光学独立点测量制造技术

本发明专利技术涉及光学独立点测量。用于对物体上的待测点(10)的距离测量方法包括执行测量过程，包括发射测量射线，其中，当测量射线的光学测量轴与待测点(10)对准时，在物体上由射线的光束截面限定光学测量点区域(11)，特别是通过与测量射线的高斯射线分别标准差σ最大10倍对应，特别是最大8倍对应的截面限定，并接收物体反射的测量射线，并根据接收的测量过程的测量射线确定到物体上点(10)的距离。就测量过程而言，这包括对于测量射线的发送和接收至少执行一次测量方向的变换作为测量射线的发射方向，每次执行测量方向的变换，使得物体上光束截面限定的各个面心都位于测量点区域(11)内。

【技术实现步骤摘要】
光学独立点测量
本专利技术涉及一种点距离测量方法，用于确定距离的测量设备，以及一种计算机程序产品。
技术介绍
确定到测量点的距离形成测量任务多样性以及相应的测量设备的基础。光学距离测量特别用于例如勘测(大地测量学)中或者工业工件检查或测量中的测量设备。例如这包括确定地体或者监测工件上的点坐标。这些方法学的优点特别包括由于较大测量范围带来的较宽应用领域，以及相对较高的测量精度，这可以通过例如干涉仪距离测量提供。对于测量目标点，自古代起就有很多大地勘测设备。这种情况下，所测量的从测量设备到目标点的方向或者角度以及通常还有的距离会被记录下来，并且特别是测量设备连同可能出现的参考点的绝对位置作为空间标准数据。通常已知的这种大地勘测设备包括经纬仪，视距仪，全测站以及激光扫描仪，都体现在陆地和空间变体中。例如现有技术中的一种大地测量设备在公开文献EP1686350中进行了说明。该设备具备基于电传感器的角度和距离测量功能，允许相对选定目标来确定方向和距离。这种情况下，在设备的内部参考系统内确定角度和距离变量，并且如果适当的话，还会与外部参考系统组合以确定绝对位置。目前全测站具有用于数字深加工和检测测量数据存储的微处理器。通常该设备具有紧凑集成设计，其中同轴距离测量元件以及计算器，控制和存储单元通常会位于该设备中。根据应用的不同，全测站额外还配备机械化对准或瞄准设备，并且在使用后向反射器(例如全面棱镜)作为目标物的情况下，具有用于自动目标搜索和追踪的装置。作为人机界面，全测站具有电子显示控制单元，通常是具有电子数据存储装置的微处理器计算单元，具有显示和输入装置，例如键盘。以基于电子传感器模式检测到的测量数据馈送到显示控制单元，这样可以确定目标点的位置，并且由显示控制单元进行光学显示和存储。使用光学距离测量，使得这种情况下可以在至相对较远处的测量点的较大的距离上以精确的方式确定距离。另外，在很多工业技术和应用领域，还存在一种采用较高精度测量物体表面以及物体自身的需求。这特别是应用于制造业，其中工件的表面测量和检查尤为重要，特别是还用于质量控制目的。坐标测量机通常用于这些用途，所述坐标测量机通常能够以微米级精度精确测量物体表面的几何形貌。待测量的物体可以例如是气缸体，传动装置以及工具。已知的坐标测量机通过产生机械接触并且扫描表面来测量表面。其实例为架台测量机，例如在DE4325337或者DE4325347中所描述的。一种不同的系统基于关节杆的使用，其中测量传感器布置在多节杆的端部处并且可以沿着表面移动。一般的关节杆例如为在US5402582或者EP1474650中所述的。另外，同时习惯上在坐标测量机中使用光学测量传感器。用于该目的的光学传感器基于例如入射到物体表面进行干涉测量的激光(EP2037214)。基于白光干涉仪的方法(DE102005061464)以及多彩共焦法(FR2738343)也是已知的。用于坐标测量机的光学传感器和测量方法与一系列优点相关：无接触地执行测量，并且与触觉传感器相比光学传感器可以更快通过物体表面，“测量端”的物理尺寸更小，因此可以使测量结果具有更高的横向分辨率。然而，当不利的环境影响出现的时候，例如，当测量设备上有振动，或者表面很难测量时，所提到的光学测量方法在距离确定方面具有的缺点是精度有限，不利的环境影响例如会引起测量幅射的大量散射或者具有关于所选择的辐射特性的不利的粗糙度。这种情况下，所谓的“散斑效应”会发生，这在很大程度上导致测量值的不确定度，并且因此对于限定的点而言各个记录的测量值会出现巨大的波动。更具体地，在对表面上的独立点测量过程中，借助光学传感器手段(例如，采用坐标测量机)进行的表面几何形状检测会承受由于所发出或者检测到的射线的相干而引起的测量值的不确定，所述表面具有在测量射线的光学波长范围内的粗糙度。在使用窄带光源，例如激光的情况下，线宽预先确定了射线的相干，并且在以所谓的“散斑”测量过程中干涉测量值是很明显的，这导致检测到的幅值和相位的调制。尽管某些方法，例如在相确定阶段考虑幅值权重，使得散斑影响得以降低，但是不会全部消除(参见B.Wiesner等的“通过统计无关散斑模式对粗燥表面进行白光干涉测量的改进方法”(Improvedwhite-lightinterferometryonroughsurfacesbystatisticallyindependentspecklepatterns)，应用光学，第51期，751-757页，2012年以及EP2037214A1)。