(57)【要約】  表面（７"）の測定方法では、周波数変調されるレーザビームを形成し、このレーザビームを測定ビーム（ＭＳ）として前記表面に放射し、該表面（７"）から後方散乱された測定ビーム（ＭＳ）を受信し、基準点から前記表面（７"）までを干渉計距離測定する。ここで前記レーザビーム（ＭＳ）は走査案内中に、測定すべき表面上に放射され、かつ受信され、部分的に共通のビーム路を備える測定干渉計アームと基準干渉計アームとが使用される。ここでは、前記表面（７"）への測定ビーム（ＭＳ）の実質的垂直の衝突からの偏差が、距離測定の際にアルゴリズムで考慮され、および／または走査案内する際に測定ビーム（ＭＳ）の放射の制御によって回避また減少される。
2010539458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
とりわけ工業的ワークピース表面（７、７’、７"、７’’’）を測定する方法であって、
・１ｍｍ以上、とりわけ６０ｍｍ以上のコヒーレント長を備える、周波数変調されるレーザビームを形成し、
・該レーザビームを測定ビーム（ＭＳ）として前記表面に放射し、
・該表面（７、７’、７"、７’’’）から後方散乱された測定ビーム（ＭＳ）を受信し、
・基準点から前記表面（７、７’、７"、７’’’）までの干渉計距離測定を、測定干渉計アームおよび基準干渉計アームを使用して行い、
ここで前記レーザビーム（ＭＳ）は走査案内中に、測定すべき表面上に放射され、かつ受信され、
干渉計距離測定では、測定干渉計アームと基準干渉計アームとが部分的に共通のビーム路を有し、
前記基準干渉計アームを定義し、レーザビームの検出に使用されるビーム成形光学系内に配置された基準面を備える
方法において、
表面（７、７’、７"、７’’’）への測定ビーム（ＭＳ）の実質的垂直の衝突からの偏差が、距離測定の際にアルゴリズムで考慮され、および／または走査案内する際に測定ビーム（ＭＳ）の放射の制御によって回避また減少される、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
距離測定の際に位相情報の計算のために、後方散乱された測定ビーム（ＭＳ）に対するインターフェログラムにおいて、閾値よりも上にある振幅値だけが考慮される、ことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、
距離測定の際に位相情報の計算のために、位相値の振幅重み付けが行われる、ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法において、
走査案内の際に、測定ビーム（ＭＳ）が表面（７、７’、７’’’）に実質的に垂直に衝突するという条件が距離測定の際に維持され、とりわけ面垂線に対して±５°の偏差を上回らないという条件が維持されるように放射が制御される、ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において、
制御は、
・受信された測定ビーム（ＭＳ）の振幅の波長に依存する経過を、放射のための制御量とすることに基づいて行われ、とりわけ実質的に波長に依存する振幅の経過が発生するまで測定ビーム（ＭＳ）の衝突を変化することにより行われ、および／または
・表面（７、７’、７"、７’’’）の幾何形状に関する情報を使用して、とりわけ表面（７、７’、７"、７’’’）のモデルを使用して行われ、
該モデルは有利には計算機で発生されるか、または先行の粗走査により作成され、および／または
・測定ビーム（ＭＳ）の衝突点の近傍での局所的粗測定を使用して、とりわけ３つの測定点でのパラレル粗測定またはシーケンシャル粗測定により行われ、
以下の測定原理の少なくとも１つが粗測定または粗走査のために使用され、
・とりわけ超音波を用いた音響的測定、
・とりわけ三角測定法、位相測定原理、または伝搬時間測定原理による光学的測定、
・とりわけ距離区間センサの偏向による機械接触的測定、
・誘導的測定、
・容量的測定、
・空気式測定、および／または
・先行の距離測定を外挿することによって、とりわけ表面（７、７’、７"、７’’’）の最大および／または最小曲率半径を考慮して行われる、
ことを特徴とする方法。
【請求項６】
とりわけ工業的ワークピースの表面（７、７’、７"、７’’’）を測定する測定装置であって、少なくとも
・測定すべき表面（７、７’、７"、７’’’）上にプローブヘッド（１２〜１８、１２’〜１８’）を規定どおり走査案内するための案内手段と、
・干渉計距離測定装置とを有し、該干渉計測定装置は、
少なくとも１つのレーザビームを測定ビーム（ＭＳ）として形成するための周波数変調されるレーザ源（１）と、
表面から後方散乱された測定ビーム（ＭＳ）を受信するためのビーム検知器（８）と、
測定干渉計アームおよび基準干渉計アームとを備え、
前記プローブヘッド（１２〜１８、１２’〜１８’）は、測定ビーム（ＭＳ）を放射するために少なくとも１つの放射および受信ビーム路を有し、
前記測定干渉計アームおよび基準干渉計アームは、部分的に共通のビーム路を有し、とりわけ基準干渉計アームを規定し、レーザビームを検出するために使用されるビーム成形光学系内に配置された基準面を有する測定装置において、
前記案内手段は、測定ビーム（ＭＳ）が表面（７、７’、７"、７’’’）に実質的に垂直に衝突するという条件、とりわけ面垂線に対して±５°の偏差を上回らないという条件が維持されるように制御される、ことを特徴とする測定装置。
