用于无接触测量距一表面的距离或两个表面之间的距离的方法和设备技术

一种用于无接触地测量距一表面(19)的距离或两个表面之间的距离的测量设备包括产生多色测量光(12)的测量光源(11)和将由测量光源(11)产生的测量光(12)定向到测量物体(18)上且接收由其反射的测量光(12')的光学测量头(16)。具有色散光学元件(22)和检测器(24)的摄谱仪(20)对反射的测量光(12')进行光谱分析。校准光源(30)产生具有已知且与温度无关的光谱成分的校准光(32)。评估装置(28)根据光谱的变化推导出校正值，借助所述校正值修改一方面光敏单元(26)和另一方面波长或根据波长推导出的变量之间的预设的关联，其中所述光谱由检测器(24)的光敏单元(26)上的校准光(32)产生。

Method and equipment for non-contact measurement of distance from one surface or distance between two surfaces

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于无接触测量距一表面的距离或两个表面之间的距离的方法和设备专利技术背景1.
本专利技术涉及用于无接触地测量距一表面的距离或两个表面之间的距离的测量设备以及方法，其中将多色测量光定向到测量物体上并且对从测量物体反射的测量光进行光谱分析。本专利技术尤其涉及减小因热效应引起的测量精度损害的问题。2.现有技术在测量技术中，经常出现测量参考点和固体或液体的测量物体的表面之间的距离的问题。根据测量任务，仅在表面上的一个或几个点处或在大量紧密间隔开的点处测量距离。在后一种情况下，可以根据距离测量值推导出测量物体表面的典型的一维或二维高度轮廓。以这种方式，例如能够证实精确加工的表面中的不平坦性，或者能够确定粗糙度值。在这种测量中绝对测量距离通常并不重要，而仅仅是以高的精度检测检测相对距离变化。应当测量表面之间的距离，并且尤其测量光学透明层的厚度时同样适用。在这种情况下，也不需要距参考点的绝对距离，因为层厚度从界定层的表面的距离值的差中得出。在本文中，不仅将由被固体承载或固定在固体处的材料制成的层片称作为层，而且也将不需要支撑的相对薄的固体结构称作为层。对此的示例是由玻璃或半导体材料制成的盘，或瓶或类似物体的壁部。除了电容式或其他电测量原理之外，主要将光学测量原理用于无接触测量距离，因为由此能够实现特别高的测量精度。在这些光学测量原理之一中，借助于光学测量头将多色测量光定向到测量物体上。从测量物体表面反射的测量光由测量头接收并且输送给摄谱仪，所述摄谱仪对反射的测量光进行光谱分析。根据测量光的光谱成分能够推断出距测量物体表面的距离。由于两种不同折射率介质之间的每个光学边界面反射一部分入射光，因此也能够以该方式确定距多个表面的距离，所述多个表面在测量光的传播方向上依次设置。对此的条件仅仅是测量光穿过的光学介质对于所使用的测量光是足够透明的。在利用这种测量原理的第一类型的测量设备中，使用了彩色共焦测量的概念。这种类型的测量设备具有测量头，所述测量头包含未校正色度的将测量光聚焦到测量物体表面上的光学装置。由于光学装置的彩色纵向色差，将测量管的光谱分量聚焦在不同的焦平面中，其中所述光学装置能够包含由具有强色散的玻璃构成的透镜和/或衍射光学元件。共焦设置的光圈确保只有测量光的其焦平面精确处于测量物体表面上的光谱分量到达摄谱仪，并能够在那里进行光谱分析。摄谱仪包括光栅或另一种色散光学元件以及具有多个光敏单元的检测器。因为将非常窄的波长范围与每个光敏单元相关联，所以能够将距离值直接与检测器的各个单元相关联。如DE102004049541A1中所描述的那样，能够经由校准来确定距离值和单元之间的关联。光学干涉的概念在同样对从测量物体表面反射的测量光进行光谱分析的另一类型测量设备中使用。从测量物体反射的测量光与参考臂中反射的测量光发生干涉。反射的测量光通过干涉进行光谱调制，其中所寻求的距离值能够根据调制频率推导出。