(57)【要約】  本発明は、対象物の構造を測定するための装置であって、プローブエクステンション（２１）を起点として延びるプローブエレメント（２２）と、該プローブエレメント（２２）の画像をセンサフィールドに撮影するための光学的なセンサ（１０）と、評価ユニットとが設けられており、該評価ユニットを用いて、座標測定装置の座標系に対する光学的なセンサ（１０）の位置と、該光学的なセンサ（１０）によって測定されたプローブエレメント（２２）の位置とから、対象物の構造が計算可能である形式のものに関する。本発明の課題は、特に１〜１０マイクロメートルの寸法を有する極めて小さなプローブエレメントにおいてできるだけ正確な位置測定および運動測定を可能にするような、対象物の構造を測定するための装置を提供することである。この課題は、光学的なセンサ（１０）とプローブエレメント（２２）との間のプローブエクステンション（２１）にレンズ（２３）が設けられることにより解決される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の構造を測定するための装置であって、プローブエクステンション（２１）を起点として延びるプローブエレメント（２２）と、該プローブエレメント（２２）の画像をセンサフィールドに撮影するための光学的なセンサ（１０）と、評価ユニットとが設けられており、該評価ユニットを用いて、座標測定装置の座標系に対する光学的なセンサ（１０）の位置と、該光学的なセンサ（１０）によって測定されたプローブエレメント（２２）の位置とから、対象物の構造が計算可能である形式のものにおいて、光学的なセンサ（１０）とプローブエレメント（２２）との間のプローブエクステンション（２１）にレンズ（２３）が設けられていることを特徴とする、対象物の構造を測定するための装置。
【請求項２】
レンズ（２３）が、少なくとも部分的に、光学的なセンサ（１０）の焦点の外に設けられている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
レンズ（２３）が、プローブエクステンション（２１）に対してほぼ半径方向対称的に設けられている、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
レンズ（２３）の、プローブエレメント（２２）に向けられた側の曲率半径が、レンズ（２３）の、プローブエレメント（２２）とは反対の側の曲率半径よりも大きくなるようにレンズ（２３）が形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
レンズ（２３）が、少なくとも２つの部分（２６，２６´）から構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
レンズ（２３）が、付加的に光学的な構造体を備えている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
プローブエクステンション（２１）に保持装置（３０）が取り付けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
保持装置（３０）が、少なくとも１つの結合部（３７）を備えており、該結合部（３７）にレンズ（２３）が結合されている、請求項７記載の装置。
【請求項９】
保持装置（３０）が、少なくとも１つの結合部（３７）を備えており、該結合部（３７）に少なくとも１つの付加エレメント（３９）が取り付けられている、請求項７または８記載の装置。
【請求項１０】
前記付加エレメント（３９）が、少なくとも１つの集光性のエレメント（３１）または少なくとも１つの束光性のエレメント（３２）を有している、請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記付加エレメント（３９）が少なくとも１つの空気通路（３３）を有している、請求項９または１０記載の装置。
【請求項１２】
前記空気通路（３３）が圧縮空気供給部（３５）に接続されている、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
プローブエクステンション（２１）が、保持装置（３０）とレンズ（２３）との間の一部分で中断されている、請求項７から１２までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１４】
前記結合部（３７）が軸受け（５０，５０´）を有しており、該軸受け（５０，５０´）を介してレンズ（２３）が、少なくとも１つの自由度に関して可動である、請求項７から１３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１５】