【請求項７】
請求項６記載の測定装置において、
前記基準干渉計アームは、ビーム成形光学系のグラディエントインデックスレンズ（６）の光学的出射面における反射により規定される、ことを特徴とする測定装置。
【請求項８】
請求項６または７記載の測定装置において、
・前記プローブヘッド（１４、１４’、１５、１６）は、複数の平行なおよび／または切り換え可能なビーム路によりマルチチャンネルに構成されており、および／または
・前記プローブヘッド（１３’、１４’）は、測定ビーム（ＭＳ）が十字形または円形の走査運動を実施するように構成されている、ことを特徴とする測定装置。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれか１項に記載の測定装置において、
前記プローブヘッド（１８）は、測定ビーム（ＭＳ）の衝突点の近傍で局所的粗測定を行うための少なくとも１つのコンポーネント（１８ａ）を有し、とりわけ以下のセンサの少なくとも１つを備える、
・空気式センサ、
・触覚センサ、
・超音波センサ、
・レーザ三角法センサ、
・共焦点距離センサ。
・レーザ伝搬時間距離センサ。
・レーザ位相測定距離センサ。
・容量性距離センサ。
・渦電流距離センサ、または
・誘導性距離センサ、
ことを特徴とする測定装置。
【請求項１０】
請求項６乃至９のいずれか１項に記載の測定装置において、
前記干渉計距離測定装置は、とりわけエタロン構成、またはマッハ・ツェンダー構成の干渉計（４）を有する、ことを特徴とする測定装置。
【請求項１１】
請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の測定装置において、
周波数変調されるレーザ源（１）は、１．３から１．５５μｍの間の中央波長を有する、ことを特徴とする測定装置。
【請求項１２】
請求項６乃至１１のいずれか１項に記載の測定装置において、
周波数変調されるレーザ源（１）は、４０ｎｍ以上のチューニング可能な波長領域を有し、０．０４ｎｍ以下のダイナミックなライン幅を有する、ことを特徴とする測定装置。
【請求項１３】
請求項６乃至１２のいずれか１項に記載の測定装置において、
周波数変調されるレーザ源（１）は、光学的半導体増幅素子（１ｂ）を備えるファイバリングレーザとして構成されている、ことを特徴とする測定装置。
【請求項１４】
請求項６乃至１３のいずれか１項に記載の測定装置において、
周波数変調されるレーザ源（１）は、ファブリー・ペローフィルタ、音響的に変調可能なファイバ・ブラッグ・グレーティング、またはポリゴンミラーを離散素子（１ｃ）と関連して有する、ことを特徴とする測定装置。
【請求項１５】
請求項６乃至１４のいずれか１項に記載の測定装置において、
前記ビーム検知器は、１００ＭＨｚ以上の帯域幅を備えるＩｎＧａＡｓ検知器（８）である、ことを特徴とする測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の上位概念による表面の測定方法、および請求項６の上位概念による表面の測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの適用領域で、対象物の表面および対象物自体を高精度で測定する必要がある。このことはとりわけ、部品の表面を測定し、検査することが重要な完成工業製品に対して当てはまる。
【０００３】
このような適用のために一連の測定装置がある。これら測定装置は特殊なタスクのために設計されており、座標測定装置または座標測定機と称される。これらの測定装置は表面を、機械的に接触して表面を走査することにより測定する。これに対する例はポータル測定装置であり、例えば特許文献１または特許文献２に記載されている。別のシステムはジョイントアームの使用に基づくものである。ここでは複数のアームの端部に配置された測定センサが表面に沿って移動することができる。この種のジョイントアームは例えば特許文献３または特許文献４に記載されている。
【０００４】
従来技術でこのような材料測定装置では、標準測定センサとして触覚プローブが使用される。この触覚プローブはルビー球からなり、ルビー球は測定ロッドに取り付けられている。走査時の測定ロッドの偏向がスイッチ素子または距離測定素子を介して検出される。スイッチ点または偏向距離を介して接触の場所が計算される。このアプローチはたしかに点測定のためには成熟した解決手段であるが、走査適用に対してこの技術的解決手段は、摩擦力、接触力および機械的慣性力の発生するため、比較的緩慢な測定速度にのみ適するものである。とりわけセンサボールおよび測定対象物の汚染と摩耗は測定エラーにつながる。しかし例えばボーリング孔の内側測定は、この部材のうねりと真円度を検出するためには精確かつ高速の測定を必要とする。これはとりわけ、この測定を製造ラインで直接実行すべき場合に当てはまる。
【０００５】
したがって従来技術ではすでに、無接触測定のためのアプローチが追求されている。この目的のために座標測定機で使用される光学的技術は一方では、入射光または透過光での例えば射影によって、画像識別を用い部材の寸法を検知するカメラに基づくものである。このように内部ボーリングは特徴的なものではなく、面の非平坦性が、構造化された照明の適用の下で検知可能なだけである。
