确定表面和厚度的制作方法

专利名称：确定表面和厚度的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于确定被测量的物体的表面的方法、和用于确定被 测量的物体的厚度的方法。此外，本发明涉及用于确定被测量的物体 的表面的测量装置、和用于确定被测量的物体的厚度的测量装置。
背景技术：
例如，在造纸时，纸张的厚度是从移动的纸幅(paper web)测 量的。在该测量中，可以使用测量装置的传感器接触纸张的表面的方 案，或传感器不接触表面的方案。不接触表面的方案包括电容测量和 光学测量。传感器接触被测量的表面可能产生表面误差，因此要避免 其中传感器接触被测量的物体的表面的方案。
光学测量使用色差来确定被测量的表面。在该方案中，光通过光 学元件在表面上聚焦，所述光学元件的焦距与以已知的方式取决于光 的波长。使用同一光学元件将由表面反射的光同轴地收集到检测器。 检测器可以是光i瞽分析器，分析反射光的光镨。使表面最佳对焦的波 长也被最有效地反射，并且其表示光语中的最高强度。因为基于测量 装置的尺寸变化，该波长的焦点的位置是已知的，所以其有助于限定 表面的位置。如果在纸张的两面确定表面，则也可能测量物体的厚 度。
然而，使用色差的已知方案存在问题。当被测量的物体为漫射材 料时，光不仅在表面上被反射，还在物体内部被反射。这导致了测量 误差。例如，在光较少穿透的被测量物体中，测量系统地给出了比在 光较多地穿透的相同厚度的被测量物体中更大的厚度。已经试图通过 根据被测量物体的材质改变测量结果来计算地校正测量误差。然而， 对测量结果的大量校正减少了测量准确度和可靠性，并且不能准确地
10测量没有预先确定的物体。

发明内容
本发明的目的是实现一种用于确定被测量的物体的表面的方法、 和用于确定被测量的物体的厚度的方法，以及实现这些方法的测量装 置。
这是通过用于使用光辐射确定被测量的物体的表面的测量装置实
现的。该测量装置包括光源；光辐射处理单元，被设置为以这样的 方式将光源的不同波长的光辐射从与被测量的表面的法线不同的方向 引导至被测量的物体，使得不同波长聚焦在被测量的表面的法线的方 向上的不同高度处；检测器，光辐射处理单元被设置为至少从与被测 量的表面的法线不同的镜面反射的方向，将光辐射处理单元被设置为 从被测量的物体接收到的光辐射引导至该检测器；信号处理单元，被 设置为基于检测器提供的信号从检测到的光辐射确定光辐射的强度最 高的波长，并使用确定的波长来确定被测量的表面的位置。
本发明还涉及用于测量被测量的物体的厚度的测量装置。为了测 量第一表面，测量装置包括光源；光辐射处理单元，被设置为以这 样的方式将光源的不同波长的光辐射从与被测量的表面的法线不同的 方向引导至被测量的物体，使得不同波长聚焦在被测量的表面的法线 的方向上的不同高度处；检测器，光辐射处理单元被设置为至少从与 被测量的表面的法线不同的镜面反射的方向，将辐射处理单元被设置 为从被测量的物体接收到的光辐射引导至该检测器；以及信号处理单 元，被设置为基于检测器提供的信号从检测到的光辐射确定光辐射的 强度最高的波长，并使用确定的波长来确定被测量的表面的位置。为 了测量被测量的物体的第二面，测量装置包括第二面光源 (second-side optical source); 第二面光辐射处理单元，被设置为 以这样的方式将光源的不同波长的光辐射从与被测量的表面的法线不 同的方向引导至被测量的物体，使得不同波长聚焦在被测量的表面的 法线的方向上的不同高度处；第二面检测器，光辐射处理单元被设置为至少从与被测量的表面的法线不同的镜面反射的方向，将光辐射处 理单元被设置为从被测量的物体接收到的光辐射引导至该第二面检测
器；以及信号处理单元，被设置为基于第二面检测器提供的信号从检 测到的光辐射确定光辐射的强度最高的波长，并使用确定的波长来确 定被测量的第二表面的位置；并且该信号处理单元被设置为通过确定 的表面的位置测量被测量的物体的厚度。
本发明还涉及用于通过光辐射确定被测量的物体的表面的方法。 该方法包括以这样的方式将不同波长的光辐射从与被测量的表面的 法线不同的方向引导至被测量的物体，使得不同波长聚焦在被测量的 表面的法线的方向上的不同高度处；至少从与被测量的表面的法线不 同的镜面反射的方向接收光辐射；从接收到的光辐射中确定接收到的 光辐射的强度最高的波长；并且通过确定的波长来确定被测量的物体 的表面的位置。
本发明还涉及通过使用光辐射测量被测量的物体的厚度的方法。 该方法包括以这样的方式将不同波长的光辐射从与被测量的笫一表 面的法线不同的方向引导至被测量的物体，使得不同波长聚焦在被测 量的第一表面的法线的方向上的不同高度处；至少从与被测量的第一 表面的法线不同的镜面反射的方向接收光辐射；从接收到的光辐射中 确定接收到的光辐射的强度最高的波长；以及通过确定的波长来确定 被测量的第一表面的位置；以这样的方式将不同波长的光辐射从与被 测量的第二表面的法线不同的方向引导至被测量的物体，使得不同波 长聚焦在被测量的第二表面的法线的方向上的不同高度处；至少从与 被测量的第二表面的法线不同的镜面反射的方向接收光辐射；从接收 到的光辐射中确定光辐射的强度最高的波长；以及通过确定的波长来 确定被测量的第二表面的位置；以及使用确定的表面的位置来确定被 测量的物体的厚度。
