專利名稱：用于對測量對象的多個面進行測定的光測量設備的制作方法
現有技術本發明涉及一種用于借助光學元件的布置對測量對象的多個面進行測定的光測量設備。另外，本發明還涉及光測量設備作為測量對象的物鏡的應用。
干涉儀系統此外適用于無接觸檢查不同的測量對象的表面。為了檢測待檢查的對象的表面輪廓，來自干涉儀的光源的對象光線在待測量區域處射中表面。由表面所反射的對象光線被輸送給干涉儀的檢測器，并且與基準光線一起形成干涉圖樣，其中可以從所述干涉圖樣中導出兩個光線的行程差。兩個光線的該所測量的行程差對應于表面的外形變化。
尤其利用白光干涉儀也能夠借助于景深采樣(Tiefenabtastung)來掃描測量對象，在該干涉儀中光源發出短相干輻射。正如例如在未預先公開的專利申請DE-10325443.9中所述的那樣，在此短相干輻射通過分束器被分成對象光線和基準光線。待測定的對象表面通過物鏡被映射到攝像裝置、例如到CCD攝像機(“電荷耦合器件(charge-coupled device)”攝像機)并且被通過基準光線所構成的基準波疊加。景深采樣可以通過相對于測量設備移動反射基準光線的基準鏡或者物鏡來進行。在移動對象時，對象的像面和基準面處于相同的平面中。在景深采樣時，對象不動地留在CCD攝像機的視場中，而僅僅在景深軸上相對于基準面移動對象。通過這種方式可以以幾個納米范圍中的景深分辨率來測定技術表面的測量。也可在報告“Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherenceradar”(T.Dresel，G.Husler，H.Venzke，Appl.Opt.31(7)，p.919-925，1992)中找到該測量方法的技術基礎。
在此，如果測量對象的待測定的面不是一致的、平坦的平面，則特定物鏡對于測定測量對象是必要的。因為在每個測量過程中必須負責的是，光線在掃描時盡可能垂直地射到待測定的面上。根據DE-10131778A1例如公知一種光學元件的布置，利用所述布置也可以測定彎曲的表面。因此，例如該公知文獻的圖1c示出如何也可以利用在那里所介紹的圓形掃描光學系統測定難以到達的測量面，如圓柱體或者孔的內表面。借助于圓形掃描光學系統中的偏向棱鏡可以將光線垂直地對準孔的內表面。在另一實施例中，如在該公知的文獻的圖1d中所示的那樣，可以設計圓形掃描光學系統用于在孔的過渡區域處的內部錐形面。借助于特定的光學系統，射到該光學系統上的平行光線在對象側被轉換成垂直于錐形面的光線，也即光線被扇形狀打開。然而，實際上如果兩個面、也即孔的內表面和通過孔的進一步收縮所引起的內部錐形面可以同時被測定，則是有利的。例如如果至錐形閥座的導向孔的位置被測定，則例如產生這種要求。根據現有技術，可以如此布置或者設計兩個或者多個圓形掃描光學系統，使得除了一個表面區域外可以同時由至少一個另外的表面區域產生平整的圖像。在基準光程中，于是同樣可以根據用于產生不同光行程的另外的表面區域的數量來布置至少一個另外的基準面。因此，可以測量至空間分開的閥座的導向孔的位置。
利用僅一個物鏡于是不能測定兩個面。根據現有技術的具有偏轉鏡(圖1c)和具有扇形狀打開光線的光學系統(1d)的兩個實施例的簡單組合是不成功的，因為光線將根據兩個光學元件的安裝順序或者僅僅檢測孔的內表面、或者檢測內部的錐形面。

發明內容
具有權利要求1中所說明的特征的本發明光學測量設備與現有技術相比具有以下優點，即能夠實現對測量對象的多個難以到達的面的測定。尤其有利的是，可以快速地并且在不改變測量設備的情況下測定不同的測量面(如錐形面或者孔的內表面)。光測量設備也可以被用作在自身已知的干涉儀的測量結構中或者在自動聚焦傳感器中的測量對象的特定物鏡。
在從屬權利要求中給出干涉儀測量設備的優選改進，并且在說明書進行描述。


借助附圖和接下來的說明進一步描述本發明的實施例。
圖1示出在測量設備中的光學元件的布置的第一實施形式，圖2示出在測量設備中的光學元件的布置的第二實施形式，圖3示出具有作為特定物鏡的本發明測量設備的干涉儀測量結構，以及圖4示出具有用于雙相關圖的分析軟件的攝像裝置。
具體實施例方式