【０００６】
三角測定法に基づくシステムにより、たしかに精確な間隔検出が可能である。しかし精度がμｍ領域にあり、測定間隔がｃｍ領域の場合には、送信器の光軸と受信器の光軸との間に底辺が必要であるので測定ヘッドの寸法が非常に大きい。このことは共焦点測定原理およびカラー共焦点測定原理に対しても当てはまる。この測定原理は、数ｃｍの測定領域を実現すべき場合には非常に大きな光学系の寸法を必要とする。とくに問題であるのは三角法と共焦点法の場合であり、測定ビームまたは観察ビームの部分遮蔽が大きな測定エラーを引き起こす。
【０００７】
別のアプローチは、高精度測定のために白色光干渉計を使用することである。ここでは干渉計を調整することによって走査的に使用されるが、そのため緩慢であり、スペクトル的に分解する検知の場合、通例は数ｍｍの測定領域に制限されている。
【０００８】
同様に干渉計アプローチが例えば特許文献５から公知である。しかしここでは、医用技術分野においてヒトの組織の深さプロフィールを記録することが主眼である。
【０００９】
特許文献６から、光学的コヒーレント・トモグラフと周波数変調源による表面測定システムが公知である。ここではファイバリングレーザが、音響的にチューニング可能なフィルタエレメントによってチューニングされるように構成されている。この場合は、レーザビームが表面をコモンパス干渉計で干渉測定するために使用される。すなわち測定ビーム路と基準ビーム路に対して、少なくとも部分的に同じコンポーネントまたはビーム路が使用される干渉計で使用される。ここで基準間隔は、干渉計の測定アームでの反射によって提供される。波長を較正するために基準干渉計が使用される。この構造は、表面の高速無接触走査測定には基本的に適するが、しかし例えばシリンダ状開口部の測定の場合に示されるような有利な幾何関係を暗黙のうちに前提とする。しかしこのアプローチはこの構成の場合、任意の幾何形状と面経過を有する表面の高精度測定には適さない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】ドイツ特許公開公報第４３２５３３７号
【特許文献２】ドイツ特許公開公報第４３２５３４７号
【特許文献３】米国特許第５４０２５８２号
【特許文献４】欧州特許第１４７４６５０号
【特許文献５】国際特許公開第９２／１９９３０号
【特許文献６】欧州特許第１７４４１１９号
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】R. Huber, et. al., "Fourier Domain Mode Locking (FDML): A new laser operating regime and applications for optical coherence tomography", Optics Express, p. 3225 (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は、表面測定または表面トポグラフ検出のための改善された測定方法または測定装置を提供することである。
【００１３】
本発明のさらなる課題は、測定すべき表面の形状および構造にまったく依存せずに、またはほとんど依存せずに高精度で高速な距離測定が可能な測定方法または測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この課題は請求項１または６の対象によって、または従属請求項の対象によって解決される。
【００１５】
本発明は周波数変調されたレーザ光源、すなわちチューニング可能なレーザ光源による干渉測定原理を利用する。したがって測定は周波数領域で行われる。レーザビームが距離測定の場合に表面に垂直に当たるのではない、本発明によればアルゴリズム的に、または光学プローブヘッドを測定センサとして走査案内する際に制御的に考慮され、両方のアプローチを組み合わせることもできる。このようなアルゴリズム補正または制御側の補正または表面経過への適合がなければ、所望の精度が達成不能であるか、または所要のサンプリングレートでは達成不能であるという知識がこのアプローチの基礎となっている。
なぜならレーザビームの特性によって、角度関数での測定に影響する、表面との交互作用が生じるからである。
【００１６】
ルビーボールの領域にある直径を有する小型プローブヘッドによる数ｃｍの自由ビーム測定を行う工業的座標測定装置における光学システムを意図する使用領域のために、すでに述べた干渉方法が使用される。この周波数変調干渉計では、広帯域であり、短時間でチューニング可能な光源が使用される。とりわけ数ｃｍのコヒーレント長を備える狭帯域性が必要である。光源のチューニングは、波長が精確に既知である較正干渉計を介して参照される。例えば温度変化または測定機から発生する振動等の環境の影響を、測定干渉計でできるだけ排除するために、基準面が光学プローブヘッド内部の表面に載置されるか、またはこの表面が基準面として使用される。これによりいわゆるコモンパス干渉計が実現される。ここでは十分な光量がこの表面から再び単一モードファイバに入力結合されると有利である。これに対して他の光学的変化はこのファイバに信号をフィードバックすべきではない。
【００１７】
