CN115735091A - 彩色共焦测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学测量装置，其包括具有成像光学单元和评估单元的测量头，其中所述测量头借助于两根光导纤连接到所述评估单元，其中所述评估单元包括光源，所述光源的光通过第一光导纤引导到所述测量头中，且其中借助于分束器将由测量对象反射的光往回引导通过所述测量头并进入第二光导纤，使得传出光和返回光分开，其中光纤末端位于相互共轭位置中，其中所述分束器和所述光纤末端一起布置在可分开地连接到所述测量头的插塞中。
Description
技术领域
本发明涉及用于测量待测量对象的距离和/或厚度的光学测量装置。
背景技术
光学测量装置包括具有成像光学件和评估单元的测量头，其中所述测量头通过两根光导纤连接到评估单元。评估单元包括光源，所述光源的光通过第一光导纤引导到测量头中。借助于分束器将从待测量对象反射的光往回引导通过测量头并进入第二光导纤，使得传出光和返回光分开，其中光纤末端位于相对于彼此的共轭位置中。已知光学测量装置基于彩色共焦(chromatic-confocal)或干涉测量原理。
FR2930334描述彩色共焦测量头，在所述测量头中集成有分束器单元。此分束器单元和用于传出光和返回光的光纤牢固地连接到测量头。测量头中的分束器单元引起杂散光减少并提高测量准确性。在此实施方案中，不利的是，例如在光纤有缺陷或需要具有其它特性(长度、纤芯直径、…)的光纤的情况下，不可能进行光纤更换这限制测量头的可能应用。
发明内容
本发明的目标是提供在不显著增加杂散光部分的情况下允许更换光纤的彩色共焦测量头。
这类解决方案在现有技术中尚不存在。将允许更换个别光纤的已知光纤连接器具有相对高的空间需求。由于具有内置式分束器单元的测量头必须包含两个光纤连接器(以用于传出光和返回光)，因此在这些光纤连接器下不可能实现的紧凑测量头设计。
根据本发明，通过将分束器和光纤末端一起布置在可分开地连接到测量头的连接器中，实现所述目标。
在有利实施例中，第一光导纤和第二光导纤的光纤末端分布形成共焦光孔。通过测量头将第一光纤末端成像到待测量对象上。第一光纤的横截面界定测量点(即待测量对象上的光纤末端的图像)的直径。
第二光纤末端充当用于测量光的空间滤波器，所述测量光从待测量对象反射并且被测量头引导到第二光纤末端。所述两个光纤末端位于相对于彼此的共轭位置中，因此第一光纤末端和第二光纤末端充当共焦光孔。有利的是使用光纤末端作为共焦光孔，这消除对形成光孔的额外组件的需求。还避免必须使光纤与单独光孔组件对齐。在此实施例中，光纤的直径是光孔的直径。
相较于具有固定光纤连接器的测量头，具有可更换光纤连接器的测量头的优点是可通过更换光纤连接器来改变共焦光孔的大小，在此实施方案中，通过光导纤的横截面来得出所述共焦光孔的大小。
在彩色共焦测量中，经由光孔大小在可实现的分辨率与测量光的强度(且因此信号强度)之间存在相反的相依性。什么样的光孔大小最适合是取决于特定测量任务。
在图2中说明此相依性。图2示范性地说明当通过彩色共焦测量头测量透明层时光孔大小对测量信号的效应。从第二光导纤引导到评估单元的测量光的强度示出为随波长而变。
测量光分别在透明层的上侧和下侧处的反射会引起出现两个峰值，表征为两个峰值波长(λ1、λ2)。峰值波长之间的差提供关于层厚度的信息。
两个图式在光纤直径上是不同的，右图的光纤直径是左图的四倍。在左图所述，峰值清楚地相隔。在右图中，信号强度显著更大，这是因为较大光纤直径允许较多的光从光源引导到测量头并且待测量对象引导到评估单元。然而，较大光纤直径还产生较大峰宽，使得无法像在左图中那样很好地分辨层厚度。
较小光纤直径产生较小测量点，这允许沿横向方向更好地分辨待测量对象，并且还产生更好的轴向分辨率，使得可更好地测量薄层。作为交换，信号强度减小，这需要为低反射率的待测量对象提供更长曝光时间，继而对测量速率产生负面效应。
常规测量装置的配置(特定来说，使用的光导纤和彩色共焦测量头的成像比率)提供分辨率和信号强度之间的固定折中。
