专利名称：用于测定距离的光学测量系统的制作方法
用于测定距离的光学测量系统本发明涉及一种用于测定传感器装置和被测对象之间的距离的测量系统，其中所述感应器装置包括用于产生照明光束的光源和检测器，所述检测器用于检测反射在被测对象表面上的照明光束的一部分，并且其中被测对象设计成至少对于可见光的波长范围是透明的。本发明还涉及一种用于测定传感器装置和被测对象之间的距离的测量系统，其中感应器装置包括用于产生照明光束的光源和检测器，所述检测器用于检测反射在被测对象表面上的照明光束的一部分，并且其中被测对象设计成直接反射可见光。在实践中，光学测量系统已得到广泛应用。精确的无接触式测量已经迅速扩大到多个应用领域，在这些应用领域中，无接触地测量被测对象和感器装置之间的距离，或者无磨损地测量被测对象。一个重要的应用领域是保证质量的测量，在该领域中可以测试工件的质量。在光学测量系统中，用照明光束(B卩非常频繁的红色光束或红外线激光束)照亮被测对象，并且用检测器检测反射在被测对象上的所述照明光束的一部分。从经验中得知根据各种方法可以使用这种传感器装置测定从该传感器装置到被测对象的距离。可参考作为实例的三角测量法。如果在透明或部分透明的被测对象上进行测量，现有技术中已知的侧量系统总是存有问题。在这种情形下，透明的意思是可视光(波长范围在400nm至SOOnm之间)的宽光谱部分可以穿过被测对象。在穿过的过程中，光谱部分仅仅发生轻微程度的衰减。部分透明的意思是可视光的至少一个光谱部分可以穿过被测对象，而可见光的其它光谱部分被完全吸收或反射，或在一定程度上是不可忽视的。如果照明光束落在这种类型的被测对象上，则会被直接反射，也就是说，被测对象表面上的照明光束的入射角等于反射的照明光束的反射角。实际上，在其它空间方向中不存在散射。因此，传感器装置和被测对象必须最佳地互相对齐，以致使测量结果有效。如果被测对象表面在最佳位置中仅轻微地倾斜，则照明光束不反射到检测器上。测量过程失败并且相当不稳定。实际上，特别是在制造环境中的质量保证过程中，不可能确保传感器装置和被测对象互相之间的最佳对齐。对于弧形或圆形的被测对象来说，这种对齐实际上是不可能实现的。在由于被抛光而不能直接反射光的非透明被测对象上的光学测量中也存在相似的问题。这些问题在此是类似的。例如可参考镜像表面。因此，本发明基于对象的设计并且进一步发展一种开始用于透明、部分透明或非透明的被测对象的测量系统，以这样一种方式，即使在被测对象的表面上发生直接反射，也可执行可靠的光学距离测量。根据本发明，通过权利要求1的特征可实现在透明或半透明被测对象上进行测量的上述目的。据此，所讨论的测量系统的特征在于照明光束的波长在紫色或紫外线范围内，并且被测对象设计成使照明光束在被测对象的表面上产生漫反射。在测量非透明的被测对象的过程中，使用权利要求5的特征可以实现上述目的。据此，所讨论的测量系统的特征在于照明光束的波长在紫色或紫外线范围内，并且在被测对象的表面上施加涂层，从而使照明光束在被测对象的表面上产生漫反射。根据本发明的方式，首先可以认识到，透明或半透明的被测对象常常具有的特征在于，将它们设计成在紫色或紫外光波长范围内不透光、或者使光极度地衰减。通常，这一特征特意用作保护措施。特别是，塑胶可能会由于受到很长时间紫外光照射而失去其透明度。为了防止这种效应，塑胶以这样的方式处理，即使得紫色和/或紫外光不穿透或几乎不穿透到材料内。相反，紫色或紫外光在材料表面上被漫反射。根据本发明，在测量系统中利用了这些被测对象的不透光性或很强的光衰减性。根据本发明，对于照明光束，使用波长在紫色或紫外光范围内的光束。由于照明光束与所谓的被测对象相结合，以意想不到的简单方式可以获得非直接反射而是漫反射的照明光束。因此，可以以光学测量系统在透明或半透明的被测对象上进行测量，而被测对象的光学性能在可视范围中不受影响。根据本发明，这一结合特征还可用在对非透明的被测对象的测量中，也就是说，用于实际上不渗透可见光的被测对象，并且可见光在被测对象上被直接反射。为此，根据本发明，对被测对象施加涂层，以使紫色和/或紫外光不能渗透，或者使紫色或紫外光衰减至不可忽视的程度。因此，在被测对象的表面上产生紫色或紫外光照明光束的漫反射。因为照明光束在透明、半透明或非透明被测对象表面上漫反射，照明光束不再以一个空间方向被反射，而是围绕直接反射的光束在一个角度范围内被反射。因此，被测对象和传感器装置不必精确地互相对齐，并且该测量系统的使用范围清楚地扩大了。