レーザ源は有利にはファイバリングレーザとして、増幅媒体としての光学的半導体増幅器と、チューニング可能なフィルタ素子により形成される。チューニング可能な素子は、例えばファブリー・ペローフィルタとして、または音響的にチューニング可能なファイバ・ブラッグ・グレーティングとして構成することができる。別の素子は光学的カップラまたはアイソレータであり、それらの使用およびこのようなシステムへの組み込みは当業者に周知である。
【００１８】
比較的大きな測定反復速度が所望であれば、ファイバリングレーザを数ｋｍ長のファイバ長だけ拡張することができる。この場合、反復速度はファイバリングにおける光の周回時間の逆数に相当する。このモードは、フーリエドメイン・モード・ロッキングレーザ駆動の専門分野であり、例えば非特許文献１に記載されている。
【００１９】
レーザ源を形成するための別の手段として、離散素子、例えば格子またはプリズムを備える外部キャビテーションを可動の光学面、例えばポリゴンミラーと組み合わせて、レーザ共振器に対するレーザ波長を迅速にチューニングするために使用することができる。
【００２０】
この装置により基本的に表面を高精度に測定することができるが、高速で高精度の測定を実現すべき場合には、この装置の長さと形態により考慮すべき影響を受ける。粗い目標表面はコヒーレント観察の場合、いわゆるスペックルの原因となる。すなわち位置に依存する強度変動が、波長依存性の幾何的条件のために発生する。ファイバセンサ用の光学系が回折制限されるよう構成されている場合、ファイバ面の目標表面上に結像されるレーザスポットはエアリーの円盤、すなわち点広がり関数に実質的に相当する。目標表面が粗い場合でもこのことが当てはまる。ここでスポットの最小の大きさは点広がり関数により制限され、とりわけこのファイバ面内でのスポットの位置は不定である。この作用は一方では顕著な強度降下につながるが、ターゲットが垂直の場合、このターゲットからの距離情報は影響を受けないか、ほとんど影響を受けない。
【００２１】
ターゲットが傾斜すると、インターフェログラムは振幅に顕著な変動を示す。この変動により、狭い波長領域では振幅が完全に消失するほどである。この作用は傾斜の度合いに依存する。すなわち測定ビーム入射角の面垂線に対する偏差、または表面のターゲットに対する垂線の偏差に依存し、さらには表面構造にも依存する。
【００２２】
この作用を考慮するための手段は、適応評価によりアルゴリズム的に行うことである。閾値を導入することにより、位相情報の評価をこの閾値より上の振幅値に制限することができる。なぜならこの領域だけが、表面への平均距離に関する信頼できる情報を含むからである。しかし閾値の代わりに、振幅重み付けした評価を行うこともできる。これにより不確実性が低減する。
【００２３】
このアプローチでは、低減されたデータ量が測定信頼性を高める。しかしこの作用は確率論的であり、測定の平均化により低減される。これに対して不利なスポット位置に基づく位相評価のエラーはシステマチックなものであり、個別の測定を平均することによって除去することはできない。
【００２４】
この作用を回避する、または少なくとも低減する択一的手段は、目標対象物の発生する傾斜を制御側で考慮することである。ここではサンプリング過程、すなわちプローブヘッドの運動が相応に適合される。しかしここでは両方のアプローチを組み合わせることもできる。これは例えばプローブヘッドを、所定の角度領域内でだけ表面に対して配向し、記録された測定値を付加的にアルゴリズムで、例えば上記のように閾値を使用して適合するのである。
【００２５】
ここで走査運動の制御は記録された測定値自体に基づき、付加的な粗測定過程のサポートなしで行うことができる。このために振幅の経過が波長に関して分析され、そこから評価の信頼性を推定することができる。相応して不均等に経過する場合、このことは目標表面が測定ビームに対して傾斜しなければならないことの示唆として解釈される。この情報は、対象物を基準にした測定装置の調整に、または光学的プローブヘッドを案内するための手段の調整に、均等な振幅値経過が観察され、測定中のシステマチックなエラーを無視できるようになるまで直接利用することができる。このようにして周波数変調された干渉計からの、大きな波長領域にわたる振幅経過の不均等性が、座標測定装置による光学的プローブヘッドの位置決めに対する制御量となる。このアプローチの利点は、さらなる付加的な測定コンポーネントが不要なことである。
【００２６】
例えばＣＡＤモデルとしてのモデリングにより、または先行の粗測定により実現される表面についての前記情報が使用されるなら、プローブヘッドの既知の位置と少なくとも粗い幾何形状または目標状態で既知の幾何形状に基づいて制御を直接的に行うことができる。
【００２７】
このために対象物の位置が、まず十分に精確に座標測定装置の座標システムで検出される。このことは、空間位置が既知である測定対象物の測定点または構造の測定によって行うことができる。既知のＣＡＤデータまたは他のモデルデータまたは粗測定データに基づいてサンプリングを計画し、実行することができる。このことは機械により自動的に、半自動的に、またはオペレータにより手動で行うことができる。ここでは測定点密度と測定点位置が測定対象物上で設定される。さらに測定ビームの配向は、測定ビームが測定対象物表面に対して、測定中に十分に直交して配向されるように設定される。そして必要な場合には、多重反射の障害の影響も最小にされる。１つの適用例では続いて別のステップで、必要な個所でのＣＡＤデータと測定対象物との差が目標−実際比較として求められる。
