专利名称：测量具有直线外形物体的光学仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测量具有直线外形物体的光学仪器，仪器类型由权利要求1的前序部分限定。
为了更好地了解现有技术发展水平及其特有的问题，将首先对附3和4中说明的、并已制作用于在实验室中研究普通二维形状特性的常规仪器予以说明。
在图3中，氦氖管式激光器1产生出具有高度相干性和均匀光密度的准直相干光光束2。光束2由含针孔滤光片的光束放大器放大并对准一不透光物体4，希望对其几何尺寸进行测量。根据费涅耳和夫琅霍夫的衍射原理，在光波前与不透明物体4的相互作用点，也就是说沿其边界或轮廓，存在新形成的球形波前，其径向分量相对于原入射光束是发散的(图4)。
在这个层面上，若要详细分析该图象的话，那么就会观察到一个与物体4放大轮廓相一致，由明暗相互交替的细“条纹”建立的不确定区，这就使严格确定边界的空间位置变得很困难或不可能。
光束2在碰到物体4以后到达与光束方向正交设置的球面会聚透镜5。
根据几何光学的定律，只有也唯有入射辐射(图4)的平行分量(用2a表示)在透镜5的焦点处会聚。在透镜5的焦点处设置一个障碍物6，例如一不透明点，以下称为“光阻”或“空间滤光片”，具阻止光线的传播。
空间滤光片6的作用是只阻止入射光束的平行分量2a而不影响光束的会聚和衍射分量2b，会聚和衍射分量2b可以到达起聚焦和放大作用的会聚透镜7并且最终会聚在屏幕或光敏室8上。经过刚才说明过的空间滤光之后，屏幕8上得到的图象只由与物体4轮廓一致在暗背景上突出的细光线构成。
相干光源越是满足对空间均匀性和平行性的初始要求，照亮的直线(有用信号)与剩余背景照明(干扰)之间的衬度比就越大。
这样处理过的图象特别适合于物体测量的电子分析。实际上，虽然不可能严格地确立在模糊的明/暗边界(如没有空间滤光片时所得图象的边界)上选择可靠可重复优选测量点的准则，但是在屏幕8上测量光强最大值非常窄的相隔直线之间的距离却相当简单。
体现上面讨论过的公知技术的理论研究实例在下述刊物中均有说明H.Lipson和C.A.Taylor的“Fourier Transform and X-raydiffraction(傅立叶变换与X射线衍射)”，1958；G.Hambum.C.A.Taylor，T.R.Welberry的“Atlas of OpticalTransofrms(光学变换图谱集)”，1975；F.Docchio，E.Sardini，O.Svelro，A.Taroni的“On-line DimensionalAnalysis of Surfaces using Optical Filtering and ElaborationTechniques(傅立叶平面中使用光学滤光和精密技术的表面在线维量分析)”，1989；以及R.G.Wilson的“Fourier Series and Opticaltransform techniques in Contemporary Optics(现代光学中傅立叶级数及光学变换技术)”，1995。
但是，在实验室中，在非常接近理论上理想的情况下，使用高级的光学和电子仪器仪表已经得到了用实验方法获得的结果，也就是说-可能得到具有高度相干性的光源，通常其高度相干性光是由He-Ne管式激光器发出的；-可能对激光束尽可能地滤光及放大使得到的光束具有均匀的光分布并且光线彼此平行；换句话说，可以得到没有空间谐波分量而具有平坦波前的光束；-可能使用相对于观测物体尺寸其光阑非常大的优质透镜和光学元件。
目前市场上有无接触测量装置(其利用的原理与此处说明的原理不同)出售，使用这种装置可能得到良好的测量精度(通常为0.1μm)，但其成本高而且仪器的坚固性有限，不然就用另外的方法可能得到经济性但精度就受限制(通常不小于5μm)。
本发明的目的是提供能够进行高精度测量(0.5μm或更小)的改进时的测量仪器。
本发明的另一目的是提供成本低、体积小、适合于在工业环境中大规模使用的测量仪器。特别是，本发明的目的是提供维护工作减至最少、调节简单的可靠测量仪器。
本发明还有一个目的是提供能够进行物体连续测量的测量仪器，而测量界限又比用重复性扫描所得到的好。
根据本发明通过具有所附权利要求中限定特性的仪器实现了这些目的和其他目的及优点，这些将在以后会更好地理解到。
现在将参照附图对根据本发明仪器的优选但并非限制性的实施方案予以说明，其中
