專利名稱：確定表面和厚度的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于確定被測量的物體的表面的方法、和用于確定被 測量的物體的厚度的方法。此外，本發明涉及用于確定被測量的物體 的表面的測量裝置、和用于確定被測量的物體的厚度的測量裝置。
背景技術：
例如，在造紙時，紙張的厚度是從移動的紙幅(paper web)測 量的。在該測量中，可以使用測量裝置的傳感器接觸紙張的表面的方 案，或傳感器不接觸表面的方案。不接觸表面的方案包括電容測量和 光學測量。傳感器接觸被測量的表面可能產生表面誤差，因此要避免 其中傳感器接觸被測量的物體的表面的方案。
光學測量使用色差來確定被測量的表面。在該方案中，光通過光 學元件在表面上聚焦，所述光學元件的焦距與以已知的方式取決于光 的波長。使用同一光學元件將由表面反射的光同軸地收集到檢測器。 檢測器可以是光i瞽分析器，分析反射光的光鐠。使表面最佳對焦的波 長也被最有效地反射，并且其表示光語中的最高強度。因為基于測量 裝置的尺寸變化，該波長的焦點的位置是已知的，所以其有助于限定 表面的位置。如果在紙張的兩面確定表面，則也可能測量物體的厚 度。
然而，使用色差的已知方案存在問題。當被測量的物體為漫射材 料時，光不僅在表面上被反射，還在物體內部被反射。這導致了測量 誤差。例如，在光較少穿透的被測量物體中，測量系統地給出了比在 光較多地穿透的相同厚度的被測量物體中更大的厚度。已經試圖通過 根據被測量物體的材質改變測量結果來計算地校正測量誤差。然而， 對測量結果的大量校正減少了測量準確度和可靠性，并且不能準確地
10測量沒有預先確定的物體。
發明內容
本發明的目的是實現一種用于確定被測量的物體的表面的方法、 和用于確定被測量的物體的厚度的方法，以及實現這些方法的測量裝 置。
這是通過用于使用光輻射確定被測量的物體的表面的測量裝置實
現的。該測量裝置包括光源；光輻射處理單元，被設置為以這樣的 方式將光源的不同波長的光輻射從與被測量的表面的法線不同的方向 引導至被測量的物體，使得不同波長聚焦在被測量的表面的法線的方 向上的不同高度處；檢測器，光輻射處理單元被設置為至少從與被測 量的表面的法線不同的鏡面反射的方向，將光輻射處理單元被設置為 從被測量的物體接收到的光輻射引導至該檢測器；信號處理單元，被 設置為基于檢測器提供的信號從檢測到的光輻射確定光輻射的強度最 高的波長，并使用確定的波長來確定被測量的表面的位置。
本發明還涉及用于測量被測量的物體的厚度的測量裝置。為了測 量第一表面，測量裝置包括光源；光輻射處理單元，被設置為以這 樣的方式將光源的不同波長的光輻射從與被測量的表面的法線不同的 方向引導至被測量的物體，使得不同波長聚焦在被測量的表面的法線 的方向上的不同高度處；檢測器，光輻射處理單元被設置為至少從與 被測量的表面的法線不同的鏡面反射的方向，將輻射處理單元被設置 為從被測量的物體接收到的光輻射引導至該檢測器；以及信號處理單 元，被設置為基于檢測器提供的信號從檢測到的光輻射確定光輻射的 強度最高的波長，并使用確定的波長來確定被測量的表面的位置。為 了測量被測量的物體的第二面，測量裝置包括第二面光源 (second-side optical source); 第二面光輻射處理單元，被設置為 以這樣的方式將光源的不同波長的光輻射從與被測量的表面的法線不 同的方向引導至被測量的物體，使得不同波長聚焦在被測量的表面的 法線的方向上的不同高度處；第二面檢測器，光輻射處理單元被設置為至少從與被測量的表面的法線不同的鏡面反射的方向，將光輻射處 理單元被設置為從被測量的物體接收到的光輻射引導至該第二面檢測
器；以及信號處理單元，被設置為基于第二面檢測器提供的信號從檢 測到的光輻射確定光輻射的強度最高的波長，并使用確定的波長來確 定被測量的第二表面的位置；并且該信號處理單元被設置為通過確定 的表面的位置測量被測量的物體的厚度。
本發明還涉及用于通過光輻射確定被測量的物體的表面的方法。 該方法包括以這樣的方式將不同波長的光輻射從與被測量的表面的 法線不同的方向引導至被測量的物體，使得不同波長聚焦在被測量的 表面的法線的方向上的不同高度處；至少從與被測量的表面的法線不 同的鏡面反射的方向接收光輻射；從接收到的光輻射中確定接收到的 光輻射的強度最高的波長；并且通過確定的波長來確定被測量的物體 的表面的位置。
本發明還涉及通過使用光輻射測量被測量的物體的厚度的方法。 該方法包括以這樣的方式將不同波長的光輻射從與被測量的笫一表 面的法線不同的方向引導至被測量的物體，使得不同波長聚焦在被測 量的第一表面的法線的方向上的不同高度處；至少從與被測量的第一 表面的法線不同的鏡面反射的方向接收光輻射；從接收到的光輻射中 確定接收到的光輻射的強度最高的波長；以及通過確定的波長來確定 被測量的第一表面的位置；以這樣的方式將不同波長的光輻射從與被 測量的第二表面的法線不同的方向引導至被測量的物體，使得不同波 長聚焦在被測量的第二表面的法線的方向上的不同高度處；至少從與 被測量的第二表面的法線不同的鏡面反射的方向接收光輻射；從接收 到的光輻射中確定光輻射的強度最高的波長；以及通過確定的波長來 確定被測量的第二表面的位置；以及使用確定的表面的位置來確定被 測量的物體的厚度。