然而，分辨率和信号强度的最优组合取决于待测量对象或测量任务的相应性质。如果例如特定测量任务需要更好的横向分辨率，那么在具有固定的集成式分束器单元的现有技术中，有必要更换测量头。然而，这是费时的并且在不同测量任务需要不同测量头的情况下导致成本增加。
本发明通过使用可更换的光纤连接器来解决此问题。这为所述问题提供简单且具成本效益的解决方案，其获得用于每个测量任务的分辨率和信号强度最优组合。
在本发明的另一优选实施例中，光纤连接器包括第一光孔布置，其布置在第一光纤末端后方并且充当用于从第一光纤末端发出的光的空间滤波器，以及第二光孔布置，其布置在第二光纤末端前方并且充当用于从测量头引导到第二光纤末端的光的空间滤波器。第一光孔布置和第二光孔布置位于相对于彼此的共轭位置处且因此充当共焦光孔。
此实施例提供如下优点：共焦光孔的几何形状可在宽范围内自由地配置并且针对特定测量任务进行优化。
对光纤直径的影响的上述解释相应地适用于光孔的横截面。
图3b示出光孔布置的可能配置的实例。此处将透光区域标记为深色。光孔布置包括4个圆形子光孔。相较于相同大小的单个光孔，信号强度增加了4倍。归因于子光孔之间的距离，串扰(即每个子光孔对相邻子光孔的影响)保持为低。
图4b示出当通过彩色共焦测量头测量层厚度时的对应波长分辨测量信号。此处通过个别圆形子光孔的直径来确定峰值的宽度，即，类似地，可如同单个光孔那样来分辨小的层厚度。然而，在同一时间，如所提及，信号强度增加4倍，这允许更高的测量速率。
个别圆形子光孔的串扰会引起宽背景信号。光孔布置(特定来说，圆形子光孔的直径和间距)的几何形状可用于影响例如宽限值内背景信号的峰宽和大小的参数。因此，有可能通过更换光纤连接器获得用于每个测量任务的分辨率和信号强度最优组合。
除了图3中示出的光孔布置的几何形状之外，可实现针对特定测量任务优化的多种其它光孔几何形状。
举例来说，这包含子光孔的一维布置，例如个别圆形子光孔线。这类布置引起测量信号沿线方向的空间平均化，同时维持沿正交方向的高空间分辨率。
另一有利配置是子光孔的二维布置。除了图4中示出的几何形状之外，这还包含例如圆形子光孔六边形图案或棋盘图案。
光孔布置可被配置成玻璃板，所述玻璃板在光纤侧面部分地涂布有铬层。玻璃板的涂布有铬的区域充当非透射区域，而不被涂布区域充当透光区域。
在有利实施例中，测量装置根据彩色共焦原理进行测量。在此情况下，测量头包括色散光学元件，其产生纵向色像差以使得测量头与测量点(第一共焦光孔的图像)之间的距离对波长具有明显相依性。
第二共焦光孔接收从待测量对象反射并从测量头引导到第二共焦光孔的光。被第二共焦光孔透射并引导到评估单元的光的强度在测量点在待测量对象上清晰成像所处的波长下最大。
在另一实施例中，测量装置根据光谱干涉测量原理进行测量。在此情况下，光从测量头引导到两个界面上且从所述界面反射的光被测量头拾取并引导到评估单元。
在评估单元中，确定从第一界面反射的光与从第二界面反射的光之间的相差。相差对波长的相依性提供关于路径长度差以及因此两个界面之间的距离的信息。
在有利实施例中，连接器被配置成使得光纤末端相对于测量头以正好可重复方式定位，特定来说，在预定公差内定位。特定来说，测量头和连接器被配置成使得当更换连接器时，共焦光孔与成像光学件的相对位置维持在给定公差内。
这可确保当更换光纤连接器时，测量头的性质保持基本不变。特定来说，可确保测量点相对于测量头的位置保持不变。这提供当更换光纤连接器时不必再校准测量装置的优点，这简化测量装置的操作。
在实施例中，连接器具有定位于测量头的圆锥状凹部中的圆锥形状或截圆锥形状。连接器的圆锥形状或截圆锥形状确保连接器相对于测量头始终居中。特定来说，当更换连接器时，在共焦光孔和成像光学件之间不存在横向偏移(相对于成像光学件的光轴)。
归因于连接器的圆锥形状或截圆锥形状，连接器的外尺寸和测量头的凹部的内尺寸可制造为具有极小配合公差且不影响连接器从测量头的可拆离性。这还允许共焦光孔和成像光学件之间的轴向偏移任意地降到最低。
在替代性实施例中，连接器还可具有除圆锥形以外的形状且可例如被配置为截棱锥。
在另外的替代性实施例中，连接器和测量头可包括用于确保连接器在连接到测量头之后始终保持相同的定向和位置的构件，例如沟槽和球体。