レンズ（２３）の運動が制御可能となるようにするために、前記少なくとも１つの結合部（３７）が、少なくとも３つのピエゾロッドを有している、請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
前記少なくとも３つのピエゾロッドが、三脚の形に配置されている、請求項１５記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の構造を測定するための装置に関する。
【０００２】
欧州特許第０９８８５０５号明細書には、対象物の構造を測定するための装置であって、プローブ延長部もしくはプローブエクステンションを起点として延びるプローブエレメントと、該プローブエレメントの画像をセンサフィールドに撮影するための光学的なセンサと、評価ユニットとが設けられており、該評価ユニットを用いて、座標測定装置の座標系に対する光学的なセンサの位置と、光学的なセンサによって測定されたプローブエレメントの位置とから、対象物の構造が計算可能である形式の装置が開示されている。
【０００３】
ドイツ連邦共和国実用新案第２９８２４８０６号明細書にも度付き、プローブディスクまたはプローブ先端として形成されている、プローブエクステンションを起点として延びるプローブエレメントを備えた、対象物の構造を測定するための別の装置が公知である。
【０００４】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第２６１５０９７号明細書に開示されている光ファイバでは、光ファイバの平坦な端面に、ほぼ半球形のレンズが溶着されている。
【０００５】
上記先行技術から出発して、本発明の課題は、特に１〜１０マイクロメートルの寸法を有する極めて小さなプローブエレメントにおいてできるだけ正確な位置測定および運動測定を可能にするような、対象物の構造を測定するための装置を提供することである。
【０００６】
この課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴、つまり光学的なセンサとプローブエレメントとの間のプローブエクステンションにレンズが設けられていることにより解決される。請求項２以下には、本発明の有利な構成が記載されている。
【０００７】
本発明による装置は、対象物、たとえばマイクロ構造化された構成部分の側壁の構造を測定するために働く。
【０００８】
本発明による装置はプローブエレメントを備えている。プローブエレメントは、欧州特許第０９８８５０５号明細書に記載されているようにボールであるか、またはドイツ連邦共和国実用新案第２９８２４８０６号明細書に記載されているようにディスクであってもよい。このようなプローブエレメントの各直径は既知であり、そしてその周面の光学的な結像は全てまたは部分的に、対象物の、接触された側壁における１点を検出して、センサフィールドにプローブエレメントの画像を撮影するための光学的なセンサ、たとえばカメラの視平面へ伝送し、これによりプローブエレメントと対象物との絶対的な接触点を決定するための座標変換を実施するために使用される。
【０００９】
プローブエレメントはプローブエクステンションに固くまたは解離可能に結合されている。プローブエクステンション自体は、欧州特許第０９８８５０５号明細書に記載されているように曲げ弾性的に形成されている（このことは１〜１０μｍの寸法を有する極めて小型のプローブエレメントの使用時に特に有利である）か、または切換式のプローブの場合のように剛性的なシャフトとして形成されている。剛性的なシャフトの場合、たしかにシャフトの曲げ弾性的な効果の利用は失われるが、しかし接近時のプローブエレメントおよび対象物の壁の光学的な結像の利点は維持される。プローブ先端が変位するとプローブ先端の移動を中断させる制御から、対象物の壁に、制御されて接近するシステムが得られる。このことは、通常では押しずらされるか、または破壊検査式にしか測定され得ないような敏感な対象物または特に軽量の対象物のために特に有利である。
【００１０】
プローブエクステンションには、またはプローブエクステンションを取り囲むように、１つまたは複数のレンズが設けられている。この場合、プローブエレメントに対するレンズの間隔および光学的なセンサに対するレンズの間隔は、プローブエレメントの、レンズにより拡大された画像がセンサに結像されるように設定されていると有利である。これによって、レンズはプローブエレメントとセンサとの間でプローブエクステンションに取り付けられている。
【００１１】
レンズもしくはレンズ系が、光学的なセンサの焦点の外に位置していると有利であり、そしてプローブエクステンションに対してほぼ半径方向対称的に設けられると有利である。