從屬權利要求中公開了本發明的優選實施例。
本發明的方法和測量裝置提供了若干優點。可以減少干擾測量的 來自被測量的物體內部的漫反射。因此，無論是否存在漫反射，都可以準確地測量被測量的物體的表面和厚度<
中:
現在參照附圖通過優選實施例來更加詳細地描述本發明，在附圖
圖l示出了其檢測器接收色散的光輻射的測量裝置； 圖2示出了其檢測器接收非色散的光輻射的測量裝置； 圖3示出了具有反射器的測量裝置； 圖4示出了光輻射處理部 圖5示出了光輻射處理部； 圖6示出了測量的歸一化； 圖7示出了物體厚度的測量；
圖8示出了通過分束器、兩個不同的濾波器、以及兩個檢測器的 光i普檢測；
圖9示出了濾波器滲透性(filter permeability);
圖10示出了檢測的光i脊；
圖ll是光輻射的調制的實例；
圖12示出了使用焦點線系統的測量；
圖13是表面確定方法的流程圖；以及
圖14是厚度測量方法的流程圖。
具體實施例方式
盡管對非漫射材料進行了測量，但是本方案也可以具體應用于測 量漫射材料。漫射材料包括其表面(或厚度)需要被確定的紙張、織 物、涂覆有漫射材料的金屬、皮膚、各種粉末。
讓我們現在通過圖l檢查本方案，在圖中，測量裝置包括彼此分 離的發射機部100和接收機部102。發射機部100包括光源104和第 一光輻射處理部106。在該應用中，光輻射是指其波段在紫外線輻射 (波長約為50 nm)和紅外線輻射(波長約為1 mm)之間的電磁輻
13射。接收機部102包括檢測器108和第二光輻射處理部110。光輻射 處理部106和110形成了光輻射處理單元112，其中光輻射處理部 106以這樣的方式從與纟皮測量的表面116的法線118不同的方向將來 自光源的不同波長的光輻射引導至被測量的物體114，使得不同波長 被引導至(聚焦在)被測量的表面116的法線118的方向上的不同高 度處。盡管表面像其通常一樣粗糙，但是法線是指例如通過對大量有 代表性的法線求平均而獲得的平均法線方向。 一些波長可以在被測量 的物體114上方聚焦，而一些在其內部聚焦。光輻射可以通過光輻射 處理部106中的棱鏡或柵格被色散為分離的波長。反過來，可以使用 一個或多個透鏡或反射鏡將不同波長聚焦在不同的焦點126上來完成 引導。
測量裝置包括至少一個偏振器120、 122。因為可以僅用一個偏 振器工作，發射機部100的偏振器122不一定需要，而偏振器120可 以使從被測量的物體114反射的光輻射偏振為垂直于被測量的表面 116的法線118。于是，光輻射的電場的振動相對于表面116的法線 118具有垂直分量。當使用幾個偏振器時，所有偏振器的偏振方向都 相同。 一個或多個偏振器削弱了來自被測量的物體114內部的光輻 射，因為在被測量的物體114內部，偏振減弱或消失。從表面反射的 光輻射是偏振的或保持其偏振。
在該應用中，反射是指其中反射可能發生在光滑或粗糙表面上的 鏡面反射和漫反射。此外，在本文中反射還指散射、折射和反射來自 被測量的物體內部的輻射。在一個實施例中，光輻射可以被引導至表 面，并以布魯斯特角被接收，由此光輻射被最有效地偏振，就像是在 表面上被反射的一樣。
光輻射處理單元112的光輻射處理部110可以通過一個或多個透 鏡或反射鏡將接收到的偏振光輻射聚焦到檢測器118。以這樣的方式 引導光輻射處理部110和檢測器108并確定光輻射處理部110的數值 孔徑和檢測器108的尺寸，使得可以至少從被測量的物體114的鏡面 反射的方向接收偏振光輻射。在圖l的情況下，不同波長的色散光輻射的焦點在檢測器108上平行。由于該原因，例如，可以用線檢測器 來檢測圖1的方案中的不同波長。因此，每一個波長都被引導至線檢 測器的一個檢測器元件。
由檢測器108根據光輻射產生的電信號可以被饋送到信號處理單 元124，該信號處理單元124根據接收到的光輻射限定接收到的光輻 射的強度最高的波長。相似地，信號處理單元124可以使用確定的波 長來確定被測量的物體114的表面116的位置。被測量的表面116的 限定基于預先知道每一個波長在哪個距離被聚焦、以及假設從焦點反 射的波長是最強的。
圖2示出了一種方案，其中第二光輻射處理部IIO還包括色散部 件，諸如棱鏡或柵格，使用該色散部件可以組合沿不同路線傳播的光 輻射的波長。然后，不同的波長在檢測器108處到達同一焦點，并且 檢測器108可以為僅一個元件。