【００２８】
これに対して対象物がモデル化されていないか、または非常に粗くしか測定されていなければ、必要な測定対象物座標を、測定過程で収集したデータから獲得しなければならない。これは測定ビームを測定対象物表面に対して十分に直交に配向するためである。前記のアプローチの代わりに、または補完的に本来の対象物測定と関連して、測定すべき点または領域の周囲は、その空間的位置および場合によりその経過を粗く測定することによって求めることができる。そのためには比較的に大きな測定誤差が意図的に甘受される。なぜなら高精度の測定値ではなく、面の配向の推定値、すなわち面垂線の方向が必要なだけだからである。引き続き精確な測定を行う場合、粗測定から次の測定点の面の実際の配向についてそれぞれ推定することができ、ビーム路がプローブヘッドを案内するための手段の運動によって配向される。
【００２９】
しかし測定過程のサンプリングの際に、複数の最初の測定後で、目下の測定経路の最後の測定点のデータが得られれば、このデータから測定経路の将来の経過を推定することができる。これは例えば、サンプリングすべき表面について最大または最小の曲率半径が既知であるか、またはツールの材質または使用目的が表面の所定の経過を最初から条件とする場合、例えば光学レンズまたは天体望遠鏡反射鏡の研磨検査の場合である。したがって走査の際に、最後に測定された点の履歴から将来の点を推定することができる。すなわち将来の経路を外挿し、これにより面垂線の変化を位置に依存して推定することができる。相応にしてプローブヘッドの運動を表面接線にできるだけ平行にするため、座標測定装置が追従制御される。
【００３０】
基本的に前記解決手段と組み合わせることのできる別のアプローチは粗測定の利用に基づくものである。この粗測定は別の測定原理または付加的なコンポーネントにより実行することができる。同様にサンプリングまたは走査する粗測定の他に、とりわけ３つの測定点についてのパラレル測定、またはシーケンシャル測定を、本来のレーザ測定ビームの衝突点の周囲で行うことができる。
【００３１】
このような測定または３点測定は例えば以下の方法により行うことができる。
・空気式。すなわち空気式センサは同様に無接触で動作し、圧力低下から距離を検出する。
・触覚式。すなわち接触する機械的センサ。
・レーザ三角測定法。
・共焦点距離センサ。
・レーザ伝搬時間距離センサ。
・容量性距離センサ。
・渦電流距離センサ。
・誘導性距離センサ。
【００３２】
これら解決手段のいくつかに対して適するセンサ形式が、例えばＭｉｃｒｏ−Ｅｐｓｉｌｏｎ社から提供されている。
【００３３】
表面測定のための本発明の方法および本発明の測定装置を以下、図面に示された実施例に基づき純粋に例として詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の測定装置の測定構成を示す概略図である。
【図２】本発明の方法を実施するための主要素を示すブロック図である。
【図３】本発明の測定装置のための光学的プローブヘッドの第１実施形態を示す図である。
【図４ａ】本発明の測定装置のための光学的プローブヘッドの第１および別の実施形態でのビーム路を示す概略図である。
【図４ｂ】本発明の測定装置のための光学的プローブヘッドの第１および別の実施形態でのビーム路を示す概略図である。
【図５ａ】本発明の測定装置のための光学的プローブヘッドの択一的実施形態を示す図である。
【図５ｂ】本発明の測定装置のための光学的プローブヘッドの択一的実施形態を示す図である。
【図５ｃ】本発明の測定装置のための光学的プローブヘッドの択一的実施形態を示す図である。
【図５ｄ】本発明の測定装置のための光学的プローブヘッドの択一的実施形態を示す図である。
【図５ｅ】本発明の測定装置のための光学的プローブヘッドの択一的実施形態を示す図である。
【図５ｆ】本発明の測定装置のための光学的プローブヘッドの択一的実施形態を示す図である。
【図５ｇ】本発明の測定装置のための光学的プローブヘッドの択一的実施形態を示す図である。
【図５ｈ】本発明の測定装置のための光学的プローブヘッドの択一的実施形態を示す図である。
【図６ａ】粗い目標物が傾斜していない場合の測定インターフェログラム、位相経過および振幅経過を示す図である。
【図６ｂ】粗い目標物が傾斜していない場合の測定インターフェログラム、位相経過および振幅経過を示す図である。
【図７ａ】粗い目標物が傾斜している場合の測定インターフェログラム、位相経過および振幅経過を示し、さらに本発明の方法の第１実施形態としての閾値基準のアプローチを示す図である。
【図７ｂ】粗い目標物が傾斜している場合の測定インターフェログラム、位相経過および振幅経過を示し、さらに本発明の方法の第１実施形態としての閾値基準のアプローチを示す図である。
【図８】粗い目標物が傾斜している場合の本発明の方法の第１実施形態の作用を示す概略図である。
【図９】本発明の方法の第２実施形態の概略図である。