在实施例中，连接器包括安装于面向测量头的侧面上的防护玻璃。防护玻璃提供如下优点：当连接器不连接到测量头时，保护连接器免受污染。
特定来说，当防护玻璃处于发散光束路径中时，举例来说，当在光纤末端和防护玻璃之间不存在聚焦光学元件时，防护玻璃反射的杂散光的仅可忽略部分引导到第二光纤末端，使得不会削弱测量信号。
以相应方式，测量头可在面向连接器的侧面上设置有防护玻璃。
分束器和防护玻璃可设置有抗反射涂层以进一步减小一小部分的杂散光。这使得有可能特定来说，将元件放置在靠近光纤末端处，以允许连接器的特别紧凑配置。
在可能的实施例中，测量头通过至少四根光导纤连接到评估单元，其中光纤各自成对地共轭布置，特定来说，布置成两条线。对于每对光纤，测量信号可引导评估单元并且独立于其它测量信号被评估。
这允许例如在待测量对象上形成数个测量点，使得在数个测量点处从待测量对象反射的光被测量头拾取并且不分别评估。
对于具有简单光纤固持器的现有测量头，可将光纤固持器替换为用于光纤连接器(具有分束器单元)的安装装置而无需任何大的工作量。测量头因此可继续使用并享有分束器连接器的优点。
附图说明
图1是具有光纤连接器的测量装置。
图2是针对两个不同光孔直径的测量信号。
图3是具有光孔布置的光纤连接器。
图4是光孔布置和相关联测量信号。
图5是光谱仪。
具体实施方式
图1示出根据本发明的光学测量装置(1)，其根据彩色共焦测量原理进行测量。光学测量装置包括通过两个光导纤(5、6)连接到评估单元(4)的测量头(2)。
评估单元包括将多色光馈送到第一光导纤(5)中的光源(7)，所述第一光导纤(5)将光引导到测量头。第一光导纤包括第一光纤末端(10)。测量头包括将从第一光纤末端发出的光的至少一部分引导到待测量对象(14)的成像光学件(3)。
成像光学件具有明显的纵向色像差以使得取决于波长在距测量头的不同距离处聚焦从第一光纤末端发出的光。
通过测量头拾取被待测量对象反射的光。被待测量对象反射的光的至少一部分通过分束器(12)引导到第二光纤末端(11)并且经由第二光导纤(6)进一步引导到评估单元。评估单元包括以光谱分辨形式评估被待测量对象反射的光的强度的光谱仪(15)。
第一光纤末端和第二光纤末端(10、11)形成共焦光孔。由第一光导纤(5)发出并且被待测量对象(14)反射的光引导到第二光纤(6)上。第二光纤末端(11)充当空间滤波器。两个光纤末端(10、11)位于相对于彼此的共轭位置处，使得被第二光纤(6)接收并引导到评估单元的光的强度针对第一光纤(5)发出的光并测量头(2)清晰地成像到待测量对象(14)上所处的波长而最大化。
光谱仪(15)中对波长分辨强度的评估提供关于待测量对象(14)距测量头(2)的距离的信息。
分束器(12)使由第一光纤(5)发出并传出到待测量对象(14)的光(8)与从待测量对象(14)返回并被引导到第二光纤(6)的光(9)在空间上分离。这提供如下优点：来自光源(7)并被第一光纤末端(10)反向散射的光不到达第二光纤(6)且因此不影响测量信号
分束器(12)和两个光纤末端(10、11)一起布置在可分开地连接到测量头(2)的连接器(13)中。连接器(13)具有截圆锥形状，而测量头(2)包括对应凹部(16)。
连接器和凹部的这些几何形状提供如下优点：连接器在***之后相对于凹部自动居中，即位于相对于成像光学件的光轴所界定的横向位置处。
这具有如下的大优点：光离开表面(在此情况下，第一光纤末端)的位置即使当更换连接器时仍相对于成像光学件保持不变，使得举例来说，待测量表面上的测量点的位置不改变。
图2示出由通过根据图1的测量装置测量透明层所产生的测量信号。测量头发出的光在层的两个界面(即，层的上侧和下侧)处的反射导致测量信号中出现两个强度最大值。
所述最大值在光分别聚焦于待测量层的上侧或下侧上所处的波长下发生。两个波长通过光谱仪确定并且提供关于层厚度的信息。
两个图式在光导纤的直径上不同；这两个图式的测量装置的其它组件(特定来说，测量头)是相同的。图2b中的光纤直径是图2a的4倍；这为例如如下情况：光纤直径在图2a中为50μm且在图2b中为200μm。
