[發明專利]用于測量表面的設備和方法

有效

• 申請號: 200980143416.6
• 申請日: 2009-08-22
• 公開（公告）號: CN102203549A
• 公開（公告）日: 2011-09-28
• 發明（設計）人: 克里斯蒂娜·阿爾瓦雷斯迪茲;弗蘭克·霍勒;伯恩德·斯普魯克;馬克·特雷蒙特
• 申請（專利權）人: 卡爾蔡司股份公司
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/24;G01S17/89
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 吳艷

技術領域

本發明涉及一種用于測量表面的設備和方法。本發明具體涉及一種使用光學測量技術測量表面的設備和方法。

背景技術

例如在和土木工程中的統計學相關的問題或多媒體應用中采用的空間數字化中，或者是在量化質量控制中，特別是工業制造中的量化質量控制中，存在很多測量三維物體的表面輪廓的應用。在此情形下，對尺寸在若干米的較大物體的微米級分辨率的高精度測量是一個挑戰。

對在諸如條紋投影和偏轉法(deflectometry)的光學幾何技術的幫助下進行的物體表面測量來說，橫向分辨率和景深之間存在著相互關聯。存在對其中一個變量進行優化時會使相應的另一個變量惡化的效應，由此很難在若干米的景深內獲得微米級的橫向精確度。

接觸式坐標測量機器可在若干立方米的體積內實現高精確度。但這樣的測量是耗時的，尤其是在需要確定分布在待側物體表面的大量的點的位置時。適用于具有米級特征尺寸的物體的坐標測量機器是巨大且不可移動的裝置。此外，使用接觸式測量對敏感表面沒有實用性或實用性受限。

激光路徑長度測量設備允許了對物體的距離的測量。在K.Minoshima和H.Matsumoto?2000年在“應用光學”第39卷第30分冊的5512頁至5517頁中發表的“使用小型飛秒激光器對光學隧道中240米距離的高精度測量”(K.Minoshima?and?H.Matsumoto，“High-accuracy?measurement?of?240-mdistance?in?an?optical?tunnel?by?use?of?a?compact?femtosecond?laser”，Applied?Optics，Vol.39，No.30，pp.5512-5517(2000))一文中描述了在實驗室條件中使用頻率梳進行的距離測量。雖然該測量可在高精度下實現，其被限制在一維且需要物體對光的反射。

文件EP1?903?302?A2描述了一種光學設備，其將正弦波幅度調制和光源的脈沖光輸出相結合以確定物體的距離。在文件DE?11?2005?001?980?T5中，描述了一種方法和設備，其中頻率梳被耦連至光學干涉儀以進行對距離的測量。對物體的觀測深度被調制信號的閉環控制所控制。物體的表面既不能使用文件EP?1?903?302?A2中的方法，也不能使用文件DE?11?2005?001?980T5中的方法來測量。

發明內容

本發明的目的是提供一種改進了的用以測量表面的設備和方法。具體地，本發明具有這樣的目的，即提供允許以高分辨率測量表面的設備和方法，其中所述測量為非接觸式且可使用較小的設備來進行。

根據本發明，該目標可通過在獨立權利要求中描述的設備和方法來實現。所述獨立權利要求限定了優選或具有優勢的實施方式。

所提供的設備和方法允許對表面進行測量。此處對表面的測量通常指的是測定表面的若干個表面區域內的三個空間坐標，或當測量在一個平面內進行時測定兩個空間坐標。這種情況下，該表面區域的尺寸可非常小且通常地由表面上的光束的橫截面積所決定。

根據本發明的用于測量表面的設備包括光源、光引導裝置、檢測器布置和分析電路。光源被配置為產生具有重復率的光脈沖序列。光引導裝置被可控制以使得光脈沖序列被引導至表面的表面區域上。通過控制光引導裝置，可從若干個表面區域中選擇所述的表面區域，所述光脈沖序列可被引導至該表面區域上。檢測器布置被配置為接收被該表面區域散射和/或折射的至少一個光信號。當光脈沖序列在操作中被照射至該表面區域上時，所述至少一個光信號包括被反射和/或散射的光脈沖序列。分析電路被耦連至該檢測器布置且被配置為確定由光脈沖序列得出的參考信號和所述至少一個光信號的信號分量之間的相位差以確定表面區域的位置，該信號分量具有對應于所述重復率的倍數的頻率。該參考信號可為任何可被用來作為確定相位差的參照物使用的信號。舉例來說，該參考信號可由光源的同步輸出提供或可被參考信號檢測器所記錄。

此處，作為時間的函數的光信號的光譜分量，即具有作為時間的函數的光強度的光譜分量，被稱作信號分量。所述參考信號可大致具有對應于所述重復率的倍數的頻率，或者該參考信號可具有具有此頻率的參考信號分量，即光譜分量，其中所述相位差可確定為該信號分量和參考信號分量之間的相位差。

該設備允許以非接觸的方式測量表面。通過基于具有和重復率的諧波對應的頻率的信號分量確定的相位差，可獲得高的空間分辨率，這是由于更高的頻率對于給定的路徑長度的差值來說產生相位差更大。