【図１０】平行して粗測定を行う本発明の測定装置のためのプローブヘッドの実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１は、本発明の測定装置の干渉計的距離測定構成を概略的に示す。この測定装置は、少なくとも１つのレーザビームを形成するための周波数変調されるレーザ源１と、表面から後方散乱された測定ビームを受信するためのビーム検出器８とを有する。ファイバ光学系にファイバリングレーザとして組み込まれた周波数変調されるレーザ源１は光学的アイソレータ１ａ、光学的半導体増幅器１ｂ、ならびにチューニング可能なフィルタ素子１ｃを有し、フィルタ素子１ｃは例えばファブリー・ペロー素子として構成することができる。出力結合のために第１の光学的カップラ１ｄが使用される。この第１の光学的カップラ１ｄは第２の光学的カップラ２と接続されている。ここで周波数変調されるレーザ源１は有利には、１ｍｍ以上のコヒーレント長、とりわけ１ｍｍから２０ｃｍの範囲のコヒーレント長を有し、例えば１．３μｍから１．５５μｍの間の中心波長と、４０ｎｍ以上のチューニング可能な波長領域を、０．０２ｎｍ以下のダイナミックライン幅と６０ｎｍ以上のコヒーレント長のもとで有するように構成されている。したがいこのコヒーレント長により、数ｃｍの深度領域または距離領域にわたる測定も可能である。
【００３６】
レーザ源により形成されたレーザビームは、第２の光学的カップラ２を介して光学的検知器５を備える較正干渉計４に導かれる。この較正干渉計４はとりわけエタロン型またはマッハ・ツェンダー型に構成することができる。この較正干渉計４は、チューニング特性を考慮または補償するために用いられる。
【００３７】
第２の光学的カップラ２の第２の出力は、測定のために使用される干渉計構造に導かれる。この干渉計はコモンパス幾何形状に構成されており、測定干渉計アームと基準干渉計アームに対して部分的に共通の干渉計ビーム路を有する。ここで基準干渉計アームはグラディエントインデックスレンズ６の光学的出射面での反射により定義され、したがって一定であり、とりわけ既知の間隔が設定される。ここではそれ以上の後方反射が回避される。したがって基準面は、レーザビームの放射に使用されるビーム成形光学系内にある。これに対して測定干渉計アームは、測定すべき表面７での反射により定義される。測定干渉計アームと基準干渉計アークから後方反射された光はもっぱらビーム検知器８に案内される。このビーム検知器８は有利には、１００ＭＨｚ以上の帯域幅を備えるＩｎＧａＡｓ検知器として構成されている。
【００３８】
図２には、本発明の方法を実施するための主要素がブロック回路図に示されている。光学的プローブヘッドＯＰにより記録された信号が、通信接続９ａを介して光学的プローブヘッド測定ユニットＯＰＭＥに供給される。しかし択一的にビーム検知器を光学的プローブヘッド測定ユニットＯＰＭＥに配置することもできる。この場合は通信接続９ａの代わりに光学的接続、例えばファイバ接続を用いる。光学的プローブヘッド測定ユニットＯＰＭＥのデータはさらに通信接続９ｂを介して、座標測定装置ＫＭＭの制御ユニットＳＥに伝送される。この制御ユニットは相応の制御指示を通信接続９ｂ、９ｃおよび９ｄを介して光学的プローブヘッド測定ユニットＯＰＭＥ、座標測定装置、およびとりわけ案内手段ＦＭに供給し、光学的プローブヘッドＯＰを所定のようにサンプリングするため案内する。オペレータＵによる評価および通信のために計算評価ユニットＲＡＥが用いられる。
【００３９】
図３は、本発明の測定装置のための光学的プローブヘッド１２の第１実施形態を示す。プローブヘッドは、案内手段としてのアームエレメント１０と連結器１１によって、測定すべき表面の上を所定のようにサンプリングするよう案内される。ここでは連結器１１がアームエレメント１０に対して回転することもできる。アームエレメント１０と後続の連結器１１が回転できることによって、プローブヘッド１２に角度を付与することができ、大きく変化する表面経過に良好に追従することができる。しかし基本的にさらなる回転自由度または並進自由度を案内手段に組み込み、プローブヘッド１２の案内をさらに改善することができる。
【００４０】
プローブヘッド１２は表面側に、測定ビームＭＳの少なくとも１つの放射および受信ビーム路を有する。この実施形態ではビーム路が細い管により案内される。この管に接続された太い部分にはビーム検知器自体をすでに組み込むことができる。または他の個所に組み込まれたビーム検知器にさらに案内するための光導波路を配置することもできる。プローブヘッド１２は案内手段によって、レーザビームが表面に実質的に垂直に当たるという条件が維持されるように制御される。これは面垂線に対して±５°の偏差を上回らないように行われる。このプローブヘッド１２を、これが表面接線に対して一定の方向で連続的に走行するよう運動させることができる。これは表面接線に対して放射および受信ビーム路が垂直に配向されるように行われる。
【００４１】
図４ａ、ｂは、本発明の測定装置のための光学的プローブヘッドの第１および第２実施形態におけるビーム路を概略的に示す。
【００４２】
図４ａには、光学的プローブヘッド１２の第１実施形態のための光学的ビーム路が示されている。ここでファイバ１２ａは、検出すべき反射された測定ビームＭＳを導くために用いられる。ここで放射は管状部材内に配置されたグラディエントインデックスレンズ１２ｂによって行われる。このグラディエントインデックスレンズは測定ビームを測定すべき表面７’に放射し、そこから反射された測定ビームＭＳを再びファイバ１２ａに入力結合する。
【００４３】
