセルへ向けられるかが求められる。この較正は、正確に明細を定められた温度において実施される。 Each pixel p 1 is associated with a predetermined wavelength λ 1 . The use of a correspondence table is particularly effective when the relationship between pixels and wavelengths cannot be expressed in a simple equation. The correspondence table is established by the manufacturer of the measuring device through a calibration in which it is determined to which pixel the light of wavelength λ from the diffusing optical element 22 is directed by a tunable calibration light source. This calibration is performed at precisely specified temperatures.

スペクトログラフ20内で、たとえば直接隣接し、かつ熱損失を発生させる電子評価装置28によって、温度が上昇した場合に、ピクセル26とスペクトルの間の相対配置は、その中に含まれる最大強度と共に変化する。その原因は、ピクセル26及び/又は拡散光学素子22の位置変化とすることができる。図2aと2bの比較が示すように、相対配置のこの種の変化によって、最大の強度はもはやピクセル26’上ではなく、隣接する、あるいはさらに隔たったピクセル26”上に生じる。 If the temperature increases within the spectrograph 20, for example by an electronic evaluation device 28 that is directly adjacent and generates heat losses, the relative position between the pixel 26 and the spectrum changes with the maximum intensity contained therein. do. The cause may be a change in the position of the pixel 26 and/or the diffusing optical element 22. As a comparison of FIGS. 2a and 2b shows, with this type of change in relative position, the maximum intensity no longer occurs on the pixel 26', but on an adjacent or even more distant pixel 26''.

それに伴って生じる測定の不正確さを回避するために、本発明によれば、ピクセルと波長の間の対応テーブルが修正される。たとえばすべてのピクセルにおいて、シフトがΔpピクセルである場合に、以下の補正計算が実施される:
In order to avoid the associated measurement inaccuracies, according to the invention the correspondence table between pixels and wavelengths is modified. For example, for every pixel, if the shift is Δp pixels, the following correction calculation is performed:

その場合にp1,korrが補正されたピクセル番号であり、p1が元のピクセル番号である。その場合に波長については以下の補正された対応規則が生じる:
In that case, p 1,korr is the corrected pixel number, and p 1 is the original pixel number. In that case, the following corrected correspondence rule for wavelength results:

その中で、λ1,korrは、ピクセルp1における信号のための補正された波長であり、λ(p1)は元の対応テーブルから生じる値である。 Therein, λ 1,korr is the corrected wavelength for the signal at pixel p 1 and λ(p 1 ) is the value resulting from the original correspondence table.

しかし、しばしばスペクトログラフ20内の温度変化は、図2aと2bに示されるように、単純かつすべてのピクセル26について同一の変位Δpをもたらさないだけではない。むしろ、検出器24の様々なピクセルについて変位は、異なる大きさになることがあり得る。 However, often temperature changes within the spectrograph 20 do not simply result in a displacement Δp that is the same for all pixels 26, as shown in FIGS. 2a and 2b. Rather, the displacements for different pixels of detector 24 may be of different magnitudes.

この場合が、図3aと3bに示されている。図3aにおいては、2つの最大強度が、検出器24の互いにずっと離れた場所に示唆されている。初期温度において、これらの最大強度はピクセル26-1’と26-2’に位置している。しかし温度が上昇した場合には、シフトは異なる大きさとなることがあり、それが図3bに示されている。左に示す最大強度は、1ピクセルだけ左へシフトしているが、右に示す最大強度においては、右へ3ピクセルだけシフトしている。波長に依存するこの種のピクセル変位Δp=Δp(λ)は、以下においてスケーリングエラーと称される。 This case is illustrated in Figures 3a and 3b. In FIG. 3a, two maximum intensities are suggested at locations far apart from each other on the detector 24. At the initial temperature, these maximum intensities are located at pixels 26-1' and 26-2'. However, if the temperature increases, the shift may be of a different magnitude, as shown in Figure 3b. The maximum intensity shown on the left is shifted to the left by one pixel, while the maximum intensity shown on the right is shifted to the right by three pixels. This type of wavelength-dependent pixel displacement Δp=Δp(λ) is referred to below as a scaling error.

色共焦点の測定装置において波長に依存しない変位Δp=costが存在する場合には、これが測定された間隔値に直接作用する。というのは、各ピクセルに間隔値が直接対応づけられているからである。透明なボディの表面の間の間隔が測定される場合に、間隔値におけるオフセットは、差形成によって認められなくなる。スケーリングエラー(Δp=Δp(λ))が発生する場合にも、2つの表面の間の間隔測定は、それに当てはまる。というのはこの場合において、変位の波長依存性に基づいて、エラーのある間隔値はもはや算出されないからである。 If a wavelength-independent displacement Δp=cost exists in the color confocal measuring device, this has a direct effect on the measured spacing value. This is because each pixel is directly associated with a spacing value. When the spacing between the surfaces of the transparent body is measured, offsets in the spacing values are no longer noticeable due to difference formation. The spacing measurement between two surfaces also applies if a scaling error (Δp=Δp(λ)) occurs. This is because in this case, based on the wavelength dependence of the displacement, erroneous spacing values are no longer calculated.

干渉法的測定装置においては、変位が波長に依存しない場合Δp=costに、同様に間隔測定においてエラーがもたらされる。色共焦点の測定方法におけるのと同様に、測定対象の2つの表面の間の間隔を測定する場合に、スケーリングエラーが測定の不正確さをもたらす。それについての詳細は、第5の実施例に関連して以下で説明する。 In an interferometric measuring device, if the displacement is independent of wavelength, Δp=cost, which likewise leads to an error in the distance measurement. As in the color confocal measurement method, scaling errors lead to measurement inaccuracies when measuring the distance between two surfaces of the object to be measured. Details thereof are explained below in connection with the fifth embodiment.

2.第1の実施例
図4は、図1に準拠した表示において、本発明に係る測定装置10のための第1の実施例を示している。これは、図1に示し、かつ従来技術において知られている測定装置のように、測定光源11、光分割装置14、測定ヘッド16及びスペクトログラフ20を有しており、そのスペクトログラフが分散性の光学素子22と、ピクセル26を備えた検出器24とを有している。
2. First Embodiment FIG. 4 shows a first embodiment for a measuring device 10 according to the invention in a representation according to FIG. Like the measuring device shown in FIG. 1 and known in the prior art, it has a measuring light source 11, a light splitting device 14, a measuring head 16 and a spectrograph 20, the spectrograph being dispersive. optical element 22 and a detector 24 with pixels 26.

付加的に、本発明に係る測定装置10は、較正光源30を有しており、図示される実施例においてその較正光源は、較正光を発生させるように設計されている。較正光は、2つの互いに分離された狭帯域のスペクトル成分を有し、それらは以下で第1と第2の較正光と称される。 Additionally, the measuring device 10 according to the invention has a calibration light source 30, which in the illustrated embodiment is designed to generate calibration light. The calibration light has two mutually separated narrowband spectral components, which are referred to below as first and second calibration light.

波長λaを有する第1の較正光32aは、ピクセル32aによって、そして波長λbを有する第2の較正光32bは、ピクセル32bによって示唆されている。第1と第2の較正光32a、32bは、前もって測定対象18へ通じる光学路内で反射されることなしに、光分割装置14を通り、分散性の光学素子22を通って検出器24上へ向けられる。分散性の光学素子22は、波長に従って較正光を偏向させるので、第1の較正光32aの最大強度は第1のピクセル26aへ、そして第2の較正光32bの最大強度は第2のピクセル26bへ入射する。その場合に較正光源30は、第1と第2の較正光32a、32bが時間的に安定し、かつ温度に依存しないスペクトル組成を有するように設計されているものと仮定する。したがって波長λa、λbは、通常の駆動の間に発生するすべての温度において、一定である。 A first calibration light 32a with wavelength λa is indicated by pixel 32a and a second calibration light 32b with wavelength λb is indicated by pixel 32b. The first and second calibration lights 32a, 32b pass through the light splitting device 14, through the dispersive optical element 22 and onto the detector 24 without being previously reflected in the optical path leading to the measurement object 18. directed towards. The dispersive optical element 22 deflects the calibration light according to the wavelength so that the maximum intensity of the first calibration light 32a is directed to the first pixel 26a and the maximum intensity of the second calibration light 32b is directed to the second pixel 26b. incident on the It is assumed here that the calibration light source 30 is designed such that the first and second calibration lights 32a, 32b have a temporally stable and temperature-independent spectral composition. The wavelengths λa, λb are therefore constant at all temperatures occurring during normal operation.