【００１２】
レンズの、プローブエレメントに向けられた側の曲率半径が、レンズの、プローブエレメントとは反対の側の曲率半径よりも大きくなるようにレンズの形状が選択されると特に有利である。
【００１３】
プローブエレメントの結像は、レンズによるその描画の後に、結像レンズ系なしの場合よりも正確なプローブエレメントの位置測定または運動測定を可能にする。レンズは測定役目に応じて開口数（numerisch. Apertur）を補償するか、または変化させる。レンズはプローブエレメントの結像を、提供されている視野に適合させる。
【００１４】
レンズの直径が光学的なセンサの画像対角線よりも小さい場合、レンズ自体の運動を画像上で追跡することができる。これによって、画像処理システムの使用時における重心からのプローブエレメントの画像の移動は、付加的にプローブエレメントの運動の監視のために役立つ。
【００１５】
特別な構成では、レンズの側方の縁部またはレンズの下面に、別の光学的な機能を提供する個々のまたは複数の光学的な構造体が被着されるようにレンズが形成されている。このような光学的な構造体には、たとえば格子網、十字線または同心円が所属している。
【００１６】
さらに別の構成では、レンズの側方の縁部にレンズの表面の内側またはレンズの表面に沿って、レンズの視野外の周辺の結像を可能にする少なくとも１つの鏡面が位置するようにレンズが形成されている。
【００１７】
さらに別の構成では、レンズが、斜視カメラ（Schraegsichtkamera）の使用時に視角を補償するために働く。
【００１８】
さらに別の構成では、レンズが、空気とは異なる光学密度を有する媒体中に存在する対象物を測定するために働く。このようなレンズは、たとえば測定時に水中に生じる屈折率移行を補償するために使用される。
【００１９】
特別な構成では、レンズが２つまたは２つ以上の、有利には対称的な部分から形成される。これらの部分は切欠きを有しており、この切欠きによってプローブエクステンションが封入される。
【００２０】
本発明による装置は、特に以下に挙げる利点を持っている。
【００２１】
レンズの本発明による使用は、カメラにおける光学系の変更よりも廉価となる。レンズは可逆的に組み付けられ得るので、既存の測定システムにおいても後付けされ得る。
【００２２】
たとえば１０倍の倍率で約８００μｍ×６００μｍの視野のために設計されている同じ光学系の場合、プローブエレメントの拡大された結像によって位置または位置変化が一層良好にかつ一層高度に解像されて検出される。これによって、測定システムは全体的に一層敏感となり、準量子化された運動認識をもはや実施しなくなる。正確な測定のために必要となるサブピクセリングルーチン（Subpixeling-Routinen）は、１０μｍよりも下の直径を有するプローブエレメント（ボール）のためにも再び使用可能となる。
【００２３】
減じられたアパーチュアを有するレンズと相まって、画像の被写界深度は増大する。これによって、敏感なカメラ光学系に対する構成間隔を減少させる必要なしに、可能となる危険なタッチングを一層良好に認識することができる。
【００２４】
減じられたアパーチュアを有するレンズの使用により、付加的に結像忠実度（Abbildungstreue）が高められる。こうして、陰影付けに基づいた、光路内の損失は減じられる。このことは、同じく測定の精度を向上させる。
【００２５】
ルーペとして作用するレンズの使用により、センサフィールドにおいて、対象物の壁に対するプローブエレメントの真のタッチングが行われているのか、またはいわゆるスティックスリップ効果によってのみプローブエレメントの運動が生ぜしめられているのかどうかを一層良好に認識することができる。さらに、こうして、光学的に検出された接触が切換信号によってカウントされると、測定プローブの切換サイクルを求めることができる。
【００２６】
より小型のプローブエレメントの使用により、一層高い品質で粗さ値測定が可能となる。
【００２７】
一層小型のプローブエレメントの使用により、高倍率の高価なレンズの使用が不要となる。さらに、低倍率を有する高精度の光学系の場合には、測定テーブル上での方向付けが一層簡単となり、このことはオペレータのための付加的な利点をもたらす。
【００２８】
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００２９】
図１ａは、プローブエレメントの、それぞれセンサフィールドに結像された画像と共に、公知先行技術による装置（左側）と、本発明による装置（右側）とを示す概略図であり、
図１ｂは、対称的な２つの部分から構成されたレンズならびに該レンズ内に封入されたプローブエクステンションを示す概略図であり、
