用于测量表面的干涉距离测量方法以及这样的测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于测量表面（13）的距离测量方法。产生具有相干长度的激光束以便提供测量辐射（MS）并且在所述表面（13）处作为测量辐射（MS）被发射，所述激光束的波长能通过调制激光源（1）的频率在波长范围被调谐，所述表面位于特定距离范围内。由所述表面（13）背向散射的所述测量辐射（MS）再次被接收并且用来对从参考点到所述表面（13）的距离进行干涉测量，使用了测量干涉仪臂和参考干涉仪臂。所述特定距离范围至少部分地位于所述相干长度外，并且所述测量束被分成两个束部分。其中一个束部分相对于另一个束部分被时间上延迟，使得由所述延迟引起的一个光程差匹配与所述特定距离中的距离加上或减去所述激光的相干长度相对应的光程差。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于测量表面的干涉距离测量方法以及这样的测量装置本专利技术涉及用于测量表面的干涉距离测量方法以及距离测量装置，并且还涉及用于测量表面的测量设备。在许多应用领域中都存在对测量物体的表面的需要并且因此还存在对物体本身进行高精度测量的需要。对于制造业尤其如此，对于制造业，工件的表面的测量和检查具有很高的重要性。各种各样的手段为此目的而存在，这些手段从接触方法延伸直到光学传感器。在高精度光学方法的领域中，特别是与坐标测量装置的使用结合的干涉测量原理扮演着越来越重要的角色。一个可能性是使用白光干涉测量法来进行高精度测量。在这种情况下，利用是扫描，即，通过调节干涉仪，因此缓慢地或具有光谱分辨检测，通常限于几毫米的测量范围。使用这样的装置的领域因此是受限的，特别是具有坚固结构的表面和对应变化的测量距离的工件不能被测量或者仅能在严格的限制下，例如，长行程时间下被测量。其它方法使用频率调制激光束作为用于干涉测量装置的测量辐射。因此，例如，从WO2009/036861A1已知一种手段，其中在用于测量表面的方法中，产生频率调制激光束并且将其发射到待测量的表面上。在从作为目标的表面背向散射的测量辐射接收之后，通过干涉测量法确定距离，其中，使用具有部分共用束路径的测量干涉仪臂和参考干涉仪臂。在距离测量的情况下与基本上垂直入射在表面上的测量辐射的偏差通过算法被考虑进来或者通过控制测量辐射的发射在扫描引导期间被避免或减小。测量干涉仪臂和参考干涉仪臂的部分共用束路径在这种情况下由光学测量头内的反射划界，因此限定了参考干涉仪。这种所谓的共用路径构造允许本地振荡器平面布置在测量头光学元件内，例如，也布置在光学出射表面上，并且因此靠近目标。该构造的优点在于环境影响，例如，温度变化或振动以相同的方式作用在两个干涉仪臂上，使得所产生的信号在这一点上受到相同的影响。然而，该构造的一个缺点在于需要长的相干长度，如果要在操作范围内确保足够的信号强度的话。与此相反，在白光干涉测量法的领域中使用了具有可调延迟的外部干涉仪臂。然而，对于医疗技术的公共应用领域还提供了其它边界条件。因此，待扫描或测量的这些结构在类型方面从根本上是不同的并且较少关于距离而构成。另外，绝对距离信息不是必须的并且典型地测量所需要的时标少于在测量工业布局的情况下的时标。由于待测量的表面，这里需要较长的测量时长，并且由于待测量的几何形状，更大的测量范围通常也是必需的。例如，在US2004/061865,US2008/117436,或DE19819762中发现了该现有技术的方案，这些专利技术描述了白光干涉仪，该白光干涉仪不具有用于产生频率调制激光辐射的可调谐激光源。在US4627731中，进入两个具有不同频率的调制器的路径中的测量干涉仪的光信号上游的划分被用来产生外差频率。这种所谓的调制干涉仪还需要精确相等的路径长度。然而，在利用频率调制激光辐射的干涉测量装置的情况下，测量范围由其相关长度划界，致使应用领域受到限制，并且需要在控制侧相应的开销以能够完全且在很短时间内扫描和测量测量对象。一个问题在于分别提供用于测量表面或用于检测表面形貌的改进的测量方法或测量装置。另一问题在于分别提供克服因相干长度存在限制并且因此增大可测量的距离范围的这样的测量方法或测量装置。本专利技术利用具有频率调制的，即，可调谐激光源和对应的测量构造的干涉测量原理，如例如已在WO2009/036861A1中描述的。根据本专利技术，除用于距离测量的正常辐射场以外，还提供了延迟副本，该延迟副本的延迟基本上对应于测量辐射到达目标并再次返回的实际行进时间，使得减小了有效距离。借助该手段，整个测量装置的工作点在朝着目标的方向上偏移，使得可测量的最大距离被扩大并且因相干长度而存在的限制被克服。由延迟引起的光程差对应于在这种情况下对应于预定距离范围内的距离加上或减去激光的相干长度所得的光程差。