(57)【要約】      （修正有）【課題】参照体の造形について高い自由度を提供し、その結果、参照体と計測されるべき物体との間で、場合によっては生じうる衝突を計測精度を制限することなく回避することができる、物体の幾何学的な計測装置及び方法を提供する。【解決手段】本発明は、物体用の担体１２と、担体に対して固定可能な少なくとも１つの参照物体１８と、少なくとも１つの方向（ｘ、ｚ）で、参照物体に対して可動である保持部とを備え、この保持部に、参照体と距離計測装置７０とを配置する。保持部または参照体には、参照物体側で第１および第２参照センサーが互いに距離を置いて配置され、参照物体までの第１および第２距離を計測することを特徴とする【選択図】図１
2018194555.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体（１４）の幾何学的な計測装置であって、
前記物体（１４）用の担体（１２）と、
前記担体（１２）に対して固定可能な少なくとも１つの参照物体（１８、２０）と、
少なくとも１つの方向（ｘ、ｚ）で、前記参照物体（１８、２０）に対して可動である保持部（１２６）であって、前記保持部に、参照体（１２８）と距離計測装置（７０）とが配置されていて、前記距離計測装置（７０）は、前記物体（１４）と前記参照体（１２８）との間の距離（３８、１４０）を計測するために構成されている、保持部と、
を備え、
前記保持部（１２６）または参照体（１２８）には、前記参照物体（１８、２０）側で第１および第２参照センサー（１５０、１５２）が互いに距離を置いて配置されていて、前記参照センサーは、前記参照物体（１８、２０）までの第１および第２距離（５１、５３）を計測するために形成されている
装置。
【請求項２】
前記第１参照センサー（１５０）は、前記参照物体（１８）の、前記保持部（１２６）または参照体（１３８）側にある参照面（２２）の第１点（２１）までの前記第１距離（５１）を計測するために形成されている請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２センサー（１５０）は、前記参照物体（１８）の、前記保持部（１２６）または前記参照体（１３８）側にある前記参照面（２２）の第２点（２３）までの前記第２距離（５３）を計測するために形成されている請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記参照面（２２）の前記第１点（２１）と前記第２点（２３）との間の距離（ｄ）は、前記第１参照センサーと前記第２参照センサー（１５０、１５２）との間の距離（Ｄ）に相関する請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記装置はさらに制御部（６０）を有し、前記制御部を用いて、前記第１距離（５１）と前記第２距離（５２）とから、前記保持部（１２６）またはその参照体（１２８）の前記参照物体（１８、２０）に対する位置および位置合わせを決定可能である請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記保持部（１２６）は、第１方向（ｘ）および第２方向（ｚ）に伸びた平面（ｘ、ｚ）中で，第１および第２参照物体（１８、２０）に対して相対的に可動である請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記第１参照センサー（１５０）および前記第２参照センサー（１５２）は、前記第１参照物体（１８）に位置合わせされていて、第３参照センサー（１５４）は、前記第２参照物体（２０）に対して位置合わせされている請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記第１参照物体（１８）は、前記第１方向（ｘ）に平行に位置合わせされていて、前記第２参照物体（２０）は、前記第２方向（ｚ）に平行に位置合わせされている上記請求項６または７に記載の装置。
【請求項９】
前記距離計測装置（７０）は、第１距離センサー（３４）と第２距離センサー（３６）とを有し、前記これらの距離センサーは、前記参照体（１２８）に対して相対的に回転可能に軸支されている請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１距離センサー（３４）は前記担体（１２）側にあり、前記第２距離センサー（３６）は前記参照体（１２８）側にある請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
物体保持部（１０２）が、前記担体（１２）に回転可能、または並進的に位置ずれ可能に軸支されている請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記担体（１２）の上方で、基部（１１０）に可動で配置されている保持部（１２６）は、前記物体（１４）の対向する外側縁（１４ａ、１４ｂ）を越えて移動可能である請求項１から１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
上記請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置を用いた、物体（１４）の幾何学的な計測方法であって、前記担体（１２）に軸支された物体（１４）の表面輪郭（１５）を、前記距離計測装置（７０）を用いてスキャンし検出する方法が、
前記距離計測装置（７０）を用いて、前記物体（１４）の複数の計測点（４２）と、前記参照体（１２８）の複数の参照点（１４０）との間の複数の距離を計測し、前記物体（１４）の表面画像を生成する工程と、
前記第１および第２参照センサー（１５０、１５２）を用いて、前記参照物体（１８、２０）に対する、前記保持部（１２６）またはその参照体（１２８）の相対的な位置および位置合わせを導き出す工程と、
・前記表面画像を、前記参照物体（１８、２０）に対する、前記保持部（１２６）またはその参照体（１２８）の相対的な位置および位置合わせに基づいて修正する工程と
により行われる方法。
【請求項１４】