圖3示出了一種方案，其中測量裝置包括具有共用發射機部100 和接收機部102的光輻射處理單元112。在該方案中，以與圖2的情 況一樣的方式進行從光源104到被測量的物體114的、以及到光輻射 處理部IIO上的光輻射的傳播。然而，從被測量的物體114反射一次 的光輻射沒有直接傳播到檢測器108，而測量裝置包括反射器300, 該反射器300將從被測量的物體114反射的光輻射反射回被測量的物 體114,以便經由第二光輻射處理部110從被測量的物體114向第一 光輻射處理部106和光源104反射。在圖3的方案中，測量裝置包括 分束器302，該分束器302將至少部分向光源104引導的光輻射向檢 測器108引導。分束器302可以是偏振分束器，在該情況下，分束器 302也偏振向被測量的物體114引導的光輻射，并且不需要分離的偏 振器120和122。于是，分束器302也可以將來自接收方向的所有偏 振光輻射引導至檢測器108。
可供選擇的是，分束器302可以基于僅以想要的比率分布光功 率，由此分離的光束通常獲得相同的光功率。在這樣的情況下，需要 分離的偏振器102、 122中的任何一個。
15圖4示出了光輻射處理部106。為了以不同的方式將來自光源 104的不同波長的光輻射引導至被測量的物體114，第一光輻射處理 部106可以包括色散部件400，該色散部件400祐^設置為非軸向地色 散被引導至被測量的物體114上的光輻射。因此，用色散部件400沿 不同于第一光輻射處理部106的光軸402的方向色散光輻射，由此至 少部分地沿被測量的表面116的法線118的方向引導色散，即波長的 分布。焦點的方向不必一定與表面116的法線118平行，但該方向具 有共同的向量分量(即焦點既不是水平的，也不在光軸上)。在圖4 的方案中，色散分量400位于兩個聚焦透鏡404、 406之間。透鏡 404、 406形成了一個聚焦部件408。來自光源104的輻射可以在透鏡 之間被準直。色散部件400與聚焦部件408 —起可以將光源104的不 同波長的光輻射聚焦在被測量的表面116的法線118的方向上的不同 高度處。色散部件400可以是棱鏡或柵格；代替透鏡或除透鏡之外， 可以使用聚焦反射鏡。可以用透鏡組合、反射鏡、反射鏡組合或所有 這些的組合4戈替透鏡404、 406。
圖5示出了光輻射處理部110。從被測量的物體114反射的光輻 射可以聚焦在具有聚焦部件508的檢測器108上，所述聚焦部件508 包括透鏡504、 506。第二光輻射處理部110的焦點可以在被測量的 表面116上或在其附近。在沒有色散部件500的情況下，焦點周圍的 景深應足夠好。
光輻射處理部110也可以包括色散部件500，該色散部件500去 除色散并使沿不同光學路徑傳播到同 一 焦點的波長能夠組合。在第二 光輻射處理部110前方的焦點與第一光輻射處理部106聚焦不同波長 的點(見圖1，例如)可以為相同的點。因此，來自被測量的表面 116的反射是有效的。當使用色散部件500時，色散波長在第二光輻 射處理部IIO后方的同一焦點處聚焦，例如在檢測器108處，并且可 以用一個檢測器元件完成檢測。當使用反射器300時，其可以在第二 光輻射處理部110的焦點處，或光輻射可以直接從第二光輻射處理部 110的背部(透鏡506)向被測量的物體114反射。第一光輻射處理部106和第二光輻射處理部110可以相同，但透鏡404、 406的強度 和色散部件400可以彼此不同。
第二光輻射處理部110可以包括第二色散部件500，該第二色散 部件500從由被測量的物體114反射的光輻射中去除色散。第二光輻 射處理部110可以將非色散形式的光輻射聚焦在檢測器108處。
在其中只有光輻射處理部106具有色散部件400，并且沒有使用 反射器300的實施例(見圖2)中，檢測器108可以是線檢測器，并 且可以向其元件的每一個引導不同波長的非色散光輻射。在該情況 下，和通常一樣， 一個波長是指僅為測量波段的一部分的窄波段。窄 波段可以是例如少于整個測量波段的五分之一的波段。通常，窄波段 僅有納米或幾十納米寬。可以基于所需的測量準確度來定義窄波段， 或者可以通過測量裝置和部件的測量準確度來確定窄波段。
在使用反射器300的實施例(見圖3中)，反射器可以通過光輻 射處理部110將光輻射反射回被測量的物體114。然后，第二光輻射 處理部IIO可以將不同波長的光輻射聚焦在被測量的表面116的法線 118的方向上的不同高度處。當光輻射處理部106和110都包括色散 部件400和500時，向檢測器108引導非色散光輻射。