スペクトログラフ20内で、温度変化においてピクセル26とスペクトルの間の相対配置が変化した場合に、これは較正光32a、32bを用いて直接検出される。その場合に、上で図3aと3bに関して説明したのと同じ考えが利用される。したがって2つの波長λa、λbの各々について、較正光がどのピクセルへ当接するかが定められる。元の対応テーブルと比較することによって、2つの波長について温度変化した場合にピクセル変位Δpがどの位の大きさか、を容易に定めることができる。2つの波長において変位が同じ場合には、波長に依存しない変位(Δp=cost)が存在するので、式(1)に従って特に簡単な補正が生じる。 If, within the spectrograph 20, the relative position between the pixels 26 and the spectrum changes upon temperature changes, this is directly detected using the calibration lights 32a, 32b. In that case, the same idea as explained above with respect to FIGS. 3a and 3b is used. Therefore, for each of the two wavelengths λa, λb, it is determined which pixel the calibration light impinges on. By comparing with the original correspondence table, it is possible to easily determine how large the pixel displacement Δp is when the temperature changes for the two wavelengths. If the displacements are the same at the two wavelengths, a particularly simple correction occurs according to equation (1) since there is a wavelength-independent displacement (Δp=cost).

変位が波長に依存する場合に、補正されたピクセル番号pkorrは、以下の線形の式によって計算される;
If the displacement is wavelength dependent, the corrected pixel number p korr is calculated by the following linear formula:

その場合にΔp(λa)とΔp(λb)は、2つの波長λa、λbについて較正光32a、32bを用いて測定された変位であり、pmessは、最高の強度が測定されたピクセルである。その後、補正されたピクセル位置から、色共焦点の間隔測定において、補正された間隔値を容易に計算することができる。 In that case Δp(λa) and Δp(λb) are the displacements measured using the calibration beams 32a, 32b for the two wavelengths λa, λb, and p mess is the pixel where the highest intensity was measured. . From the corrected pixel positions, corrected spacing values can then be easily calculated in color confocal spacing measurements.

2つの異なる波長を有する較正光の代わりに、唯一の波長のみを有する較正光を使用して、それが2つの異なる場所において検出器26へ入射するようにすることができる。たとえば分散性の光学素子22として、回折格子が使用される場合に、これは、較正光の+1次の回折も、-1次の回折も検出器26によって検出することができるように、設計することができる。このようにして、同様に、検出器24上の既知の波長の較正光が当接する2つのずっと離れた箇所が得られる。理想的には、間隔測定において測定光が入射するピクセルは、これらの場所の間にある。このようにして、間隔測定は較正によって妨げられず、かつ同時に較正光が検出器24上に当接する場所は、互いに最大に離れており、それは、式(3)によって記述される線形の関数の決定に関して効果的である。較正光と測定光のスペクトルが重なる場合には、較正光が測定光と同じピクセルへ入射し、それによって測定を歪曲し得る。これを回避するために、この場合においては較正は、測定光による測定の間の期間内に実施されなければならない。それに対して代替的に、適切な措置によって、スペクトルが重なるにもかかわらず、較正光が測定光と同じピクセルへ入射できないようにすることができる。それについての詳細は、第6の実施例に関連して、下でさらに説明する。 Instead of calibration light having two different wavelengths, calibration light having only one wavelength can be used so that it is incident on the detector 26 at two different locations. For example, if a diffraction grating is used as the dispersive optical element 22, this is designed in such a way that both the +1st order diffraction and the -1st order diffraction of the calibration light can be detected by the detector 26. be able to. In this way, two far apart locations are obtained which are impinged by the calibration light of known wavelength on the detector 24 as well. Ideally, the pixels on which the measuring light is incident in distance measurements are between these locations. In this way, the spacing measurement is not disturbed by the calibration, and at the same time the locations where the calibration light impinges on the detector 24 are maximally separated from each other, which is the linear function described by equation (3). Be effective in making decisions. If the spectra of the calibration light and measurement light overlap, the calibration light may be incident on the same pixel as the measurement light, thereby distorting the measurement. In order to avoid this, the calibration has to be carried out in this case within the period between measurements with the measuring light. Alternatively, suitable measures can prevent the calibration light from entering the same pixel as the measurement light, despite the spectral overlap. Details thereof are explained further below in connection with the sixth embodiment.

較正光源30が、唯一の波長を有する較正光のみを発生させる場合には、それによってスケーリングエラーは定められない。したがってスケーリングエラーが発生せず、あるいは無視できるくらい小さい測定装置においては、1つの波長のみを有する較正光を発生させれば、充分である。 If the calibration light source 30 only generates calibration light with a unique wavelength, no scaling error is thereby defined. Therefore, in measurement devices where scaling errors do not occur or are negligible, it is sufficient to generate a calibration light having only one wavelength.

3.第2の実施例
図5は、色共焦点の測定原理に従って作動する測定装置10のための第2の実施例を図式的な表示で示している。測定光源11は、LED34からなり、そのLEDが約500nmと700nmの間の波長を有する多色光を発生する。測定光12は、集光レンズ36によって光学ファイバー38内へ結合されて、ファイバーカップラー40として形成されている光分割装置を介して測定ヘッド16へ達する。そこで測定光12は、光学ファイバー39から出て、2つのレンズ42、44からなる、色補正されない対物レンズによって測定対象18上へ向けられる。対物レンズの色的な長手収差によって、出射する測定光12は様々な波長平面内に合焦され、それが図5に3つの異なる波長について示唆されている。測定対象18の表面19において反射された測定光12は、測定ヘッド18を介して光学ファイバー39内へ戻り、ファイバーカップラー40を介して、スペクトログラフ20へ通じる他の光学ファイバー41へ供給される。
3. Second Embodiment FIG. 5 shows in a schematic representation a second embodiment for a measuring device 10 operating according to the color confocal measurement principle. The measurement light source 11 consists of an LED 34 which generates polychromatic light having a wavelength between approximately 500 nm and 700 nm. The measuring light 12 is coupled into an optical fiber 38 by a condensing lens 36 and reaches the measuring head 16 via a light splitting device formed as a fiber coupler 40 . The measuring light 12 then leaves the optical fiber 39 and is directed onto the measuring object 18 by a non-color-corrected objective consisting of two lenses 42, 44. Due to the chromatic longitudinal aberration of the objective lens, the emerging measuring beam 12 is focused in different wavelength planes, which is illustrated for three different wavelengths in FIG. The measuring light 12 reflected on the surface 19 of the measuring object 18 returns via the measuring head 18 into the optical fiber 39 and is fed via a fiber coupler 40 to another optical fiber 41 leading to the spectrograph 20 .

図示される実施例において、較正光源30は広帯域のLED46を有しており、それが青紫のスペクトル領域内の光を発生する。較正光32は、集光レンズ48によってコリメートされて、モノクロメータ50を通過し、そのモノクロメータが較正光32のスペクトルから狭い周波数帯域を濾過する。今や単色の較正光32は、集光レンズ52によって光学ファイバー54内へ結合され、その光学ファイバーがファイバーカップラー40と結合されて、較正光が光学ファイバー41を介してスペクトログラフ20へ案内される。 In the illustrated embodiment, the calibration light source 30 includes a broadband LED 46 that produces light in the blue-violet spectral region. Calibration light 32 is collimated by condenser lens 48 and passes through monochromator 50, which filters a narrow frequency band from the spectrum of calibration light 32. The now monochromatic calibration light 32 is coupled by a condensing lens 52 into an optical fiber 54 , which is coupled with a fiber coupler 40 to guide the calibration light through an optical fiber 41 to the spectrograph 20 .

スペクトログラフ20内で、較正光32及び測定光12も集光レンズ55によってコリメートされて、分散性の光学素子へ向けられ、その光学素子が反射格子56として形成されている。それにおいて反射されて、回折された光は、他の集光レンズ57を介して、ピクセル26を有する検出器24上へ向けられ、その検出器が評価装置28と接続されている。 In the spectrograph 20, the calibration light 32 and the measurement light 12 are also collimated by a condenser lens 55 and directed onto a dispersive optical element, which is formed as a reflection grating 56. The light reflected and diffracted therein is directed via a further condensing lens 57 onto a detector 24 with pixels 26, which detector is connected to an evaluation device 28.

したがってこの実施例において、較正光源30は唯一の波長を有する較正光のみを発生するので、波長に依存するピクセル変位は検出できない。 Therefore, in this embodiment, the calibration light source 30 only generates calibration light having a unique wavelength, so that wavelength-dependent pixel displacements cannot be detected.