可明确地达到更加稳定的测量情况。照明光束在被测对象的表面上被反射，所述表面最好是转向传感器装置的被测对象的外表面。原则上，对于透明的被测对象，可以想到照明光束首先穿透被测对象，然后沿着检测器的方向在背向传感器装置的表面上或设置在被测对象中的任何分离平面上被反射。然而，优选使用的被测对象为在该被测对象中照明光束不穿透到或仅略微穿透到被测对象内。对于透明或半透明的被测对象，通过被测对象上的特殊涂层可以产生照明光束的漫反射。由经验得知，适用于此的涂层在紫色或紫外线波长范围内是不可透光的或者在该范围内是高度衰减的。作为非限定的实例，可参照涂层塑胶制玻璃。然而，还可以想到，被测对象由于其材料成分的原因已经具有需要的特性，并且紫色和/或紫外光不能明显地穿透到被测对象内。由经验得知，相应的材料可使可见光透出而在紫色或紫外线范围内不透光。在本发明优选的测量系统的实施例中，被测对象由透明的塑胶件或汽车工业的镀膜玻璃组成。在特别优选的方式中，被测对象用于测量车辆前照灯或尾灯的灯透镜或灯盘。非透明被测对象的优选实施例涉及测量不透光的塑胶、抛光金属板或与金属设计不同的其它对象。然而，木材、木质材料或纸张也可以是不透光的对象。被测对象不一定完全不透光。原则上，被测对象还可以是半透明的。较佳地，透明、半透明或非透明的被测对象设计成不透光或高度衰减波长小于420nm的光。在特别优选的方式中，所述被测对象不可透光或高度衰减波长小于或等于390nm的光。为了使得传感器装置具有特别良好的光学性能，通过发射激光束作为照明光束的激光可形成光源。在这种情形下，可使用激光二极管，也可使用固体激光器或气体激光器。然而，为了使得测量系统的成本特别合算，光源也可由LED构成。在许多应用领域中，降低光的质量也可以。照明光束最好具有小于或等于425nm的波长。在特别优选的方式中，使用波长小于或等于405nm的照明光束。在非常特别优选的方式中，照明光束的波长小于或等于390nm。通常，可使用直至极短波长的紫外(UV)光的光源。然而，这类光源非常昂贵，而且由于特殊的保护测量，使测量系统的安全操作非常复杂。因此，波长受到限制。技术上通�：侠硎褂玫淖钚〔ǔの�300nm。照明光束最好以点状或线条状照亮被测对象。也可使点和线结合以形成如同交叉线或几条平行线的图案。照明的线条最好为直线。较佳地，在照明光束的光束路径中，在光源后面设置聚焦装置，用以为照明光束聚焦。光源和聚焦装置一起构成照明单元。照明光束最好聚焦在被测对象的表面上。然而，可以想到照明光束可聚焦至无限远或者聚焦至光轴上的其它点。作为检测器，可使用互补金属氧化物硅(CMOS)阵列或电荷耦合元件(CXD)阵列。所述阵列最好是线阵或面阵(即，二维扩张)。例如，线阵可用于点状距离测量，而面阵可依据网络交点法用于距离测量。在一些情形中，检测器还可由传统的行扫描或矩阵相机构成。对于点状距离测量，可使用位置敏感二极管(PSD)或雪崩光电二极管(APD)。具体地说，APD通过测量运行时间或相移用于距离测量。PSD和AH)可以安装成阵列。为了阻挡外部的辐射，在检测通道中，也就是在反射在位于传感器装置内部的被测对象表面上的所述照明光束一部分的光束路径中，在检测器前面可安装波长选择元件。因为波长选择元件，因此例如，环境光可保持远离对宽带敏感的检测器。波长选择元件可设计成滤光器(举例来说，干扰滤光器)或色散元件。然而，例如为了减小传感器装置的构造尺寸，波长选择元件还可设计成用于射束偏转/光束折叠的分色镜。一般来说，还可以理解为使整个光通道，也就是照明光束从光源到检测器的路径，适应照明光束的波长。为了进一步改进波长选择，可以想到使几个波长选择元件相结合。例如，可连续配置几个色散元件。然而，最好是不同类型的波长选择元件互相结合。这意味着滤光器或色散元件与分色镜相结合也是可能的。较佳地，测量系统包括评估单元，该评估单元与传感器装置连接并且接收传感器装置的测量信号。例如如果调整照明光束被调制，则评估装置可以接收有关照明光束的额外信息。基于已接收的光束(即，在检测器上反射和接收的所述照明光束的一部分)以及或许基于对照明光束本身的认识，评估装置可在传感器装置和被测对象之间执行距离的测定。可以产生距离的测定，例如通过计算或通过读取图表以外的值，在校准测量中可测定所述值的内容并储存在评估单元中。除关于照明光束的信息之外、或者作为关于照明光束的信息的替换，评估单元可接收有关来自被测对象反射的光强度的信息，并且根据光源强度由控制单元进行调节，和/或调整检测器和/或安装在检测器支路中的信号放大器的整合时间。传感器装置和评估单元可以设计成依据三角测量法执行距离测量。为此，光源和检测器设置成光源、被测对象表面上的照明点以及检测器上的照明点形成三角形。以对传感器装置的认知，被测对象表面上照明点的距离可通过传感器装置计算。
