(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２の機械部品（５）の位置に対して第１の機械部品（４）の位置を変更するための可動キャリア（３）を有するコンピュータ制御機械（２）用のセンサ・デバイス（１）であって、
前記第１の機械部品（４）に取り付け可能なパターン発生器（６）と、
両方とも、空間光パターン（８）を作り出すために、前記第２の機械部品（５）に取り付け可能であり、コヒーレント光を用いて前記パターン発生器（６）を照射するように光学的に構成される第１の光照射器（７Ａ）及び第２の光照射器（７Ｂ）と、
前記第２の機械部品（５）に取り付け可能であり、前記空間光パターン（８）の合成画像（３０）を捕捉するように光学的に構成されるカメラ（９）とを備え、
前記カメラと、光照射器の前記第１の１つ（７Ａ）及び光照射器の前記第２の１つ（７Ｂ）との組合せを使用して、前記カメラ（９）が前記空間光パターン（８）の第１の合成画像を第１のカメラ・ショットで捕捉することを可能にするように構成可能であり、その場合、光が前記空間光パターン（８）の第１の空間光パターン成分（８Ａ）を作り出すために前記第１の照射器（７Ａ）から前記パターン発生器（６）を介して前記カメラまでの光学経路に沿って伝搬される、第１の光学構成の有効光学距離の範囲（１１Ａ）が、光が前記空間光パターン（８）の第２の空間光パターン成分（８Ｂ）を作り出すために前記第２の照射器（７Ｂ）から前記パターン発生器（６）を介して前記カメラまでの光学経路に沿って伝搬される第２の光学構成（１１Ｂ）の有効光学距離の範囲と重複しておらず、前記第１（７Ａ）及び前記第２（７Ｂ）の照射器のそれぞれが、前記第１（１１Ａ）及び第２（１１Ｂ）の光学構成のそれぞれ内の光学経路長における最大差よりも大きいコヒーレンス長のコヒーレント光を用いて、前記パターン発生器（６）を照射するように構成される、カメラ（９）とを備える、センサ・デバイス（１）。
【請求項２】
前記合成画像（３０）に出現する前記第１の成分（８Ａ）と前記第２の成分（８Ｂ）との間の光学相互干渉を回避するための前記第１（１１Ａ）及び第２（１１Ｂ）の光学構成のうちの少なくとも１つにおける手段を備え、前記手段が、
ａ）前記第２の光照射器（７Ｂ）に使用されるレーザの波長とは異なる波長を有する前記第１の光照射器（７Ａ）におけるレーザ、
ｂ）前記第１の成分の光の偏光の状態を前記第２の成分の光の偏光の状態と直交させるような、前記光学構成（１１Ａ）及び（１１Ｂ）の光学経路における偏光子、波長板、二重屈折プリズム、及び偏光キューブ・ビーム・スプリッタなどの偏光光学系、
ｃ）前記第１の成分（８Ａ）と前記第２の成分（８Ｂ）との間の前記光学相互干渉が前記カメラ（９）によって解像されないように、前記光学構成（１１Ｂ）の光とは十分に異なる角度において前記光学構成（１１Ａ）の光を前記カメラ（９）の感光面に入射させる光学構成部品配列、及び
ｄ）前記光照射器（７Ｂ）に比較して前記合成画像の露出時間内に、前記カメラ感光面を異なる時間において露出する光を前記照射器（７Ａ）に作り出させるように、前記光学構成（１１Ａ）及び（１１Ｂ）の前記光学経路に配列されるシャッタ、デフレクタ、又は振幅変調器のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載のセンサ・デバイス（１）。
【請求項３】
前記センサ・デバイスが、前記カメラが前記空間光パターン（８）の前記第１の成分（８Ａ）の第２の画像を第２のカメラ・ショットで、及び前記空間光パターン（８）の前記第２の成分（８Ｂ）の第３の画像を第３のカメラ・ショットで捕捉することを可能にするように構成可能である、請求項１に記載のセンサ・デバイス（１）。
【請求項４】
前記第１（７Ａ）及び第２（７Ｂ）の照射器のうちの少なくとも１つの照射器が、光が前記少なくとも１つの照射器の光源（５２）から前記内部パターン発生器（５４）を介して前記カメラ（９）までの経路をたどるように、及び前記空間光パターン（８）の第３の空間光パターン成分（５７）を作り出すように配列された前記内部パターン発生器（５４）を含み、前記カメラが、前記第３の成分（５７）も含む前記空間光パターン（８）の前記合成画像（３０）を前記第１の単一のカメラ・ショットで捕捉することが可能にされる、請求項１に記載のセンサ・デバイス（１）。