上記請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置を用いて、物体（１４）の幾何学的な計測をするコンピュータプログラムであって、
前記担体（１２）に軸支された物体（１４）の前記表面輪郭（１５）を、前記距離計測装置（７０）を用いて走査を行って検出するためのプログラム手段と、
前記物体（１４）の計測点（４２）と、前記参照体（１２８）の参照点（１４０）との間の複数の距離を計測するための、かつ、前記物体（１４）の表面画像を生成するためのプログラム手段と、
第１および第２参照センサー（１５０、１５２）を用い、前記保持部（１２６）またはその参照体（１２８）の、前記参照物体（１８、２０）に対する相対的な位置および位置合わせを導き出すためのプログラム手段と、
前記保持部（１２６）またはその参照体（１２８）の、前記参照物体（１８、２０）に対する相対的な前記位置および位置合わせに基づいて、前記表面画像の修正を行うプログラム手段と、
を含むコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体、とりわけ光学部品、例えばレンズの幾何学的な計測装置に関する。本発明は、さらに、この種の物体の幾何学的な計測を行う相応の方法およびコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
とりわけ精密工学技術および光学の領域における、ならびに、機械および電気微細構造の製造技術における産業上の製造プロセスの品質保証のため、ならびに、監視のためにも、加工品または一般的に物体に関して、高分解能での精確な計測がますます必要となっている。
【０００３】
したがって、特許文献１からは、担体上に軸支された物体の少なくとも１つの表面部分の計測装置が公知である。この装置は、担体に対して固定可能な参照物体と、少なくとも１つの第１方向で参照物体に対して可動である保持部とを有する。保持部には、参照体と、距離センサーとが配置されていて、これらの距離センサーは、互いに対して回転可能に軸支されている。距離計測装置は、この場合、物体の表面部分の第１点までの第１距離と、これに対応する参照体の第２点までの第２距離とを測定するように形成されている。この測距計と称される距離計測装置は、この際、物体側の第１距離センサーと、参照体側の第２距離センサーとを有する。これらは、直径方向で互いに反対側に位置合わせされている。
【０００４】
この種の装置を用いて、物体の表面は、非常に精確にかつ非接触で光学的に走査ないしスキャンされうる。
【０００５】
特許文献１から原理としては公知である装置を、図３中に概略的に図示する。この計測装置１０は担体１２を有し、この担体に、計測されるべき物体１４、例えばレンズが回転可能または位置ずれ可能に軸支されている。この装置１０は、さらに図３中で示されたｘ−ｚ面中で可動である保持部２６を有し、この保持部に、参照体２８と、２つの距離センサー３４、３６（これらが、距離計測装置７０を形成する）を回転可能に軸支するための軸受３２とが配置されている。この参照体２８は、距離センサー３６側に、この場合は例えば円筒内壁の様式で形成された反射するないし映す参照面３０を有する。この参照面は、例えば、凹面鏡として構成されうる。距離計測装置７０は、距離センサー３６に直径方向で対向する箇所に、ほぼ構造が同じであるさらなる距離センサー３４を有する。この距離センサーは、距離センサー３６に対して直径方向で反対側に位置合わせされている。これらの双方の距離センサー３４、３６は、互いに固定的に結合されている。
【０００６】
距離センサー３４は、物体１４の計測されるべき表面１５の方向を向いている。距離センサー３４、３６は、光学距離センサーとして、したがって光信号を放出および検出するように形成されている。これらのセンサー３４および３６は、反射配置で計測をする。すなわち、物体１４の計測点４２に向けられた計測光線が、物体１４の表面輪郭に応じて反射されて戻り、この計測光線が物体１４の表面１５に対してほぼ直交して位置合わせされたがゆえに、再びセンサー３４により検出され、最後に、制御部（これは、かつ距離センサー３４と結合され、かつ、センサーユニットおよび検出ユニットを備えている）に供給される。計測されるべき物体１４の輪郭に応じて、および、保持部２６の物体１４に対する相対的な位置付けに応じて、保持部２６にある回転軸３３に対する、距離センサー３４、３６の位置合わせ、ないし方位を変えることができ、かつ、計測に必要な直交条件を守るために、それぞれ適応させうる。
【０００７】
とりわけ回転対称ではない物体１４、例えば図３の断面中で示唆したような、その縦方向が紙面に垂直の方向で回転対称でない物体、すなわち、ｙ方向に伸張するシリンダーレンズの計測時には、全断面輪郭を、物体１４の縦方向に垂直の方向で、距離センサー３４を用いてスキャンすることが必要である。
【０００８】
とりわけ計測されるべき物体１４の表面１５の屈曲が強い場合には、距離センサー３４を、要求された距離中で、かつ、距離計測に必要な位置合わせで、物体１４に対して相対的に位置付けることが困難であると明らかになりうる。例えば図３中で図示したように、参照体２８が、その例えば物体１４または物体担体１２側にある下側に突出した脚部で、計測されるべき物体１４と衝突しうるとの状態が生じうる。
【０００９】
この種の衝突は、当然回避されねばならない。しかし、物体１４の水平方向で強く傾斜した表面部分に対して、直交して走査することができるように、参照体２８のある種の幾何学的な伸張は不可避である。
【００１０】
さらに、距離計測装置７０とりわけ双方の距離センサー３４、３６の位置も、参照体２８の位置も、ｘ−ｚ面中で精確に決定するために、保持部２６には、この場合参照センサー５０、５２と称されるさらなる２つの距離センサーが設けられていて、これらが、位置固定の参照物体１８、２０に対する担体２６の相対的な位置ずれまたは移動方向（ｘ、ｚ）に応じて位置合わせされていて、これを用いて、担体２６から、参照物体１８の参照面２２へのｚ方向での距離４８、および、さらなる位置固定で配置されている参照物体２０およびその参照面２４へのｘ方向での距離４６が計測可能である。
【００１１】
