用于非接触式光学测距的装置的制造方法

用于非接触式光学测距的装置的制造方法
【专利摘要】描述了一种用于非接触式光学测距的装置，其包括：多色光源(3)、光分析单元(4)和测量头(5)，其中，测量头(5)包括光圈孔(6)和具有轴向色像差的光学透镜系统(12)。所述光学透镜系统(12)包括第一折射透镜(1)和第二折射透镜(2)，其中，折射透镜(1、2)中的至少一个具有至少一个非球面透镜表面(11)，并且第一折射透镜(1)和/或第二折射透镜(2)具有阿贝数为20≤νd≤41的光学材料。所述光学透镜系统(12)具有这样的轴向色像差，使得等于波长在450nm至700nm之间的光学透镜系统(12)的轴向焦点位移的测量范围(MR)在(包含)0.2mm至(包含)10mm之间。
【专利说明】用于非接触式光学测距的装置
[0001 ]本发明设及一种用于非接触式光学测距的装置。
[0002] 本专利申请要求德国专利申请10 2013 113 265.0的优先权，故通过引用的方式 将其公开内容并入本文。
[0003] 例如在文献DE 10 2006 017 400 A1中描述了一种用于非接触式光学测距的装 置。该装置包括具有利用色像差成像的光学系统的测量头。光源的光出射面通过该光学系 统而成像在取决于波长的焦平面中，并且在该焦平面中生成例如直径为几微米的测量斑， 待测对象能够位于该测量斑的区域中。由对象反射回的光W相反方向穿过光学系统并且禪 合到例如光纤端中，光通过该光纤端射入测量头。由于光学系统的色像差每次仅针对特定 波长λ而出现，所W光源的光出射面、例如光纤端面能够清晰成像在待测对象上，反之亦然。 因此，在反射光的波谱分析中，在所述波长λ处显示尖峰，通过进行测定能够由尖峰处的波 长确定测量头和待测对象之间的距离。
[0004] 例如由文献US 2008/0239278 Α1已知一种光学距离传感器，其W通过具有色像差 的透镜系统进行共焦成像的原理为基础。
[0005] 从现有技术已知的用于非接触式光学测距的装置通常具有至少Ξ个或四个透镜， W便通过透镜系统的色像差产生预定的测量范围。
[0006] 本发明的目的在于提供一种用于非接触式光学测距的改进的装置，其特征尤其在 于，该装置在具有相对简单且节约成本的设计的同时还具有优势性的小尺寸，此外，其还具 有高分辨率和高测量精度。
[0007] 根据所提出的权利要求1的用于非接触式光学测距的装置可实现所述目的。本发 明的优选实施方案和改进方案是从属权利要求的对象。
[000引根据至少一个实施方案，用于非接触式光学测距的装置具有光源、光分析单元和 测量头。所述光源和光分析单元能够例如通过光纤连接到测量头。光源和光分析单元能够 一起构成装置的控制单元并且集成到例如通过光纤连接到测量头的共同的壳体中。
[0009] 装置的光源是适用于将连续光谱的光发射到测量头的多色光源。所述光源优选为 白色光源，例如白光LED、面素灯或氣灯。为了获得特别紧凑的尺寸，尤其优选的是使用白光 LED。多色光源能够例如在可见光谱范围内发光，所述光谱范围尤其包括450nm至700nm的波 长范围。
[0010] 装置的光分析元件适用于接收并且对来自测量头的接收光进行光谱分析。通过运 种方式能够对待测对象反射到或散射到测量头中的光进行波谱分析，由此就能够从所分析 的波谱中确定出对象的待测距离。
[0011] 测量头具有用于使光源的光射入测量头并且使接收光、尤其是待测物体反射或散 射的光从测量头朝向光分析单元射出的光圈孔。因此，光圈孔既充当测量头的光入射孔又 充当其光出射孔。光圈孔优选为圆形并具有半径rPH。
[0012] 此外，测量头还包括具有轴向色像差的光学透镜系统。换言之，透镜系统的光轴上 的焦点的位置取决于波长。光源的在光圈孔射入测量头的光构成光斑，该光斑通过光学透 镜系统成像为其轴向位置取决于波长的测量斑。因为使用多色光源，所W光圈孔的光斑由 于光学透镜系统的轴向色像差而成像为测量斑区域，所述测量斑在光轴上具有不同的定 位。色像差尤其会导致：当波长较短时焦点距离光学透镜系统的位置比当波长较长时焦点 距离光学透镜系统的位置更近。
[0013] 如果对于特定波长而言，待测对象位于焦点处，那么由物体反射回或散射回的光 在反向光程中就仅清晰成像在测量头的光圈孔上。由此，在反射回或散射回到光圈孔中的 光的光谱分析中，最大强度示出于对于该波长而言对象位于焦点处的所述波长。由此，由最 大强度所出现的波长能够确定对象到测量头的距离。
[0014] 测量头的测量范围位于光源的最短可用波长所产生的焦点和光源的最长可用波 长所产生的焦点之间。因此，为了获得大的测量范围，优选使用宽带光源并且进一步使用具 有大色像差的光学透镜系统。
[0015] 在本发明所描述的装置中，测量头的光学透镜系统优选包括第一折射透镜和第二 折射透镜，其中至少一个折射透镜具有至少一个非球面弯曲的透镜表面。所述非球面弯曲 的透镜表面能够是凸面或凹面曲面。两个折射透镜的其余透镜表面设计为平面、球形凹面 或球形凸面。优选地，至少一个折射透镜具有平面的透镜表面，运是通过运种方式能够使生 产费用和公差灵敏度降低。