从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。
本发明的方法和测量装置提供了若干优点。可以减少干扰测量的 来自被测量的物体内部的漫反射。因此，无论是否存在漫反射，都可以准确地测量被测量的物体的表面和厚度<
中:


现在参照附图通过优选实施例来更加详细地描述本发明，在附图
图l示出了其检测器接收色散的光辐射的测量装置； 图2示出了其检测器接收非色散的光辐射的测量装置； 图3示出了具有反射器的测量装置； 图4示出了光辐射处理部 图5示出了光辐射处理部； 图6示出了测量的归一化； 图7示出了物体厚度的测量；
图8示出了通过分束器、两个不同的滤波器、以及两个检测器的 光i普检测；
图9示出了滤波器渗透性(filter permeability);
图10示出了检测的光i脊；
图ll是光辐射的调制的实例；
图12示出了使用焦点线系统的测量；
图13是表面确定方法的流程图；以及
图14是厚度测量方法的流程图。
具体实施例方式
尽管对非漫射材料进行了测量，但是本方案也可以具体应用于测 量漫射材料。漫射材料包括其表面(或厚度)需要被确定的纸张、织 物、涂覆有漫射材料的金属、皮肤、各种粉末。
让我们现在通过图l检查本方案，在图中，测量装置包括彼此分 离的发射机部100和接收机部102。发射机部100包括光源104和第 一光辐射处理部106。在该应用中，光辐射是指其波段在紫外线辐射 (波长约为50 nm)和红外线辐射(波长约为1 mm)之间的电磁辐
13射。接收机部102包括检测器108和第二光辐射处理部110。光辐射 处理部106和110形成了光辐射处理单元112，其中光辐射处理部 106以这样的方式从与纟皮测量的表面116的法线118不同的方向将来 自光源的不同波长的光辐射引导至被测量的物体114，使得不同波长 被引导至(聚焦在)被测量的表面116的法线118的方向上的不同高 度处。尽管表面像其通常一样粗糙，但是法线是指例如通过对大量有 代表性的法线求平均而获得的平均法线方向。 一些波长可以在被测量 的物体114上方聚焦，而一些在其内部聚焦。光辐射可以通过光辐射 处理部106中的棱镜或栅格被色散为分离的波长。反过来，可以使用 一个或多个透镜或反射镜将不同波长聚焦在不同的焦点126上来完成 引导。
测量装置包括至少一个偏振器120、 122。因为可以仅用一个偏 振器工作，发射机部100的偏振器122不一定需要，而偏振器120可 以使从被测量的物体114反射的光辐射偏振为垂直于被测量的表面 116的法线118。于是，光辐射的电场的振动相对于表面116的法线 118具有垂直分量。当使用几个偏振器时，所有偏振器的偏振方向都 相同。 一个或多个偏振器削弱了来自被测量的物体114内部的光辐 射，因为在被测量的物体114内部，偏振减弱或消失。从表面反射的 光辐射是偏振的或保持其偏振。
在该应用中，反射是指其中反射可能发生在光滑或粗糙表面上的 镜面反射和漫反射。此外，在本文中反射还指散射、折射和反射来自 被测量的物体内部的辐射。在一个实施例中，光辐射可以被引导至表 面，并以布鲁斯特角被接收，由此光辐射被最有效地偏振，就像是在 表面上被反射的一样。
光辐射处理单元112的光辐射处理部110可以通过一个或多个透 镜或反射镜将接收到的偏振光辐射聚焦到检测器118。以这样的方式 引导光辐射处理部110和检测器108并确定光辐射处理部110的数值 孔径和检测器108的尺寸，使得可以至少从被测量的物体114的镜面 反射的方向接收偏振光辐射。在图l的情况下，不同波长的色散光辐射的焦点在检测器108上平行。由于该原因，例如，可以用线检测器 来检测图1的方案中的不同波长。因此，每一个波长都被引导至线检 测器的一个检测器元件。
由检测器108根据光辐射产生的电信号可以被馈送到信号处理单 元124，该信号处理单元124根据接收到的光辐射限定接收到的光辐 射的强度最高的波长。相似地，信号处理单元124可以使用确定的波 长来确定被测量的物体114的表面116的位置。被测量的表面116的 限定基于预先知道每一个波长在哪个距离被聚焦、以及假设从焦点反 射的波长是最强的。
图2示出了一种方案，其中第二光辐射处理部IIO还包括色散部 件，诸如棱镜或栅格，使用该色散部件可以组合沿不同路线传播的光 辐射的波长。然后，不同的波长在检测器108处到达同一焦点，并且 检测器108可以为仅一个元件。
