CN116848369A - 用于高速测距的彩色共焦测量系统 - Google Patents
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Abstract
公开了一种使用通过发光体的光学泵浦实现的、强的宽带光源的彩色共焦测量装置。以这样的方式选择所述发光体的照明，即，利用所述发光体的特性来最大化所述光源的光学输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种彩色共焦测量装置，其包括在可见波长范围直到近红外范围内的、尤其是在400nm和900nm之间的波长范围内的宽带光源，其使用在350nm到500nm的波长范围内的泵浦光源、和用于将泵浦光源成像在发光体上的第一光学器件，本发明还涉及一种用于将发光体成像在光纤或光纤束(8a)的小面上的第二光学器件，宽带光的至少一部分耦合到光纤或光纤束中，其中，耦合到所述光纤或所述光纤束中的光被用作所述彩色共焦测量装置的测量光。本发明此外还涉及在这种彩色共焦测量装置中使用的光源。
背景技术
由专利FR 3006758 B1已知一种彩色共焦多点测量装置，其能够提供沿着一条线的距离或厚度信息。
由专利US2010/009779A1中已知一种将基于发光体的光源用于彩色共焦传感器的方法。
专利US10180355 B2描述了一种使用宽带光源的彩色共焦点传感器，该光源通过发光体的光学泵浦来实现。
US10731965 B1描述了一种基于发光体的、具有狭缝形状的光出射面的宽带光源。
已知来自Volker Hagemann，Albrecht Seidl，Günter Weidmann的“用于数字投影和专业照明的高功率高亮度SSL光源的静态陶瓷磷光体组件，”Proc.SPIE 11302，发光器件、材料和应用XXIV、113021N(在下文中被称为NPL1)，即，照明极限从而磷光转换陶瓷发出的光的最大功率受到热淬火的限制。
由Anastasiia Krasnoshchoka、Anders Kragh Hansen、Anders Thorseth、Dominik Marti、Paul Michael Petersen、Xu Jian和Ole Bjarlin Jensen共同发表的期刊文献“激光照明中与磷光材料相关的光斑尺寸的限制”Opt.Express 285578-55767(2020)(在下文中被称为NPL2)描述了发光体的限制特性及其对激发光的光斑尺寸的依赖性。
高分辨率的光学线路扫描仪需要寿命长、高强度的宽带光源。磷光转换器越来越多地被用作光源中的高功率宽带光源，例如在汽车显微镜中。
与US10180355 B2和US2010/009779 A1相比，这种宽带源在测量学中的使用也在增加。然而，产生的热量是一个问题，这导致了对动态解决方案的偏好，这些动态解决方案通过移动磷光体使得热量分布产生，从而减少局部高温。如US2010/009779A1中所述，原则上可以实现更高的强度。然而，机械运动会导致一定程度的磨损，从而缩短使用寿命。此外，必须使用较厚的磷光层以获得更好的机械稳定性，这会导致辐射极限的降低(参见NPL1)，从而使通过运动获得的强度增加的部分再次化为乌有。此外，运动和由此产生的运动伪影增加了有效发光的面积，这在诸如彩色共焦测量法之类的光量受限系统中导致，要么强度降低，要么在强度保持不变的情况下必须忍受分辨率的变差。
总之可以说，到目前为止，只有一小部分发出的辐射用于测量系统。然而，未使用的光子也会参与加热，从而限制白光源的强度和使用寿命。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种使用高效且耐久的宽带光源的彩色共焦测量装置，该装置具有针对彩色共焦传感器被优化的放射特性。光源必须具有高的光功率，因为它会通过高速软硬件的可用性限制所述彩色共焦单体及测量设备的测量速率，尤其是在可见光谱范围内由高效探测器限制其测量速率。
