(57)【要約】【課題】最適な測定特性を有するが、断面が少なくとも１つの空間方向において可能な限り小さな寸法を有する測定ヘッドを有する装置の実現。【解決手段】曲面26の非接触測定のための装置であって、(a)連続したスペクトルを有する光を生成する光源と、(b)光源に対応する光出口面と、(c)光出口面を投影するための色収差を有する光投影システムを有する測定ヘッド10と、(d)光システム22を通して測定される表面に向けられ及びそこから反射される光のスペクトル強度分布を記録する光スペクトル装置と、(e)光システムと表面の間の距離が記録された強度分布が部分的な最大値を有する各波長に対応付けることができるようにする評価ユニットと、を備え、測定される表面26がX方向では平坦であり、光システム22の光軸はX方向において表面26に垂直で、光軸24に対して垂直なこのX方向において光システム22の幅が小さくされている。【選択図】図１
2007286057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの曲面の非接触測定のための装置であって、
（ａ）連続したスペクトルを有する光を生成する光源と、
（ｂ）前記光源に対応する光出口面と、
（ｃ）前記光出口面を波長依存焦平面に投影するための色収差を有する光投影システムを有する測定ヘッドと、
（ｄ）前記光システムを通して測定される表面に向けられ及びそこから反射される光のスペクトル強度分布を記録することを可能にする光スペクトル装置と、
（ｅ）前記光システムと前記表面の間の距離が、前記光スペクトル装置により記録された前記強度分布が部分的な最大値を有する各波長に対応付けることができるようにする評価ユニットと、を備え、
測定される前記表面（２６）が１つの空間方向（Ｘ）では平坦であり、前記光システム（２２）の前記光軸はこの空間方向（Ｘ）において前記表面（２６）に垂直で、光軸（２４）に対して垂直なこの空間方向（Ｘ）において前記光システム（２２）の幅が小さくされていることを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、
前記光投影システムは、その光軸（２４）に対して、回転対称光システム（２２）であり、少なくとも一方の側（２０、３２ａ、３６ａ、３８ａ）で前記光軸（２４）に平行になるように一部が除去されていることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、
前記光システム（２２）の対向する両側（２０、３２ａ、３６ａ、３８ａ）で一部がそれぞれ除去されていることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の装置であって、
前記測定ヘッド（１０）は、測定される前記表面（２６）に対して相対的に移動可能であり、特に前記光システム（２２）の前記幅が小さくされている空間方向（Ｘ）に基本的に垂直な方向に移動可能であることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の装置であって、
前記光システムは、対物レンズ（２２）、特に受動型対物レンズであることを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の装置であって、
前記測定ヘッド（１０）は、少なくとも１つの光導波路を介して、特に多モード光導波路を介して前記光源及び前記光スペクトル装置に接続されていることを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の装置であって、
複数の前記測定ヘッド（１０）が、前記光システム（２２）の前記幅が小さくされている空間方向（Ｘ）に、互いにに隣接して配置されていることを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の装置であって、
２つの表面（２６）で囲まれている少なくとも１つの層の厚さ、特に壁の層の厚さを測定することを特徴とする装置。
【請求項９】
少なくとも１つの曲面の非接触測定のための方法であって、
（ａ）連続したスペクトルを有する光の光表面が生成され、
（ｂ）色収差を有する光投影システムにより、前記光表面は波長依存焦平面に投影され、
（ｃ）測定される表面に向けられ及びそこから反射される光のスペクトル強度分布が記録され、
（ｄ）そして、光システムと前記表面の間の距離が、前記記録された強度分布が部分的な最大値を有する各波長に対応付けられる、方法であって、
