具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置的制作方法

1.本发明涉及一种具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置。此外，本发明涉及一种尺寸和/或产品形状控制系统，该尺寸和/或产品形状控制系统包括至少一个具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置。


背景技术：

2.特别地，“具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置”意指该装置适于以微米级的分辨率和精度并在介于1毫米与100毫米之间的测量范围内对该装置的位置与物体之间的距离、特别是该装置的位置与物体的参考平面或表面之间的距离进行测量。
3.优选地，“具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置”的类似定义也是“具有微米级分辨率的非接触式位移转换器(transducer)装置”。
4.为了进一步说明本发明的背景，值得注意的是，具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置涉及用于在工业领域中进行精密测量的尺寸控制装置的技术领域。
5.在此背景下，所述尺寸控制装置被分为接触式装置和非接触式装置。
6.上述两种装置不仅适用于对机械部件的尺寸测量，而且还适用于制造具有平坦表面和弯曲表面的玻璃部件的工业。例如，这适用于对玻璃和其他透明材料的测量，甚至适用于对大尺寸的玻璃和其他透明材料、比如汽车、铁路或航空领域中使用的材料的测量，其中，在这些材料被投放市场之前以及在这些材料的制造过程期间，都需要对这些材料的计量特征(characteristics)进行准确验证(verification)。
7.接触式装置具有可移动部分，该可移动部分在测量期间与物体的要被测量的距离或尺寸相对而言的表面接触。
8.接触式装置的典型局限性是该接触式装置的固有性质，即处于操作模式中。
9.实际上，已经发现，该装置的可移动部分与表面的接触会导致被测物体的移位和/或变形，从而不能保证准确的测量和/或引起对物体本身的潜在损坏。
10.已知的非接触式装置能够根据其操作原理分为不同的类型。
11.最重要的非接触式装置是光学类型的非接触式装置，即，使用光作为测量手段的非接触式装置。这种装置例如通过对反射光束的强度进行分析、或者通过使用激光三角测量技术来对距物体的距离进行测量，或者这种装置是共焦(单色或多色)的，或者这种装置通过使用干涉法(interferometry)的原理来对距物体的距离进行测量。
12.非接触式装置解决了上述接触式装置的典型关键问题；然而，由于测量方法和物体的进行测量所相对而言的表面的性质和特征，已知的非接触式装置本身表现出一系列的问题。
13.特别地，对具有透明或半透明表面的物体进行非接触式光学尺寸测量表现出显著的困难。例如，如果表面是透明的，激光三角测量法是不能使用的。例如，对作为用于对距离进行测量的有用信号的反射光束的强度进行分析的检测传感器是受由于其他物理量、比如环境温度值和表面本身的反射率所引起的误差影响的。例如，具有共焦传感器或干涉仪的
装置克服了上述问题和局限性中的一些问题和局限性，但是具有共焦传感器或干涉仪的装置是极其复杂且昂贵的，并且因此对于工业环境中的大规模测量而言的用途是有限的。
14.在这种背景技术的背景下，显然，极其需要一种具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置，该具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置执行非接触式测量并且克服了已知解决方案的问题和局限性。


技术实现要素：

15.本发明的目的是提供一种具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置，该具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置是易于使用、高度准确和可靠的以及具有成本效益的，以能够适用于工业测量领域和先进技术领域。
16.所述目的是通过具有根据权利要求1所述的特征的具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置来实现的。类似地，这种目的是通过根据权利要求12所述的尺寸和/或产品形状控制系统来实现的，该尺寸和/或产品形状控制系统包括具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置。
17.从属于上述权利要求的权利要求示出了隐含其他有利方面的优选变型。
附图说明
18.本发明的其他特征和优点将从下面提供的对参照附图以非限制性示例的方式给出的本发明的优选实施方式的描述中显而易见，在附图中：
[0019]-图1以轴向剖视立体图示意性地示出了根据本发明的具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置；