図３中で概略図示された参照センサー５０、５２の計測軸の仮想的な延長部分１、２は、距離計測装置７０の回転軸３３と一致する。これにより、Ｘ方向とＺ方向とで形成された計測面（ｘ、ｚ）中で、装置全体が、担体２６ないし参照体２８の、場合によっては生じうるわずかな回転運動または傾斜移動に対して実質的に不変である。参照センサー５０、５２の計測軸の仮想的な延長部分１、２を、双方の互いに固定的に結合された距離センサー３４、３６の回転軸３３と重畳させることは、計測技術的な観点からは特に有利である。しかし、これにより、保持部２６にとって、かつ、とりわけこの保持部に配置された参照体２８にとっての幾何学的な造形の自由度も、時として大きく制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】独国特許１０  ２０１１  ０１１  ０６５  Ｂ４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、本発明の課題は、物体の幾何学的な計測装置を改良して提供することであり、この装置は、参照体の造形について高い自由度を提供し、その結果、参照体と計測されるべき物体との間で場合によっては生じうる衝突を、計測精度を制限することなく回避することができる。
【００１４】
この課題は、特許請求項１に記載の物体の幾何学的な計測装置、特許請求項１３に記載の物体の幾何学的な計測方法、および、請求項１４に記載のコンピュータプログラムによって達成される。この際、有利な構成は、従属特許請求項の対象物である。
【００１５】
この限りで、物体の幾何学的な計測装置が設けられている。この装置は、物体用の担体と、この担体に対して固定可能な少なくとも１つの参照物体とを有する。担体と参照物体とは、典型的には固定されて配置されていて、互いに対して幾何学的に固定的な関係にある。この装置は、さらに、少なくとも１つの方向（ｘ、ｚ）で、参照物体に対して可動である保持部を有する。この保持部に、参照体と距離計測装置とが配置されている。この際、距離計測装置は、物体（とりわけ、距離計測装置側にある物体表面）と、参照体（とりわけ、物体側にある参照体の参照面）との間の距離を計測するために構成されている。
【００１６】
さらに、参照物体側の保持部または参照体では、第１および第２参照センサーが互いに距離を置いて配置されている。これらの双方の参照センサーは、参照物体までの第１および第２距離を計測するために形成されている。この限りで、保持部または参照体の１つの同じ側に配置されている双方の参照センサーは、１つの同じ参照物体への距離をそれぞれ計測する。この際に、異なる距離が生じると、これは、参照物体の位置合わせに対して、保持部が傾いている可能性の尺度になる。保持部または参照体の参照物体側に配置されている２つの参照センサーを用いて、可能な傾き、したがって相対的な位置のみならず、保持部１２６の計測面（ｘ、ｚ）中の位置合わせを導き出すことができ、距離計測装置７０により計測可能な距離値を修正するために用いうる。
【００１７】
このように少なくとも２つの参照センサーを、保持部もしくは参照体の、参照物体側にまたは相応の部分に配置することにより、参照センサーの計測軸の延長部分の仮想的な交点を、距離計測装置の回転軸の外側の領域中に軸支することができる。この限りで、この装置では、保持部およびこれに配置されている参照体を、多様で異なる幾何学的な構成とすることが可能になる。
【００１８】
これのさらなる構成によれば、第１参照センサーは、参照物体の、保持部側にある参照面の第１点までの第１距離を計測するために形成されている。この第１参照センサーを用いて、基本的に、保持部と、関連する参照物体の参照面との間の第１距離を測定することができる。
【００１９】
さらなるある構成によれば、第２センサーも、参照物体の、保持部側にある参照面の第２点までの第２距離を計測するために形成されている。典型的には、第１参照センサーと第２参照センサーとは、互いに平行に位置合わせされている。しかし、これらは、所定の距離で、各計測方向に対して垂直または傾斜して、保持部に距離をあけて配置されている。保持部が、例えば旋回移動または傾斜移動を受けると、この移動は、第１距離と第２距離とを比較することにより導き出すことができ、これらの距離は、互いに依存することなく、第１参照センサーと第２参照センサーとを用いて計測可能であり、この限りで測定可能である。
【００２０】
装置のさらなるある構成によれば、参照面の第１点と第２点との間の距離（ｄ）は、第１参照センサーと第２参照センサーとの間の距離（Ｄ）に相関する。この際、参照面の点間の距離（ｄ）は、第１参照センサーと第２参照センサーとの間の距離（Ｄ）にほぼ相当する、または大体これと同一であると考えられうる。この種の構成では、参照センサーは、例えば互いに平行に位置合わせされている。この際、これらは、とりわけ実質的に参照面に対して垂直の方向で、ないし、参照物体に対して垂直で位置合わせされていることが可能である。
【００２１】
さらなるある構成によれば、装置はさらに、検出ユニットとして構成された制御部を有し、この制御部を用いて、第１距離と第２距離とから、保持部またはその参照体の、少なくとも１つの参照物体に対する相対的な位置および位置合わせを決定可能である。とりわけ、互いに対して依存せずに計測された第１および第２距離の比較および／または平均値形成から、保持部の位置も、計測面（ｘ、ｚ）中での保持部の傾斜ないし傾きも測定可能である。とりわけこれにより、距離計測装置の回転軸の姿勢を精確に測定可能である。
【００２２】
さらなるある構成によれば、保持部は、第１方向（ｘ）および第２方向（ｚ）で張られた平面（ｘ、ｚ）中で，第１および第２参照物体に対して相対的に可動である。この限りで、保持部は、２次元のｘ−ｚ面中で、物体に対して相対的に可動であり、物体表面の性質および輪郭に応じて、常にその物体側の距離センサーと共に、物体表面上の計測点と実質的に直交して位置合わせされうる。第１および第２参照物体は、典型的には、互いに垂直に伸張している。これらは、物体用の担体に対して互いに相対的に固定されている。
【００２３】
