[发明专利]光谱共焦距离传感器

说明书

本发明涉及一种光谱共焦距离传感器，其具有壳体，在该壳体中布置有多色光源、具有纵向色差的成像光学器件、光谱仪和平坦的分束器表面。这些构件位于测量光的在光源与成像光学器件之间的光路中并且还位于测量光的在成像光学器件与光谱仪之间的光路中。壳体还包含被布置在光源与分束器表面之间的光路中的第一隔膜和被布置在分束器表面与光谱仪之间的光路中的第二隔膜。第一隔膜和第二隔膜相对于分束器表面镜像对称地布置。根据本发明，测量光作为自由光束在壳体内传播。分束器表面、第一隔膜和第二隔膜被一起紧固在具有各向同性热膨胀系数的载架上。这样，温度变化不会显著影响测量精度。

技术领域

本发明涉及一种光谱共焦(chromatic confocal)距离传感器，其中光源、成像光学器件和光谱仪被布置在同一壳体中。利用各个模块的相应微型化，这种距离传感器可以具有如此之小的尺寸并且如此轻量，以致于它可以被紧固在坐标测量机(CMM)的保持器上。

背景技术

光谱共焦距离传感器多年来已被用于需要不接触地并以高精度测量离物体表面的距离时的工业计量。在透明物体的情况下，也可以测量壁厚或其它厚度，因为一般而言，可以对每个光学界面测距并获得测定距离之差作为该厚度。

光谱共焦距离传感器包含光源，该光源产生多色测量光并且将它引导到隔膜上。在本上下文中，隔膜是指光可以从其出现并且也可以可选择地再次进入其中的任何小开口。隔膜通过成像光学器件在要测量的表面上成像。成像光学器件的至少一部分具有显著的纵向色差。隔膜的以不同方式上色的图像因此相继排列在成像光学器件的光轴上。仅隔膜的图像精确地位于要测量的表面上的测量光的光谱分量由该表面以它能进入同一隔膜或与该隔膜光学共轭地布置的隔膜这样的方式反射回来。借助于光谱仪来记录该光谱分量的波长。在这种情况下每个波长都被分配离成像光学器件的特定距离。尽管其它光谱分量同样由物体表面部分地反射，但是它们无法由成像光学器件聚焦到同一隔膜或与其光学共轭的隔膜中，并且因此不会明显对测量光的由光谱仪进行光谱分析的部分起作用。

EP2667152B1公开了一种光谱共焦距离传感器，其可以借助于自动的可更换的联接器紧固到坐标测量机(CMM)的保持器上。利用坐标测量机，能以高精度确定物体的空间坐标。通常，坐标测量机包括借助于位移系统朝向要测量的物体移动的触觉测量头。在这种情况下，借助于位移或角度传感器来以高精度记录位移路径。与触觉传感器相比，光学距离传感器尤其具有测量非接触地进行并且因此能无问题地测量甚至非常敏感或被污染的表面的优点。

为了能够可更换地紧固在坐标测量机上，光谱共焦距离传感器必须满足对于这种设计的常规传感器而言不存在的某些要求。例如，这种距离传感器必须非常小并且重量轻以使得它可以由坐标测量机的构造成用于紧固触觉传感器的保持器承载。该距离传感器的总体积理想而言应当小于约350cm³，并且重量小于约500g(与此相比，常规触觉传感器通常仅具有小于20cm³的体积和小于100g的重量)。小的安装空间也蕴含着与热管理有关的问题。由于由光源和光谱仪接收的相当大的部分的电力被转换为壳体内的热，所以热诱发的变形可能损害测量精度。

此外，光谱仪、成像光学器件和光源应当被布置在同一壳体中以使得测量光不必由另外的光纤引导到布置在壳体外部的模块。这种纤维必须尤其被给送通过坐标测量机的自动的可更换的联接器，坐标测量机未针对这种情况标准地配置。

从上述EP2667152B1得知的距离传感器并非无条件地满足这些要求。由于测量光在不能任意地大幅弯曲(尤其在光纤耦合器的区域中)的光纤中被引导，所以距离传感器如此之大和笨重以致于无法与所有的坐标测量机联接。

FR2930334A1和FR2950441B公开了光谱共焦距离传感器，其中测量光作为自由光束从分束器通过。自由光束是指未在光纤或另一光波导中被引导的光束。在这些公知的距离传感器中，光源和光谱仪经由光纤与包含自由光束分束器和成像光学器件的测量头连接。这些距离传感器因此无法与坐标测量机自动联接。

发明内容