同じように図４ｂに示されたビーム路は、図５ｂの下方に示された光学的プローブヘッド１３の実施形態のために実現される。ここでも同様にファイバ１３ａとグラディエントインデックスレンズ１３ｂが、検出すべき反射された測定ビームＭＳを導くために用いられる。しかしここでは表面７’への放射が、グラディエントインデックスレンズ１３ｂに後置された偏向エレメント１３ｃによる偏向の後で初めて行われる。この偏向エレメントは、プローブヘッド１３の管状部材の長手軸に対して垂直の放射方向を可能にする。これによってとくに有利には、ボーリング孔または他のシリンダ状開口部または構造体を走査することができる。
【００４４】
光学的プローブヘッド１３の種々の実施形態が図５ａ〜ｈの外観図に示されている。ここではすべての変形実施形態が簡単に比較するために、案内手段としてのアームエレメント１０と連結器１１とともに図示されている。しかしここでも本発明により、案内手段として他の構成、例えば連結器１１の代わりに玉継手を使用することもできる。
【００４５】
図５ａに示された第１実施形態の変形例１２’では細い管状部材が省略されている。これは例えば平坦な平面だけを測定すればよく、ボーリング孔または小さな構造体を測定する必要のない場合に可能である。
【００４６】
図５ｂは、すでに図４ｂで説明した測定ビームＭＳを直角に放射するプローブヘッド１３の変形実施例を示す。
【００４７】
図５ｃに示されたプローブヘッド１４は、図３と図５ｂの変形実施例の組み合わせである。ここでは測定ビームのビーム路が２つのチャネルに分割され、それらの放射および受信方向が相互に直交するように配向されている。ここで測定チャネルはパラレルに、またはシーケンシャルに使用することができる。パラレルに使用する場合には、２つの測定構成体またはただ１つの測定構成体であっても、２つのチャネルを例えば異なる偏光方向によって分離することができる。プローブヘッドのこのような構成により、例えばエッジまたは段を測定することができる。
【００４８】
図５ｄと図５ｅには、図５ｂと図５ｃの変形実施例が示されている。この変形実施例ではプローブヘッド１３’、１４’の管状部材が長手軸を中心に、すなわち連結器１１に対して回転可能に構成されている。これにより、測定ビームＭＳによって円形の走査運動を実施することができる。別の択一的構成では、ここに図示しないが十字形の走査運動を行う。このような走査運動は高速の粗測定のために、および表面の被測定領域で面垂線の位置を推定するために使用することができる。
【００４９】
図５ｆと図５ｇにはマルチチャネルのビーム案内を行うプローブヘッド１５、１６が示されている。ここでもパラレルの放射またはシーケンシャルに切り換える放射が実現可能である。この実施形態により、プローブヘッド１５、１６の位置が大きく変化しなくても、開口部または面を高精度で測定することができる。しかし測定精度を低下すれば、周囲の多数の点で粗測定が推定される。
【００５０】
図５ｈは、局所的に微測定を行うためのプローブヘッド１７の実施形態を示す。ここでは測定ビームが視準化されて放射されるのではなく、微細に構造化された表面７"を分解するために近接領域で集束される。
【００５１】
図６ａ、ｂには、粗いアルミニウム表面が傾斜していない場合の測定インターフェログラム、位相経過および振幅経過が示されている。ここで図６ａは、５０ｎｍの波長領域にわたって測定されたインターフェログラムを示す。エンベロープは、この波長領域では非常に弱い変動しか生じないことを示している。図６ｂは、上記のインターフェログラムについての位相経過と振幅経過を示す。ここで位相は破線により、振幅は実線により示されている。
【００５２】
図７ａ、ｂは、同じ表面であるが、測定ビームの入射方向に対して表面が傾斜している場合の測定インターフェログラム、位相経過および振幅経過を示す。図７ａでは、くびれ領域で位相情報が不確定であり、大きな異常値まで示している。この個所ではファイバコア領域に破滅的なスペックル干渉が存在し、構造的な干渉成分が側方にシフトされている。このスペックル干渉は、波長に依存するので数ｎｍの比較的小さなスペクトル領域にだけ存在する。ファイバ面におけるこの状況を考慮すると、スペックルは波長に依存してファイバコアの周囲を漂遊する。このスペックルがファイバコアの上に直接来ると、これは表面上でのレーザスポットの正しい結像に相当する。このことは傾斜した面についての間隔情報が均等に重み付けられた測定で可能である。すなわち平均値をこの状況で精確に求めることができる。スペックルがシフトされると、このことはもはや不可能である。なぜならファイバ面でのシフトは、測定表面での「仮想」シフトに相当し、この場合には平均距離情報がレーザスポットの実際の中心から偏差するからである。このようにして振幅の高さと、レーザスポットの精確な中心検出との関係が成り立つ。
【００５３】
本発明の方法の第１実施形態としての適合されたアルゴリズム評価では、閾値を越える振幅値に所属する位相情報だけが評価される。このことは図７ｂに、位相を表す破線の太くマーキングされた領域により示されている。別の手段は位相情報の計算のための距離測定の際に、位相値を振幅重み付けすることである。
【００５４】
図８は、図７ａ、図７ｂに示された傾斜した粗いアルミニウム表面のための本発明の方法の第１実施形態の相応の作用を示す線図である。ターゲットが離散的ステップで側方にスライドされるときに測定された間隔がｍｍでプロットされており、ここで幾何的間隔は変化されていない。実線は閾値基準のない場合の測定間隔を示し、破線は閾値基準を行った測定を示す。測定値の変動幅が、評価時に閾値基準を使用したことにより減少していることが分かる。