根据本发明，所述目的通过在彩色共焦测量装置中使用发光体的聚焦照明以及使用所得到的宽带测量光得以实现。泵浦光源在发光体上的成像光束路径和发光体在光纤或光纤束末端上的成像光束路径部分地重合，也就是说，入射在发光体上的光和用作测量光的、由发光体放射的光在相反方向上部分路段地走相同的路径。二向色镜用于将用作测量光的光解耦或分离，并为上述目的将测量光从泵浦光源的光束路径耦合到光纤或光纤束中。
在一种优选的实施方式中，通过让第一光学器件和第二光学器件中包括至少一个共同的成像光学元件，尤其是透镜，实现泵浦光源在发光体上成像的光束路径与发光体在光纤或光纤束的端部上成像的光束路径的这种重合。
本发明要求保护根据权利要求1所述的彩色共焦测量装置和根据权利要求14或15所述的、用在该装置中的光源。
提出了一种彩色共焦单点或多点测量装置，其具有在可见光至近红外波长范围内、耐用且功率强大的宽带光源，用于测量物体的距离/厚度。已知许多基于彩色共焦或干涉测量原理的光学测量装置。
基于发光体的光源被理解为其中由泵浦光源(通常是激光器或LED)激发荧光(发光体)的光源，其通过物理过程发光，尤其是磷光、荧光或闪烁。发光体在本文中通常是指一种辐射转换物质。
在一种优选的实施方式中，发光体的泵浦以这样的方式优化，即，考虑到体积散射以及被照射和发光表面的相关变化(参见NPL2)，产生用于耦合到测量系统中的最佳辐射特性。
这种优选实施方式的优点在于，在发光体中，发光表面通常大于由泵浦光照射的表面(参见NPL 2)。因此，如下地选择该实施方式中的光学元件，即，使得发光体的被照明表面小于或等于光纤束或光纤的小面的横向尺寸，和/或发光体的被照明表面在光纤小面上的成像小于其横向尺寸。
这样一方面得以确保的是，通过发光体的、小的被照明面积减少了热量的产生，从而实现了发光体的长使用寿命和宽带光源的高光学性能。
同时得以确保的是，发光表面的横向尺寸不对可耦合到光纤或光纤束中的光量造成限制，或者仅有很小的限制。为了能够耦合大的角度范围的发射光，光源的接收侧路径中的光学器件以及光纤或者光纤束的单个光纤通常选择高的数值孔径，其中，在大多数情况下，光纤的数值孔径构成限制性因素。
在彩色共焦测量装置的另一种实施方式中，通过适当地选择第一光学元件或在二向色镜前方设置附加光学元件来提供光源，其中，所述附加的光学元件用于将球面像差引入波前。
特别优选的是以下实施方式：
如下地选择第一光学元件(具体地包括透镜)，使得其在泵浦光源的主波长下产生球面像差。
球面像差此外也可以通过在第一光学元件之前插入玻璃板来产生。
此外，球面像差还可以由诸如透镜或补偿板之类的附加光学元件产生。
上述可能性尤其是还包括这样的布置，其中，球面像差仅与发光体表面的平面中的第二光学元件结合而被产生。
此外，球面像差可以仅由第二光学元件产生。
附加地或替代地，发光体可以相对于照明路径的焦点轴向移动，尤其是为了增大光斑，或者通过光学像差的传播不变性来优化光束轮廓，尤其是使得发光体的被照射区域具有强度均匀的光束轮廓，或者光束轮廓具有依赖于径向位置的、旋转对称的强度分布，尤其是环形的光束轮廓、由几个环组成的强度轮廓或者平顶轮廓。
在所述彩色共焦测量装置的另一种实施方式中，在光源、二向色镜或分束器中引入衍射的光学元件，从而使得发光体的被照射区域具有依赖于径向位置的、旋转对称的强度分布，尤其是环形的光束轮廓、由几个环组成的强度轮廓或平顶轮廓。
在所述彩色共焦测量装置的另一种实施方式中，光源中的一个或多个轴锥镜用作光学元件，以在发光体的区域中产生贝塞尔-高斯光束。
在所述彩色共焦测量装置的另一种实施方式中，光源由多个泵浦光源运行，这些泵浦光源照射发光体上不重叠或仅部分重叠的区域。在如图2所示的实施方式中，泵浦光源被如下地布置，即，使它们穿过相同的光学元件，其中，光束路径在位置和角度上有区别。同样地，分束器可以用于聚合所使用的泵浦光源的光束路径，以使得所有的光束路径都通过第二光学元件的程度。同样地，可以使用与偏振相关的分束器，以在光功率损失很小的情况下将多个偏振泵浦光源的光束路径聚合在一起。
以类似的方式，可以照射发光体上的多个不重叠的或者仅部分重叠的区域，方式是：使用单个的泵浦光源，该泵浦光源的光束通过光学元件、尤其是衍射光学元件、分束器或光栅被分成多个光束路径。
在本发明的一种优选实施方式中，宽带光被耦合到光纤束中，并且光纤束的光纤的、与光纤束的耦合侧的小面相对的侧面布置成为了测量多个厚度或者测量对象的不同位置上的厚度。其中，耦合侧的小面指的是来自光源的光被耦合到其中的、光纤的小面。在这一侧，光纤优选地在空间上尽可能紧密地布置，以便有效地捕获在其上成像的光。相对侧是测量头一侧。
特别优选地，光纤在测量头一侧排列成一行，以能够沿着一条线进行测量。
在所述彩色共焦测量装置的一种替选的实施方式中，光源的发光体以与前文描述的相同的形式被照射，但是转换后的光被耦合到多模光纤中而不是光纤束中。在多模光纤中被引导的光在光源外部被分割成一条线、离散的点或另一种布置，并被应用于测量多个厚度或者测量对象的不同位置处的厚度。将多模光纤中引导的光分割成一条线例如可以通过测量头的柱面透镜来实现。分割成离散的点例如通过在多模光纤之后的光束路径中插入孔掩模来实现。例如也可以将测量头的圆柱透镜与孔掩模组合起来，以获得一行离散的点。
一种可替选的实现形式设计了一种用于测量测量对象的距离或厚度的彩色共焦单点测量装置，它的光源以上述方式实现，不同之处在于：使用直径小于300μm、优选小于50μm的单根光纤。
所述彩色共焦单点测量装置的一种可能的实施方式的特征在于，发光体的发光面积比光纤小面更小或稍大于。
所述彩色共焦测量装置的另一种可能的实施方式包括一种根据先前未公开的DE10 2020 116215所述的装置。该专利申请描述了一种光学测量装置，包括具有成像光学器件的测量头和评估单元，其中，测量头通过两个光导纤维与评估单元相连。所述评估单元包括光源，该光源的光通过所述第一光导纤维被引导到所述测量头中，并且其中，由所述测量对象反射的光通过测量头并且借助分束器被引导回到第二光导纤维中，方式是：使得前向光和后向光被分离，其中，光纤末端处于相互共轭的位置。所述分束器和用作孔径的光纤端部一起共同布置在连接器中，该连接器与所述测量头可拆卸地连接。
上述装置可以与用于斑点减少的技术相结合，例如通过使用带宽更宽的泵浦光源或通过在泵浦光源中引入频率或相位调制来减少相干长度，例如通过改变环境温度或二极管电流。
上述装置可以在柱面透镜的帮助下扩展，从而校正光源中普遍存在的散光。尤其是当泵浦光源具有不对称的辐射特性时，例如对于LED来说就是如此，在LED中，发散角强烈依赖于方向，这种影响可以通过柱面透镜至少部分地得到补偿。在这里，柱面透镜可以放置在泵浦光源和发光体之间的光束路径中的不同位置，但在一种优选实施方式中，是放置在第一光学元件和二向色分束器之间。优选地，柱面透镜被如下地确定朝向，即，使得它具有较小发散角的轴平行于泵浦光源。
上述装置可以在作为替选的实施方式中如下地设计，即，使得测量光借助自由光束光学器件而不是光纤或光纤束从光源被引导到测量头。
本发明还涉及一种用在彩色共焦测量装置中的光源，其中，所述泵浦光源(1)在所述发光体(5)上成像的光束路径与所述发光体(5)在光纤或光纤束(8a)的端部上成像的光束路径部分地重合，并且其中，所述光源包括二向色镜(3)，其被布置为使得其将发光体(5)在光纤或光纤束(8a)末端上成像的光束路径从泵浦光源(1)在发光体(5)上成像的光束路径中解耦出去。
在一种用于彩色共焦测量装置的光源的替选实施方式中，泵浦光源被投射到多个发光体的组合上。发光体的组合如下地实现，即，两个或更多个发光体层叠在彼此之上，或者光束路径由二向色镜或分束器分割，并照射第一和第二发光体，并且由第一和第二发光体发射的光通过二向色镜或者分束镜再次组合起来。
本发明的进一步特征和优点由以下参照附图对实施例的描述中得出。
附图说明
图中示出：
图1是所述彩色共焦测量装置的第一种有利实施方案；
图2是所述彩色共焦测量装置的第二种有利实施方案。
具体实施方式
图1示出了彩色共焦测量装置的第一种有利实施方案。
所述彩色共焦测量装置例如包括在可见光波长范围直到近红外范围内的宽带光源。
该光源包括波长范围为350nm至500nm的泵浦光源1，其经由第一光学元件2准直，通过二向色镜或分束器3反射，并通过第二光学元件4聚焦在发光体5上或其附近。所述第一光学元件2和所述第二光学元件4一起构成第一光学器件，用于将泵浦光源1成像到发光体5上。
发光体的发光表面102在此优选地大于被照明的表面101。相应地，在整个发光表面102上发射来自发光体的宽带光。
由发光体5发射的宽带光又被第二光学元件4再次准直。因此，所发射的光收回到入射光的相同路径。在它再次穿过二向色镜或分束器3之后，并且在此基于分束器3的二向色性和光的偏移光谱分布而被透射而不是被反射，因此被解耦，然后它通过第三光学元件7耦合到光纤束中或光纤8中。光学元件4和光学元件7一起构成第二光学器件，其将发光体5成像到光纤小面8a上。因此，整个发光表面102被成像到光纤小面8a上。有利地，发光表面102在光纤小面8a上的成像延展度大致等于该光纤小面的延展度。以这种方式确保了，不仅整个光纤小面被照明，并且耦合期间的光损失最小。相应地，被照明表面101的成像(其在一种优选实施方式中小于发光表面102)也小于光纤小面8a。
所述光纤小面8a指的是使用光纤束8将该光纤束8的单个光纤的所有小面组合在一起的情况。图1示出了光纤束的一个这种小面。
所述光学元件通常可以分别由一个透镜或一组透镜或等效元件(例如成像镜)组成。
图2示出了彩色共焦测量装置的另一种示例性的实施方式。该彩色共焦测量装置包括例如在可见波长范围直到近红外范围内的宽带光源。所述光源例如包括两个泵浦光源1，其利用第一光学器件和第二光学器件(其分别包括一个第一光学元件2和一个共同的第二光学元件4)经由二向色镜成像到发光体5上。所述发光体位于散热体6上。由发光体5发射的光借助包括第二光学元件4和第三光学元件7的第二光学器件被成像到光纤束8的小面8a上。光纤束8的光纤示例性地在第一光纤末端8a处布置在一个圆形表面内，并且在另一光纤末端上示例性地沿一条线布置。在光纤小面8b上发出的光示例性在均化器9中传播，在分束元件10上反射，然后由光学元件11聚焦到测量对象12上，其中，所述光学元件11表现出色散行为，并且根据光的波长产生不同的焦点。
彩色共焦测量装置的其他示例性的实施方式由图1和图2中所示的各个特征的组合构成。
Claims (15)
1.一种彩色共焦测量装置，包括：
在可见光波长范围直到近红外范围内的宽带光源，尤其是在400nm至900nm的波长范围内，在使用350nm至500nm波长范围内的泵浦光源(1)情况下，
用于将所述泵浦光源(1)成像到发光体(5)上的第一光学器件，
用于将所述发光体成像到光纤或光纤束的小面(8a)上的第二光学器件，使得宽带光的至少一部分耦合到所述光纤或光纤束中，
其中，耦合到所述光纤或者光纤束(8)中的光用作所述彩色共焦测量装置的测量光，
其特征在于，所述泵浦光源(1)在所述发光体(5)上成像的光束路径和所述发光体在所述光纤或光纤束的小面(8a)上成像的光束路径部分地重合，
并且所述彩色共焦测量装置包括二向色镜(3)，所述二向色镜(3)使得所述发光体(5)在所述光纤或光纤束的小面(8a)上成像的光束路径从所述泵浦光源(1)在所述发光体(5)上成像的光束路径中解耦出去。
2.根据权利要求1所述的彩色共焦测量装置，其特征在于，所述第一光学器件和所述第二光学器件包括至少一个共同的成像光学元件，尤其是透镜(4)。
3.根据权利要求1或2所述的彩色共焦测量装置，其特征在于，
所述发光体(5)的被照明表面(101)小于或等于所述光纤束或光纤(8)的耦合侧的横向尺寸，和/或
所述发光体的被照明表面在所述光纤束或光纤(8)的小面(8a)上的成像小于所述光纤束或光纤的耦合侧的横向尺寸。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的彩色共焦测量装置，其特征在于，
通过设置在所述二向色镜(3)前方的另一个光学元件将球面像差引入波前，
和/或
通过设置在所述二向色镜(3)后方的另一个光学元件将球面像差引入波前，
和/或
所述发光体(5)相对于照明路径的焦点轴向地移动。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的彩色共焦测量装置，其特征在于，使用了多个泵浦光源(1)，用于不重叠地或仅部分重叠地照射所述发光体(5)。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的彩色共焦测量装置，其特征在于，所述泵浦光通过光学元件，如衍射光学元件、分束器或光栅，分割成多个光束路径，用于不重叠地或仅部分重叠地照射所述发光体(5)。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的彩色共焦测量装置，其特征在于，所述宽带光耦合到光纤束(8)中，并且所述光纤束的小面(8a)相对的侧面合适地布置在用于测量多个厚度或者测量对象的不同位置上的厚度的位置，尤其是布置在一条线上。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的彩色共焦测量装置，其特征在于，在单个多模光纤中发生耦合，并且耦合光在离开光纤(8)之后分割成一条线、离散的点或另一种在空间上延伸的布置方式，用于测量多个厚度或者测量对象的不同位置处的厚度。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的彩色共焦测量装置，其特征在于，使用直径小于300μm、优选小于50μm的单根光纤，用于测量测量对象的单点。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的彩色共焦测量装置，其特征在于，使用一种包括第一光纤和第二光纤以及分束器的设备，其中，所述第一光纤尤其是用于耦合宽带测量光的光纤(8)，使得第一光纤将来自光源的测量光导向测量装置的测量头方向，其中，所述测量头将测量光导向测量对象，并且将从测量对象反射回来或散射回来的光返回引导到所述分束器上，并且所述分束器将测量光和从测量对象传播回来的光收集，并且所述第二光纤将来自测量对象的、通过所述分束器传播的光引导到所述彩色共焦测量装置的光谱仪。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的彩色共焦测量装置，其特征在于，使用了光斑减少技术，尤其是通过使用带宽更宽的泵浦光源或通过在泵浦光源中引入频率或相位调制来减少相干长度，例如通过改变环境温度或二极管电流。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的彩色共焦测量装置，其特征在于，所述泵浦光源(1)处的散光通过柱面透镜校正。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的彩色共焦测量装置，其特征在于，从光源到测量头的测量光由自由光束光学器件引导，而不是光纤或光纤束(8)。
14.一种用在彩色共焦测量装置中的光源，其发射可见光波长范围直到近红外范围的光，尤其是在400nm和900nm之间的波长范围内的光，包括：
波长范围为350nm至500nm的泵浦光源(1)，
用于将所述泵浦光源(1)成像到发光体(5)上的第一光学器件，
用于将所述发光体成像到光纤或光纤束的小面(8a)上的第二光学器件，使得宽带光的至少一部分耦合到所述光纤或光纤束中，
其特征在于，
所述泵浦光源(1)在所述发光体(5)上成像的光束路径和所述发光体在所述光纤或光纤束的小面(8a)上成像的光束路径部分地重合，
并且所述彩色共焦测量装置包括二向色镜(3)，其使得所述发光体(5)在所述光纤或光纤束的小面(8a)上成像的光束路径从所述泵浦光源(1)在所述发光体(5)上成像的光束路径中解耦出去。
15.一种用在彩色共焦测量装置中的光源，其发射可见波长范围直到近红外范围的光，尤其是是在400nm和900nm之间的波长范围内的光，
包括：
350nm到500nm波长范围的泵浦光源(1)，
用于将所述泵浦光源(1)成像到发光体(5)上的第一光学器件，
二向色镜或分束器(3)，
用于将所述发光体成像到光纤或光纤束的小面(8a)上的第二光学器件，使得宽带光的至少一部分耦合到所述光纤或光纤束中，
其特征在于，
所述发光体的组合以如下方式实现，即，将两个或多个发光体彼此层叠，
或者
以如下方式实现所述发光体的组合：光束路径由二向色镜或分束器分割，并照射第一和第二发光体，并且由所述第一发光体和第二发光体发出的光通过所述二向色镜或者所述分束器再次组合在一起。
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