図6は、変形例に基づく較正光源30を示しており、それにおいてコリメートされた光路内でレンズ48の後方に、2つの分離部材からなるモノクロメータ50が配置されている。2つの分離部材は光路内に次のように、すなわち較正光32の半分が分離部材50aを通過し、他の半分が分離部材50bを通過するように、配置されている。2つの分離部材50a、50bは、異なるフィルタ作用を有しているので、図6に示す実施例において、異なる波長を有する第1と第2の較正光32a、32bが発生される。 FIG. 6 shows a calibration light source 30 according to a variant, in which a monochromator 50 consisting of two separating parts is arranged behind the lens 48 in the collimated optical path. The two separating members are arranged in the optical path in such a way that half of the calibration light 32 passes through the separating member 50a and the other half passes through the separating member 50b. The two separating members 50a, 50b have different filtering effects, so that in the embodiment shown in FIG. 6, first and second calibration lights 32a, 32b with different wavelengths are generated.

分離部材50a、50bは、たとえばファブリ・ペロー干渉計とすることができる。この種の干渉計の可能な組立て形状は、平面平行かつ部分反射するようにコーティングされた表面を備えたプレートを含んでいる。干渉計を通過することができる光の波長は、プレートの厚みに依存している。したがって様々なプレート厚によって、様々なスペクトル濾過が得られる。 The separation members 50a, 50b can be, for example, Fabry-Perot interferometers. Possible assembly configurations for this type of interferometer include plates with plane-parallel and partially reflectively coated surfaces. The wavelength of light that can pass through the interferometer depends on the thickness of the plate. Different plate thicknesses therefore provide different spectral filtration.

較正光源30の他の変形例が、図7に示されている。この変形例において、較正光は1つ又は2つの単色の成分からではなく、測定光12と正確に同じに多色である。それにもかかわらず検出器24のピクセル26に波長を対応づけることができるようにするために、図8に示すように、較正光のスペクトル(p)が変調されている。最大強度が互いに対して充分に遠く離れている場合に、それらは充分な精度で検出器24によって解像して、個々のピクセルに対応づけることができる。 Another variation of the calibration light source 30 is shown in FIG. In this variant, the calibration light is not composed of one or two monochromatic components, but is polychromatic exactly like the measurement light 12. In order to nevertheless be able to assign wavelengths to the pixels 26 of the detector 24, the spectrum (p) of the calibration light is modulated, as shown in FIG. If the maximum intensities are far enough apart from each other, they can be resolved by the detector 24 with sufficient precision and mapped to individual pixels.

図7が示すように、スペクトル変調を発生させるために、LED46によって発生された広帯域の較正光が絞り51、ビームスプリッタキューブ53及び集光レンズ59を介して透明なプレート58へ向けられ、そのプレートの後ろ側60は較正光32を完全に反射し、その前側62は部分的に反射する。後ろ側60と前側62において反射された較正光32の干渉によって、図8に示すスペクトル変調が生じ、その可変の部分は、
に比例する。式(4)内でnはプレート58の屈折率、dは厚みである。
As FIG. 7 shows, in order to generate spectral modulation, broadband calibration light generated by LED 46 is directed through an aperture 51, a beam splitter cube 53 and a condenser lens 59 to a transparent plate 58; Its rear side 60 fully reflects the calibration light 32 and its front side 62 partially reflects it. The interference of the reflected calibration light 32 at the rear side 60 and the front side 62 results in the spectral modulation shown in FIG. 8, the variable part of which is
is proportional to. In equation (4), n is the refractive index of the plate 58, and d is the thickness.

プレート58の厚みdと屈折率nが温度と共に変化しない場合には、最大干渉が発生する波長は、一定に留まる。したがってプレート58は好ましくはガラスからなり、その熱膨張係数と屈折率変化は、通常発生する温度においては無視できるくらい小さい。その場合に変調周波数及びそれに伴って検出器26上の最大強度の位置は、特に温度が変化した場合にLED46の放出スペクトルが変化する場合でも、広い温度領域にわたって一定に留まる。 If the thickness d and the refractive index n of the plate 58 do not change with temperature, the wavelength at which maximum interference occurs will remain constant. The plate 58 is therefore preferably made of glass, the coefficient of thermal expansion and the change in the refractive index being negligible at the temperatures normally occurring. The modulation frequency and thus the location of the maximum intensity on the detector 26 then remains constant over a wide temperature range, even if the emission spectrum of the LED 46 changes, especially when the temperature changes.

他の可能性は、プレート58のために非熱伝導性のガラスを使用することにあって、それにおいて熱的に誘導される幾何学的厚みの増大は、少なくとも実質的に屈折率の逆方向の減少によって補償される。このようにして、幾何学的厚みと屈折率の積によって定められ、かつ変調周波数を定めるプレート58の光学的厚みは、温度が変化した場合でも高い精度で一定に留まる。この種の非熱伝導性のガラスの例は、たとえばSchott社のN-PK51とN-FK51Aである。 Another possibility consists in using a thermally non-conducting glass for the plate 58, in which the thermally induced geometric thickness increase is at least substantially in the opposite direction of the refractive index. compensated by a decrease in In this way, the optical thickness of the plate 58, which is defined by the product of the geometric thickness and the refractive index, and which defines the modulation frequency, remains constant with high precision even when the temperature changes. Examples of thermally non-conductive glasses of this type are, for example, Schott's N-PK51 and N-FK51A.

この種の変調されたスペクトルによっても、検出器26上の2つの場所が照明され、それらの間に測定光によって照明されるピクセルが存在する。もっとも簡単な場合において、そのために、較正光の2つの回折次数が検出器26によって検出され、それについては第1の実施例に関連して上ですでに説明されている。 With this type of modulated spectrum, also two locations on the detector 26 are illuminated, between which there are pixels illuminated by the measuring light. In the simplest case, two diffraction orders of the calibration light are therefore detected by the detector 26, which was already explained above in connection with the first embodiment.

図7において破線で、スペクトルフィルタ64が記入されており、それは限界波長よりも小さい波長のみを通過させる。限界波長は、測定光12の最小の波長よりも短い。このようにして、測定光のスペクトル内にある較正光が検出器24へ達し得ないことが、保証される。したがって較正光32は、本来の間隔測定を損なうことがない。この種のスペクトルフィルタ64は、較正光源30のLED46のスペクトルが、測定光源11のLED34のスペクトルと重畳する場合に、効果的である。スペクトルの重畳がない場合には、スペクトルフィルタ64は省くことができる。 A spectral filter 64 is drawn in FIG. 7 by a dashed line, which only passes wavelengths smaller than the limiting wavelength. The limit wavelength is shorter than the minimum wavelength of the measurement light 12. In this way, it is ensured that calibration light that is within the spectrum of the measurement light cannot reach the detector 24. The calibration light 32 therefore does not impair the original distance measurement. This kind of spectral filter 64 is effective when the spectrum of the LED 46 of the calibration light source 30 overlaps with the spectrum of the LED 34 of the measurement light source 11. If there is no spectral overlap, the spectral filter 64 can be omitted.

図9は、較正光源30の他の変形例を示しており、それは図7に示す変形例から、較正光32がコリメートされず、合焦された光束としてプレート58上に当接することによってのみ、異なっている。 FIG. 9 shows another variant of the calibration light source 30, which differs from the variant shown in FIG. It's different.

図10に示す、較正光源30の変形例においては、図7と9に示す変形例とは異なり、プレート58は透過して通過される。それによって較正光源30の構造が簡略化される。というのは、ビームスプリッタキューブ53が必要とされないからである。 In the variant of the calibration light source 30 shown in FIG. 10, in contrast to the variants shown in FIGS. 7 and 9, the plate 58 is passed transparently. The construction of the calibration light source 30 is thereby simplified. This is because beam splitter cube 53 is not required.

4.第3の実施例
上述した実施例において、様々な光学素子が測定光と較正光を発生させる。このようにして特に簡単に、スペクトルが重ならず、かつ測定の間でも較正を実施できることが、保証される。
4. Third Embodiment In the embodiments described above, various optical elements generate the measurement light and the calibration light. In this way, it is ensured particularly simply that the spectra do not overlap and that calibration can be carried out even between measurements.

