用于高度和厚度的非接触式测量的集成光学器件制造技术

本发明专利技术涉及一种用于非接触式光斑测量或高度和/或厚度的多点测量的光学器件。所述测量器件基于色散共焦显微镜的原理。所述原理基于具有轴向色差的光学组件，以便对位于所述测量器件的测量场中的物体的高度和/或厚度信息进行编码。所述光学系统也被锚定在共焦结构中，以利用共焦结构的固有特性。所述信息的解码是通过检测系统来进行的，该检测系统能够辨别完美聚焦在物体的(一个或多个)表面上的(一个或多个)波长，从而收集有用的信息。在本发明专利技术中，可以同时或连续地测量多个点。本发明专利技术的目的是完全或部分地消除对目前的色散共焦测量仪器中发现的光缆的需求。本发明专利技术因此克服了在测量仪器经受强烈加速和/或旋转运动时受到损坏的光缆的存在导致的在工业环境中集成测量仪器的限制。免除光缆可以提高测量仪器的鲁棒性和紧凑性，也有助于其在诸如三维坐标测量机(MMT)等机动运动系统中的集成和使用。

Integrated optical device for non-contact measurement of height and thickness

The invention relates to an optical device for non-contact spot measurement or multi-point measurement of height and / or thickness. The measuring device is based on the principle of dispersive confocal microscopy. The principle is based on an optical component having axial chromatic aberration so as to encode the height and / or thickness information of the object in the measurement field located in the measuring device. The optical system is also anchored in the confocal structure to utilize the inherent characteristics of the confocal structure. The decoding of the information is carried out by a detection system capable of identifying one or more wavelengths that are perfectly focused on one (or more) surfaces of an object, thereby collecting useful information. In the present invention, multiple points can be measured simultaneously or in a continuous manner. The object of the present invention is to eliminate, in whole or in part, the need for optical fiber cables found in current dispersive confocal measuring instruments. The invention thus overcomes the limitation of integrated measuring instruments in an industrial environment resulting from the presence of an optical cable damaged by a measuring instrument subjected to a strong acceleration and / or rotational motion. Fiber optic cables can improve the robustness and compactness of measuring instruments, and also help to integrate and use them in mobile motion systems, such as three-dimensional coordinate measuring machines (MMT).