(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一および第二の物体（１６、３）の相対的な位置（ｘ、ｙ、ｚ）を測定するシステムであり、前記システムは、
可干渉性白色光源（４３）と、
前記第一および第二の物体（１６、３）の位置に依存する光路長を持つ計測ビームのための計測ブランチ（４９）、および、反射体の位置に依存する光路長を持つ基準ブランチ（５１）を備えたビームガイドと、
前記計測ブランチ（４９）を通過した後の光と前記基準ブランチ（５１）を通過した後の光の干渉重畳の強度を計測する光強度センサ（６５）とを備え、
前記計測ブランチ（４９）が、
前記第二の物体に装着可能な状態で相対的に固定された距離で配置される少なくとも３つの逆反射体（１９）と、
前記計測ブランチ（４９）に供給された光を前記第一および第二の物体（１６、３）間の空間に、前記少なくとも３つの逆反射体（１９）が含まれる角度範囲（Γ）で放射するために前記第一の物体に固定的に装着可能な少なくとも１つのエミッタ（１８）と、
前記逆反射体（１９）で反射され戻った光を受け取り、その受け取った光を前記光強度センサ（６５）に供給するために前記第一の物体に装着可能な少なくとも１つのレシーバ（１８）とを備え、
前記基準ブランチ（５１）の光路を、前記計測ブランチ（４９）の各走査範囲に亘って走査可能なように、前記基準ブランチ（５１）における前記反射体の位置を変更するためのドライブが設けられ、
前記システムが、前記ドライブを制御して前記計測ブランチ（４９）の全走査範囲に亘って前記基準ブランチ（５１）の光路を走査させ、かつ、前記計測ブランチ（４９）での全走査中に前記光強度センサ（６５）から得られる計測信号を受け取るように構成されたコンピュータ（６７）を備え、
前記コンピュータ（６７）がさらに、前記計測ブランチ（４９）での全走査中に得られる前記計測信号から、前記少なくとも１つのエミッタ（１８）と前記少なくとも３つの逆反射体（１９）との間の少なくとも３つの異なる距離を測定し、かつ、前記測定された距離から、前記第一および第二の物体（１６、３）の相対的な位置（ｘ、ｙ、ｚ）を測定するように構成されたシステム。
【請求項２】
前記エミッタおよび前記レシーバを組み合わせて共通のアセンブリ（１８）を構成する請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
少なくとも３つのエミッタ−レシーバアセンブリ（１８）が前記第一の物体上に設けられている請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記エミッタおよび前記レシーバが２つのアセンブリとして互いに別個に形成され相対的に固定された距離をもって前記第一の物体（３）上に装着される請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
少なくとも３つのエミッタアセンブリと１つのレシーバアセンブリが前記第一の物体（３）上に設けられている請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
１つのエミッタアセンブリと少なくとも３つのレシーバアセンブリが前記第一の物体（３）上に設けられている請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記コンピュータ（６７）が、前記第一および第二の物体の相対的な方位（α、β、γ）を測定するためにさらに設けられている請求項３、５および６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
エミッタの選択可能なサブセットに光を供給するための切り替えスイッチ（５５）が設けられている請求項３または５に記載のシステム。
【請求項９】
各エミッタに供給される前記光が選択的に遮断されるように、光遮断器がエミッタの各サブセットに割り当てられる請求項３または５に記載のシステム。
【請求項１０】
各レシーバから前記光強度センサ（６５）に供給される前記光が選択的に遮断されるように、１つの光遮断器（８１）がレシーバの各サブセットに割り当てられる請求項６に記載のシステム。
【請求項１１】
前記各逆反射体（１９）で反射され戻る光を選択的に遮断するように、１つの光遮断器（２８）が前記逆反射体（１９）の各サブセットに割り当てられる請求項１〜１０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２】
前記基準ブランチ（５１）に供給される基準ビームおよび前記計測ブランチ（４９）に供給される前記計測ビームにおいて前記光源（４３）によって放射される光を分割するビームスプリッタ（４７）をさらに設け、前記干渉重畳は、前記基準ブランチ（５１）を通過した後の光をさらに含む請求項１〜１１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３】
前記基準ブランチ（５１）が、前記基準ビームの可変光路長を提供するデバイス（６０）を含む請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記計測ビームを第一部分ビームと第二部分ビームとに分割するビームスプリッタ（４７ａ）と、前記第二部分ビームのための可変光路長を提供するデバイス（６０ａ）と、前記第一および第二部分ビームを重畳するデバイス（７１）とが前記光源（４３ａ）と前記エミッタとの間に設けられ、それにより、前記第一および第二部分ビームが一緒に前記エミッタ（１８ａ）に供給される請求項１〜１１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５】
前記第一の物体（１６）が前記光源（４３）に対して移動可能であり、前記光源（４３）から前記エミッタ（１８、１０９）へ、および／または前記レシーバ（１８、１０９）から前記光強度センサ（６５）へ光を供給するために偏光維持ファイバ（１０３）が設けられている請求項１〜１４のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６】
１／４波長板（１１３）がエミッタ（１０９）とレシーバ（１０９）との間のビーム路に設けられている請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
１つの物体側に第一端部（１０５）、前記第一端部（１０５）の反対側に第二端部（１０２）を有し、前記第二端部（１０２）から前記第一端部（１０５）まで光を伝送し、そこで光を物体（１９）に向けて放射する目的で備えられ、また同様に前記第一端部（１０５）で前記物体（１９）から反射されて戻った光を受光してそれを前記第二端部（１０２）に送る光誘導装置（１０３）をさらに備え、前記第一端部（１０５）は前記第二端部（１０２）に対し移動可能であり、
前記光誘導装置（１０３）の、前記第二端部（１０２）に対し移動可能な少なくとも一部が偏光維持光導体（１０３）を含み、前記第一端部（１０５）で放射され前記第一端部（１０５）で受光されるまでの光に対して１／２波長板の効果がある位相板装置（１０３）がさらに設けられる請求項１〜１６のいずれかに記載のシステム。
【請求項１８】
１／４波長板（１１３）が前記第一端部（１０５）の正面に配置されている請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記第二端部（１０２）に入射する光が非偏光光である請求項１７または１８に記載のシステム。
【請求項２０】
光ビームの可変光路長を提供するデバイスをさらに備え、当該デバイスは、
互いに所定の距離を持って配置されている少なくとも２つのローラ(２０３、２０４)によって引っ張られ、前記２つのローラ（２０３、２０４）の共通の接線に沿って動作範囲（２１５）において本質的に直線状に延伸しているエンドレスベルト（２０９）と、
円周方向（２１３）に前記ローラ(２０３)を駆動するドライブと、
前記エンドレスベルト（２０９）上に固定的に装着され前記ベルト（２０９）と共に前記ローラ（２０３、２０４）の周りを走行する少なくとも１つの第一反射鏡装置（２１７）と、
前記動作範囲（２１５）に配置されたときに、前記動作範囲（２１５）における前記エンドレスベルト（２０９）の延伸方向に対し実質的に平行な方向であってかつ前記第一反射鏡装置（２１７）へ向かう方向に前記光ビームを向けるビーム誘導デバイス（２２１）とを備え、
前記ビーム誘導デバイス（２２１）に向けられた前記光ビームが再度入射するように前記第一反射鏡装置（２１７）がその光ビームを反射し、
前記光ビーム誘導デバイス（２２１）に対し固定的に配置された第二反射鏡装置（２２３）が設けられ、
前記光ビームが前記第一および第二反射鏡装置（２１７、２２３）間で互いに反射されて行き来し、少なくとも一度は前記ビーム誘導デバイス（２２１）から射出してまた入射するように前記第一および第二反射鏡装置（２１７、２２３）が配置されている請求項１〜１９のいずれかに記載のシステム。
【請求項２１】
前記第一反射鏡装置（２１７）が少なくとも２つの反射体（２３１、２４５、２５３）を持ち、それらが前記接線に垂直な方向に互いに一定の距離をもってずらされており、
前記第二反射鏡装置（２２３）が、前記接線に垂直な方向（２２３）に所定の距離をもってずらした少なくとも１つの反射体（２４１、２４９）を備えた請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記第一反射鏡装置（２１７）の反射体が、前記ビーム誘導デバイス（２２１）から射出され再度入射するまでの光ビームの光路長の半分のエリアに配置された逆反射体（２５３）である請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記逆反射体（２５３）が、３対の平板反射鏡を含み、前記３対の反射鏡はそれぞれ互いに垂直に配置されている請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記第一および／または前記第二反射鏡装置（２１７、２２３）の前記反射体（２３１、２４５、２４１、２４９）が２つの平板反射鏡（２２９、２３１、２３７、２３９）を持つ少なくとも１つの反射体を備え、それらの平板反射鏡が互いに実質的に垂直関係にあり前記接線に対し実質的に４５゜の角度である請求項２１〜２３のいずれかに記載のシステム。
【請求項２５】
前記ベルト(２０９)上に少なくとも３つの第一反射鏡装置（２１７）が、前記ベルト(２０９)の回転方向に互いに所定の距離をもって設置され、前記ベルト(２０９)の回転方向に互いに隣接した前記反射鏡装置（２１７‘、２１７“）間の距離が、０．９・ｅ〜１．２・ｅの長さ範囲から選択され、この場合ｅとは前記２つのローラ（２０３、２０４）の互いの軸方向距離である請求項２０〜２４のいずれかに記載のシステム。
【請求項２６】
円周方向（２１３）に互いに隣接した前記反射鏡装置（２１７‘、２１７“）間の距離が、１．１・ｅである請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
４つの第一反射鏡装置（２１７）が前記ベルト（２０９）上に設置され、前記ベルト（２０９）が２つのローラ（２０３、２０４）によって引っ張られ、それらの間の距離ｅの値がｅ＝ａ・Ｄであり、ここでＤは２つのローラ（２０３、２０４）の直径で、ａは１．３〜１．４の範囲内の数値である請求項２５または２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記ベルトが金属バンド（２０９）を備える請求項２０〜２７のいずれかに記載のシステム。