图3示出了一种方案，其中测量装置包括具有共用发射机部100 和接收机部102的光辐射处理单元112。在该方案中，以与图2的情 况一样的方式进行从光源104到被测量的物体114的、以及到光辐射 处理部IIO上的光辐射的传播。然而，从被测量的物体114反射一次 的光辐射没有直接传播到检测器108，而测量装置包括反射器300, 该反射器300将从被测量的物体114反射的光辐射反射回被测量的物 体114,以便经由第二光辐射处理部110从被测量的物体114向第一 光辐射处理部106和光源104反射。在图3的方案中，测量装置包括 分束器302，该分束器302将至少部分向光源104引导的光辐射向检 测器108引导。分束器302可以是偏振分束器，在该情况下，分束器 302也偏振向被测量的物体114引导的光辐射，并且不需要分离的偏 振器120和122。于是，分束器302也可以将来自接收方向的所有偏 振光辐射引导至检测器108。
可供选择的是，分束器302可以基于仅以想要的比率分布光功 率，由此分离的光束通常获得相同的光功率。在这样的情况下，需要 分离的偏振器102、 122中的任何一个。
15图4示出了光辐射处理部106。为了以不同的方式将来自光源 104的不同波长的光辐射引导至被测量的物体114，第一光辐射处理 部106可以包括色散部件400，该色散部件400祐^设置为非轴向地色 散被引导至被测量的物体114上的光辐射。因此，用色散部件400沿 不同于第一光辐射处理部106的光轴402的方向色散光辐射，由此至 少部分地沿被测量的表面116的法线118的方向引导色散，即波长的 分布。焦点的方向不必一定与表面116的法线118平行，但该方向具 有共同的向量分量(即焦点既不是水平的，也不在光轴上)。在图4 的方案中，色散分量400位于两个聚焦透镜404、 406之间。透镜 404、 406形成了一个聚焦部件408。来自光源104的辐射可以在透镜 之间被准直。色散部件400与聚焦部件408 —起可以将光源104的不 同波长的光辐射聚焦在被测量的表面116的法线118的方向上的不同 高度处。色散部件400可以是棱镜或栅格；代替透镜或除透镜之外， 可以使用聚焦反射镜。可以用透镜组合、反射镜、反射镜组合或所有 这些的组合4戈替透镜404、 406。
图5示出了光辐射处理部110。从被测量的物体114反射的光辐 射可以聚焦在具有聚焦部件508的检测器108上，所述聚焦部件508 包括透镜504、 506。第二光辐射处理部110的焦点可以在被测量的 表面116上或在其附近。在没有色散部件500的情况下，焦点周围的 景深应足够好。
光辐射处理部110也可以包括色散部件500，该色散部件500去 除色散并使沿不同光学路径传播到同 一 焦点的波长能够组合。在第二 光辐射处理部110前方的焦点与第一光辐射处理部106聚焦不同波长 的点(见图1，例如)可以为相同的点。因此，来自被测量的表面 116的反射是有效的。当使用色散部件500时，色散波长在第二光辐 射处理部IIO后方的同一焦点处聚焦，例如在检测器108处，并且可 以用一个检测器元件完成检测。当使用反射器300时，其可以在第二 光辐射处理部110的焦点处，或光辐射可以直接从第二光辐射处理部 110的背部(透镜506)向被测量的物体114反射。第一光辐射处理部106和第二光辐射处理部110可以相同，但透镜404、 406的强度 和色散部件400可以彼此不同。
第二光辐射处理部110可以包括第二色散部件500，该第二色散 部件500从由被测量的物体114反射的光辐射中去除色散。第二光辐 射处理部110可以将非色散形式的光辐射聚焦在检测器108处。
在其中只有光辐射处理部106具有色散部件400，并且没有使用 反射器300的实施例(见图2)中，检测器108可以是线检测器，并 且可以向其元件的每一个引导不同波长的非色散光辐射。在该情况 下，和通常一样， 一个波长是指仅为测量波段的一部分的窄波段。窄 波段可以是例如少于整个测量波段的五分之一的波段。通常，窄波段 仅有纳米或几十纳米宽。可以基于所需的测量准确度来定义窄波段， 或者可以通过测量装置和部件的测量准确度来确定窄波段。
在使用反射器300的实施例(见图3中)，反射器可以通过光辐 射处理部110将光辐射反射回被测量的物体114。然后，第二光辐射 处理部IIO可以将不同波长的光辐射聚焦在被测量的表面116的法线 118的方向上的不同高度处。当光辐射处理部106和110都包括色散 部件400和500时，向检测器108引导非色散光辐射。
图6示出了参考的测量。因为光源104的不同波长的强度不是均 匀分布的，并且不同波长可以具有不同的强度，光源104的强度分布 可以被测量为波长的函数。在这样的情况下，在光源600和光辐射处 理部106之间，可以有一个参考分束器600,该参考分束器600将从 光源104发射的部分光辐射引导至参考检测器602，该参考检测器 602将接收到的光辐射变换为电信号。分束器600也可以是光辐射处 理部106的一部分。信号处理单元124接收电信号。因为信号处理单 元124也接收由检测器108产生的物体114的测量信号，所以信号处 理单元124可以用参考检测器602进行的测量将检测器108进行的测 量归一化。归一化可以指例如将检测器108获得的强度除以参考检测 器602测量的强度。参考分束器600可以与图3中的定向分束器302 相同。定向分束器302也可以用作参考分束器600。图6也示出了这样的实施例，利用该实施例，可以补偿被测量的 物体114的颜色，或总体来讲，被测量的物体114的反射响应。光学 单元604可以将光源104产生的光辐射以非色散形式引导至被测量的 物体114，并且可以用包括检测器的另一个光学单元606接收从其反 射的光辐射。光学单元606可以形成信号处理单元124可以测量的反 射辐射的光镨。光学单元606可以将测量的电信号馈送至信号处理单 元124，并且该单元124可以用下面的至少一项将用检测器108获得 的测量结果归一化参考检测器124的测量结果、光学单元606的测 量结果。
图7示出了其中以上述方式测量物体的两个表面116、 116B的 实施例。于是，光源以这样的方式通过光辐射处理部106将光辐射引 导至被测量的物体114，使得不同波长在被测量的表面116的法线 118的方向上的不同距离处聚焦。光辐射经过例如偏振器120从被测 量的物体114反射到光辐射处理部110。也可以使用两个偏振器 120、 122。光辐射处理部110将反射的光辐射引导至检测器108。检 测器108将测量信号馈送至信号处理单元124，以便表面确定。可以 使用分束器600、参考检测器602、和信号处理单元124来测量光源 104的相对于波长的强度分布。代替一个或多个偏振器120、 122，或 作为它们的补充，分束器600可以是偏振器。
相应地，可以通过在,皮测量的表面116B的法线118B的方向上 的不同距离处聚焦由光源104B和光辐射处理单元106B产生的不同 波长来确定被测量的物体114的第二表面116B。光辐射从被测量的 物体114经过例如偏振器120B被反射至光辐射处理部IIOB。也可以 使用两个偏振器120B、 122B。光辐射处理部110将反射的光辐射引 导至检测器108B。检测器108将测量信号馈送至信号处理单元 124，以便表面确定。可以使用分束器600B、参考检测器602B和信 号处理单元124来测量光源104B的相对于波长的强度分布。代替一 个或多个偏振器120B、 122B，或作为它们的补充，分束器600B可 以是偏振器。被测量的物体下方的每一个块104B到IIOB、 120B、
18122B、 600B、 602B都与图l至6中的由附图标记104至110、 120、 122、 600、 602表示的块相同。自然地，图7中的块104至110、 120、 122、 600、 602也与之前的图中的那些块相似，但图7中的顶 测量部不必一定与底测量部相同。例如，可以在被测量的物体上方使 用两个偏振器，而在其下方可以仅使用一个偏振器120B。图7示出 了在被测量的物体上方和下方，存在对应于图2的一个测量原理。自 然地，也可以在上方或下方、或在两处使用对应于图3的测量原理， 其中使用了反射器300。
当已经相对于顶测量部确定了顶表面的位置Ih，并且已经相对 于底测量部确定了底表面的位置h2时，并且当顶和底测量部之间的 预定的距离H已知时，可以通过例如从距离H减去表面位置l^和h2 的值来确定被测量的物体114的厚度T，也就是说T = H-h2)。
图8示出了通过两个检测器部的检测。检测器108可以包括检测 器分束器800，该检测器分束器800按照已知的比率将其从被测量的 物体114接收到的光辐射分配给两个检测器部802和804。滤波器 806、 808在检测器部800、 802的前面，以便如图9所示对到达检测 器的辐射进行滤波。该方案也可以应用于参考检测器602。
图9示出了相对于波长的滤波器的通过曲线。垂直轴示出了强度 I，水平轴示出了波长入。曲线900示出了滤波器806的相对于波长 的响应，曲线902示出了滤波器808的相对于波长的响应。滤波器 806可以对短波长比对长波长通过得较少；相反，滤波器808可以对 长波长比对短波长通过得较少，并且曲线可以是线性的。对于测量中 使用的波段，滤波器806的响应总体上与滤波器808的响应不同。当 将两个检测器对于每一个波长所检测的光功率(或强度)相加，并除 以检测的光功率的差时，从被测量的物体114的表面116反射的波长 在这样形成的相对强度中为最大的相对强度。可以数学地创建下述公
式，例如Prel = PdetA- PdetB: PdetA+PdetB，其中Prd是指相对强度 (或光功率)，PdetA是指检测器800检测的光功率，PdetB是指检测器802检测的光功率。以更简单的方式，可以通过除以每一个检测器 检测的光功率来形成相对强度，也就是说，Prel-PdetA: PdetB。
图10示出了测量的光镨，其将强度I表示为波长入的函数。当 信号处理单元124找到具有最高强度的Xmax时，可以通过使用例如
线性计算hl = k'入max来确定被测量的表面116 (或116B)与预定点 的距离，其中k为预定常数。最高强度与波长入，x的相互关系也可
以是非线性的，但为了确定表面的位置，只要知道相互关系就足够 了。
图11示出了调制光辐射的实例。由光源104发射的光辐射可以
被调制。可以使用机械、电光、磁光、或声光斩波器/调制器执行调 制，或者可以电子地(例如，在二极管中)进行调制。调制可以是时
分的，由此光源104规律地、伪随机地或随机地发射光脉冲。规律地 发射脉冲可以指重复地、有规律地发射预定脉冲图形1100，或最简 单地，以所需频率发射脉冲。预定脉沖图形的脉冲之间的间隔可以是 规则的或不规则的。在脉冲之间，光源104根本不发射光辐射，或者 光脉冲之间的光功率低于脉冲期间的光功率。信号处理单元124可以 控制调制，并相应地以同步方式解调来自检测器108的信号。当使用 调制时，干扰对于测量的影响减小了。当在其两面上测量物体114 时，使用调制可能是有益的。于是，可以在不同时间将光辐射引导至 被测量的物体114的不同面，或使用不同的调制。用这种方法，来自 相对面的光辐射不会干扰测量。
图12示出了一个实施例，其中光辐射处理部106与聚焦光学部 件404、 406和色散部件400可以一起形成一个焦点线系统1200，代 替多个焦点，其中每一个波长在其自己的线上聚焦。因此，光源是点 或线光源。可以使用具有球形表面的透镜，或在一些情况下甚至使用 柱形透镜作为聚焦部件404、 406透镜。相应地，光辐射处理部110 可以包括光学部件504、 506、以及沿;故测量的表面116的法线的方 向分割焦点线系统1200的色散部件500。
测量中使用的每一个波长都可以同时地、或在不同时间被引导至被测量的物体114。可以按照小组(或波段)或一次一个波长地将波 长引导至被测量的物体114。可以使用合适的、可替换的或可调的滤 波器来形成每一个波长或波段，或者光源的波段可以被扩展为测量波 段。例如，LED波段可以是20 nm，其可以被扩展为500 nm到650 nm的测量波段。例如，激光器的单色波长也可以被扩展为几十或几 百纳米。
光源104可以包括白炽灯、气体放电灯、囟素灯、LED或具有 可调的波长的激光器等。光源104还可以包括光纤，在该情况下，产 生光辐射的实际单元可以远离光辐射处理单元106和被测量的物体 114。
检测器108又可以包括形成光镨的任何装置，例如摄语仪。在图 8的方案中，检测器还可以包括PIN 二极管、APD (雪崩光电二极 管)、LDR (光敏电阻)、光电倍增管、CCD (电荷耦合器件)单 元、CMOS (互补金属氧化物半导体)单元、热检测器 (pyrodetector)等。检测器108还可以包括光纤，利用该光纤，光 辐射可以被传送到实际检测单元。
图13示出了确定被测量的物体的表面的方法的流程图。在步骤 1300中，不同波长的光辐射以这样的方式从与被测量的表面116的 法线118不同的方向被引导至被测量的物体114,使得不同波长聚焦 在被测量的表面116的法线118的方向上的不同高度处。在步骤 1302中，从被测量的物体114反射的光辐射可以被偏振为垂直于被 测量的表面116的法线118的方向。在步骤1304中，至少从与被测 量的表面116的法线118不同的镜面反射的方向接收偏振的光辐射。 在步骤1306中，从接收到的光辐射中确定接收到的光辐射的强度最 高的波长。在步骤1308中，通过确定的波长来确定被测量的物体 114的表面116的位置。
图14示出了确定被测量的物体的厚度的方法的流程图。在步骤 1400中，不同波长的光辐射以这样的方式从与被测量的第一表面116 的法线118不同的方向被引导至被测量的物体114，使得不同波长聚
21焦在被测量的表面116的法线118的方向上的不同高度处。在步骤 1402中，从被测量的物体114反射的光辐射可以被偏振为沿垂直于 被测量的第一表面116的法线118的方向。在步骤1304中，至少从 与被测量的第一表面116的法线118不同的镜面反射的方向接收偏振 的光辐射。在步骤1406中，从接收到的光辐射中确定接收到的光辐 射的强度最高的波长。在步骤1408中，通过确定的波长来确定被测 量的表面116的位置。在步骤1410中，不同波长的光辐射以这样的 方式从与蜂皮测量的第二表面116B的法线118B不同的方向4皮引导至 被测量的物体114,使得不同波长聚焦在被测量的第二表面116B的 法线118B的方向上的不同高度处。在步骤1412中，从被测量的物 体114反射的光辐射可以被偏振为沿垂直于被测量的第二表面116B 的法线118B的方向。在步骤1414中，至少从与被测量的第二表面 116B的法线118B不同的镜面反射的方向接收偏振的光辐射。在步 骤1416中，从接收到的光辐射中确定接收到的光辐射的强度最高的 波长。在步骤1418中，通过确定的波长来确定被测量的第二表面 116B的位置。在步骤1420中，通过表面116、 116B的确定的位置来 确定:f皮测量的物体114的厚度。