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及一种用于测量物体的单个点的非接触式光学测量的单点测量装置或专用于测量高度和/或厚度的多点测量装置。该测量装置基于色散共焦显微镜的原理，因此具有与受控的轴向色差相关的光学系统的共焦性质相关的性质。共焦光学系统需要具有单点照明系统。源点的图像聚焦在待测量的物体上，经过物体反射或反向散射的光线反过来在位于光电探测器上游的共焦隔板(空间滤波器)上成像。源点、物体和隔板是共焦的。关于全视野显微镜，共焦系统使得轴向和横向的选择性增加。来自位于共焦面外部的平面的光线以及来自光轴外的点的光线通过共焦隔板过滤，因此提高了光学系统的信噪比和横向分辨率。轴向色差的受控为共焦光学系统提供了光源的光谱沿光轴的色散。该受控光学像差能够根据波长对高度或厚度进行编码。该信息的解码是通过能够分析经过物体反向散射的光谱波长的系统进行的。这两个原理组合成共享结构能够观察和测量包括在测量仪器的测量体积(volume)中的空间内的一系列点，而不受相邻点干扰。测量体积由被照明的横向场(横向场由一系列被照明的点限定)限定，沿光轴展开并受限于光学系统的轴向色差内部。这种类型的测量设备能够特别是在轴向和横向分辨率方面获得非常好的表现。为了执行其功能，这些测量仪器包括：-复色源，-具有受控轴向色差的光学系统，-诸如光谱仪等光谱分析系统，-用于处理信号、计算和数据传输的装置。参考专利[1]描述的专利技术涉及根据现有技术的基于色散共焦显微镜术的原理的方法及测量仪器。上述设备使用复色源、全息或衍射透镜(例如菲涅尔透镜)以生成轴向色差，并且使用光谱分析仪器以确定与完美聚焦到物体上的波长对应的最高能量波长。该实施例能够将物体相对于位于待测量物体上游的参考表面进行定位。所述测量仪器是单点的。本专利专利技术作为色散共焦测量系统的参考，并且现有技术中的测量仪器都具有至少一个与耦合器(例如分束器立方体)关联的光纤或光纤耦合器，无论是对于设置有横向场的色散共焦测量仪器还是对于在三维测量工业中广泛应用的测量物体的单个点的单点测量仪器的特定情况。现在将审阅专利[2]、[3]和[4]。参考专利[2]描述的专利技术涉及根据现有技术的设置有横向场的色散共焦测量仪器。图1示出了根据现有技术[参照参考文献2]的设置有横向场的色散共焦测量仪器，使得横向场表现为直线。该测量仪器的其他实施例以获得例如具有矩形场的方式存在，但是本文中未示出这些实施例。图1示出了根据现有技术的色散共焦测量设备，该测量设备由通过光缆300连接的光电盒100和测量头200组成。光电盒100由复色光源10、光谱分析设备20、用于处理信号、计算、数据传输、控制和配置测量仪器的计算机和电子装置30以及供电模块40组成。设置有横向场的该色散共焦测量仪器能够测量位于该仪器的测量体积500中的具有待测量表面的物体400。测量头200由一组具有受控轴向色差的光学透镜50组成。这一组光学透镜50能够分为两个子组：准直器51和色差透镜52。准直器51于是完全不存在轴向色差，该准直器的作用是将从光缆300的端部73发出的光束准直以及管理光学透镜组50的放大率，从而管理物体400上的光斑的尺寸。色差透镜52是能够获得所需色差的一组透镜。该色差也可以通过使用诸如菲涅尔透镜等衍射透镜来生成[参见参考文献1和4]。测量头200还包括分束器平行六面体60，该分束器平行六面体的作用是将来自光缆300的端部73的光束引向光学透镜组50直到物体400，并将经过物体400反向散射并从光学透镜组50发出的光束引向光缆300的端部74。该组合/分离组件在图1中由分束器平行六面体60示出，但也可以是一组光纤耦合器的耦合区域。在组合/分离组件是分束器平行六面体60的情况下，光缆300由分成N/2条照明光纤71以及N/2条返回光纤72的N条光纤70(N是正偶数)组成，该N/2条照明光纤的作用是将来自复色源10的光导向至测量头200，该N/2条返回光纤允许来自测量头200的光被导向至光谱分析装置20。在测量头200附近的光纤71和72各自的端部73和74与物体400的表面光学共轭(conjugué)。位于在光电盒100附近的光纤71和72各自的端部75和76分别位于面向复色源10和光谱分析装置20的输入处的位置。