[發(fā)明專利]用于測量表面的干涉距離測量方法以及這樣的測量裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201280032164.1
• 申請日: 2012-06-25
• 公開（公告）號: CN103635775A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 托馬斯·延森
• 申請（專利權(quán)）人: 赫克斯岡技術(shù)中心
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01B9/02
• 代理公司: 北京三友知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11127
• 代理人: 呂俊剛;劉久亮

本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的用于測量表面的干涉距離測量方法以及根據(jù)權(quán)利要求8的前序部分的距離測量裝置，并且還涉及用于測量表面的測量設(shè)備。

在許多應(yīng)用領(lǐng)域中都存在對測量物體的表面的需要并且因此還存在對物體本身進行高精度測量的需要。對于制造業(yè)尤其如此，對于制造業(yè)，工件的表面的測量和檢查具有很高的重要性。各種各樣的手段為此目的而存在，這些手段從接觸方法延伸直到光學(xué)傳感器。在高精度光學(xué)方法的領(lǐng)域中，特別是與坐標(biāo)測量裝置的使用結(jié)合的干涉測量原理扮演著越來越重要的角色。

一個可能性是使用白光干涉測量法來進行高精度測量。在這種情況下，利用是掃描，即，通過調(diào)節(jié)干涉儀，因此緩慢地或具有光譜分辨檢測，通常限于幾毫米的測量范圍。使用這樣的裝置的領(lǐng)域因此是受限的，特別是具有堅固結(jié)構(gòu)的表面和對應(yīng)變化的測量距離的工件不能被測量或者僅能在嚴(yán)格的限制下，例如，長行程時間下被測量。

其它方法使用頻率調(diào)制激光束作為用于干涉測量裝置的測量輻射。因此，例如，從WO2009/036861A1已知一種手段，其中在用于測量表面的方法中，產(chǎn)生頻率調(diào)制激光束并且將其發(fā)射到待測量的表面上。在從作為目標(biāo)的表面背向散射的測量輻射接收之后，通過干涉測量法確定距離，其中，使用具有部分共用束路徑的測量干涉儀臂和參考干涉儀臂。在距離測量的情況下與基本上垂直入射在表面上的測量輻射的偏差通過算法被考慮進來或者通過控制測量輻射的發(fā)射在掃描引導(dǎo)期間被避免或減小。

測量干涉儀臂和參考干涉儀臂的部分共用束路徑在這種情況下由光學(xué)測量頭內(nèi)的反射劃界，因此限定了參考干涉儀。這種所謂的共用路徑構(gòu)造允許本地振蕩器平面布置在測量頭光學(xué)元件內(nèi)，例如，也布置在光學(xué)出射表面上，并且因此靠近目標(biāo)。該構(gòu)造的優(yōu)點在于環(huán)境影響，例如，溫度變化或振動以相同的方式作用在兩個干涉儀臂上，使得所產(chǎn)生的信號在這一點上受到相同的影響。然而，該構(gòu)造的一個缺點在于需要長的相干長度，如果要在操作范圍內(nèi)確保足夠的信號強度的話。

與此相反，在白光干涉測量法的領(lǐng)域中使用了具有可調(diào)延遲的外部干涉儀臂。然而，對于醫(yī)療技術(shù)的公共應(yīng)用領(lǐng)域還提供了其它邊界條件。因此，待掃描或測量的這些結(jié)構(gòu)在類型方面從根本上是不同的并且較少關(guān)于距離而構(gòu)成。另外，絕對距離信息不是必須的并且典型地測量所需要的時標(biāo)少于在測量工業(yè)布局的情況下的時標(biāo)。由于待測量的表面，這里需要較長的測量時長，并且由于待測量的幾何形狀，更大的測量范圍通常也是必需的。例如，在US?2004/061865,US?2008/117436,或DE?198?19?762中發(fā)現(xiàn)了該現(xiàn)有技術(shù)的方案，這些發(fā)明描述了白光干涉儀，該白光干涉儀不具有用于產(chǎn)生頻率調(diào)制激光輻射的可調(diào)諧激光源。在US?4627731中，進入兩個具有不同頻率的調(diào)制器的路徑中的測量干涉儀的光信號上游的劃分被用來產(chǎn)生外差頻率。這種所謂的調(diào)制干涉儀還需要精確相等的路徑長度。

然而，在利用頻率調(diào)制激光輻射的干涉測量裝置的情況下，測量范圍由其相關(guān)長度劃界，致使應(yīng)用領(lǐng)域受到限制，并且需要在控制側(cè)相應(yīng)的開銷以能夠完全且在很短時間內(nèi)掃描和測量測量對象。

一個問題在于分別提供用于測量表面或用于檢測表面形貌的改進的測量方法或測量裝置。

另一問題在于分別提供克服因相干長度存在限制并且因此增大可測量的距離范圍的這樣的測量方法或測量裝置。

這些問題分別通過權(quán)利要求1、8或15或者從屬權(quán)利要求的主題來解決或者方案通過這些權(quán)利要求來改進。

本發(fā)明利用具有頻率調(diào)制的，即，可調(diào)諧激光源和對應(yīng)的測量構(gòu)造的干涉測量原理，如例如已在WO2009/036861A1中描述的。

根據(jù)本發(fā)明，除用于距離測量的正常輻射場以外，還提供了延遲副本，該延遲副本的延遲基本上對應(yīng)于測量輻射到達目標(biāo)并再次返回的實際行進時間，使得減小了有效距離。借助該手段，整個測量裝置的工作點在朝著目標(biāo)的方向上偏移，使得可測量的最大距離被擴大并且因相干長度而存在的限制被克服。由延遲引起的光程差對應(yīng)于在這種情況下對應(yīng)于預(yù)定距離范圍內(nèi)的距離加上或減去激光的相干長度所得的光程差。具體地，延遲的光程差至多對應(yīng)于與到待測量表面的距離相對應(yīng)的光程差，并且至少對應(yīng)于與到待測量表面的距離相對應(yīng)的光程差減去激光的相干長度，或者至少對應(yīng)于與到待測量表面的距離相對應(yīng)的光程差，并且至多對應(yīng)于與到待測量表面的距離相對應(yīng)的光程差加上激光的相干長度。