間隔測定の間に規則的な較正を実施するために、充分に時間が提供される場合に、測定光と較正光は同一の光学素子から発生させることができる。図11は、この種の構造の実施例を示しており、それにおいて較正光源30は単に、図7に示す実施例の集光レンズとプレート58からなる。測定光源11から発生された測定光12は、ファイバーカップラー40を介して較正光源30へ供給され、かつプレート58へ向けられる。そこで、図7に関して上で説明したように、較正光にスペクトル変調がもたらされる。その場合にスペクトル変調された較正光は、図5に示す実施例におけるように、光学ファイバー41を介してスペクトログラフ20内へ達する。較正光源内のLED46を省くことによって、較正光源30の構造が簡略化される。 The measurement light and the calibration light can be generated from the same optical element if sufficient time is provided to carry out regular calibration between distance measurements. FIG. 11 shows an embodiment of this type of structure, in which the calibration light source 30 simply consists of the condenser lens and plate 58 of the embodiment shown in FIG. Measuring light 12 generated by measuring light source 11 is fed via fiber coupler 40 to calibration light source 30 and directed toward plate 58 . The calibration light is then subjected to spectral modulation, as explained above with respect to FIG. The spectrally modulated calibration light then passes into the spectrograph 20 via an optical fiber 41, as in the embodiment shown in FIG. By omitting the LED 46 in the calibration light source, the structure of the calibration light source 30 is simplified.

スペクトルフィルタを用いて測定光の一部が分岐されて、スペクトログラフへ供給される場合にも、光を発生させる付加的な光学素子を省くことができる。この場合において、較正は間隔測定と同時に実施される。もちろんこの変形例においては、間隔測定のために少ない帯域幅が提供され、それによって間隔測定のための測定領域が縮小される。 If part of the measuring light is branched off using a spectral filter and fed to the spectrograph, additional optical elements for generating the light can also be dispensed with. In this case, the calibration is performed at the same time as the distance measurement. Of course, in this variant less bandwidth is provided for the spacing measurement, thereby reducing the measurement area for the spacing measurement.

5.第4の実施例
図12は、本発明に係る測定装置10のための他の実施例を示しており、それは、図7に示す変形例に実質的に相当する。測定光源11、較正光源30、測定ヘッド16及びスペクトログラフ20の間で、測定光12と較正光32は伝播するが、光学ファイバー内ではなく、自由空間内で伝播する。したがって図5に示す実施例のファイバーカップラーは、ビームスプリッタキューブ40’によって代用される。
5. Fourth Embodiment FIG. 12 shows another embodiment for the measuring device 10 according to the invention, which substantially corresponds to the variant shown in FIG. Between the measurement light source 11, the calibration light source 30, the measurement head 16 and the spectrograph 20, the measurement light 12 and the calibration light 32 propagate, but not in optical fibers but in free space. The fiber coupler of the embodiment shown in FIG. 5 is therefore replaced by a beam splitter cube 40'.

スペクトログラフ20内の光路は、さらに、測定光12と較正光32が反射格子56における回折の前も後も、同じレンズ56を通過するように、折りたたまれている。 The optical path within spectrograph 20 is further folded such that measurement light 12 and calibration light 32 pass through the same lens 56 both before and after diffraction at reflection grating 56.

測定光12は、この実施例において、その他においては示されない測定光源の射出窓70から出射して、2つの絞り72、74を介し、ビームスプリッタキューブ40’を介して測定ヘッド16へ向けられる。 The measuring light 12 emerges from an exit window 70 of the measuring light source, which is not otherwise shown in this example, and is directed to the measuring head 16 via two apertures 72, 74 and via a beam splitter cube 40'.

6.第5の実施例
本発明に係る測定装置についてこれまで説明した実施例はすべて、共焦点-色間隔測定の原理に基づいている。しかし、上ですでに定められたように、本発明は間隔測定するための干渉法的装置においても使用可能である。この種の装置においては、測定ヘッド16ははっきりとした色の長手収差をもたない。その代わりに間隔情報は、反射された測定光12’のスペクトルから、それが参照光と干渉した後に、得られる。
6. Fifth Embodiment All the embodiments described so far of the measuring device according to the invention are based on the principle of confocal-chromatic distance measurement. However, as already defined above, the invention can also be used in an interferometric device for measuring distances. In devices of this type, the measuring head 16 does not have distinctly colored longitudinal aberrations. Instead, the spacing information is obtained from the spectrum of the reflected measurement beam 12' after it interferes with the reference beam.

図13は、この種の測定装置10の実施例を示している。これは、図5に示す実施例にほぼ相当するが、測定ヘッド16内に含まれる対物レンズが色補正されており、かつ付加的に参照アーム80の終端側のミラー82がファイバーカップラー84に接続されていることが、異なっている。参照アーム80内で、測定光源11から発生された測定光12がミラー86で反射されて、ファイバーカップラー84内で、測定対象18の表面19で反射された測定光12’と干渉する。この干渉は、スペクトログラフ20内で検出されて、検出器24上へ変調されたスペクトルを発生させる。逆高速フーリエ変換(IFFT, inverse Fast Fourier Transformation)によって、スペクトルから、それぞれ間隔値に対応づけられた、変調周波数を得ることができる。これ以上の詳細については、本出願人の独国特許出願公開第102016005021(A1)号明細書を参照するよう指示する。 FIG. 13 shows an embodiment of this type of measuring device 10. This corresponds approximately to the embodiment shown in FIG. What has been done is different. In the reference arm 80, the measurement light 12 generated by the measurement light source 11 is reflected by a mirror 86 and interferes in the fiber coupler 84 with the measurement light 12' reflected from the surface 19 of the measurement object 18. This interference is detected within spectrograph 20 and generates a modulated spectrum onto detector 24. Modulation frequencies, each associated with an interval value, can be obtained from the spectrum by inverse Fast Fourier Transformation (IFFT). For further details, reference is made to German Patent Application No. 102016005021 (A1) of the applicant.

逆FFTを実施することができるようにするために、まず、個々のピクセルpiから測定された強度値Pint(pi)から、位相に依存する強度pint(Ki)を導き出さなければならない。その場合に波数kは、式
によって波長λと結合され、その場合にn(λ)は、媒体の拡散を表し、測定対象18がその媒体からなり、かつ場合によってはその中へ測定光が進入する。波長λは、ここでもセクション1で説明した対応テーブルp1=p1(λ1)を介してピクセル番号pに対応づけられている。ピクセル番号pを補正するために、ここでも式1又は3に基づいて補正されたピクセル番号pkorrが使用される。その結果が、波数kとピクセル番号pの間の修正された対応づけであり、それが、ピクセルに依存する強度pint(pi)を位相に依存する強度pint(ki)に換算するために必要である。
In order to be able to perform the inverse FFT, the phase-dependent intensities p int(Ki) must first be derived from the intensity values P int(pi) measured from the individual pixels p i . In that case, the wave number k is given by the formula
is combined with the wavelength λ by , where n(λ) represents the diffusion of the medium in which the measuring object 18 consists and, if appropriate, the measuring light enters. The wavelength λ is again mapped to the pixel number p via the correspondence table p 1 =p 11 ) described in Section 1. In order to correct the pixel number p, the pixel number p korr corrected according to equations 1 or 3 is used here as well. The result is a modified correspondence between wavenumber k and pixel number p, which converts the pixel-dependent intensity p int(pi) into phase-dependent intensity p int(ki). is necessary.

7.第6の実施例
上述した実施例においては、較正光と測定光のスペクトルが重なりなしでなければならないか、あるいは較正は測定と同時に実施することはできない。
7. Sixth Embodiment In the embodiments described above, either the spectra of the calibration light and the measurement light must be non-overlapping, or the calibration cannot be performed at the same time as the measurement.

第1の実施例に関連してすでに簡単に記載したが、適切なビームガイドによって、較正光と測定光のスペクトルの重畳にもかかわらず、測定光による測定の間に較正を実施することができる。このようにして、たとえば個々の測定のために、較正光を用いて同時に定められる対応テーブルを利用することができる。 As already briefly described in connection with the first embodiment, with a suitable beam guide it is possible to perform a calibration during the measurement with the measuring light, despite the superposition of the spectra of the calibration light and the measuring light. . In this way, for example for individual measurements, a correspondence table can be used which is defined simultaneously with the calibration light.