[0016] 光学透镜系统的第一和/或第二折射透镜优选具有阿贝数为20含Vd含41的光学材 料。阿贝数是对于光学材料的色散而言的测量值。阿贝数越小，则色散、即折射率对波长的 依赖就越强。由于将具有相对小的阿贝数20含vd含41的光学材料用于第一和/或第二透镜， 所W该光学系统的特征尤其在于强色散W及由此的高轴向色像差。
[0017]光学透镜系统优选具有运样的轴向色像差，等于波长在450nm至700nm之间的测量 头的轴向焦点位移的测量范围在(包括)〇.2mm至饱括nOmm之间。换言之，在光学透镜系统 中，对于45化m的波长而言的焦点与对于700皿的波长而言的焦点之间的间隔最小为0.2mm 并且最大为10mm。优选使用波长在450nm至700nm之间的可见光谱范围，运是因为除了有成 本更加低廉的光源可供使用W外，还有具有强色散的光学材料可供使用。然而，将测量范围 定义为波长在450nm至700nm之间的焦点位移并不排除在其他波长的情况下对装置加 W利 用的可能性。
[0018] 由于测量头的光学透镜系统仅包括两个折射透镜，所W测量头的构成尤其简单， 并且与具有更多透镜数量的光学系统相比较，其特征在于其重量小并且结构长度短。在本 发明所描述的装置中，仅包括两个透镜的光学透镜系统的结构是通过如下方式实现的，即 两个折射透镜中的至少一个具有至少一个非球面弯曲的透镜表面。通过所述至少一个非球 面弯曲的透镜表面能够比使用球面透镜表面更好地纠正会降低分辨率并且进而降低测量 精度的光学成像误差。
[0019] 在设计测量头的光学透镜系统时所面临的挑战尤其在于，尽管需要透镜系统的高 色像差，但是还要使其他相关的成像误差、特别是对于不同波长而言的球面像差、即所谓的 色球差最小化。已表明，如果折射透镜的至少一个透镜表面是非球面弯曲的透镜表面，则即 便在仅由两个折射透镜构成的透镜系统中仍旧能够实现对色球差的良好纠正W便获得高 的测量分辨率。非球面弯曲的透镜表面优选具有关于光轴径向对称的曲率。
[0020] 能够使用模拟程序来设计光学透镜系统，特别是球面透镜的曲率半径、非球面透 镜表面的形状、透镜彼此之间的间距、光圈孔和测量范围。对于设计光学系统而言的合适的 模拟程序对于本领域技术人员是已知的。
[0021 ]在光学透镜系统的优选实施例中，第一和第二折射透镜都具有阿贝数为20含vd < 41的光学材料。在该实施例中，测量头的光学透镜系统的两个透镜优选都由具有极强色散 的光学材料形成。通过运种方式能够获得尤其大的色像差W及由此的相对更大的测量范 围。重火石玻璃尤其适合作为具有强色散的光学材料，重火石玻璃通常具有范围在20至30 之间的阿贝数。
[0022] 在本装置的优选实施例中，测量范围MR和在测量范围侧的光学透镜系统的数值孔 径NAmr的平方的乘积在(包括）100皿至(包括)450皿之间。因此有100皿< MR*NA2mr < 450皿。 如前所述，测量范围MR尤其等于波长在450nm至700nm之间的透镜系统的轴向焦点位移。在 测量范围侧的光学透镜系统的数值孔径为NAMR = nsinaMR，其中，η是在测量范围中的环境介 质的折射率，其在空气中约等于1。角OMR是光轴和起始于测量范围、例如在待测对象上折射 后与光学透镜系统的第二透镜交会的光束的边缘光线之间的夹角。能够显示出，分辨力随 着测量范围侧的数值孔径NAmr的增大而提高。所规定的优选值域100μπι < MR*NAV < 450μπι描 述了运样的范围，即在该范围中，测量范围的大小和取决于数值孔径的系统分辨率之间存 在良好折中。例如通过使用具有极长焦距的透镜系统能够获得大的测量范围，不过，由此也 使数值孔径减小并且进而使分辨力降低。因此，在透镜系统的光学设计中，优选选择在测量 范围的大小和数值孔径之间折中，该折中表现在对于乘积NA2mr*MR而言的规定值域中。优选 地，在规定值域中既达到高分辨率，又达到相对大的测量范围。
[0023] 在本装置的进一步优选的实施例中，光圈孔的半径rPH和光圈孔侧的数值孔径NAph 的乘积在(包括）1.0皿至(包括)5.5皿之间。因此有1.0皿^ph*NAph^ 5.5皿。光圈孔侧的数 值孔径为NApH = nsinapH，其中，η是环境介质的折射率，其在空气中约等于1。角αρΗ是光轴和 起始于光圈、与光学透镜系统的第一透镜交会的光束的边缘光线之间的夹角。术语数值孔 径在此处和后文中理解为有效数值孔径，其强调的是，不仅能够通过从光圈孔射出的光束 的张角对边缘光线的角αρΗ加 W限制，必要时还能够通过一个或更多个后续孔径或透镜的直 径对其加 W限制。