图1是根据本发明测量仪器的示意性侧视图；图2是图1仪器的示意性俯视图；图3是已知类型测量仪器的示意图；图4是图3的局部放大视图；在图1和2的说明视图中，为说明清楚而着重强调了物体的大小，比例和形状以及光线的发散或会聚角度，因而其不是按比例表示的。
参看图1和2，为简单起见，使用图3和4中已经使用的同样参考数字来表示同样的或相应的部件和元件，参考数字4表示待测物体，在本实例中为要求测量其直径的细丝。
当然，参考这一可能应用领域一定不能以任何方式被解释成是对本专利范围的限制。特别是，根据本发明的仪器适合于得到-相对于仪器零点的机械物体直线边界(或轮廓或剖面)空间位置的测量，或-物体的两个或多个直线平行边界之间的相对距离。
因此本发明能够用来测量线、纱或细丝，或车削过的机件，或不透明材料(金属板、塑料层压板、纸张等)板直线边界或有平行边界的直线槽口(两块待焊金属板间的间隙)等的位置。
假定要测量的物体的具体类型在事先已经知道，那么就可能对旨在提取物体轮廓的光学结构引进重要的简化，使得该方法对可能的不均匀性或干扰不敏感，因而可在工业水平上应用。
在图1和2中表示出一组三个相互垂直的轴线(x、y、z)；为了测量物体4沿竖直轴线x的直径(或空间位置)，待测物体4放置得使其直线平行边界4a、4b沿着这里被定义为纵向的y方向定向。
光源1将准直光束2投射至此处定义为横轴的轴线z方向。光束2由放大器3放大，放大器3没有滤光片但却包含一对透镜3a、3b以得到与横轴z平行定向的放大光束2a，其宽度分别包围住细丝4的上、下轮廓4a、4b。
放大的光束2a照射细丝4，而会聚透镜5则置于细丝4的下游。
本发明的一个重要特点是，会聚透镜5为柱面型系统，其基体与y轴平行放置。透镜5由于是柱面透镜，产生的不是点聚焦而是与纵轴y平行的直线聚焦。在透镜5的焦面A上放置一个空间滤光片6，其基本上呈与纵轴y平行方向上延伸的细长形状。
空间滤光片6可以由棒或经校准的细丝很便利的构成，棒或丝的宽度要根据具体的要求予以选定在得到足够好的通过空间滤光片限定辐射能力与同时具有足以用于检测的光强之间达到良好平衡。这个空间滤光片可以以简单的方式将其相对的两端固定在该仪器上。空间滤光片6可以由任何材料制作；至少空间滤光片面对柱面透镜5的表面6a是不透光的。例如，空间滤光片6可以由黑色的或黑化的金属丝构成。
最好细丝4设置在透镜5的前焦距上。
采用柱面会聚透镜5取代常规的球面透镜，其好处是它能够对提取图象轮廓的光学方法的实用性质带来重大改进。考虑了照射细丝4的平行扩大光束2a的波前。没有受任何特定理论的限制，申请人所进行的实验结果表明，在物体4轮廓“提取”的光学方法中相对于使用球面会聚透镜的常规装置来说，使用柱面透镜得到的最终图象对照射波前中存在的可能的不均匀性不敏感，其在于在沿纵轴y光线分布中可能的不均匀性由于不受X2平面中透镜5作用的影响而未增加残留背景亮度。这就消除了一个重要的光学噪音因素。
因此就能够使用并非理想化的准直光源1，如低功率，例如约3mw的激光二极管1，其空间发射光通常是非均匀的。如果激光二极管1发射的光辐射电场极化轴沿透镜的竖直轴X取向的话。得到的结果更好；在这些条件下，得到的残留背景干扰最小，有用的信号最大。
从工业用的观点看将会理解到，如在引用的F.Docchio等人刊物中所建议的那样，使用激光二极管代替管式激光源极大地减少了仪器的总成本和整体尺寸。
在实验上已经证明，由于使用了柱面透镜5，即使使用非理想化光源(低功率激光二极管)并且不使用滤光片或使发射光均匀的专用光学器件，提取图象中得到的信噪比也是极好的。
另外，球面透镜通常使用点形光阻，这就使其必须固定在一个透明支件上。这就涉及到生产成本更高，可能有透明支件引起的光学象差，在透明支件上可能积聚灰尘，以及难于使点型空间滤光片与球面透镜的焦点对中等缺点。
柱面透镜5能够使图象只沿着要求实施此测量的X轴进行放大。而沿着纵轴y最好是能够得到透镜5(见图2)下游的广阔视场使得能够在与XZ平面平行的平面中得到该物体最大可能数量的段数。在这些段上能够分别同时进行最大可能数量的测量。柱面透镜达到了这一条件，而球面透镜则不可避免地使图象在x和y方向上放大，从而使物体4可能的重复性测量限制在长度非常小的一段上。
通过空间滤光片6的光线2c，2d聚焦在光敏电子器件8上。后者置于另一会聚透镜7的焦面B上使其前焦点，如根据光学几何定律所知道的那样，与柱面透镜5的后焦点相重合。得到的放大等于两个透镜的焦距之比。
