[发明专利]用于高度和厚度的非接触式测量的集成光学器件

说明书

本发明涉及一种用于非接触式光斑测量或高度和/或厚度的多点测量的光学器件。所述测量器件基于色散共焦显微镜的原理。所述原理基于具有轴向色差的光学组件，以便对位于所述测量器件的测量场中的物体的高度和/或厚度信息进行编码。所述光学系统也被锚定在共焦结构中，以利用共焦结构的固有特性。所述信息的解码是通过检测系统来进行的，该检测系统能够辨别完美聚焦在物体的(一个或多个)表面上的(一个或多个)波长，从而收集有用的信息。在本发明中，可以同时或连续地测量多个点。本发明的目的是完全或部分地消除对目前的色散共焦测量仪器中发现的光缆的需求。本发明因此克服了在测量仪器经受强烈加速和/或旋转运动时受到损坏的光缆的存在导致的在工业环境中集成测量仪器的限制。免除光缆可以提高测量仪器的鲁棒性和紧凑性，也有助于其在诸如三维坐标测量机(MMT)等机动运动系统中的集成和使用。

本发明涉及一种用于测量物体的单个点的非接触式光学测量的单点测量装置或专用于测量高度和/或厚度的多点测量装置。该测量装置基于色散共焦显微镜的原理，因此具有与受控的轴向色差相关的光学系统的共焦性质相关的性质。

共焦光学系统需要具有单点照明系统。源点的图像聚焦在待测量的物体上，经过物体反射或反向散射的光线反过来在位于光电探测器上游的共焦隔板(空间滤波器)上成像。源点、物体和隔板是共焦的。关于全视野显微镜，共焦系统使得轴向和横向的选择性增加。来自位于共焦面外部的平面的光线以及来自光轴外的点的光线通过共焦隔板过滤，因此提高了光学系统的信噪比和横向分辨率。

轴向色差的受控为共焦光学系统提供了光源的光谱沿光轴的色散。该受控光学像差能够根据波长对高度或厚度进行编码。该信息的解码是通过能够分析经过物体反向散射的光谱波长的系统进行的。

这两个原理组合成共享结构能够观察和测量包括在测量仪器的测量体积(volume)中的空间内的一系列点，而不受相邻点干扰。测量体积由被照明的横向场(横向场由一系列被照明的点限定)限定，沿光轴展开并受限于光学系统的轴向色差内部。这种类型的测量设备能够特别是在轴向和横向分辨率方面获得非常好的表现。

为了执行其功能，这些测量仪器包括：

-复色源，

-具有受控轴向色差的光学系统，

-诸如光谱仪等光谱分析系统，

-用于处理信号、计算和数据传输的装置。

参考专利[1]描述的发明涉及根据现有技术的基于色散共焦显微镜术的原理的方法及测量仪器。上述设备使用复色源、全息或衍射透镜(例如菲涅尔透镜)以生成轴向色差，并且使用光谱分析仪器以确定与完美聚焦到物体上的波长对应的最高能量波长。该实施例能够将物体相对于位于待测量物体上游的参考表面进行定位。所述测量仪器是单点的。本专利发明作为色散共焦测量系统的参考，并且现有技术中的测量仪器都具有至少一个与耦合器(例如分束器立方体)关联的光纤或光纤耦合器，无论是对于设置有横向场的色散共焦测量仪器还是对于在三维测量工业中广泛应用的测量物体的单个点的单点测量仪器的特定情况。现在将审阅专利[2]、[3]和[4]。

参考专利[2]描述的发明涉及根据现有技术的设置有横向场的色散共焦测量仪器。

图1示出了根据现有技术[参照参考文献2]的设置有横向场的色散共焦测量仪器，使得横向场表现为直线。该测量仪器的其他实施例以获得例如具有矩形场的方式存在，但是本文中未示出这些实施例。图1示出了根据现有技术的色散共焦测量设备，该测量设备由通过光缆300连接的光电盒100和测量头200组成。

光电盒100由复色光源10、光谱分析设备20、用于处理信号、计算、数据传输、控制和配置测量仪器的计算机和电子装置30以及供电模块40组成。设置有横向场的该色散共焦测量仪器能够测量位于该仪器的测量体积500中的具有待测量表面的物体400。