【請求項２９】
光ビームの可変光路長を提供するデバイスをさらに備え、当該デバイスは、
軸（３１３）周囲を少なくとも１つの円周角エリアに延伸している第一反射鏡面を持ち、円周角（ψ）の増加にしたがって円周角エリアの前記第一反射鏡面の前記軸（３１３）からの距離（ｒ）が螺旋状に増加する第一反射鏡（３２３）と、
前記軸（３１３）に垂直な面を通るように前記第一反射鏡（３２３）の前記第一反射鏡面上に向けて前記光ビームを誘導するビーム誘導デバイス（３１７）とを備え、
前記第一反射鏡（３２３）および前記ビーム誘導デバイス（３１７）は前記軸（３１３）周囲を相対的に回転可能であり、前記ビーム誘導デバイス（３１７）は前記第一反射鏡（３２３）と相対的に配置および配向され、その結果、前記ビーム誘導デバイス（３１７）から放射される前記光ビームが前記第一反射鏡に衝突し少なくとも１度は前記第一反射鏡（３２３）で反射した後に前記ビーム誘導デバイス（３１７）に再度入射し、
前記軸（３１３）に垂直な前記面内に第二反射鏡（３１９）が前記ビーム誘導デバイス（３１７）に対し固定的に回転可能な状態で位置しており、その結果、前記第一反射鏡（３２３）での反射後に前記光ビームが前記第二反射鏡（３１９）に衝突し前記第二反射鏡（３１９）で反射されて前記第一反射鏡（３２３）に戻る請求項１〜１９のいずれかに記載のシステム。
【請求項３０】
前記第二反射鏡（３１９）が平板第二反射鏡面を備え、前記第一反射鏡面（３２３）が対数螺旋形状を有する請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
加工品台に対し空間的に移動可能な計測ヘッドを持つ座標計測デバイスであり、前記計測ヘッドは前記加工品台に装着可能な加工品を走査するために設けられ、請求項１〜３０のいずれかにしたがって第一および第二の物体の相対的な位置を測定するシステムが備えられており、それによって前記加工品台に対する前記計測ヘッドの位置を測定し、前記逆反射体は前記加工品台に固定的に接続され、前記エミッタおよび前記レシーバは前記計測ヘッドに固定的に接続され、または、前記逆反射体は前記計測ヘッドに固定的に接続され、前記エミッタおよび前記レシーバは前記加工品台に固定的に接続される座標計測デバイス。
【請求項３２】
加工品台（３）、および前記加工品台（３）に対し空間的に移動可能であって、前記加工品台（３）に装着される加工品（５）を加工するツール（１６）を持つマシンツールであり、第一および第二の物体の相対的な位置（ｘ、ｙ、ｚ）を測定するシステムが請求項１〜３０のいずれかにしたがって設けられ、その結果、前記加工品台（３）に対する前記ツール（１６）の位置が測定され、前記逆反射体（１９）が前記加工品台（３）に固定的に接続され、前記エミッタ（１８）および前記レシーバ（１８）が前記ツール（１６）と固定的に接続され、または、前記逆反射体が前記ツール(１６)に固定的に接続され、前記エミッタ（１８）および前記レシーバ（１８）が前記加工品台（３）に固定的に接続されるマシンツール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、２つの物体の相対的な位置を、干渉計を用いて測定するシステムに関する。特に、本発明は２つの物体の相対的な位置さらには方位を、干渉計を用いて測定するシステムに関する。
【０００４】
さらに、本発明は座標計測器および、２つの物体の相対的な位置および／または方位を測定するシステムを用いるマシンツールに関する。
【０００５】
２つの物体間距離の干渉計変異によって検出を行い、その場合に２つの物体の一方に逆反射体を装着し、もう一方には可干渉性放射線用エミッタを逆反射体側に向けて設けることは知られている。その逆反射体によりもう一方の物体に向けて逆反射された放射線は個々のレシーバを介して受光され、干渉によって放射源の放射線と重畳させられ、放射線強度センサによって検出される。２つの物体間の距離が変化した場合は、２つの物体間で前後に反射されるビームの光路長に、干渉に起因して強度の最大・最小値が生成される。強度変化の数値が検出されるのであれば、距離における変化の程度の結果が導き出される。基準走行で２つの物体をまず互いにあらかじめわかっている距離をもって配し、その後そのわかっている距離からの変化が検出されれば、２つの物体間の絶対距離の計測が可能である。
【０００６】
WO 88/07656より、２つの物体間の相対的な位置および方位の相対的な変化を検出するシステムが知られている。この目的で、逆反射体が互いに一定の距離をもって第一物体の上に装着され、第二物体の上には６つの別々の干渉計−エミッタが互いに一定の距離をもって設けられている。それぞれの放射線は逆反射体の一方に向けられている。ここで、第一、第二及び第三のエミッタはそれぞれその放射線を第一逆反射体に向け、第四および第五のエミッタは放射線を第二逆反射体に向け、第六のエミッタは放射線を第三逆反射体に向けている。したがって、６つの干渉計を設けることにより、第一または第二物体上の地点間で６種類の距離の変化がそれぞれ検出可能である。基準位置での２つの物体上の異なる地点間の距離が計測の開始時に分かっていたのであれば、後で２つの物体を相対的に移動させて６つの距離を完全に測定することが可能である。その後、６つの距離の絶対値より、２つの物体の相対的な位置および方位を測定することができる。
【０００７】
このシステムで、たとえば環境的な影響により距離または方位が変化している最中に６本のビームの内１本の遮断が発生した場合、強度の最大値または最小値のそれぞれ、それ以上カウントできなくなるので、２つの物体間の絶対距離の測定がこの時点より以降は不可能になる。さらに、それぞれのエミッタはその放射線を指定された専用の逆反射体のみに向けなければならないので、エミッタは相当するビーム方向制御を備え、それにより自身の放射線を相当する逆反射体に常に向けられた状態に維持する。ビームが遮断された場合、方向制御が相当する逆反射体との接触を失うことも有り得る。
【０００８】
可干渉性放射線が従来のワンモード光導体によってエミッタに供給され、最終的に後者によって検出器に供給される場合、光伝達ファイバの伝達特性に変化が生じ、また一方で、検出器やエミッタと放射源との間の相対的な位置に変化が生じた場合、またはその他の環境的な影響によっても伝達特性に変化が生じる。その結果、検出器に供給される信号が強いフラクチュエーションを受けることも考えられる。このフラクチュエーションはまた、強度の最大値または最小値とも解釈され、それぞれ、２つの物体間の動きによって引き起こされる。これも、距離変化の計測不良を引き起こす。
【０００９】
６つの検出距離により、反復相の計算プロセスを用いた２つの物体間の相対的な位置および方位の測定が可能になる。その一例は従来のガウス−ザイデル法である。そのような方法は多くの計算を必要とし、検出された位置および方位がそれぞれ所定単位の時間内に更新可能な速度が制限される。
【００１０】
さらに、周知の干渉計測法では、２つの物体間の距離が干渉計の計測ブランチに光路を提供し、この光路が干渉計の基準ブランチに設けられた周知の可変光路と比較されることによって、２つの物体間の絶対距離の測定が可能になる。基準ブランチで光路を設けるというこの目的で周知のデバイスは、一つには偏差が小さすぎる、すなわち光路長の偏差範囲が小さすぎて、２つの物体間で距離の変化が大きいとそれを調整することができない、および／または速度が遅すぎて、光路で大きな変化を敏速に提供することができず、結果的に距離計測率が制限される。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、２つの物体の相対的な位置を測定するためのトラブルの無いシステムを提供することである。さらなる目的は、絶対距離の計測を可能にするシステムを提供することである。また別の目的は、２つの物体の相対的な方位をも測定することができるシステムを提供することである。
【００１５】
第一の局面では、本発明は２つの物体の相対的な位置を測定するシステムを提供する。それによれば、その２つの物体の一方の少なくとも１地点ともう一方の物体の少なくとも３地点との間で少なくとも３つの距離が干渉的に測定される。これを目的として、十分な可干渉性放射線を有する放射源が設けられ、それによってその地点の距離次第で干渉信号を発生する。このために、その放射源から偏向した放射線は計測ブランチを通過した後の放射線と重畳する。その放射線は光路として、第一物体に設けた地点と第二物体に設けた地点との間の距離を含む。その結果生じた干渉信号をコンピュータが評価して、その値から、それらの該当する地点間の距離、ひいては２つの物体の相対的な位置を測定する。第二物体の地点は、その上に装着された少なくとも３つの逆反射体によって測定される。それら逆反射体の相対的な距離はあらかじめ決まっておりまた周知である。第一物体についてあらかじめ決まっている地点は、一つには、放射源から提供される放射線用のエミッタであり、それはこの放射線を三次元の空間の角度範囲、またはステラジアンにそれぞれ放射し、少なくとも３つの逆反射体がこの角度範囲に含まれる。ここで、角度範囲は非常に大きくなるので、その中の逆反射体は、所望の移動量で２つの物体が相対的に移動している場合であっても、その角度範囲にまだ含まれている。さらなる地点として、放射線用のレシーバはエミッタによって放射され逆反射体によって反射される放射線を受ける第一物体で測定され、最終的にそれを放射線強度センサに供給し、放射源から偏向したさらに別の放射線と重畳させる。
【００１６】
少なくとも３つの逆反射体を含む角度範囲に放射線を放射する少なくとも１つのエミッタによりビーム指向手段が完全に不要になる。ビーム指向手段とは、従来技術において計測ビームを唯一の逆反射体に供給するもので、この逆反射体に常に従うにはそのように制御を行う必要がある。
【００１７】
それにもかかわらず、第一及び第二の物体の地点の少なくとも３つの距離を干渉的に測定することができる。その場合、さらに別の情報を用いて、それらの物体の相対的な位置を明確に導き出すことができる。
【００１８】
特に、エミッタおよびレシーバの地点を一致させることでこれら２つの構成要素を組み合わせて共通のアセンブリを形成することができる。一方、これらの構成要素を第一物体上に、相対的に固定された周知の距離をもって装着された別個のアセンブリとして設計することもまた好ましいといえよう。
【００１９】
２つの物体の相対的な位置とはまた別に相対的な方位も測定される場合、固定した周知の距離関係を有する少なくとも３つの地点が第一物体に設けられるので、２つの物体間で、少なくとも６つの距離、好ましくは少なくとも９つの距離を測定することが可能である。
【００２０】
このために、特に、少なくとも３つのエミッタを第一物体または少なくとも３つのレシーバに、互いに一定の距離をおいて配置すればよい。またこの場合、エミッタとレシーバをそれぞれ１つずつ組み合わせて一つのアセンブリを形成するか、１つのエミッタと少なくとも３つのレシーバかまたは１つのレシーバと少なくとも３つのエミッタを一緒に第一の物体に設けてもよい。
【００２１】
位置または方位を測定する際の明瞭性を考慮した場合に必要となるであろうさらなる情報は、それぞれ位置または方位によって付与され得るもので、いずれの目的も先の計測工程で想定済みである。
【００２２】