设置有横向场的色散共焦测量仪器的原理如下：复色源10发射由一组N/2条照明光纤71引导到测量头200的辐射。照明光纤71的N/2个端部73以限定横向测量场(例如线、圆盘或矩形)的方式在空间上被组织。由N/2条照明光纤71中的每条光纤发射的光线传播到设置有横向场和轴向色差的测量头200中。因此，属于复色源10的光谱的波长沿光轴传播。场的每个点生成连续的波长，从而在物体400的空间中生成测量体积500。在场的每个点中，一个波长完美地聚焦在物体400上，条件是物体400的待测量表面积小于测量体积500。横向场的每个点中完美聚焦的每个波长经过物体400反向散射。经过反向散射的光以相反的方向在测量头中传播，然后通过组合/分离组件60，并聚焦在N/2条返回光纤72的N/2个端部74上。N/2个端部74与N/2个端部73共轭，因此端部73和74具有完全相同的空间组织(线形、圆盘形、矩形等)。N/2条返回光纤72将在横向场的每个点被完美聚焦在物体400上的每个波长朝向光谱分析装置20的输入端引导。光谱分析装置20——例如光栅光谱仪——设置有光电探测器21，该光电探测器能够使对应于N/2个测量点的N/2个光谱形成待可视化的横向场。每个光谱都示出了对应于在场的每个点完美地聚焦在物体400上的波长的强度顶点。计算机和电子装置30能够处理每个光谱，确定N/2个顶点的位置，计算N/2个等效高度，并通过数据传输线缆32同时传输数据到计算机600。因此对分布在横向场中的N/2个高度的测量是同时进行的。在参考专利[2]描述的另一实施例中，也可以将测量头200中的扫描镜放置在准直器51和色差透镜52之间，以便连续地测量一组点。参考专利[3]描述的专利技术涉及根据现有技术的线型色散共焦测量仪器。具有横向场的这种类型的色散共焦测量仪器还有其它实施例[参照参考文献3]。专利文献[3]中描述的实施例与上一个类似，该实施例指出也可以引入能够通过电子装置进行顺序切换以用于周期性调制的微镜矩阵(matrice)或液晶矩阵。位于照明线缆71和测量头200之间或者位于复色源10和照明线缆71之间的该矩阵能够使得按顺序照射属于横向场的点。该专利对前一篇[参照参考文献2]的贡献在于可以连续照射同一条线的相邻点，这在参考专利[2]的环境中是不可能的。专利申请[参照参考文献4]涉及允许放置在测量体积500中的待测量物体400的表面移动的单点色散共焦测量装置。由所述专利申请描述的装置使用的是复色源10(更具体地是白光LED)、在其光轴方向上引入色差的衍射透镜52、称为“物镜”的透镜(相当于参考文献[2]中描述的准直器51，其位于比衍射透镜52更靠近物体400的位置)。通过将物镜放置在物体400和衍射透镜52之间，“物镜”51的作用是保持测量仪器的精度而不考虑物体400的表面在仪器的测量体积500中的轴向位置。所述专利申请的作者根据被称为“物镜”51的透镜的位置来比较本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于测量高度的色散共焦测量仪器，其特征在于：‑同时测量物体400的多个不同点，‑所述测量仪器的测量体积在光轴的方向上由所述测量仪器的轴向色差限定，并且在垂直于所述光轴的平面中由所述测量仪器的包括多个图像点的图像横向场12限定，‑只有多条供电线缆42和多条数据传输线缆32连接到所述测量仪器，‑测量头200包含形成所述测量仪器的所有元件；所述测量仪器包括：·所述测量头200，包括：‑一个或多个复色源10，所述复色源10能够在自由场条件下直接生成多个源点，或者通过在照明光纤组71内的传播生成所述多个源点；‑用于组合/分离光束的组件60，‑透镜组50，所述透镜组形成能够接受由所述多个源点限定的物体横向场11的色散光学系统，并且所述透镜组中的至少一个透镜具有延伸的轴向色差，在所述物体400的空间中形成所述图像横向场12，所述图像横向场的轴向位置取决于波长；‑与光电探测器21相关联的光谱分析装置20，所述光谱分析装置20用于对与形成所述图像横向场12的所述多个点对应的多个光谱成像；‑位于所述透镜组50的共轭图像平面13中的多个空间滤波器，所述多个空间滤波器组织的方式与位于所述物体横向场11中的所述多个源点基本相同，所述多个空间滤波器能够通过位于所述用于组合/分离光束的组件60和所述光谱分析装置20之间的多条返回光纤72的各个端部74实现，或者在自由场条件下所述用于组合/分离光束的组件60和所述光谱分析装置20之间发生传播时，通过孔矩阵实现，与所述多个源点共轭的所述多个空间滤波器使所述测量仪器具有共焦性质；‑用于处理信号、计算、数据传输、控制和配置所述测量仪器的计算机和电子装置30，所述计算机和电子装置包括位于所述测量头中的信号采集模块，并且信号处理方式是远程处理。