图2a中的较小光纤直径产生更好的轴向分辨率，此处以两个强度最大值之间的清晰分离来表达。图2b中的较大光纤直径导致较差轴向分辨率，这与两个强度最大值的较不清晰分离相关联，但又产生较高强度的测量光，以测量信号中的较高振幅表达所述较高强度的测量光。
总的来说，图2说明光纤连接器的更换如何引起测量装置在原本不改变测量装置组件的情况下的性质的改变。这可有利地用以提供用于每个测量任务的测量装置最优性质。
图3a示出用于根据图1的测量装置的连接器的替代性实施例。连接器(13)包括布置在第一光纤末端(10)正后方的第一光孔布置(17)。第一光孔布置充当用于从第一光导纤(5)引导到测量头并从第一光纤末端发出的光的空间滤波器。
在此实例中，第一光孔布置被配置成玻璃板(18)，所述玻璃板(18)在面向第一光纤末端(10)的侧面部分地设置有铬层。设置有铬层的区域防止光透射，而玻璃板的不被涂布区域是透光的并且界定共焦光孔。
图3b示出部分涂布的玻璃板(18)的示范性配置。用深色示出玻璃板的透光区域(即，不涂布有铬的区域)。总的来说，共焦光孔此处包括4个圆形子光孔(27)的布置。
此处用虚线标记光纤横截面。此处，光纤直径大于子光孔(27)的布置跨度，使得用来自第一光纤末端的光照射所有透光区域。
图3a中的连接器另外包括布置在第二光纤末端(11)正前方的第二光孔布置(19)。此处，第二光孔布置(19)与第一光孔布置(17)相同地配置并且提供对通过测量头从待测量对象引导到第二光纤末端(11)并且接着通过第二光导纤(6)进一步引导到评估单元的光的空间滤波。
由于第一光纤末端和第二光纤末端(10、11)位于相对于彼此的共轭位置处，因此第一光孔布置和第二光孔布置(17、19)也位于相对于彼此的共轭位置处且因此充当共焦光孔。
在所说明的实施例中，连接器包括防护玻璃(20)。防护玻璃确保连接器内部的光学组件保持受保护以免被污染，这可导致杂散光且因此对信号质量可具有负面效应。
从第一光纤末端(10)发出的光发散地照在防护玻璃(20)上。光的部分在防护玻璃的两个表面上往回引导到第一光纤末端(10)并且经由分束器(12)还引导到第二光纤末端(11)。
然而，归因于发散光束路径，从防护玻璃(20)反射的光在第一光纤末端和第二光纤末端(10、11)的方位处非常强烈地分散，使得仅获得杂散光的可忽略部分。
为了进一步减小杂散光部分，防护玻璃(20)和/或分束器(12)的表面可设置有抗反射涂层。这使得有可能特定来说，将光学组件彼此靠近地布置在连接器中且因此在不显著增加杂散光部分的情况下实现非常紧凑的连接器配置。
图4示出由通过根据图3的测量装置测量透明层所产生的测量信号。测量头发出的光在层的两个界面(即，层的上侧和下侧)处的反射导致测量信号中出现两个强度最大值。
所述最大值在光分别聚焦于待测量层的上侧或下侧上所处的波长下发生。两个波长通过光谱仪确定并且提供关于层厚度的信息。
两个图式在共焦光孔的配置上是不同的。在左图中，使用单个圆形光孔，其直径对应于光纤直径。在右图中，共焦光孔包括4个圆形子光孔的布置，如图3b中所示。
在右图中，强度最大值清楚地相隔；这归因于测量装置的由子光孔的直径确定的轴向分辨率提高，所述子光孔的直径小于光导纤的直径。在同一时间，信号强度相较于单个子光孔增加了4倍，这是由于每个子光孔均促成测量信号。
通过配置光孔布置，因此可为每个测量任务实现轴向分辨率和信号强度的最优组合。
图5示出用于根据图1的测量装置的光谱仪的可能实施例。光谱仪(21)布置在评估单元中并且经由第二光导纤(6)连接到测量头。第二光纤(6)将从待测量对象反射的光从测量头引导到光谱仪(21)。光谱仪用于以光谱分辨形式评估此光的强度。
从第二光纤(6)发出的光首先被准直并且引导到透射光栅上。通过透射光栅(24)衍射光，其中衍射角取决于波长。衍射光随后通过聚焦光学件成像到检测器行(26)上，其中光照在检测器行上的方位取决于波长。
为了能够评估光照在行上的方位，所述行沿拆分方向(此后被称为行方向)划分成多个光敏单元。为了提高空间分辨率，且因此提高波长分辨率，有利的是使光敏单元沿行方向的跨度保持为小。
在同一时间，有利的是使检测器行上的光纤的图像保持为小，理想地，小于光敏单元的跨度，即选择检测器行上的光纤的减小成像。特定来说，当使用具有大光纤直径的光纤时，必须选择强力减小成像。