前記光システム（２２）の前記光軸（２４）は、測定される前記表面（２６）が平面である空間方向（Ｘ）において、前記表面（２６）に垂直に配置され、前記光システム（２２）の幅は、前記光軸（２４）に対して垂直なこの空間方向（Ｘ）において小さくされていることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの曲面の非接触測定のための装置に関係し、この装置は、少なくとも、
（ａ）連続したスペクトルを有する光を生成する光源と、
（ｂ）前記光源に対応する光出口面と、
（ｃ）前記光出口面を波長依存焦平面に投影するための色収差を有する光投影システムを有する測定ヘッドと、
（ｄ）前記光システムを通して測定される表面に向けられ及びそこから反射される光のスペクトル強度分布を記録することを可能にする光スペクトル装置と、
（ｅ）光システムと前記表面の間の距離が、前記光スペクトル装置により記録された前記強度分布が部分的な最大値を有する各波長に対応付けることができるようにする評価ユニットと、を有する。
【０００２】
この装置は、さらに、少なくとも１つの曲面の非接触測定のための方法に関係し、そこでは、
（ａ）連続したスペクトルを有する光の光表面が生成され、
（ｂ）色収差を有する光投影システムにより、前記光表面は波長依存焦平面に投影され、
（ｃ）測定される表面に向けられ及びそこから反射される光のスペクトル強度分布が記録され、
（ｄ）そして、光システムと前記表面の間の距離が、前記記録された強度分布が部分的な最大値を有する各波長に対応付けられる。
【０００３】
この形式の既知の装置は、特に層厚を測定するのに、特にレンズの中央の厚さを測定するのに使用される。走査型３次元（３Ｄ）測定システムとして構成される時には、さらにトポグラフィーおよびプロフィールの非接触測定にも使用される。典型的な応用は、ガラス、プラスチック、半導体および自動車産業における、研究所および産業的な生産の両方における、品質保証および製造制御である。
【０００４】
この形式の装置は、非特許文献１に記載されている。そこでは、レンズの中央の厚さを測定するため、固定の基準点とレンズの上側および下側の頂点の間の距離を測定することが提案されている。距離測定については、スペクトル的に広帯域の光が光導波路に結合され、ファイバ・カプラを介して大きな縦方向の色収差で対物レンズに送られる。対物レンズは、ファイバ端面から出る光を、測定される表面上に波長に依存して収束させ、それは数マイクロメータ（μｍ）の直径を有する測定スポットを生成する。しかしながら、照明ファイバコアの鮮鋭な画像化は、波長λ1だけについて得られる。これにより、同一の波長λ1の光は、ファイバ端に鮮鋭に投影され、光導波路に結合される。他の波長は、非鮮鋭な投影のために、強く抑制される。反射光は、ファイバ・カプラを介して分光器(Spectrograph)に入る。ここで測定されたスペクトルは、関係する波長λ1で鮮鋭なピークを示す。キャリブレーション（較正）により、表面までの所望の距離を、検出された波長から決定することができる。透明材料の２つの界面（インターフェース:interface)、特にレンズが対物レンズの測定レンジ内にあるならば、界面の一方で鮮鋭な画像が得られる波長が、λ1とλ2の２つある。２つのピークは対応して検出され、それから２つのインターフェースに対する距離ｓ1とｓ2が決定できる。
【０００５】
【非特許文献１】Matthias Kunkel and Jochen Sculze "Mittendikke von Linsen beruhrungslos messen" Photonik 6/2004
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
最適な測定特性を、特に高い光感度および大きな解像パワーを達成するため、この目的で使用される既知の測定ヘッドの対物レンズは、必要な測定距離に依存し且つ対応する大きな開口（アパーチャ）のために、それに対応する大きな直径を有する。しかし、測定ヘッドの設置空間は、１つの空間方向にしばしば限定され、特に多重の測定ヘッドは小さな空間で連続して配置される。この場合、狭い測定ヘッドが望ましい。
【０００７】
本発明の目的は、上記のような形式の装置および方法で、断面が少なくとも１つの空間方向において可能な限り小さな寸法を有し、最適な測定特性を有し、特に高光感度および高分解パワーを有する測定ヘッドを使用可能なように構成することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、測定される表面が１つの空間方向では平坦であり、光システムの光軸はこの空間方向において表面に垂直で、光軸に対して垂直なこの空間方向において光システムの幅が低減されるという本発明により達成される。