[0020]-图2和图2a两者分别是根据优选的实施方式的具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置的纵向示意性截面图和横向示意性截面图；
[0021]-图3示意性地示出了通过根据本发明的具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置对具有镜面反射部的目标执行的第一测量；
[0022]-图3’和图3”示出了与图3中示意性地示出的测量有关的两个图表；
[0023]-图4示意性地示出了通过根据本发明的具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置对具有镜面反射部的目标执行的第二测量，其中，物体定位在相对于图3中的图示而言不同的距离处；
[0024]-图4’和图4”示出了与图4中示意性地示出的测量有关的两个图表；
[0025]-图5示意性地示出了通过根据本发明的具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置对半透明的目标执行的第三测量；
[0026]-图5’和图5”示出了与图5中示意性地示出的测量有关的两个图表；
[0027]-图6示意性地示出了通过根据本发明的具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置对具有镜面反射部且倾斜的目标执行的第四测量；
[0028]-图6’和图6”示出了与图6中示意性地示出的测量有关的两个图表；
[0029]-图7示出了根据图4中的测量的使用在根据本发明的具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置中包括的成像传感器获得的信号；
[0030]-图8示出了根据图5中的测量的使用在根据本发明的具有微米级分辨率的非接触
式尺寸测量装置中包括的成像传感器获得的信号；
[0031]-图9示出了根据图6中的测量的使用在根据本发明的具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置中包括的成像传感器获得的信号；
[0032]-图10示出了在具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置中包括的一些部件、特别是光源、光阻隔元件和光学组的优选的实施方式的放大图。
具体实施方式
[0033]
参照附图，根据本发明的具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置是由附图标记1标示的。
[0034]
本发明的检测装置1适于对距设置有反射表面950的物体900的距离进行检测。优选地，在本论述的下文中，术语“物体”或“产品”基本上被用作同义词。
[0035]
优选地，物体900是包括至少一个表面的本体，该表面具有完全或部分的镜面反射部。
[0036]
优选地，物体900是由玻璃或其他透明或半透明的材料制成的。
[0037]
优选地，物体900是玻璃板状件(pane)或片状件(sheet)。在物体900是由透明或半透明的材料、例如玻璃制成的板状件或片状件的实施方式中，物体900在第一侧部上包括反射表面950并且在第二侧部上包括第二反射表面955。优选地，这两个反射表面表示玻璃板状件的外表面。优选地，第一侧部处于靠近具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置1的位置，而第二侧部处于远离具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置1的位置。
[0038]
本发明的另一目的是提供一种适于对物体900的符合度和特征进行验证的尺寸和/或产品形状控制系统，该尺寸和/或产品形状控制系统包括至少一个根据本发明的具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置1。
[0039]
根据优选的实施方式，尺寸和/或产品形状控制系统包括支撑框架，在该支撑框架上定位有多个具有微米级分辨率的尺寸测量装置1。优选地，所述支撑框架适于将具有微米级分辨率的尺寸测量装置1各自在相应的优选且预定的位置中进行支撑。优选地，所述具有微米级分辨率的尺寸测量装置1同时在不同点处对物体900的特征进行检测。
[0040]
根据优选的实施方式，尺寸和/或产品形状控制系统包括移动系统，该移动系统安装有一个或更多个具有微米级分辨率的尺寸测量装置1以对物体900进行扫描。
[0041]
根据优选的实施方式，尺寸和/或产品形状控制系统具体地应用于玻璃片状产品的制造工业中，例如，应用于汽车、铁路或航空领域用的玻璃的生产工业中。
[0042]
优选地，尺寸和/或产品形状控制系统适于对“玻璃”产品的特征整体上进行检查。优选地，所生产的尺寸和/或产品形状控制系统适于对玻璃的完整性、厚度、以及可能的曲率和/或平面度进行检查。
[0043]
根据本发明，具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置1沿着轴线x-x延伸。
[0044]
优选地，如下面详细描述的，轴线x-x也是执行测量所沿的轴线。
