[发明专利]用于无接触测量距一表面的距离或两个表面之间的距离的方法和设备

说明书

一种用于无接触地测量距一表面(19)的距离或两个表面之间的距离的测量设备包括产生多色测量光(12)的测量光源(11)和将由测量光源(11)产生的测量光(12)定向到测量物体(18)上且接收由其反射的测量光(12')的光学测量头(16)。具有色散光学元件(22)和检测器(24)的摄谱仪(20)对反射的测量光(12')进行光谱分析。校准光源(30)产生具有已知且与温度无关的光谱成分的校准光(32)。评估装置(28)根据光谱的变化推导出校正值，借助所述校正值修改一方面光敏单元(26)和另一方面波长或根据波长推导出的变量之间的预设的关联，其中所述光谱由检测器(24)的光敏单元(26)上的校准光(32)产生。

发明背景

1.技术领域

本发明涉及用于无接触地测量距一表面的距离或两个表面之间的距离的测量设备以及方法，其中将多色测量光定向到测量物体上并且对从测量物体反射的测量光进行光谱分析。本发明尤其涉及减小因热效应引起的测量精度损害的问题。

2.现有技术

在测量技术中，经常出现测量参考点和固体或液体的测量物体的表面之间的距离的问题。根据测量任务，仅在表面上的一个或几个点处或在大量紧密间隔开的点处测量距离。在后一种情况下，可以根据距离测量值推导出测量物体表面的典型的一维或二维高度轮廓。以这种方式，例如能够证实精确加工的表面中的不平坦性，或者能够确定粗糙度值。在这种测量中绝对测量距离通常并不重要，而仅仅是以高的精度检测检测相对距离变化。

应当测量表面之间的距离，并且尤其测量光学透明层的厚度时同样适用。在这种情况下，也不需要距参考点的绝对距离，因为层厚度从界定层的表面的距离值的差中得出。在本文中，不仅将由被固体承载或固定在固体处的材料制成的层片称作为层，而且也将不需要支撑的相对薄的固体结构称作为层。对此的示例是由玻璃或半导体材料制成的盘，或瓶或类似物体的壁部。

除了电容式或其他电测量原理之外，主要将光学测量原理用于无接触测量距离，因为由此能够实现特别高的测量精度。在这些光学测量原理之一中，借助于光学测量头将多色测量光定向到测量物体上。从测量物体表面反射的测量光由测量头接收并且输送给摄谱仪，所述摄谱仪对反射的测量光进行光谱分析。根据测量光的光谱成分能够推断出距测量物体表面的距离。由于两种不同折射率介质之间的每个光学边界面反射一部分入射光，因此也能够以该方式确定距多个表面的距离，所述多个表面在测量光的传播方向上依次设置。对此的条件仅仅是测量光穿过的光学介质对于所使用的测量光是足够透明的。

在利用这种测量原理的第一类型的测量设备中，使用了彩色共焦测量的概念。这种类型的测量设备具有测量头，所述测量头包含未校正色度的将测量光聚焦到测量物体表面上的光学装置。由于光学装置的彩色纵向色差，将测量管的光谱分量聚焦在不同的焦平面中，其中所述光学装置能够包含由具有强色散的玻璃构成的透镜和/或衍射光学元件。共焦设置的光圈确保只有测量光的其焦平面精确处于测量物体表面上的光谱分量到达摄谱仪，并能够在那里进行光谱分析。摄谱仪包括光栅或另一种色散光学元件以及具有多个光敏单元的检测器。因为将非常窄的波长范围与每个光敏单元相关联，所以能够将距离值直接与检测器的各个单元相关联。如DE 10 2004 049 541 A1中所描述的那样，能够经由校准来确定距离值和单元之间的关联。

光学干涉的概念在同样对从测量物体表面反射的测量光进行光谱分析的另一类型测量设备中使用。从测量物体反射的测量光与参考臂中反射的测量光发生干涉。反射的测量光通过干涉进行光谱调制，其中所寻求的距离值能够根据调制频率推导出。为此目的，在摄谱仪中对由测量物体反射并与在基准臂中反射的测量光发生干涉的测量光进行光谱检测，并进行傅立叶逆变换。

为了保证质量，通常在生产环境中使用上述两种类型的光学测量设备。但是，在生产环境中，环境温度会大幅波动。因此，通常规定测量设备能在+5℃至+60℃的温度范围运行。