为此目的，在摄谱仪中对由测量物体反射并与在基准臂中反射的测量光发生干涉的测量光进行光谱检测，并进行傅立叶逆变换。为了保证质量，通常在生产环境中使用上述两种类型的光学测量设备。但是，在生产环境中，环境温度会大幅波动。因此，通常规定测量设备能在+5℃至+60℃的温度范围运行。在此，出现的问题是不同的环境温度直接影响测得的距离值。在温度波动的情况下，由于光学元件的热膨胀导致重要的光学参数，例如曲率半径和光学边界面之间的距离发生变化。另外，透镜和其他折射光学元件的折射率直接与温度相关。甚至空气或测量光穿过其传播的其他气体的折射率——尽管程度远小于固体——与温度相关。另外，用于将光学元件固定在壳体处的托架的热膨胀会导致光学元件的位置变化，所述位置变化同样影响光学器件的效果。为了补偿由热引起的测量误差，EP2369294B1提出了将包含在测量头中的未校正色度的光学装置设计成，使得各个光学元件的光学作用的变化在温度变化时相互补偿。从EP2149028B1已知允许热引起的测量值的变化，但是所述测量值在随后的校正步骤中进行校正。为了获得校正值，借助于摄谱仪求出在测量头中的光学表面处反射的测量光分量的光谱组成。在此假定该表面距反射的测量光所耦合到其中的光纤的端部的距离与测量头中的温度相关。以这种方式，能够经由距测量头中的光学表面的距离来间接地测量温度，从而能够在随后在测量物体处进行后续的测量时考虑温度的影响。以类似的方式，在根据DE102015118069A1已知的测量设备中也考虑在测量头中的与温度相关的效应。在此，为了确定温度变化的影响，在测量头内部中的固定光学边界面处不使用反射，而是在测量头外部的边界面处使用反射。在一个实施例中，测量光在附加的测量臂中定向于阶梯状的反射面上，其中精确地已知阶梯部沿着光学轴线的高度。如果测量到的在两个表面之间的距离值发生变化，则将该影响归因于变化的温度，并用于确定校正系数。于是，在随后的测量中，将测量到的距离值乘以校正系数。US9,541,376B2研究摄谱仪中的温度变化如何影响根据色共焦测量原理工作的测距设备中的测量精度的问题。为了解决该问题而提出借助摄谱仪的检测器不仅检测+1或-1的衍射级，而且检测+1和-1的衍射级。根据检测器的光敏单元之间的距离推导出距离信息，在所述光敏单元处出现两个衍射级的最大值。如果光栅和/或检测器的位置由于温度变化而变化，则这通常导致衍射级的最大值偏移相同的量，使得最大值之间的距离保持恒定。由于在进一步评估中仅研究该距离，使用温度变化不会影响测量精度。然而，这种已知方案的缺点是必须由检测器评估两个衍射级。在可用光敏单元数量相同的情况下，光谱分辨率由此降低，从而测量精度降低。
技术实现思路
本专利技术的目的是改进用于无接触地测量距一表面的距离或两个表面之间的距离的测量设备和方法，使得摄谱仪中的温度变化对测量精度没有影响，或者至少在比至今为止显著更小的程度上影响测量精度。在此，不会承担在已知的解决方案中必须承担的光谱分辨率以及测量精度的损失。关于测量设备，上述目的通过一种用于无接触地测量距一表面的距离或两个表面之间的距离的测量设备来实现，所述测量设备具有测量光源，所述测量光源设计用于产生多色测量光。此外，测量设备具有光学测量头，所述光学测量头设计用于将由测量光源产生的测量光定向到测量物体上并且接收由测量物体反射的测量光。此外，测量设备包括摄谱仪，所述摄谱仪设计用于对由测量光反射的且由光学测量头接收的测量光进行光谱分析，其中摄谱仪具有色散光学元件和检测器，所述检测器具有多个光敏单元。测量设备的评估装置设计用于根据光敏单元中的至少一部分的测量信号计算距离值。根据本专利技术，测量设备具有校准光源，所述校准光源设计用于产生校准光，所述校准光具有已知的光谱成分。校准光能够穿过色散光学元件定向到检测器上，而没有事先在通向测量物体的光路中反射。评估装置设计用于根据检测器的至少一些光敏单元上的校准光产生的光谱的变化推导出校正值，借助所述校正值修改一方面光敏单元中的至少一部分和另一方面波长或根据波长推导的变量之间的预设的关联。...