具体地，延迟的光程差至多对应于与到待测量表面的距离相对应的光程差，并且至少对应于与到待测量表面的距离相对应的光程差减去激光的相干长度，或者至少对应于与到待测量表面的距离相对应的光程差，并且至多对应于与到待测量表面的距离相对应的光程差加上激光的相干长度。根据本专利技术的用于实施延迟辐射场的一个手段是分束器的集成(integration)，其在激光源后方具有下游的延迟部。这样的延迟部可以被实现为例如自由束光学元件并且也可实现为马赫-曾德尔干涉仪中的光纤部分。这样，原则上可以产生相同的辐射场，这些辐射场通过光程差仅相互时移或时延。例如，马赫-曾德尔干涉仪可以被集成为共用路径装置中的延迟部或延迟部件，而无需改变标准设计。这样，例如，干涉仪的工作点可以移位到光学元件外部，从而可以克服通常由相干长度引起的限制。在这种情况下，例如，可以保持30mm的测量范围，仅其相对于光学测量头的长度在目标方向上被偏移，使得到测量对象的更大距离或间隔也是可实现的。更大距离继而允许采样头的较高的行进速度并且因此允许较短的测量时间或其他测量路径几何形状。根据本专利技术的装置的另一改进可以附加地通过设计用于定位点距离的采样头的聚焦系统的焦距来实现。为了能够防止测量期间或测量之间的延迟的改变，有利的是尽可能机械牢固和热牢固地设计延迟部件。在这种情况下借助已知方法，例如，通过扫描具有已知几何形状的参考球来执行校准。此后基于示例性实施方式来更详细地描述和说明根据本专利技术的用于对表面进行干涉测量的测量方法和根据本专利技术的测量装置，这些示例性实施方式仅在附图中作为例子示意地示出。在具体的图中：图1示出了在根据本专利技术的干涉距离测量装置中辐射部分的光学延迟的基本原理的示意图；图2示出了根据本专利技术的用于距离测量装置的延迟部的第一示例性实施方式的图示；图3示出了根据本专利技术的光学延迟的基本原理的效果的图示；图4示出了现有技术的用于测量表面的测量设备中的干涉测量装置的示意图；图5示出了用于这样的测量设备的采样头的结构改造的图示；图6示出了用于这样的测量设备的收发器光学的示意图；图7示出了根据本专利技术的干涉测量装置的第一示例性实施方式的示意图；图8a至图8b示出了用于该第一示例性实施方式的辐射场的第一示例的频率域中的图示说明；图9a至图9b示出了用于该第一示例性实施方式的辐射场的第二示例的频率域中的图示说明；图10示出了根据本专利技术的干涉测量装置的第二示例性实施方式的示意图；图11示出了根据本专利技术的干涉测量装置的第三示例性实施方式的示意图；图12示出了用于下列模拟的相干性曲线的图示；图13示出了现有技术的距离测量装置的第一模拟示例的束截面的图示；图14示出了用于第一模拟示例的接收到的信号的X线断层照片的图示；图15示出了用于第二模拟示例的束截面的图示；图16示出了没有延迟的用于第二模拟示例的接收到的信号的X线断层照片的图示；图17示出了根据本专利技术的没有延迟的用于第二模拟示例的接收到的信号的X线断层照片的图示；图18示出了具有优化光学元件的根据本专利技术的距离测量装置的第三模拟示例的束截面的图示；图19示出了根据本专利技术的没有延迟的用于第三模拟示例的接收到的信号的X线断层照片的图示；图20示出了根据本专利技术的用于距离测量装置的延迟部分的第二示例性实施方式的图示。图1示出了根据本专利技术的干涉距离测量装置中的辐射部分的光学延迟的基本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量表面（13）的距离测量方法，所述表面（13）特别是工业工件的表面，所述距离测量方法包括以下至少一个步骤：?产生激光束，该激光束的波长能通过激光源（1）的频率调制，特别是以斜坡的形式，在波长范围内进行调谐，以提供具有相干长度，特别是具有大于1mm，优选地大于60mm的相干长度的测量辐射（MS），?将所述测量辐射（MS）发射到所述表面（13）上，所述表面（13）位于预定距离范围内，?接收从所述表面（13）背向散射的所述测量辐射（MS），以及?采用测量干涉仪臂和参考干涉仪臂对参考点到所述表面（3）进行干涉距离测量，具体地，其中，所述测量辐射（MS）是在待测量的所述表面（13）上方进行扫描引导期间发射的并且再次被接收，并且在所述干涉距离测量期间，测量干涉仪臂和参考干涉仪臂具有优选地具有参考表面的部分共用的束路径，所述参考表面限定了所述参考干涉仪臂并且位于用于发射所述激光束的束成形光学元件内，所述距离测量方法的特征在于，?所述预定距离范围至少部分地位于所述相干长度外，特别是完全地位于所述相干长度外，并且?所述测量辐射被分成两个辐射部分（5、6），其中一个辐射部分（6）相对于另一个辐射部分被时间延迟，使得由此造成的光程差对应于与所述预定距离范围内的距离加上或减去所述激光的所述相干长度相对应的光程差。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.06.27 EP 11171582.71.