[0024] 在此处和后文中将rPH*NApH的乘积称为光束参数乘积。由于在运种情况下有高的 光输出可供使用，所W如果需要获得大信噪比，则优选大的光束参数乘积、即优选相对大的 光圈孔rpH和大数值孔径NAph。另一方面已表明，分辨力随着光束参数乘积rpH*NApH的增大而 降低，运是在对待测对象的反射光进行分析时通过增大的光谱峰宽显示出来的。因此，与为 实现高分辨率而应该尽可能大的在测量范围侧的数值孔径NAmr相反，在光圈孔侧，对于分辨 力而言优选为小数值孔径NAph和小光圈半径rPH。在对于光束参数乘积rPH*NApH而言所规定的 优选值域中，一方面获得了在系统的光强度和由其所导致的测量时间之间的良好折中，另 一方面还获得了在分辨率和由其所导致的测量精度之间的良好折中。在下限为1.Own的范 围中的光束参数乘积值适用于具有较长测量时间的高分辨率测量，而在上限为5.5WI1的范 围中的值适用于具有略微较低的分辨率的相对快速的测量。
[0025] 在本装置的优选实施例中，光源和光分析元件通过光纤连接到测量头。由光源发 射的光尤其能够经由光纤传导至测量头，并且由对象反射的、在相反的光束方向上的光能 够通过相同的光纤引向光分析元件。反射回的光能够例如在穿过光纤后借助于分束器而传 导至光分析元件。将光源和光分析元件通过柔性光纤进行连接的优势在于，能够将在本文 所描述的装置中的、w小尺寸和低重量为特征的测量头节省空间地设置在待测对象附近。 在运种情况下，光源和光分析元件位于光纤相反端的区域中。优选使用具有光纤忍径为9皿 至50μπι并且有效数值孔径NAph为0.07至0.22的光纤。能够通过光纤、透镜的直径、或必要时 通过一个或更多个后续孔径对有效数值孔径加 W限制。
[0026] 当光源和光分析元件通过光纤连接到测量头时，测量头的光圈孔能够是光纤的光 纤端面。在运种情况下，光圈孔的半径rPH等于光纤的半径。
[0027] 在一个实施例中，光学元件设置在朝向光学透镜系统的光纤端面上。光学元件优 选牢固连接到光纤端面并且尤其能够与光纤端面粘合或压至其上。光学元件优选具有与光 纤折射率相匹配的折射率，由此使回反射到光纤端面上的光减少。
[0028] 连接到光纤端面的光学元件能够具有不同的设计。在一个实施例中，光学元件是 光学窗口。在此，光学窗口尤其理解为是由透明材料制成的元件，其不具有透镜功能，并且 例如平面地形成在朝向光学透镜系统的端面上。
[0029] 在进一步优选的实施例中，光学元件具有透镜功能。光学元件例如是折射发散透 镜。在运种情况下，将光学元件朝向光学透镜系统的端面例如设置为凹面。优选地，借助折 射发散透镜能够使从光纤射出的光锥的发散度增大。运尤其使得测量头的较短的结构形状 成为可能。
[0030] 在进一步优选的实施例中，光学元件是梯度折射率发散透镜。类似于前述折射发 散透镜，梯度折射率发散透镜优选用于使从光纤射出的光束的发散度增大，从而使得装置 具有包含结构长度缩短的测量头的优势。梯度折射率透镜尤其能够具有径向折射率分布， 其中光轴上的折射率最小并且向外增大。径向折射率分布尤其能够是近乎抛物线状的。在 运种情况下，"近乎抛物线状"意味着，能够将折射率的径向路径描述为多项式函数，该多项 式函数具有至少一个取决于距光轴的径向距离的平方的加数，其中，多项式函数还能够包 括其他用于修正成像误差的加数。梯度折射率透镜优选具有平面的光学端面并且能够成本 低廉地大批量生产。
[0031] 在进一步优选的实施例中，光学元件是梯度折射率会聚透镜。梯度折射率会聚透 镜优选具有径向折射率分布，其中光轴上的折射率最大并且向外减小。径向折射率分布尤 其能够是近乎抛物线状的。与前述梯度折射率发散透镜相同，梯度折射率会聚透镜优选具 有平面的光学端面并且能够成本低廉地大批量生产。梯度折射率会聚透镜能够如此用于使 从光纤射出的光束的发散度增大，即光束会聚在仍位于梯度折射率会聚透镜内部或附近的 焦点处，使得在焦点之后的光束再次发散。
[0032] 在进一步优选的实施例中，光学元件是梯度折射率透镜，其将光源通过光纤端面 所形成的光斑成像为一个或更多个中间图像。在该实施例中，梯度折射率透镜优选是具有 径向的、优选为近乎抛物线状的、具有在光轴上的最大折射率的折射率分布的梯度折射率 会聚透镜。运种径向折射率分布产生在梯度折射率会聚透镜内部的、连续的余弦形光束路 径，在此处及下文中将该余弦形光束路径的周期称为节距长度。
[0033] 其长度等于节距长度的梯度折射率会聚透镜将光入射面左右吻合地映射在出射 面上。如果长度等于节距长度的一半，则产生倒像。因此，其长度大于节距长度的一半的梯 度折射率会聚透镜产生入射面的至少一个中间图像。在此处所描述的实施例中，梯度折射 率透镜具有大于或等于节距长度的一半的长度，优选为大于或等于节距长度的长度，由此， 该透镜将光入射面成像为一个或优选为更多个中间图像。基于梯度折射率透镜的节距长度 通常取决于波长，由此，节距长度随波长的增加而增大，在一个或更多个中间图像中已经出 现焦点色位移，所述焦点色位移使测量头的整个色像差增强并且优选W运种方式产生增大 的测量范围。
[0034] 在前述的优选实施例中，其中在朝向光学透镜系统的光纤端面上分别设置有光学 元件，所述光学元件的朝向测量头的光学透镜系统的端面优选设有使反射减少的涂层。通 过运种方式尤其使来自光学元件的光源的光解禪时W及反射回光学元件内的光禪合时所 产生的反射损耗减少。