在这些方法中，残余不确定度在测量目标的粗糙度范围内(参见以及JanSoubusta的“粗糙表面上白光干涉测量不确定度的理论测量”(TheoreticalMeasurementUncertaintyofWhite-LightInterferometryonRoughSurfaces)，应用光学，第42期，1809-1813页，2003年)。非相位评估方法例如多彩共焦方法学也存在散斑引起的不确定度，这种情况下不确定度的出现不是由于光源的相干而是由于测量方法的光谱滤波。结果，仅所使用的测量射线的窄带范围被有效利用，其与光源线宽的降低相对应，并且因此等于相干性的增加(D.Fleischle，W.Lyda，F.Mauch以及W.Osten的“UntersuchungzunZusammenhangvonspektralerAbtastungunderreichbarerMessunsicherheitbeiderchromatisch-konfokalenMikroskopieanrauenObjekten”[“粗燥物体上进行多彩共焦显微过程中光谱扫描与所获的测量不确定度之间关系的探究”]，发表在2010年DGAO期刊上)。考虑到散斑所引起的测量不确定度，在光谱分解的白光干涉法测量过程中也被称为傅立叶域光学相干断层扫描法(FD-OCT)，在光谱仪中对测量射线光以相应的散斑敏感度进行光谱分解(D.C.Adler，T.H.Ko以及J.G.Fujimoto的“使用空间自适应小波滤波器降低光学相干断层扫描法中的散斑”(Specklereductioninopticalcoherencetomographyimagesbyuseofaspatiallyadaptivewaveletfilter)，发表在2004年光学快报第29期，2878-2880页)。采用可变可调制的参考臂长，也被称为时域OCT的扫描白光干涉仪的精度同样也是与散斑有关的。这种情况下，发射宽度可以认为是一束独立的窄带波包，在等距臂长情况下其被引入到干涉。从而测量物体的粗糙度会导致干涉图的幅值和相位调制(A.Harasaki，J.C.Wyant的“白光纵向扫描干涉法中的条纹调制偏离效应”(Fringemodulationskewingeffectinwhite-lightverticalscanninginterferometry)，发表在2000年应用光学第39期，2101页)。这些方法中为人熟知的是粗糙表面上测量点记录过程中距离值的统计波动。因此，单个测量过程中会发生几个微米的形状以及尺寸误差，例如，在标定球体的微粗表面上。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对物体(25)上的待测点(10)进行距离测量的方法，该方法包括：●执行测量过程，该测量过程包括：■发射测量射线(30)，其中，当所述测量射线(30)的光学测量轴线与所述待测点(10)对准时，由所述射线的光束截面在所述物体(25)上限定出光学测量点区域(11)，特别是由与所述测量射线(30)的高斯射线分布的标准差σ的最大10倍，特别是最大8倍相对应的截面限定，以及■接收在所述物体(25)处反射的测量射线(30)，以及●根据所述测量过程的所接收的测量射线(30)来确定到所述物体(25)上的所述点(10)的距离，其特征在于，就所述测量过程而言，包括对于所述测量射线(30)的发送和接收，执行至少一次变换所述测量方向作为所述测量射线(30)的发射方向，其中每次执行所述测量方向的变换，使得在所述物体(25)上由所述光束截面限定的各个面心(20，20’)位于所述测量点区域(11)内。

【技术特征摘要】
2013.01.30 EP 13153315.01.一种用于对物体(25)上的待测点(10)进行距离测量的方法，该方法包括：a)执行测量过程，该测量过程包括：a1)发射测量射线(30)，其中，当所述测量射线(30)的光学测量轴线与所述待测点(10)对准时，由所述射线的光束截面在所述物体(25)上限定出光学测量点区域(11)，以及a2)接收在所述物体(25)处反射的测量射线(30)，以及b)根据所述测量过程的所接收的测量射线(30)来确定到所述物体(25)上的所述点(10)的距离，其特征在于，就所述测量过程而言，包括对于所述测量射线(30)的发送和接收，执行至少一次变换所述测量方向作为所述测量射线(30)的发射方向，其中每次执行所述测量方向的变换，使得在所述物体(25)上由所述光束截面限定的各个面心(20，20’)位于所述测量点区域(11)内。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学测量点区域(11)由与所述测量射线(30)的高斯射线分布的标准差σ的最大10倍相对应的截面限定。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学测量点区域(11)由与所述测量射线(30)的高斯射线分布的标准差σ的最大8倍相对应的截面限定。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，就所述测量过程而言，在所述物体(25)上由所述光束截面限定的所述面心(20，20’)布置成待扫描的测量路径(21)的形式。