【００５５】
図９は、周波数変調されたレーザビームを形成し、レーザビームを測定ビームＭＳとして表面７"に放射し、表面７"から後方散乱された測定ビームＭＳを受信し、基準点から表面７"までの干渉計距離測定を行う本発明の方法の第２実施形態を説明するためのものである。ここでは、レーザビームが走査案内中に測定すべき表面上に放射され、受信される。ここでは、プローブヘッド１２が破線で示した測定経路に沿って走査案内される際に、レーザビームが表面に垂直とは異なって当たることが制御的に考慮される。この制御は、レーザビームが表面７"に実質的に垂直に当たるという条件、とりわけ面垂線に対して±５°の偏差を上回らないという条件が維持されるように行われる。この制御過程によって、測定ビームの衝突角が、表面７"に対する垂直またはその面垂線を中心にして狭い公差範囲に常に留まることが達成される。そしてこの条件が満たされる場合には使用可能な測定が実施されるようになる。
【００５６】
案内手段としての連結器１１とアームエレメント１０によるプローブヘッド１２の制御は、受信された測定ビームＭＳの振幅経過が、放射に対する制御量として波長に依存することに基づき行うことができる。ここでは振幅の経過が実質的に波長に依存するようになるまで、レーザビームの衝突の角度を変化させることができる。択一的にまたは補完的に、表面７"の幾何形状に関する情報を使用して制御を行うことができる。これはとりわけ表面７"に対するモデルを使用して行われ、このモデルは有利には計算機で発生されるか、または先行の粗走査により作成される。モデルからのデータ、または測定すべき対象物を粗走査したデータが、測定ビームＭＳが面垂線に沿って配向されるようにプローブヘッド１２を位置決めするために使用される。この制御は、先行の距離測定を外挿することによっても行うことができる。このことは表面７"の最大および／または最小曲率半径を考慮して行う。
【００５７】
別の手段は、表面７"の経過を検出するために基礎となる粗測定を取り入れることである。このことは、図１０のパラレルで粗測定を行うプローブヘッド１８の実施形態により可能である。
【００５８】
プローブヘッド１８は実質的に図３の変形実施形態に相当するが、付加的に測定素子１８ａを有する。この測定素子の粗測定軸ＧＭは、測定ビームＭＳの放射軸に対して軸平行に配向されており、同様に旋回可能に連結器１１に配置されている。したがってこの測定素子１８ａは、測定ビームＭＳの放射軸とともに同じように運動することができる。ここで測定素子１８ａの数は異なるように選択することもでき、プローブヘッド１８は基本的に局所的粗測定のために少なくとも１つのコンポーネントを有する。この実施例では３つの測定素子１８ａがプローブヘッドの質点を中心に配置されており、これにより並列的に３点測定を行うことができる。これにより、表面７’’’への測定ビームＭＳの衝突点の近傍で局所的粗測定を使用した制御が可能である。
【００５９】
測定素子１８ａは多数の測定原理を使用することができ、この測定素子１８ａは、とりわけ超音波を使用して音響的に、とりわけ三角法測定原理、位相測定原理、または伝搬時間測定原理を使用して光学的に、とりわけ距離区間センサの偏向による接触機械的に、誘導的に、容量的に、または空気式に構成することができる。したがって局所的粗測定のための相応のコンポーネントは例として次のようなセンサを有することができる。
・空気式センサ、
・超音波センサ、
・触覚センサ、
・レーザ三角法センサ、
・共焦点距離センサ。
・レーザ伝搬時間距離センサ。
・レーザ位相測定距離センサ。
・容量性距離センサ。
・渦電流距離センサ、または
・誘導性距離センサ。
【００６０】
図１０に示された実施形態の他に、本発明によれば別の異なるセンサ構成を粗測定のために使用することもできる。例えば運動性に関係なく実現することもでき、これにより高精度測定過程に並行して独立に他の個所で、表面幾何形状を記録するための粗測定が行われる。とりわけこの粗測定は、他のサンプリング方法または点ごとの測定方法に基づくこともできる。これは例えば立体写真測量から公知である。
【００６１】
図面に示された実施例は説明に用いるものである。とりわけプローブヘッドの実施形態の説明は純粋に図面に基づき行われた。実際の条件に応じた構成を得ることができる。案内手段も適用目的または測定装置形式に応じて、図示の手段から格段に異なっていても良い。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図５ｅ】
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【図５ｆ】
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【図５ｇ】
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【図５ｈ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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