さらなるある構成によれば、第１参照センサーおよび第２参照センサーはそれぞれ、第１参照物体に位置合わせされている。さらに、第３参照センサーが設けられていて、これは、第２参照物体に対して位置合わせされているように設けられている。典型的には、第１参照物体と第２参照物体とが、互いに垂直または直交して位置合わせされていて、各参照物体側の参照センサーは、関連する参照物体の参照面に対して実質的に垂直に位置合わせされているように設けられている。
【００２４】
保持部の移動により場合によっては誘導される、例えばｘ−ｚ面中の傾き移動または旋回移動によって、距離計測のために必要な直交条件に違反することはまだない。しかし、これらの傾き移動または旋回移動は、数ナノメータ以下の領域での、距離計測装置を用いて達成されるべき要求される計測の精度に関して、大きな影響を及ぼしうる。全部で３つの参照センサーを用いて、担体の位置を、したがってその参照体の位置と、参照体に対して相対的に回転可能に軸支された距離計測装置の位置とを、計測面（ｘ、ｚ）中の両方向で決めることができる。これに加えて、担体が参照物体のうちの１つに対して相対的にわずかに傾斜しているのも、第１および第２参照センサーを用いて測定可能である。
【００２５】
さらなるある構成によれば、さらに、第１参照物体は第１方向（ｘ）に平行に位置合わせされていて、第２参照物体は第２方向（ｚ）に平行に位置合わせされていて、この際、双方の方向ｘ，ｚは、互いに対して垂直に位置合わせされている。例えば担体が第１方向（ｘ）で動くと、これにより担体のｘ方向の距離が変わり、したがって担体の第２参照物体への距離が変わる。この種の距離変化は第３参照センサーで精確に導き出しうる。計測面の別の方向、とりわけ、例えば鉛直に位置合わせされたｚ方向での担体の移動の計測については、これより結果として生じかつ変化する第１参照物体１８までの距離を、第１および第２参照センサーを用いて同時に導き出しうる。ここで、異なる距離値が生じれば、これは、担体が計測面（ｘ、ｚ）中で傾いているまたはわずかのみの傾斜または回転も生じているとの指標となる。
【００２６】
さらなるある構成によれば、距離計測装置は、第１距離センサーと第２距離センサーとを有し、これらの距離センサーは、参照体に対して相対的に回転可能に軸支されている。これらの双方の距離センサーを用いて、参照体の参照面の周囲にある物体の表面との間の全距離を、距離計測装置の全角度位置について、精確に導き出しうる。場合によっては生じうる距離計測装置の回転運動により生じる、その第１および第２距離センサーの不正確な位置を、直径方向で逆方向の距離（一方では物体表面に対する距離、他方では参照物体に対する距離）の計測により、精確に導き出し、かつ、コンピュータにより補償することができる。
【００２７】
距離計測装置は、さらに、物体の計測されるべき表面部分の第１点までの第１距離も、
これに対応する参照体の第２点までの第２距離も測定するように形成されている。距離計測装置を用いて導き出されうる第１距離は、固有の計測信号を示す一方で、計測された第２距離に基づいて、距離計測装置と、これも同様に保持部に可動で配置されている参照体との間の、例えば回転による相対的な位置ずれも導き出しうる。計測されるべき第２距離に基づいた限りで、計測された第１距離についての距離修正を行い得る。
【００２８】
例えば、距離計測装置の回転運動により引き起こされた、再現可能ではないセンサーの位置ずれ、および、これから結果として生じる計測値の劣化は、その輪郭および位置に関してわかっている参照体に対する第２距離を測定することにより、補償されうる。距離計測装置の回転軸と計測軸との間のオフセットは、第１および第２距離を導き出すことにより、および、参照体と距離計測装置との相対的な位置合わせすることにより、コンピュータにより補償されうる。
【００２９】
距離計測装置、とりわけその双方の距離センサーは、少なくとも２つの、典型的には３つの参照センサーと共通の平面（いわゆる計測面）中にある。このようにして、計測面中での表面および距離の計測にとって重要な全係数は、とりわけ参照体の傾斜および／または傾きは、計測面中でセンサーを用いて検出され、かつ、独自の計測の精確性のために補償されうる。
【００３０】
さらなるある構成によれば、距離計測装置の第１距離センサーは、担体側ないし担体に配置された物体側にあり、第２距離センサーは参照体側にある。典型的には、第１距離センサーと第２距離センサーとは、直径方向で反対側に互いに位置合わせされている。これらは、互いに固定的に結合されていて、その結果、物体表面上で走査されるべきないし非接触で計測されるべき各点に、参照体の参照面上のこれに対応する点が割り当てられている。
【００３１】
さらなるある構成によれば、物体保持部は、担体に回転可能または並進的に位置ずれ可能に軸支されている。回転可能に軸支される場合には、物体保持部の回転軸が、典型的には距離計測装置の計測面中にあり、または、この回転軸が計測面に対して平行に伸張している。物体保持部を担体装置で回転可能に軸支することは、とりわけ回転対称の物体を計測するには、計測技術的な観点から有利である。担体装置で回転する物体は、距離計測装置により、物体の回転運動時に、半径方向で外側から内側へまたは内側から外側へ走査されないし非接触でスキャンされうる。
【００３２】
並進的に軸支される場合には、並進方向または位置ずれ方向は、典型的には、距離計測装置の計測面に対して垂直にまたは所定の角度をとって伸張している。担体装置に物体を並進的に軸支することは、とりわけ段階的なスキャンまたは円柱対称形状である物体（例えば、シリンドリカルレンズ）の走査にとって有利であることが明らかである。この場合、とりわけ、計測されるべき物体の縦軸が、担体装置の並進軸方向と位置合わせされていて、これにしたがって、物体が物体保持部に配置されているように設けることができる。
【００３３】
さらなるある構成によれば、担体の上方で、基部に可動で配置されている保持部は、物体の対向する外側縁を越えて、ないし、物体担体の対向する外側縁を越えて移動可能であるように設けられている。保持部の基部におけるおよび担体に対するこの種の移動可能性および可動性により、物体の全表面輪郭をスキャンする、ないし非接触でとりわけ光学的に走査することが可能となる。このようにして、回転対称ではない物体ないしその表面も精確に計測されうる。