図２は、保持装置とレンズとプローブエレメントとを備えたプローブエクステンションを示す概略図であり、
図３は、保持装置と結合部と付加エレメントと剛性的なレンズとプローブエレメントとを備えた中断されたプローブエクステンションを示す概略図であり、
図４ａは、軸受けを有する結合部を備えていて、これによりレンズが可動となっている装置を示す概略図であり、
図４ｂは、レンズに、該レンズの中心点を通る水平方向の軸線を中心とした回転を付与するリンクを有する結合を備えた装置を示す概略図であり、
図５は、固定の光軸を有するピエゾロッドを備えた装置を示す概略図であり、
図６は、可動の光軸を有する三脚配置形式に配置されたピエゾロッドを備えた装置を示す概略図である。
【００３０】
図１ａには、プローブエレメントの、それぞれセンサフィールドに結像された画像を含めて、公知先行技術による装置（左側）と、本発明による装置（右側）とが図示されている。プローブエレメント懸吊部２０に取り付けられているプローブエクステンション２１の先端には、それぞれほぼ球状のプローブエレメント２２が取り付けられている。公知先行技術によれば、有利には光学的なセンサの焦点（カメラフォーカス）の平面１２に位置している、照明されたプローブエレメント２２は、光学的なセンサの画像１１（カメラ画像）にプローブエレメント２２の画像２２´を生ぜしめる。本発明によれば、光学的なセンサの焦点（カメラフォーカス）の平面１２の上方にレンズ２３が設けられており、これにより、光学的なセンサの画像１１（カメラ画像）には、レンズの画像２３´内部にプローブエレメント２２の、公知先行技術に比べて拡大された画像２２´が得られる。
【００３１】
図１ｂには、レンズ２３の構造のための１実施例が示されている。このためには、レンズ２３が、切欠き２４の範囲でプローブエクステンション２１を取り囲む、射出成形された対称的な２つの部分２６，２６´から構成されている。
【００３２】
図２には、本発明による装置の有利な構成が概略的に図示されている。プローブエクステンション２１の先端には、ボール状のプローブエレメント２２が取り付けられている。さらに、プローブエクステンション２１は保持装置３０を備えている。この保持装置３０は３つの側に特に機械的な結合部３７，３７´，３７´´を有しており、これらの結合部３７，３７´，３７´´は１つのレンズ２３を支持している。このレンズ２３はプローブエクステンション２１のための切欠き２４を有している。プローブエレメント２２の、レンズ２３に結像された画像２２´は、レンズの拡大作用を示している。
【００３３】
図３には、別の実施例が示されている。プローブエクステンション２１は保持装置３０を備えており、この保持装置３０の光学的な平面３８は光学的なセンサの焦点の上方に位置している。保持装置３０は特に機械的な３つの結合部３７，３７´，３７´´を有している。これらの結合部３７，３７´，３７´´には、それぞれ付加エレメントとして第１の光学的な平面３６において集光性のエレメント（lichtsammelnd. Element）３１，３１´が設けられており、その下には空気通路３３，３３´が設けられており、そしてこれに続いて空気流出通路３４，３４´が設けられており、さらに第２の光学的な平面３６´において束光性のエレメント（lichtbuendelnd. Element）３２，３２´が設けられている。空気通路３３，３３´はそれぞれ圧縮空気供給部３５，３５´に接続されている。集光性のエレメント３１により集められた光線は、プローブエレメント２２が特に良好に照明されるように束光性のエレメント３２を介して対象物の壁１へ投光される。ボール状のプローブエレメント２２は二次的なプローブエクステンション２５に取り付けられている。この二次的なプローブエクステンション２５は、保持装置３０とレンズ２３との間のプローブエクステンション２１の切欠きに基づき、レンズ２３とプローブエレメント２２との間に設けられている。プローブエレメント２２の、レンズ２３に結像された画像２２´は、この場合にもレンズの拡大作用を示す。
【００３４】
図４ａには、レンズ２３と保持装置３０とを備えたパッシブな装置の１実施例が示されている。この装置は次の点で、図３に示した装置とは異なっている。すなわち、図４ａの実施例では、プローブエクステンション２１は中断されておらず、レンズ２３は付加的に軸受け部もしくは支承部５０，５０´を備えており、この支承部５０，５０´はレンズに回転自由度を付与する。レンズ２３の変位の検出は傾斜センサ４２によって行われる。この傾斜センサ４２は、光源４１により形成されてレンズ２３により反射される光線によって負荷され、こうしてレンズ２３の傾斜を検出する。この装置は必ずしも戻しモーメントを必要としない。なぜならば、プローブエクステンション２１が剛性的であるのか、または曲げ弾性的であるのかとは無関係に、アパーチュアに基づいた画像部分４３内でプローブエレメント２２の移動がいかなる場合でも見えるからである。レンズ２３は、その光軸に配置されているプローブエクステンション２１の有端の直径によって、光学的には有効でない中心点を有している。
