[发明专利]用于测量工件厚度的色度范围传感器系统

说明书

提供了一种色度范围传感器(CRS)系统，所述CRS确定工件厚度并且包含光学笔、照明源、波长检测器和处理部分。所述光学笔包含提供轴向色度色散的光学器件部分，所述照明源被配置成产生多波长光，并且所述波长检测器包含沿测量轴分布的多个像素。在操作中，所述光学笔输入来自所述照明源的光谱并将对应的辐射输出到工件(例如，所述工件可以是透明的)的第一工件表面和第二工件表面，并且将所反射辐射输出到提供输出光谱数据的所述波长检测器。所述处理部分对所述输出光谱数据进行处理以确定所述工件的厚度。在各个实施方案中，所述用于确定所述厚度的处理可以不依赖于确定到所述工件的距离和/或可以利用变换处理等。

技术领域

本发明涉及精密测量仪器，并且更具体地涉及色度范围传感器和类似的光学距离确定装置以及其用途。

背景技术

在光学范围传感器(例如，包含高度、距离等传感器)中使用色度共聚焦技术是已知的。如在此通过引用以其整体并入本文的美国专利第7,876,456号('456专利)所述，可以使用具有轴向色度像差(也被称为轴向或纵向色度色散)的光学元件来聚焦宽带光源，使得到焦点的轴向距离随波长而变化。因此，仅一个波长将精确地聚焦在表面上，并且表面高度或相对于聚焦元件的距离决定了哪个波长是最佳聚焦的。在从表面反射后，光会重新聚焦到小的检测器孔口上，如针孔或光纤维的端部。在从表面反射并且向后穿过光学系统到达输入/输出光纤时，仅很好地聚焦在表面上的波长才能很好地聚焦在孔口上。所有其它波长都不良地聚焦在孔口上，并且因此不会将太多电力耦接到光纤中。因此，对于通过光纤返回的光，对应于表面高度或到表面的距离的波长的信号电平将是最大的。光谱仪类型的检测器测量每个波长的信号电平，以确定表面高度。

某些制造商将如上所述操作并且适合于在工业环境中使用的实用且紧凑的色度范围感测(CRS)系统称为色度点传感器(CPS)或色度线传感器等。与此类系统一起使用的紧凑色度色散型光学组合件被称为“光学笔”或“笔”。光学笔通过光纤连接到色度范围传感器的电子部分。电子部分包含通过光纤传输光以从光学笔输出的光源，并且还提供检测并分析返回的光的光谱仪。返回的光形成光谱仪的检测器阵列接收到的波长色散的强度谱。对与波长色散的强度谱相对应的像素数据进行分析以确定如由强度谱的峰或质心指示的“主波长位置坐标”，并且峰和/或质心的所得像素坐标与查找表一起用于确定到表面的距离。此像素坐标可以用子像素分辨率来确定，并且可以被称为“指示距离的坐标”或“指示距离的像素坐标”。

本领域还已知的是使用狭缝孔口并且沿线而不是点聚焦光，从而提供在沿所述线的多个点处测量到表面的距离的能力的“线传感器”CRS，如美国专利第8,773,757号中公开的，所述美国专利在此通过引用以其整体并入本文。

发明内容

提供本发明内容是为了以简化形式引入在下文具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本发明内容并非旨在标识要求保护的主题的关键特征，也并非旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

现有技术的CRS系统已经表现出与厚度测量相关的某些问题(例如，测量误差等)，所述厚度测量通常涉及确定到工件的两个相对表面的测量距离并且确定两个测量距离之间的差。例如，当测量如玻璃(例如，熔融二氧化硅)等透明工件的厚度时，CRS照明将从玻璃的顶表面和底表面两者进行反射，从而产生两个相应的波长峰。某些测量误差源于与将强度谱的指示两个相应测量距离的两个峰分离相关联的困难，其中对于薄工件，两个峰趋于合并在一起。例如，两个峰的宽度可以使得峰由于两个峰之间的不充分分离而至少部分地重叠/合并(例如，图5A的虚线测量谱信号510a以及图10A、10B、10D、10E和10G中所展示的，如将在下面更详细地描述的)。