しかしながら、計測ブランチにおいて少なくとも１本のビームを選択的に遮断するために手段を講じることが好ましい。それにより、このビームに相当する干渉信号がそれ以降に生じなくなる。その結果、もはや生じないこの干渉信号を、２つの物体に設けた２つの地点間の距離に明確に指定することが可能になる。
【００２３】
これが切り替えスイッチによって実施されるのが好ましい。すなわち複数のエミッタを第一物体に設けると、それらのエミッタの選択可能なサブセットに放射線が供給される。第一物体に複数のレシーバが設けられているのであれば、レシーバの選択可能なサブセットから受光した放射線をその後の干渉重畳に供給するように切り替えスイッチを設けるのが好ましい。また、放射源とエミッタのサブセット間に放射線遮断器を設けるのが好ましい。こうすることによっても、１つまたは複数のエミッタに供給される放射線を遮断する効果が得られる。さらに、複数のレシーバを設ける際に相当するレシーバと放射線の重畳を干渉する地点との間に放射線遮断器を設けるのも好ましい。
【００２４】
あるいは、少なくとも１つの逆反射体を、入射する放射線を反射して戻す第一条件と、入射する放射線を反射しない第二条件との間で切り替えるように逆反射体の少なくとも１つのサブセットを設計することもまた好ましい。
【００２５】
さらに、２つの物体の間を行き来するビームの少なくとも１つのサブセットを、たとえば機械的チョッパによって、代わりに遮断することもできる。
【００２６】
双方の物体に設けた地点間距離を確実に計測するという観点から、距離に左右される計測ブランチで生じる光路を、基準としてシステムにより別個に設けた光学基準長と比較することも好ましい。この光学基準路長が調整可能であるのが好ましい。
【００２７】
その後、そのシステムが、可干渉性トモグラフィーまたは白色光干渉計測の原理に従って作用するのが好ましい。
【００２８】
好ましくは、そのシステムがその目的のために、基準ブランチに放射源から放射される放射線を分割するビームスプリッタを備え、基準ビームがそれに応じて供給され、同様に、前記の計測ブランチには計測ビームが供給されて、これが２つの物体間の光路を行き来する。その後、可変光路長を提供するデバイスが基準ブランチに設けられる。
【００２９】
あるいは、放射源とエミッタの間に可変光路長を提供するためのデバイスを設けることも好ましく、そのエミッタは放射源から放射される放射線の２本の部分ビーム、すなわちデバイスを通過し可変光路長を提供する第一の部分ビームと、このデバイスをまだ通過していない第二の部分ビームを供給する。したがって、エミッタは空間距離での放射線の伝播方向に配置されたセクション間で固定された可干渉関係または位相関係をそれぞれ備えた波列を発する。その後、光路長差異をその可変光路長に対応する計測ブランチに設けたときに、放射線強度センサが最大強度を記録する。
【００３０】
別の局面では、本発明は、２つの物体の相対的な位置および方位を測定する方法を提供する。この方法ではまず、第一物体の側の少なくとも３つの異なる地点および、第二物体の側の少なくとも３つの異なる地点を測定する。
【００３１】
これら少なくとも９つの距離を測定する方法は、干渉的な測定方法に限定されずどのようなプロセスであってもよい。距離を測定するこの方法が、たとえば、走行時間計測等を含んでいてもよい。しかしながら、たとえば、生じる強度最大値と最小値の数を測定することによる干渉方法を用いるのが好ましい。それらの距離が、たとえば白色光干渉方法等、基準距離との比較によって検出されるのでもよい。
【００３２】
この方法は、２つの物体の相対的な位置および方位が非反復計算法によって実施されるという局面においてそれ自体特徴的である。この非反復計算法は、計算の実行に要する時間が反復の収束基準に左右されず、したがって実質的にいつも同じで同種の反復法と比べて通常その結果が敏速に得られるという利点がある。従来の方法では、２つの物体間の少なくとも６つの距離に基づいて位置と方位を反復的に計算する。それとは対照的に、本発明では、計算は少なくとも９つの検出距離に基づくが、非反復的に実施される。
【００３３】
このためには、データ構造を最初に計算するのが好ましい。これは、第一物体に固定された地点の所定の距離、および第二物体に固定された地点の所定の距離から導き出されるに過ぎない。この最初に生成されるデータ構造はしたがってそれぞれ、２つの物体の相対的な位置や方位とは無関係である。このデータ構造の生成はかなり困難で、より多くの計算時間が必要となる可能性がある。なぜなら、位置と方位を変化させる一連の多重計測および計算の開始時に、一度だけ実施する必要があるからである。敏速な遷移の間に幾度も変化した位置および方位を後から測定する場合は、その都度必要な計算操作はかなり少なくなる。というのも、最初に、検出された距離からそれが依拠する別のデータ構造が測定される。２つの物体の位置および方位はその後、位置／方位に依らないデータ構造および位置／方位に依るデータ構造を用いた計算によって測定される。このような方法の計算工程はすべて、非反復的に実行される。
【００３４】
別の局面に基づき、本発明では、放射源からの光を物体側の光誘導装置の第一端部に誘導する光誘導装置を含むビーム誘導装置を設ける。その装置では、まずある物体を無作為に反復運動させ、この運動を光誘導装置の第一端部によって再度受け取りこの光誘導装置によって検出器に光を供給することでその物体から戻る光の特性における変化を検出する。そのビーム誘導装置は、したがって、放射源からの光が目標としてサンプルボリュームまたはサンプル媒体に供給された後にサンプルボリュームまたはテスト媒体による影響を受けたその光を検出器に供給するセンサに特に適用可能である。テストボリュームまたはテスト媒体は、たとえば圧力、温度、または化学組成といった無作為の物性を検出する目的で用いることができる。そのセンサはまた、反射性物体が光誘導装置の物体端部から所定の距離だけ離れている計測媒体として配置され、それによりその物体端部とその物体との間の光路長が測定される。
【００３５】
本発明のビーム誘導装置の利点は、光誘導装置が静止状態に保たれずに、曲げ、圧力の衝撃またはその他の環境的な影響といった移動を受けている時に特に顕著である。
【００３６】
実質的に非偏光の光が光誘導装置の物体側端部に供給される従来のビーム誘導装置では、その光誘導装置は非偏光維持光導体である。移動または環境の影響があった場合、その光導体の複屈折性が変化しその結果偏光化のさまざまな条件の間で、光導体を通って行き来する光の間で位相差が生じ、それが破壊性の干渉を引き起こし、その結果移動および環境の影響が原因で信号が崩壊する。発明者らは、偏光を維持している光導体を介して物体側の端部に光を供給することによって、この問題の大部分が解決可能であることを見出していた。そのような偏光維持光導体はその複屈折性を考慮してバイアスされているので、二重回折性が移動およびその他の環境の影響によって変化することがほとんど無いままに残っている。偏光維持光導体に入射する非偏光光はそこで２種類の偏光状態に分割され、偏光維持光導体の物体側端部に向かう路を伝わる。その結果、光導体では２種類の偏光状態に対してかなり異なる可変光路長を提供することができる。
【００３７】
光の物体側端部での射出と物体側端部への再度の入射の間に、１／２波長板効果を持つ位相差板装置を設けることにより光の向きが変えられ、その結果、その光は光導体のいずれか一方の偏光チャンネルを途中で通過し、戻るときには他方の偏光チャンネルを通過する。したがって、光の偏光がどちらの状態であっても、その光は途中で偏光チャンネルを伝わりまた正確に戻るので、それぞれ実質的に同一の光路長を伝わることになる。偏光維持光導体の位置およびそれに及ぶ環境の影響を変化させることによって、従来の光導体に生じる前記破壊的干渉が大幅に回避される。
【００３８】
好ましくは、１／４波長板をその偏光維持光導体の物体側端部正面に設ける。その板は一旦物体側で光の射出とその物体の間を通過させたもので、その光によって、物体から入射に向かって光路を逆戻りして物体側端部に至り、その結果全体的な効果は１／２波長板と同じになる。このビーム誘導装置は、エミッタとレシーバが１つのアセンブリに組み合わされ後者が放射源に対し移動可能なときに２つの物体の相対的な位置および／または方位を測定するシステムで用いるのが好ましい。ここで、逆反射体の１つを共に備えたエミッタ−レシーバアセンブリは、距離センサとして作用する。
【００３９】
しかしながら、ビーム誘導装置は汎用タイプの干渉計装置で用いられるのが好ましい。その場合、干渉計ブランチは互いに相対的に移動可能な構成要素を備える。この場合、その干渉計装置が白色光干渉計装置または光学トモグラフィー装置のいずれかであると一層好ましい。
【００４０】
別の局面では、本発明は相当敏速におよび／または相当広い範囲で光路長を変えることのできるデバイスを提供する。したがって、別の局面から見れば、本発明は可変光学遅延を提供する。
【００４１】
第一の部分的な局面に基づき、本発明をベルトスキャナから説明する。これは互いに離して設けた２つのローラ間で、実質的に直線状にその２つのローラで共通の接線に沿って延伸しそこで動作範囲を形成するよう引っ張られたエンドレスベルトを含む。ベルト上には、少なくとももう一つの反射鏡装置が固定的に装着されていて、これはドライブによって動力を付与されるローラを軸として回転し、その結果、ベルトは動作範囲を直線状に動く。その上、光ビームの向きが動作範囲のベルト延伸方向に平行になるようビーム誘導デバイスが設けられているので、動作範囲に配置されたときに光ビームが反射鏡装置の表面に衝突する。ここでは、反射鏡装置によって反射されて戻る光ビームがビーム誘導装置に再度入射するように、反射鏡装置とビーム誘導デバイスが相対的に配置されている。
【００４２】
ここで、本発明は、第二反射鏡装置がビーム誘導デバイスに対し固定的に配置されるよう設けられ、第一及び第二反射鏡装置がそれぞれ、ビーム誘導装置から射出するビームと入射するビームが少なくとも一度は反射されて第一及び第二の反射鏡装置の間を行き来するよう設計されているという点で区別される。
【００４３】
ここで、そのデバイスによって提供される光路長の動作範囲の所定の長さは、かなり広範囲で可変であり、具体的には、動作範囲の長さの２倍以上に相当する。
【００４４】
ここで好ましくは、ベルト上に装着されている反射鏡装置が、ベルトに対し直角に配置され動作範囲中でずれている少なくとも２つの反射体を含み、そのビーム誘導デバイスに設置されている反射鏡装置が、動作範囲内でベルトの延伸方向に対しやはり直角にずれた少なくとも１つの反射体を含む。
【００４５】
得られる中で最大強度のビームを再度ビーム誘導装置に結合できるようにするために、反射体をビーム誘導デバイスから射出され同デバイスに入射するまでの光ビームの光路長の約半分のところに配置し、逆反射体として形成する。この逆反射体が３対の平板鏡によって形成され、各対が互いに垂直になるよう配置されているのが好ましい。
【００４６】
逆反射体として設計されているのではない第一及び第二の反射鏡装置の反射体は、互いに垂直な２枚の平板鏡として設計されるのが好ましい。
【００４７】
デバイスは、反射鏡装置が光ビームをビーム誘導デバイスで反射して戻る動作範囲内で利用できる時間がなるべく長くなるように設計されるのが好ましい。その時間をデバイスの装荷率とみなすことも可能である。これはつまり、反射鏡装置が動作範囲内に存在しない時間をできるだけ短縮するということである。一方で、同時に２つの反射鏡装置が動作範囲内にあってはならない。なぜなら、動作範囲の長さが決まっている場合に、その一部エリアのみが可変光路長を提供するのに利用可能だからである。それを考慮すると、ベルト周辺に隣接して配置された２つの反射鏡装置間の距離を調整して、この距離が２つのローラのそれぞれの軸間の距離ｅに相当するようにすれば好都合であろう。
【００４８】
しかしながら、反射鏡装置は動作範囲に入る前にローラの片方の周辺の円形路を動く。これは動作範囲へ移る際に反射鏡装置で作用する加速の変化と関連があり、結果的にベルト表面での反射鏡装置の振動の原因となり得る。
【００４９】
これを考慮すると、隣接する反射鏡装置間の距離が２つのローラの軸方向の距離ｅよりも小さくなるよう選択するのも好都合といえよう。０．９ｅが、その選択距離の最小値として好都合であることが既に判明している。
【００５０】
一方で、後続の反射鏡装置間の距離が２つのローラ同士の間の距離ｅよりも大きくなるように選択しても好都合であろう。そうすることにより、先の反射鏡装置が動作範囲から出た後で後続の反射鏡装置がまだ動作範囲に入っていない時間ができる。この時間を、エレクトロニクスまたはデバイスを出る放射線のビーム誘導のスイッチングに利用することができ、そうすることで、回転期間経過後に後続の反射鏡装置が動作範囲に入り動作範囲を通る路全体を、光路長の変化として用いることができる。２つの反射鏡装置同士の距離の上限として、１．２・ｅ、および好ましくは１．１・ｅという値が好都合であることが判明している。
【００５１】
２つのローラ同士の距離ｅの値がｅ＝ａ・Ｄとなるとき、ベルト長さおよびベルト上に配置される４つの反射鏡装置におけるローラの直径の好ましい関係が得られる。ここで、Ｄは２つのローラの直径であり、ａは１．３〜１．４の範囲の数値である。
【００５２】
ベルトの回転速度を上昇させそれによって、高い計測精度という観点より反射鏡装置の正確な誘導で光路長を敏速に変化させるために、ベルトが金属バンドとして設計されるのが好ましい。
【００５３】
別の部分的な局面に基づき、本発明は可変光路長を提供するデバイスを提供するもので、その第一反射鏡は軸周囲を螺旋状に延びる反射鏡表面を備える。螺旋状の反射鏡表面内で放射状に、その螺旋状の反射鏡に対し回転可能なビーム誘導デバイスが設けられ、そのビーム誘導デバイスは調整可能な円周角下で光ビームを螺旋状反射鏡に向ける。その螺旋状反射鏡は自身に向かってくる放射線を反射して第二反射鏡に戻す。第二反射鏡はビーム誘導装置と同様に螺旋状反射鏡に対し回転可能に配置されている。この第二反射鏡から、光ビームが螺旋状反射鏡に向かって戻され、そこで再度この光ビームを反射する。すなわち、光ビームが再びビーム誘導デバイスに入射しこのデバイスを通り抜ける。
【００５４】
ビーム誘導デバイスおよび第二反射鏡の回転位置を、螺旋状反射鏡に対し回転するよう固定された状態で変化させることにより、ビームがビーム誘導デバイスを射出して再度入射するまでの間の光路長が可変になる。
【００５５】
好ましくは、その螺旋反射鏡がビーム誘導デバイスに光を供給する光源と一緒にハウジング内に固定的に配置され、そのビーム誘導デバイスが第二反射鏡と一緒にハウジングに対し回転可能に支持されている。それにより、回転目的で比較的わずかな量を駆動させるだけで、光路長で比較的大きい変化が得られる。回転量は、相応に均衡が取れていれば比較的短時間で駆動可能であり、そうすることで、その光路長を早急に変化させることができる。
【００５６】
好ましくは、螺旋状反射鏡が対数の螺旋形状であり、第二反射鏡が実質的に平板状の反射鏡表面を備え、それによって、その螺旋状反射鏡で反射されビーム誘導デバイスに戻る光ビームを正確に配列させることが可能で、その結果そのビームが後者に効率よく結合される。
【００５７】
本発明の実施態様は実質的に図面を参照して記載されている。
【００５８】
（好ましい実施態様）
図１に、加工品台３上に装着された加工品５を加工するマシンツール１を示す。マシンツール１はベース７を備え、その上に加工アーム９が、垂直軸ｚの周囲を参照符号８で示した方向に回転可能な状態で設けられている。アームは複数の部分アーム１０、１１、１２およびそれらの部分アームを連結するジョイント１３、１４、１５を有する。アーム９とは反対側の端部に、加工ツール１６が装着されており、概略的に示されているツールチップ１７で加工品５の加工を行う。加工品５を正確に加工するという観点より、加工品５または加工品台３のそれぞれに対するツール１６の位置を測定する計測システム２２が設けられている。位置計測システム２２は、マシンツール１のツール１６に固定された放射線エミッタ１８、および、３つの逆反射体１９を含む。逆反射体１９は、共通の直線上に存在しない、換言すれば、一平面内に拡張していたり規定されていない互いに固定された空間関係で逆反射体１９用の保持板２０上に装着されている。逆反射体１９用の保持板２０は、保持棒２１を介して加工品台３と固定的に接続されている。
【００５９】
放射線エミッタ１８は、全逆反射体１９が板２０で放射線にあたるよう大きい角度で選択された頂角Γを有する三次元の空間の角度範囲にその放射線を放射する。また、ツール１６がマシンツールの加工ボリュームで移動するよう、ツールアーム９が移動を行う。ここでエミッタ１８は逆反射体１９に対し移動されている。エミッタ１８から放射され逆反射体１９の一つに衝突する放射線は、光ビーム２３としてこの逆反射体１９で逆反射されてエミッタ１８に戻る。エミッタ１８は、放射線レシーバと組み合わさってアセンブリを形成し、その放射線レシーバは逆反射体１９で反射されて戻る光ビーム２３を受光してそれをさらに光学システム４１に送り、コンピュータ６７で評価する。評価の目的は、エミッタ−レシーバアセンブリ１８と逆反射体１９との間の距離の測定である。これらの距離はそれぞれ、光ビームがエミッタ１８と逆反射体１９との間の距離を通過し再度エミッタ−レシーバアセンブリ１８に戻る際にビーム２３がカバーする光路長の半分に相当する。３つの逆反射体１９の相対的な位置がわかっていさえすれば、これら３つの距離から、エミッタ−レシーバアセンブリ１８、ひいてはツール１６、ひいてはツールチップ１７の位置が、座標ｘ、ｙ、ｚでの加工品５に関して測定可能である。
【００６０】
加工品５に対するツール１６の位置の計測は、相応の計測プロセスで高い精度をもって実施可能であるが、それとは反対に、ツールアーム９のジョイント１３、１４、１５におけるドライブと位置センサの精度の要件がそれほど厳密ではないようにすることも可能であり、あるいは、加工品５を特に高い精度で製造することも可能である。なぜなら、加工品５に対するツールチップ１７の正確な位置は、計測システム２２に相当する精度で常にわかっているからである。
【００６１】
図５に逆反射体１９の一つの構造を詳細に示す。逆反射体１９はガラス製の２つの半球２５、２６を含み、それらは互いに球中心がポイント３０で一致するように配置されている。２つの半球２５、２６は直径が異なる、すなわち半球２５は小さい直径Ｄ１を有し半球２６は大きい直径を有する。
【００６２】
さらに、図５において、ビーム２７が概略的に表現されている。ビーム２７は平行ビームとして小半球２５に向かっている。ここで、直径Ｄ１およびＤ２は、半球２５の曲率によってビームを集中させ、それによって焦点が半球２６の球面上に存在するよう調節される。この球面で、そのビームはそれ自体が逆反射され、その結果、正面の半球を通って逆反射体１９を離れるので入射するビーム２７と実質的に一致する。
【００６３】
中心３０周囲での回転はあっても半球２５、２６の屈折面および反射面の幾何学的な配置はいずれも変化しないので、入射ビーム２７は逆反射体１９に対する自身の方位とは無関係に実質的にそれ自体が反射されて戻る。
【００６４】
２つの半球２５、２６の間に液晶層を配置する。液晶層はコンピュータ６７によってコネクタ２９を介して第一、第二の状態間での切り替えが可能である。第一の状態では、その層２８が放射線２７に対し透明であるため、逆反射体１９もそれに応じて機能を満たす。第二の切り替え状態では、層２８は放射線に対し実質的に透明ではないため、逆反射体はそれに応じた機能を示さない。したがって、逆反射体１９はコネクタ２９を介して切り替え可能である。
【００６５】
図２は、エミッタ−レシーバアセンブリ１８および３つの逆反射体の配置を再度空間的に詳細に示すもので、３つの逆反射体は１９、１９‘、１９“として表されている。位置測定システム２２はアセンブリ１８のエミッタ出口表面と、逆反射体１９、１９‘、１９“のそれぞれの中心３０との間の距離を干渉計を用いて検出する。
【００６６】
座標ｘ、ｙ、ｚでの３つの逆反射体に対するエミッタ−レシーバアセンブリ１８の位置は、検出された３つの距離から導き出される。
【００６７】
図３に、２つの物体の相対的な位置を測定するための、図２のシステムに類似のシステムを示す。しかしながら、そればかりではなくて、２つの物体の方位も検出可能である。図３に示されているシステムは図２に示されるシステムに相当するが、ツール１６の側にエミッタ−レシーバアセンブリ１８ではなく同様のアセンブリ１８、１８‘、１８“が装着板３１上に設けられている点において異なる。この装着板３１はツール１６表面に固定的に装着されている。３つのエミッタ−レシーバアセンブリ１８、１８‘、１８“は共通の直線状に存在しないように互いに固定した距離をもって配置されている。したがって、３つのエミッタ−レシーバアセンブリ１８によって、一平面をツール１６の側で拡張するかまたは規定する。その場合、その方位は加工品台３の側に配置されているそれら３つの逆反射体によって拡張される平面に対して測定可能である。すなわち、逆反射体１９に対する板３１の位置を表す座標ｘ、ｙ、ｚとは別に、角度α、β、γを測定でき、それに関して、板３１を逆反射体１９の平面に対して傾斜させる。
【００６８】
また、図３のシステムにおいて、エミッタ１８、１８‘、１８“はそれぞれ角度範囲に放射線を放射する。その角度範囲は、３つの反射体１９に対して板３１を移動させた後でも逆反射体１９が角度範囲に配置され続けるように非常に大きくなっている。
【００６９】
相対的な位置および方位を特徴づけるパラメータｘ、ｙ、ｚ、α、β、γを測定するには、原則として、それらの地点間の少なくとも３つの距離を計測することが必要である。それはツール１６で、また加工品台３で測定される。たとえばそれは、エミッタ１８が３つの反射体１９、１９‘、１９“から得る３つの距離であり、また残り２つの距離はエミッタ１８‘が２つの反射体１９と１９‘から得たり、またエミッタ１８‘が反射体１９から得る距離である。６個所について計測された距離より、上記６つのパラメータｘ、ｙ、ｚ、α、β、γが測定される。このための明白かつ絶対的な解法はないので、所望のパラメータの測定は従来、ガウス−ザイデル法等に従い反復して行われる。そのような反復的な評価は、かなりの計算時間を要する。
【００７０】
今回、パラメータｘ、ｙ、ｚ、α、β、γを非反復的な方法で計算しようという試みにおいて、しかしながら、その計算は９つの距離に基づいて実施される。それらの距離はツール１６側の所定の少なくとも３地点と、加工品台３側の３つの地点との間で計測される。これはつまり、ツール１６側の各エミッタ１８、１８‘、１８“と加工品台３側の各逆反射体１９、１９‘、１９“との間でそれぞれとり得る距離が、まずシステムによって測定されることを意味する。
【００７１】
以下に、評価のプロセスを示す。ここで、以下の省略形が導入される。
【００７２】
【数１】
0004280456.tif 000002
【００７３】
