[發(fā)明專利]用于無接觸測(cè)量距一表面的距離或兩個(gè)表面之間的距離的方法和設(shè)備

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201880062730.0
• 申請(qǐng)日: 2018-09-20
• 公開（公告）號(hào): CN111373301B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 克里斯托夫·迪茨
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 普萊斯泰克光電子有限公司
• 主分類號(hào): G01B11/00
• 分類號(hào): G01B11/00;G01B11/06;G01B11/14;G01B11/24;G01B11/30;G01B9/02;G01J3/02;G02B21/00
• 代理公司: 北京柏杉松知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11413
• 代理人: 謝攀;劉繼富

一種用于無接觸地測(cè)量距一表面(19)的距離或兩個(gè)表面之間的距離的測(cè)量設(shè)備包括產(chǎn)生多色測(cè)量光(12)的測(cè)量光源(11)和將由測(cè)量光源(11)產(chǎn)生的測(cè)量光(12)定向到測(cè)量物體(18)上且接收由其反射的測(cè)量光(12')的光學(xué)測(cè)量頭(16)。具有色散光學(xué)元件(22)和檢測(cè)器(24)的攝譜儀(20)對(duì)反射的測(cè)量光(12')進(jìn)行光譜分析。校準(zhǔn)光源(30)產(chǎn)生具有已知且與溫度無關(guān)的光譜成分的校準(zhǔn)光(32)。評(píng)估裝置(28)根據(jù)光譜的變化推導(dǎo)出校正值，借助所述校正值修改一方面光敏單元(26)和另一方面波長(zhǎng)或根據(jù)波長(zhǎng)推導(dǎo)出的變量之間的預(yù)設(shè)的關(guān)聯(lián)，其中所述光譜由檢測(cè)器(24)的光敏單元(26)上的校準(zhǔn)光(32)產(chǎn)生。

發(fā)明背景

1.技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于無接觸地測(cè)量距一表面的距離或兩個(gè)表面之間的距離的測(cè)量設(shè)備以及方法，其中將多色測(cè)量光定向到測(cè)量物體上并且對(duì)從測(cè)量物體反射的測(cè)量光進(jìn)行光譜分析。本發(fā)明尤其涉及減小因熱效應(yīng)引起的測(cè)量精度損害的問題。

2.現(xiàn)有技術(shù)

在測(cè)量技術(shù)中，經(jīng)常出現(xiàn)測(cè)量參考點(diǎn)和固體或液體的測(cè)量物體的表面之間的距離的問題。根據(jù)測(cè)量任務(wù)，僅在表面上的一個(gè)或幾個(gè)點(diǎn)處或在大量緊密間隔開的點(diǎn)處測(cè)量距離。在后一種情況下，可以根據(jù)距離測(cè)量值推導(dǎo)出測(cè)量物體表面的典型的一維或二維高度輪廓。以這種方式，例如能夠證實(shí)精確加工的表面中的不平坦性，或者能夠確定粗糙度值。在這種測(cè)量中絕對(duì)測(cè)量距離通常并不重要，而僅僅是以高的精度檢測(cè)檢測(cè)相對(duì)距離變化。

應(yīng)當(dāng)測(cè)量表面之間的距離，并且尤其測(cè)量光學(xué)透明層的厚度時(shí)同樣適用。在這種情況下，也不需要距參考點(diǎn)的絕對(duì)距離，因?yàn)閷雍穸葟慕缍▽拥谋砻娴木嚯x值的差中得出。在本文中，不僅將由被固體承載或固定在固體處的材料制成的層片稱作為層，而且也將不需要支撐的相對(duì)薄的固體結(jié)構(gòu)稱作為層。對(duì)此的示例是由玻璃或半導(dǎo)體材料制成的盤，或瓶或類似物體的壁部。

除了電容式或其他電測(cè)量原理之外，主要將光學(xué)測(cè)量原理用于無接觸測(cè)量距離，因?yàn)橛纱四軌驅(qū)崿F(xiàn)特別高的測(cè)量精度。在這些光學(xué)測(cè)量原理之一中，借助于光學(xué)測(cè)量頭將多色測(cè)量光定向到測(cè)量物體上。從測(cè)量物體表面反射的測(cè)量光由測(cè)量頭接收并且輸送給攝譜儀，所述攝譜儀對(duì)反射的測(cè)量光進(jìn)行光譜分析。根據(jù)測(cè)量光的光譜成分能夠推斷出距測(cè)量物體表面的距離。由于兩種不同折射率介質(zhì)之間的每個(gè)光學(xué)邊界面反射一部分入射光，因此也能夠以該方式確定距多個(gè)表面的距離，所述多個(gè)表面在測(cè)量光的傳播方向上依次設(shè)置。對(duì)此的條件僅僅是測(cè)量光穿過的光學(xué)介質(zhì)對(duì)于所使用的測(cè)量光是足夠透明的。

在利用這種測(cè)量原理的第一類型的測(cè)量設(shè)備中，使用了彩色共焦測(cè)量的概念。這種類型的測(cè)量設(shè)備具有測(cè)量頭，所述測(cè)量頭包含未校正色度的將測(cè)量光聚焦到測(cè)量物體表面上的光學(xué)裝置。由于光學(xué)裝置的彩色縱向色差，將測(cè)量管的光譜分量聚焦在不同的焦平面中，其中所述光學(xué)裝置能夠包含由具有強(qiáng)色散的玻璃構(gòu)成的透鏡和/或衍射光學(xué)元件。共焦設(shè)置的光圈確保只有測(cè)量光的其焦平面精確處于測(cè)量物體表面上的光譜分量到達(dá)攝譜儀，并能夠在那里進(jìn)行光譜分析。攝譜儀包括光柵或另一種色散光學(xué)元件以及具有多個(gè)光敏單元的檢測(cè)器。因?yàn)閷⒎浅Ｕ牟ㄩL(zhǎng)范圍與每個(gè)光敏單元相關(guān)聯(lián)，所以能夠?qū)⒕嚯x值直接與檢測(cè)器的各個(gè)單元相關(guān)聯(lián)。如DE 10 2004 049 541 A1中所描述的那樣，能夠經(jīng)由校準(zhǔn)來確定距離值和單元之間的關(guān)聯(lián)。

光學(xué)干涉的概念在同樣對(duì)從測(cè)量物體表面反射的測(cè)量光進(jìn)行光譜分析的另一類型測(cè)量設(shè)備中使用。從測(cè)量物體反射的測(cè)量光與參考臂中反射的測(cè)量光發(fā)生干涉。反射的測(cè)量光通過干涉進(jìn)行光譜調(diào)制，其中所尋求的距離值能夠根據(jù)調(diào)制頻率推導(dǎo)出。為此目的，在攝譜儀中對(duì)由測(cè)量物體反射并與在基準(zhǔn)臂中反射的測(cè)量光發(fā)生干涉的測(cè)量光進(jìn)行光譜檢測(cè)，并進(jìn)行傅立葉逆變換。

為了保證質(zhì)量，通常在生產(chǎn)環(huán)境中使用上述兩種類型的光學(xué)測(cè)量設(shè)備。但是，在生產(chǎn)環(huán)境中，環(huán)境溫度會(huì)大幅波動(dòng)。因此，通常規(guī)定測(cè)量設(shè)備能在+5℃至+60℃的溫度范圍運(yùn)行。