[0045]
陈述性地，具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置1对物体900沿着所述轴线x-x的位置进行测量，其中，所述物体900定位在介于1毫米与100毫米之间的距离处。优选地，所述物体900定位在介于距具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置1的端部1毫米与100毫米之间的距离处。
[0046]
根据本发明，具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置1包括光源2，该光源2产生朝向物体900的发射光束“le”。
[0047]
特别地，光源2产生沿发射方向的发射光束“le”，优选地，该发射方向基本上平行于轴线x-x。换言之，光源2产生沿着轴线x-x的非相干(incoherent)且发散的光束。
[0048]
根据优选的实施方式，光源2定位在轴线x-x处。
[0049]
根据优选的实施方式，光源2是led。
[0050]
根据优选的实施方式，光源2是蓝色led。
[0051]
根据优选的实施方式，光源2是呈裸晶片的形式的蓝色led。
[0052]
根据本发明，光源2产生朝向反射表面950的发射光束“le”，以使得反射表面950反射出沿着与发射方向基本上相反的反射方向的反射光束“lr”。
[0053]
此外，根据本发明，具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置1包括光阻隔元件3，该光阻隔元件3定位在光源2的相对于所述发射方向而言相反的侧部上。换句话说，所述光阻隔元件3适于阻止反射光束“lr”通过。
[0054]
优选地，光阻隔元件3是基本上平坦的且与轴线x-x正交的。
[0055]
根据本发明，所述光阻隔元件3包括至少一个缝隙30，该缝隙30能够供反射光束“lr”穿过。优选地，所述缝隙30以贯穿方式沿平行于轴线x-x的方向延伸。
[0056]
换句话说，除了所述至少一个缝隙30的空间以外，光阻隔元件3阻止光通过，即，光阻隔元件3阻止反射光束“lr”通过。
[0057]
根据本发明，缝隙30成形为适当的形状。
[0058]
根据优选的实施方式，缝隙30具有基本上圆形的形状。换句话说，缝隙30延伸基本上360
°
。优选地，缝隙30是以轴线x-x为中心的。
[0059]
优选地，缝隙30包括第一缝隙边缘31和第二缝隙边缘32并且是由第一缝隙边缘31和第二缝隙边缘32界定的，优选地，第一缝隙边缘31是内边缘，优选地，第二缝隙边缘32是外边缘。
[0060]
根据优选的实施方式，缝隙30具有包括在第一缝隙边缘31与第二缝隙边缘32之间的介于5微米与500微米之间的宽度。优选地，缝隙30具有包括在第一缝隙边缘31与第二缝隙边缘32之间的介于10微米与100微米之间的宽度。
[0061]
根据本发明，具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置1包括检测组5，该检测组5适于对穿过缝隙30的光束进行检测和分析。
[0062]
所述检测组5包括成像传感器(50)，在成像传感器50上对穿过缝隙30的反射光束“lr”的投影500进行检测。
[0063]
根据优选的实施方式，根据缝隙30的形状，投影500具有第一投影边缘501和第二投影边缘502。
[0064]
例如，在优选的实施方式中，在缝隙30具有基本上圆形的形状的情况下，在成像传感器50上检测到的投影500也具有基本上圆形的形状。
[0065]
根据优选的实施方式，缝隙30是基本上圆形的。然而，对本发明而言，缝隙30的形状不是限制性的。
[0066]
根据优选的实施方式，所述成像传感器50是cmos传感器。
[0067]
根据优选的实施方式，cmos传感器具有介于1*1毫米^2与30*30毫米^2之间的有源
(active)区域。优选地，cmos传感器具有介于1*1毫米^2与10*10毫米^2之间的有源区域。优选地，cmos传感器具有介于1*1毫米^2与4*4毫米^2之间的有源区域。优选地，cmos传感器具有约1.5*1.5毫米^2的有源区域。
[0068]
根据优选的实施方式，成像传感器50定位成使得有源区域的中心对应于轴线x-x。
[0069]
此外，检测组5包括处理和控制组件51，该处理和控制组件51操作性地连接至成像传感器50，该处理和控制组件51适于对所述投影500的形状和位置进行分析。
[0070]
优选地，处理和控制组件51适于通过对投影500的形状和位置进行分析而对物体900的反射表面950的距离和特征进行确定(identify)。
[0071]
根据优选的实施方式，处理和控制组件51包括数据转换和传输单元51’，该数据转换和传输单元51’操作性地连接至检测传感器50，该数据转换和传输单元51’适于对由所述检测传感器50生成的数据进行读取和转换。
[0072]
此外，处理和控制组件51包括处理和控制单元51"，该处理和控制单元51”操作性地连接至数据转换和传输单元51’，该处理和控制单元51”适于接收由数据转换和传输单元51’读取的数据，以对该数据进行分析并且从而对所述投影500的几何形状和位置进行验证。