圖1示出具有光學元件的布置的本發明測量設備1的第一實施形式。在該實例中，導向孔被表示為測量對象15，所述導向孔的直徑經由過渡區域從恒定的較高值改變成恒定的較低值。過渡區域自身具有孔的連續收縮，由此形成內部錐形面的一部分的面形狀。這種幾何形狀對應于具有錐形(也即形成圓錐狀的)閥座的導向孔的幾何形狀。內壁對應于待測定的測量對象15的第一面5，錐形閥座對應于第二面10。根據本發明，為了測定導向孔和錐形閥座的內壁，作為光學元件設有至少一個分束器20和一個透鏡系統25，其中入射到分束器20上的光線35的第一部分30垂直地對準于測量對象的第一面5，入射到分束器20的光線35的第二部分40射到置于分束器20之后的透鏡系統25上，并且通過該透鏡系統25垂直地對準于第二面10。分束器20有利地與入射方向呈直角地偏轉入射到分束器20上的光線35的第一部分30。使入射到分束器20的光線35的第二部分40在沒有任何偏轉的情況下對準透鏡系統25。
為了能夠將光線35分成第一部分30和第二部分40，分束器20是半透光的，也就是說光線35的第一部分30在分束器20處被反射，而第二部分40透過分束器20。在圖1中，分束器20是半透光的棱鏡。根據測量對象15的軸對稱形狀，分束器20(這里是棱鏡)和/或透鏡系統25也具有軸對稱形狀。透鏡系統25錐形地將光線35的第二部分40扇形狀打開，使得所述第二部分在每個位置都垂直地射到錐形的閥座上。不僅通過分束器20分開的光線35的第一部分30、而且第二部分40在測量對象15的第一面5或者第二面10處被反射回到測量設備1的光線入射的背離對象的側。
光學元件通常被布置在鏡筒45中、尤其是在鏡筒的出射區域中。在來自鏡筒的光線35的第一部分30或者第二部分40根據或者依據相應的反射再次射入鏡筒中的位置處，鏡筒由透光材料組成或者完全取消以形成缺口。出于一目了然的原因，透光材料或者缺口在圖中未示出。
在圖2中示出了測量設備1的第二實施形式。該第二實施形式不同于第一實施例之處在于，分束器20a通過錐孔構成，也即分束器20a是半透光的盤，所述盤具有軸對稱的棱鏡形式的缺口。
測量設備1適用于用作在自身公知的干涉儀、尤其是白光干涉儀的測量結構中的測量對象15的特定物鏡。根據Michelson的測量結構在圖3中被示出，并且測量原理是已知的在白光干涉儀(短相干干涉儀)情況下，光源50發出短相干輻射。光通過干涉儀的分束器55被分成基準光線60和對象光線65。干涉儀的分束器55應區別于測量設備1的分束器20、20a。基準光線60又被在基準光程中所布置的基準鏡70反射，并且又通過分束器55到達攝像裝置75(有利地是CCD或者CMOS攝像機(“互補型金屬氧化物半導體”攝像機))中。在那里，使基準光線60的光波與對象光線65的光波疊加，所述對象光線65的光波在其側已經通過在對象光程中所布置的本發明特定物鏡被偏轉和反射到測量對象15的第一和第二面5和10上。如已所述，根據本發明，對象光線65和入射到測量設備1的分束器20、20a上的光線35被分成第一部分30和第二部分40，用以能夠測定兩個面。當然，測量設備1作為特定物鏡的應用在自動聚焦傳感器或者激光、外差或者其他干涉儀的測量結構中也是可能的。
在測量時，優選地可以避免測量設備1相對于測量對象15的相對移動或者反之亦然。因此，測量設備1尤其適合為具有中間圖像的干涉儀的特定物鏡。具有用于產生中間圖像的能力的這種干涉儀根據現有技術是公知的。
此外，重要的是，在對測量對象15的第一5和第二面10進行測量時，兩個面5、10不同時處于攝像裝置75的焦點中。由兩個面5、10所反射的并且被傳遞到攝像裝置75中的光線于是被疊加成一個公共的干涉圖像，并且因此測量值失真。因此，在第二面10進入干涉區域并且被掃描之前，第一面5首先被掃描，直至所述第一面移出干涉區域為止。當然，面5、10也可以以相反的順序被掃描。為了避免在攝像裝置75中光線35的第一30和第二部分40的重疊，在光線35的相干長度方面必須考慮對測量設備1的光學元件的布置。將波群的相干長度理解為用于疊加的對干涉所必要的連接長度(Anschlusslnge)。因此，測量設備1的光學元件在考慮剛剛所述的疊加條件的情況下如此被布置，使得入射光線35的第一30和第二部分40的光學路徑至少以光線35的相干長度的數量級互不相同。在白光干涉儀情況下相干長度的典型值域為大約2至14μm，而在具有所使用的波長為大約1570μm的外差干涉儀的情況下，產生的相干長度大約為80μm。