【技术保护点】
1.一种用于无接触地测量距一表面(19)的距离或两个表面之间的距离的测量设备，其具有/n测量光源(11)，所述测量光源设计用于产生多色测量光(12)，/n光学测量头(16)，所述光学测量头设计用于将由所述测量光源(11)产生的测量光(12)定向到测量物体(18)上且接收由所述测量物体(18)反射的测量光(12')，/n摄谱仪(20)，所述摄谱仪设计用于对由所述测量物体(18)反射的且由所述光学测量头(16)接收的测量光(12')进行光谱分析，其中所述摄谱仪(20)具有色散光学元件(22)和检测器(24)，所述检测器具有多个光敏单元(26)，/n评估装置(28)，所述评估装置设计用于根据所述光敏单元(26)中的至少一部分的测量信号计算距离值，/n其特征在于，/n所述测量设备(10)具有校准光源(30)，所述校准光源设计用于产生校准光(32)，所述校准光具有已知的光谱成分，其中所述校准光(32)能够穿过所述色散光学元件(20)定向到所述检测器(24)上，而没有事先在通向所述测量物体(18)的光路中反射，并且/n此外所述评估装置(28)设计用于根据所述检测器(24)的至少一些所述光敏单元(26)上的所述校准光(32)产生的光谱的变化推导出校正值，借助所述校正值修改一方面所述光敏单元(26)中的至少一部分和另一方面波长或根据波长推导的变量之间的预设的关联。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170929 DE 102017122689.31.一种用于无接触地测量距一表面(19)的距离或两个表面之间的距离的测量设备，其具有
测量光源(11)，所述测量光源设计用于产生多色测量光(12)，
光学测量头(16)，所述光学测量头设计用于将由所述测量光源(11)产生的测量光(12)定向到测量物体(18)上且接收由所述测量物体(18)反射的测量光(12')，
摄谱仪(20)，所述摄谱仪设计用于对由所述测量物体(18)反射的且由所述光学测量头(16)接收的测量光(12')进行光谱分析，其中所述摄谱仪(20)具有色散光学元件(22)和检测器(24)，所述检测器具有多个光敏单元(26)，
评估装置(28)，所述评估装置设计用于根据所述光敏单元(26)中的至少一部分的测量信号计算距离值，
其特征在于，
所述测量设备(10)具有校准光源(30)，所述校准光源设计用于产生校准光(32)，所述校准光具有已知的光谱成分，其中所述校准光(32)能够穿过所述色散光学元件(20)定向到所述检测器(24)上，而没有事先在通向所述测量物体(18)的光路中反射，并且
此外所述评估装置(28)设计用于根据所述检测器(24)的至少一些所述光敏单元(26)上的所述校准光(32)产生的光谱的变化推导出校正值，借助所述校正值修改一方面所述光敏单元(26)中的至少一部分和另一方面波长或根据波长推导的变量之间的预设的关联。


2.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述评估装置(28)设计用于根据强度图案的位置的变化推导出校正值，通过所述校准光(32)在所述检测器(24)的所述光敏单元(26)中的至少一部分上产生所述强度图案。


3.根据权利要求1或2所述的测量设备，其特征在于，所述校准光(32)具有时间稳定的且与温度不相关的光谱成分。


4.根据权利要求3所述的测量设备，其特征在于，所述校准光源(32)包括宽带光源(46)和温度稳定的单色仪(50)。


5.根据权利要求3所述的测量设备，其特征在于，所述校准光源(30)具有宽带光源(46)和反射面的布置，所述反射面的布置通过产生干涉对所述校准光的强度进行光谱调制。


6.根据上述权利要求中任一项所述的测量设备，其特征在于，所述校准光(32)和所述测量光(12)具有不重叠的光谱。


7.根据权利要求1至5中任一项所述的测量设备，其特征在于，所述校准光(32)和所述测量光(12)具有重叠的光谱，但是所述校准光(32)不能够与所述测量光(12)同时定向到所述检测器(24)上。


8.根据权利要求1至5中任一项所述的测量设备，其特征在于，所述校准光(32)和所述测量光(12)具有至少部分重叠的光谱，并且所述校准光(32)能够穿过所述色散光学元件(20)定向到所述检测器(24)上，使得...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托夫·迪茨，
申请(专利权)人：普莱斯泰克光电子有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE