因彩色共焦测距传感器中的温度引起的测量误差的补偿方法

专利名称：因彩色共焦测距传感器中的温度引起的测量误差的补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种由具有至少一个透镜的光学装置的温度而引起的测量误差的 补偿方法及相应的光学装置。
背景技术：
在工业中的许多领域，如半导体和汽车工业，广泛采用了光学装置。例如，
它们用来非接触地测定位置和进行测量，且必须在-3(TC至+7(TC的温度范围内，才 能保证以可靠和精确的方式工作。然而，由于对特定材料的温度系数的增大，这种 温度的变化导致光学和机械组件的尺寸改变。这大大地降低了测量的精确度。例如， 长度为lOram的铝支架在温度从-20。C升高到+40。C后会膨胀14网。为了补偿这种温
度的影响，已提出使用多种固定结构。
US4919519公开了一种具有透镜装置的系统，所述的透镜在它的位置上根据温 度的变化移动。为此，腔室内盛装了液体，在温度升高的情况下，液体使得透镜装 置沿纵向的光轴移动。结果是，光学装置以聚焦的方式受影响，视温度而定。
DE102006046416 Al所描述的另一种装置也是利用了液体的膨胀。其根据温度 变化通过活塞-气缸单元相对于壳体以驱动光学元件。在操作中，限定了温度系数 的液体装入活塞-气缸单元中。通过适当的调节装置中的单个元件，热影响会在很 大程度上得到补偿。
DE102611973 Al描述了另外的一种方法，其把透镜的管式支架插入中间的支 架。根据使用的尺寸和材料的温度系数来选择支架和中间支架，以致于即使温度改 变，支架和中间支架的膨胀也能相互补偿，而透镜的位置则保持不变。
在公开文本JP58007109 A和W02007/023052 Al所揭示的固定结构中，具有 限定了温度膨胀系数的校正材料设置在探测器元件与包围装置的壳体之间，其接下 来在温度发生改变的情况下调整探测器的位置。结果是，经合适的尺寸量度，光学 系统与探测器之间的距离保持不变。在现有技术中公知的固定结构中，问题在于光学装置和它们的组件在很大程 度上必须相互相对地调整。即使仅仅单个部件更换，或者如果因生产误差而温度系 数发生变动，也仅仅是出现对由温度变化引起的误差的补偿不足。结果是，这种固 定结构最终并不与高成本相关，而表现出对误差的相应的敏感性。此外，采用固定 结构的这种结构，人们必须经常借助于使用特殊且昂贵的材料，以便以合适的方式 相互地调整单个部件。而且，补偿温度变化的其它部件会导致固定结构的增大。除 此之外，这种固定结构不能或仅仅是非常有限地用于具有梯度折射率的透镜的光学 装置中。除了几何尺寸的变化，梯度折射率的透镜的透镜折射率也呈非线性的变化。

发明内容
因此，本发明的任务是实现并进一步设计一种开始提到的那类方法和光学装 置，且进一步地进行配置，以致于可以达到在无需大大地增加结构所需要的资源的 情况下，也能对由温度变化引起的测量误差提供可靠的补偿。
根据本发明，上述任务是通过本发明的权利要求1的特征解决的。根据权利 要求l，进一步研究所述的方法，以致于使多色光线穿过光学装置，再聚焦在由于 透镜的色差而距透镜不同距离的点上，以致于部分光线的光谱至少部分地在光学装 置内反射，再射向检测装置，借助于检测装置测定光谱，然后基于由检测装置测得 的光谱，测定装置的温度，并通过以这种方式测定的温度，补偿由温度变化引起的 测量误差。
而对于本发明的光学装置这个任务，其是通过权利要求6的特征得到解决的。 根据权利要求6，所述的光学装置的特征在于，透镜使多色光线聚焦在位于由于色 差而距透镜的各个不同距离的点上，以致于部分的多色光线的光谱至少部分地在光 学器件的边界上反射。反射的部分光谱能射向检测装置以便测定光谱，这样，评价 单元与检测装置连接，以基于由检测装置测得的光谱测定装置的温度，再补偿由温 度变化引起的测量误差。
首先应该从发明的角度认识到，人们可在很大程度上不做结构测量，也不做 配位几何构型以及温度膨胀系数。利用本发明能避免这些，以致于取决于温度的参 数在光学装置内被确定，这同样适用于对由温度变化引起的测量误差的补偿。
为此，多色光线射入光学装置，再聚焦在由于光学装置的至少一个透镜的色 差而距透镜的不同距离的点上。色差描述了投影光学系统的特性，根据这个特性，视波长而定，多色光线通过透镜以程度可变地进行折射。结果是，沿着透镜的光轴 产生了一系列位于透镜前面的焦点。这种分成多个焦点的方式也适用于测量距离。
W02006/122519A1公开了一种合适它的固定结构。采用这个结构，通过透镜的色差 把光谱分开的多色光线射向测量的目标物，并由目标物反射。反射的光线通过光学 导体和光圈到达光谱仪，其用于测定光谱。通过特别设计的固定结构，反射的多色 光线的光谱分量基本上到达了光谱仪，且已经尽可能准确地在测量目标物的表面上 聚焦。结果是，能够测量出到测量目标物的距离。
根据本发明，这种效果可不仅仅用于测量距离。而是色差也可用于确定参数， 所述的参数表示由于温度变化而引起的光学装置的测量误差的测量值。为此，在光 学装置内使用了反射，其无论如何都会习惯性地沿着光学器件的边界面产生。以这 种方式，多色光线的部分光谱能在光学装置内反射，并射向检测装置。在检测装置 中，测量反射光的光谱，所述的光谱视装置的温度而变化。因此，基于检测装置测 到的光谱，以反序可测量装置的温度。利用这个信息，可顺序地补偿由温度变化引 起的测量误差。
通过装置的特殊设计，不需要单独的温度传感器，因为仅仅在传感器内进行 测量，即光学装置内进行测量。为此，在过程中不影响光学装置的实际操作中，反 而是利用了不想要的光学装置的寄生效应。
对于由检测装置测量的光谱分配给装置的温度，可采用多种方法。查找表作 为可能相对有效的资源。为此，把光谱分量与各自对应的装置的温度之间的分配值 储存在査找表中。利用装置的各自的温度分配值，可以从由检测装置确定的光谱中 抽出光谱分量，其通常仅仅由光谱线或窄的光谱区组成。接下来，相应的温度可从 査找表中读出。
或者，可以在光谱与装置的温度之间建立函数关系。这种分配只需要更少的 储存空间，且通常更准确，因为不存在对基本值的数量限制。然而，它却需要更大 的计算能力，以便在函数关系的基础上确定温度，但是这在许多的实际应用中都可 能不是问题。用这种方法在使用查找表时也要确定温度。根据抽出的光谱分量的值， 它们将会是函数相关，并因此进行计算。在本文中，函数关系可通过微型计算机或 类似的器件得到解决。
在确定装置的温度之后，它用来补偿由温度变化引起的测量误差。较佳地， 其通过与温度相关的修正项来进行，可加入由光学装置确定的测量值中。本文中，测量次数的增加或减少取决于修正各组成部分的引导标志，籍此补偿光学装置的测 量误差。然而，补偿也可以通过乘以其它修正项或通过用其它修正项的乘数或使用 其它的查找表来完成。使用附加査找表，可根据温度变化把参考值赋于测量，该参 考值基于校准测量获得。或者，也可以通过操纵光学装置以完成补偿。因此，用透 镜驱动器、检测器或其它光学器件产生移动在原则上都可行或者用光学器件来影响 特性。最后，现有技术中也存在多种公知的方法以补偿由温度变化引起的测量误差。
对于査找表、函数关系或修正项的确定，可使用校正测量。为此，可在测量 位置调整光学装置，并调整到气候箱中所限定的温度。在此，可以遍及进行光分配 的整个温度范围。此外，可以改变光学装置的整个测量范围，以致于视温度的变化， 知道相应的实际参数。基于这些校正的测量值，得出属于温度的光谱线和各自的内 部反射。而且，还获得了关于温度的测量误差的信息，在它们的基础上，可计算相 应的修正项。最后，利用这些值可用于建立查找表或找出函数关系。
较佳地，除了补偿由温度变化引起的测量误差，也可以进一步补偿其它的误 差。以这样的方式，具有梯度折射率的光学装置将产生其它的误差，尤其是由透镜 的老化作用引起的。总的来说，这些误差尽管留出相对余量，但降低了光学装置的 测量准确性。通过同时利用光学装置测量量值和测量温度，这些误差能很容易地得 到补偿。由于漂移效应，除了测量参数，温度的测量在这种情况下也会受到影响。 结果是，漂移也影响温度测量的准确性。较佳地，两种误差能在很大程度上相互抵 消。
在本发明的一个特别有利的配置中，所述的配置包括已经提到的由
W02006/122519 Al公开的彩色共焦测距传感器。它不仅可以测量目标物的距离， 而且同时可测量传感器的温度。传感器的检测装置可用于实现这两个目标。在由检 测装置确定的光谱中，至少存在两个峰值: 一个峰值是从测量目标物上反射得到的， 另一个是由内部传感器反射引起的明显较小的峰值。后者通常通过传感器的技术性 的尺寸量度定位，以致于它位于光谱的下端(红色区)或者上端(蓝色区)。两个 峰值都受到与温度相关的误差的影响，并包含距离和温度信息。距离信息导致传感 器本身在长度上会扩张。然而，由于传感器的几何形状以及内部传感器的距离都是 公知的，能够轻易地确定由内部传感器反射引起的峰值与温度相关的误差。结果是， 由于距离信息也同样地受误差的影响，距离误差也能依次得到确定。最后，内部传 感器误差不起任何作用，且也在补偿中作综合性的考虑。在光学装置中使用了透镜，较佳的是使用梯度折射率的透镜。梯度折射率的 透镜具有相对任意的几何结构，其特征在于垂直于光线的扩张方向上折射率会逐渐 增大。然而，在大多数情况下，梯度折射率的透镜作成圆柱形，光线沿着圆柱体的 底面和上表面区域出入。结果是，穿过梯度折射率的透镜的光线在透镜内被描述成 部分的正弦曲线。梯度折射率的透镜越长，透镜内所描述的正弦分量就越大。本文 中，色差通过梯度折射率的透镜的延长而增加，其结果是增加了光谱分量的分离。 然而，由于梯度折射率的透镜增加，温度误差也随之增加。但这在某些限度内是可 以接受的，因为这些误差能被测量并通过本发明的方法和本发明的固定结构以非常 简单的方式得到补偿。
较佳地，所述的多色光线使用的是白光源的光线。同样地，在很大程度上简 化了对测量结果的分析。然而，原则上说，也可以使用其它的光源。但是在本文中， 如果光谱分量基本上连续地包含在光源中，这就讲得通。这确保了连续的测量范围 多半可被覆盖。
用于确定光学装置内的装置的温度的反射是发生在光学器件上的。这些光学 器件可通过多种方式形成。因此，例如在产生误差的透镜的下游配置辅助透镜即可 形成光学器件。这个辅助透镜可利用支架来保持，所述的支架的特征是通过选择合 适的材料(如陶瓷或不胀钢)得到最小的温度膨胀率。结果是，在温度变动的情形 下，分析透镜的位置将仅仅以极边际程度变化。
然而，产生色差的透镜本身可形成光学器件。在使用梯度折射率的透镜中， 例如，通过指向测量目标物的透镜的前表面以形成边界面。
在任何情况下反射都是沿着光学器件的边界面产生，多色光线的部分光谱在 所述的边界面上反射。本文中，整个强度的光谱分量通常不沿着边界面反射。它们 也部分地穿过边界面，以致于光谱分量通常只是部分地反射。
如果反射的光的强度不够，也可以给光学器件的边界面涂上合适的层。因此， 反射光线的强度会增加。由于有可能经常知道哪些光谱分量反射光线，因此，涂层 可随这些波长作调整。
较佳的是，测定光学原系统中温度所用的光学器件的边界面定位在多色光线 以光谱分开的区域内，即在产生色差的透镜的下游。然而在本文中，存在由边界面 分配的多个点。因此， 一方面，可以设置装置的测量范围，以致于部分的测量范围 落在光学装置内。结果是，尽管部分的测量范围不能用于实际的测量中，但是这个不能用的范围可以选择到如此的小，以致于仅仅是管理与温度的相关性所导致的变 化。从而以这种方式将不能用的范围保持到最小。反过来，无需另外的传感器，装 置也提供对温度的测量。
或者，边界面也可位于装置的焦距的中间范围内。以这种方式可以设置光学 装置的第一透镜，以使它产生色差并使产生的多色光线聚焦在一系列的焦点上。配 置在下游的第二透镜可用来生成发射光。如果这个第二透镜在第一透镜的焦点区域 的后面，边界区域可设于这个中间的焦距范围，该区域产生用于测定温度的反射。 结果是，由检测装置检测到的光谱丧失了清晰度，因为测定温度所用的部分光谱与 测量所用的光谱不再有明显的不同。然而，在装置内由反射产生的光线强度明显地 小于外部反射产生的光线强度。正是这个原因，上述的缺乏清晰度的问题能以相对 简单的方式得到解决。
从这点上看，本发明的方法存在多种可能性，并以有利的方式进一步改进本 发明的方法。为此， 一方面，将参考从属于权利要求1和6的那些权利要求，另一 方面，将参考以下结合附图对本发明优选的具体实施例所作出的解释。再结合本发 明的优选实施例的解释和附图，也基本上解释了本发明的方法的优选配置和进一步 的实施例。以下是对附图的描述。


图1所示为带有辅助透镜并利用本发明补偿因温度变化引起的测量误差的彩 色共焦测量传感器的示意图2所示为用图1的传感器测量得出的例示性的光谱图；以及
图3所示为不带有辅助透镜并利用本发明补偿因温度变化引起的测量误差的
彩色共焦测量传感器的前面部分的示意图，以及对应的光谱的示意图。
具体实施例方式
图l中示出了光学装置l，其包含梯度折射率率的透镜2。由白光源6产生的 多色光线5通过光纤3、 4进入梯度折射率的透镜2。梯度折射率的透镜由石英玻 璃棒组成，其提供金属离子(如银离子)，以致于垂直于透镜的光轴形成折射率分 布。多色光线5以视光谱分量的波长而定的变化程度射入梯度折射率的透镜2内， 于是作为一实施例，在梯度折射率的透镜2的上游区域形成了一系列的焦点，其中3个焦点在图中所示。辅助透镜7设在梯度折射率的透镜的上游，并由支架8保持。 辅助透镜7作为光学器件，并提供边界面9。部分光谱的多色光线穿过边界面9反 射，梯度折射率的透镜2以反向扩展(图1中向上)并会合半透明的镜子10，这 将协助在光学装置内反射的光线或从外部经检测装置12的光纤11折回到光学装置 的光线。检测装置12由分光计制成，能把进入检测装置的光线根据相应的波长分 开，再测量它们各自的强度。给检测装置12提供评价单元13，以便分析由检测装 置确定的光谱。
穿过梯度折射率的透镜2的多色光线5在很大程度上不经边界面9反射，而 是通过辅助透镜7的边界面9离开光学装置。如果测量目标物14位于光学装置的 测量范围内，经测量目标物14反射的光也经过辅助透镜7、梯度折射率的透镜2、 光纤3、半透明的镜子10以及光纤11射入检测装置12中。本文中，尽管原则上 所有产生的光线都经测量目标物反射，但是仅仅是在测量目标物14的表面上聚焦 的光谱分量满足这样的光学要求，即能够从梯度折射率的透镜2进入光纤3。结果 是，在光谱内形成较尖的峰值，其分析有可能测定测量目标物与光学装置1之间的 距离D。
图2中示范性示出了由检测装置12检测到的光谱图。图中表示的是光谱分量 的强度I相对于波长X的曲线图。在短波范围内，可以看到相对低的峰值A，而较 高的峰值B则存在于波长较长的范围内。峰值的那些位置是由于装置的特定配置产 生的。如果装置采用其它配置，在每种情况下，也能在其它的位置找到这些峰值。
两个峰值都受到因温度变化引起的误差的影响，且都包含距离信息和温度信 息。然而，虽然不知道距测量目标物的距离，但出于该原因应该测量出这个距离， 辅助透镜7的位置仅仅视温度的变化而改变。 一方面，这个变化可通过选择合适材 料(如陶瓷或不胀钢)制成的支架8而减小；另一方面，产生的变化不会起作用， 因为这些误差全部由本发明的方法得到补偿。
由于沿着边界面9反射的光线的原因，峰值A因此成为基本上与光学装置的 温度的分量有关。峰值A在光谱中的位置对应于传感器内边界面的位置，且只随温 度而变化，其中与温度有关的变化在图中用虚线表示。所示的虚线峰值A'是由于 光学装置的温度T的变化产生的。
另一方面，峰值B基本上取决于光学装置1与测量目标物14的距离D，且与 温度变化引起的误差相关。然而，利用基于峰值A所获得的数据，其并不与各自的测量位置有关，可以修正由温度变化引起的测量误差。为此，借助于评价单元13
得出的峰值A的光谱分量，以及当使用查找表或函数关系时，这些光谱分量为某一 温度下的值。基于这个温度，确定一修正项，其再加入对应于峰值B的距离。结果 是，从评价单元13中得到与环境温度不相关的无误差的测量值。用校正测量以确 定査找表、函数关系和修正项。
图3所示为根据图1的光学装置的前面部分，其中没有使用辅助透镜。为清 楚地显示，图3中省略了光源6、检测装置12、镜子10以及评价单元13。因此， 多色光线进入梯度折射率的透镜2，其聚焦在位于透镜2上游的多个点上。测量目 标物14反射由光学装置l'发射的光，并反射回来射入梯度折射率的透镜2。与对 应的关于装置1的解释那样进行分析。本文中，梯度折射率的透镜2的前表面作为 光学器件的边界面9'。相应地，光学器件由梯度折射率的透镜2构成。
图3的下面部分示出了由检测装置12 (图中未示)检测到的光谱。其中表示 的是强度I相对于波长X的曲线图。第一个峰值A表示限定装置温度的参数，其只 取决于装置的温度。第二峰值B1是由测量目标物形成的。结果是，测量目标物14 的距离Dl通过光学装置r确定。在移动测量目标物14的情况下，这个峰值也移 动，在图中用虚线表示，这里的目的是提供一个例子。在距离D2，移动后的测量 目标物14用虚线表示，从而形成移开的峰值B2。从由峰值A获得的温度来看，通 过评价单元13也能确定对光学装置的测量值的校正。
仅仅在温度变化的情况下，梯度折射率的透镜的光学特性是不会发生改变的， 但是它们会受到老化的影响。这些变化也可以通过独立于测量目标物的反射来确 定，还可以用评价单元13中处理的信号进行计算。因此，可以观察到和补偿受其 它因素影响的光学装置的通常的长期漂移行为。
关于本发明的固定结构的进一步的有利的实施例，请参考说明书的
发明内容
部分和附随的权利要求书，以避免重复。
最后需要指出的是，本文中所提供的本发明的固定结构的样本配置只是用于 解释所要求保护的方法，然而，这并不是对该实施例进行限制。
附图标记说明
1光学装置
2梯度折射率的透镜3光纤
4光纤
5多色光线
6白光源
7辅助透镜
8支架
9 边界面
10半透明的镜子
11光纤
12检测装置
13评价单元
14测量目标物
15测量目标物的表面
1权利要求
1. 一种由光学装置的温度变化引起的测量误差的补偿方法，所述光学装置具有至少一个透镜(2)，其特征在于，多色光线(5)穿过光学装置(1、1’)，再聚焦在由于透镜(2)的色差而距透镜(2)不同距离的点上，以致于部分光线(5)的光谱至少部分地在光学装置(1、1’)内反射，再射向检测装置(12)，借助于检测装置确定光谱，再基于由检测装置(12)测得的光谱，测定装置(1、1’)的温度，以及通过以这种方式测定的温度，补偿由温度变化引起的测量误差。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，查找表或函数关系用来把由检 测装置(12)确定的光谱分配给装置(1、 l')的温度。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将修正项加入到通过光学 装置(1、 l')测定的参数中，以便补偿测量误差。
4. 根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，进行校正测量，以便确定 査找表、函数关系和/或修正项。
5. 根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于，除了由温度变化 引起的测量误差之外，补偿由部分光学装置的老化作用或其它的漂移作用引起的误 差。
6. —种光学装置，尤其是实施权利要求1-5的方法的光学装置，其中装置(l、 l')具有至少一个透镜(2)，其特征在于，透镜(2)使进入装置(1、 1，)的多 色光线(5)聚焦在位于由于色差而距透镜(2)有多个不同距离的点上，以致于把 光学器件配置在光学装置(1、 l')内，从而使多色光线(5)的部分光谱至少部分 地在光学器件的边界面(9、 9')上反射，于其上可使部分反射的光谱射向检测装 置(12)，以便测定光谱，这样，评价单元(13)与检测装置(12)连接，以基于 由检测装置(12)测得的光谱测定装置(1、 l')的温度，再补偿由温度变化引起 的测量误差。
7. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的装置(1、 l')是彩色共 焦的测距传感器。
8. 根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，透镜(2)包括梯度折射率的透镜。
9. 根据权利要求6-8中任意一项所述的装置，其特征在于，多色光线(5) 是白光线。
10. 根据权利要求6-9中任意一项所述的装置，其特征在于，光学器件由配 置在透镜(2)下游的辅助透镜(7)构成或由透镜(2)本身构成。
11. 根据权利要求6-10中任意一项所述的装置，其特征在于，为了增加反射， 给光学器件的边界面(9、 9')涂层。
12. 根据权利要求6-11中任意一项所述的装置，其特征在于，限定装置(1、 l')的测量范围，以致于测量范围的组成部分在装置(1、 l')内。
13. 根据权利要求6-ll中任意一项所述的装置，其特征在于，光学器件配置 在焦距的中间范围内。
全文摘要
本发明设计了一种包括至少一个透镜(2)的光学装置中与温度相关的测量误差的补偿方法，由于与温度相关的测量误差的这种补偿没有明显增加生产费用，故该方法较经济可靠，其中，多色光线(5)穿过光学装置(1、1’)，再聚焦在由于透镜(2)的色差而距透镜(2)的不同距离的点上，以致于光线(5)的至少一部分光谱至少部分地在光学装置(1、1’)内反射，再射向检测装置(12)，借助于检测装置确定光谱，由检测装置(12)所记录的光谱测定装置(1、1’)的温度，再补偿与温度相关的测量误差。
文档编号G01B7/02GK101548151SQ200880001006
公开日2009年9月30日 申请日期2008年5月21日 优先权日2007年5月21日
发明者A·芬克, R·霍宁克卡 申请人:微-埃普西龙测量技术有限两合公司