然而，这类强力减小成像不利地导致高数值光孔，即，从聚焦光学件引导到检测器行上的光的光束锥区的大光孔角度。为了获得良好成像质量，必须提供对成本具有负面影响的复杂聚焦光学件，或者光必然渐晕，进而引起光损耗。
此处示出的光谱仪的实施例允许在不过多限制亮度的情况下优化波长分辨率。为此目的，选择沿行方向强力减小光纤末端，但以正交于行方向的方式仅微弱减小的变形成像。
为此目的，光谱仪包括将从第二光纤(2)发出的光以正交于行方向的方式聚焦到光谱仪中的第一柱面透镜(22)，以及布置在第一柱面透镜后面不沿行方向聚焦光的第二柱面透镜(23)。
第二柱面透镜与第一柱面透镜相比具有较大焦距。归因于到光纤的较大距离，光沿行方向渐晕，即光纤发出的光的部分不进一步引导到检测器行。另一方面，以正交于行方向的方式，存在极少渐晕或不存在渐晕。
分别被第一柱面透镜或第二柱面透镜准直的光通过透射光栅(24)，在光谱上经拆分并且通过球面透镜(25)成像到检测器行(26)上。成像尺度沿行方向与正交于行方向相比较小，使得检测器行上圆形光纤末端的图像具有椭圆形形状，其中短半轴平行于行方向。
在光谱仪的另一实施例中，来自具有大光纤直径(例如200μm)的光纤的光首先耦合到具有较小光纤直径(例如50μm)的多个光纤。来自具有较小光纤直径的每根光纤的光接着可分别在光谱上经拆分并成像到单独检测器行或检测器行的单独区上。
Claims (13)
1.一种光学测量装置，其包括：
具有成像光学件和评估单元的测量头，
其中所述测量头通过两根光导纤连接到所述评估单元，
其中所述评估单元包括光源，所述光源的光通过第一光导纤引导到所述测量头中，
且其中借助于分束器将从待测量对象反射的光往回引导通过所述测量头并进入第二光导纤，使得传出光和返回光分开，
其中光纤末端位于相对于彼此的共轭位置中，
其特征在于
所述分束器和所述光纤末端一起布置在可分开地连接到所述测量头的连接器中。
2.根据权利要求1所述的光学测量装置，其中第一光纤末端和第二光纤末端分别形成共焦光孔。
3.根据权利要求1所述的光学测量装置，其中所述连接器包括形成共焦光孔的至少一个光孔布置。
4.根据权利要求3所述的光学测量装置，其中所述至少一个光孔布置包括多个子光孔。
5.根据权利要求3至4任一项所述的光学测量装置，其中所述连接器包括第一光孔布置和第二光孔布置，其中所述第一光孔布置和所述第二光孔布置相同地配置。
6.根据权利要求1至5任一项所述的光学测量装置，其根据彩色共焦原理进行测量。
7.根据权利要求1至5任一项所述的光学测量装置，其根据光谱干涉测量原理进行测量。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光学测量装置，其中所述连接器被配置成使得所述光纤末端相对于所述测量头以正好可重复的方式定位，特定来说，在预定公差内定位。
9.根据权利要求8所述的光学测量装置，其特征在于所述连接器具有定位于所述测量头的圆锥状凹部中的圆锥形状或截圆锥形状。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光学测量装置，其特征在于所述连接器包括防护玻璃。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光学测量装置，其特征在于所述测量头通过至少四根光导纤连接到所述评估单元，其中所述光纤各自成对地共轭布置，特定来说，布置成两条线。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光学测量装置，其特征在于所述分束器和/或所述防护玻璃设置有抗反射涂层。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光学测量装置，其中所述评估单元包括光谱仪，所述光谱仪将所述第二光导纤发出的光谱分辨的测量光成像到检测器行上，其中所述成像被配置成变形的，使得沿所述检测器行的方向的成像尺度不同于正交于所述检测器行的所述方向的成像尺度。
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