[0035] 在进一步优选的实施例中，在光纤的光纤端面和光学元件之间设置有间隔元件。 因此，在该实施例中，光学元件并非直接邮邻于光纤端面，而是通过例如光学窗口的间隔元 件与光纤端面隔开。
[0036] 在进一步优选的实施例中，光纤的光纤端面和光学元件或间隔元件朝向光纤端面 的表面设计为相对于光轴倾斜。通过运种方式，尤其进一步地使得回反射到在光纤端面和 光学元件或间隔元件之间的边界面上的光反射减少。
[0037] 在进一步优选的实施例中，在测量头中设置有光束偏转元件。当光线应当侧向地 从测量头朝着待测对象的方向射出时，该实施例则是优选的。于是，如果应当在平面的间隔 区域中测量空腔或者对象的话，则其就是有意义的。光束偏转元件能够是例如棱镜或镜子。 尤其能够将光束偏转设置为90°。光束偏转元件能够设置在沿光束方向的光学透镜系统的 下游、或者设置在两个折射透镜之间、或者设置在光圈孔和光学透镜系统之间。
[0038] 在下文中根据实施例并结合图1至图11对本发明进行更详细地解释。
[0039] 附图中示出了 ：
[0040] 图1示出了穿过根据实施例的、用于对对象进行非接触式光学Ξ维测量的装置的 横截面示意图，
[0041] 图2A至图2J示出了穿过不同的实施例中的测量头的光学透镜系统的各个横截面， W及
[0042] 图3至图11示出了在不同的实施例中的测量头的各个示意图。
[0043] 在附图中通常对相同部件或功能相同的部件设有相同的附图标记。所示部件W及 所示部件相互之间的尺寸比例不应视作忠于原比例。
[0044] 如图1所示意性示出的、根据实施例的用于对对象进行非接触式光学Ξ维测量的 装置10包括光源3、光分析元件4和测量头5。
[0045] 光源3发射多色光13,即穿过光圈孔6进入测量头5的、具有连续光谱的光13。光源3 优选为白色光源，例如发出白光的LED、面素灯或氣灯。光圈孔6优选为具有半径rPH的圆形开 口。光圈孔6能够是例如针孔光圈或光纤的光纤端面。
[0046] 装置10的测量头5包括具有第一折射透镜1和第二折射透镜2的光学透镜系统12。 光学透镜系统12具有轴向色像差，使得通过光圈孔6所形成的多色光源3的光斑成像在多个 焦平面21、22、23中。具有更短波长的光成像在焦平面21中，焦平面21在光轴上到光学透镜 系统12的距离小于对于更长波长的光而言的焦平面23在光轴上到该光学透镜系统的距离。 对于测量而言能够将波长范围设置在例如450nm至700nm之间。在运种情况下，例如，具有最 短波长450nm的光聚焦在焦平面21中，并且具有最常波长700nm的光聚焦在离透镜系统12更 远的焦平面23中。光学透镜系统12基于所使用的最短波长和所使用的最长波长之间的色像 差而产生的焦点位移限定了测量范围MR，在该测量范围中能够测量待测对象。
[0047] 当待测对象定位在测量范围MR中时，部分入射光被反射回或散射到光学透镜系统 12。此种波长(即待测对象位于运样的波长的焦平面中）的光通过光学透镜系统12W光束反 方向聚焦在光圈孔6上，而其他波长的光无法在光圈孔6上清晰成像并且由此遭受高损耗。 能够例如通过分束器15将W光束反方向穿过光圈孔6而反射回的光提供给光分析元件4。光 分析元件4是例如在其中光谱分析待研究的测量光14的光谱仪。
[0048] 在测量光14的光谱中，尖峰出现在运样的波长处，即待测对象位于运样的波长的 焦平面中，通过相关标定能够由尖峰的位置确定待测对象的距离。通过测量对象在不同位 置的距离、特别是在二维栅格中能够确定对象的高度轮廓。此外，测量系统还提供了精确地 确定薄透明层的厚度的可能性，其中反射发生在前侧和后侧的界面上，由此，在测量光14中 的不同波长处出现两个强度峰值，从两个强度峰值的差能够确定出厚度。
[0049] 装置的测量原理是利用自身的光学透镜系统12的轴向色像差。但是，为了实现高 的测量分辨率，极为重要的是尽可能地减小其他光学成像误差，特别是色球差。在本文所描 述的装置中，运通过仅包括两个折射透镜1、2的光学透镜系统12实现。尽管仅使用两个透镜 1、2,然而由于至少一个透镜1、2具有至少一个非球面透镜表面11，所W尤其仍使光学成像 误差有所减小。在图1所示的实施例中，第一折射透镜1面向光圈孔6的透镜表面是非球面透 镜表面11。在光学透镜系统12的其他实施例中，至少一个其他透镜表面能够替代地或额外 地设置为非球面透镜表面。
[0050] 在第一近似中能够将光学透镜系统12描述为包括两个薄透镜。由此，通过平均边 缘光束高度yi和y2可得出具有焦距为fi、f2并且阿贝数为vi、v2的两个透镜1、2的轴向色拆分 (测量范围MR)为：
[0化1 ]
[0052] G化明：将兀子选衛巧辨iZ的所还两个透镜1、2的具有较短焦距的透镜表面设计 为非球面是优选的。通过运种方式能够实现低的公差灵敏度。另外，倘若在具有不同焦距 fl、f2和不同阿贝数Vl、V2,的透镜1、2中，具有较短焦距的透镜具有较低的阿贝数，特别是在 20至30之间的阿贝数，则运是优选的。
