(57)【要約】  本発明は、測定対象物の自由形状面の形状を測定するための装置であって、所定の移動経路に沿って移動可能な、点測定による光学式及び／又は干渉式の走査アームと、測定しようとする前記自由形状面に集束される測定光線とを有している形式のものに関する。この場合、前記走査アームは、前記測定光線が、測定しようとする自由形状面に、垂直に又は走査アームの導入角度内で当たるように、前記走査アームの走査ポイントに関連して少なくとも一平面内で回転せしめられるようになっている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の自由形状面（１０，４０）の形状を測定するための装置であって、所定の移動経路（１１，４１）に沿って移動可能な、点測定による光学式及び／又は干渉式の走査アーム（２１，３１，５１，６１）と、測定しようとする前記自由形状面に集束される測定光線（２２，３２，５２，６２）とを有している形式のものにおいて、
前記走査アーム（２１，３１，５１，６１）は、前記測定光線（２２，３２，５２，６２）が、測定しようとする自由形状面（１０，４０）に、垂直に又は走査アーム（２１，３１，５１，６１）の導入角度内で当たるように、前記走査アームの走査ポイント（２４，３４，５４，６４）に関連して少なくとも一平面内で回転せしめられるようになっていることを特徴とする、測定対象物の自由形状面の形状を測定するための装置。
【請求項２】
前記測定対象物が回転可能である、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記走査アーム（２１，３１，５１，６１）が、干渉式の測定装置の一部であって、前記走査アーム（２１，３１，５１，６１）がライトガイドファイバー装置を介してモジュレーション干渉計に接続されている、請求項１記載の装置。
【請求項４】
所定の移動経路（１１，４１）に沿って移動可能な、点測定による光学式及び／又は干渉式計の走査アーム（２１，３１，５１，６１）を備えた、測定対象物の自由形状面（１０，４０）の形状を測定するための方法において、
前記走査アーム（２１，３１，５１，６１）を、該走査アームの走査ポイント（２４，３４，５４，６４）に関連して、走査アーム（２１，３１，５１，６１）の光軸（２３，３３，５３，６３）に対して垂直に少なくとも一平面内で回転させ、前記走査アーム（２４，３４，５４，６４）を該走査アーム（２４，３４，５４，６４）の光軸（２３，３３，５３，６３）に対して垂直に回転させると同時に、前記走査アーム（２１，３１，５１，６１）を前記移動経路（１１，４１）に沿って移動運動させることによって、前記走査ポイント（２４，３４，５４，６４）に関連した前記走査アーム（２１，３１，５１，６１）の回転を実施することを特徴とする、測定対象物の自由形状面（１０，４０）の形状を測定するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の自由形状面の形状を測定するための装置であって、所定の移動経路に沿って移動可能な、点測定による光学式及び／又は干渉計式の走査アームと、測定しようとする前記自由形状面に集束される測定光線とを備えている形式のものに関する。
【０００２】
本発明はまた、所定の移動経路に沿って移動可能な、点測定による光学式及び／又は干渉計式の走査アームを備えた、測定対象物の自由形状面の形状を測定するための方法に関する。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許第１９８０８２７３号明細書によれば、粗い表面の形状を検出するための干渉計式の測定装置は公知である。この場合、三次元的に干渉し合う光線発生器が設けられている。この光線発生器は、短時間干渉する広帯域の光線を放射し、モジュレーション干渉計の構成部材及び測定センサの構成部分を有する区分に分解し、測定センサが、ライトガイドファイバー装置を介してモジュレーション干渉計に連結されていて、モジュレーション干渉計から離れて使用することができる。
【０００４】
このような干渉計式の測定装置は、形状測定機に使用される。測定センサは光学式の走査アームに組み込まれており、この走査アームは、例えば電磁クラッチを介して測定機に交換可能に機械的に接続されている。光学測定機の構成部分としてのモジュール干渉計は、同様に測定機に接続されている。光学測定機と測定センサとの間の光学接続は、ライトガイドファイバー装置を介して実施される。
【０００５】
点測定式の光学走査アームを備えた公知の形状測定機においては、移動経路に沿って走査アーム検出ポイントを移動させるための装置が使用される。しかしながら光学式又は干渉計式の走査アームにおいては、導入角度が限定されており、従って測定しようとする表面の表面傾斜の許容変化は限定されている。従ってこのような装置では、基本的に円筒形、円錐形又は平らな面の測定しかできない。例えば球形、回転対称形又は非球形の表面の測定は不可能である。何故ならば、走査アーム光軸に対する表面の所定の傾斜角度を過ぎると、許容導入角度を越えてしまうからである。
【０００６】