传感器装置和评估单元还可以设计成使用光运行时间的测量来测定距离测量。为此，可测量光束从光源到被测对象以及到检测器需要多少时间。以对光速的认知，由此可测
定距离。传感器装置和评估单元的另一可能存在的设计在于测量相移。为此，以适当的频率来调节照明光束的亮度，并且可相互比较照明光束和已接收光的亮度改变。可由相互间的相位确定光的运行时间并因此确定传感器装置和被测对象之间的距离。评估单元可以以这样的方式结合多次距离测量，即产生被测对象和/或被测对象的一部分的外形。为此，使距离值开始与被测对象上测量点的位置产生关系。如果操作传感器装置，则举例来说，依据网络交点法，以一种测量可测定沿线条的外形。如果线条越过被测对象，则可测定被测对象的三维结构或被测对象的一部分。对于外形测量，传感器装置和被测对象还可以设计成使它们能够相对于彼此移动。然而，也有可能用偏转装置使照明光束移动以越过被测对象。从经验中已得知一些适当的扫描装置。根据特别的优选实施例，本发明涉及一种依据三角测量法的测量系统，该测量系统相对于对象测量距离，所述对象由于涂层或其材料成分的原因，可部分地吸收和部分地反射UV光。照明单元(例如，带有聚焦光学器件的激光二极管)将已聚焦的光以UV范围内的发射波长传送。使用光学滤波器、色散元件和/或带有适当色调的分色镜，从已接收光束路径中的其它波长中选择所述发射波长。通过对象的表面和/或从已接收光束路径中的对象使发射光的部分被漫反射。目前，有几种可能性来以有利的方式实现本发明的设计和思想的进一步扩展。为此目的，一方面可参照权利要求1和5的从属权利要求，另一方面，使用附图对本发明以下优选的实施例进行说明。结合附图，在与本发明优选的实施例相关的说明中，解释了一般首选的设计和思想的进一步扩展。在附图中:
图1所示为沿使用红色照明光束的检测器的强度分析示意图，其中红色照明光束的波长为670nm ；以及图2所示为本发明测量系统中沿使用紫色照明光束的检测器的强度分析示意图，其中紫色照明光束的波长为405nm。使用相同的测量设置来测定两个附图中所示的图表。透镜与激光器一起产生聚焦的激光束，该激光束被反射到车辆前照灯玻璃(即测量对象，大约2毫米厚的塑料玻璃)。激光束至少部分地反射在被测对象的表面并且通过其它透镜、适合于照明光束波长的波长选择滤光器以及用于线检测器的遮光罩。传感器装置根据三角测量法执行测量。被测对象在转向传感器装置的表面上设有不渗透紫外光的涂层。图1示出使用红色激光的强度分析，根据现有技术，红色激光的发射波长为670nm。首先，被测对象与传感器装置的相互最佳对齐是必须的。其次，在强度分析中呈现两个明显的主峰值。图1中左边的峰值起始于照明光束在被测对象转向传感器装置的表面上的反射。对于右边的峰值，照明光束穿透到被测对象内并且在被测对象背向传感器装置的表面上被反射。为此，测量不再是单值的。另一问题在于右边的峰值比左边的峰值高。如果以简便的方式，基于最高的峰值执行强度曲线的评估，则会导致错误的距离值。如果基于最高的峰值调节照明光束的强度和照明时间，甚至可能发生不稳定的测量。由于对象倾斜，第一峰值的强度可能很低，以致不再由传感器装置进行评估，并因此相对于被测对象的反面或反射点的内部而产生错误的测量。在图1的强度分析中可以看到较小的峰值由被测对象中的多次反射产生。图2示出使用本发明波长为405nm的紫色激光。由于在被测对象表面上的漫反射，传感器装置和被测对象可以更加任意地定位。此外，在图2的强度分析中，只显示了一个单独的峰值。另外非常小的峰值表示照明光束的一小部分穿透到被测对象内，并且在被测对象背向传感器装置的表面被反射。然而，该强度非常低以致不产生另外的峰值。不会发生多次反射。对于本发明装置的另外一些有利的设计，为免重复可参照说明书中的总体部分以及所附的权利要求。最后，应该可以明确地理解到，以上所描述的本发明的具体实施例只是用于示范性的说明，并不受限于所述的具体实施例。
权利要求
1.关于测定传感器装置和被测对象之间的距离的测量系统，其中所述传感器装置包括用于产生照明光束的光源和检测器，所述检测器用于检测反射在所述被测对象表面上的所述照明光束的一部分，并且其中所述被测对象设计成至少对于可见光的波长范围是透明的，其特征在于，所述照明光束的波长在紫色或紫外线波长范围内，并且所述被测对象设计成使所述照明光束在所述被测对象的表面上产生漫反射。
2.按权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述被测对象的一个表面具有涂层，以使所述照明光束产生漫反射，所述涂层在紫色和/或紫外线波长范围内是不透光的或者至少在该范围内光是高度衰减的。
3.按权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于，所述被测对象使用的材料在紫色和/或紫外线波长范围内是不透光的或者至少在该范围内是高度衰减的。
4.按权利要求1至3中任何一项所述的测量系统，其特征在于，所述被测对象使用透明塑料，最好是车辆前照灯或尾灯的灯透镜或灯盘。
5.关于测定传感器装置和被测对象之间的距离的测量系统，其中所述传感器装置包括用于产生照明光束的光源和检测器，所述检测器用于检测反射在所述被测对象表面上的所述照明光束的一部分，并且其中所述被测对象设计成直接反射可见光，其特征在于，所述照明光束的波长在紫色或紫外线范围内，并且在所述被测对象的表面上施加涂层，从而使所述照明光束在所述被测对象的表面上产生漫反射。
6.按权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述被测对象使用不透光的塑胶、金属、木材和/或纸张。
7.按权利要求1至6中任何一项所述的测量系统，其特征在于，所述光源由激光形成，所述激光发射用作所述照明光束的激光束。
8.按权利要求1至7中任何一项所述的测量系统，其特征在于，所述照明光束的波长小于或等于425nm，优选小于或等于405nm，特别优选小于或等于390nm。
9.按权利要求1至8中任何一项所述的测量系统，其特征在于，所述照明光束以点状光束照射所述被测对象，以形成交叉线和/或几条平行线。
10.按权利要求1至9中任何一项所述的测量系统，其特征在于，在所述光源后面设置聚焦装置，借助于所述聚焦装置为所述照明光束聚焦。
11.按权利要求1至10中任何一项所述的测量系统，其特征在于，所述检测器包括互补金属氧化物硅阵列或电荷耦合元件阵列，其中所述阵列最好设计成线阵或面阵。
12.按权利要求1至10中任何一项所述的测量系统，其特征在于，所述检测器包括位置敏感二极管PSD和/或雪崩光电二极管APD。
13.按权利要求1至12中任何一项所述的测量系统，其特征在于，为了阻挡外部的辐射，在所述检测器前面设置波长选择元件，其中所述波长选择元件最好设有滤光器、色散元件或分色镜。
14.按权利要求13所述的测量系统，其特征在于，结合使用几个波长选择元件，最好是不同类型的元件。
15.按权利要求1至14中任何一项所述的测量系统，其特征在于，所述传感器装置与评估单元连接，其中所述评估单元基于反射在所述被测对象上的所述照明光束的一部分和在所述检测器上接收到的照明光束进行距离测量。
16.按权利要求15所述的测量系统，其特征在于，所述评估单元和所述传感器装置设计成依据三角测量法来执行距离测量。
17.按权利要求15所述的测量系统，其特征在于，所述评估单元和所述传感器装置设计成测量照明光束和接收的光的运行时间，或者测量在调制的照明光束和接收到的光束之间的相移。
18.按权利要求15至17中任何一项所述的测量 系统，其特征在于，被测对象和传感器装置相对于彼此移动，并且所述评估单元设计成根据多次距离测量来测定所述被测对象或所述被测对象的一部分的外形。
全文摘要
本发明涉及一种用于测定传感器装置和被测对象之间的距离的测量系统，其中传感器装置包括用于产生照明光束的光源和检测器，所述检测器用于检测反射在被测对象表面上的照明光束的一部分，并且其中被测对象配置成至少对于可见光的波长范围是透明的，还配置和发展成在所有测量状况种类中尽可能可靠的距离测量，以致照明光束的波长在紫色或紫外线范围内，而被测对象配置成使照明光束在被测对象的表面上产生漫反射。更为特别的是具体说明了用于在大致不透光的被测对象上进行测量的相关测量系统。
文档编号G01B11/25GK103097858SQ201180043830
公开日2013年5月8日 申请日期2011年9月7日 优先权日2010年9月13日
发明者T·施塔梅斯特 申请人:微-埃普西龙光电股份有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