【００３４】
距離センサーないし参照センサーは、物体または参照体または参照物体までの距離を、多重波長計測原理を用いて測定するために、典型的には異なる波長の複数の光源と結合されている。この種のヘテロダイン計測方法により、ナノメータ領域およびサブナノメータ領域での分解能での非常に精確な距離計測が可能になり、さらに、ミリメータ領域までの計測結果の一意性の領域が提供されうる。好適には光源として、ほぼ単色レーザが設けられていて、その波長は、１５２０〜１６３０ａｍの範囲である。典型的には用いられるレーザ波長領域は光学通信スペクトルのＳ、ＣまたはＬ帯にある。しかし、基本的に可視領域および／またはＵＶスペクトル領域の波長も考えられうる。
【００３５】
原理的には、本発明は、１つの波長のみで動作する距離計測装置用にも実装可能である。しかし、多重波長計測方法を用いると、受信信号の一意性領域を明らかにより拡大することが可能である。物体表面から反射された光線の各位相または位相位置は、波長選択的に検出され、電子評価の過程で距離の測定のために処理される。
【００３６】
距離センサーは、さらに光ファイバーで、関連する光源と結合可能である。場合によっては生じうる環境に起因するノイズの影響は、このようにして、最低限まで限定可能である。
【００３７】
さらなる態様によれば、本発明は、さらに、上述の装置を用いた物体の幾何学的な計測方法に関する。担体に軸支された物体の表面輪郭は、この際、保持部に回転可能に配置されている距離計測装置を用いてスキャンし、すなわち、表面を走査して検出する。物体の表面の個々の計測点に、順々に計測光線を照射し、その結果、各計測点について、距離を導き出しうる。この限りで、スキャンプロセス時に距離計測装置を用いて、物体の計測点と参照体の参照点との間の複数の距離を計測する。これから、物体の表面画像を生成し、とりわけコンピュータを利用してこの画像を算出する。
【００３８】
さらに第１および第２参照センサーを用いて、少なくとも１つの参照物体に対する保持部またはその参照体の相対的な位置および位置合わせを導き出す。この装置が保持部に対して１つの移動自由度のみを有する限り、２つの参照センサーが、典型的には平行に位置合わせされていて、かつその計測方向に対して垂直方向で互いに距離をあけるように実装されているのみで基本的に十分である。この装置のさらなるある構成では、および、これにしたがって、方法のさらなる構成でも、保持部の位置および位置合わせは、２次元の計測面（ｘ、ｚ）中で、第１、第２および第３参照センサーを用いて導き出されるように設けられている。保持部ないし参照体の位置および位置合わせの決定に基づいて、その後、表面画像は修正される。
【００３９】
そして、とりわけ、第１および第２参照センサーを用いて導き出された保持部の位置合わせは、距離計測装置により計測された、物体の計測点と参照体の参照点との間の距離を修正するために用いられるように設けられている。このようにして、保持部のわずかな傾斜または傾きに由来する距離計測エラーが、コンピュータにより補償されうる。
【００４０】
この場合、上述の方法は、上述の装置を用いて実施可能であり、この限りで装置に関して記載した全ての特徴および利点が、同様に、方法にも該当する点、および逆も該当する点に留意すべきである。
【００４１】
さらなるある態様によれば、本発明は、さらに、上述の装置を用いて、物体の幾何学的な計測をするコンピュータプログラムに関する。このコンピュータプログラムは、担体に軸支された物体の表面輪郭を、距離計測装置を用いて走査を行って検出するためのプログラム手段を有する。これに加えて、このコンピュータプログラムは、物体の計測点と、参照体の参照点との間の複数の距離を計測するための、かつ、物体の表面画像を生成するためのプログラム手段を備えている。さらに、このコンピュータプログラムは、保持部またはその参照体の、参照物体に対する相対的な位置および位置合わせを、第１および第２参照センサーにより計測された距離に基づいて導き出すためのプログラム手段を有する。最後に、保持部またはその参照体の、導き出された位置および位置合わせに基づいて、表面画像の修正を行うプログラム手段が設けられている。
【００４２】
ここで、さらに、このコンピュータプログラムは、装置と結合された制御部中で動き、この制御部中でこれにしたがって実装可能である点に留意すべきである。このコンピュータプログラムは、とりわけ、これも上述の装置の意図された使用の際に、上述の方法のコンピュータを利用した実現のために機能する。この限りで、装置に関して、および、方法に関して挙げた全ての特徴、特性および利点は、同様に、コンピュータプログラムについても該当し、逆も該当する。
【００４３】
本発明のさらなる目的、特徴および有利である構成は、以下の例となる実施形態の説明に基づいてより詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】物体の幾何学的な計測装置の斜視図である。
【図２】この装置の側面図である。
【図３】従来技術によるこの類の装置の簡略化した概略図である。
【図４】本発明による装置の第１構成を示す概略図である。
【図５】図４に記載の装置のさらなる構成を示す図である。
【図６】この方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図１の斜視図で示した計測装置１００は、位置固定された基部１１０を有し、この基部に、担体装置１２の物体保持部１０２が、例えば並進的に位置ずれ可能に軸支されている。この担体装置１２に、したがってその物体保持部１０２に、計測されるべき物体１４が配置可能である。
【００４６】
この装置１００は、その基部１１０に枠部１０４を有し、この枠部は、担体装置１２上にかかっていて、かつ、実質的に計測面（ｘ、ｚ）を規定する。この枠部は、基部１１０と固定的に連結されている。この枠部１０４は、２つの側方の脚部１０５、１０６と、担体装置１２の上方にあり側方の脚部１０５、１０６の間に伸張する連結梁１０８とを有する。連結梁１０８の下面には、第１参照物体１８が配置されている一方で、左脚部１０５の、担体１２側の内側には第２参照物体２０が配置されている。
【００４７】