[0073]
根据优选的实施方式，具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置1还包括光学组4，该光学组4适于将穿过缝隙30的反射光束“lr”朝向成像传感器50会聚。
[0074]
光学组4的示意性且模拟的优选实施方式在所附的图表中示出。除了下面描述的特征之外，光学组4不限于具体的实施方式。
[0075]
根据优选的实施方式，光学组4包括一个或更多个透镜。优选地，所述透镜是球面或非球面的。
[0076]
根据优选的实施方式，在光学组4中包括的透镜的数量是尽可能有限的。
[0077]
优选地，光学组4能够设计成实现在所需的性能、效果、尺寸和成本之间的正确折中。
[0078]
根据优选的实施方式，光学组4包括轴向间隔开的两个球面凸透镜。
[0079]
根据优选的实施方式，光学组4包括面向物体900的基部表面41。优选地，所述基部表面41是在轴向上靠近物体900的。
[0080]
根据优选的实施方式，所述基部表面41是平坦的。优选地，所述基部表面41是与轴线x-x正交的。
[0081]
根据优选的实施方式，光阻隔元件30定位在基部表面41上。
[0082]
根据优选的实施方式，光源2和光阻隔元件3是成一体地连接的。
[0083]
优选地，光源2和光阻隔元件3两者都与光学组4成一体地连接。
[0084]
根据优选的实施方式，光阻隔元件3是由金属制成的。
[0085]
根据优选的实施方式，光阻隔元件3是由电流传导材料制成的。优选地，光阻隔元件3适于对安装在光阻隔元件3上的光源2进行电力供应。优选地，光阻隔元件3成形为对操作性地连接至光源2的正极和负极进行确定。根据优选的实施方式，光阻隔元件3是通过在所述基部表面41上沉积至少一个膜状材料而获得的，该膜状材料是光不能穿过的。
[0086]
优选地，光阻隔元件3包括至少一个电传导膜状材料。优选地，光阻隔元件3包括一个或更多个传导金属膜状材料。优选地，所述在基部表面41上沉积所述至少一个膜状材料
的操作是通过金属化操作执行的。
[0087]
图10示出了光学组4(示意性地示出)、成一体地搁置在所述光学组4的基部表面41上的光阻隔元件3、以及安装在光阻隔元件3上并由光阻隔元件3供应电力的led光源2的优选实施方式的非限制性示例。根据这种优选的实施方式，缝隙30特别地成形为将正极与负极化分开。
[0088]
此外，同样根据所述优选的实施方式，光源2是通过晶片结合技术以及线结合技术而操作性地连接至光阻隔元件3的。
[0089]
根据优选的实施方式，具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置1适于还对透明的物体900的厚度进行检测。事实上，所述透明的物体900在第一侧部上具有反射表面950并且在第二侧部(或相反的侧部)上具有第二反射表面955。
[0090]
特别地，检测组5在成像传感器50上对由于反射表面950引起的投影500和由于第二反射表面955引起的辅助投影510进行检测和分析。
[0091]
实际上，辅助投影510优选地包括第一辅助投影边缘511和第二辅助投影边缘512。
[0092]
换句话说，当光源2朝向透明的物体900发射出发射光束“le”时，具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置1接收到两个反射光束“lr”、“lr
’”
：由于第一反射表面950引起的一个反射光束“lr”和由于第二反射表面955引起的第二反射光束“lr
’”
。
[0093]
一些测量情形在以图表表示的图3至图9中示意性地示出。特别地，所述附图指代与包括基本上圆形形状的缝隙30的具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置1有关的测量。
[0094]
具体地，图3、图3’和图3”示出了第一测量，其中，物体900、特别是物体900的反射表面950定位在距离“d”处。
[0095]
参照所述第一测量情形，图7示出了成像传感器50上的投影500的轮廓。特别地，通过利用特别配置的图像处理算法的数据处理和控制组件51，对投影500的由“r”标示的半径的值——该值与距离“d”相关联——进行确定。因此，距离“d”的期望值是通过对投影500的半径进行测量来确定的。换句话说，由成像传感器50产生的信号是通过转换和传输单元而被发送至处理和控制单元的，该处理和控制单元通过利用合适的图像处理算法而对投影500的几何形状进行重建，从而确定出由“r”标示的所述半径。
[0096]
图4、图4’和图4”示出了第二测量情形，其中，物体900、特别是反射表面950定位在距离“d
’”
(与前面的图中的距离“d”不同)处。在图4’和图4”中，如图3’和图3”中所示的第一测量情形与第二测量情形之间的差异确实是明显的。
[0097]
图5、图5’和图5”示出了第三测量情形，其中，物体900是具有包括在第一反射表面950与第二反射表面955之间的厚度“s”的透明或半透明的箔。第一反射表面950处于距具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置1的距离“d”处，而第二反射表面955与第一反射表面950间隔开厚度“s”。