尽管在上文根据附图就实例描述了本发明，但是显而易见的是， 本发明不限于这些实例，并且可以在所附权利要求的范围内以多种方 式进行变形。
权利要求
1.一种使用光辐射来确定被测量的物体的表面的测量装置，其特征在于，该测量装置包括光源(104)；光辐射处理单元(112)，被设置为以这样的方式将光源(104)的不同波长的光辐射从与被测量的表面(116)的法线(118)不同的方向引导至被测量的物体(114)，使得不同波长聚焦在被测量的表面(116)的法线(118)的方向上的不同高度处；检测器(108)，光辐射处理单元(112)被设置为至少从与被测量的表面(116)的法线(118)的方向不同的镜面反射的方向，将光辐射处理单元(112)被设置为从被测量的物体(114)接收到的光辐射引导至该检测器(108)；信号处理单元(124)，被设置为基于检测器(112)所提供的信号从检测到的光辐射中确定光辐射的强度最高的波长，并使用确定的波长来确定被测量的表面(116)的位置。
2. 如权利要求1所述的测量装置，其特征在于该测量装置包 括至少一个偏振器(120， 122， 302 ),并且至少一个偏振器被设置 为以垂直于被测量的表面(116)的法线(118)的方向偏振从被测量 的物体(114)反射的光辐射。
3. 如权利要求1所述的测量装置，其特征在于光辐射处理单 元(112)包括第一光辐射处理部(106)，用于将光辐射引导至被测 量的物体(114);以及第二光辐射处理部(110)，用于将从被测量 的物体(114)反射的光辐射引导至检测器(108)。
4. 如权利要求1所述的测量装置，其特征在于光辐射处理单 元(112)包括第一光辐射处理部(106)、第二光辐射处理部(110)、反射器(300)和定向分束器(302);第一光辐射处理部(106)被设置为将光辐射引导至被测量的物 体(114);第二光辐射处理部(110)被设置为将从被测量的物体(114)反 射的光辐射引导至反射器(300)，所述反射器(300)被设置为将从 被测量的物体(114)反射的光辐射经过第二光辐射处理部(110)反 射回被测量的物体(114)，所述第二光辐射处理部(110)被设置为 以这样的方式将不同波长的光辐射从与被测量的表面(116)的法线 (118)不同的方向引导至被测量的物体(114)，使得不同波长聚焦 在被测量的表面(116)的法线(118)的方向上的不同高度处，同时 一个波长聚焦在被测量的表面(116)上；第一光辐射处理部(106)被设置为将从被测量的物体(114)反 射的光辐射向光源(104)引导；以及定向分束器(302)被设置为将向光源(104)引导的至少部分光 辐射引导至检测器(108)。
5. 如权利要求2所述的测量装置，其特征在于分束器(302) 被设置为用作偏振器。
6. 如权利要求3所述的测量装置，其特征在于第一光辐射处 理部(106)包括色散部件(400)，该色散部件被设置为非轴向地色 散被引导至被测量的物体(114)的光辐射；第一光辐射处理部(106)包括第一聚焦部件(408)，该第一聚 焦部件被设置为将非轴向色散的光辐射的不同波长聚焦在被测量的物 体(114)的表面(116)的法线(118)的方向上的不同高度处；以 及第二光辐射处理部(110)包括第二色散部件(500)，该第二色 散部件被设置为从由被测量的物体(114)反射的光辐射中去除色 散；以及第二光辐射处理部(110)包括第二聚焦部件(508)，该第二聚 焦部件被设置为将非色散形式的光辐射聚焦到检测器(108)。
7. 如权利要求3所述的测量装置，其特征在于第一光辐射处 理部(106)包括色散部件(400),该色散部件被设置为非轴向地色 散被引导至被测量的物体(114)的光辐射；第一光辐射处理部(106)包括第一聚焦部件(408)，该第一聚 焦部件被设置为将不同波长的非轴向色散的光辐射聚焦在被测量的物 体(114)的表面(116)的法线(118)的方向上的不同高度处；以 及第二光辐射处理部(110)包括第二聚焦部件(508)，该第二聚 焦部件被设置为将非色散形式的光辐射聚焦到检测器(108)。