また、例えば白色灯干渉計として構成された、平面測定を行う光学システムが公知である。このようなシステムは、測定しようとする表面に適合した光導波フロントを生ぜしめる対物レンズを必要とする。自由形状面のための対物レンズは、非常に費用がかかり、相応に高価である。
【０００７】
そこで本発明の課題は、点測定式の複数の走査アームによって、任意の自由形状面を光学式に測定することができる装置を提供することである。
【０００８】
さらに本発明の課題は、任意の自由形状面を光学式に測定するための方法を提供することである。
【０００９】
発明の利点
前記課題を解決した本発明の装置の手段によれば、測定光線が、測定しようとする自由形状面に、垂直に又は走査アームの導入角度内で当たるように、走査アームがその走査ポイントに関連して少なくとも一平面内で回転せしめられるようになっている。走査ポイントを走査アームの前もって規定された移動経路に沿って移動させることによって、走査ポイントは自由形状面に亘って移動させることができ、この際に、測定しようとする表面の面垂線と走査アームの光軸との間の角度が、走査アームの回転運動に亘って、走査アームによって予め与えられた導入角度（この導入角度内で測定が可能である）を超えないように、調節される。この際に、測定光線が測定しようとする表面に対して垂直に又は少なくともほぼ垂直に当たった時に、最良の測定結果が得られる。
【００１０】
走査アームが、その走査ポイントを中心にして一平面内で回転可能であり、かつこの同じ平面内に移動経路があれば、まず１本のラインに沿って測定を行う形式の装置の簡単な構造が得られる。これに対して、走査アームが互いに垂直に位置する２つの平面内で回転可能であって、相応の移動経路が設けられていれば、二次元的な表面も測定することができる。
【００１１】
測定対象物が回転可能であれば、測定対象物及びひいては自由形状面が相応に回転せしめられることによって、１つの走査アーム（この走査アームは、その走査ポイントを中心にして一平面内で回転可能であり、かつこの同じ平面上に走査アームの移動経路が位置している）によって二次元的な形状面を検出することができる。この場合、走査アームが球表面の１つのポイントに合わせられ、球表面が球の回転運動によって走査ポイントを通って移動し、それによって球表面が線状に走査されることによって、球の表面を測定することができる。
【００１２】
本発明の有利な変化実施例によれば、走査アームは干渉計式の測定装置の一部であって、走査アームはライトガイドファイバー装置を介してモジュレーション干渉計に接続されている。干渉計式の測定装置は、検査対象物の表面を光学式に測定することができる。この場合、ライトガイドファイバー装置によって、移動経路に沿った走査アームの自由な運動、並びに走査ポイントを中心にした走査アームの回転が可能である。
【００１３】
前記課題を解決した本発明の方法の手段によれば、走査アームを、該走査アームの走査ポイントに関連して、走査アームの光軸に対して垂直に少なくとも一平面内で回転させ、前記走査アームの光軸に対して垂直に、前記走査アームを回転運動させると同時に、前記走査アームを前記移動経路に沿って移動運動させることによって、前記走査ポイントに関連した前記走査アームの回転を行うようにした。このように、走査アームの回転運動と、移動運動とを重ねることによって、走査アームは、十分な走査角度を維持しながら、自由形状面の予め規定されたポイントに調整することができる。
【００１４】
本発明をいかに、図面に示した実施例を用いて詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の自由形状面を測定するための走査アームの動きを示す線図である。
【図２】第２の自由形状面を測定するための走査アームの動きを示す線図である。
【００１６】
実施例
図１は、第１の自由面１０を測定するための走査アーム２１，３１の動き示す線図である。
【００１７】
走査アーム２１，３１は、第１の測定位置２０及び第２の測定位置３０にある。
【００１８】
第１の測定位置２０のために、第１の位置の操作アーム２１に、第１の光軸位置２３及び第１の測定光線位置２２が対応配置されている。それに応じて、第２の測定位置３０のために、第２の位置の操作アーム３１に、第２の光軸位置３３及び第２の測定光線位置３２が対応配置されている。
【００１９】
第１の測定光線位置２２と第２の測定光線位置３２とは、それぞれ所属の第１の走査ポイント位置２４及び第２の走査ポイント位置３４において、第１の自由形状面１０にフォーカスされている。
【００２０】
走査線１１は、第１の自由形状面１０に適合された走査アーム２１、３１の運動を提供する。この移動経路１１に沿って走査アーム２１，３１が第１の測定位置２０から第２の測定位置３０まで移動する。
【００２１】
回転角度２５は、第１の測定位置２０における第１の位置の操作アーム２１の可能な回転運動を示す。これに対して、回転角度３５は、第２の測定位置３０における第２の位置の操作アーム３１の可能な回転運動を示す。回転運動は、図示の実施例では１８０°に制限されており、これは、第１の角度制限位置２６及び第２の角度制限位置３６によって示されている。
【００２２】