（数１）は、板３１上で測定された座標システムにおけるエミッタ−レシーバアセンブリ１８、１８‘、１８“のそれぞれの座標、換言すれば、ツール側の座標システムを示す。
【００７４】
これに対応して（数２）は、加工品台３の座標システムにおける、３つの逆反射体１９、１９‘、１９“それぞれの中心の座標を記述したものである。
【００７５】
【数２】
0004280456.tif 000003
【００７６】
アセンブリ１８、１８‘、１８“と３つの逆反射体１９、１９‘、１９“との間で計測された９つの距離は、以下のように表される。
【００７７】
【数３】
0004280456.tif 000004
【００７８】
反射体１９、１９‘、１９“同様、エミッタ１８、１８‘、１８“もそれぞれエミッタ自体の共通の平面に配置されているので、以下の数式を選択することが可能である。
【００７９】
【数４】
0004280456.tif 000005
【００８０】
反射体１９の座標システムの起点をＢＯで示し、３つのエミッタ１８の起点をＰＯで示す。その結果、加工品台３に対するツール１６の位置を変換ベクトルによって表すことができる。
【００８１】
【数５】
0004280456.tif 000006
【００８２】
【数６】
0004280456.tif 000007
【００８３】
ここで、（数６）は加工品台３の座標システムかまたはツール１６の座標システムに関するベクトルを示す。
【００８４】
さらに、回転マトリクスによって２つの座標システムの相対的な方位を表すことが可能であり、それは以下のように表現される。
【００８５】
【数７】
0004280456.tif 000008
【００８６】
計測された距離ｄ１…ｄ９からベクトル→ＴおよびマトリクスＲＯＴを測定するために、まず、以下の等式システムを解明しなければならない。
【００８７】
【数８】
0004280456.tif 000009
【００８８】
計算の途中で転置されるマトリクスＡは、ｄ１…ｄ９の距離とは無関係で、自身の座標システムにおけるエミッタ１８の座標および同様に自身の座標システムの反射体１９の座標に依存する構成要素のみを含むことが、ここで立証される。マトリクスＡとして考えられる選択を以下に挙げる。
【００８９】
【数９】
0004280456.tif 000010
【００９０】
実行すべき計算の範囲内ではマトリクスＡのみが転置され、それに含まれるのが計測された距離とは無関係な振幅のみであることから、このマトリクスは実際の距離計測前に立証・転置が可能である。
【００９１】
計測された距離はベクトルＬに入るに過ぎない。これは、実際の距離計測では転置済みのマトリクスで乗法のみを行うもので、この乗法は、比較的敏速に実行され得る。上記のマトリクスＡの変換において、ベクトルＬに関して以下のステートメントを選ぶことができる。
【００９２】
【数１０】
0004280456.tif 000011
【００９３】
ベクトルＬはベクトルＬ１およびベクトルＬ２で順に因数分解できる。ベクトルＬ１も計測された距離とは無関係である。ベクトルＬ２は計測された距離の二乗を構成要素として含む。ベクトルＬ１は、実際の計測に先立って順に計算してもよい。その後、距離計測の評価のために、Ｌ２をＬ１から減算してベクトルＬを得るだけでよい。
【００９４】
マトリクスＡの右側からのベクトルＬの乗法の結果ｑは、前述のステートメントになる。
【００９５】
【数１１】
0004280456.tif 000012
【００９６】
したがって、加工品台３を考慮した場合のツール１６の変換は、以下の数式の結果となる。
【００９７】
【数１２】
0004280456.tif 000013
【００９８】
回転マトリクスのエレメントｒ31およびｒ32は以下のように測定される。
【００９９】
【数１３】
0004280456.tif 000014
【０１００】
それから、その回転は以下のように表現可能である。
【０１０１】
【数１４】
0004280456.tif 000015
【０１０２】
上記より、ｘ−、ｙ−、およびｚ−軸周囲の水平旋回(horizontal swing)の角度α、β及びγは以下のように測定することができる。
【０１０３】
【数１５】
0004280456.tif 000016
【０１０４】
この評価方法を、図１６を参照しながらもう一度説明する。
【０１０５】
まず、エミッタ１８または反射体１９の座標→Ｆ1…3、→Ｒ1…3をそれぞれ、工程３５それ自体の座標システム中で検出する。工程３６では、上記マトリクスＡが創成処理されまた共役型マトリクスＡ*が生成される。
【０１０６】
工程３５および３６は一連の連続的な計測の前に行われるため、それに対応する強力なコンピュータの作業を、一連の計測および個々の計測の評価の間に行う必要は無い。
【０１０７】
計測は、工程３７の、９つの距離ｄ１…ｄ９の検出から開始される。
【０１０８】
次に、工程３８でベクトルＬを生成し、Ａ*およびＬの積からベクトル→ｑ＝Ａ*→Ｌが測定される。ベクトルｑより、回転マトリクスの残りのエレメントが工程３９で測定され、工程４０では変換ｘ、ｙ、ｚおよび回転角度α、β、γが測定される。これはつまり、その後、加工品台３に対するツール１６の方位のみならず位置が既に測定されていることを意味する。
【０１０９】
工程４０の終了後、工程３７で更新された距離計測が続行される。
【０１１０】
図４に、距離ｄ１…ｄ９を測定するための干渉計システム４１を概略的に示す。このシステムは、スーパールミネセントダイオード等の白色光源４３によって形成してもよい。しかしながら、放射線の強度を高くするという観点より、ファイバ光源の使用が好ましい。これは、光学的に励起された光伝導性ファイバによって得られるもので、そのファイバは、内部での自然発生的な放射が一層起こるようにドープ処理される。そのようなファイバ光源は、ＷＬＳ−０２という商品として、ＡＭＳテクノロジーズ・オプトテック・ディビジョン(AMS Technologies-Optotec Division, 82152 Martinsried/Munich)から購入可能である。しかしながら、光源４３として、チタンサファイヤレーザ等のフェムト第二レーザ(Femto second laser)といった短パルスレーザを使用することもできる。放射源４３から放射される光は光伝導ファイバ４５または光学ファイバ４５を介してファイバカプラ４７に供給される。光カプラ４７はその光を計測ブランチ４９と基準ブランチ５１に供給する。計測ブランチ４９にはその光がファイバカプラ４７からファイバ導体５３を介して供給され、コンピュータ６７は、エミッタ−レシーバアセンブリ１８、１８‘、１８“のいずれか一つにその光を選択的に供給するスイッチを、制御可能な光学切り替えスイッチ５５へ提供する。エミッタ１８、１８‘、１８“はそれぞれ角度範囲内に光を放射し、その結果、放射光が３つの反射体１９、１９’、１９“に衝突してそこで反射され、エミッタ−レシーバアセンブリに戻る。後者により受光された光は光導体５３を介して順番にファイバカプラに送られる。
【０１１１】
基準ブランチ５１では、光がファイバカプラ４７から光導体５７を通って可変光路長ｇを提供するためのデバイス６０に供給される。そのデバイスは、ファイバ４７の端部正面に配置された視準オプティックス５９を含み、その視準オプティックス５９は供給された光を、オプティックスから見ての可変距離ｇのところに配置された反射鏡６１表面に向ける。反射鏡６１で反射されて戻った光は、そのオプティックス５９によって光誘導ファイバ４７に結合され、再度ファイバカプラ４７に供給される。
【０１１２】
ファイバカプラは計測ブランチ４９または基準ブランチ５９からファイバ５３および５７を介して供給される光をそれぞれ重畳し、光伝導ファイバ６３を介して放射線センサ６５に供給する。
【０１１３】
計測ブランチ４９の光路長が基準ブランチ５１の光路長と合致する場合は、放射線センサ６５は増加した放射強度を記録する。計測ブランチ４９の光路長は、ファイバカプラ４７と反射体１９、１９‘、１９“の一つとの間の光路長によって与えられる。基準ブランチ５１における光路長は、ファイバカプラ５７と反射鏡６１との間の光路長によって与えられる。
【０１１４】
計測ブランチ４９では、エミッタ−レシーバアセンブリ１８、１８‘、１８“と３つの反射体１９、１９‘、１９“の間の９つの距離に対応して、一般に９つの異なる光路長が提供される。得られる範囲に重なるよう長さｇを連続的に変えることで、強度増加がセンサ６５によって９回検出可能である。計算機６７は、その後、相当する強度の増加が起こる長さｇから、エミッタ−レシーバアセンブリと逆反射体からなる対間の距離を検出することができる。ここで、最初はどのエミッタ−レシーバアセンブリと逆反射体の対間でこの距離が分かるのか完全に明らかではない。しかしながら、アセンブリ１８および反射体１９のあらかじめ決まっている位置および方位など、追加のデータを追加の情報として利用することが可能である。しかしながらまた、切り替えスイッチ５５を起動させるおよび／または逆反射体のＬＣＤシャッタ２８を起動させることによりこれらの逆反射体の一つだけを起動させることでエミッタ−レシーバアセンブリの一つだけに放射線を供給することも可能である。そうすることで、センサ６５によって記録された強度増加を、一対のエミッタ−レシーバアセンブリと反射体に正確に指定することができる。切り替えスイッチ５５はＬＣＤシャッタ２８同様、コンピュータ６７によって制御される。コンピュータ６７はまた、基準ブランチ５１の長さｇを変化させるドライブを制御するので、距離ｄ１…ｄ９を検出する上ですべての情報はコンピュータ６７にアクセス可能である。後者より、図１６に関連する上記の方法にしたがって、その後コンピュータがエミッタ−レシーバアセンブリ１８と反射体１９の相対的な位置および方位を測定する。
【０１１５】
引き続き、図４関連で説明した干渉計システムの代わりとなるものを提示する。ここで、対応する機能を有する構成要素には図１〜図４と同じ番号が付いているが、それらは追加の文字で区別される。説明のために、記載は前記と完全に一致させている。
【０１１６】
図６に示されている干渉計システム４１は、白色光源４３ａを含み、その放射線は光導体４５ａよりファイバカプラ４７ａに供給され、ファイバカプラ４７ａは放射線を光導体５７ａを介して基準ブランチ５１ａに供給する。基準ブランチ５１ａには、可変光路長を提供するためデバイス６０ａが配置されている。
【０１１７】
デバイス６０ａは、視準オプティックス５９ａを含む。これは半透明の板７１を通ってファイバ５７ａの端部を射出する放射線を反射鏡６１ａに向けるもので、これを通って放射線が反射されてファイバ５７ａに戻り、また反射鏡６１ａはコンピュータ６７ａによって制御されるドライブ７３により変更可能である。しかしながら、ファイバ５７ａ端部から放射される放射線は半透明反射鏡７１ａによって２本の部分ビームに分割される。その中の第一ビームは、半透明反射鏡７１ａによって直接反射されファイバ５７ａに戻る。第二部分ビームは、第一部分ビームとは異なって半透明反射鏡７１ａを貫通し、ｇの二倍の追加路長を通過する。その後、第二部分ビームは反射鏡６１ａで反射されてからてファイバ５７ａに結合する。したがって、ファイバ５７ａを通ってファイバカプラ４７ａに戻る放射線は可干渉性構造を備えており、互いに２・ｇの距離をもって配置されている波列は互いに可干渉性である。
【０１１８】
