CN1238840A - 距离测量方法和距离测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到在使用激光光束情况下的一个改进的距离测量，激光光束首先在平行光路上被调整对准一个物镜(18)和通过物镜(18)被集束在焦点上。如果物体平面不位于焦点(A)上，人们看到在物体平面上有两个激光照射点(P)。如果这些激光照射点，例如以一个水平的或垂直的线纹通过在物镜(18)前的相应的前置透镜或样板还被编码，这样人们就得到标记的成像。也可以考虑使用一个时间编码。例如一个激光照射一次然后另外一个激光时间交错地照射。两个激光照射点之间的距离是主物镜(18)与物体平面的距离的一个尺度，其中这个尺度从计算上是与物镜(18)的焦距和两个照射光源在物镜(18)前的立体关系有关的。

Description

距离测量方法和距离测量仪

本发明涉及在一个物镜和一个物体之间的距离测量方法以及一个按照这种方法工作的距离测量仪。

特别与显微镜有关的是用户要求知道他的物体和显微镜物镜之间的距离。

为此曾经建议过各种方法。例如有用激光光束脉冲编码的运行时间测量。不同的光学方法例如截面图法或三角测量法同样是已知的。例如蔡司公司的所谓的MKM-显微镜-结构使用一个瞄准聚焦点的脉冲激光光束。如果物体平面位于Z-方向聚焦平面的前或后，则激光照射点在显微镜光轴的左边或右边闪烁。第一种方法的电子费用高并且功能上容易出错，而第二种方法则要求很高的光学费用。

因此本发明的任务是，寻找一种新的距离测量方法，光学上易于计算并且允许一个可靠的距离测量。

本方法是通过本发明权利要求1的特征实现的，而装置是对应于权利要求5的特征构成的。

一个重要的思想是两条基本上是平行的光(一般来说，但不仅仅是激光)在显微镜的平行光路上调整得瞄准物镜以及穿过物镜。如果物镜的焦距是不知道的，它是可以这样准确地被测量到的，两条光线-在焦点聚焦-成好象是一个单个的光点。距离物镜主平面的距离相当于焦距。然而物体平面不位于焦点上，也就是说，位于一个与之不同的距离上时，人们看到在物体平面上有两个激光照射点。两个激光照射点相互之间的距离是焦点平面和物体平面之间区别的一个尺度。这个距离可以依赖于物镜焦距和两个照射光源与物镜的立体关系被计算出来。通过激光照射点的一个几何编码例如在一个水平的或垂直的线条上通过相应的在激光光路中的前置透镜或样板得到这个标记的成像，这样也可以被检测到距离焦点平面的一个负的或一个正的距离。

与之不同的和其它的特殊结构被描述在相关的权利要求中。例如可以用一个时间编码代替一个几何编码，其中例如一个激光射线照射一次以后第二个激光光束时间交错地照射。按照本发明并不强迫，两条激光光束在进入物镜的平行光路以前真正是平行的。可以想象有任意角度的偏差，甚至物镜以及显微镜在产生激光的元件装配以后被校准和校准在计算时应被考虑进去。在一种这样结构的变型中一个一定的有定义的在物体平面上的照射点距离显示出物镜的聚焦状态与对象平面之间的关系。

按照本发明的距离测量方法受两射线之间夹角χ的影响。

当χ=90°时得到一个好的测量结果。

物体平面相对光轴的位置也很重要。如果它们相互垂直则测量没有问题。不需要一个修正。测量点与光轴对称。当不对称时可以用计算修正过来，如果各个测量点与光轴间各个距离被测量出来并且被反算到物体平面的斜位置。光轴的位置可以用光学方法很容易得到，如果它是可见的。测量系统可以这样被校准。

当然激光的光学频率可以在可见也可以在不可见范围，如果有相应的检测手段的话。作为检测手段例如可以使用红外范围的CCD。

本发明借助于附图进行进一步的解释。

它们表示：

附图1一个用简图表示的具有按照本发明的风格表示的激光射线装置的显微镜的一个主物镜；

附图2一种变型；

附图3一个计算电路的简图；

附图4主物镜后面的激光光路；

附图5具有集成的距离测量和放大测量的一种变型，和

附图6不垂直于图像-物体平面的一个显示

虽然是借助于一个显微镜叙述了本发明但它并不局限于显微镜。它可以被应用于具有至少一个主物镜的任何光路上。

在具有一个主物镜18、一个目镜8和一个光轴11的一个显微镜1上安放有一个透明的支撑板10，它支撑着两个偏转反射镜12a和12b。12a和12b在被表示的实施例中是对中心的，而实施例是不受限制的。偏转反射镜12a是一个半透明的分光镜、一条激光光束2，有时是由安装在显微镜外边的激光射线光源3发射的，被分成两个子光束2a,2b。

在偏转反射镜12a、12b的后面连接着光阑9a和9b，它将激光分光束2a和2b光学编码。当穿过主物镜18时平行的激光分光束2a和2b转向于聚焦平面A上的主物镜18的聚焦点5。如果现在有一个物体6位于聚焦平面A以外，则激光分光束2a和2b在物体6上产生两个照射标记20a和20b。两个照射标记20a和20b之间的距离13是主物镜18的主平面7与物体6之间的距离Z及其差值f(焦距)减去Z的一个尺度。

附图2表示一个分光阑2a和2b的时间编码，它们是这样被生成的，激光光束通过两个偏转反射镜17a和17b，它们是相互调同心的，在另外的偏转反射镜12c的方向上它们是不同心的，然而是安装在主物镜18前面的，被偏转。偏转反射镜17a是半透明的。一个回转式孔形光圈14位于偏转反射镜17和12之间有一个孔16，它被一个驱动器15驱动使之回转。只有当孔被一个分光路2a或2b盖住时，这个分光路就可以通过主物镜18聚焦。

代替被表示的孔形光阑当然所有现有技术的光阑都可以被使用。有的变型也可以使用两种脉冲式激光器。代替一个几何的或一个脉冲编码当然也可以使用一个颜色编码。在附图1和2被表示的变型中理论上对于距离测量也可以用眼睛。这样例如在观察光路上可以安排一个分度，它使通过目镜8观察的用户，可以对两个照射点20a和20b之间进行一个距离测量。

然而在附图3上表示的读数-电子器件是优异的。附图3是作为附图1结构的一个细节被表示的。一个平的可透视的光学支架24大约对中心地支撑着一个偏转反射镜25，它将由物体6来的光束经过一个成像系统26在一个位置敏感的光电检测器27上例如一个CCD上成像。光学支架24直接安装在主物镜18的平行光路上。在物体6上出现的光图像20b和20a可以这样在检测器27上被成像。与具有计算软件和一个相应的计算机的一个计算单元19例如连接上：一个显示器21以便显示Z-距离。输出端也可以与计算单元19连接上控制显微镜的部件，例如一个自动聚焦22或用于立体扫描的一个输出23，特别是用于测定显微镜1和物体6的相对位置。

光学支架10以及24以及小的偏转反射镜12a,b,c,17a,b可以从专利申请PCT/EP95/01311以及PCT/EP95/01301中了解。当然在本发明范围内也具有所有其它传统的从一个光路反映或获取信息的方法。然而用透明光学支架的方法是优越的。

但是并不强迫，在主物镜前必须是一个平行的光路，激光光束也可以以任意角度穿过主物镜18，如果随后还要被校准和被确定，在物体平面的一个一定的照射点距离13对应于主物镜18涉及到物体平面的一个聚焦状态的话。

附图4的简图表示了以下内容：人们看到在聚焦点F前面的一个被观察点T。激光光束S1在平面B上产生一个点P(S1)。激光光束S2产生一个点P(S2)。P(S1)不等于P(S2)。由两个点的距离13得出被观察点T与焦距平面A的距离。如果人们现在考虑两个点相互的位置时，人们可以得到一个解释，是否在T与A之间的距离有一个正或负的符号。如果被观察的点T位于焦点F的前边，通过显微镜观察，P(S1)在P(S2)的右边，如果相反，则被观察的点T’在焦点F1的后边。在这个观察中决定性的是，这两个点P(S1)和P(S2)可以分别地被得到，也就是说它们必须被编码。例如已经叙述过的，可能性有可以几何编码，这样P(S1)和P(S2)可以被相互区别或它们可以用相应的时间编码，如果人们准确地知道什么时候P(S1)照射和什么时候P(S2)照射。这个信息被输入到一个计算机或用一种方法被输入，从而计算出位置是在焦点的前边或后边。

附图5表示一种变型，它不仅能测量Z-距离而且通过光束分路器12c,d允许一个放大测量(T-测量)。为此激光光束2被分成分光路S2’和S2″，它们之间形成一个有定义的角度α。分光束S2’和S2″通过另外的，在附图5上没有被表示的显微镜光学引导并且被计算出确定显微镜1的放大。计算在PCT/EP95/01311中详细地被叙述。特别是在那里参照了附图1-7和说明页8-15。所有在那里叙述的涉及到测量光路接收和计算的变化在这里都是值得应用的。

附图6表示了斜物体平面和与光轴11形成不对称距离a1和a2的难题。

本发明与一个放大测量的一个组合，如它在已叙述的PCT/EP95/01311中叙述的，是有优越性的。对于专家来说为此所需要的说明从PCT申报中可以得到；因此它与在这里公开的是相应的。

符号表

A    聚焦平面

B，C 物体表面的平面，位于主物镜18的对面

1    显微镜

2    激光光束

2a   激光分光束

2b   激光分光束

3    激光器

5    聚焦点

6    物体

7    物镜18的主平面

8    目镜

9a   光阑

9b   光阑

10   透明的支撑板

11   光路的主轴线

12a  偏转反射镜，半透明

12b  偏转反射镜

12c  不同心的偏转反射镜

13   照射标记20a和20b间的距离，它们被产生在物体平面

14   回转的孔形光阑/快门轮

15   孔形光阑驱动器

16   孔

17   时间编码的偏转反射镜/光线分配装置

17a  同心的偏转反射镜，半透明的

17b  同心的偏转反射镜

18   主物镜

19   具有计算软件的计算装置

20a  照射标记/光图像

20b  照射标记/光图像

21   距离显示器

22   自动聚焦

23   立体扫描应用的输出

24   光学支架

25    偏转反射镜

26    成像系统

27    检测器(例如CCD)

Z     物体平面和主物镜之间的距离

X         激光分光束S1,S2之间的夹角

S1,S2 穿过主物镜18后的激光分光束2a,2b

Claims (10)

1．借助于一个光学射线测量一个物体(6)的物体平面与一个主物镜(18)之间的距离(Z)的方法，其特征在于，照射光线的至少两个分光束(2a,b)在平行光路上在主物镜(18)前边通过它被瞄准物体(6)，此时分光束(2a,b)在物体(6)的表面上的截面图像在一个计算装置(19)上用计算方法被用作为计算求得距离(Z)的尺度。

2．按照权利要求1的方法，其特征在于，两个分光束(2a,b)是由一个唯一的光束(2)借助于一个半透明的反射镜(12a；17a)分光而产生的。

3．按照权利要求1或2的方法，其特征在于，每个分光束(2a,b)通过光阑(9a,9b)用几何编码是可以被区别的，其中在计算时被成像的分光束图像绕光轴(11)的一个右-左交换表示物体(6)在聚焦平面(A)上的一个加-减的Z-位移。

4．按照权利要求1的方法，其特征在于，分光束(2a,b)被颜色编码以及频率编码或脉冲编码，其中在计算时相应的使用颜色滤波器或图像点积分。

5．实施按照上述权利要求之一的方法的装置，其特征在于，在主物镜(18)的后面至少安排一个光学射线光源(3)，它至少发射的两个分光束(2a,b)通过主物镜(18)射向物体(6)的方向。

6．按照权利要求5的装置，其特征在于，为了分光束(2a,b)的射入和/或由物体(6)来的光束一部分的射出安排了透明的平的光学支架(12,24)以及在其上安放的小的半透明的和/或只能反射的偏转反射镜(12,25)。

7．按照权利要求5或6的装置，其特征在于，直接在主物镜(18)后面的两个分光束(2a,b)在物体(6)上的图像信息被成像在一个位置分辨的光电检测器(27)上，其中具有计算单元(19)的检测器(27)和计算单元(19)必要时与一个距离显示器(21)和/或与一个自动聚焦装置和/或与一个为了立体扫描测量目的的一个输出(23)相连接。

8．按照权利要求5-7之一的用于实施用脉冲调制分光束(2a,b)的方法的装置，其特征在于，一个分光装置(17)从属于射线源(3)，一个快门轮(14)或一个可回转的孔形光阑(14)或LCD-快门单元被连接在前边。

9．按照上述权利要求5-8之一的装置，其特征在于，分光束(2a,b)的光被选择在红外区。

10．按照权利要求5至9之一的装置，其特征在于，在光路上安排了附加的分光镜(12c,d)以便产生两个分光束S2′和S2″，它们为了确定光学系统的放大是可以被计算的(比较PCT/EP01311)。

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