8. 如权利要求4所述的测量装置，其特征在于第一光辐射处 理部(106)包括色散部件(400)，该色散部件被设置为非轴向地色 散被引导至被测量的物体(114)的光辐射；第一光辐射处理部(106)包括第一聚焦部件(408)，该第一聚 焦部件被设置为将非轴向色散的光辐射的波长聚焦在被测量的物体 (114)的表面(116)的法线(118)的方向上的不同高度处；以及第二光辐射处理部(110)包括第二色散部件(500)，该第二色 散部件被设置为从由被测量的物体(114)反射的光辐射中去除色 散，并沿非轴向方向色散从反射器(300)反射的辐射；第二光辐射处理部(110)包括第二聚焦部件(508),该第二聚 焦部件被设置为将从反射器(300 )反射的非轴向色散的光辐射聚 焦在被测量的表面(116)的法线(118)的方向上的不同高度处；第一光辐射处理部(106)被设置为从由被测量的物体(114)反 射的光辐射中去除色散；以及定向分束器(302 )被设置为将非色散的光辐射引导至检测器 (108 )。
9. 如权利要求4所述的测量装置，其特征在于检测器(108) 是线检测器，其中不同波长的非色散光辐射被引导至该线检测器中的 每一个元件。
10. 如权利要求1所述的测量装置，其特征在于测量装置包括 参考分束器(302， 600)和参考检测器(602);参考分束器(302, 600 )被设置为将由光源(104)发射至被测 量的物体(114)的部分光辐射引导至参考检测器(602)，所述参考检测器(602 )被设置为将与接收到的光辐射相对应的电信号馈送至 信号处理单元124;以及信号处理单元(124)被设置为用由参考检测器(602)检测的波 长强度对由检测器(108)检测的波长强度进行归一化。
11. 如权利要求10所述的测量装置，其特征在于定向分束器 (302)被设置为用作参考分束器。
12. 如权利要求1所述的测量装置，其特征在于信号处理单元 (124)被设置为调制光源(104)并解调来自检测器(108)的信号，该信号对应于检测的光辐射。
13. 如权利要求1所述的测量装置，其特征在于检测器 (108)包括第一检测器部(802 )、第二检测器部(804 )、检测器分束器(800 )、第一滤波器(806)和第二滤波器(808);第一滤波器(806 )的响应被设置为在测量波段上与第二滤波器 (808)的响应不同；检测器分束器(800 )被设置为以这样的方式分布从被测量的物 体(114)反射的光辐射，使得部分光辐射通过第一滤波器(806)被 引导至第一检测器部(802)，而部分光辐射通过第二滤波器(808) 被引导至第二检测器部(804);以及信号处理单元(124)被设置为根据由第一检测器部(802)和第 二检测器部(804 )检测的光辐射的比率来确定具有最高强度的波 长。
14. 一种用于测量被测量的物体的厚度的测量装置，其特征在 于，为了测量第一表面的目的，该测量装置包括光源(104);光辐射处理单元(112)，被设置为以这样的方式将光源(104) 的不同波长的光辐射从与被测量的表面(116)的法线(118)不同的 方向引导至被测量的物体(114)，使得不同波长聚焦在被测量的表 面(116)的法线(118)的方向上的不同高度处；检测器(108)，光辐射处理单元(112)被设置为至少从与被测量的表面(116)的法线(118)的方向不同的镜面反射的方向，将光 辐射处理单元(112)被设置为从被测量的物体(114)接收到的光辐 射引导至该检测器(108);以及信号处理单元(124)，被设置为基于检测器(112)所提供的 信号从检测到的光辐射中确定光辐射的强度最高的波长，并使用确定 的波长来确定被测量的表面(116)的位置；以及为了测量被测量的物体(114 )的第二面的目的，测量装置包括'.第二面光源(104B);第二面光辐射处理单元，被设置为以这样的方式将光源 (104B)的不同波长的光辐射从与被测量的第二表面(116B)的法 线不同的方向引导至被测量的物体(114)，使得不同波长聚焦在被 测量的第二表面(116B)的法线(118B)的方向上的不同高度处；第二面检测器(108B)，光辐射处理单元(112B)被设置为 至少从与被测量的表面(116B)的法线(118B)的方向不同的镜面 反射的方向，将光辐射处理单元(112B)从被测量的物体(114)接 收到的光辐射引导至该第二面检测器(108B);以及信号处理单元(124)，被设置为基于第二面检测器(116B) 所提供的信号从检测到的光辐射中确定光辐射的强度最高的波长，并 使用确定的波长来确定被测量的第二表面(116B)的位置；以及信号处理单元(124)，被设置为通过确定的表面(116， 116B)的位置来测量被测量的物体(114)的厚度。
15.如权利要求14所述的测量装置，其特征在于测量装置包 括至少一个偏振器(120， 122, 302)，并且至少一个偏振器(120, 122， 302)被设置为以垂直于被测量的表面(116)的法线(118)的 方向偏振从被测量的物体(114)反射的光辐射；测量装置包括至少 一个第二面偏振器(120B， 122B， 302B)，并且至少一个偏振器 (120， 122, 302)被设置为以垂直于被测量的第二表面(116)的法 线(118)的方向偏振从被测量的物体(114)反射的光辐射。
16. —种用于通过光辐射来确定被测量的物体的表面的方法，其 特征在于以这样的方式将不同波长的光辐射从与被测量的表面(116)的 法线(118)不同的方向引导至被测量的物体(114),使得不同波长 聚焦在被测量的表面(116)的法线(118)的方向上的不同高度处 (1300 );至少从与被测量的表面(116)的法线(118)不同的镜面反射的 方向接收光辐射(1304);从接收到的光辐射中确定接收到的光辐射的强度最高的波长 (1306);以及通过确定的波长来确定被测量的物体(114)的表面(116)的位置。
17. 如权利要求16所述的方法，其特征在于以垂直于被测量 的表面(116)的法线(118)的方向偏振从被测量的物体(114)反 射的光辐射(1302)。
18. 如权利要求16所述的方法，其特征在于沿非轴向方向色 散被引导至被测量的物体(114)的光辐射；将非轴向色散的光辐射的不同波长聚焦在被测量的物体(114 ) 的表面(116)的法线(118)的方向上的不同高度处，同时一个波长 聚焦在被测量的表面(116)上。
19. 如权利要求17所述的方法，其特征在于从接收到的光辐 射中去除色散；从非色散的光辐射中确定接收到的光辐射的强度最高的波长。
20. 如权利要求17所述的方法，其特征在于从接收到的色散 的光辐射中确定接收到的光辐射的强度最高的波长。
21. 如权利要求16所述的方法，其特征在于以这样的方式将 从被测量的物体(114)反射的光辐射反射回被测量的物体(114), 使得光辐射沿与被测量且用于引导的表面(116)的法线(118)不同 的方向从被测量的物体(114)被反射；并引导从被测量的物体(114)反射的光辐射以便接收。
22. 如权利要求16所述的方法，其特征在于将由光源(104) 发射至物体(114)的部分光辐射引导至参考检测器(602);将与由参考检测器(602 )接收到的光辐射相对应的电信号馈送 至信号处理单元124;以及在信号处理单元(124)中，用由参考检测器(602)检测的波长 强度对由检测器(108)检测的波长强度进行归一化。
23. 如权利要求16所述的方法，其特征在于调制由光源 (104)发射的光辐射，并且相应地解调检测信号。
24. —种通过光辐射来测量被测量的物体的厚度的方法，其特征 在于以这样的方式将不同波长的光辐射从与被测量的表面(116)的 法线(118)不同的方向引导至被测量的物体(114)，使得不同波长 被引导至被测量的第一表面(116)的法线(118)的方向上的不同高 度处(1400 );至少从与被测量的第一表面(116)的法线(118)不同的镜面反 射的方向接收光辐射(1404);从接收到的光辐射中确定接收到的光辐射的强度最高的波长 (1406);以及通过确定的波长来确定被测量的第一表面(116)的位置 (1408);以及以这样的方式将不同波长的光辐射从与被测量的第二表面 (116B)的法线(118B)不同的方向引导至被测量的物体(114)， 使得不同波长被引导至被测量的第二表面(116B)的法线(118B) 的方向上的不同高度处(1410);至少从与被测量的第二表面(116B)的法线(118B)不同的镜 面反射的方向接收光辐射(1414);从接收到的光辐射中确定接收到的光辐射的强度最高的波长 (1416);以及通过确定的波长来确定被测量的第二表面(116B)的位置 (1418);以及使用确定的表面(116， 116B)的位置来确定被测量的物体 (114)的厚度(1420)。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于以垂直于被测量 的第二表面(116B)的法线(118B)的方向偏振从被测量的物体 (114)反射的光辐射(1412);以及以垂直于被测量的第一表面(116)的法线(118)的方向偏振从 被测量的物体(114)反射的光辐射(1402)。
全文摘要
光辐射处理单元(112)以这样的方式将从光源(104)发射的不同波长的光辐射从与被测量的表面(116)的法线(118)不同的方向引导至被测量的物体(114)，使得不同波长聚焦在被测量的表面(116)的法线(118)的方向上的不同高度处。可能的偏振器(120，122)以垂直于表面(116)的法线(118)的方向偏振反射的光辐射。光辐射处理单元(112)将其从被测量的物体(114)接收的偏振的光辐射引导至检测器(108)。信号处理单元(124)基于检测器(112)提供的信号从检测到的光辐射确定光辐射的强度最高的波长，并通过确定的波长来确定表面(116)的位置。当从两面测量物体(114)时，被测量的物体(114)的厚度可以使用表面的位置来确定。
文档编号G01B11/06GK101529200SQ200780038629
公开日2009年9月9日 申请日期2007年10月17日 优先权日2006年10月18日
发明者H·克拉内 申请人:芬兰技术研究中心