[0098]
参照所述第三测量情形，图8示出了成像传感器50上的投影500和辅助投影510的图像。特别地，通过利用特别配置的图像处理算法的数据处理和控制组件51，对存在于这两个投影之间的以“s”标示的距离的值——该值与透明类型的物体900的厚度“s”相关联——进行确定。因此，厚度“s”的期望值是通过对这两个投影之间的距离进行测量来确定的。换句话说，由成像传感器50生成的信号通过转换和传输单元而被发送至处理和控制单元，该
处理和控制单元利用特别配置的图像处理算法来对投影500和辅助投影510的几何形状进行重建，以计算出所述距离“s”。
[0099]
此外，图6、图6’和图6”示出了第四测量情形，其中，物体900是相对于轴线x-x倾斜的，或者物体900具有相对于轴线x-x倾斜的反射表面950。特别地，所述倾斜角度是由角度“α”标示的。
[0100]
参照所述第四测量情形，图9示出了在成像传感器50上获得的投影500的图像。处理和控制组件51通过利用特别配置的图像处理算法来对偏移值“d”进行计算；偏移值“d”是在物体900以倾斜角度“α”倾斜的情况下获得的投影500的中心位置与在空倾斜角度(即，“α”等于零)的情况下获得的投影500的中心位置之间的差值。然后，通过对所述偏移量“d”进行测量，找到角度“α”的期望值。
[0101]
根据优选的实施方式，具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置1包括沿着轴线x-x延伸的装置本体6。
[0102]
优选地，装置本体6对测量端部60进行确定，通过测量端部60发生发射光束“le”的发射，并且通过测量端部60发生反射光束“lr”的接收。
[0103]
根据优选的实施方式，装置本体6具有介于6毫米与60毫米之间的径向尺寸。优选地，装置本体6具有介于6毫米与15毫米之间的径向尺寸。优选地，装置本体6具有8毫米的径向尺寸。
[0104]
根据优选的实施方式，装置本体6具有轴向对称的形状。
[0105]
优选地，装置本体6具有筒形的形状。
[0106]
优选地，装置本体6在靠近测量端部60的区域具有渐缩的形状，并且在轴向远离所述测量端部的区域中变宽。
[0107]
根据优选的实施方式，所有上述部件都被容置在装置本体6中。
[0108]
根据变型的实施方式，除了相对于数据转换和传输单元51’远程定位的处理和控制单元51”以外，所有上述部件都容置在装置本体6中。在这种实施方式中，适于执行检测的所有上述部件容纳在装置本体6中，而必要的分析通过远程的处理和控制单元51”借助于特别配置的图像处理算法执行以实现所需的测量。
[0109]
根据优选的实施方式，装置本体50具有介于6毫米与200毫米之间的轴向尺寸。根据优选的实施方式，光阻隔元件3与成像传感器50之间的轴向距离介于5毫米与100毫米之间。
[0110]
创新地，根据本发明的具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置和尺寸和/或产品形状控制系统通过解决典型的现有技术的解决方案中遇到的问题而在很大程度上实现了预期目的。
[0111]
有利地，本发明的具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置在现有技术的接触式或非接触式检测装置的背景内设置作为接触式或非接触式检测装置的替代品。
[0112]
有利地，具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置适于以简单和可靠的方式对自身与物体之间的距离进行检测。
[0113]
有利地，具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置还适于以简单和可靠的方式对物体的其他特征、比如物体的倾斜度、以及特别是物体的反射表面的倾斜度进行检测。
[0114]
有利地，具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置适于对透明或半透明的物体
的厚度进行检测。
[0115]
有利地，具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置适于在工业领域中具有广泛的传播和广泛的用途。
[0116]
有利地，相互定位在预定位置或由特定的移动和扫描系统移动的大量具有微米级分辨率的尺寸测量装置能够用于对即使是低成本的物体的、比如玻璃板状件的尺寸和形状进行验证。
[0117]
有利地，具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置具有有限数量的部件。
[0118]
有利地，具有微米级分辨率的非接触式尺寸测量装置具有极其紧凑的大小。有利地，在优选的实施方式中，光阻隔元件和光源是成一体地连接的。有利地，在优选的实施方式中，光阻隔元件和光学组是成一体地连接的。
[0119]
有利地，在优选的实施方式中，除了执行用作反射光的阻隔件的功能以外，光阻隔元件还适于对光源进行电力供应。
[0120]
显然，本领域的技术人员可以对本发明的对象进行改变，所有这些改变都包含在如以下权利要求书中限定的保护范围内以满足可能有的需求。