[发明专利]用于测量测量对象的测量装置、设备及方法

说明书

技术领域

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

另外，本发明涉及一种包含这种测量装置的用于测量测量对象的设备。

进一步，本发明涉及一种测量测量对象的方法。

背景技术

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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