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，就所述测量过程而言，在所述物体(25)上由所述光束截面限定的所述面心(20，20’)以环形形式布置或者以两条相交直线(22a，22b)的形式或者以随机模式布置。6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，所述光学测量点区域(11)由如下区域限定：该区域的边界根据距光束中心的距离而延伸，在所述区域的边界处所述测量射线的强度是最大强度值的(1/e2)倍。7.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，对于根据所述测量方向的对准并由所述物体(25)上的所述光束截面来限定的每个测量点(15，16，17)，确定相应的测量方向并且产生距离信息，对于每个测量点(15，16，17)，基于相应的测量方向和距离信息来确定位置，并且对于所述待测点(10)，通过基于所述测量点(15，16，17)的位置，来推导点位置。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对于每个测量点(15，16，17)，基于坐标值来确定位置。9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对于所述待测点(10)，通过基于点坐标进行平均来推导点位置。10.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，就接收在所述物体(25)处反射的测量射线(30)而言，确定在所述物体(25)处反射的所述测量射线(30)的信号强度(S)。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述物体(25)处反射的所述测量射线(30)的信号强度(S)被连续地确定。12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，对于所述测量射线的每次对准，确定信号强度(S)，并且将基于每次分别接收到的测量射线(30)而产生的测量信号相对于基于所确定的所述信号强度(S)的相应的距离进行加权，并且根据所述测量信号和加权来确定至所述待测点的距离。13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，对于所述测量方向的每次变换，确定信号强度(S)，并且将基于每次分别接收到的测量射线(30)而产生的测量信号相对于基于所确定的所述信号强度(S)的相应的距离进行加权。14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，以与所述信号强度(S)对应的方式，将基于每次分别接收到的测量射线(30)而产生的测量信号相对于基于所确定的所述信号强度(S)的相应的距离进行加权。15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，基于所述测量射线(30)的每次对准所确定的所述信号强度(S)来推导与位置相关的物体状态。16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述物体(25)的形貌构成由所述与位置相关的物体状态来推导。17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，基于所述物体状态进行加权，并且根据与物体状态相关的加权来确定至所述待测点(10)的距离。18.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，根据所述测量点区域(11)的所述面心(20，20’)与各个独立测量的面心(20，20’)之间的相应距离，来对分配给所述测量方向的相应对准的独立测量值进行加权，并且根据用于所述独立测量值的与距离相关的加权来确定至所述待测点(10)的距离。19.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，每当至所述待测点(10)的距离被确定时，或者当所限定的测量条件出现时，自动地执行至少一次所述测量方向的变换，并且/或者采用干涉仪的方式执行距离确定，并且/或者基于所述测量过程来确定所述测量点区域(11)的表面法线。20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，根据所述表面法线来设定所述测量方向。21.一种用于确定至物体(25)上的待测点(10)的距离的测量装置(40，50)，该测量装置包括：距离测量单元，该...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·延森，克努特·西尔克斯，P·钱普，M·盖尔，
申请(专利权)人：赫克斯冈技术中心，海克斯康计量公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH