干涉距离测量装置和对应方法

干涉距离测量装置和对应方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于测量表面的干涉距离测量装置，使用：至少一个可调谐激光器，该可调谐激光器具有用于生成利用波长斜坡调制的测量辐射；光束路径，该光束路径具有光学发送系统，用于向表面发射测量辐射；以及光学采集系统，用于采集有该表面反向散射的测量辐射，其包括测量臂和基准臂；以及辐射检测器和估计单元，用于确定从距离测量装置的基准点至表面的距离。分别通过针对测量辐射的并行发射的至少一个分束器(13、29)来定义n≥2个通道，在预定的发射时间点将波长斜坡的一个不同的子区域分配至所述通道。
【专利说明】干涉距离测量装置和对应方法
[0001] 本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于测量表面的干涉距离测量装 置，并且涉及根据权利要求11的前序部分所述的对应方法。
[0002] 在许多应用领域，需要以高准确度测量物体表面，并由此测量物体本身。这应用于 制造工业，具体来说，其高度重要性结合至测量和检查工件的表面。针对这种应用，存在许 多测量装置，其被设计为用于特定的任务，并且还被指定为坐标测量装置或机器。这些测 量装置通过建立机械接触并且扫描表面来测量该表面。其示例包括龙门式测量机器，举例 来说，如在DE4325337或DE4325347中描述的。不同的系统基于所使用的、设置在多岐 臂端部处的测量传感器可以沿表面移动的关节臂。一般的关节臂例如在US5402582或EP 1474650中进行了描述。其它方法使用光学测量辐射，以便能够不接触地扫描表面。
[0003] 根据现有技术已知的一种方法在此基于干涉方法，举例来说，如光学相干断层断 层成像（OCT)，例如在WO2009/036861或申请号为11171582. 7的欧洲专利申请中描述的。 本文公开的距离测量方法出于测量表面的目的，使用调频激光束，以提供发射到表面上的 测量辐射。从该表面反向散射的测量辐射被再次接收并且用于以干涉方式测量从基准点至 该表面的距离（即，沿所谓的z方向），其中，使用了测量臂和基准臂。
[0004] 在大多数示例性实施方式中，该表面借助于测量到该表面上一点的距离的单一测 量通道来扫描，其中，该表面通过将整个探测端头在该表面上的测量点的路径上移动来实 现。然而，对于应用的多样性来说，需要同时或者快速连续地按测距方式来扫描相对大量的 点，而这迫使在要测量的每一个点上与光学系统按次序移动探测端头。
[0005] 根据现有技术已知的一种方法在于利用一维或二维扫描镜，以便能够在表面上移 动测量射束，而不需要迫使移动探测端头或整个测量装置。医学领域的伴随用于干涉测量 装置的微机械部件的对应实现例如在J.Sun等人的"MEMS-basedendoscopicOCT"，Int. J.ofOpt.，2011中进行了描述。然而，这些基于镜子的解决方案的缺点是静止地顺序扫描 空间广阔的物体，其降低了可以实现的速度。仅借助于增加的扫描速率或者借助于通过使 用多个通道而正交地并行化的测量处理可以进行提高。
[0006] 因此，WO2009/036861描述了其中测量辐射的射束路径被分成两个通道，发射和 接收方向彼此相对地取向的探测端头，和实现了多个空间并行通道的探测端头。在这些方 法中，该处理通道可以并行或顺序地临时使用，其中，任两个或更多个分离处理装置，或者 另选地，具有分离通道的单一处理装置例如借助于不同偏振方向，在同时使用的情况来说 是可以的。探测端头的这样一种实施方式例如允许测量边缘或台阶。然而，作为偏振相关 分离的结果，该构造复杂化并且可以实现的通道数量有限。
[0007] 关于基本测量原理，对于光学相干断层成像来说，已知极快速调谐源，举例来说， 如在T.Klein等人的"MegahertzOCTforultrawide-fieldretinalimagingwitha 1050nmFourierdomainmode-lockedlaser"，Opt.Express19,3044-3062(2011)中 所描述的，还已知具有高速线CCD的、在傅立叶域展示频谱分辨率的极快速方法，举例来 说，如在Υ.K.Tao等人的"High-speedcomplexconjugateresolvedretinalspectral domainopticalcoherencetomographyusingsinusoidalphasemodulation，'，Opt. Lett. 32, 2918 (2007)中所描述的。
[0008] 然而，两种方法展示了缺乏可用相干长度，如在工业计量领域所需的，例如，供在 一般坐标测量机器或装置中使用。
[0009] 对于具有宽带源的、时域（时域0CT)中的光学相干断层成像来说，由于短相干 长度，因而，这将需要沿z方向的附加扫描，S卩，沿要测量表面的表面法线，其又需要附加 的驱动和增大的复杂性，参照，T.Dresel等人的"Three-dimensionalsensingofrough surfacesbycoherenceradar，'，Appl.Opt. 31，919 (1992) 〇
[0010] 具有频谱分辨率的、频域（频域OCT)中的光学相干断层成像方法就它们用于并行 扫描的能力而言，还可以通过使用代替线传感器的区域传感器而加以开发。然而，低帧速率 或读出速度以及同样的大约几微米量级的低的典型的相干长度在此是不利的。
[0011] 在这种情况下，调频OCT的方法还可以通过使用线传感器或区域传感器来增强成 二维或三维扫描范围。因为由于需要扫描具有几百个数据点的干涉图的原因，而在这种 情况下完整测量还迫使需要借助于线传感器或区域传感器来对应记录数百个数据字段， 所以与通常的FD-OCT方法相比，这种方法非常慢（〈100Hz)，例如，参照S.W.Lee等人的 "Line-fieldopticalcoherencetomographyusingfrequency-sweepingsource"，IEEE J. Selec.Top.Quant.Electr.14, 50 (2008)。
[0012] 在此，一个主要的共有缺点还是，在自由空间光学中用于探测端头的设计，该数据 通过线传感器或区域传感器来生成。这意指，其不再可以利用通过单模光纤的连接来空间 上划分探测端头和信号生成与信号处理。除了所导致的探测端头的增加复杂性及其增加质 量外，具体来说，因电流消耗而造成的探测端头发热具有不利影响。在坐标测量【技术领域】， 对于在表面上移动的组件来说，要尽可能无源地形成，因此，不会出现使得用于移动的承载 体结构变形的热影响。而且，低重量的要移动组件（而且，具体来说，探测端头）导致改进 的动态范围，并且导致承载结构的更小的加速度相关变形。
[0013] 一个目的是，提供一种用于测量表面或者用于检测表面形貌的改进距离测量装置 或对应测量装置以及对应方法。
[0014] 另一目的是，提供这样一种改进距离测量装置，和这样一种方法，即，其允许结合 低复杂性的构造和低热载荷的承载结构来测量多个或多重点，而不需要移动探测端头。
[0015] 这些目的借助于权利要求1和11的主旨来实现，或者该解决方案通过附属权利要 求的主旨来开发。
[0016] 本发明使用利用激光源的干涉测量原理，该激光源针对该波长调制，即，利用可变 波长发射，其中，该测量按频域执行。在这种情况下，通过作为激光源的激光器（例如，激光 二极管）生成的激光辐射根据所经过的波长斜坡和由此改变的辐射光学频率来调制。例 如，将正弦调制外加在中心波长或光学频率上。接着，所测量的干涉图例如在该调制频率 的、其中光学频率单调地上升或下降的一半周期上加以估计，其在下面还被称为波长斜坡。 由于调谐激光器作为非常窄频带的源，因而，所有干涉效果位于同一相干范围中。
[0017] 在这种情况下，该波长斜坡可以被具体实施为传统斜坡，S卩，具有要经过的波长的 大致线性上升或下降顺序。然而，另选的是，该组不同波长还可以随机调制，即，按偏离线性 有序顺序的方式调制，只要该组波长在斜坡偏移期间被检测和调制一次即可。因此，术语波 长斜坡在更广泛意义上涵盖了这样一组不同的波长，即，其可以真正地造成递增或递减连 续性，而不必按该连续性经过和调制。然而，一个优选实施方式设计有交替地上升和下降的 线性斜坡的序列。
[0018] 适于其的方法和组件在WO2009/036861或具有申请号11171582. 7的欧洲专利申 请中进行了描述。本发明基于实现还可以被用于接收的至少两个光学传输通道，其中，发生 测量辐射的临时并行发射。根据本发明，针对指定的发射时刻，每一个通道都被分配有要经 过的波长斜坡的子范围，即，波长和频带，其被指配有针对其要调制的波长的按该时刻发射 的辐射。
[0019] 每一个通道都可以分配有该波长斜坡的固定子范围，其仅针对经由该通道发射的 测量辐射而经过，即，经由其它通道发射的测量辐射不利用该波长斜坡的该部分来调制。与 该波长斜坡相比，以更小的偏移来执行调制，即，将该波长斜坡分成离散局部斜坡，并且将 整个调制分成局部调制。在这种情况下，该波长斜坡可以均匀地或者不均匀地沿着所有通 道分开其全部，即，利用每通道不均匀的波长偏移。然而，原则上，出于其它目的，该波长斜 坡的一部分还可以继续保持未使用或使用，例如，用于内部校准或基准测量。该方法的组件 侧实现例如可以借助于分束器通过色分离来实现，具体来说，还通过阶梯状序列的分束器。 作为在生成辐射之后对它们的固定频谱划分的结果，该通道的可分离性由此静态地上升。
[0020] 结果，所导致的色复用由此使用可用源的更大宽度（IOOnm至200nm)的波长斜 坡，其被分成多个子范围。尽管这不影响根据调制激光的动态线宽而设置的可用相干长 度，但其在并行的程度上缩减了空间分辨率。由于光学相干断层成像在空间频域的高准确 度（3σ?20-30nm)，因而针对技术表面的测量准确度的缩减通常可以接受，而没有任何问 题。
[0021] 根据本发明，因此，借助于至少一个色分束器，限定用于平行发射测量辐射的通 道，其在每种情况下，针对一选择发射时刻分配有所述波长斜坡的不同子范围。每一个通 道在其输出处（即，沿发射方向）按该选择发射时刻都具有频谱上呈现的不同频谱分布，由 此，具有不同的色特征。对于具有静态分配的离散波长范围的色分离的情况来说，按考虑之 下的发射时刻，那么，所发射的通道仅是对应在该时刻经过其波长斜坡的波长范围和子范 围的所述一个通道。从而，在所述装置中的频谱分离离散地进行，例如，在2μπ?至ΙΟμ--的 范围中，以使可以限定离散范围，其中，可以估计恒定相位梯度。
[0022] 另外，该色复用可以与频分复用组合，其中，根据相干长度（S卩，可以实现的总测 量深度）预定的可能测量范围作为结果在距离侧上分开，以使零位置针对每一个通道移 位。由此每一个通道都利用其相应测量深度而分配有所述测量范围的子范围，并且已知针 对一通道的零位置的相应移位，由此可以在其测量或估计中加以考虑。由此，尽管在平滑表 面的情况下存在不同的零位置，该通道还是测量与最终结果相同的距离，针对该目的，借助 于延迟区段，在信号处理之前生成不同的交错距离，该距离是已知的，并因此在估计时加以 考虑。换句话说，针对该测量的基准点从通道至通道移位，但可以在计算上匹配。这种交错 的最大极限在此通过最大测量范围并由此通过相干长度来限制。
[0023] 借助于针对该通道的不同延迟，通过相干长度限定的测量范围被分成单个部分， 并由此将相干长度细分。在针对测量辐射不透明的表面（具体来说，针对金属表面）的技 术测量的情况下，傅立叶频谱或断层X射线照片正常情况下仅展示单一最大值。从而，在频 域下，空间的较大部分不被用于测量。由于该源的指定相干长度，因而并行化可以借助于分 开整个可用测量范围来实现。在这种情况下，可以保持可实现准确度，但原则上，作为该分 开的结果，能量在不同通道之间分配，尽管这可以通过使用放大器来进行补偿。
[0024] 针对不同通道的零点借助于延迟划分区段的位移（其被称为频分复用）具有结构 上紧凑的实施方式，其中，延迟效果通过介质（举例来说，如玻璃）中的不同路径长度来实 现。
[0025] 另外，为了避免串扰，可以使用相干延迟区段，其在连续通道之间的相对长度间距 在每种情况下大于相干长度。
[0026] 由此，根据本发明，可以根据频域下的光学相干断层成像原理来实现干涉距离测 量装置，其中，对于并行化测量处理的情况来说，其变得可以经由单个单模光纤来实现探测 端头和信号处理的分离及其连接。要在表面上移动的探测端头由此可以按电子无源方式来 生成，而且不会产生热载荷。具体来说，使用色复用，还与频分复用相组合地，使其可以按单 个点测量的层级、利用通道的线型或矩阵型装置来保持针对并行化测量的测量速率。
[0027] 下面，基于附图中示意性地例示的示例性实施方式，完全通过实施例的方式，对根 据本发明的距离测量装置进行更详细描述或说明，具体来说，其中：
[0028] 图1示出了根据现有技术的用于测量表面的测量装置中的干涉测量装置的示意 性例示图；
[0029] 图2示出了针对对应测量装置的探测端头的结构性构造的例示图；
[0030] 图3示出了用于对应测量装置的发送和接收光学单元的示意性例示图；
[0031] 图4示出了用于根据本发明的距离测量装置的探测端头的结构性构造的例示图；
[0032] 图5示出了针对根据具有静态分配的频谱范围的本发明的距离测量装置的第一 示例性实施方式的射束路径的第一部分的示意性例示图；
[0033] 图6示出了针对根据本发明的距离测量装置的第一或第二示例性实施方式的射 束路径的第二部分的示意性例示图；
[0034] 图7示出了用于根据本发明的距离测量装置的发送和接收光学单元的孔径装置 的示意性例示图；
[0035] 图8示出了针对分配给通道的波长斜坡的不同子范围的、所检测强度与波长的关 系分布图的示意性例示；
[0036] 图9a_c示出了根据本发明的距离测量装置的具有静态分配的第三、第四以及第 五示例性实施方式的示意性例示图；
[0037] 图10示出了针对根据本发明的距离测量装置的、具有附加延迟区段的第六示例 性实施方式的射束路径的第二部分的示意性例示图；
[0038] 图11示出了针对根据本发明的距离测量装置的第六示例性实施方式的射束路径 的第一部分的示意性例示图；
[0039] 图12示出了针对根据本发明的距离测量装置的第六示例性实施方式的发送和接 收光学单元的一个示例性实施方式的示意性例示图；
[0040] 图13示出了针对根据本发明的距离测量装置的第六示例性实施方式的在频域下 的E场分布的示意性例示图；以及
[0041] 图14示出了针对根据本发明的距离测量装置的第六示例性实施方式的、根据在 频域下的多个干涉图的所检测强度的分布的示意性例示图。
[0042] 图1示出了根据现有技术的用于测量表面的测量装置中的干涉测量装置的示意 性例示图，举例来说，如在WO2009/036861A1或具有申请号11171582. 7的欧洲专利申请中 描述的。这种装置使用波长调制激光器（具体来说，仅单一激光器，例如，激光二极管）作 为用于生成至少一个激光束的激光源1以及用于接收从表面4反向散射的测量辐射MS的 辐射检测器5。在这种情况下，该调制激光源优选地被设计成，使得在此使用的激光器具有 大于Imm的相干长度，具体来说，在1毫米至20厘米的范围中，例如，在60nm或以上的相干 长度、小于〇· 〇2nm的动态线宽度的情况下，1·3μηι与1·7μm之间的中心波长，和大于40nm 的可调谐波长范围。由此，该相干长度还允许在几厘米的深度或距离范围上进行测量。
[0043] 通过激光源1生成的激光辐射经由光学循环器2耦合到用于测量的干涉仪构造 中，所述干涉仪构造利用公共路径几何学来具体实施，例如，就是说，具有用于测量臂和基 准臂的局部公共干涉仪射束路径。在这种情况下，该基准臂根据梯度折射率透镜的光出射 表面处的反射来限定，使得限定恒定（具体说来，已知）的距离，其中，避免了进一步的反向 反射。因此，该基准表面位于发送/接收光学单元3中，该发送/接收光学单元在用于发射 激光束的射束整形光学单元内集成了发送和接收光学单元的组件。相比之下，该测量臂根 据要测量的表面4处的反射来限定。测量臂和基准臂的反向反射光最终经由光学循环器2 再次传递到辐射检测器5上，其优选地具体实施为具有大于IOOMHz的带宽的InGaAs检测 器。最后，要测量的距离可以在估计单元中确定（在此未例示）。
[0044] 另外，还可以使用具有光学检测器的校准干涉仪（在此未例示），其考虑或补偿调 谐行为的非线性，其中，所述校准干涉仪可以具体实现为标准具或Mach-Zehnder构造。
[0045] 这种距离测量装置例如可以被集成到用于扫描测量的坐标测量装置的探测端头 中，举例来说，如从WO2009/036861A1获知的。图2示出了针对对应测量装置的这种探测 端头的结构性构造。在这种情况下，该坐标测量装置具有用于在要测量的表面上按限定的 扫描方式引导探测端头的引导装置，并且该探测端头具有用于发射干涉距离测量装置的测 量辐射MS的至少一个发射和接收射束路径。
[0046] 该探测端头在要测量的表面上按扫描方式、以通过作为引导装置的臂状部件部件 9和关节8所限定的方式来引导，其中，该关节8还可以相对于臂状部件9旋转。依靠相对 于臂状部件9和随后的关节8的旋转，探测端头可以容易跟随角状或极大变化的表面外形。 然而，原理上可以将更进一步的旋转或平移自由度集成到该引导装置中，以使得能够进一 步改进探测端头的引导。
[0047] 该探测端头具有测量射束MS的至少一个表面侧发射和接收射束路径。在该示例 性实施方式中，该射束被引导通过作为探测部件7的细管，其包括发送/接收光学单元。在 探测端头的、与所述管相邻的粗基部6中，实际上可以设置辐射检测器本身，否则就设置用 于中继至集成在其它地方的辐射检测器的光波导，其中，用于探测端头的基部6与关节8之 间的信号与耦合的光学和/或电气传递的接口确保可交换性。
[0048] 图3示意性地示出了将发送/接收光学单元集成到探测端头的管子中。在这种构 造中，光纤7a用于引导要发射的测量辐射并且还引导内部反射的测量辐射和被外部地反 射并再次被接收的测量辐射MS。在这种情况下，该发射通过梯度折射率透镜7b发生，其设 置在管状部件中，并且其将测量辐射发射到要测量表面4上，接着将从那里反射的测量辐 射MS再次耦合到光纤7a中。然而，现有技术的解决方案主要仅针对单个测量进行设计，其 中，还可以通过按扫描方式引导的探测端头对表面进行连续检测。
[0049] 然而，根据本发明的方法允许改进并行化和实现多个或多重分离可估计测量通 道，以使如图4所示具有多个通道的探测端头10的结构性构造结合简单结构构造而成为可 能，其中，借助于至少一个分束器，限定了用于并行发射而且具体地还用于并行接收测量辐 射的η> 2个通道，其在所有的情况下，针对给定的发射时刻分配有所述波长斜坡的不同的 子范围，以使可以针对每一个通道实现具有专用的分离估计和距离测量的单独的接收。
[0050] 包括根据本发明的距离测量装置的探测端头10现在具有基部10a，其中，可以设 置激光源和估计电子装置。然而，另选的是，这些组件还可以是该测量装置的不同的组件 的部件，其中，接着经由一个或多个接口来设置探测端头10的关节8与基部IOa之间的光 学和/或电子连接。优选的是，探测端头的基部IOa经由连接管IOb连接至光学单元部件 10c，其中，该连接管IOb具有光导。然而，另选的是，还可以使用偏离其的装置来实现根据 本发明的距离测量装置。在这点上，例如，还可以将探测端头10的所有组件集中在单一紧 凑单元中，以使省略连接管l〇b。
[0051] 从而，探测端头10包括根据本发明的用于测量表面的干涉距离测量装置的全部 的或大多数的组件，其中，具体来说根据光学相干断层成像原理来配置所述装置。为此，针 对波长可调谐的激光源依靠经过线性波长斜坡的调制或者从一组不同的波长中按某一其 它连续性（不必是线性的）选择波长来进行调制，以生成测量辐射MS。光学射束路径在探 测端头10中形成，其中，用于将测量辐射MS发射到表面上的发送光学单元和用于接收从表 面反向散射的测量辐射MS的接收光学单元被形成在光学单元部件IOc中。在这种情况下， 发射光学单元和接收光学单元优选地使用相同组件，以使两个光学单元按集成设计具体实 施为组合的发射和接收光学单元，其具体地经由单一的单模光纤耦接至辐射检测器。测量 臂和基准臂按与现有技术相同的方式限定或形成在射束路径中，其中，该干涉仪具体设置 有测量臂和基准臂的局部公共射束路径，作为公共路径干涉仪。用于确定从距离测量装置 的基准点至该表面的辐射检测器与估计单元可以设置在探测端头10的基部IOa中或者另 外设置在探测端头外侧，其中，在后一种情况中，探测端头省掉了电子组件，并由此可以保 持完全无源。
[0052] 在基部IOa中，激光辐射可以通过至少一个分束器分开，以使限定用于并行发送 测量辐射MS的至少两个通道，其根据本发明在每种情况下针对给定的发射时刻分配有所 述波长斜坡的不同的子范围。这意指，针对给定时刻，每一个通道都分配有用于该通道的不 同的波长范围，以调制该测量辐射。在这种情况下，所有通道在经过波长斜坡的过程期间同 时地或者连续地发射。为此，波长斜坡可以被分成宽度相同的许多频带，其数量对应于通道 数，其中，每一个通道都被分配有一个波长带。然而，另选的是，波长斜坡的或者频谱调制深 度的范围还可以继续保持未使用，或者出于不同目的而在通道之外使用，例如，用于确定调 制的非线性。同样地，波长斜坡可以静态地或者动态地根据被分配给不同通道的宽度不同 的子范围或频带而不均匀地划分。用这种方法，例如，可以实现具有不同测量特性的通道， 例如，如果在测量钻孔的情况下，用于以高精度测量内表面的通道与用于定位钻孔的纵轴 的低准确度通道并行实现。同样地，这些通道可以临时分配有不同宽度的频带，使得可以实 现临时改变的测量范围或测量准确度。
[0053] 图5示出了针对根据本发明的距离测量装置的第一示例性实施方式的射束路径 的第一部分，所述第一部分形成在探测端头的基部中。在该第一示例性实施方式中，波长斜 坡被分成宽度相同的许多波长带，其数量对应于通道数，其中，该波长斜坡的子范围通过色 分离来生成。为此，通过激光源的激光生成的激光辐射经由光纤和针对该单个光纤的套管 12耦合到作为分束器13的阵列波导光栅中，其位于基部的外壳11中。这种阵列波导光栅 可以通过将调谐范围或波长斜坡细分成不同分枝或子范围来生成色复用。对于1500nm与 1600nm之间的调谐范围来说，可以使用来自针对c和1频带的电信领域的分量。在这点上， 阵列波导光栅在这个范围中使用，以便将通道划分成不同的分离的所谓ITU通道。在这种 情况下，通道的宽度取决于所使用的ITU标准，所述宽度范围从50、100或200GHz至几纳米 变动。这种分束器使其可以实现将激光辐射的色或频谱分离成不同的通道，具体来说，多重 通道，其中，作为分束器13的阵列波导光栅像紧凑分光计一样起作用。在分束器13的输出 部处，分成多个通道的测量辐射经由多光纤套管14耦合到单个光纤15中，其中每一个都被 分配有所述频率或波长范围Δλλn之一。光纤15作为光纤束16经由连接管IOb引 导到探测端头的光学单元部件IOc中，图6中例示了所述光学单元部件。
[0054] 所述图6例示了针对根据本发明的距离测量装置的示例性实施方式的射束路径 的第二部分，其中，基部中的划分依次跟随耦合到光纤15中。经由连接管IOb引导的光纤 15经由单个光纤套管18在光学单元部件IOc的外壳17的内部耦合到梯度折射率透镜19 的路线中，由此，测量辐射以波长范围△A1-Aλ1(|发射，其针对该示例性实施方式的十个 通道中的每一个（在此，根据第一示例性实施方式）而不同。该基准臂的本机振荡器的位 置可以通过例如在从套管18过渡至梯度折射率透镜19、否则在从梯度折射率透镜过渡至 空气的合适的反射绝缘涂层来限定。基准臂和测量臂的射束路径由此展示针对公共路径几 何的最大交叠。借助于用于传送过程的组件，从表面反向反射的测量辐射同样被接收，结果 这种探测端头实现具有十个微透镜的行的集成的发送/接收光学单元，其中每一个都分配 有色分离且可分离地估计的测量通道之一，以使实现多个发送和接收通道。因为可用相干 长度不因色复用而削弱，所以存在有关射束引导的配置的极大的灵活性，其中，每一个通道 都可以例如针对准直或射束交叉区段而独立地设计。
[0055] 然而，作为图6所示装置的线状方式的另选例，还可以使用用于根据本发明的距 离测量装置的发送和接收光学单元的矩阵状孔径装置19'，如图7中示意性地例示。利用这 种二维微透镜或孔径装置，具体来说，区域性扩展结构可以快速且按并行方式来进行测量。
[0056] 图8示出了在频域中复用的情况下，针对波长斜坡的、分配给通道的不同的子范 围ΛX1-Aλ1(ι，所检测的强度Ι(λ(t))与波长λ⑴的时间相关分布图的示意性例示图。 该强度分布图由此被划分成不同的更小的干涉图。在信号处理期间，所记录的强度分布图 被划分到多个通道中，并由此离散化，其中，每一个通道随后被分离处理。该目的在于借助 于傅立叶变换和频域的几何质心确定来确定通道干涉图的频率。所确定的频率成比例于目 标距离，即，针对要测量的表面的距离。
[0057] 图9a_c示意性地例示了根据本发明的距离测量装置的第三、第四以及第五示例 性实施方式。除了如图6所示利用多个通道的探测端头以外，还可以根据本发明实现更少 数量的通道，例如，假设这满足了相应的测量应用。在这种情况下，该色分束还可以在发送 光学单元的、直接布置在发射上游侧的组件内实现。借助于具有朝着相应分离而协调的层 的色分束器，沿射束路径，相应的通道可以被分开并由此沿不同方向引导。该通道由此借助 于利用随着相应分离而协调的层的射束分开而被分开。
[0058] 在这点上，图9a_c示出了三个不同的示例性实施方式，其中，光纤总是经由套管 18'连接至梯度折射率透镜19'，并且激光辐射在1500nm-1600nm的波长范围中调制。随 后，在图9a-b中，具有作为波长斜坡的子范围的波长带1500nm-1550nm的第一通道通过分 束器20从射束路径耦合出，其中，具有波长带1550nm-1600nm的剩余子范围被作为第二通 道发射。
[0059] 为此，在图9b中，发射方向通过镜表面或分界面20'而偏转，结果是，这种装置可 以被用于例如扫描钻孔或发动机中的汽缸开口，其中，由于沿两个相反方向发射，因而，探 测端头仅旋转一半就满足扫描整个圆周。
[0060] 图9c示出了类似构造，然而，其中，总计三个通道（具有波长带1500nm- 1533nm、 1533nm_ 1566nm以及1566nm_ 1600nm)借助于两个分束镜表面20"来限定。
[0061] 在图9a_c中的全部三个示例性实施方式中，在针对每一个通道进行测量辐射的 对准期间，被用作基准臂的本机振荡器的端部中的一个端部可以通过测量辐射的出射表面 LO来限定，结果导致利用了针对测量臂和基准臂的公共路径几何结构的很大程度上相同的 射束路径。然而，根据本发明，还可以使用其它射束引导（具体来说，射束偏转）和不同的 射束整形，例如，通过将测量辐射聚焦到表面上。
[0062] 色划分的原理可以另外与频分复用方法相组合，如在具有提交号1739811和申请 号EP12177582. 9的欧洲专利申请中所述。在这方面，图10和图11示出了针对根据本发明 的距离测量装置的第六示例性实施方式的示意性例示图，其中，根据相干长度预定的可能 的测量范围作为结果在距离侧上被划分，以使零位置的移位并由此空间基准点的移位针对 每一个通道来实现。对于平滑表面的情况来说，作为最终结果，所有通道将测量相同的距 离。针对该目的，借助于延迟区段，在信号处理之前生成不同的交错距离，该距离是已知的， 并对应地在估计时加以考虑。由此，针对该测量的基准点从通道至通道移位，但可以在计算 上匹配。这种交错的最大极限在此通过最大测量范围并由此通过在源侧预定的相干长度来 确定。
[0063] 图10示出了针对根据本发明的距离测量装置的、具有这种附加延迟区段的第六 示例性实施方式的射束路径的第二部分的示意性例示图。光学单元部件IOc经由探测端头 的连接管IOb连接至基部10a，其中，该通道的光纤15也经过。
[0064] 在光学单元部件IOc的外壳17中，光纤15经由分别分配的套管18耦合到梯度折 射率透镜19中，其充任准直器。在这种情况下，套管18至梯度折射率透镜19的相应过渡构 成用于利用公共路径几何结构来限定基准臂的反向反射表面。至少针对η个通道中的n-1 个，在每一个通道的梯度折射率透镜19的下游侧布置有针对测量辐射MS的单个延迟区段， 其可以具体通过长度不同的玻璃部件21来实现，按照它们的长度来选择，以使每一个通道 都分配有该相干长度的不同片断或最大测量范围的不同的片断。
[0065] 延迟区段21的末端根据孔径几何结构连接至微透镜22的线路或矩阵。由于该延 迟区段，因而，每一个通道现在具有作为目标表面的焦点与针对梯度折射率透镜19的过渡 套管19之间的单个长度δLi (通过作为延迟区段的相应玻璃部件21来确定）。
[0066] 这些长度δLi和由此带来的延迟允许在信号处理期间按傅立叶域分离这些通道。 在该示例性实施方式中，也使用集成的发送与接收光学单元，以使从要测量表面反向反射 的测量辐射MS再次通过微透镜22和玻璃部件21，并且还通过另一些组件。在经过它们之 后，所检测的信号再次被分束器组合并且耦合到单个的单模光纤中，接着借助于后者引导 至辐射检测器，具体来说，辐射检测器还可以设置在探测端头外侧，其因而是电无源的。在 这种情况下，因分束器而造成的损耗可以再次通过下游所连接的放大器来补偿。
[0067] 除了光学单元部件IOc中的延迟区段以外，可以使用相干延迟单元，以便避免通 道之间的串扰。针对用于根据本发明的距离测量装置的第六示例性实施方式的射束路径的 第一部分，图11中示出了将相干延迟单元集成到基部IOa中，其中，将静态色分离和频分复 用两种方法彼此组合。
[0068] 在基部IOa的外壳11中，作为色分束器13的阵列波导光栅设置在具有套管12的 单模光纤的下游，如还在图5或第一示例性实施方式中所示。在分束器13的输出部的下游， 分成多个通道的测量辐射依次经由多光纤套管14耦合到η个单独的光纤15中，其中每一 个都被分配有频率或波长范围ΛA1-Aλη中之一。光纤15针对它们的部分在每种情况下 被引导至无色IXm分束器23。在每一个分束器23的下游，依次布置有相干延迟单元24， 其从1，1至n，m的索引化的输出被组合，以形成光纤束，并且按与其它示例性实施方式相同 的方式，经由连接管IOb引导至光学单元部件。如该实施例中所示具有下游相干延迟单元 23和24的色分束器13的连续性在此不是强制性的，并且还可以具体按其次序而反转。这 些通道在相干延迟单元中具有用于避免通道之间的串扰的相干延迟区段，其可以具体地被 实施为光纤。在此，从通道Li至通道Li+1的相对长度间距ALi在每种情况下大于激光源的 相干长度Lrah。
[0069]
【权利要求】
1. 一种用于具体根据光学相干断层成像原理来测量表面（4)的干涉距离测量装置，该 干涉距离测量装置至少包括 -可调谐激光器，该可调谐激光器具有用于生成利用波长斜坡调制的测量辐射（MS)的 相干长度，其中，所述激光器的所述相干长度限定测量范围， -光束路径，该光束路径具有 〇发送光学单元，该发送光学单元用于将所述测量辐射（MS)发射到所述表面（4)上， 〇接收光学单元，该接收光学单元用于接收从所述表面反向散射的所述测量辐射 (MS), 〇干涉仪，该干涉仪由测量臂和基准臂构成，具体来说，具有测量臂和基准臂的局部公 共射束路径， -辐射检测器和估计单元，所述辐射检测器和所述估计单元用于确定从所述距离测量 装置的基准点至所述表面（4)的距离， 其特征在于， 借助于至少一个分束器（13、、20、20〃），限定用于平行发射测量辐射（MS)的n彡2个通 道，所述n > 2个通道在每种情况下被分配有针对指定的发射时刻的所述波长斜坡的不同 的子范围。
2. 根据权利要求1所述的距离测量装置， 其特征在于， 所述波长斜坡被分成相同宽度的n个波长带，具体来说，被离散地分开，其中，每一个 所述通道都被分配有一个所述波长带。
3. 根据权利要求1或2所述的距离测量装置， 其特征在于， 所述波长斜坡的所述子范围通过色分离来生成。
4. 根据权利要求3所述的距离测量装置， 其特征在于， 所述分束器（13)是阵列波导光栅。
5. 根据权利要求3所述的距离测量装置， 其特征在于， 所述色分离通过用于耦合输出所述波长斜坡的子范围的色分束器来实现，该色分束器 设置在所述发送光学单元的、直接布置在发射的上游的组件内。
6. 根据前述权利要求中的任一项所述的距离测量装置， 其特征在于， 发送光学单元和接收光学单元被具体实施为组合的发送与接收光学单元（l〇b)，所述 组合的发送与接收光学单元（l〇b)具体经由单一单模光纤耦接至所述辐射检测器。
7. 根据前述权利要求中的任一项所述的距离测量装置， 其特征在于， 所述通道按线状或矩阵状方式设置在所述发送光学单元中。
8. 根据前述权利要求中的任一项所述的距离测量装置， 其特征在于， 所述通道在每种情况下分配有由所述相干长度限定的所述测量范围的不同的子范围。
9. 根据权利要求8所述的距离测量装置， 其特征在于， 所述通道在每种情况下分配有借助于不同长度的延迟区段、由所述相干长度限定的所 述测量范围的不同的子范围。
10. 根据权利要求9所述的距离测量装置， 其特征在于， 至少一个所述通道在焦点和过渡套管之间具有单个长度S Q，所述长度通过作为延迟 区段的相应的玻璃部件来确定。
11. 一种用于具体根据光学相干断层成像原理来测量表面（4)的干涉测距方法，该方 法至少包括 -借助于具有相干长度的激光器来生成利用波长斜坡调制的测量辐射（MS)，其中，所 述激光器的所述相干长度限定测量范围， -将所述测量辐射（MS)发射到所述表面（4)上， _接收从所述表面反向散射的所述测量辐射（MS)并且以干涉方式确定从所述距离测 量装置的基准点至所述表面（4)的距离， 其特征在于， 所述测量辐射（MS)经由n > 2个通道平行发射，其中，所述通道在每种情况下被分配 有针对指定的发射时刻的所述波长斜坡的不同的子范围。
12. 根据权利要求11所述的测距排布方法， 其特征在于， 所述波长斜坡被分成相同宽度的n个波长带，具体来说，被离散地分开，其中，每一个 所述通道都被分配有一个所述波长带。
13. 根据权利要求11或12所述的测距排布方法， 其特征在于， 所述波长斜坡的所述子范围通过色分离来生成。
14. 根据前述权利要求11至13中的任一项所述的测距方法， 其特征在于， 所述通道在每种情况下分配有由所述相干长度限定的所述测量范围的不同的子范围。
15. 根据权利要求14所述的测距排布方法， 其特征在于， 所述通道在每种情况下分配有借助于不同的持续时间的延迟、由所述相干长度限定的 所述测量范围的不同的子范围。
【文档编号】G01B9/02GK104487799SQ201380039375
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2013年7月18日 优先权日:2012年7月24日
【发明者】托马斯·延森 申请人:赫克斯冈技术中心