[0053] 为了获得尽可能短的结构长度，能够将至少一个透镜1、2设计为凹凸透镜。在运种 情况下，优选将第一透镜1设计为凹面朝向光圈孔6或将第二透镜2设计为凹面朝向测量空 间。
[0054] 在进一步优选的实施例中，第二透镜2具有非球面透镜表面11和小于第一透镜焦 距的焦距。焦距之比尤其能够约等于光圈孔侧的数值孔径NAph与测量空间侧的数值孔径 NAmr之比。
[0055] 非球面透镜表面11优选具有径向对称的高度轮廓h(r)，其能够例如通过如下公式 表不：
[0化6]
[0057] 在此，h(r)是作为垂直于光轴的径向距离r的函数的高度坐标，R为顶点半径，k为 圆锥常数并且A21为非球面参数。
[0058] 非球面透镜表面11的设计，即该方程式的参数的确定优选通过包括整个光学系统 的模拟计算来进行。
[0059] 在测量头5中仅使用两个透镜1、2所具有的优势尤其在于，测量头5W相对小的尺 寸和低重量为特征。为了通过尽管仅使用了两个透镜1、2的光学透镜系统12而依旧能实现 尽可能大的色像差，至少一个透镜1、2包括具有阿贝数vd在20至41之间的光学材料。具有运 样的低阿贝数Vd的光学材料的特征在于其强的光学色散，即折射率具有取决于波长的强依 赖性。特别优选地，光学透镜系统12的两个透镜1、2均由具有阿贝数Vd在20至41之间的强色 散光学材料制成。运样的光学材料尤其为重火石玻璃。合适的玻璃可从例如Schott公司的 型号 SF66(Vd = 20.88)、LaSF3已（Vd = 29.06)、N-LaSF43(Vd = 40.61)和BaSF13(Vd = 38.57)获 得。
[0060] 在装置10中的光学透镜系统12具有运样的轴向色像差，在波长为450nm至700nm之 间出现处于0.2mm至10mm之间的轴向焦点位移，该轴向焦点位移限定了测量范围MR。
[0061 ]光学透镜系统12具有在光圈孔6侧的数值孔径NApH = n sinapH。在此，角度αρΗ为光 轴30和从光圈孔6出发射到光学透镜系统12上的光束的边缘光线31之间的夹角。光学透镜 系统12的另一个特征参数为在测量范围MR侧的数值孔径NAmr = η SinaMR。在此，角度am为光 轴30和从测量范围出发射到光学透镜系统12上的光束的边缘光线32之间的夹角。折射率η 通常为空气折射率并且因此约等于1。
[0062] 在装置中优选同时满足下列条件：
[0063] (1) 100μπι < MR*NAV < 450μπι
[0064] (2) 1.0皿 < rpH*NApH < 5.5皿
[0065] 大量的案例研究已明确显示在运样的值域内能够获得高分辨率。根据共焦成像理 论能够推导出，在已知测量范围MR的情况下，只有当未超过测量空间中的特定数值孔径NAmr 时，才能够获得测量头的高分辨率，该高分辨率表现为测量信号的尽可能小的光谱峰宽。条 件（1)为MR*NA2mr的乘积指定了尤其优选的范围。然而，测量信号的峰宽也取决于光束参数 乘积rPH*NApH。条件(2)为该值指定了尤其优选的范围。
[0066] 在下图2A至2J中示出了同时满足所述条件（1)和(2)的光学透镜系统的实施例。光 学透镜系统尤其具有如此良好的、对光学像差的校正，使得测量信号的峰宽基本上仅取决 于在光圈孔处不可避免的衍射效应。换言之，获得的是有限衍射的图像。非球形透镜表面分 别由参考标记11标识。
[0067] 光学透镜系统的特征尤其在于如下参数：
[0068] fl:第一透镜的局部焦距
[0069] f2:第二透镜的局部焦距
[0070] Vdi:第一透镜的阿贝数
[0071] Vd2:第二透镜的阿贝数
[0072] L测量头的结构长度
[0073] d:测量头的直径
[0074] 图2A至2C中的实施例分别具有MR = 0.25mm的测量范围。
[00巧]在图 2A 中的实施例中，NAmr = 0.91，MR*NA2mr = 21 ΟμL?，NAph = 0.07，打Η = 14μπι，rPH* ΝΑρη= 1 皿，fi = 12.7mm,f2 = 6.0mm, vdi = 28.4, Vd2 = 29.1 ,L = 89.1mm 和 D = 11.6mm。
[0076] 在图 2B 中的实施例中，NAmr = 0.91，MR*NA2mr = 21 ΟμL?，NAph = 0.07，打H = 14μπι，rPH* NAph= 1 皿，fi = ll.3mm,f2 = 7.6mm,vdi = 28.4,Vd2 = 29.1 ,L = 85.3mm和D= 11.4mm。
[0077] 在图 2C 中的实施例中，NAmr = 0.91，MR*NA2mr = 21 ΟμL?，NAph = 0.22，打H = 25μπι，rPH* NAph = 5.5皿，fi = 7.5mm,f2 = 5.8mm, vdi = 28.4, Vd2 = 29.1 ,L = 30.0mm和D = 11.0mm。
[007引图2D至2G中的实施例分别具有近似为MR=1.5mm的测量范围。