ファイバカプラ４７ａは基準ブランチ５１ａから光導体７４を通って計測ブランチ４９ａ、さらにはファイバカプラ７５に戻る放射線を誘導する。ファイバカプラ７５後に計測ブランチ４９ａに切り替えスイッチ５５ａを設けることにより、光導体７７によって、放射線をエミッタ−レシーバアセンブリ１８、１８‘、１８“に提供する。それらエミッタ−レシーバアセンブリは、図６には示されていないが逆反射体に向けて放射線を放射する。逆反射体で反射されて戻る放射線は順番にエミッタ−レシーバアセンブリ１８ａに結合されファイバカプラ７５と光伝導性ファイバ７９を介して放射線センサ６５ａに供給される。放射線センサ６５ａの計測信号がライン８１を介してコンピュータ６７ａに提供される。
【０１１９】
したがって、計測ブランチ４９ａにおいて、逆反射体で反射されて戻った放射線はファイバカプラ７５まで伝わり検出器６５ａに衝突する。逆反射体で反射され戻る放射線に加え、放射線の別の部分が存在するようになる。これは検出器６５ａの方向に伝わり、その放射線の部分はそれぞれファイバ７７、７７‘または７７“の端部７８、７８‘、７８“での反射により計測ブランチ４９ａの中に生成される。したがって、ファイバ端部７８での反射によって生成される部分ビームと逆反射体での反射によって生成される別の部分ビームとの間で、固定した可干渉性の関係が存在するようになる。その経過は、デバイス６０ａ関連で説明した２本の部分ビームの場合に類似している。今回、ファイバ端部７８と逆反射体との間の光路長が光路長２・ｇと等しいとすれば、デバイス６０ａに関して述べたように、放射線センサ６５ａが強度の最大値を記録する。後者を通して、相当するファイバ端部７８またはエミッタ−レシーバアセンブリ１８ａ間の距離がそれぞれ直接測定可能である。
【０１２０】
図６はまた、エミッタ−レシーバアセンブリ１８ａ、１８ａ‘、１８ａ“のいずれか一つに選択的に放射線を供給するために計算機６７ａによって制御される切り替えスイッチ５５ａを示す。しかしながら、代替案として、エミッタ−レシーバアセンブリと逆反射体の間のビーム路にチョッパホイール８１を設けることも可能である。チョッパホイールはコンピュータ６７ａにより制御されているモータ８３によって軸８５の周囲を回転可能に配置されているので、チョッパホイール８１のウィング８６がエミッタ−レシーバアセンブリ１８ａまたはエミッタ−レシーバアセンブリ１８ａ’によって放射される放射線を選択的に遮ることができる。
【０１２１】
図７に示される干渉計システム４１ｂは、図２のエミッタ−レシーバアセンブリ１８と一緒に配置されており、３つの逆反射体が２つの物体の相対的な位置を測定するために揃えられている。図７では、１つの逆反射体のみが示されている。しかしながら、３つのエミッタ−レシーバアセンブリを備え２つの物体の相互の方位を測定するためにこれを揃えるような方法で、干渉計システム４１を一部変更することも当然可能である。これは図３に示されている。
【０１２２】
干渉計システム４１ｂは白色光源４３ｂを備える。同システム４１ｂは、システムにより逆反射され放射源に戻る放射線から放射源４３ｂを保護するために、光学アイソレータ８４を介して残りのシステムに放射線を供給する。
【０１２３】
ガラスファイバ４５ｂおよび視準オプティックス５９ｂを介して、放射源４３ｂから放射された放射線が可変光路長を提供するデバイス６０ｂに供給される。このデバイス６０ｂは、図６のデバイスとは異なり、反射ではなく透過の作用がある。このために、デバイス６０ｂは２枚の半透明反射鏡７１ｂおよび７２を含み、その反射鏡間の距離ｇはモータによって変更できる。反射鏡７１ｂおよび７２を通って放射線が２本の部分ビームに分割される。すなわち、一方の部分ビームは２枚の反射鏡７１ｂと７２を直接的に貫通し、別の光学システム８７によって光導体７４ｂに結合される。この光学システム８７は、放射線を計測ブランチ５１ｂまで誘導する。第二の部分ビームは第一反射鏡７１ｂを貫通し反射鏡７２で反射されて反射鏡７１ｂに戻り、再度そこで反射されてから反射鏡７２を通り抜けて光学システム８７を介してファイバ７４ｂに結合される。第一の部分ビームとは異なり、この第二の部分ビームは光路長２・ｇに相当する遅延を有する。
【０１２４】
図７に示す干渉計システム４１ｂのさらなる構造は、図６に示す干渉計システムと概ね類似している。すなわち、２本の部分ビームがファイバカプラ５７ｂおよび光伝導ファイバ７７ｂを介してエミッタ−レシーバアセンブリ１８ｂに供給され、そこから反射体１９ｂに放射される。反射体１９ｂから反射されて戻る放射線は、ファイバ７７ｂに再度結合され、光導体７９ｂを介して放射線センサ６５ｂに供給される。
【０１２５】
エミッタ−レシーバアセンブリ１８ｂはさらに、ファイバ７７ｂの端部に結合されたＧＲＩＮレンズを備えているので、必要な角度範囲に放射線を放射することができる。レンズ８９の出口表面９０は、センサ６５ｂまで直接誘導されて戻る逆反射を生成するよう部分的に鏡面処理されている。センサ６５ｂはその後、デバイス６０ｂの反射鏡７１ｂと７２間の長さｇが反射体１９ｂ間の距離ｄと実質的に一致するときに、増加した強度信号を検出する。
【０１２６】
図９に、計測信号Ｉの過程１５３を示す。それは反射鏡７１ｂと７２間の相対的な距離ｇに基づいて放射線センサ６５ｂによって得られるもので、ここでは反射体半球１９ｂとエミッタ−レシーバアセンブリ１８ｂとの間の距離ｄが一定であると推定される。距離ｄとｇが同一である（ｇ−ｄ＝０）場合、最大干渉信号Ｉとなる。ｇ−ｄ＝０の最大値の両側で、計測信号は揺動的に減少する。
距離ｄを正確に計測するために、ここで、干渉信号が最大値のところで距離ｇを検出する必要がある。一例として、図９に計測信号１５３を覆う破線で記入されているエンベロープ１５１を評価しエンベロープ１５１の最大値を検出することが可能である。この方法は、十分な精度をもって距離ｄの計測を可能にするという目的を果たす上でほとんどの場合十分である。
【０１２７】
より正確ではあるが計算の手間が余計にかかる方法では、計測曲線１５３の複数の最大値１５５と複数の最小値１５７を局限し、それによってそこから図９の水平軸のゼロ点、すなわち、強度最大値の正確なポイントを見つけることができる。これは、たとえば、そのゼロ点が２つの最低最小値１５７と３つの最高最大値１５５から得られる中間値として検出されれば可能である。これ以外にも、過程１５３内のゼロ点を探す評価法を用いることができる。
【０１２８】
図８に記載されている干渉計システム４１ｃは、図７に示す干渉計システムと実質的に同じ構造を備える。しかしながら、計測ブランチ５１ｃから戻る放射線が放射線部７５ｃおよびそれに接続された光伝導ファイバ７９ｃを介して光センサ６５ｃに直接供給されているのではないという点で区別される。このシステムでは反対に、検出器６５ｃに向かって光伝導ファイバ７９ｃを伝わる放射線が別のビームスプリッタ９３によって分割されて２本の光伝導ファイバ９４と９５になる。そのファイバ端部９６および９７は互いに所定の距離ａをもって配置されファイバ内に含まれる放射線を光検出器６５ｃに向けて放射する。光検出器６５ｃはここでは位置設定解像ライン検出器として形成され、ファイバ端部９６、９７から一定の距離をもって配置されている。ファイバ端部９６と９７から、放射線が球面波としてコーン９８と９９内をライン検出器６５に向けて放射され、ファイバ端部９６と９７の間および検出器６５ｃの間にそれぞれ、円柱レンズ１００が、放射線を検出器のライン方向とは反対方向に検出器上に集光させることができるように検出器６５ｃのライン方向に平行になるような方位で配置される。
【０１２９】
データライン８１ｃを介して、コンピュータ７６ｃは強度最大値または強度最小値がそれぞれにライン検出器６５ｃに出現するこれらの地点を検出する。
【０１３０】
可変光路長を提供するデバイス６０ｃの長さｇおよび、エミッタ−レシーバアセンブリ１８ｃと逆反射体１９ｃとの間の距離ｄが完全に等しければ、検出器６５ｃ上に強度最大値が存在することになる。これは２本のファイバ９４と９５の長さが等しい場合、その最大値の地点は、２つのファイバ端部９６と９７に対し左右対称に配置される。しかしながら、長さｇと距離ｄとの間にわずかでも差があるときは、相当する強度最大値はファイバ端部９６、９７について左右対称に配置されたその地点から移動する。このことは、図８の地点Ｘによって概略的に表されている。左右対称地点からの移動の程度は、２つのファイバ端部９６、９７の相対的な距離ａ次第で維持され、ファイバ端部９６と９７の距離が小さくなれば、程度が大きくなる。
【０１３１】
３つの逆反射体１９ｃがエミッタ−レシーバアセンブリ１８ｃより別々の距離ｄで配置されている場合、互いに隣接して配置されている複数の強度最大値がライン検出器上に存在するようになる。このことは同時にコンピュータ６７ｃで検出可能である。したがって、コンピュータ６７ｃは距離ｇを変更することなく、またその結果可変光路長を提供するデバイス６０ｃのドライブを作動させずに、アセンブリ１８の反射体の複数の距離ｄを同時に検出することができる。
【０１３２】
また、図８には示されていないが、ファイバ端部９６と９７を装着するデバイスを備えてもよい。そうすれば、コンピュータ６７ｃからの距離ａを、モータ制御によって変化させることができる。別々の距離ｄが互いに少々異なる場合、小さい距離ａを調整し、それによって距離計測の解像度を向上させる。別々の距離ｄが互いにかなり異なるのであれば、小さい方の距離ａの場合に相当する強度最大値が同時に検出器上に存在しないため、距離ａが増加して低い解像度でそれらの距離を同時に検出できるようになる。
【０１３３】
図１より明らかなように、コンピュータ６７および干渉計システム４１の構成要素の大部分がマシンツール１の傍に配置されている。干渉計システム４１の一部、つまりその計測ブランチのみが、マシンツール１の上に配置され、それによって計測放射線がエミッタ−レシーバアセンブリ１８に供給される。このため、光伝導ファイバ５３がマシンツール１のフロアに固定的に接続されたベース７に入射する。ここより、放射線が可動アーム９を通りまた光導体によってエミッタ−レシーバアセンブリ１８までも誘導される。ここで問題が生じる。すなわち、従来のワンモード光導体によって移動したアーム９にビームを誘導する場合、その光導体の移動が複屈折性の変化を引き起こし、偏光次第ではこれが光導体の光路長の変化を再度引き起こす。そのような状況では光導体中でもそこに誘導された光の偏光条件の変化が生じるので、レシーバからエミッタに向けて戻る方向に光導体内を通過する際に、位相差、すなわち、偏光の２方向の間での位相差が起こり得る。それはつまり、片方の条件の偏光光と、もう一方の条件の偏光光とが干渉計システム内でのその後の放射線処理において互いの干渉を相殺することも有り得るということである。したがって、マシンツール１の移動部分での放射線を従来のワンモード導体で誘導するのではなく、目的に合った偏光維持光導体を使用するようにする。
【０１３４】
これは図１０に簡単に示されている。図１０に破線で描かれている箱型１は、マシンツール１全体を象徴的に表したものである。すなわち、箱型１は干渉計装置４１の残りの構成要素との比較において同様に移動している部分を含む。破線で描かれた箱型７は、マシンツール１のベースを象徴的に表すもので、同ベースは干渉計装置の残りの部分と比較すると静止している。放射線は、光導体５３を介してその静止ベース７に供給される。ファイバカプラ１０１がベース７に設けられ固定的に接続されており、光導体を介して偏光維持ファイバ１０３の一端部１０２に供給される放射線を結合する。次に、ファイバ１０３は、移動したアーム９の一部分と固定的に接続されたエミッタ−レシーバアセンブリの移動したアーム９内に放射線を供給する。このアセンブリは、ファイバ１０３の物体側端部１０５に結合されている。
