用于测量表面的设备和方法技术

一种用于测量表面（２）的设备包括光源（３）、光引导装置（４－６）、检测器系统（１０）和分析电路（１５）。光源（３）产生具有重复率的光脉冲序列。光引导装置（４－６）可被控制以将光脉冲序列引导至表面（２）的表面区域（２５）上。所述表面区域可从多个表面区域（２５、２８）中被选定。检测器系统适于接收被表面区域（２５）散射和／或反射的至少一个光信号（２１－２４）。分析电路（１５）被耦连至检测器系统（１０）且适于确定由光脉冲序列得出的参考信号（１９）和所述至少一个光信号（２１－２４）的信号分量之间的相位差，以确定表面区域（２５）的位置。所述相位差是为频率对应于重复率的倍数的信号分量确定的。

【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。本专利技术具体涉及一种使用光学测量技术测量表面的设备和方法。
技术介绍
例如在和土木工程中的统计学相关的问题或多媒体应用中采用的空间数字化中， 或者是在量化质量控制中，特别是工业制造中的量化质量控制中，存在很多测量三维物体的表面轮廓的应用。在此情形下，对尺寸在若干米的较大物体的微米级分辨率的高精度测量是一个挑战。对在诸如条纹投影和偏转法(deflectometry)的光学几何技术的帮助下进行的物体表面测量来说，横向分辨率和景深之间存在着相互关联。存在对其中一个变量进行优化时会使相应的另一个变量恶化的效应，由此很难在若干米的景深内获得微米级的横向精确度。接触式坐标测量机器可在若干立方米的体积内实现高精确度。但这样的测量是耗时的，尤其是在需要确定分布在待侧物体表面的大量的点的位置时。适用于具有米级特征尺寸的物体的坐标测量机器是巨大且不可移动的装置。此外，使用接触式测量对敏感表面没有实用性或实用性受限。激光路径长度测量设备允许了对物体的距离的测量。在K. Minoshima和 H. Matsumoto 2000年在“应用光学”第39卷第30分册的5512页至5517页中发表的“使用小型飞秒激光器对光学隧道中240米距离的高精度测量”(K. Minoshima and H. Matsumoto, "High-accuracy measurement of 240-mdistance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser，，，Applied Optics, Vol. 39, No. 30, pp. 5512-5517(2000)) 一文中描述了在实验室条件中使用频率梳进行的距离测量。虽然该测量可在高精度下实现， 其被限制在一维且需要物体对光的反射。文件EPl 903 302 A2描述了一种光学设备，其将正弦波幅度调制和光源的脉冲光输出相结合以确定物体的距离。在文件DE 11 2005 001 980 T5中，描述了一种方法和设备，其中频率梳被耦连至光学干涉仪以进行对距离的测量。对物体的观测深度被调制信号的闭环控制所控制。物体的表面既不能使用文件EP 1 903 302 A2中的方法，也不能使用文件DE 11 2005 001 980T5中的方法来测量。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种改进了的用以测量表面的设备和方法。具体地，本专利技术具有这样的目的，即提供允许以高分辨率测量表面的设备和方法，其中所述测量为非接触式且可使用较小的设备来进行。根据本专利技术，该目标可通过在独立权利要求中描述的设备和方法来实现。所述独立权利要求限定了优选或具有优势的实施方式。所提供的设备和方法允许对表面进行测量。此处对表面的测量通常指的是测定表面的若干个表面区域内的三个空间坐标，或当测量在一个平面内进行时测定两个空间坐标。这种情况下，该表面区域的尺寸可非常小且通常地由表面上的光束的横截面积所决定。根据本专利技术的用于测量表面的设备包括光源、光引导装置、检测器布置和分析电路。光源被配置为产生具有重复率的光脉冲序列。光引导装置被可控制以使得光脉冲序列被引导至表面的表面区域上。通过控制光引导装置，可从若干个表面区域中选择所述的表面区域，所述光脉冲序列可被引导至该表面区域上。检测器布置被配置为接收被该表面区域散射和/或折射的至少一个光信号。当光脉冲序列在操作中被照射至该表面区域上时， 所述至少一个光信号包括被反射和/或散射的光脉冲序列。分析电路被耦连至该检测器布置且被配置为确定由光脉冲序列得出的参考信号和所述至少一个光信号的信号分量之间的相位差以确定表面区域的位置，该信号分量具有对应于所述重复率的倍数的频率。该参考信号可为任何可被用来作为确定相位差的参照物使用的信号。