図14は、スペクトロメータ20の一部を図式的に示している。分散性の光学素子が見られ、その素子はここでは特に表示しやすい理由から、透過格子84として形成されている。透過格子84は、図5、11及び12に示される反射格子56においてもそうであるように、コリメートされた光路内に配置されている。他の実施例におけるのと同様に、集光レンズ57が回折された光を検出器24上へ合焦させる。 FIG. 14 schematically shows a part of the spectrometer 20. A dispersive optical element can be seen, which is here formed as a transmission grating 84 for reasons of particular ease of display. The transmission grating 84 is placed in the collimated optical path, as is the reflection grating 56 shown in FIGS. 5, 11 and 12. As in other embodiments, a condenser lens 57 focuses the diffracted light onto the detector 24.

上述した実施例とは異なり、検出器24は1つだけでなく、2つのピクセル行86、88を有している。図示される実施例において、z方向に対して平行の光学軸90がそれを通って延びる、第1のピクセル行86に沿って、第1のピクセル26-1が配置されており、それらの上には測定光12'のみが入射することができる。x方向に沿って変位しているが、第1のピクセル行86に対して平行に延びる、第2のピクセル行88に沿って、第2のピクセル26-2が配置されており、その上には較正光32のみが入射することができる。 Unlike the embodiments described above, the detector 24 has two pixel rows 86, 88 instead of just one. In the illustrated example, first pixels 26-1 are arranged along a first pixel row 86 through which an optical axis 90 parallel to the z-direction extends; Only the measurement light 12' can be incident on the. A second pixel 26-2 is disposed along a second pixel row 88, displaced along the x direction but extending parallel to the first pixel row 86, on which Only the calibration light 32 can be incident.

測定光12’は、この実施例においても軸平行に分散性の光学素子(透過格子84)へ入射する。透過格子84の回折する構造が、x方向に沿って延びているので、測定光12’は波長に従ってyz平面内で偏向されて、集光レンズ57によって第1のピクセル行86の第1のピクセル26-1上へ向けられ、これは、上述した実施例においても同様である。 In this embodiment as well, the measuring light 12' enters the dispersive optical element (transmission grating 84) parallel to the axis. Since the diffractive structure of the transmission grating 84 extends along the x direction, the measuring beam 12' is deflected in the yz plane according to the wavelength and is focused by the condenser lens 57 on the first pixel of the first pixel row 86. 26-1, which is also the case in the embodiments described above.

それに対してコリメートされ、かつ図14に破線で示唆される較正光32は、この実施例においては透過格子84上へ軸平行ではなく、xz平面に関してゼロとは異なる角度で入射する。それによって集光レンズ57は、yz平面内で回折された較正光32を、第1のピクセル行86のピクセル26-1上ではなく、それに対してx方向に変位して配置された第2のピクセル行88の第2のピクセル26-2上へ合焦させる。したがって、図14において想定されるように、入射方向が異なることによって、較正光32と測定光12’は、波長及びそれに伴って回折角度が同一である場合でも、同じピクセル上に合焦することはできない。したがってこの実施例において、較正と測定は、較正光32と測定光12’が等しいスペクトルを有する場合でも、同時に実施することができる。したがってこの考え方は、図11に示す実施例と特に良好に組み合わせることができ、それにおいて較正光32と測定光12’は、同じLEDから発生され、したがって同一のスペクトルを有している。 The calibration light 32, which is collimated therewith and is indicated by a dashed line in FIG. 14, is in this embodiment incident on the transmission grating 84 not axially parallel, but at an angle different from zero with respect to the xz plane. The condensing lens 57 thereby directs the calibration light 32 diffracted in the yz plane not onto the pixel 26-1 of the first pixel row 86, but onto a second pixel 26-1, which is disposed displaced in the x direction relative to it. Focus on the second pixel 26-2 of pixel row 88. Therefore, as envisaged in FIG. 14, due to the different directions of incidence, the calibration light 32 and the measurement light 12' can be focused on the same pixel even if the wavelength and therefore the diffraction angle are the same. I can't. In this embodiment, therefore, calibration and measurement can be performed simultaneously, even if the calibration light 32 and the measurement light 12' have equal spectra. This idea can therefore be combined particularly well with the embodiment shown in FIG. 11, in which the calibration light 32 and the measurement light 12' are generated from the same LED and therefore have the same spectrum.

2つのピクセル行86、88は同じ検出器24内に、かつ図示される実施例において特に直接隣接して配置されているので、2つのピクセル行86、88内のピクセルは、常に同一のy位置を有している。それによって、較正光32を供給される第2のピクセル16-2の位置から、その下方に配置されている第1のピクセル26-1の位置を直接推定することができる。したがって評価するために、較正光32が第1のピクセル26-1に入射するか、あるいはその上方に配置されている第2のピクセル26-2へ入射するかは、区別されない。 Since the two pixel rows 86, 88 are located within the same detector 24 and, in particular, directly adjacent in the illustrated embodiment, the pixels within the two pixel rows 86, 88 always have the same y position. have. Thereby, from the position of the second pixel 16-2 supplied with the calibration light 32, the position of the first pixel 26-1 arranged below it can be directly estimated. For evaluation purposes, therefore, it is not distinguished whether the calibration light 32 is incident on the first pixel 26-1 or on the second pixel 26-2 arranged above it.

較正光32と測定光12’を異なる方向から分散性の光学素子へ向けることができるようにするために、図5と11に示されるような、ファイバーベースの配置において、較正光32を専用のファイバーを介して案内することができる。その場合に集光レンズ55の焦点面内に、ファイバーの2つの端部が並べて配置される。図14に示す実施例において、ファイバー端部の変位は、x方向に沿って設けられる。 In order to be able to direct the calibration beam 32 and the measurement beam 12' from different directions onto the dispersive optical element, the calibration beam 32 can be directed into a dedicated can be guided through fibers. In this case, the two ends of the fiber are arranged side by side in the focal plane of the condenser lens 55 . In the embodiment shown in FIG. 14, the displacement of the fiber end is provided along the x direction.

図12に例示されるような、フリービーム伝播を有する配置においては、較正光源30の絞り51を用紙平面に対して垂直に移動させればよい。 In an arrangement with free beam propagation, as illustrated in FIG. 12, the aperture 51 of the calibration light source 30 may be moved perpendicular to the paper plane.

もちろんビームチルトは、他のやり方でも、たとえばくさびプリズムの使用によって、もたらされる。 Of course, beam tilt can also be provided in other ways, for example by using a wedge prism.