【０００９】
本発明によれば、光システムはこのように狭くされるので、測定ヘッド全体も既知の測定ヘッドより狭い。このように、光システムがより狭くなっている空間方向においては、光システムのアパーチャは、他の空間方向のアパーチャに比べて、光軸に垂直な方向が実際に小さくされている。それにもかかわらず、光システムの光軸が、光システムの光軸が間隔をおいて配置される平面内の表面に対しておよびアパーチャが低減された空間方向に対して基本的に垂直に伸びる限り、低減された直径は、最適な測定特性を達成するのに十分である。総合的には、光軸が測定される表面に対して垂直に伸びる平面内における測定ヘッドのより小さな外側形状になるように、大きなアパーチャにならないようにされるが、測定特性は悪くならないようにされる。一方、表面が曲がっている平面では、光システムは最適な測定結果を達成するように十分大きなアパーチャ、および対応する大きな寸法を有する。
【００１０】
特に有利な実施例においては、光システムは、光軸に対して回転対称な光システムであり、少なくとも一方の側で光軸に平行になるように一部が除去されている。除去部分は、特に切り取られるか、削り取られる。この方法では、光システムは、そのアパーチャを維持し、従って他の側方空間方向における最適な測定特性を維持する。
【００１１】
好適には、光システムの対向する両側で一部がそれぞれ除去される。この方法では、測定ヘッドは、対称に構成される。
【００１２】
走査により表面を測定可能にするために、測定ヘッドは、測定される表面に対して相対的に移動可能であり、特に光システムの幅が小さくされている空間方向に基本的に垂直な方向に移動可能であることが望ましい。
【００１３】
光システムは、好適には対物レンズであり、特に受動型対物レンズであることが望ましい。光投影特性は、対物レンズにより達成される。いかなる電子的部品及び移動部品も含まない受動型光システムは、非常に堅固で、外部に対して、特に機械的及び／または電気的な影響に対して仮想的には影響されない。
【００１４】
光を可能な限り最小の損失で測定ヘッドへ伝えそれから伝えるのを可能にするために、測定ヘッドは、少なくとも１つの光導波路を介して、特に多モード光導波路を介して光源及び光スペクトル装置に接続される。
【００１５】
さらに好適な実施例では、複数の測定ヘッドが、光システムの幅が小さくされている空間方向に、互いに隣接して配置される。この場合、表面は同時に測定でき、測定ヘッドが配列される直線に沿っては位置される複数の測定点で非常に高速に測定できる。測定ヘッドは、狭い側が隣接するように配列されるので、それに応じた小さな測定点間隔及びこの空間方向における大きな空間分解能を達成できる。走査により表面全体を測定するために、すべての測定ヘッドは表面に対して同時に移動される。移動は、測定ヘッドが狭い空間方向に垂直に、またはそれに斜めに行われる。
【００１６】
好適には、２つの表面で囲まれている少なくとも１つの層の厚さ、特に壁の層の厚さが、この装置を使用して測定可能である。この装置により、透明な、特に部分的に円筒の本体で、特にガラスまたは樹脂ボトルの層厚を簡単にかつ正確に測定することができる。
【００１７】
本発明の方法は、光システムの光軸が、測定される表面が平面である空間方向において、表面に垂直に配置され、光システムの幅は、光軸に対して垂直なその空間方向において小さくされていることを特徴とする。
【００１８】
光システムは表面に対してこのように配置されるため、その光軸に対して垂直な方向において比較的小さなアパーチャとなり、光システムの同一の最適測定特性で測定するために十分である。このように、使用する測定ヘッドは、狭くすることができる。総合的には、光軸が測定される表面に垂直に伸びる平面における測定ヘッドのより小さな外側寸法が好ましいので、大きなアパーチャにならないようにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の例示の実施例が、図面を参照して以下詳細に説明される。
【００２０】
図１から図３は、全体が参照番号１０で示される長い測定ヘッドを示し、これは、図５に示されるガラス・シリンダ（円筒）１２の壁厚の非接触測定のための装置（他は示さず）の、図４および図５に示すような測定ヘッド配置で使用される。