举例来说，该参考信号可由光源的同步输出提供或可被参考信号检测器所记录。此处，作为时间的函数的光信号的光谱分量，即具有作为时间的函数的光强度的光谱分量，被称作信号分量。所述参考信号可大致具有对应于所述重复率的倍数的频率，或者该参考信号可具有具有此频率的参考信号分量，即光谱分量，其中所述相位差可确定为该信号分量和参考信号分量之间的相位差。该设备允许以非接触的方式测量表面。通过基于具有和重复率的谐波对应的频率的信号分量确定的相位差，可获得高的空间分辨率，这是由于更高的频率对于给定的路径长度的差值来说产生相位差更大。该光引导装置可被控制以使得光脉冲的多个序列按顺序被引导至不同的表面区域上，例如通过光脉冲序列的光路上的倾斜反射镜。对每个表面区域来说，位置可基于频率为重复率倍数的被散射光脉冲序列的信号分量的相位差来确定，以获得更好的空间分辨率。通过顺序地确定多个表面区域的位置来测量该表面。该检测器布置可包括多个检测器，其接收被表面区域散射至不同方向的多个光信号。这种情况下，分析电路可确定与多个光信号相关联的多个相位差，其中每一个相位差都是为相应光信号的信号分量而确定的，所述信号分量的频率是重复率的倍数。通过将检测器布置这样配置为检测被表面区域散射或反射的至不同方向的光信号，表面区域和多个参考点之间的距离可被确定。表面区域的位置可基于被如此确定的多个距离而被确定，例如使用三边测量技术。该检测器布置可包括至少三个检测器。这种情况下，分析电路可基于被确定的至少三个相位差来确定表面区域的位置。表面区域的位置可使用诸如三边测量的技术来确定。可设置有更多的检测器以改善位置确定的准确度。检测器布置也可包括至少四个检测器。测量四个相位差允许在即使被发射至表面区域上的光照射的一个照射位置未知时也可以进行对位置的确定。这样，分析电路可被配置为基于已测定的四个相位差确定在光弓I导装置和表面区域之间的路径长度。该光引导装置可设置有用于光脉冲序列的聚焦光学部件，其可基于已确定的光引导装置和表面区域之间的距离来进行调节，以使得被照射的光线被聚焦在表面区域上。以这样的方式，表面区域的横向尺寸可被降低，且表面区域的横向分辨率可被提高。理想地，被照射的光线以衍射受限的方式被聚焦在表面上。所述光引导装置可以不同的方式进行配置，以允许通过将多个光脉冲序列以顺序的方式照射至多个表面区域而对表面进行采样。该光引导装置可具有诸如位置和/或取向可改变的偏转反射镜或偏转棱镜之类的的至少一个可调节光学元件。所述表面可通过使用合适的致动器控制可调节光学元件而被自动地测量。该光引导装置还可包括手持设备。举例来说，光学指针设备(opticalpointer device)可被使用，其通过光纤接收光脉冲序列且将其沿指针设备的轴被保持的方向输出。 因此，用户可通过使用手持设备将光脉冲序列引导至表面区域上而确定被选定的表面区域的位置。根据一些实施例，该设备允许在即使指针设备和表面之间的距离未知的时候也能对表面区域的位置进行确定。可按照用户设定的方式来确定表面区域的位置，以测量该表面，其中用户可通过将指针设备指向相应的表面区域而以简单的方式选定表面区域。该检测器布置和分析电路可被整合为一个装备，其中检测器布置中的检测器可被设置在该装备的壳体的一侧面上，以实现检测器布置和分析电路紧凑的构造和高度的操作灵活性。该设备可具有至少一个参考信号检测器。该参考信号检测器本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于测量表面（２；１１２）的设备，其包括产生具有重复率的光脉冲序列（６１）的光源（３），可被控制以将所述光脉冲序列引导至所述表面（２；１１２）的表面区域（２５；１１７）上的光引导装置（４－６；４，１１４；４，１３２，１３４），所述表面区域（２５；１１７）可从多个表面区域（２５、２７；１１７）中选定，配置为接收被表面区域（２５；１１７）散射和／或反射的至少一个光信号（２１－２４；２１－２３，１０５；１２１－１２３）的检测器布置（１０；１０２；１２０；１３５），耦连至所述检测器布置（１０；１０２；１２０；１３５）且被配置为确定由所述光脉冲序列得出的参考信号（１９；８６）和所述至少一个光信号（２１－２４；２１－２３，１０５；１２１－１２３）的信号分量（５１；８１）之间的相位差以确定所述表面区域（２５；１１７）的位置的分析电路（１５），所述信号分量（５１；８１）具有对应于所述重复率的倍数的频率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯蒂娜·阿尔瓦雷斯迪兹，
申请(专利权)人：卡尔蔡司股份公司，
类型：发明
国别省市：DE