[0079] 在图 2D中的实施例中，NAmr = 0.40，MR*NA2mr = 240μπι，NAph = 0.22，打Η = 13μπι，rpH* NApH = 2.9皿，fl = -39mm,f2 = 9.6mm,Vdl = 28.4,Vd2 = 29.1,L = 41.5mm和D=14.0mm。
[0080] 在图沈中的实施例中，NAmr = ο. 40，MR*NA2mr = 240μπι，NAph = ο . 22，打Η = 13μπι，rpH* NApH = 2.9ym,fi = 44.4mm,f2=17.0mm,Vdi = 28.4,Vd2 = 29.1 ,L = 54mm 和 D=15.5mm。
[0081 ]在图 2F中的实施例中，NAmr = 0.40，MR*NA2mr = 240μπι，NAph = Ο . 22，打Η = 13μπι，rpH* NApH = 2.9皿，fl = 30.0mm,f2=18.8mm,Vdl = 20.0,Vd2 = 29.1,L = 57.9mm和D=14.4mm。
[0082]在图 2G 中的实施例中，NAmR = 0.40，MR*NA2mr = 240皿，NAph = 0.22，rpH = 13μπι，rpH* NApH = 2.9皿，fl = 50.9mm,f2 = 化.8mm,Vdl = 40.6,Vd2 = 38.6,L = 79.0mm和D = 21.0mm。
[00削图2H至21中的实施例分别具有MR=10mm的测量范围。
[0084] 在图甜中的实施例中，NAMR=0.205，MR*NA2 服=420μπι，NAph=0.22，打H= 13μπι，打时 ΝΑρη = 2.9皿，fi = 78.5mm,f2= 130mm, vdi = 29.1, Vd2 = 29.1 ,L= 199mm和D = 41.8mm。
[0085] 在图 21 中的实施例中，NAmr = 0.205，MR*NA2mr = 42ΟμL?，NAph = 0.22，打H = 13皿，打H* NApH = 2.9皿，fl = 87.0mm,f2 = 91.4mm,Vdl = 29.1,Vd2 = 29.1,L=193mm和D = 39.0mm。
[0086] 在图2J中示出了进一步的实施例，根据该实施例对光学系统、特别是折射透镜1、2 和非球面透镜表面11的设计进行详细阐释。对测量范围为MR=1.5mm的透镜系统进行了计 算。在该实施例中，酷顺=0.51，臟。(1=0.22，]\?*魁2顺=390皿，1^ = 60.5111111且0=16.6111111。
[0087] 紧随光圈孔之后的是间隔元件9,该间隔元件由两侧均为平面的、厚度为1.5mm的 BK7型玻璃制成。W31.6395mm的空气间隙跟随在间隔元件之后的是设计为由SF66(Vdi = 21) 型玻璃制成的球面平凸透镜的第一透镜1。透镜1面向光圈孔的一侧是平面。使用至少一个 平面透镜表面有利地降低了生产工作和公差灵敏度。相对的球面凸面具有33.6943mm的曲 率半径。透镜1的中屯、厚度等于7.500mm。
[0088] 在第一透镜1之后是W2.418mm的空气间隙跟随其后的、设计为由SF66(vd2 = 21) 型玻璃制成的非球面凹凸透镜的第二透镜2。面向第一透镜1的透镜表面是非球面透镜表面 11，该透镜表面具有关于前述公式的、径向对称的高度轮廓Mr)，其顶端半径R = 11.36687mm、圆锥常数 k = -0.224302 和非球面参数 A2 = -2.260*1〇-8，A4 = -1.384*1〇-5，A6 = -7.777*10-8，A8 = -3.609*l〇-w，A10 = -l. 365*10-12和 A12 = -2.501*10-14。透镜2的中屯、厚 度等于5.0889mm。第二透镜面向测量范围的透镜表面是曲率半径为38.0431mm的球面凹面。
[0089] 从第二透镜2开始，当波长为λ = 450ηπι时，焦点位于到第二透镜的空气间隙为 11.541mm处，当波长为λ = 546nm时，焦点位于到其的空气间隙为12.395mm处，并且当波长为 入=675nm时，焦点位于到其的空气间隙为12.991mm处。
[0090]如图3所示，通过柔性光纤7使光学测量头在空间上与具有多色光源和光分析元件 的评估单元空间分隔对于测量原理的应用而言是优选地。由此，测量头占据少量空间、具有 低重量并且还能够用于苛刻的条件之下，例如真空中或具有强电磁干扰的环境中。在该实 施例中，光纤7的正面用作测量头的光圈孔6并且因而构成光出射孔和光入射孔。优选使用 具有9WI1至50WI1的内径并且具有0.07至0.22的数值孔径的纤维作为光纤7。
[0091 ] 包括光纤半径rPH和光纤7侧的数值孔径NAph的光束参数乘积rPH*NApH越小，测量头5 的成像就越共焦并且越发能够分辨率高地检测距离。然而，将光源的尽可能多的光禪合进 光纤7中对于短的采样率而言是有利的，但运使得优选的是更大的光束参数乘积rPH*NAPH。 在运种情况下，尤其能够使用多模纤维，例如具有50μπι的直径、NAph = 0.22的梯度折射率纤 维。如有必要，能够通过在测量头中进行照亮、优选经由透镜直径进行照亮而使有效数值孔 径NAph减小，从而使光纤7的相对高的光束参数乘积rPH*NApH显著降低0.07甚至显著降低到 该值。在图3的实施例中，NAph = 0.07且NAmr = 0.90,其中当波长为450nm至675nm时出现 0.25mm的焦点位移。
[0092] 通过在光纤7侧的更大的(有效)数值孔径NAph能够实现较短的结构设计，其中能够 通过光纤7的半径rPH调整光束参数乘积rPH*NApH。图4示出了光学测量头的实施例，其中光纤 7侧的有效数值孔径为NAph = 0.22且测量范围侧的数值孔径为NAmr = 0.4。在该实施例中，在 450nm至675nm的波长范围中获得1.5mm的多色焦点位移。
[0093] 许多测量对象，例如液体、透明介质(玻璃、合成材料)或抗反射光学表面具有对测 量光的低反射率，由此，尽可能多的抑制测量系统中的固有回反射是必不可少的。为此，在 图5的实施例中使用了光学窗口 8,其折射率优选匹配于光纤7的折射率。光学窗口 8例如通 过如在光纤禪合时所进行的粘合或冲压而安置在光纤7的光纤端面17。由此使到光纤端面 17上的回反射(菲涅尔反射)减少。能够给光学窗口 8面向光学透镜系统的端面18设置减反 射涂层(未示出），即使由于距光纤端面17的距离更远从而使该光学窗口的影响作用明显更 低。如果需要获得对回反射的尤其强的抑制，或者如果是在可拔下的光缆插接器的情况下 需要避免装置易受污染，那么如图5所示，优选地，将光纤端面17和光学元件8面向光纤端面 的表面设计为相对于光轴30倾斜。运优选通过端面的斜抛光来实现。
[0094] 图6示出了实施例，其中，优选通过折射发散透镜8使从具有数值孔径为0.07的光 纤7射出的光束的发散度增大到值NAph = 0.22。通过借助发散透镜8增大数值孔径从而获得 测量头的明显更短的结构设计。通过运种方式尤其能够使光纤7和测量头中的光学透镜系 统之间的距离减少至约1/3。通过发散透镜8的光纤侧的斜抛光，在本实施例中发散透镜直 接接触到光纤7,同时光纤端面17的回反射最小化。
[00%]图7示出了进一步的实施例，其中优选通过光学元件8增大从光纤7射出的光束的 发散度。代替折射发散透镜，在图7所示的实施例中使用梯度折射率发散透镜8作为光学元 件。梯度折射率透镜8具有径向的、优选为近乎抛物线的、具有在光轴30上的最小折射率的 折射率分布。与折射透镜相比，梯度折射率透镜8的优点在于其由于具有平面的光学表面而 允许节约成本地大批量生产。
[0096]在图7所示的实施例中，间隔元件9优选位于光纤7和梯度折射率发散透镜8之间， W便使在光纤7和梯度折射率发散透镜8之间的回反射最小化，该回反射能够具有大于光纤 7的折射率。
[0097] 图8示出了进一步的实施例，其中，优选通过形式为梯度折射率透镜的光学元件使 从光纤7射出的光束的发散度增大。与上一个实施例的情况不同，梯度折射率透镜8在此是 会聚透镜。梯度折射率透镜8具有径向的、优选为近乎抛物线的、具有在光轴30上的最大折 射率的折射率分布。与前述梯度折射率发散透镜相同，梯度折射率会聚透镜也由于具有平 面的光学表面而能够节约成本地大批量生产。与前述示例性实施例的情况相同，间隔元件9 也位于光纤7和梯度折射率会聚透镜8之间，W便使在光纤7和具有更高折射率的梯度折射 率会聚透镜8之间的回反射最小化。
[0098] 图9示出了进一步的实施例，其中，优选通过形式为梯度折射率透镜的光学元件使 从光纤7射出的光束的发散度增大。与上一个实施例的情况相同，梯度折射率透镜8在运个 实施例中是梯度折射率会聚透镜，其具有径向的、优选为近乎抛物线的、具有在光轴30上的 最大折射率的折射率分布。运种具有近乎抛物线形式的径向的折射率分布产生在梯度折射 率会聚透镜8内部的连续的余弦曲线光束路径，该路径的周期称为节距长度。在图9的实施 例中，梯度折射率会聚透镜8的长度约等于节距长度，由此梯度折射率会聚透镜将光入射面 成像为两个中间图像。此实施例利用了梯度折射率透镜的节距长度依赖于波长的性质。由 于节距长度随波长的增大而增加，所W中间图像已经具有了色位移，即它们在光轴上稍微 向彼此移动。通过运种方式使测量头的总色像差增大并且尤其使测量范围增大。运对于测 量头应当具有尤其小的尺寸的应用而言是尤其优选的。在图9的实施例中的测量范围比仅 由光学透镜系统的色像差所可能得出的测量范围大约20%。
[0099] 图10示出了实施例，其中在测量头中设置有作为光束偏转元件16的棱镜。通过运 种方式使光束侧向地、优选W90°的角度朝向测量范围偏转。运对于空腔和在平面空隙中的 对象的测量而言是尤其优选的。代替棱镜，例如还能够使用镜子作为光束分离元件16。当使 用偏转棱镜使光束偏转时，优选通过调节光学透镜系统的半径和非球面透镜表面来补偿由 棱镜16的光学玻璃路径所产生的球面像差。
[0100] 在图10的实施例中，光束偏转发生在测量范围和光学透镜系统朝向测量范围的第 二折射透镜2之间。通过运种方式能够实现测量头的尤其小的横向膨胀。只有当测量范围侧 的数值孔径不大于约0.57时，基于对此所需的光学路径而在测量对象和光学透镜系统之间 设置光束分离元件16才是有效的。在图10的实施例中，测量空间中的数值孔径为例如NAmr= 0.40。
[0101] 然而，替代地，光束偏转还能够发生在两个透镜1、2之间或发生在光源与光学透镜 系统之间。当测量范围相对较小并且使用的是在测量范围中的更高的数值孔径NAmr时，则运 是尤其有利的。图11示出了实施例，其中，例如为90°偏转棱镜的光束偏转元件16设置在光 学透镜系统5的第一透镜1和第二透镜2之间。在该实施例中，ii量空间中的数值孔径NAmr为 NAmr = 0.7〇
[0102] 本发明并不限于基于实施例的描述。相反，本发明包括每个新特征W及每个特征 组合，尤其包括在权利要求中的特征的每个组合，即使在权利要求或实施例中并未对该特 征或特征组合加 W明确说明。
【主权项】
1. 一种用于非接触式光学测距的装置，包括:光源(3)、光分析单元(4)和测量头(5)，其 中， -所述光源(3)是适用于将连续光谱的光（13)发射到所述测量头(5)中的多色光源， -所述光分析单元(4)适用于从所述测量头(5)接收光（14)并且对从所述测量头(5)接 收的光(14)进行光谱分析， -所述测量头(5)具有光圈孔(6)，所述光圈孔(6)用于使所述光源（3)的所述光（13)射 入所述测量头(5)并且使所接收的光(14)从所述测量头(5)朝向所述光分析单元(4)射出， -所述测量头(5)包括具有轴向色像差的光学透镜系统（12)， -所述光学透镜系统（12)包括第一折射透镜（1)和第二折射透镜(2)， -所述折射透镜（1、2)中的至少一个具有至少一个非球面弯曲的透镜表面(11)， -所述第一折射透镜（1)和/或所述第二折射透镜(2)具有阿贝数为20 < vd < 41的光学材 料，并且 -所述光学透镜系统（12)具有轴向色像差，使得等于波长在450nm至700nm之间的所述 光学透镜系统（12)的轴向焦点位移的测量范围（MR)在0.2mm至10mm之间，包含0.2mm和 10mm〇2. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一折射透镜（1)和所述第二折射透镜(2)两 者都具有阿贝数为20 < vd < 41的光学材料。3. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述测量范围（MR)和在所述测量范 围(MR)侧的数值孔径的平方(NA2mr)的乘积在100μπι至450μπι之间，包含100μπι和450μπι。4. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述光圈孔的半径(rPH)和在所述光 圈孔(6)侧的数值孔径(NAph)的乘积在1. Ομπι至5.5μηι之间，包含1. Ομπι和5.5μηι。5. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述光源(3)和所述光分析单元通过 光纤(7)连接到所述测量头(4)。6. 根据权利要求5所述的装置，其中，所述测量头（5)的所述光圈孔(6)由所述光纤(7) 的光纤端面(17)形成。7. 根据权利要求5或6所述的装置，其中，在朝向所述光学透镜系统（12)的光纤端面 (17)上设置有光学元件(8)。8. 根据权利要求7所述的装置，其中，所述光学元件(8)是光学窗口。9. 根据权利要求7所述的装置，其中，所述光学元件(8)是折射发散透镜。10. 根据权利要求7所述的装置，其中，所述光学元件(8)是梯度折射率发散透镜。11. 根据权利要求7所述的装置，其中，所述光学元件(8)是梯度折射率会聚透镜。12. 根据权利要求7所述的装置，其中，所述光学元件(8)是梯度折射率透镜，其将所述 光源(3)通过所述光纤端面(17)所形成的光斑成像为一个或更多个中间图像。13. 根据权利要求7至12中任一项所述的装置，其中，在所述光纤端面（17)与所述光学 元件(8)之间设置有间隔元件(9)。14. 根据权利要求7至13中任一项所述的装置，其中，将所述光纤端面（17)和所述光学 元件(8)或者所述间隔元件(9)朝向所述光纤端面(17)的表面配置为倾斜于光轴(30)。15. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，在所述测量头（5)中设置有光束偏 转元件(16)。
【文档编号】G01B11/06GK105992929SQ201480064945
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2014年11月12日
【发明人】赫伯特·格罗斯, B·梅塞施米特, 钟敏仪, 马塞尔·孔泽
【申请人】微-埃普西龙测量技术有限两合公司