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于测量高度的色散共焦测量仪器，其特征在于：-同时测量物体400的多个不同点，-所述测量仪器的测量体积在光轴的方向上由所述测量仪器的轴向色差限定，并且在垂直于所述光轴的平面中由所述测量仪器的包括多个图像点的图像横向场12限定，-只有多条供电线缆42和多条数据传输线缆32连接到所述测量仪器，-测量头200包含形成所述测量仪器的所有元件；所述测量仪器包括：·所述测量头200，包括：-一个或多个复色源10，所述复色源10能够在自由场条件下直接生成多个源点，或者通过在照明光纤组71内的传播生成所述多个源点；-用于组合/分离光束的组件60，-透镜组50，所述透镜组形成能够接受由所述多个源点限定的物体横向场11的色散光学系统，并且所述透镜组中的至少一个透镜具有延伸的轴向色差，在所述物体400的空间中形成所述图像横向场12，所述图像横向场的轴向位置取决于波长；-与光电探测器21相关联的光谱分析装置20，所述光谱分析装置20用于对与形成所述图像横向场12的所述多个点对应的多个光谱成像；-位于所述透镜组50的共轭图像平面13中的多个空间滤波器，所述多个空间滤波器组织的方式与位于所述物体横向场11中的所述多个源点基本相同，所述多个空间滤波器能够通过位于所述用于组合/分离光束的组件60和所述光谱分析装置20之间的多条返回光纤72的各个端部74实现，或者在自由场条件下所述用于组合/分离光束的组件60和所述光谱分析装置20之间发生传播时，通过孔矩阵实现，与所述多个源点共轭的所述多个空间滤波器使所述测量仪器具有共焦性质；-用于处理信号、计算、数据传输、控制和配置所述测量仪器的计算机和电子装置30，所述计算机和电子装置包括位于所述测量头中的信号采集模块，并且信号处理方式是远程处理。2.用于测量高度的色散共焦测量仪器，其特征在于：-同时测量物体400的多个不同点，-所述测量仪器的测量体积在光轴的方向上由所述测量仪器的轴向色差限定，并且在垂直于所述光轴的平面中由所述测量仪器的包括多个图像点的图像横向场12限定，-包括多条光纤的光缆300连接到测量头200和光电盒100，-供电线缆42连接到所述测量头200，-数据传输线缆32连接到所述光电盒100，所述测量仪器包括：·所述测量头200，包括：-一个或多个复色源10，所述复色源10能够在自由场条件下直接生成多个源点，或者通过在照明光纤组71内的传播生成所述多个源点；-用于组合/分离光束的组件60，-透镜组50，所述透镜组形成能够接受由所述多个源点限定的物体横向场11的色散光学系统，并且所述透镜组中的至少一个透镜具有延伸的轴向色差，在所述物体400的空间中形成所述图像横向场12，所述图像横向场的轴向位置取决于波长；-位于所述透镜组50的共轭图像平面13中的多个空间滤波器，所述多个空间滤波器组织的方式与位于所述物体横向场11中的所述多个源点基本相同，所述多个空间滤波器能够通过位于所述用于组合/分离光束的组件60和光谱分析装置20之间的多条返回光纤72的各个端部74实现，或者在自由场条件下所述用于组合/分离光束的组件60和所述光谱分析装置20之间发生传播时，通过孔矩阵实现，与所述多个源点共轭的所述多个空间滤波器使所述测量仪器具有共焦性质；·所述光电盒100，包括：-与光电探测器21相关联的所述光谱分析装置20，所述光谱分析装置20用于对与形成所述图像横向场12的所述多个点对应的多个光谱成像；-用于处理信号、计算、数据传输、控制和配置所述测量仪器的计算机和电子装置30，所述计算机和电子装置包括位于所述测量头中的信号采集模块，并且信号处理方式是远程处理；·连接所述测量头200和所述光电盒100的所述光缆300。3.用于测量高度的色散共焦测量仪器，其特征在于：-同时测量物体400的多个不同点，-所述测量仪器的测量体积在光轴的方向上由所述测量仪器的轴向色差限定，并且在垂直于所述光轴的平面中由所述测量仪器的包括多个图像点的图像横向场12限定，-包括多条光纤的光缆300...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·瑞奥伦，大卫·马萨特，
申请(专利权)人：阿森提斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR