CN112923856B 在子采样引起失真下借由低相干光干涉技术确定机体与物体表面的间隔距离的方法及系统 （艾迪奇股份公司）

号US2010150422A1,2010在子采样引起失真下借由低相干光干涉技术确定机体与物体表面的间隔距离的方法及系统本发明描述了一种用于确定物体或材料与物体或材料的加工刀具或测量仪器之间的间隔物体反射或漫射的测量光束沿第一入射方向射射方向以预设入射角度沿第二入射方向射向光参考光束之间的干涉条纹图案在入射区域上的仪器与物体表面之间的当前间隔距离，(b)轴的光电探测器布置，并以此方式控制入射角21.一种用于确定物体或材料与所述物体或材料的处理或测量机构之间的间隔距离的-产生低相干光辐射的测量光束，导引所述测量光束通过所述处理或测量机构接近物量机构接近物体的末端之间的第一部段以及所述处理或测量机构接近物体的所述末端与-产生所述低相干光辐射的参考光束，并导引所述参考光束相对于所述测量光束的第理或测量机构接近物体的所述末端与所述物体之间的距离对应于预定标称间隔距离的标-使测量光束和参考光束沿着预定照明轴叠加在所述光干涉传感器机构的公共入射区-检测测量光束与参考光束之间的干涉条纹图案在所述公共入射区域上沿着所述照明轴的位置，所述干涉条纹图案沿着照明轴的延伸长度对应于所述低相干光辐射的相干长-确定测量光路与参考光路之间的光程差-这表示以下二者之差：(a)在处理或测量的离-其作为所述干涉条纹图案沿着所述入射区域的所述照明其中，所述光干涉传感器机构包括沿着所述照明轴布置的光率对干涉条纹图案进行空间解调，由此测量光路与参考光路之间可确定的最大光程差增度限定的平面与所述光干涉传感器机构的感测面之间3处理激光束在用于对工件进行激光焊接或由前体材料经激光对三维结构进行增材制造的14.一种用于确定物体或材料与所述物体或材料的处理或测量机构之间的间隔距离的-用于传播所述测量光束的机构，其适配成导引所述测量光束通过所述处理或测量机处理或测量机构接近物体的末端之间的第一部分以及所述处理或测量机构接近物体的所-用于传播所述参考光束的机构，其适配成导引所述参考光束相对于所述测量光束的处理或测量机构接近物体的所述末端与所述物体之间的距离对应于预定标称间隔距离的其中，用于传播测量光束的机构和用于传播参考光束的机构布光束沿着预定照明轴叠加在所述光干涉传感器机构的公共-用于检测测量光束与参考光束之间的干涉条纹图案在所述公共入射区域上沿着所述-处理机构，其布置成确定测量光路与参考光路之间的光程差-这表示以下二者之差：(b)预定标称间隔距离-其作为所述干涉条纹图案沿着所述入射区域的所述照明轴的位置4其中，所述光干涉传感器机构包括沿着所述照明轴布置的光率对干涉条纹图案进行空间解调，由此测量光路与参考光路之间可确定的最大光程差增15.一种工件或材料的处理机床，其包括用于确定加工刀具与工件或材料的表面之间16.一种工件或材料的激光处理机器，其借助工作头发出且沿着工件或材料上包括一述系统布置成执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法，所述用于控制所述工作头与所述工件或材料之间的相对位置的机构根据预定的处理设计以及所确定的工作头与工件5表示任何产品，诸如具有闭合横截面(例如中空的圆形、矩形或正方形截面)或开口横截面 [0007]例如，通过在金属件上长时间(以秒为量级)引导低能量密度(以每平方毫米表面6或测量头布置在与正处理的材料WP的间隔距离d处，并示出用于控制处理或测量的相关电[0013]加工刀具或测量仪器12可以视为工作头的远端部分(以整个机器为参照)或接近[0020]本发明的目的是提供一种用于确定工件或材料与所述工件或材料的处理或测量件(例如工作头相对于工件或材料的相对平移速度)的相7[0021]本发明的附加目的是提供一种在较大可测距离范围内而不会危及测量精度的用于确定工件或材料与所述工件或材料的处理或测量机构[0022]本发明还涉及一种用于确定物体或材料与所述物体或材料的处理或测量机构之[0023]本发明的附加主题涉及一种工件或材料的处理机床以及一种工件或材料的激光处理机器，其包括用于分别在预定的处理区域内确定加工刀具与工件或材料的表面之间[0026]本发明的启发来自于考虑到在光域中可通过使用低相干干涉测量技术进行绝对经的距离(该测量光束在此光路上由探头发射并由目标背向反射)与参考光束从光源传播管)产生，并且上述光束之间的干涉条纹仅出现在相应的光路或光路的光程相对应的情况干干涉测量技术在本发明目的的操作灵活性方面向反射元件来执行，参考光路的背向反射元件平的移空间范围可能在几微米到几毫米之8[0032]一种不同的检测技术是基于光谱密度函数与测量光束和参考光束的互相关之间了提取关于实空间中光路差的信号强度峰值的测量结果，应用一种计算傅立叶变换的算行检测的低相干干涉测量技术结合上述两种技术，可以直接可视化实空间中的测量结果，从而可以借助诸如图像传感器(例如线性传感器)等经济的装置进行迅速采测量光路的光程与参考光路的光程之差的测上的倾斜度或更佳地由光束之间的入射角度以及干涉图像的光电探测区域的空间分辨率9路以及也可以整合在机器的机体中(工作头中)或其外部且与测量光路相关联的参考光路，或更一般地在工作头接近正处理的工件或材料表面的末端处从机器机体(从测量头[0043]图2b是相对于干涉条纹图案在传感器布置的照明轴上的相对入射点的测量光路[0044]图2c是相对于干涉条纹图案在传感器布置的照明轴上的相对入射点的测量光路和参考光路的光程差变化的示意图(上图)以及在测量光路和参考光路的光程相等的状态[0045]图3示出构成本发明主题的用于确定机床的工作头与正处理的工件或材料的表面[0046]图4是根据激光处理机器的工作头的示例性实施例的通过照射高功率激光束、特别是工作头中的处理激光束光路和低相干测量光束来处理工件或材料的机器的应用示意[0047]图5a是激光处理机器的工作头的输出端处的处理激光束和低相干测量光束在工[0048]图5b是机械处理机床的工作头的输出端处的低相干测量光束和切削刃在工件或[0049]图5c是工作流体的流出喷嘴和流体处理机器的工作头的输出端处的低相干测量[0050]图6示出基于在有无混叠的情况下采集的信号样本模拟同一干涉条纹图案的光辐[0051]图7是示出模拟干涉条纹图案的对比度或可见度值作为所述干涉条纹图案的空间频率与沿着干涉条纹图案的传感器布置的照明轴的光电探测器线性布置中光电探测器的[0052]图8a是示出指示识别沿传感器布置的照明轴的干涉条纹图形的信号作为工作头[0053]图8b是表示指示主要干涉条纹图案的信号的峰值趋势作为工作头与材料之间的[0054]图8c是表示指示有无混叠的干涉条纹图案的信号的峰值趋势的校准曲线的比较[0056]图2a是利用线性空间检测的低相干干涉测量系统的配置的示意图。用M标记的光辐射的准直测量光束以及用R标记的同一光辐射的准直参考光束以预定入射角度α投射叠度和对比度，可以例如借助柱面聚焦透镜使光束在垂直于照明轴的方向上集中在传感器[0057]传感器布置S例如包括沿着入射区域的至少一个照明轴(图中的x轴)的光电探测明轴通过由测量光束M和参考光束R的入射角度限定的平面与所述传感器布置的传感器表[0058]图2b中的线图示意性示出两个入射光束在传感器布置上对称的典型情况下的测光束和参考光束的初始入射波前。x轴表示沿着光电探测器布置的照明轴的位置或x坐标。附图标记p1表示第一光路(例如光辐射测量光束M的测量光路)相对于该测量光束M在公共入射区域C的第一末端x1(它是测量轴的原点)处的初始波前入射点的附加光程。附图标记p2表示第二光路(例如光辐射参考光束R的参考光路)相对于参考光束R在公共入射区域的第二末端x2(它与第一末端相反)处的初始波前入射参考光路的光程相等时发生的传感器布置S的照明轴(x)上的干涉条纹图案F。干涉条纹图[0060]PM和PR表示测量光路和参考光路，它们的总光程可以表达为PM＝P1+p1相干光辐射源与工作头接近正处理的工件或材料WP的末端(处理或测量仪器12，例如激光束输出端)之间的第一部分以及工作头的上述近端(处理或测量仪器12，例如激光束输出工作头接近正处理的工件或材料WP的末端与上述工件或材料(例如所述工件或材料的表料WP的表面之间的距离对应于预定标称间隔距离Dstandof称间隔距离Dstandoff_nom之差等于测量光路和参考光路的附加路的附加光程之差，即归因于干涉条纹图案沿着传感器布置S的照明轴x相对于标称位置域中正处理的工件或材料之间处于预设标称间隔距离时的测量光路的光程，并且(a)工作头与处理区域中工件或材料之间的当前间隔距离与(b)预定标称间隔距离之差起因于测量光路与参考光路之间的光程差，它可以基于干涉条纹图案沿着传感器布置S的入射区域的pp的方向上积分，例如对于定向成接收垂直排列的干涉条纹图案的传感器矩阵的列(如果传后，将由光电探测器生成的信号相对于背景信号(例如从无干涉条纹的图像中提取的背景络的最大值或将包络与预定的模型函数(例如高斯函数)进行比较并提取该模型函数的峰[0080]图3示出用于确定物体或材料与机体之间的间隔距离的系统的示例图，该系统包定工件或材料WP的激光处理机器的工作头10与所述工件或材料的表面之间的间隔距离的光路PM上路由的光辐射M的测量光束以及在参考光路PR上路由的[0082]测量光路PM和参考光路PR是引导光路，并包括适配成沿整述工件或材料距离的测量头部段，例如喷嘴中用于供应辅气流的开口或激光束的输出端。当然，如果应用于不同类型的对工件或材料进行机械处理或使用流体对其进行处理的机布置，使得该光路从分束器160到光学反射元件180的光程对应于测量光路从分束器160到在操作状态下正处理的工件或材料WP的(反射)表面的光程，其中所述表面与工作头(即与工作头接近工件或材料的末端，诸如喷嘴中用于辅气的开口或光束输出端)处于预设标称理的工件或材料的表面上反射可以理解为工件或材料非金属但可在不同的深度发生漫射量光束与参考光束的重组并导引它们叠加地沿着检测光路PD(其为测量光路的一部分和参一反射元件M1和第二反射元件M2分别将测量光束和参考光束以入射角度α导向传感器布置[0087]可以借助反射元件M1和M2将入射角度α控制在预设值范围内，所述反射元件M1和处理机构350配置用于通过获取叠加的测量光束和参考光束的总入射光功率而识别在传感理机器)的工作头10与沿着预定工作轨迹T限定的处理区域中的工件或材料WP之间的间隔[0092]当处理金属工件或材料时，可以假设测量光束在材料的第一表面上反射或漫[0093]光辐射测量光束M特别是沿着从光源100到传感器布置S的测量光路行进，该传感工件或材料WP的末端之间的第一部分以及工作头10接近工件或材料WP的末端与传感器布M的第一入射方向以预定入射角度沿第二入射方向射向传感器布置S。参考光束R沿着参考WP之间的距离对应于预定标称间隔距离Dstandoff_[0095]测量光束M和参考光束R在传感器布置S的公共入射区域C上沿着预设照明轴叠通过处理机构350检测测量光束M与参考光束R之间的干涉条纹图案F在公共入射区域C上沿[0097]图4和图5a示意性示出一种用于确定激光处理机器的工作头与处理区域中工件或工作头内部的光路以及处理激光束B和测量光束M在工件或材料WP的切削或钻削部分中的焊接期间早期测量工作头与工件或材料的间隔距离，或用于识别沿工作轨迹的焊缝位置。[0102]图5b示意性示出用于确定工件或材料的机械处理机床的工作头与处理区域中工件或材料的表面之间的间隔距离的系统的局部示例性实施例，特别是切削刃CT(例如金刚石切削刃)、测量光束M在机床的工作头内光路的末端部分以及切削刃CT和测量光束M在工[0103]图5c示意性示出用于确定使用流体处理工件或材料的机床的工作头与处理区域[0104]根据本发明，在测量光束和参考光束入射在传感器布置S的公共入射区域上的配置中，入射角度α扩展到使得干涉条纹图案的空间频率比光电探测器的空间频率更大的程[0110]为了遵守尼奎斯特采样定理(Nyquist)并避免混叠或子采样的现象，光电探测器pp[0111]可以从入射在传感器布置上的光辐射的光强分布中的干涉条纹图案包络的位置pp率之间的kf/kp比值成正比。kf/kp比值取决于测量光束与参考光束之间的入射角度以及光电探测器的空间频率-这是导致发生混叠现pp中，可以根据原始信号与所述掩模之间的卷积来计算由传感器布置检测到的新信号的趋以使用较少数的光电探测器检测所述图案以对其