検出器上の較正光と測定光の所望の空間的分離は、分散性の光学素子上への較正光と測定光の異なる入射方向によって保証されるだけではない。それに対して代替的に、たとえば、較正光と測定光を異なるように分極し、たとえば直交して線形に分極し、あるいは逆に循環して分極することが、考えられる。その場合には、ピクセル26-1、26-2の直前又はその上に配置された、適切な分極フィルタを用いて、較正光を、同じ波長を有する反射された測定光が入射することのできないピクセル上のみへ、そしてその逆に、入射させる。
本明細書に開示される発明は以下を含む。
[態様1]
表面(19)に対する間隔、あるいは2つの表面の間の間隔を非接触で測定する測定装置であって、
多色の測定光(12)を発生させるように整えられた、測定光源(11)を有し、
測定光源(11)から発生された測定光(12)を測定対象(18)へ向けて、測定対象(18)から反射され測定光(12')を受け取るように整えられた、光学的な測定ヘッド(16)を有し、
測定対象(18)から反射されて、光学的な測定ヘッド(16)によって受け取られた測定光(12')をスペクトル分析するように整えられた、スペクトログラフ(20)を有し、その場合にスペクトログラフ(20)が分散性の光学素子(22)と、多数の感光性セル(26)を備えた検出器(24)とを有しており、
少なくとも一部の感光性セル(26)の測定信号から間隔値を計算するように整えられた、評価装置(28)を有する、
ものにおいて、
測定装置(10)が較正光源(30)を有し、前記較正光源が、既知のスペクトル組成を有する較正光(32)を発生させるように、整えられており、その場合に較正光(32)は、前もって測定対象(18)へ通じる光学路内で反射されることなしに、分散性の光学素子(20)を通して検出器(24)へ向けることができ、かつ
評価装置(28)がさらに、較正光(32)によって検出器(24)の感光性セル(26)の少なくともいくつかにおいて発生されるスペクトルの変化から、補正値を導き出すように、整えられており、前記補正値によって、感光性セル(26)の少なくとも一部と、波長又は波長から導き出された変量との間のあらかじめ定められた対応づけが修正される、
ことを特徴とする測定装置。
[態様2]
評価装置(28)が、検出器(24)の感光性セル(26)の少なくとも一部の上に較正光(32)によって発生される、強度パターンの位置の変化から補正値を導き出すように、整えられている、ことを特徴とする態様1に記載の測定装置。
[態様3]
較正光(32)が、時間的に安定した、温度に依存しないスペクトル組成を有している、ことを特徴とする態様1又は2に記載の測定装置。
[態様4]
較正光源(30)が、広帯域の光源(46)と温度安定のモノクロメータ(50)とを有している、ことを特徴とする態様3に記載の測定装置。
[態様5]
較正光源(30)が、広帯域の光源(46)と反射する面の配置とを有しており、前記配置が干渉の発生によって較正光の強度をスペクトル変調する、ことを特徴とする態様3に記載の測定装置。
[態様6]
較正光(32)と測定光(12)が、重なり合わないスペクトルを有している、ことを特徴とする態様1から5のいずれか一つに記載の測定装置。
[態様7]
較正光(32)と測定光(12)が、重なり合うスペクトルを有するが、較正光(32)は測定光(12)と同時に検出器(24)へ向けることができない、ことを特徴とする態様1から5のいずれか一つに記載の測定装置。
[態様8]
較正光(32)と測定光(12)が、少なくとも部分的に重なり合うスペクトルを有し、かつ
較正光(32)は、ある波長を有する較正光(32)が、同じ波長を有する反射された測定光(12')が入射することのできない感光性セル上に入射するようにして、分散性の光学素子(20)を通して検出器(24)へ向けることができる、
ことを特徴とする態様1から5のいずれか一つに記載の測定装置。
[態様9]
較正光(32)が、反射された測定光(12')とは異なる方向から分散性の光学素子(20)へ入射し、かつ
好ましくは感光性のセル(26)が、第1のセル(26-1)と第2のセル(26-2)を有し、前記第1のセルには較正光(32)のみが入射することができ、かつ前記第1のセルが第1の行(86)に沿って配置されており、前記第2のセルには反射された測定光(12')のみが入射することができ、かつ前記第2のセルが、第1の行(86)に対して平行に延びる第2の行(88)に沿って配置されている、
ことを特徴とする態様8に記載の測定装置。
[態様10]
較正光源(30)が、測定光源(11)から発生された測定光(12)の一部を分岐させるビームスプリッタ(40)と、モノクロメータ(50)又は態様5に記載の平面平行のプレート(58)とを有している、ことを特徴とする態様1から9のいずれか一つに記載の測定装置。
[態様11]
様々なスペクトル組成を有する較正光を発生させるように整えられた、2つの較正光源が設けられ、その場合に2つの較正光源(30)から発生された較正光(32)が、前もって測定対象(18)へ通じる光学路内で反射されることなしに、同時に拡散性の光学素子(20)を通って検出器(24)へ向けることができる、ことを特徴とする態様1から10のいずれか一つに記載の測定装置。
[態様12]
分散性の光学素子が回折格子(50)であって、かつ
較正光(32)のスペクトルが、検出器(24)によって較正光の2つの異なる回折次数が検出可能であるように、選択されている、ことを特徴とする態様1から10のいずれか一つに記載の測定装置。
[態様13]
表面(19)に対する間隔又は2つの表面の間の間隔を非接触で測定する方法であって、以下のステップ:
a)多色の測定光(12)が発生され;
b)測定光(12)が、光学的な測定ヘッド(16)によって測定対象(18)上へ向けられて、測定対象(18)から反射された測定光(12')が光学的な測定ヘッド(16)によって受け取られ;
c)測定対象(18)から反射されて、光学的な測定ヘッド(16)によって受け取られた測定光(12')が、スペクトログラフ(20)内でスペクトル分析され、前記スペクトログラフが分散性の光学素子(22)と、多数の感光性セル(26)を備えた検出器(14)とを有し;
d)少なくとも一部の感光性セル(26)の測定信号から間隔値が計算され、その場合に感光性セルの少なくとも一部と、波長又は波長から導き出された変量との間のあらかじめ定められた対応づけが使用され;
e)既知のスペクトル組成を有する、較正光(32)が発生され;
f)較正光(32)が測定対象(18)へ通じる光学路内で前もって反射されることなしに、較正光(32)が分散性の光学素子(22)を通して検出器(24)上へ向けられ;
g)検出器(24)の感光性セル(26)の少なくともいくつかの上で較正光(32)によって発生されるスペクトルの変化から、補正値が導き出され、
h)あらかじめ定められた対応づけが、補正値によって修正され;
i)少なくともステップa)からd)が繰り返され、その場合にステップd)においてステップh)で修正された対応づけが使用される、
ステップを有する方法。
[態様14]
態様1から12のいずれか一つの特徴を有する、態様13に記載の方法。
The desired spatial separation of the calibration and measurement light on the detector is not only ensured by the different directions of incidence of the calibration and measurement light on the dispersive optical element. Alternatively, it is conceivable, for example, for the calibration light and the measurement light to be polarized differently, for example orthogonally linearly or vice versa. In that case, a suitable polarizing filter placed immediately before or above the pixels 26-1, 26-2 is used to prevent the calibration light from entering the reflected measurement light having the same wavelength. Make it incident only on pixels and vice versa.
The invention disclosed herein includes the following.
[Aspect 1]
A measuring device for non-contact measurement of the distance to a surface (19) or the distance between two surfaces,
comprising a measurement light source (11) arranged to generate a polychromatic measurement light (12);
Optical measurement arranged to direct the measurement light (12) generated from the measurement light source (11) towards the measurement object (18) and to receive the measurement light (12') reflected from the measurement object (18) having a head (16);
a spectrograph (20) arranged to spectrally analyze the measurement light (12') reflected from the measurement object (18) and received by the optical measurement head (16); a spectrograph (20) has a dispersive optical element (22) and a detector (24) with a number of photosensitive cells (26);
comprising an evaluation device (28) arranged to calculate an interval value from the measurement signals of at least some of the photosensitive cells (26);
In things,
The measuring device (10) has a calibration light source (30) arranged to generate a calibration light (32) having a known spectral composition, in which case the calibration light (32) can be directed through the dispersive optical element (20) to the detector (24) without being previously reflected in the optical path leading to the measurement object (18), and
The evaluation device (28) is further arranged to derive a correction value from the spectral changes generated in at least some of the photosensitive cells (26) of the detector (24) by the calibration light (32). , the correction value modifies a predetermined association between at least a portion of the photosensitive cell (26) and a wavelength or a variable derived from the wavelength;
A measuring device characterized by:
[Aspect 2]
such that the evaluation device (28) derives the correction value from the change in position of the intensity pattern generated by the calibration light (32) on at least a portion of the photosensitive cells (26) of the detector (24); The measuring device according to aspect 1, wherein the measuring device is arranged.
[Aspect 3]
3. Measuring device according to aspect 1 or 2, characterized in that the calibration light (32) has a temporally stable and temperature-independent spectral composition.
[Aspect 4]
4. Measuring device according to claim 3, characterized in that the calibration light source (30) comprises a broadband light source (46) and a temperature-stable monochromator (50).
[Aspect 5]
Embodiment 3, characterized in that the calibration light source (30) comprises a broadband light source (46) and an arrangement of reflective surfaces, said arrangement spectrally modulating the intensity of the calibration light by the generation of interference. Measuring device as described.
[Aspect 6]
6. The measuring device according to any one of aspects 1 to 5, characterized in that the calibration light (32) and the measurement light (12) have non-overlapping spectra.
[Aspect 7]
Embodiment 1 characterized in that the calibration light (32) and the measurement light (12) have overlapping spectra, but the calibration light (32) cannot be directed to the detector (24) at the same time as the measurement light (12). The measuring device according to any one of 5 to 5.
[Aspect 8]
the calibration light (32) and the measurement light (12) have at least partially overlapping spectra, and
The calibration light (32) is dispersed in such a way that the calibration light (32) having a certain wavelength is incident on a photosensitive cell where the reflected measurement light (12') having the same wavelength cannot be incident. to the detector (24) through the optical element (20) of the
The measuring device according to any one of aspects 1 to 5, characterized in that:
[Aspect 9]
the calibration light (32) is incident on the dispersive optical element (20) from a different direction than the reflected measurement light (12'), and
Preferably a photosensitive cell (26) comprises a first cell (26-1) and a second cell (26-2), with only the calibration light (32) being incident on said first cell. and the first cell is arranged along a first row (86), and only reflected measurement light (12') can be incident on the second cell; and said second cells are arranged along a second row (88) extending parallel to the first row (86).
The measuring device according to aspect 8, characterized in that:
[Aspect 10]
The calibration light source (30) includes a beam splitter (40) that splits a part of the measurement light (12) generated from the measurement light source (11), and a monochromator (50) or a plane-parallel plate according to aspect 5 ( 58) The measuring device according to any one of aspects 1 to 9, characterized in that it has the following.
[Aspect 11]
Two calibration light sources are provided, arranged to generate calibration light with different spectral compositions, in which case the calibration light (32) generated from the two calibration light sources (30) has previously detected the object to be measured ( Any of the embodiments 1 to 10, characterized in that it can simultaneously be directed through the diffusive optical element (20) to the detector (24) without being reflected in the optical path leading to (18). Measuring device as described in one.
[Aspect 12]
the dispersive optical element is a diffraction grating (50), and
Any one of embodiments 1 to 10, characterized in that the spectrum of the calibration light (32) is selected such that two different diffraction orders of the calibration light are detectable by the detector (24). Measuring device described in.
[Aspect 13]
A method for non-contact measurement of the distance to a surface (19) or between two surfaces, comprising the steps of:
a) polychromatic measuring light (12) is generated;
b) The measurement light (12) is directed onto the measurement object (18) by the optical measurement head (16), and the measurement light (12') reflected from the measurement object (18) is directed to the measurement object (18) by the optical measurement head (16). received by (16);
c) The measuring light (12') reflected from the measuring object (18) and received by the optical measuring head (16) is spectrally analyzed in a spectrograph (20), said spectrograph being comprising an optical element (22) and a detector (14) comprising a number of photosensitive cells (26);
d) from the measurement signals of at least some of the photosensitive cells (26) a distance value is calculated, in which case a predetermined interval value between at least some of the photosensitive cells and the wavelength or a variable derived from the wavelength; The mapping is used;
e) a calibration light (32) is generated having a known spectral composition;
f) directing the calibration light (32) through the dispersive optical element (22) onto the detector (24) without the calibration light (32) being previously reflected in the optical path leading to the measurement object (18); Re;
g) deriving a correction value from the spectral changes produced by the calibration light (32) on at least some of the photosensitive cells (26) of the detector (24);
h) the predetermined correspondence is modified by the correction value;
i) at least steps a) to d) are repeated, where in step d) the mapping modified in step h) is used;
A method with steps.
[Aspect 14]
A method according to aspect 13, having the characteristics of any one of aspects 1 to 12.