對于具有光線35的第一30和第二部分40的不同行程的測量設備1的布置，替代地或者附加地在攝像裝置75中可以通過以下方式防止兩個子光線30、40的干擾疊加，即可以以電的方式或者磁的方式控制分束器20、20a，以便有針對性地改變所述分束器的透射和反射特性。因此，短期使光線35的第一30和第二部分40的光路消隱。
在該方面，有利的是，使用具有雙相關圖80用的分析軟件的攝像裝置75。因為根據本發明光測量設備1能夠實現對測量對象15的多個面5、10的測定，所以攝影裝置75必須相應分開地分析由不同的面所反射的子光線。如在圖4中所示，對在攝像裝置75中所產生的干涉圖樣根據其強度85并且根據位置90分開地進行分析，使得借助于分析軟件構成兩個相繼的相關圖95、100。
總之，通過將光線35分成第一30和第二部分40在測量設備1中能夠實現對測量對象15的多個面5、10的測定。光學元件的該布置尤其允許僅僅用一個測量設備1測定圓柱體的內表面和形成圓錐狀的面。
權利要求
1.用于借助于光學元件的布置對測量對象(15)的第一(5)和第二面(10)進行測定的光測量設備(1)，其特征在于，作為光學元件如此布置至少一個分束器(20；20a)和一個透鏡系統(25)，使得使入射到分束器(20；20a)的光線(35)的第一部分(30)垂直地對準于測量對象(10)的第一面(5)，并且入射到分束器(20；20a)的光線(35)的第二部分(40)射到置于分束器(20；20a)之后的透鏡系統(25)上，并且通過透鏡系統(25)垂直地對準于第二面(10)。
2.根據權利要求1所述的光測量設備(1)，其特征在于，分束器(20；20a)與入射方向成直角地偏轉入射到分束器(20；20a)的光線(35)的第一部分(30)和/或在沒有任何偏轉的情況下將入射到分束器(20；20a)的光線(35)的第二部分(40)對準透鏡系統(25)。
3.根據權利要求1或者2所述的光測量設備(1)，其特征在于，分束器(20；20a)的透射和反射可以通過電的或者磁的控制改變。
4.根據權利要求1至3之一所述的光測量設備，其特征在于，分束器(20；20a)是棱鏡或者錐孔。
5.根據權利要求1至4之一所述的光測量設備(1)，其特征在于，分束器(20；20a)和/或透鏡系統(25)具有軸對稱形狀。
6.按照權利要求1至5之一所述的光測量設備(1)，其特征在于，透鏡系統(250以錐形狀將入射光線(35)的第二部分(40)呈扇形狀打開。
7.根據權利要求1至6之一所述的光測量設備(1)，其特征在于，光元件被布置在鏡筒(45)中、尤其是鏡筒(45)的出射區域中。
8.根據權利要求1至7之一所述的光測量設備(1)，其特征在于，光學元件如此被布置，使得入射光線(35)的第一(30)和第二部分(40)的光學路徑至少相差光線(35)的相干長度的數量級。
9.根據權利要求1至8之一所述的光測量設備(1)的應用，其特征在于，測量設備(1)被用作在自動聚焦傳感器或者自身公知的干涉儀、尤其是激光、外差或者白光干涉儀的測量結構中的測量對象(15)用的特定物鏡。
10.根據權利要求9所述的光測量設備(1)的應用，其特征在于，測量設備(1)與具有雙相關圖(80)用的分析軟件的攝像裝置(75)一起被使用。
全文摘要
本發明建議一種用于借助于光學元件的布置對測量對象(15)的多個面(5，10)進行測定的光測量設備(1)。待測定的第一面(5)例如可以是狹窄的導向孔的內壁，而待測定的第二面(10)通過位于導向孔一端的、閥座的錐形段構成。作為測量設備(1)的光學元件，至少一個分束器(20；20a)和透鏡系統(25)被如此布置，使得將入射到分束器(20；20a)的光線(35)垂直地對準于測量對象(10)的第一面(5)，并且入射到分束器(20；20a)的光線(35)的第二部分(40)射到置于分束器(20；20a)之后的透鏡系統(25)，并且通過透鏡系統(25)垂直地對準于第二面(40)。
文檔編號G01B11/12GK101023319SQ200580031788
公開日2007年8月22日 申請日期2005年7月22日 優先權日2004年9月22日
發明者J·施特雷勒 申請人:羅伯特·博世有限公司