【００３５】
パッシブな装置の代わりに、図４ｂに示したように、たとえばリンク（Kulisse）５２を設けることにより、プローブエレメント２２の変位を強制的に付与することができる。この場合、リンク５２はレンズ２３に、該レンズ２３の中心点を通る水平方向の軸線を中心とした回転を付与する。
【００３６】
このことは、複数の自由度を達成するための種々様々に配向された軸線のために多重にも使用され得る。力伝達部５１により付与された、変位のための運動５３は、最終的にプローブエレメント２２の合成運動５４を生ぜしめる。
【００３７】
レンズのアクティブな変位は、図５に示した実施例において行われる。この場合、レンズ２３はピエゾロッド５６によって固定の光軸の内部で運動させられる。
【００３８】
図６に示した実施例では、レンズ２３のアクティブな変位が、可動の光軸を有する三脚配置形式に配置されたピエゾロッド５６を介して達成される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１ａ】プローブエレメントの、それぞれセンサフィールドに結像された画像と共に、公知先行技術による装置（左側）と、本発明による装置（右側）とを示す概略図である。
【図１ｂ】対称的な２つの部分から構成されたレンズならびに該レンズ内に封入されたプローブエクステンションを示す概略図である。
【図２】保持装置とレンズとプローブエレメントとを備えたプローブエクステンションを示す概略図である。
【図３】保持装置と結合部と付加エレメントと剛性的なレンズとプローブエレメントとを備えた中断されたプローブエクステンションを示す概略図である。
【図４ａ】軸受けを有する結合部を備えていて、これによりレンズが可動となっている装置を示す概略図である。
【図４ｂ】レンズに、該レンズの中心点を通る水平方向の軸線を中心とした回転を付与するリンクを有する結合を備えた装置を示す概略図である。
【図５】固定の光軸を有するピエゾロッドを備えた装置を示す概略図である。
【図６】可動の光軸を有する三脚配置形式に配置されたピエゾロッドを備えた装置を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  対象物の壁
１０  光学的なセンサ（カメラ）
１１  光学的なセンサ１０の画像範囲（カメラ画像）
１２  光学的なセンサ１０の焦点の平面（カメラフォーカス）
２０  プローブエクステンション２１の懸吊部
２１  プローブエクステンション（シャフト）
２２  プローブエレメント（ボール）
２２´  プローブエレメント２２の画像
２２´´  プローブエレメント２２の別の画像
２３  レンズ
２３´  レンズ２３の画像
２４  プローブエクステンション２１のためのレンズ２３に設けられた切欠き
２５  二次的なプローブエクステンション
２６，２６´  レンズの一部
３０  保持装置（ホルダ）
３１  集光性のエレメント
３２  束光性のエレメント
３３  空気通路
３４  空気流出通路
３５  圧縮空気供給部
３６  第１の光学的な平面
３６´  第２の光学的な平面
３７，３７´，３７´´  保持装置に対する（機械的な）結合部
３８  保持装置の光学的な平面
３９，３９´  付加エレメント
４１  傾斜センサのための光源
４２  光線のためのセンサ
４３  アパーチュアに基づいた画像部分
５０，５０´  レンズ２３の支承部
５１  力伝達部
５２  リンク
５３  変位のための運動
５４  合成運動
５６，５６´  変位のためのピエゾロッド
【図１ａ】
2009524028.tif 000003
【図１ｂ】
2009524028.tif 000004
【図２】
2009524028.tif 000005
【図３】
2009524028.tif 000006
【図４ａ】
2009524028.tif 000007
【図４ｂ】
2009524028.tif 000008
【図５】
2009524028.tif 000009
【図６】
2009524028.tif 000010
【国際調査報告】
2009524028.tif 000011
2009524028.tif 000012
2009524028.tif 000013
2009524028.tif 000014
2009524028.tif 000015
2009524028.tif 000016