【０１３５】
アセンブリ１８は放射ビーム１１１を形成する視準オプティックス１０９を含む。視準オプティックス１０９の正面に、１／４波長板１１３が配置され、オプティックス１０９を離れた後のビーム１１１がそれを通過する。ビーム１１１は反射体１９で反射され、１／４波長板１１３を通過して、視準オプティックス１０９を介して偏光維持ファイバ１０３に再度結合される。反射体１９で反射されて戻った放射線は伝導体１０３を通過し、インターフェイス１０１でファイバ５３に結合して干渉計システム４１の残りの構成要素のところに到達し、さらに先に進む。
【０１３６】
偏光維持ファイバ１０３のファイバ端部１０２に入る際に、ファイバ５３によって供給された非偏光光が偏光の２方向に分割され、もう一方のファイバ端部１０５に至るまで、別々の偏光経路でファイバ１０３によって送られる。ここで、一つの偏光経路からもう一方への混線は実質的に起こらない。２つの偏光経路の一つによってファイバ１０３を通って送られる放射線構成要素は、１／４波長板１１３を二度通過するため完全な偏光回転を受けるので、ファイバ１０３を通っての帰路で、もう一方の偏光経路を通過する。逆に、入射光の第二偏光構成要素は同じ所に至る途中で第二偏光構成要素をまず通過し、後に帰路で第一偏光経路を通過する。
【０１３７】
光導体５３を介して供給される再偏光放射線の双方の偏光構成要素はこのように一方の偏光経路ともう一方の偏光経路とを順番に通過する。たとえこれら２つの偏光経路が、偏光維持光導体１０３において互いに異なる光路長を提供するとしても、全体としてみれば、それらはなお、光導体１０３を通って実質的に同一の完全な光路の双方を通過しているのである。したがって、それら２つの偏光構成要素間にも位相差は実質的に存在せず、そのような位相差によって生じる前記信号の相殺は、マシンツール１の動作部品で偏光維持ファイバ１０３を使用すれば起こらない。
【０１３８】
ある状況で距離センサと接続して偏光維持ファイバを使用するという上記のコンセプトは、２つのファイバ端部１０２と１０５が相対的に移動している場合、その距離センサに限定されない。別のタイプのセンサで使用することも可能であり、その場合、光は光導体を介してセンサヘッドに供給され、また同じく後者より戻ってさらに評価される。これは汎用タイプのセンサでもよく、その場合、戻った放射線が適切な媒体、表面またはサンプルボリュームによってレシプロケーションに入射し放射線特性が変化してから、同光導体を介して放射線が戻った後で分析される。これは圧力センサ、張力センサ、温度センサ、電界または磁界センサ、または、化学薬品等の存在を検出するセンサであってもよい。
【０１３９】
さらに、このコンセプトは、ビームを供給および放出する手段にも適用可能である。そのような手段では、放射線供給光導体１０３または放射線放出光導体１０３はそれぞれ、その位置が移動するだけではない。その他にも、従来のワンモードファイバでは信号障害につながるような環境的影響が存在する。たとえば、圧力、温度、強い電界や磁界、化学薬品の影響などである。偏光維持ファイバ１０３はそのような環境の影響については概ね安定している。したがって、このコンセプトはまた、光学センサを使用する際に用いることができ、その場合、放射線供給・放射線放出光導体はそれぞれ、温度、圧力などの影響によって信号の伝達に影響を及ぼし得る一定の雰囲気を貫通する。
【０１４０】
図１１は、可変光路長または可変光遅延を提供するデバイスの上面図である。それらはそれぞれベルトスキャナ２０１の形態となっている。図１２は、ベルトスキャナ２０１の一部側面図である。ベルトスキャナ２０１は２つのベルトプーリ２０３と２０４を含み、それらは直径Ｄが等しくそれぞれの回転中心２０５と２０６が所定の距離ｅをもって互いに平行に配置されている。２つのプーリ２０３と２０４の上面は共通の平面内にあり、リングベルト２０９はその２つのディスクまたはプーリの円周面の周囲で先導されている。リングベルト２０９の長さおよび２つの回転中心２０５と２０６の距離ｅは、その回転方向でベルト２０９が機械的張力を受けてプーリ２０３、２０４の円周面と反対向きに固定されるように調整されている。プーリ２０３は、図１１に示されていない１つのモータのようなモータによって回転中心２０５周囲を、２１３として示した一方向に駆動可能である。その結果、ベルト２０９およびもう一方のプーリ２０４も同一方向に駆動される。
【０１４１】
ベルトスキャナ２０１の他の動作範囲２１５は、後者がプーリ２０３からプーリ２０４へと方向２１３に沿って直線的に延びているベルトのエリアに形成されている。この範囲内で、ベルトはプーリ２０３と２０４の円周表面に共通の接線に沿って延びている。
【０１４２】
４つの反射鏡装置２１７がベルト２０９上に固定され、それらはそれぞれ互いに等距離をもってベルト２０９の回転方向に配置されている。図１１では、２１７‘として表記されている反射鏡装置が動作範囲２１５に配置されている。この反射鏡装置２１７‘を除いては、動作範囲にそれ以上の反射鏡装置２１７は存在しない。
【０１４３】
ベルトプーリ２０４の他に、台２１９が回転中心２０５と２０６に対し固定された状態で配置され、これがビーム誘導デバイス２２１、さらに反射鏡装置２２３を支持する。
【０１４４】
光導体２２５は光源からビーム誘導デバイス２２１に放射線を供給する。ビーム誘導デバイス２２１は図１１、１２には示されていない視準オプティックスを備え、それによって動作範囲２１５のベルト２０９の方向に平行な平行光ビーム２２７を放射する。その結果その光ビーム２２７は動作範囲２１５に配置された反射鏡装置２１７‘表面に衝突する。反射鏡装置２１７‘において、ビーム２２７はそれ自体の方向に対し４５゜で配置された反射鏡２２９に衝突し、反射鏡２２９はビーム２２７を９０゜だけ偏向させて、反射鏡２２９に対して９０゜の角度を持つ別の反射鏡にビーム２２７を誘導する。２枚の反射鏡２２９および２３１は、ビーム２２７を元のビーム方向と平行に逆反射するが一方でそれとは平行な方向２３３にずらす反射体２３３として作用する。その結果、そのビームは、ビーム誘導デバイス２２１に対し固定的に配置された反射鏡装置２２３表面に衝突する。その方向２３３は、動作範囲２１５のベルト２０９の動き２１３に対し直角で、なおかつ動作範囲２１５のベルト２０９の上面に対し平行に方位付けされる。
【０１４５】
ビーム２３５はまず２つの反射鏡表面２３７および２３９によって形成される反射体２４１に衝突する。その反射体はビーム２３５を反射して反射鏡装置２１７‘に対しずれた方向２３３にさらに戻す。ここで、互いに９０゜の角度で配置された２枚の反射鏡表面をも備えたさらに別の反射体２４５によってビーム２４７として反射鏡装置２２３に向かう方向に再度反射され戻る。ここで、ビーム２４７は２枚の反射鏡表面で形成されたさらに別の反射体２４９に衝突する。この反射体は再度ビームをずらして平行に偏向させ、ビーム２５１として反射体装置２１７’に向けて誘導する。ここで、ビーム２５１は、３対の反射鏡で構成された逆反射体２５３に衝突する。各対の反射鏡表面は互いに垂直なので、ビーム２５１を正確に内部で逆反射する。逆反射体２５３によってそれ自体が逆反射されたビームはその後反射体２４９、２４５、および２３１に連続的に衝突し、その結果再度ビーム誘導デバイス２２１の視準オプティックスに結合する。
【０１４６】
ベルト２０９上に装着された反射鏡装置と固定的に配置された反射鏡装置２２３との間で何度も反射されて行き来するので、ビームはビーム誘導デバイス２２１によって放射されまたそこへ再入射される間に光路を伝わる。これは、配置されている２つの反射鏡装置２１７‘と２２３との相対的な距離ｃの１０倍を超える程度の距離に相当する。
【０１４７】
その反射鏡装置２１７‘が動作範囲２１５の最初から最後まで動く場合は、そのビームの光路長は、ビーム誘導デバイス２２１からの射出または入射の間に、その動作範囲２１５の１０倍の長さに相当する値だけ変化する。
【０１４８】
最大リフト、すなわち、ベルトスキャナ２０１の光路長の最大変化は、したがって、２本の軸２０５および２０６間の距離ｅの１０倍に相当する値を有する。
【０１４９】
反射鏡装置２１７‘が動作範囲２１５に配置されるのであれば、ベルト２０９が方向２１３に動く際に次に動作範囲２１５に到達する反射鏡装置２１７“は、先行する反射鏡装置２１７’がちょうど動作範囲を離れたときに動作範囲に正確に配置される距離を持っている。そのような状況が、破線で図１１に示されている。図１１では反射鏡装置２１７‘はちょうど動作範囲２１５を離れたところで参照番号２５７をもって示され、反射鏡装置２１７”は、動作範囲２１５に入った直後に参照番号２５８をもって示されている。
【０１５０】
反射鏡装置２１７‘を方向２１３に移動させると、反射鏡装置２１７’は動作範囲２１５を離れた後でプーリ２０４周囲の円路に沿って動く。これはつまり、所定の時間内は、反射鏡装置２１７‘は動作範囲２１５を離れた後も、ビーム２２７に幾何学的な陰を落し続けるので、光学スキャナ２０１でのビーム誘導が遮られる。この間、光学スキャナ２０１は光路長を提供することができない。これは、デバイス２０１の装荷率が１未満になる原因であるむだ時間である。このむだ時間は、しかしながら、遅延した光学信号を評価する電子デバイスを後退させたり、またはその他のスイッチング操作を実施するのに利用可能である。
【０１５１】
反射鏡装置２１７‘がその後ディスク２０４の周辺から十分離れるや否や、反射鏡装置２１７’はビーム２２７を再度放出し、その結果そのビームは、反射鏡装置２１７‘について既に述べたように、反射鏡装置２１７‘の後を追っている反射鏡装置２１７“に衝突して正確に反射されて戻る。
【０１５２】
陰に起因するむだ時間によって得られる完全な偏向が利用可能になるよう、換言すれば、最大可変光路長を利用できるようにするために、ベルト２０９の回転方向に連続している反射鏡装置２１７間の距離を、得られる偏向より幾分大き目になるよう調整する。図１１および１２に記されるベルトスキャナ２０１の場合、これは、ベルトプーリ２０３と２０４の直径Ｄが１６５ｍｍになるよう選択し、ディスク直径に対する軸距離ｅの比率ｅ／Ｄが１．３４になるよう選択することで実行される。
【０１５３】
本実施態様のベルト２０９は、アンバー鋼のスチールバンド、つまり、熱膨張率が小さい鋼である。さらに、スキャナ２０１では、２１０として示す少なくとも１つの誘導デバイスがさらに設けられており、このデバイスはベルトを少なくともプーリ２０３と２０４の軸方向に誘導し、それによってベルトがプーリ２０３と２０４周囲に安定した位置で動く。そのドライブは、ベルトプーリ２０３を、ベルトが１秒につき１０メートルの速度で回転方向に動くような速度で駆動する。
【０１５４】
図１３および１４では、可変光路長を提供するデバイスの変更例が示されており、それは螺旋状スキャナ３０１として示されている。
【０１５５】
螺旋状スキャナ３０１は光ビーム３０３を供給される。光ビーム３０３は最初に第一偏光ビームスプリッタ３０５を通過しその後第二偏光ビームスプリッタ３０７を通過する。これらビームスプリッタはそれぞれ一直線上にある。１／４波長板３０９を通過した後、ビームはそれら２つのビームスプリッタに対し固定的に配置された反射鏡３１１に衝突し、そこでその反射鏡３１１がビームを約９０゜で偏向させることによって、ビームは回転中心３１３に平行に進む。反射鏡３１１での反射後、ビームは視準レンズ３１５を通過する。この視準レンズは、回転中心３１３上、図１３では上方にビームが延びていくようにビームを形成する。