運動方向１２は、第１の自由形状面１０に沿った走査ポイント２４，３４の移動経路を示している。
【００２３】
第１の自由形状面１０の表面を光学的に測定するために、走査アーム２１、３１が第１の移動経路１１に沿って移動せしめられ、それによって、走査ポイント２４，３４が第１の自由形状面１０に沿って移動せしめられる。この際に、移動経路１１は、測定光線２２，３２が常に第１の自由形状面１０にフォーカスされるように、選定されている。
【００２４】
本発明によれば、走査アーム２１，３１は、図示の第１の回転角度位置２５及び第２の回転角度位置３５に応じて、それぞれ第１の走査ポイント２３若しくは第２の走査ポイント３３を中心にして回転せしめえられるようになっている。これによって、走査アーム２１，３１の光軸２３，３３は、次第に第１の自由形状面１０に対して垂直に整列されるようになっている。これによって、測定光線２２，３２は、常に第１の走査アーム２１，３１によって与えられた導入角度内で、自由形状面１０に当たるようになっている。
【００２５】
この場合、第１の移動経路１１に沿った運動と回転運動とが、走査ポイント２４，３４が、走査アーム２１，３１の光軸２３，３３の所望の角度内で図示の運動方向１２に応じて第１の自由形状面１０に沿ってガイドされるように、重畳される。これによって、目標輪郭形状に対する第１の自由形状面１０の形状のずれが、ほぼ任意に変えられ、この際に、走査アーム２１，３１の導入角度を越えることはない。
【００２６】
図２は、第２の自由形状面４０を測定するための走査アーム５１，６１の運動を示す線図である。
【００２７】
第３の測定位置５０及び第４の測定位置６０における走査アーム５１，６１が示されている。図１と同様に、第３の測定位置５０において第３の位置の操作アーム５１に、第３の光軸位置３５と第３の測定光線位置５２と第３の走査ポイント５４とが対応配置されている。第３の光軸位置５３と第２の自由形状面４０との間の最適な角度を調節するために、第３の回転角度位置５５は、第３の走査ポイント位置５４を中心とした第３の走査アーム位置５１の回転を可能にする。この場合、第２の自由形状面１０の表面の整列が、第３の接線位置５７によって示されている。第３の回転角度位置５５は、第３の角度制限位置５６に応じて１８０°制限されている。
【００２８】
第４の測定位置６０における第４の位置の走査アーム６１は、その第４の光軸位置６３が、第４の接線位置６７によって示されているように、第２の自由形状面４０の表面に対してほぼ垂直に整列されるように、整列されている。このために、第４の回転角度位置６５は、第４の走査アーム６１をその第４の走査ポイント位置６４を中心にした回転運動を可能にする。図示の選択的な実施例では、第４の走査アーム位置６１の最大変位位置が示されており、従って、第４の光軸位置６４は、第４の角度制限位置６６と互いに一致している。
【００２９】
走査アーム５１，６１は、第２の自由形状面４０に適合された第２の移動経路４１に沿って、走査ポイント５４，６４が第２の自由形状面４０を介してガイドされるように、走行せしめられる。この場合、走査アーム５１，６１が、走査ポイント５４，６４を中心にして同時に回転運動せしめられることによって、走査アーム５１，６１の光軸５３，６４は、測定光線５２，６２が、少なくとも走査アーム５１，６１によって前もって与えられた導入角度内で、第１の自由形状面４０にほぼ垂直に当たるように、調節される。
【００３０】
図示の実施例では、第２の自由形状面４０は球表面として構成されている。球が回転軸線４２を中心にして図示の回転運動４３に従って回転運動を実施することができるようになっている。このような配置構成によって、一運動平面内で、走査アーム５１，６１の図示の運動だけを許容する装置によって、回転対称的な構成素子を測定することができる。このために、例えば第３の走査アーム位置の第３の測定位置５０内において、球が回転軸線４２を中心にして３６０゜回転しめられ、表面が測定される。次いで、第３の走査ポイント位置５４が、第３の走査アーム位置５１の運動によって、第２の移動経路４１に沿って第４の測定位置６０に向かってしゅう動せしめられ、この場合、走査Ａ−宇５１，６１の光軸５３，６４と球表面との間の最適な角度が、走査アーム５１，６１の相応の回転運動によって調節せしめられる。この新たな位置で、球が再び３６０゜だけ回転せしめられ、表面が相応に測定せしめられる。この作業は、第４の測定位置６０が得られるまで繰り返し行われる。
【００３１】
このようにして得られた測定線は、例えば第３次元としての球面の粗さを有する球の二次元的な表面を完全に写し取ることによって得られる。
【００３２】
図示の実施例に応じて、例えば非球形の幾何学形状を有する、任意のその他の回転対称的な自由形状面４０を測定することができる。この場合、例えば表面の粗さ又は、全自由形状面４０に亘る所定の輪郭形状からのずれを検出することができる。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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