【００２１】
測定ヘッド１０は、連続したスペクトルを有する光を発生する既知の光源に、マルチモード光導波路(multimode optical waveguide)（図示せず）を介して接続される。光導波路は、図１の長手方向の左側にあり、測定ヘッド１０の筐体１６の後端側にある円筒光ガイドコネクタ本体１４に光を導く。そこでは、光導波路は、光ガイドコネクタ本体１４の端面に中心を合わせて取り付けられたファイバ・カプラに向いて開いている。図１から図５に示す実際の例示の実施例における測定ヘッド１０の長さは、例えば約９ｃｍから１０ｃｍであり、光ガイドコネクタ本体１４を有して約１４ｃｍから１５ｃｍである。
【００２２】
測定ヘッド１０の筐体１６は、基本的には円形シリンダの形状を有しており、その側面は２つの相互に対向する側２０では平側面になっており、図１ではその平面は図の面に平行であり、正面図では水平であり、図２では図の面に垂直である。これは図３の後側の部分の図からも分かる。平側面２０の間の距離は、図２および図３に示されるように、光ガイドコネクタ本体１４の直径より若干大きい。実際の例示の実施例では、測定ヘッド１０の筐体１６の外側の直径は、約５ｃｍから７ｃｍである。２つの平側面２０の間の距離は約３ｃｍから４ｃｍである。
【００２３】
測定ヘッド１０においては、光導波路の端面は、光源からの光出口面（図では見えない）に対応し、測定ヘッド１０の筐体１６の端面に平行に伸びている。
【００２４】
測定ヘッド１０は、色収差を有する対物レンズ２２を備え、対物レンズは、光出口面を、図１における測定ヘッド１０の右側にある波長依存焦平面に縮小して投影する。対物レンズ２２の光軸２４は、光出口面を通して、測定ヘッド１０の筐体１６と同軸に伸び、それは図１、図２、図４および図５では水平方向に伸びている。例として選択された波長の光コーン（円錐）が図１、図２、図４および図５の右側に示されている。
【００２５】
コーン２５の高さは、ガラス・シリンダ１２上の測定される表面２６上にあるコーンの先端が配置される焦点からの対物レンズ２２の測定距離に対応する。実際の例示の実施例における測定距離は、６．５ｃｍと７．５ｃｍの間である。対物レンズ２２の長さは、例えば約５．５ｃｍから６．５ｃｍである。
【００２６】
光ガイドコネクタ本体１４から見ると、対物レンズ２２は、平凸レンズ３０と平凸レンズ３２で構成される第１レンズ対２８と、そこから所定距離離れた位置にある両凸レンズ３６と凹凸レンズ３８で構成される第２レンズ対３４と、を備える。第２レンズ対３４は、図１の右側の、測定される表面２６に面する測定ヘッド１０の端の側に位置している。対物レンズ２２は受動型であり、すなわち、それはいかなる電子的部品および移動部品も含まない。
【００２７】
対物レンズ２２の直径は、測定ヘッド１０の筐体１６の平側面２０により、空間方向Ｘの光軸２４に垂直な方向で小さくなっている。このため、光軸２４に対して最初は回転対称であるレンズ３２、３６および３８の相互に対向する２つの側部が、対物レンズ２２の光軸２４に基本的に平行であるように、それぞれ除去され、レンズ３２、３６および３８は、それぞれ平面にされた側面３２ａ、３６ａおよび３８ａを有する。レンズ３０は、他のレンズ３２、３６および３８より十分に小さな直径を有するので、小さくする必要はない。レンズの周辺部を除去することにより、対物レンズ２２のアパーチャは、対応する側方空間方向Ｘの方向、すなわち、光軸２４に垂直な方向に伸びる方向において小さくされ、これに対してその方向に垂直な側方空間方向Ｙの方向については元のアパーチャが依然存在している。図１、図２、図４および図５において、互いに垂直な側方空間方向ＸとＹで異なるアパーチャは、光コーン２５の対応するプロフィールを利用して示されている。図１に示された対物レンズ２２と測定ヘッド１０の広い側の平面においては、光軸２４と光コーン２５の側方コーン表面の間の角度αは例えば１７度であり、図２に示された対物レンズ２２と測定ヘッド１０の狭い側の平面における角度βよりかなり大きく、角度βは例えば１５度である。
【００２８】
測定ヘッド１０は、従来技術で知られているスプリッタ（図示せず）を介して既知の方法で、分光器（同様に図示せず）への光導波路内にさらに接続される。分光器により、対物レンズ２２を介して測定される表面２６上に向けられたおよびそこから反射された光のスペクトル強度分布を記録することが可能である。
【００２９】