处在穿过柱面透镜5通路内而又未沿y方向(图4)偏离的光线会聚在光敏屏幕8上的球面透镜7的焦面F上。在图1和2中说明的细丝4实例中，通过空间滤光片6的两个光束2c和2d各自被会聚在光敏装置8上的相应点C，D上。
由于采用了柱面透镜5，聚焦在光敏装置8上的合成图象通常由n个光点构成，每个光点与物体4中的n个直线边界中的一个相对应，同时全部沿X轴排列。点C，D之间的相对距离与物体的实际尺寸成比例。
重要的是，借助于根据本发明仪器的结构，在仪器视场内有关整段边沿—沿y轴延伸的—所有信息都同时瞬时地会聚在聚焦在光敏装置8上的各点上。
实际上，在每个点可检测到的光强空间分布并不是一个点而是呈高斯分布，它是视场内沿X轴所取的、发自属于物体4一个边界各个点的各无限小贡献的积分求和。
这种高斯分布的强度和范围表示正被测量物体4的一段边界各点所作贡献的均匀程度。这些参数检测出在所观测的这段中，物体4轮廓中是否存在缺陷或不均匀。
根据本发明的仪器能够很方便地用来对运动中的物体进行测量，例如测量沿纵轴y前进的细丝4的直径。应当指出，用适当电子单元将光图象转换成信号(数字或模拟信号)并对其进行处理所用的时间尽管很短，但并不等于零。为了保证沿y轴移动的物体4的测量是连续的，或该物体外观的所有点都已被处理，除了非监测区的可能性以外，达到这样的情况就足够了仪器的视场至少等于在图象转换和处理所用的总时间内物体4以其最大速度所移动的距离。
由于在本发明所采用的光学结构中引入了这些简化，使用线性电子传感器作为光敏装置8就足够了。其原因使提取所需测量结果所必须的所有信息都包括在沿X轴的一条直线严格设置的一系列点上。电子传感器8以确定的方式很方便地安装在仪器上。
如果待测物体4达到在光敏装置8上产生一个单个点的程度(例如在金属板的情况下，对其单个边沿位置进行精确测量)，那么可以使用精度效果和响应速度都很好的PSD(位置灵敏探测器)型的线性光电二极管。
另一方面，如果有两个点(例如为了得到细丝直径的测量结果)，或多于两个点，那么可以使用线性CCD(电荷耦合器件)，它能够提供真实代表入射在其敏感表面上光图象的空间分布的电信号。
上述说明的意图不是使本发明限制在这里所说明的实施方案，它只是作为本发明测量仪器的举例。另一方面，本发明允许对仪器部件的形式，配置，数量，以及结构和功能元件进行修正。
权利要求
1.测量物体(4)的仪器，物体(4)至少有一个与给定方向(y)平行、基本上呈直线的轮廓或边界(4a、4b)，该仪器包括激光源(1)，其能够发射照射到所说的至少一个边界或轮廓(4a、4b)上的辐射(2、2a)；-第一会聚透镜装置(5)，其置于物体(4)的下游；-空间滤光片装置(6)，其置于第一会聚透镜(5)的焦面(A)上；-第二会聚透镜装置(7)，其置于空间滤光片装置(6)的下游；-光敏装置(8)，其置于第二会聚透镜装置(7)的焦面(F)上；其特征在于所说的第一会聚透镜装置(5)包括至少一个柱面透镜(5)，其准线与所说的给定方向(y)相平行。
2.根据权利要求1的仪器，其特征在于所说的激光源(1)包括激光二极管。
3.根据权利要求2的仪器，其特征在于所说的激光二极管适于发射在与所说给定方向(y)相垂直的平面(xy)中偏振的辐射(2)。
4.根据权利要求3的仪器，其特征在于所说的激光二极管是低功率激光二极管。
5.根据权利要求1的仪器，其特征在于空间滤光片装置(6)在与所说的给定方向(y)相平行的方向上呈细长形状。
6.根据权利要求5的仪器，其特征在于空间滤光片装置(6)包括基本上呈丝状或棒状的元件。
7.根据权利要求1的仪器，其特征在于所说的光敏装置(8)包括至少一个沿与所说的给定方向(y)相垂直的方向(x)定向的PSD型线性光敏二极管。
8.根据权利要求1的仪器，其特征在于所说的光敏装置(8)包括至少一个沿与所说的给定方向(y)相垂直的方向(x)定向的线性CCD传感器。
全文摘要
测量至少有一个直线边界或侧面(4a、4b)与给定方向(y)平行的物体(4)的仪器，其包括激光源(1)它发射的辐射(2、2a)照射到所说的边界或侧面上；第一柱面会聚透镜(5)，其准线与方向(y)平行，置于物体(4)的下游；空间滤光片(6)置于第一会聚透镜(5)的焦面(A)；第二会聚透镜(7)置于空间滤光片(6)的下游；及光敏装置(8)，其置于第二会聚透镜(7)的焦面(F)。
文档编号G01B11/10GK1463355SQ02802049
公开日2003年12月24日 申请日期2002年4月5日 优先权日2001年4月11日
发明者E·M·皮里诺利 申请人:平面系统有限公司