位置固定で互いに対して固定されて、この場合は互いに対して直交して位置合わせされた２つの参照物体１８、２０は、非可動で、枠部１０４に固定されている。参照物体１８は、第１方向（ｘ）（これは、ほぼ水平方向）で伸張し、第２参照物体２０は、これに対して垂直である第２方向（ｚ）（これは、ほぼ鉛直方向）で伸張している。双方の参照物体１８、２０には、個々の参照面２２、２４が設けられていて、これらは典型的には鏡面または反射する面として形成されている。枠部１０４を用いて、参照物体１８、２０は、基部１１０に位置固定で配置されている。
【００４８】
枠部１０４を用いて、参照物体１８、２０も、計測されるべき物体１４用の担体装置１２に対して位置固定で配置されている。基部１１０には、さらに計測面（ｘ、ｚ）中で可動である保持部１２６が配置されている。この保持部１２６には、距離計測装置７０が配置されていて、この距離計測装置は、保持部１２６に、軸受３２を介して回転軸に対して旋回可能に軸支されている。軸受３２のこの回転軸３３は、この場合、計測面（ｘ、ｚ）に垂直の方向で、それゆえにｙ方向に伸張する。この保持部１２６は、基部１１０において、計測面（ｘ、ｚ）に対して、可動で軸支されている。
【００４９】
図１および４中で示したように、保持部１２６には、参照体１２８および軸受３２が、２つの距離センサー３４、３６を回転可能に軸支するために配置されている。参照体１２８は、距離計測装置７０側に、この場合、例えば円筒内壁状に形成された鏡面または参照面１３０を有する。この面は、好適には凹面鏡として形成されている。参照面１３０の輪郭は、計測装置１００を較正するために精確に計測されるべきである。この輪郭と、参照面１３０上で走査されるべき個々の点１４４とは、その位置に関してわかっていて、制御部６０の評価ユニット中に格納されている。
【００５０】
参照体１２８を保持部１２６に配置するのは、水平方向に伸張するブーム１１２を介して行われる一方で、距離計測装置７０の保持部１２６への配置は、これに対して平行に伸張していてかつ基部１１０に回転可能に配置されているブーム１１４を介して行われるが、これは、図２の側面図で示されているとおりである。
【００５１】
図１中で示した装置１００の計測原理の概念を、図４および５中、計測面（ｘ、ｚ）中で図示する。基本的な計測原理は、すなわち、第１距離センサー３４と物体１４の表面１５上の計測点４２との間の距離３８の計測と、これに伴って行われる、参照体１２８（これは、従来技術と比較して修正されている）の参照面１３０の参照点１４４への対応する距離１４０の計測とは、実質的に変わることなく保たれている。
【００５２】
距離計測装置７０をなす２つの距離センサ３４、３６は、回転軸３３に対して回転可能に軸受３２に保持されている。回転軸３３は、この際、好適には、双方の参照物体１８、２０によって張られた平面（ｘ、ｚ）に直交している。物体１４の方向を向いた距離センサー３４は、この場合、好適には多重波長センサーとして形成されているが、これは、物体１４の計測されるべき表面上の選択された第１点４２への絶対的な距離を測定するために形成されている。さらなるセンサー１５０、１５２、１５４も全て、多重波長センサーとして形成可能である。
【００５３】
センサー３４、３６は、互いに固定されている。これらのセンサーは、さらに回転軸３３に対して直径方向で互いに反対側に位置合わせされている。したがって、センサー３４の位置合わせが変化すると、常にセンサー３６の対応する方向変化が伴う。
【００５４】
この際、センサー３４、３６は、反射配置で計測を行う。すなわち、計測点４２に向けられた計測光線は、等しく映され、センサー３４により検出され、最後にセンサー３４と結合された（図１に示唆された）制御部６０のセンサーユニットないし検出ユニットに戻される。計測されるべき物体１４の輪郭に応じて、および、物体１４に対する保持部１２６の相対的な位置付けに応じて、センサー３４の位置合わせないし方位を変えることができる。しかし、距離センサー３４、３６の回転軸３３の周りでの回転は、保持部１２６に対する距離センサー３４の位置ずれをもたらしうる。
【００５５】
第２距離センサー３６が第１センサー３４とは逆の方向で、参照体１２８の参照面１３０に対して位置合わせされていることにより、例えば、距離計測装置７０の回転運動により必然的に引き起こされる、わかっている参照体１２８に対する位置ずれが精確に計測され、受信ないし検出される計測信号が電子評価の過程で補償される。
【００５６】
センサー３４が、例えば回転により、例えば、物体１４の方向へ位置ずれすると、これにより計測されるべき距離３８が小さくなる。しかし、この種の位置ずれにより、同時に、対向するセンサー３６と静止している参照面１３０との間の第２距離１４０も定量的に同じ大きさだけより大きくなる。このようにして、距離計測装置７０の場合によっては生じうる回転により生じる位置の不正確さが、第２距離センサー３６により、参照面１３０上で選択された第２計測点１４４に対する第２距離１４０を計測することにより精確に補償されうる。
【００５７】
図４または５と、図３に記載の従来技術との比較から、参照体１２８の伸張が、鉛直ｚ方向で明らかにより短いことが明らかである。これにしたがって、第２参照体２０側の第３参照センサー１５４の少なくとも仮想的な延長部分２が、上方向へ動き、この限りで、距離計測装置７０の回転軸３３ともはや重畳しない。計測面（ｘ、ｚ）中で、保持部１２６の場合によっては要求される精度に関して不可避である傾きまたは傾斜運動により、したがって、距離計測装置７０の回転軸３３の姿勢および位置測定に関して、ないし、参照物体１２８の位置および姿勢に関して、幅広い結果が生じる。
【００５８】
参照物体１２８では、第１参照物体１８側で、２つの参照センサー１５０、１５２が配置されていて、これらは、距離Ｄを有する。第１参照センサー１５０は、第１参照物体１８ないしその参照面２２への第１距離５１の計測のために機能する。この場合、ｘ方向での各位置に応じて、第１参照センサー１５０から参照面２２上の第１点２１までの距離５１が測定される。同様に第２参照センサー１５２は、第１参照センサー１５０に平行に位置合わせされているが、これを用いて、同様に参照物体１８の参照面２２の第２点２３までの距離５３が計測される。