【請求項５】
前記カメラが、多数の空間光パターン（８）を一緒に画像化することによって作成される前記合成画像（３０）を単一のカメラ・ショットで捕捉するように配列される、請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサ・デバイス（１）。
【請求項６】
前記カメラ（９）の感光性部品が、一次元、１Ｄ、線カメラ・センサ・アレイである、請求項１に記載のセンサ・デバイス。
【請求項７】
前記カメラ（９）の前記感光性部品が、二次元、２Ｄ、面カメラ・センサ・アレイである、請求項１に記載のセンサ・デバイス。
【請求項８】
光学構成（１１）において、前記照射器（７）の光軸が、前記同じ光学構成（１１）の前記前記カメラ（９）の光軸と同軸である、請求項１に記載のセンサ・デバイス。
【請求項９】
第２の機械部品（５）の位置に対する第１の機械部品（４）の位置を変更するための可動キャリア（３）を有するコンピュータ制御機械（２）における機械部品の位置を決定するためのシステムであって、
請求項１から８のいずれか一項に記載のセンサ・デバイス（１）と、
ａ）前記可動キャリアが、対応する可動基準キャリア（３−１−Ｒ、３−２−Ｒ）である基準機械における前記センサ・デバイス（１）を用いて別々に捕捉された第１（８Ａ）及び第２（８Ｂ）の空間光パターン成分画像の基準画像データ、及び
ｂ）前記基準画像データに関連付けられた前記基準キャリアの基準位置データ（３１−Ｒ、３２−Ｒ）を記憶するように適合されたデータ記憶手段（１０）と、
対応する合成画像データ及び基準画像データの対に対する光パターン並進オフセット・データを導き出すために、及び複数の異なる光学構成（１１）に関係した光パターン並進オフセット・データに基づいて前記コンピュータ制御機械（２）の位置読取り又は較正に対する並進及び回転データを導き出すために、前記センサ・デバイス及び前記記憶手段と通信し、前記センサ・デバイスから通信された合成画像データの前記記憶手段から通信された基準画像データとの一致を決定するように構成された処理手段（１２）とを備える、システム。
【請求項１０】
第２の機械部品の位置に対する第１の機械部品の位置を変更するための少なくとも１つの可動キャリア（３）を有するコンピュータ制御機械の前記第２の部品の並進及び回転に対する前記第１の部品の並進及び回転を獲得するための方法であって、
前記第１の機械部品（４）に取り付け可能なパターン発生器（６）を提供するステップと、
両方とも、空間光パターン（８）を作り出すために、前記第２の機械部品（５）に取り付け可能であり、コヒーレント光を用いて前記パターン発生器（６）を照射するように光学的に構成される第１の光照射器（７Ａ）及び第２の光照射器（７Ｂ）を提供するステップと、
前記第２の機械部品（５）に取り付け可能であり、前記空間光パターン（８）の合成画像（３０）を捕捉するように光学的に構成されるカメラ（９）を提供するステップと、
前記カメラ（９）が前記カメラと、光照射器の前記第１の１つ（７Ａ）及び光照射器の前記第２の１つ（７Ｂ）との組合せを使用して前記空間光パターン（８）の第１の合成画像を第１の単一のカメラ・ショットで捕捉することを可能にするステップであって、その場合、光が前記空間光パターン（８）の第１の空間光パターン成分（８Ａ）を作り出すために前記第１の照射器（７Ａ）から前記パターン発生器（６）を介して前記カメラまでの光学経路に沿って伝搬される第１の光学構成（１１Ａ）の有効光学距離の範囲が、光が前記空間光パターン（８）の第２の空間光パターン成分（８Ｂ）を作り出すために前記第２の照射器（７Ｂ）から前記パターン発生器（６）を介して前記カメラまでの光学経路に沿って伝搬される第２の光学構成（１１Ｂ）の有効光学距離の範囲と重複せず、及び前記第１（７Ａ）及び前記第２（７Ｂ）の照射器のそれぞれが、前記第１（１１Ａ）及び第２（１１Ｂ）の光学構成のそれぞれ内の光学経路長における最大差よりも大きいコヒーレンス長のコヒーレント光を用いて前記パターン発生器（６）を照射するように構成される、可能にするステップとを含む、方法。