10 測定装置
11 測定光源
12 測定光
12’ 反射された測定光
14 光分割装置
16 測定ヘッド
18 測定対象
19 表面
20 スペクトロメータ
22 分散性の光学素子
24 検出器
26 感光性セル(ピクセル)
28 評価装置
30 較正光源
32 較正光
34 測定光源のLED
36 集光レンズ
38 光学ファイバー
39 光学ファイバー
40 ファイバーカップラー
40’ ビームスプリッタキューブ
41 光学ファイバー
42 集光レンズ
44 集光レンズ
46 較正光源のLED
48 集光レンズ
50 モノクロメータ
51 絞り
52 集光レンズ
53 ビームスプリッタキューブ
54 光学ファイバー
55 集光レンズ
56 反射格子
57 集光レンズ
58 プレート
59 集光レンズ
60 後ろ側
62 前側
64 スペクトルフィルタ
70 射出窓
72 絞り
74 絞り
80 参照アーム
82 ミラー
84 透過格子
86 第1のピクセル行
88 第2のピクセル行
90 光学軸
10 Measuring device 11 Measuring light source 12 Measuring light 12' Reflected measuring light 14 Light splitting device 16 Measuring head 18 Measuring object 19 Surface 20 Spectrometer 22 Dispersive optical element 24 Detector 26 Photosensitive cell (pixel)
28 Evaluation device 30 Calibration light source 32 Calibration light 34 LED of measurement light source
36 Condenser lens 38 Optical fiber 39 Optical fiber 40 Fiber coupler 40' Beam splitter cube 41 Optical fiber 42 Condenser lens 44 Condenser lens 46 Calibration light source LED
48 Condenser lens 50 Monochromator 51 Aperture 52 Condenser lens 53 Beam splitter cube 54 Optical fiber 55 Condenser lens 56 Reflection grating 57 Condenser lens 58 Plate 59 Condenser lens 60 Back side 62 Front side 64 Spectral filter 70 Exit window 72 Aperture 74 Aperture 80 Reference arm 82 Mirror 84 Transmission grating 86 First pixel row 88 Second pixel row 90 Optical axis

Claims (8)