装置は評価ユニット（図示せず）をさらに有し、評価ユニットは機能的に分光器に接続される。評価ユニットにより、対物レンズ２２と測定される表面２６の間の距離を、分光器により記録された強度分布が極大を有する角波長に対応付けることができる。
【００３０】
図４は、３個の等価な測定ヘッド１０で構成される測定ヘッド配列を示す。測定ヘッド１０は、空間方向Ｘの方向に配列され、図４に示した例では、対物レンズ２２の幅は低減されている。測定ヘッド１０は狭いので、その光軸２４及び測定点を提供する焦点は、互いに非常に近接し、それに応じた大きな分解能が空間方向Ｘの方向に生成される。
【００３１】
図５では、図４の測定ヘッド１０は、その広い側面側から見た平面図で示される。ここでは上側の測定ヘッド１０のみが見え、他はそれにより遮られている。
【００３２】
ガラス・シリンダ１２の壁を測定するために、測定ヘッド１０は、その対物レンズ２２の幅が空間方向Ｘにおいて低減されるように配置され、測定される壁の表面２６はまっすぐ、すなわちガラス・シリンダ１２の軸に平行である。ガラス・シリンダ１２の軸は、図５の平面に垂直に伸びている。光軸２４は、測定ヘッド１０が狭い平面内に、表面２６に垂直であるように位置している。
【００３３】
ガラス・シリンダ１２の壁の厚さを測定するため、ガラス・シリンダ１２は、光出口側の測定ヘッド１０に沿って、図５における下側から上に、空間方向Ｙにおける対物レンズ２２の光軸２４に垂直に、案内される。このようにして、測定ヘッド１０は、対物レンズ２２の幅が低減されている空間方向Ｘに対して基本的に垂直に、測定される表面２６に対して移動される。シリンダ壁は、ここではガラス・シリンダ１２の軸に平行である空間方向Ｘではまっすぐであり、対物レンズ２２は小さなアパーチャを有する。ガラス・シリンダ１２が移動される時のガラス・シリンダ１２の壁と測定ヘッド１０の間の最小距離は、対物レンズ２２の平均測定距離にほぼ対応し、壁の内側表面（表面２６）と壁の外側表面のそれぞれは、測定ヘッド１０に面する壁の側面が通過する時に測定ヘッド１０により達成可能な焦平面の１つに対応付けることができる。ガラス・シリンダ１２が通過するに従って、２つのピークが、それぞれの測定ヘッドを介して、それぞれの分光器により同時に記録され、壁の内側及び外側表面からの対応する距離が、評価装置により決定され、それからガラス・シリンダ１２の壁の厚さが決定される。
【００３４】
対物レンズ２２の代わりに、色収差を有する他の形式の光投影システムを使用することもできる。
【００３５】
分光器の代わりに、他の光スペクトル装置を使用することもでき、例えば分光計(spectrometer)を使用できる。
【００３６】
両側面２０の代わりに、レンズ３、３６及び３８の部分の一方の側面だけを除去するようにしてもよい。
【００３７】
対物レンズ２２の幅が小さくされる空間方向に垂直な方向の代わりに、斜めに測定ヘッド１０を移動するようにしてもよい。
【００３８】
受動型の対物レンズ２２の代わりに、例えば、手動または自動で調整可能な対物レンズを使用するようにもできる。
【００３９】
装置は、壁の厚さの測定に限定されない。むしろ、透明な本体の２つの表面で囲まれたどのような層の厚さの測定にも使用できる。これは、内部にある層でも可能である。
【００４０】
ガラス・シリンダ２６の代わりに、例えばコーンまたはピラミッドを含む少なくとも１つの空間方向では平面であるほかの曲面を測定することも可能である。
【００４１】
装置、特に測定ヘッド１０は、高分解能距離センサとしても使用できる。それは、たとえ不透明な表面でもトポグラフィ及びプロフィールを非接触で測定する走査型３次元測定システムをとして構成することもできる。
【００４２】
測定ヘッド１０の寸法、測定距離及び光コーン２５で示される角度α及びβは、例として示された値より十分に大きいかまたは小さいようにすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】平面にされた測定ヘッドの長手方向の概略側断面図である。
【図２】図１の測定ヘッドの狭い側の一方から見た概略平面図である。
【図３】図１及び図２の測定ヘッドの概略後面図である。
【図４】側面から見た３個の図１から図３の測定ヘッドを有する測定ヘッド配列を概略的に示す図である。
【図５】ガラス・シリンダの壁の厚さを測定する時の、図４の測定ヘッド配列の概略平面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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