【請求項１１】
複数の機械部品位置において、第２の機械部品の位置に対する第１の機械部品の位置を変更するための少なくとも１つの可動キャリア（３）を有するコンピュータ制御機械の前記第２の部品の並進及び回転に対する前記第１の部品の並進及び回転を獲得するための方法であって、前記可動キャリアを複数の位置に移動させるステップと、各位置において、請求項１０の方法を実施するステップと、前記キャリアの位置に関係した前記捕捉された合成画像（３０）及び関連したキャリア位置データ（３１、３２）をデータ記憶手段（１０）に記録するステップとを含む、方法。
【請求項１２】
前記キャリアの各位置において、前記第１（７Ａ）及び第２（７Ｂ）の照射器が、前記第１（８Ａ）及び第２（８Ｂ）の空間光パターン成分の画像を別々に、及び非並行に、及び前記第１（１１Ａ）及び第２（１１Ｂ）の異なる光学構成のそれぞれの１つだけにおいて捕捉するように、交互に動作するように制御される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
合成画像（３０）が、前記キャリアの各位置において、それぞれの異なる対物面において画像を記録するように構成された複数の前記カメラ（９）を使用して記録される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
較正のための、又は第２の機械部品の位置に対する第１の機械部品の位置を変更するための可動キャリアを備えるコンピュータ制御機械の部品の相対位置を改善するためのデータを導き出す方法であって、
請求項１に記載のセンサ・デバイスを前記コンピュータ制御機械に設けるステップと、
前記第２の機械部品の位置に対する前記第１の機械部品の位置が前記複数の位置のそれぞれに対して変化するように、前記キャリアを複数のキャリア位置に移動させるステップ及び、各キャリア位置において、前記キャリアの位置に関係した位置データを記録するステップ、及び前記第１（１１Ａ）及び第２（１１Ｂ）の光学構成のそれぞれの１つにおける少なくとも第１（８Ａ）及び第２（８Ｂ）の空間光パターン成分から構成された空間光パターン（８）の合成画像（３０）の合成画像データを捕捉し、記録するように前記センサを動作させるステップ、及び前記センサ・デバイス（１）を基準機械において使用し、対応する合成画像データ及び基準画像データの対を見つけて、画像化され、捕捉された前記第１及び第２の空間光パターン成分に関係した相互に関連のある、別々に記録された基準画像及び位置データを備える基準データベースの基準画像データとともに、記録された合成画像データを処理するステップと、
対応する合成画像データ及び基準画像データの各対に対する画像並進オフセット・データを導き出すステップと、
較正のための、又は前記第１及び第２の光学構成に関係した光パターン並進オフセット・データに基づいて前記コンピュータ制御機械の部品の相対位置決めを改善するための並進及び回転データを導き出すステップとを備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械、光機械式測定デバイス、座標測定機（ＣＭＭ：ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ  ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  ｍａｃｈｉｎｅ）、ロボット、及び位置エンコーダなどのコンピュータ制御機械内の正確な並進及び回転を見つけるためのデバイス及び方法の分野に関する。