【００５９】
第１距離５１と第２距離５３との比較から、参照物体１８、２０に対して相対的な、場合によっては生じうる参照体１２８ないし保持部１２６の傾きまたは傾斜が導き出されうる。この際、この傾斜は、定性的にも定量的にも測定可能であり、その結果、これから結果として距離計測装置７０および回転軸３３の位置変化を、コンピュータにより補償しうる。第１および第２距離５１、５３の計測に基づいて導き出されうる参照体１２８、ないし保持部１２６の傾斜または傾きは、したがって計測技術的に補償可能である。距離計測装置７０を用いて導き出されうる距離と、これから形成可能な物体１４の表面画像とは、参照体１２８ないし距離計測装置７０の場合によっては生じうる位置エラーないし傾斜エラーに関して，コンピュータを利用して修正されうる。保持部１２６ないしこれに配置されている参照体１３０のｘ方向での位置は、同様に距離センサーとして形成された第３参照センサー１５４を用いて測定可能である。このセンサーを用いて、第２参照物体２０、ないし、この参照物体２０の参照面２４までの距離５５を計測する。
【００６０】
全部で３つの参照センサー１５０、１５２および１５４を用いて、距離計測装置７０の回転軸３３が、従来技術により設けられた参照センサー１５０、１５２の仮想的な延長部分１、２ともはや必ずしも重ねて配置されているには及ばないことが可能である。この限りで参照体１２８用の異なる幾何学形状を実現することができ、とりわけ調べるべき物体１４の全表面１５に衝突しないようにスキャンまたは走査することが可能になるが、この点は、図４および５に記載の異なる双方の構成から明らかであるとおりである。さらに、図４と図５との比較からは、距離計測装置７０ないし保持部１２６が、担体１２の上方の領域で物体１４の対向する双方の外側縁１４ａ、１４ｂを越えて移動可能であることが認識可能である。このようにして、とりわけ回転対称ではない物体１４、例えば縦方向で伸張するシリンダーレンズを、幾何学的に計測可能である。
【００６１】
最後に、図６中、方法のフローチャートを図示する。第１工程２００では、担体１２に軸支された物体１４の表面輪郭を、保持部１２６に回転可能に配置されている距離計測装置７０を用いてスキャンし、すなわち、表面を走査して検出する。物体１４の表面１５の個々の計測点４２に、順々に計測光線を照射し、その結果各計測点４２について、距離センサー３６までの距離を導き出す。この点で、距離計測装置７０を用いたスキャンプロセス時に、物体１４の計測点４２と、参照体１２８の参照点１４０との間の一連の距離３８を計測する。これらから、物体１４の表面画像を生成する、とりわけコンピュータを利用してこの画像を算出する。
【００６２】
さらなるある工程２０２は、第１工程２００と同時に行われるが、この工程では第１および第２参照センサー１５０、１５２を用いて、また、第３参照センサー１５４も用いて、少なくとも１つの参照物体１８、２０、典型的には双方の参照物体１８および２０に対する、保持部１２６またはその参照体１２８の位置および位置合わせを導き出す。この装置１００が、保持部１２６について移動自由度を１つのみ設けている限りにおいて、その計測方向に対して、典型的には平行におよび垂直であり互いに距離をあけた参照センサー１５０、１５２を２つのみ実装することで基本的に十分である。
【００６３】
さらなるある工程２０４では、保持部ないし参照体の位置および位置合わせ測定に基づいて、表面画像が修正される。
【符号の説明】
【００６４】
１  延長部分
２  延長部分
１０  計測装置
１２  担体
１４  物体
１４ａ  外側縁
１４ｂ  外側縁
１５  表面
１８  参照物体
２０  参照物体
２１  点
２２  参照面
２３  点
２４  参照面
２６  保持部
２８  参照体
３０  参照面
３２  軸受
３３  回転軸
３４  距離センサー
３６  距離センサー
３８  距離
４０  距離
４２  計測点
４４  計測点
４６  距離
４８  距離
５０  参照センサー
５１  距離
５２  参照センサー
５３  距離
５５  距離
６０  制御部
７０  距離計測装置
１００  装置
１０２  物体保持部
１０４  枠部
１０５  脚部
１０６  脚部
１０８  連結梁
１１０  基部
１１２  ブーム
１１４  ブーム
１２６  保持部
１２８  参照体
１３０  参照面
１４０  距離
１４４  計測点
１５０  参照センサー
１５２  参照センサー
１５４  参照センサー
【図１】
2018194555.tif 000003
【図２】
2018194555.tif 000004
【図３】
2018194555.tif 000005
【図４】
2018194555.tif 000006
【図５】
2018194555.tif 000007
【図６】
2018194555.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成30年8月9日(2018.8.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体（１４）の幾何学的な計測装置であって、
前記物体（１４）用の担体（１２）と、
前記担体（１２）に対して固定可能な少なくとも１つの参照物体（１８、２０）と、
少なくとも１つの方向（ｘ、ｚ）で、前記参照物体（１８、２０）に対して可動である保持部（１２６）であって、前記保持部に、距離計測装置（７０）が配置されていて、前記距離計測装置（７０）は、前記物体（１４）を対象とする距離センサ（３４）を含み、前記物体（１４）との間の距離（３８、１４０）を計測するために構成されている、保持部と、
を備え、
前記保持部（１２６）には、前記参照物体（１８、２０）側で第１および第２参照センサー（１５０、１５２）が互いに距離を置いて配置されていて、前記参照センサーは、前記参照物体（１８、２０）までの第１および第２距離（５１、５３）を計測するために形成されている
装置。
【請求項２】