一种用于测量表面(13)的距离测量方法，所述距离测量方法至少包括以下步骤：-产生激光束，该激光束的波长能通过激光源(1)的频率调制在波长范围内进行调谐，以提供具有相干长度的测量辐射，-将所述测量辐射发射到所述表面(13)上，所述表面(13)位于预定距离范围内，-接收从所述表面(13)背向散射的所述测量辐射，以及-采用测量干涉仪臂和参考干涉仪臂从参考点到所述表面(13)进行干涉距离测量，其中，所述测量辐射是在待测量的所述表面(13)上方进行扫描引导期间发射的并且再次被接收，其中，在所述干涉距离测量期间，测量干涉仪臂和参考干涉仪臂具有具有参考表面的部分共用的光束路径，所述参考表面限定了所述参考干涉仪臂并且位于用于发射所述激光束的束成形光学元件内，-所述预定距离范围至少部分地位于所述相干长度外，并且-所述测量辐射被分成两个辐射部分(5、6)，其中，利用延迟部(3、3’)使一个辐射部分(6)相对于另一个辐射部分被时间延迟，使得由此造成的光程差对应于与所述预定距离范围内的距离加上或减去所述激光束的所述相干长度相对应的光程差，并且其中，所述延迟部(3、3’)至少部分地实现为微晶玻璃，所述距离测量方法的特征在于：通过耦合到第一分束器(2’、2”’)中，在所述第一分束器(2’、2”’)中所述测量辐射被分成第一辐射部分(6)和第二辐射部分(5)，其中，所述第一辐射部分(6)在微晶玻璃部分中的空气通道中传播，并且利用第二分束器(2”、2””)来执行所述第一辐射部分(6)和所述第二辐射部分(5)的一起引导，其中，所述第一分束器(2’、2”’)和所述第二分束器(2”、2””)以及所述微晶玻璃部分被设计并布置成，使得所述空气通道中的光程保持恒定，并且针对所得到的干涉仪装置的两个臂，所述分束器(2’、2”、2”’、2””)内的光程也是相等的。2.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，由所述延迟引起的光程差-至多对应于与到待测量的所述表面(13)的距离相对应的光程差，并且-至少对应于与到待测量的所述表面(13)的距离减去所述激光束的所述相干长度相对应的光程差，或者由所述延迟引起的光程差-至少对应于与到待测量的所述表面(13)的距离相对应的光程差，并且-至多对应于与到待测量的所述表面(13)的距离加上所述激光束的所述相干长度相对应的光程差。3.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述表面(13)是工业工件的表面。4.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，该激光束的波长能以斜坡的形式在波长范围内进行调谐，以提供具有相干长度。5.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述相干长度大于1mm。6.根据权利要求5所述的距离测量方法，其特征在于，所述相干长度大于60mm。7.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述预定距离范围完全地位于所述相干长度外。8.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述延迟部(3、3’)的壁(7)实现为微晶玻璃。9.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述延迟发生在将所述测量辐射发射到待测量的所述表面(13)上之前。10.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，所述延迟发生在接收到从待测量的所述表面(13)背向散射的所述测量辐射之后。11.根据权利要求1所述的距离测量方法，其特征在于，提供了多个可选择的离散延迟时间。12.一种用于测量表面(13)的干涉距离测量装置，所述干涉距离测量装置至少包括：-一个频率调制激光源(1)，其用于产生至少一个激光束，所述至少一个激光束的波长能通过所述频率调制激光源(1)在波长范围内进行调谐，以提供具有相干长度的测量辐射，-一个光束路径，所述光束路径具有-发射光学元件，其用于将所述测量辐射发射到所述表面上，所述表面位于预定距离范围内，-接收光学元件，其用于接收从所述表面背向散射的所述测量辐射，-测量干涉仪臂和参考干涉仪臂，所述测量干涉仪臂和所述参考干涉仪臂具有部分共用的光束路径，-一个辐射检测器(11)，其用于接收从所述表面(13)背向散射的所述测量辐射，-一个分析单元，其用于确定从所述距离测量装置的参考点到所述表面(13)的距离，-用于所述测量辐射的至少一个分束器，所述至少一个分束器将该测量辐射分成两个辐射部分(5、6)，以及-至少一个延迟部(...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·延森，
申请(专利权)人：赫克斯冈技术中心，
类型：
国别省市：