圖6示出了參考的測量。因為光源104的不同波長的強度不是均 勻分布的，并且不同波長可以具有不同的強度，光源104的強度分布 可以被測量為波長的函數。在這樣的情況下，在光源600和光輻射處 理部106之間，可以有一個參考分束器600,該參考分束器600將從 光源104發射的部分光輻射引導至參考檢測器602，該參考檢測器 602將接收到的光輻射變換為電信號。分束器600也可以是光輻射處 理部106的一部分。信號處理單元124接收電信號。因為信號處理單 元124也接收由檢測器108產生的物體114的測量信號，所以信號處 理單元124可以用參考檢測器602進行的測量將檢測器108進行的測 量歸一化。歸一化可以指例如將檢測器108獲得的強度除以參考檢測 器602測量的強度。參考分束器600可以與圖3中的定向分束器302 相同。定向分束器302也可以用作參考分束器600。圖6也示出了這樣的實施例，利用該實施例，可以補償被測量的 物體114的顏色，或總體來講，被測量的物體114的反射響應。光學 單元604可以將光源104產生的光輻射以非色散形式引導至被測量的 物體114，并且可以用包括檢測器的另一個光學單元606接收從其反 射的光輻射。光學單元606可以形成信號處理單元124可以測量的反 射輻射的光鐠。光學單元606可以將測量的電信號饋送至信號處理單 元124，并且該單元124可以用下面的至少一項將用檢測器108獲得 的測量結果歸一化參考檢測器124的測量結果、光學單元606的測 量結果。
圖7示出了其中以上述方式測量物體的兩個表面116、 116B的 實施例。于是，光源以這樣的方式通過光輻射處理部106將光輻射引 導至被測量的物體114，使得不同波長在被測量的表面116的法線 118的方向上的不同距離處聚焦。光輻射經過例如偏振器120從被測 量的物體114反射到光輻射處理部110。也可以使用兩個偏振器 120、 122。光輻射處理部110將反射的光輻射引導至檢測器108。檢 測器108將測量信號饋送至信號處理單元124，以便表面確定。可以 使用分束器600、參考檢測器602、和信號處理單元124來測量光源 104的相對于波長的強度分布。代替一個或多個偏振器120、 122，或 作為它們的補充，分束器600可以是偏振器。
相應地，可以通過在,皮測量的表面116B的法線118B的方向上 的不同距離處聚焦由光源104B和光輻射處理單元106B產生的不同 波長來確定被測量的物體114的第二表面116B。光輻射從被測量的 物體114經過例如偏振器120B被反射至光輻射處理部IIOB。也可以 使用兩個偏振器120B、 122B。光輻射處理部110將反射的光輻射引 導至檢測器108B。檢測器108將測量信號饋送至信號處理單元 124，以便表面確定。可以使用分束器600B、參考檢測器602B和信 號處理單元124來測量光源104B的相對于波長的強度分布。代替一 個或多個偏振器120B、 122B，或作為它們的補充，分束器600B可 以是偏振器。被測量的物體下方的每一個塊104B到IIOB、 120B、
18122B、 600B、 602B都與圖l至6中的由附圖標記104至110、 120、 122、 600、 602表示的塊相同。自然地，圖7中的塊104至110、 120、 122、 600、 602也與之前的圖中的那些塊相似，但圖7中的頂 測量部不必一定與底測量部相同。例如，可以在被測量的物體上方使 用兩個偏振器，而在其下方可以僅使用一個偏振器120B。圖7示出 了在被測量的物體上方和下方，存在對應于圖2的一個測量原理。自 然地，也可以在上方或下方、或在兩處使用對應于圖3的測量原理， 其中使用了反射器300。
當已經相對于頂測量部確定了頂表面的位置Ih，并且已經相對 于底測量部確定了底表面的位置h2時，并且當頂和底測量部之間的 預定的距離H已知時，可以通過例如從距離H減去表面位置l^和h2 的值來確定被測量的物體114的厚度T，也就是說T = H-h2)。
圖8示出了通過兩個檢測器部的檢測。檢測器108可以包括檢測 器分束器800，該檢測器分束器800按照已知的比率將其從被測量的 物體114接收到的光輻射分配給兩個檢測器部802和804。濾波器 806、 808在檢測器部800、 802的前面，以便如圖9所示對到達檢測 器的輻射進行濾波。該方案也可以應用于參考檢測器602。
圖9示出了相對于波長的濾波器的通過曲線。垂直軸示出了強度 I，水平軸示出了波長入。曲線900示出了濾波器806的相對于波長 的響應，曲線902示出了濾波器808的相對于波長的響應。濾波器 806可以對短波長比對長波長通過得較少；相反，濾波器808可以對 長波長比對短波長通過得較少，并且曲線可以是線性的。對于測量中 使用的波段，濾波器806的響應總體上與濾波器808的響應不同。當 將兩個檢測器對于每一個波長所檢測的光功率(或強度)相加，并除 以檢測的光功率的差時，從被測量的物體114的表面116反射的波長 在這樣形成的相對強度中為最大的相對強度。可以數學地創建下述公
式，例如Prel = PdetA- PdetB: PdetA+PdetB，其中Prd是指相對強度 (或光功率)，PdetA是指檢測器800檢測的光功率，PdetB是指檢測器802檢測的光功率。以更簡單的方式，可以通過除以每一個檢測器 檢測的光功率來形成相對強度，也就是說，Prel-PdetA: PdetB。
圖10示出了測量的光鐠，其將強度I表示為波長入的函數。當 信號處理單元124找到具有最高強度的Xmax時，可以通過使用例如
線性計算hl = k'入max來確定被測量的表面116 (或116B)與預定點 的距離，其中k為預定常數。最高強度與波長入，x的相互關系也可
以是非線性的，但為了確定表面的位置，只要知道相互關系就足夠 了。
圖11示出了調制光輻射的實例。由光源104發射的光輻射可以
被調制。可以使用機械、電光、磁光、或聲光斬波器/調制器執行調 制，或者可以電子地(例如，在二極管中)進行調制。調制可以是時
分的，由此光源104規律地、偽隨機地或隨機地發射光脈沖。規律地 發射脈沖可以指重復地、有規律地發射預定脈沖圖形1100，或最簡 單地，以所需頻率發射脈沖。預定脈沖圖形的脈沖之間的間隔可以是 規則的或不規則的。在脈沖之間，光源104根本不發射光輻射，或者 光脈沖之間的光功率低于脈沖期間的光功率。信號處理單元124可以 控制調制，并相應地以同步方式解調來自檢測器108的信號。當使用 調制時，干擾對于測量的影響減小了。當在其兩面上測量物體114 時，使用調制可能是有益的。于是，可以在不同時間將光輻射引導至 被測量的物體114的不同面，或使用不同的調制。用這種方法，來自 相對面的光輻射不會干擾測量。
圖12示出了一個實施例，其中光輻射處理部106與聚焦光學部 件404、 406和色散部件400可以一起形成一個焦點線系統1200，代 替多個焦點，其中每一個波長在其自己的線上聚焦。因此，光源是點 或線光源。可以使用具有球形表面的透鏡，或在一些情況下甚至使用 柱形透鏡作為聚焦部件404、 406透鏡。相應地，光輻射處理部110 可以包括光學部件504、 506、以及沿;故測量的表面116的法線的方 向分割焦點線系統1200的色散部件500。
測量中使用的每一個波長都可以同時地、或在不同時間被引導至被測量的物體114。可以按照小組(或波段)或一次一個波長地將波 長引導至被測量的物體114。可以使用合適的、可替換的或可調的濾 波器來形成每一個波長或波段，或者光源的波段可以被擴展為測量波 段。例如，LED波段可以是20 nm，其可以被擴展為500 nm到650 nm的測量波段。例如，激光器的單色波長也可以被擴展為幾十或幾 百納米。
光源104可以包括白熾燈、氣體放電燈、囟素燈、LED或具有 可調的波長的激光器等。光源104還可以包括光纖，在該情況下，產 生光輻射的實際單元可以遠離光輻射處理單元106和被測量的物體 114。
檢測器108又可以包括形成光鐠的任何裝置，例如攝語儀。在圖 8的方案中，檢測器還可以包括PIN 二極管、APD (雪崩光電二極 管)、LDR (光敏電阻)、光電倍增管、CCD (電荷耦合器件)單 元、CMOS (互補金屬氧化物半導體)單元、熱檢測器 (pyrodetector)等。檢測器108還可以包括光纖，利用該光纖，光 輻射可以被傳送到實際檢測單元。
圖13示出了確定被測量的物體的表面的方法的流程圖。在步驟 1300中，不同波長的光輻射以這樣的方式從與被測量的表面116的 法線118不同的方向被引導至被測量的物體114,使得不同波長聚焦 在被測量的表面116的法線118的方向上的不同高度處。在步驟 1302中，從被測量的物體114反射的光輻射可以被偏振為垂直于被 測量的表面116的法線118的方向。在步驟1304中，至少從與被測 量的表面116的法線118不同的鏡面反射的方向接收偏振的光輻射。 在步驟1306中，從接收到的光輻射中確定接收到的光輻射的強度最 高的波長。在步驟1308中，通過確定的波長來確定被測量的物體 114的表面116的位置。
圖14示出了確定被測量的物體的厚度的方法的流程圖。在步驟 1400中，不同波長的光輻射以這樣的方式從與被測量的第一表面116 的法線118不同的方向被引導至被測量的物體114，使得不同波長聚
21焦在被測量的表面116的法線118的方向上的不同高度處。在步驟 1402中，從被測量的物體114反射的光輻射可以被偏振為沿垂直于 被測量的第一表面116的法線118的方向。在步驟1304中，至少從 與被測量的第一表面116的法線118不同的鏡面反射的方向接收偏振 的光輻射。在步驟1406中，從接收到的光輻射中確定接收到的光輻 射的強度最高的波長。在步驟1408中，通過確定的波長來確定被測 量的表面116的位置。在步驟1410中，不同波長的光輻射以這樣的 方式從與蜂皮測量的第二表面116B的法線118B不同的方向4皮引導至 被測量的物體114,使得不同波長聚焦在被測量的第二表面116B的 法線118B的方向上的不同高度處。在步驟1412中，從被測量的物 體114反射的光輻射可以被偏振為沿垂直于被測量的第二表面116B 的法線118B的方向。在步驟1414中，至少從與被測量的第二表面 116B的法線118B不同的鏡面反射的方向接收偏振的光輻射。在步 驟1416中，從接收到的光輻射中確定接收到的光輻射的強度最高的 波長。在步驟1418中，通過確定的波長來確定被測量的第二表面 116B的位置。在步驟1420中，通過表面116、 116B的確定的位置來 確定:f皮測量的物體114的厚度。
盡管在上文根據附圖就實例描述了本發明，但是顯而易見的是， 本發明不限于這些實例，并且可以在所附權利要求的范圍內以多種方 式進行變形。
權利要求
1.一種使用光輻射來確定被測量的物體的表面的測量裝置，其特征在于，該測量裝置包括光源(104)；光輻射處理單元(112)，被設置為以這樣的方式將光源(104)的不同波長的光輻射從與被測量的表面(116)的法線(118)不同的方向引導至被測量的物體(114)，使得不同波長聚焦在被測量的表面(116)的法線(118)的方向上的不同高度處；檢測器(108)，光輻射處理單元(112)被設置為至少從與被測量的表面(116)的法線(118)的方向不同的鏡面反射的方向，將光輻射處理單元(112)被設置為從被測量的物體(114)接收到的光輻射引導至該檢測器(108)；信號處理單元(124)，被設置為基于檢測器(112)所提供的信號從檢測到的光輻射中確定光輻射的強度最高的波長，并使用確定的波長來確定被測量的表面(116)的位置。
2. 如權利要求1所述的測量裝置，其特征在于該測量裝置包 括至少一個偏振器(120， 122， 302 ),并且至少一個偏振器被設置 為以垂直于被測量的表面(116)的法線(118)的方向偏振從被測量 的物體(114)反射的光輻射。
3. 如權利要求1所述的測量裝置，其特征在于光輻射處理單 元(112)包括第一光輻射處理部(106)，用于將光輻射引導至被測 量的物體(114);以及第二光輻射處理部(110)，用于將從被測量 的物體(114)反射的光輻射引導至檢測器(108)。
4. 如權利要求1所述的測量裝置，其特征在于光輻射處理單 元(112)包括第一光輻射處理部(106)、第二光輻射處理部(110)、反射器(300)和定向分束器(302);第一光輻射處理部(106)被設置為將光輻射引導至被測量的物 體(114);第二光輻射處理部(110)被設置為將從被測量的物體(114)反 射的光輻射引導至反射器(300)，所述反射器(300)被設置為將從 被測量的物體(114)反射的光輻射經過第二光輻射處理部(110)反 射回被測量的物體(114)，所述第二光輻射處理部(110)被設置為 以這樣的方式將不同波長的光輻射從與被測量的表面(116)的法線 (118)不同的方向引導至被測量的物體(114)，使得不同波長聚焦 在被測量的表面(116)的法線(118)的方向上的不同高度處，同時 一個波長聚焦在被測量的表面(116)上；第一光輻射處理部(106)被設置為將從被測量的物體(114)反 射的光輻射向光源(104)引導；以及定向分束器(302)被設置為將向光源(104)引導的至少部分光 輻射引導至檢測器(108)。
5. 如權利要求2所述的測量裝置，其特征在于分束器(302) 被設置為用作偏振器。
6. 如權利要求3所述的測量裝置，其特征在于第一光輻射處 理部(106)包括色散部件(400)，該色散部件被設置為非軸向地色 散被引導至被測量的物體(114)的光輻射；第一光輻射處理部(106)包括第一聚焦部件(408)，該第一聚 焦部件被設置為將非軸向色散的光輻射的不同波長聚焦在被測量的物 體(114)的表面(116)的法線(118)的方向上的不同高度處；以 及第二光輻射處理部(110)包括第二色散部件(500)，該第二色 散部件被設置為從由被測量的物體(114)反射的光輻射中去除色 散；以及第二光輻射處理部(110)包括第二聚焦部件(508)，該第二聚 焦部件被設置為將非色散形式的光輻射聚焦到檢測器(108)。
7. 如權利要求3所述的測量裝置，其特征在于第一光輻射處 理部(106)包括色散部件(400),該色散部件被設置為非軸向地色 散被引導至被測量的物體(114)的光輻射；第一光輻射處理部(106)包括第一聚焦部件(408)，該第一聚 焦部件被設置為將不同波長的非軸向色散的光輻射聚焦在被測量的物 體(114)的表面(116)的法線(118)的方向上的不同高度處；以 及第二光輻射處理部(110)包括第二聚焦部件(508)，該第二聚 焦部件被設置為將非色散形式的光輻射聚焦到檢測器(108)。
8. 如權利要求4所述的測量裝置，其特征在于第一光輻射處 理部(106)包括色散部件(400)，該色散部件被設置為非軸向地色 散被引導至被測量的物體(114)的光輻射；第一光輻射處理部(106)包括第一聚焦部件(408)，該第一聚 焦部件被設置為將非軸向色散的光輻射的波長聚焦在被測量的物體 (114)的表面(116)的法線(118)的方向上的不同高度處；以及第二光輻射處理部(110)包括第二色散部件(500)，該第二色 散部件被設置為從由被測量的物體(114)反射的光輻射中去除色 散，并沿非軸向方向色散從反射器(300)反射的輻射；第二光輻射處理部(110)包括第二聚焦部件(508),該第二聚 焦部件被設置為將從反射器(300 )反射的非軸向色散的光輻射聚 焦在被測量的表面(116)的法線(118)的方向上的不同高度處；第一光輻射處理部(106)被設置為從由被測量的物體(114)反 射的光輻射中去除色散；以及定向分束器(302 )被設置為將非色散的光輻射引導至檢測器 (108 )。
9. 如權利要求4所述的測量裝置，其特征在于檢測器(108) 是線檢測器，其中不同波長的非色散光輻射被引導至該線檢測器中的 每一個元件。
10. 如權利要求1所述的測量裝置，其特征在于測量裝置包括 參考分束器(302， 600)和參考檢測器(602);參考分束器(302, 600 )被設置為將由光源(104)發射至被測 量的物體(114)的部分光輻射引導至參考檢測器(602)，所述參考檢測器(602 )被設置為將與接收到的光輻射相對應的電信號饋送至 信號處理單元124;以及信號處理單元(124)被設置為用由參考檢測器(602)檢測的波 長強度對由檢測器(108)檢測的波長強度進行歸一化。
11. 如權利要求10所述的測量裝置，其特征在于定向分束器 (302)被設置為用作參考分束器。
12. 如權利要求1所述的測量裝置，其特征在于信號處理單元 (124)被設置為調制光源(104)并解調來自檢測器(108)的信號，該信號對應于檢測的光輻射。
13. 如權利要求1所述的測量裝置，其特征在于檢測器 (108)包括第一檢測器部(802 )、第二檢測器部(804 )、檢測器分束器(800 )、第一濾波器(806)和第二濾波器(808);第一濾波器(806 )的響應被設置為在測量波段上與第二濾波器 (808)的響應不同；檢測器分束器(800 )被設置為以這樣的方式分布從被測量的物 體(114)反射的光輻射，使得部分光輻射通過第一濾波器(806)被 引導至第一檢測器部(802)，而部分光輻射通過第二濾波器(808) 被引導至第二檢測器部(804);以及信號處理單元(124)被設置為根據由第一檢測器部(802)和第 二檢測器部(804 )檢測的光輻射的比率來確定具有最高強度的波 長。
14. 一種用于測量被測量的物體的厚度的測量裝置，其特征在 于，為了測量第一表面的目的，該測量裝置包括光源(104);光輻射處理單元(112)，被設置為以這樣的方式將光源(104) 的不同波長的光輻射從與被測量的表面(116)的法線(118)不同的 方向引導至被測量的物體(114)，使得不同波長聚焦在被測量的表 面(116)的法線(118)的方向上的不同高度處；檢測器(108)，光輻射處理單元(112)被設置為至少從與被測量的表面(116)的法線(118)的方向不同的鏡面反射的方向，將光 輻射處理單元(112)被設置為從被測量的物體(114)接收到的光輻 射引導至該檢測器(108);以及信號處理單元(124)，被設置為基于檢測器(112)所提供的 信號從檢測到的光輻射中確定光輻射的強度最高的波長，并使用確定 的波長來確定被測量的表面(116)的位置；以及為了測量被測量的物體(114 )的第二面的目的，測量裝置包括'.第二面光源(104B);第二面光輻射處理單元，被設置為以這樣的方式將光源 (104B)的不同波長的光輻射從與被測量的第二表面(116B)的法 線不同的方向引導至被測量的物體(114)，使得不同波長聚焦在被 測量的第二表面(116B)的法線(118B)的方向上的不同高度處；第二面檢測器(108B)，光輻射處理單元(112B)被設置為 至少從與被測量的表面(116B)的法線(118B)的方向不同的鏡面 反射的方向，將光輻射處理單元(112B)從被測量的物體(114)接 收到的光輻射引導至該第二面檢測器(108B);以及信號處理單元(124)，被設置為基于第二面檢測器(116B) 所提供的信號從檢測到的光輻射中確定光輻射的強度最高的波長，并 使用確定的波長來確定被測量的第二表面(116B)的位置；以及信號處理單元(124)，被設置為通過確定的表面(116， 116B)的位置來測量被測量的物體(114)的厚度。
15.如權利要求14所述的測量裝置，其特征在于測量裝置包 括至少一個偏振器(120， 122, 302)，并且至少一個偏振器(120, 122， 302)被設置為以垂直于被測量的表面(116)的法線(118)的 方向偏振從被測量的物體(114)反射的光輻射；測量裝置包括至少 一個第二面偏振器(120B， 122B， 302B)，并且至少一個偏振器 (120， 122, 302)被設置為以垂直于被測量的第二表面(116)的法 線(118)的方向偏振從被測量的物體(114)反射的光輻射。
16. —種用于通過光輻射來確定被測量的物體的表面的方法，其 特征在于以這樣的方式將不同波長的光輻射從與被測量的表面(116)的 法線(118)不同的方向引導至被測量的物體(114),使得不同波長 聚焦在被測量的表面(116)的法線(118)的方向上的不同高度處 (1300 );至少從與被測量的表面(116)的法線(118)不同的鏡面反射的 方向接收光輻射(1304);從接收到的光輻射中確定接收到的光輻射的強度最高的波長 (1306);以及通過確定的波長來確定被測量的物體(114)的表面(116)的位置。
17. 如權利要求16所述的方法，其特征在于以垂直于被測量 的表面(116)的法線(118)的方向偏振從被測量的物體(114)反 射的光輻射(1302)。
18. 如權利要求16所述的方法，其特征在于沿非軸向方向色 散被引導至被測量的物體(114)的光輻射；將非軸向色散的光輻射的不同波長聚焦在被測量的物體(114 ) 的表面(116)的法線(118)的方向上的不同高度處，同時一個波長 聚焦在被測量的表面(116)上。
19. 如權利要求17所述的方法，其特征在于從接收到的光輻 射中去除色散；從非色散的光輻射中確定接收到的光輻射的強度最高的波長。
20. 如權利要求17所述的方法，其特征在于從接收到的色散 的光輻射中確定接收到的光輻射的強度最高的波長。
21. 如權利要求16所述的方法，其特征在于以這樣的方式將 從被測量的物體(114)反射的光輻射反射回被測量的物體(114), 使得光輻射沿與被測量且用于引導的表面(116)的法線(118)不同 的方向從被測量的物體(114)被反射；并引導從被測量的物體(114)反射的光輻射以便接收。
22. 如權利要求16所述的方法，其特征在于將由光源(104) 發射至物體(114)的部分光輻射引導至參考檢測器(602);將與由參考檢測器(602 )接收到的光輻射相對應的電信號饋送 至信號處理單元124;以及在信號處理單元(124)中，用由參考檢測器(602)檢測的波長 強度對由檢測器(108)檢測的波長強度進行歸一化。
23. 如權利要求16所述的方法，其特征在于調制由光源 (104)發射的光輻射，并且相應地解調檢測信號。
24. —種通過光輻射來測量被測量的物體的厚度的方法，其特征 在于以這樣的方式將不同波長的光輻射從與被測量的表面(116)的 法線(118)不同的方向引導至被測量的物體(114)，使得不同波長 被引導至被測量的第一表面(116)的法線(118)的方向上的不同高 度處(1400 );至少從與被測量的第一表面(116)的法線(118)不同的鏡面反 射的方向接收光輻射(1404);從接收到的光輻射中確定接收到的光輻射的強度最高的波長 (1406);以及通過確定的波長來確定被測量的第一表面(116)的位置 (1408);以及以這樣的方式將不同波長的光輻射從與被測量的第二表面 (116B)的法線(118B)不同的方向引導至被測量的物體(114)， 使得不同波長被引導至被測量的第二表面(116B)的法線(118B) 的方向上的不同高度處(1410);至少從與被測量的第二表面(116B)的法線(118B)不同的鏡 面反射的方向接收光輻射(1414);從接收到的光輻射中確定接收到的光輻射的強度最高的波長 (1416);以及通過確定的波長來確定被測量的第二表面(116B)的位置 (1418);以及使用確定的表面(116， 116B)的位置來確定被測量的物體 (114)的厚度(1420)。
25.如權利要求24所述的方法，其特征在于以垂直于被測量 的第二表面(116B)的法線(118B)的方向偏振從被測量的物體 (114)反射的光輻射(1412);以及以垂直于被測量的第一表面(116)的法線(118)的方向偏振從 被測量的物體(114)反射的光輻射(1402)。
全文摘要
光輻射處理單元(112)以這樣的方式將從光源(104)發射的不同波長的光輻射從與被測量的表面(116)的法線(118)不同的方向引導至被測量的物體(114)，使得不同波長聚焦在被測量的表面(116)的法線(118)的方向上的不同高度處。可能的偏振器(120，122)以垂直于表面(116)的法線(118)的方向偏振反射的光輻射。光輻射處理單元(112)將其從被測量的物體(114)接收的偏振的光輻射引導至檢測器(108)。信號處理單元(124)基于檢測器(112)提供的信號從檢測到的光輻射確定光輻射的強度最高的波長，并通過確定的波長來確定表面(116)的位置。當從兩面測量物體(114)時，被測量的物體(114)的厚度可以使用表面的位置來確定。
文檔編號G01B11/06GK101529200SQ200780038629
公開日2009年9月9日 申請日期2007年10月17日 優先權日2006年10月18日
發明者H·克拉內 申請人:芬蘭技術研究中心