[發明專利]用于高度和厚度的非接觸式測量的集成光學器件

有效

• 申請號: 201480084629.7
• 申請日: 2014-12-09
• 公開（公告）號: CN107209356B
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發明（設計）人: 大衛·瑞奧倫;大衛·馬薩特
• 申請（專利權）人: 阿森提斯股份有限公司
• 主分類號: G02B21/00
• 分類號: G02B21/00;G01B11/06
• 代理公司: 北京商專永信知識產權代理事務所(普通合伙) 11400
• 代理人: 方挺;黃謙

本發明涉及一種用于非接觸式光斑測量或高度和/或厚度的多點測量的光學器件。所述測量器件基于色散共焦顯微鏡的原理。所述原理基于具有軸向色差的光學組件，以便對位于所述測量器件的測量場中的物體的高度和/或厚度信息進行編碼。所述光學系統也被錨定在共焦結構中，以利用共焦結構的固有特性。所述信息的解碼是通過檢測系統來進行的，該檢測系統能夠辨別完美聚焦在物體的(一個或多個)表面上的(一個或多個)波長，從而收集有用的信息。在本發明中，可以同時或連續地測量多個點。本發明的目的是完全或部分地消除對目前的色散共焦測量儀器中發現的光纜的需求。本發明因此克服了在測量儀器經受強烈加速和/或旋轉運動時受到損壞的光纜的存在導致的在工業環境中集成測量儀器的限制。免除光纜可以提高測量儀器的魯棒性和緊湊性，也有助于其在諸如三維坐標測量機(MMT)等機動運動系統中的集成和使用。

本發明涉及一種用于測量物體的單個點的非接觸式光學測量的單點測量裝置或專用于測量高度和/或厚度的多點測量裝置。該測量裝置基于色散共焦顯微鏡的原理，因此具有與受控的軸向色差相關的光學系統的共焦性質相關的性質。

共焦光學系統需要具有單點照明系統。源點的圖像聚焦在待測量的物體上，經過物體反射或反向散射的光線反過來在位于光電探測器上游的共焦隔板(空間濾波器)上成像。源點、物體和隔板是共焦的。關于全視野顯微鏡，共焦系統使得軸向和橫向的選擇性增加。來自位于共焦面外部的平面的光線以及來自光軸外的點的光線通過共焦隔板過濾，因此提高了光學系統的信噪比和橫向分辨率。

軸向色差的受控為共焦光學系統提供了光源的光譜沿光軸的色散。該受控光學像差能夠根據波長對高度或厚度進行編碼。該信息的解碼是通過能夠分析經過物體反向散射的光譜波長的系統進行的。

這兩個原理組合成共享結構能夠觀察和測量包括在測量儀器的測量體積(volume)中的空間內的一系列點，而不受相鄰點干擾。測量體積由被照明的橫向場(橫向場由一系列被照明的點限定)限定，沿光軸展開并受限于光學系統的軸向色差內部。這種類型的測量設備能夠特別是在軸向和橫向分辨率方面獲得非常好的表現。

為了執行其功能，這些測量儀器包括：

-復色源，

-具有受控軸向色差的光學系統，

-諸如光譜儀等光譜分析系統，

-用于處理信號、計算和數據傳輸的裝置。

參考專利[1]描述的發明涉及根據現有技術的基于色散共焦顯微鏡術的原理的方法及測量儀器。上述設備使用復色源、全息或衍射透鏡(例如菲涅爾透鏡)以生成軸向色差，并且使用光譜分析儀器以確定與完美聚焦到物體上的波長對應的最高能量波長。該實施例能夠將物體相對于位于待測量物體上游的參考表面進行定位。所述測量儀器是單點的。本專利發明作為色散共焦測量系統的參考，并且現有技術中的測量儀器都具有至少一個與耦合器(例如分束器立方體)關聯的光纖或光纖耦合器，無論是對于設置有橫向場的色散共焦測量儀器還是對于在三維測量工業中廣泛應用的測量物體的單個點的單點測量儀器的特定情況。現在將審閱專利[2]、[3]和[4]。

參考專利[2]描述的發明涉及根據現有技術的設置有橫向場的色散共焦測量儀器。

圖1示出了根據現有技術[參照參考文獻2]的設置有橫向場的色散共焦測量儀器，使得橫向場表現為直線。該測量儀器的其他實施例以獲得例如具有矩形場的方式存在，但是本文中未示出這些實施例。圖1示出了根據現有技術的色散共焦測量設備，該測量設備由通過光纜300連接的光電盒100和測量頭200組成。

光電盒100由復色光源10、光譜分析設備20、用于處理信號、計算、數據傳輸、控制和配置測量儀器的計算機和電子裝置30以及供電模塊40組成。設置有橫向場的該色散共焦測量儀器能夠測量位于該儀器的測量體積500中的具有待測量表面的物體400。