前記第１参照センサー（１５０）は、前記参照物体（１８）の、前記保持部（１２６）または参照体（１３８）側にある参照面（２２）の第１点（２１）までの前記第１距離（５１）を計測するために形成されている請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２センサー（１５０）は、前記参照物体（１８）の、前記保持部（１２６）または前記参照体（１３８）側にある前記参照面（２２）の第２点（２３）までの前記第２距離（５３）を計測するために形成されている請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記参照面（２２）の前記第１点（２１）と前記第２点（２３）との間の距離（ｄ）は、前記第１参照センサーと前記第２参照センサー（１５０、１５２）との間の距離（Ｄ）に相関する請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記装置はさらに制御部（６０）を有し、前記制御部を用いて、前記第１距離（５１）と前記第２距離（５２）とから、前記保持部（１２６）またはその参照体（１２８）の前記参照物体（１８、２０）に対する位置および位置合わせを決定可能である請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記第１及び第２参照センサー（１５０，１５２）の計測軸の延長と、第３参照センサー（１５４）の計測軸の仮想的な延長との仮想的な交点は、前記距離計測装置（７０）の回転軸の外側に位置する、請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記第３参照センサー（１５４）の前記計測軸は、水平方向に延在し、垂直方向について前記距離計測装置（７０）の回転軸の上に位置する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記保持部（１２６）は、第１方向（ｘ）および第２方向（ｚ）に伸びた平面（ｘ、ｚ）中で，第１および第２参照物体（１８、２０）に対して相対的に可動である請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記第１参照センサー（１５０）および前記第２参照センサー（１５２）は、前記第１参照物体（１８）に位置合わせされていて、第３参照センサー（１５４）は、前記第２参照物体（２０）に対して位置合わせされている請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１参照物体（１８）は、前記第１方向（ｘ）に平行に位置合わせされていて、前記第２参照物体（２０）は、前記第２方向（ｚ）に平行に位置合わせされている上記請求項８または９に記載の装置。
【請求項１１】
前記距離計測装置（７０）は、第１距離センサー（３４）と第２距離センサー（３６）とを有し、前記これらの距離センサーは、前記参照体（１２８）に対して相対的に回転可能に軸支されている請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１距離センサー（３４）は前記担体（１２）側にあり、前記第２距離センサー（３６）は前記参照体（１２８）側にある請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
物体保持部（１０２）が、前記担体（１２）に回転可能、または並進的に位置ずれ可能に軸支されている請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記担体（１２）の上方で、基部（１１０）に可動で配置されている保持部（１２６）は、前記物体（１４）の対向する外側縁（１４ａ、１４ｂ）を越えて移動可能である請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
上記請求項１から１４のいずれか１項に記載の装置を用いた、物体（１４）の幾何学的な計測方法であって、前記担体（１２）に軸支された物体（１４）の表面輪郭（１５）を、前記距離計測装置（７０）を用いてスキャンし検出する方法が、
前記距離計測装置（７０）を用いて、前記物体（１４）の複数の計測点（４２）の複数の距離を計測し、前記物体（１４）の表面画像を生成する工程と、
前記第１および第２参照センサー（１５０、１５２）を用いて、前記参照物体（１８、２０）に対する、前記保持部（１２６）の相対的な位置および位置合わせを導き出す工程と、
・前記表面画像を、前記参照物体（１８、２０）に対する、前記保持部（１２６）またはその参照体（１２８）の相対的な位置および位置合わせに基づいて修正する工程と
により行われる方法。
【請求項１６】
上記請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置を用いて、物体（１４）の幾何学的な計測をするコンピュータプログラムであって、
前記担体（１２）に軸支された物体（１４）の前記表面輪郭（１５）を、前記距離計測装置（７０）を用いて走査を行って検出するためのプログラム手段と、
前記物体（１４）の計測点（４２）の複数の距離を計測するための、かつ、前記物体（１４）の表面画像を生成するためのプログラム手段と、
第１および第２参照センサー（１５０、１５２）を用い、前記保持部（１２６）の、前記参照物体（１８、２０）に対する相対的な位置および位置合わせを導き出すためのプログラム手段と、
前記保持部（１２６）またはその参照体（１２８）の、前記参照物体（１８、２０）に対する相対的な前記位置および位置合わせに基づいて、前記表面画像の修正を行うプログラム手段と、
を含むコンピュータプログラム。
【外国語明細書】
2018194555.tif 000009
2018194555.tif 000010
2018194555.tif 000011
2018194555.tif 000012
2018194555.tif 000013
2018194555.tif 000014
2018194555.tif 000015
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2018194555.tif 000029
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