表面(19)に対する間隔、あるいは2つの表面の間の間隔を非接触で測定する測定装置であって、
多色の測定光(12)を発生させるように整えられた、測定光源(11)を有し、
前記測定光源(11)から発生された測定光(12)を測定対象(18)へ向けて、前記測定対象(18)から反射され測定光(12')を受け取るように整えられた、光学的な測定ヘッド(16)を有し、
前記測定対象(18)から反射されて、前記光学的な測定ヘッド(16)によって受け取られた前記測定光(12')をスペクトル分析するように整えられた、スペクトログラフ(20)を有し、その場合に前記スペクトログラフ(20)が分散性の光学素子(22)と、多数の感光性セル(26)を備えた検出器(24)とを有しており、
少なくとも一部の感光性セル(26)の測定信号から間隔値を計算するように整えられた、評価装置(28)を有する、
ものにおいて、
前記測定装置(10)が較正光源(30)を有し、前記較正光源(30)が、広帯域の光源(46)と反射する面の配置とを有しており、前記配置が、干渉の発生によって較正光の強度をスペクトル変調し、前記較正光源(30)が、時間的に安定するとともに温度に依存しない既知のスペクトル組成を有する較正光(32)を発生させるように、整えられており、その場合に前記較正光(32)は、前もって前記測定対象(18)へ通じる光学路内で反射されることなしに、分散性の光学素子(20)を通して前記検出器(24)へ向けることができ、かつ
前記評価装置(28)がさらに、前記較正光(32)によって前記検出器(24)の感光性セル(26)の少なくともいくつかにおいて発生されるスペクトルの変化から、補正値を導き出すように、整えられており、前記補正値によって、前記感光性セル(26)の少なくとも一部と、波長又は波長から導き出された変量との間のあらかじめ定められた対応づけが修正され、
前記較正光(32)と前記測定光(12)が、少なくとも部分的に重なり合うスペクトルを有し、かつ
前記較正光(32)は、ある波長を有する較正光(32)が、同じ波長を有する反射された測定光(12')が入射することのできない感光性セル上に入射するようにして、前記分散性の光学素子(20)を通して前記検出器(24)へ向けることができ、
前記較正光(32)が、反射された前記測定光(12')とは異なる方向から前記分散性の光学素子(20)へ入射し、かつ
記感光性セル(26)が、第1のセル(26-1)と第2のセル(26-2)を有し、前記第1のセルには前記較正光(32)のみが入射することができ、かつ前記第1のセルが第1の行(86)に沿って配置されており、前記第2のセルには反射された前記測定光(12')のみが入射することができ、かつ前記第2のセルが、前記第1の行(86)に対して平行に延びる第2の行(88)に沿って配置されている、
ことを特徴とする測定装置。
A measuring device for non-contact measurement of the distance to a surface (19) or the distance between two surfaces,
comprising a measurement light source (11) arranged to generate a polychromatic measurement light (12);
an optical device arranged to direct the measurement light (12) generated from the measurement light source (11) towards the measurement object (18) and to receive the measurement light (12') reflected from the measurement object (18); a measuring head (16),
a spectrograph (20) arranged to spectrally analyze the measurement light (12') reflected from the measurement object (18) and received by the optical measurement head (16); The spectrograph (20) then has a dispersive optical element (22) and a detector (24) with a number of photosensitive cells (26);
comprising an evaluation device (28) arranged to calculate an interval value from the measurement signals of at least some of the photosensitive cells (26);
In things,
The measuring device (10) has a calibrated light source (30), the calibrated light source (30) having a broadband light source (46) and an arrangement of reflective surfaces, the arrangement being configured to prevent the occurrence of interference. spectrally modulating the intensity of the calibration light by, said calibration light source (30) being arranged to generate calibration light (32) having a known spectral composition that is both temporally stable and temperature independent; The calibration light (32) can then be directed through a dispersive optical element (20) to the detector (24) without being previously reflected in the optical path leading to the measurement object (18). and said evaluation device (28) is further adapted to derive a correction value from spectral changes produced in at least some of the photosensitive cells (26) of said detector (24) by said calibration light (32). the correction value modifies a predetermined association between at least a portion of the photosensitive cell (26) and a wavelength or a variable derived from the wavelength;
The calibration light (32) and the measurement light (12) have spectra that at least partially overlap, and the calibration light (32) has a certain wavelength and the calibration light (32) has a reflection having the same wavelength. the measured measuring light (12') can be directed through the dispersive optical element (20) to the detector (24) in such a way that it is incident on a photosensitive cell that cannot enter;
the calibration light (32) is incident on the dispersive optical element (20) from a different direction than the reflected measurement light (12'), and
The photosensitive cell (26) has a first cell (26-1) and a second cell (26-2), and only the calibration light (32) is incident on the first cell. and the first cell is arranged along the first row (86), and only the reflected measurement light (12') can enter the second cell. , and the second cells are arranged along a second row (88) extending parallel to the first row (86).
A measuring device characterized by:
前記評価装置(28)が、前記検出器(24)の前記感光性セル(26)の少なくとも一部の上に前記較正光(32)によって発生される、強度パターンの位置の変化から補正値を導き出すように、整えられている、ことを特徴とする請求項1に記載の測定装置。 The evaluation device (28) derives a correction value from the change in position of the intensity pattern generated by the calibration light (32) on at least a portion of the photosensitive cells (26) of the detector (24). Measuring device according to claim 1, characterized in that it is arranged so as to guide the measuring device. 前記較正光(32)と前記測定光(12)が、重なり合わないスペクトルを有している、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の測定装置。 The measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the calibration light (32) and the measurement light (12) have non-overlapping spectra. 前記較正光(32)と前記測定光(12)が、重なり合うスペクトルを有するが、前記較正光(32)は前記測定光(12)と同時に前記検出器(24)へ向けることができない、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の測定装置。 Although said calibration light (32) and said measurement light (12) have overlapping spectra, said calibration light (32) cannot be directed to said detector (24) at the same time as said measurement light (12). The measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that: 前記較正光源(30)が、前記測定光源(11)から発生された前記測定光(12)の一部を分岐させるビームスプリッタ(40)と、モノクロメータ(50)又は平面平行のプレート(58)とを有している、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の測定装置。 The calibration light source (30) includes a beam splitter (40) for splitting a part of the measurement light (12) generated from the measurement light source (11), and a monochromator (50) or a plane-parallel plate (58). The measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that it has: 様々なスペクトル組成を有する較正光を発生させるように整えられた、2つの較正光源が設けられ、その場合に2つの較正光源(30)から発生された前記較正光(32a,32b)が、前もって前記測定対象(18)へ通じる光学路内で反射されることなしに、同時に前記分散性の光学素子(20)を通って前記検出器(24)へ向けることができる、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の測定装置。 Two calibration light sources are provided, arranged to generate calibration light with different spectral compositions, in which case the calibration light (32a, 32b) generated from the two calibration light sources (30) has been previously Claim characterized in that it can simultaneously be directed through the dispersive optical element (20) to the detector (24) without being reflected in the optical path leading to the measurement object (18). The measuring device according to item 1 or 2. 前記分散性の光学素子が回折格子(50)であって、かつ
前記較正光(32)のスペクトルが、前記検出器(24)によって較正光の2つの異なる回折次数が検出可能であるように、選択されている、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の測定装置。
the dispersive optical element is a diffraction grating (50), and the spectrum of the calibration light (32) is such that two different diffraction orders of the calibration light are detectable by the detector (24); The measuring device according to claim 1 or 2, wherein the measuring device is selected.
表面(19)に対する間隔又は2つの表面の間の間隔を非接触で測定する方法であって、
a)多色の測定光(12)が発生されるステップと、
b)前記測定光(12)が、光学的な測定ヘッド(16)によって測定対象(18)上へ向けられて、前記測定対象(18)から反射された測定光(12')が光学的な測定ヘッド(16)によって受け取られるステップと、
c)前記測定対象(18)から反射されて、前記光学的な測定ヘッド(16)によって受け取られた前記測定光(12')が、スペクトログラフ(20)内でスペクトル分析され、前記スペクトログラフが分散性の光学素子(22)と、多数の感光性セル(26)を備えた検出器(14)とを有するステップと、
d)少なくとも一部の感光性セル(26)の測定信号から間隔値が計算され、その場合に感光性セルの少なくとも一部と、波長又は波長から導き出された変量との間のあらかじめ定められた対応づけが使用されるステップと、
e)時間的に安定するとともに温度に依存しない既知のスペクトル組成を有する較正光(32)を較正光源(30)によって発生させるステップであって、前記較正光源(30)が、広帯域の光源(46)と反射する面の配置とを有しており、前記配置が、干渉の発生によって較正光の強度をスペクトル変調する、ステップと、
f)前記較正光(32)が測定対象(18)へ通じる光学路内で前もって反射されることなしに、前記較正光(32)が前記分散性の光学素子(22)を通して前記検出器(24)上へ向けられるステップと、
g)前記検出器(24)の感光性セル(26)の少なくともいくつかの上で前記較正光(32)によって発生されるスペクトルの変化から、補正値が導き出されるステップと、
h)あらかじめ定められた対応づけが、前記補正値によって修正されるステップと、
i)少なくともステップa)からd)が繰り返され、その場合にステップd)においてステップh)で修正された前記対応づけが使用されるステップと、
を有し、
前記較正光(32)と前記測定光(12)が、少なくとも部分的に重なり合うスペクトルを有し、かつ
前記較正光(32)は、ある波長を有する較正光(32)が、同じ波長を有する反射された測定光(12')が入射することのできない感光性セル上に入射するようにして、前記分散性の光学素子(20)を通して前記検出器(24)へ向けることができ、
前記較正光(32)が、反射された前記測定光(12')とは異なる方向から前記分散性の光学素子(20)へ入射し、かつ
記感光性セル(26)が、第1のセル(26-1)と第2のセル(26-2)を有し、前記第1のセルには前記較正光(32)のみが入射することができ、かつ前記第1のセルが第1の行(86)に沿って配置されており、前記第2のセルには反射された前記測定光(12')のみが入射することができ、かつ前記第2のセルが、前記第1の行(86)に対して平行に延びる第2の行(88)に沿って配置されている、方法。
A method for non-contact measurement of a distance to a surface (19) or a distance between two surfaces, the method comprising:
a) a polychromatic measurement light (12) is generated;
b) said measurement light (12) is directed onto a measurement object (18) by an optical measurement head (16), and the measurement light (12') reflected from said measurement object (18) is directed by an optical measurement head (16) onto a measurement object (18); a step received by a measuring head (16);
c) the measurement light (12') reflected from the measurement object (18) and received by the optical measurement head (16) is spectrally analyzed in a spectrograph (20), and the spectrograph having a dispersive optical element (22) and a detector (14) with a number of photosensitive cells (26);
d) from the measurement signals of at least some of the photosensitive cells (26) a distance value is calculated, in which case a predetermined interval value between at least some of the photosensitive cells and the wavelength or a variable derived from the wavelength; the steps in which the mapping is used;
e) generating by a calibration light source (30) a calibration light (32) having a known temporally stable and temperature-independent spectral composition, said calibration light source (30) comprising a broadband light source (46); ) and an arrangement of reflective surfaces, said arrangement spectrally modulating the intensity of the calibration light by generating interference;
f) the calibration light (32) passes through the dispersive optical element (22) to the detector (24) without being previously reflected in the optical path leading to the measurement object (18); ) a step directed upward;
g) deriving a correction value from the spectral changes produced by the calibration light (32) on at least some of the photosensitive cells (26) of the detector (24);
h) the predetermined correspondence is modified by the correction value;
i) at least steps a) to d) are repeated, in which case in step d) said mapping modified in step h) is used;
has
The calibration light (32) and the measurement light (12) have spectra that at least partially overlap, and the calibration light (32) has a certain wavelength and the calibration light (32) has a reflection having the same wavelength. the measured measuring light (12') can be directed through the dispersive optical element (20) to the detector (24) in such a way that it is incident on a photosensitive cell that cannot enter;
the calibration light (32) is incident on the dispersive optical element (20) from a different direction than the reflected measurement light (12'), and
The photosensitive cell (26) has a first cell (26-1) and a second cell (26-2), and only the calibration light (32) is incident on the first cell. and the first cell is arranged along a first row (86), and only the reflected measurement light (12') can enter the second cell. , and wherein the second cells are arranged along a second row (88) extending parallel to the first row (86).
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