【０１５６】
螺旋状スキャナ３０１はさらにアセンブリ３１６を含む。これは相対的に固定された空間的関係を有する以下の構成要素からなる。すなわち、偏向反射鏡３１７、平板反射鏡３１９および円柱レンズ３２１である。アセンブリ３１６は軸３１３周囲で回転可能に配置され、図１３や１４には示されていないドライブによって回転するよう形成される。
【０１５７】
螺旋状スキャナ３０１はさらに螺旋状反射鏡３２３を含む。その反射鏡表面は、回転中心３１３周囲を螺旋状に延びている。
【０１５８】
回転アセンブリ３１６の偏向反射鏡３１７は回転中心３１３上に配置されるので、視準レンズ３１５を離れるビームを螺旋状反射鏡３２３の反射面上に向けて９０゜偏向することができる。ここで、そのビームは偏向反射鏡３１７で偏向され螺旋状反射鏡３２３に衝突する間に円柱レンズ３２１を通過する。螺旋状反射鏡３２３に衝突した後、ビームは反射されて回転アセンブリ３１６の平板反射鏡３１９に向かう。平板反射鏡３１９は衝突するビームに対し常に直角となるよう配列されているので、それ自体がビームを螺旋状反射鏡３２３に送り返す。後者より、ビームが今度は、再び反射され円柱レンズ３２１を通過後に偏向反射鏡３１７に戻る。偏向反射鏡は回転中心３１３上のビームを、下方に延びるよう方向付ける。戻るビームはその後、視準レンズ３１５を貫通し、反射鏡３１１によって偏向され、１／４波長板３０９を通過し、偏光ビームスプリッタ３０７によって９０゜偏向されてから、さらに別の９０゜偏向反射鏡３２５に衝突し、ビーム形成アセンブリ３２７を貫通し、さらに別の９０゜偏向反射鏡３２９によって偏光ビームスプリッタ３０５に供給される。偏光ビームスプリッタ３０５は戻るビームを配列させ、そのビームが入射ビーム３０３と実質的に共直線的に延びるようにする。
【０１５９】
アセンブリ３１６の回転位置によっては、螺旋状スキャナ３０１は異なる光路長を提供する。これを再度図１４で説明する。図１４には、回転アセンブリの回転の２つの位置が示されており、平板反射鏡３１０が、回転の一方の位置では３１９‘、回転のもう一方の位置では３１９“として示されている。
【０１６０】
螺旋状反射鏡３２３の形状は対数螺旋となるよう選択されているので、円周角ψによっては、回転中心３１３から反射鏡表面までの距離は以下の等式を満たす。ここで、ｒ０は反射鏡表面３２３と軸３１３との間で得られる最小距離である。
【０１６１】
ｒ（ψ）＝ｒ０ ｅｘｐ （ψ ｃｏｔ Ψ）
ここで、コタンジェントΨが一定なので、角度Ψも一定である。角度Ψは図１３に示されており、螺旋状反射鏡３２３に衝突するビームとその反射鏡３２３の螺旋での接線３３５との間の角度を指す。
【０１６２】
角度Ψが回転中心３１３周囲のアセンブリ３１６の回転位置とは無関係であるため、角度が同じであればビームは常に螺旋状反射鏡３２３の表面に衝突し、その結果常に同じ角度で偏向される。
【０１６３】
螺旋状反射鏡３２３に衝突するビームとそこで反射され戻るビームとの間の角度はθＲとされ、これも回転位置とは無関係である。これはつまり、螺旋状反射鏡３２３で反射され戻るビームは平面反射鏡３１９に衝突するが、この平面反射鏡３１９もまた、角度が同じく９０゜であれば通常、回転位置とは無関係であることを意味する。なぜなら、平板反射鏡３１９は、衝突するビームがそれ自体で反射されるように配列されているからである。反射鏡の形状として螺旋状を選択することによって、スキャナ３０１に入射するビームが実質的にそれ自体が逆反射されることが確実になる。
【０１６４】
螺旋状反射鏡３２３に衝突するビームがそのビーム方向とは反対に所定の広がりを持ち、螺旋状反射鏡３２３の表面がこのビーム方向に直角になるように方位付けられているのではないため、ビームは螺旋状スキャナ３０１に入ったり出たりを繰り返し、光路長は全体的なビームの断面を通して正確に一定ではない。これもまた、そこから生じる成果を制限する目的でビーム形成アセンブリ３２７を設ける理由である。ビーム形成アセンブリ３２７は拡散レンズ３３９、窓板３４１、および集束レンズ３４３を含む。
【０１６５】
回転アセンブリ３１６は動的に釣り合いが取れているので、回転速度が高く光路長に急激な変化があっても滑らかかつ正確に走行する。
【０１６６】
可変光路長を提供するための前記デバイス２０１および３０１は、可変光路長または調整可能な光学遅延がそれぞれ提供され得るあらゆる用途で使用できる。特に、干渉計デバイスおよびさらに好ましくは白色光干渉計での使用が可能である。好ましくは、上記図１〜図１０関連で説明したように、デバイス２０１および３０１は、２つの物体の位置および／または方位を検出するシステムにも用いられる。
【０１６７】
図１５に、図１に示されるマシンツールの代替案を示す。ここで、自動車４０３の製造用のアセンブリライン４０１を概略的に示す。その構造や機能が互いに相当する構成要素には、図１〜図１０のものと同じ参照番号で示されているが、追加の文字が付いている。わかりやすいように、あらかじめその全体像について述べる。
【０１６８】
この場合に加工される加工品は自動車４０３であり、これは、トラック４０５も含む加工品台３ｄ上をアセンブリライン４０１に沿って動く。その加工品を加工する目的で、４つのマシンツール１ｄが設けられる。これらはそれぞれのツール１６ｄを用いて加工品４０３に加工を施す。ツール１６ｄはそれぞれのマシンツール１ｄの分だけ比較的大きく移動している。ツール１６ｄはそれぞれ３つのエミッタ−レシーバアセンブリを備えているが、それらは図１５には示されていない。それらは、加工品台３ｄに対するツール１６ｄの方位のみならず位置の測定に役立つ。それに付随する計測システムは同様に、支持体２１ｄを介して加工品台３ｄに固定的に接続された複数の板２０ｄを含む。板２０ｄはそれぞれ３つの逆反射体１９ｄを抱える。それらの逆反射体は、図１に示すように、ビームを反射してツール１６ｄ上に装着されたエミッタ−レシーバアセンブリに戻す。しかしながら、そのエミッタ−レシーバアセンブリは逆反射体グループ２０ｄを１つだけ持つ各ツール１６ｄで共動するのみならず、これに関しては、台２１ｄ上の所定の位置に装着されたそのような複数の逆反射体のグループの中から選ぶこともできる。接近可能な動作ボリュームでのツール１６ｄの現在の位置によっては、加工品台３ｄに対するツール１６ｄの一層正確な位置および方位が得られることが判明するかもしれず、その場合は特定の反射体グループ２０ｄがその距離判定用として選択され、その反射体グループはツール１６ｄに対し配置されるのが望ましい。
【０１６９】
複数の反射体アセンブリ２０ｄがマシンツール１ｄ周囲に配置されているので、各エミッタ−レシーバアセンブリの視野に常に反射体アセンブリ２０ｄが存在し、その結果対応するツール１６ｄについての距離が十分な精度で測定可能である。
【０１７０】
先の実施態様では、逆反射体に向かって角度範囲に放射線を放射し、その逆反射体から反射されて戻った放射線を受光する２つの機能を満足させるためのエミッタ−レシーバアセンブリが記載されていた。しかしながら、それぞれの機能のために別個の構成要素を設けることも可能である。たとえば、図３に示す実施態様を一部変更して、板３１の中心にエミッタを１つだけ設け、また参照番号１８、１８‘、１８“が付いた構成要素を放射線のレシーバとすることができる。その後で構成要素１８、１８‘、１８“と逆反射体１９、１９‘、１９“との間の９つの距離を測定することさえ可能である。
【０１７１】
しかしながら、それとは反対に、図３で１８、１８‘、１８“が付いた構成要素がそれぞれ互いに固定された距離で配置されたエミッタであり、９つの所望の距離を測定する目的で板３１の中心部にレシーバが１つだけ設けられていてもよい。
【０１７２】
図１１および１２に示す実施態様では、旋回ベルト２０９として鋼バンドが用いられている。しかしながら、旋回ベルト用としてそれ以外の材料を選択してもよい。他の材料の例としては、プラスチック類、繊維補強プラスチック類、ゴムなどがある。
【０１７３】
１つまたは複数のガイドを少なくとも部分的にベルト周囲に巻き付けることにより、図１１および１２に示されている実施態様で、上記のように、実際にベルトプーリに対しベルトを誘導する。しかしながら、そのベルト断面形状がプーリの周辺表面の窪みや突起に一致するような突起や窪み等を持っていれば、それによってベルトとプーリが勘合し、ベルトを直接プーリの周辺面で誘導することができる。この一例がリブ断面形状を持ったＶ−リブ型ベルトとして設計されたベルトであってもよく、その一例がドイツ工業規格(Deutsche Industrie Norm/DIN 7867)に記載されている。
【０１７４】
先に、２つの物体の相対的な位置および／または方位を測定するためのシステムおよび方法をそれぞれマシンツールでの用途で述べた。ここで、それら２つの物体とは、ツールおよび加工品台であり、反射体が加工品台上に装着される。しかしながら、反射体をツールの側に、エミッタまたはレシーバをそれぞれ加工品台側に装着することもできる。さらにそれ以外にも、距離または方位をそれぞれ測定する必要のある対となった物体について、そのシステムまたは方法をそれぞれ使用することができる。このコンテクストでは、特に、加工品の表面を走査するための座標計測デバイスが考慮されている。ここで、加工品は、マシンツールの場合と同様に、加工品台上に配置されてもよい。加工品の表面を走査するための走査チップを備えた計測ヘッドを、マシンツールのツールと類似した機械的手段によって支持することもできる。その場合、その計測ヘッドの位置を、加工品表面に沿ってモータを用いるかまたはユーザが手作業によって移動させる。しかしながら、計測ヘッドをユーザの手だけで支持し、ユーザが表面に沿って加工品を自由に動かせるようにもできる。そうすると、エミッタおよびレシーバが計測ヘッドに配置され、一方、逆反射体は加工品台に配置される。あるいは、逆反射体が計測ヘッドに配置されるのであれば、エミッタとレシーバは加工品台に配置される。
【図面の簡単な説明】
【図１】２つの物体の相対的な位置を測定するためのシステムの実施態様が組み込まれた、本発明によるマシンツールの実施態様。
【図２】２つの物体の相対的な位置を測定するための図１のシステムの詳細図。
【図３】２つの物体の相対的な位置を測定するシステムを改良したものの詳細図であり、このシステムにより２つの物体の相対的な方位をも測定できる。
【図４】位置および方位を測定する図３のシステム全体の概略図。
【図５】図２および図３の逆反射体の部分図。
【図６】図３のシステムで使用可能な干渉計装置の構造を示す概略図。
【図７】図６の干渉計装置の別の例。
【図８】図６の干渉計装置のさらに別の例。
【図９】図４、図６、図７または図８の干渉計装置で生じる放射線強度過程を示すグラフ。
【図１０】図４、図６、図７または図８の干渉計装置に適用可能な光誘導装置の実施態様。
【図１１】可変光路長を提供するデバイスの一実施態様の上面図。
【図１２】図１１のデバイスの部分側面図。
【図１３】可変光路長を提供するデバイスの別の実施態様を示す概略斜視図。
【図１４】図１３に示すデバイスの補足的概略図。
【図１５】図１の装置に複数のマシンツールを設けた変更例。
【図１６】２つの物体の相対的な位置または方位を測定する方法の実施態様を説明するためのフローチャート。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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