より詳しくは、本発明は、複数の機械部品位置における剛体の並進及び回転較正、又はそのようなデバイス内の同時並進及び回転読取りに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＸＹＺ座標軸に対して、ある部品の並進とは、以下において、その部品上の特定の位置のΧ、Ｙ、Ζ座標を意味する。同じ部品の回転とは、その部品のＲｘ、Ｒｙ、Ｒｚ回転角を意味し、その場合、Ｒｘ、Ｒｙ、及びＲｚは、それぞれ、所与のＸ、Ｙ、及びＺ軸を中心とした回転角を表す。部品の位置とは、広い意味で部品の並進と回転との組合せ、並進、又は回転のうちのいずれかを意味する。典型的には、上述の機械は、機械の異なる部品の正確な並進を読み取るために並進読取りデバイス、いわゆるエンコーダを使用する。例えば、そのような機械が３つの並進自由度、ＸＹＺ、及び１つの回転角自由度、θを用いて組み立てられた場合、リニア・エンコーダが、３つのそれぞれのＸ、Ｙ及びＺキャリアのそれぞれに配置され、角度エンコーダが、機械のθキャリアの回転軸に配置される。しかし、これらのエンコーダは、通常、機械の作業領域（又は作業空間）から距離を置いて配置される。そうでない場合、エンコーダは、機械の作業領域動作と衝突する。結果として、前記作業空間における特定の機械部品又はツールの並進を決定するために、いくつかの機械部品の並進及び回転は、それぞれのエンコーダによって行われた測定から決定される必要がある。前記測定に基づいて幾何学的情報を使用し、幾何学的計算を実施することによって、前記特定の機械部品の並進及び回転、又は典型的には、機械の作業空間に配置されたツールの並進及び回転が導き出される。しかし、機械的な不規則性、隙間、及び／又は機械的な遊びは、機械部品の移動に影響する。したがって、エンコーダ読取り位置と作業領域動作位置との間の並進及び回転オフセットにより、各それぞれの自由度に関連付けられた、測定しにくいオフセットが導入され、そのオフセットは、前記幾何学的計算には考慮されず、それは、今度は、決定された機械部品位置の、ある度合いの不確実性及び誤差をもたらす。
【０００３】
例えば、工作機械、光機械式デバイス、及びエンコーダの３Ｄ（３次元）位置決めを測定及び較正するために、典型的には、いわゆるタッチ・プローブが使用される。タッチ・プローブは、工作機械のツール・ホルダに装着することができ、測定のために、鋼球又は棒鋼などのゲージの較正位置に接触するように移動させることができる。これは時間のかかるポイントごとのプロセスであり、高価な寸法較正されたゲージが、装着され、使用されることを必要とする。
【０００４】
典型的には、エンコーダが、棒に沿って、又は回転軸の周辺の回転角、ＩＤ（１次元）回転を読み取るためにＩＤ並進を測定する。同じプロセスを拡大して、剛体の６つの（３つの並進＋３つの回転）可能な機械的自由度の一部又は全部に対する並進及び回転の両方を同時に読み取るのには複雑で、高価であり得る。現代のエンコーダは、精度限界にもより、例えば、２つの棒に沿った並進の間の差を読み取り、場合により、それらの差の並進を棒の外側の遠くに達する場所の並進の値に外挿するのにあまり適切ではない場合がある。
【０００５】
Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ  Ｊ．  Ｄａｉｎｔｙ編、Ｌａｓｅｒ  Ｓｐｅｃｋｌｅ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ、Ｂｅｒｌｉｎ  １９７４などの文献において、ある範囲のいわゆるスペックル写真及びスペックル干渉法技法が説明されている。それらの技法の主な焦点は、物体内部変形及び表面トポグラフィの測定にある。スペックル写真技法は、３Ｄ空間の複数の部品位置における局所並進オフセット及び局所回転角オフセットの両方を測定することができない。それに対応して、及びさらに、干渉法技法は、振動感知型であり、多くの場合、産業用途にはあまり適していない。
【０００６】
後に、例えば、Ｉｃｈｉｒｏｕ  Ｙａｍａｇｕｃｈｉらは、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．  ２８、Ｎｏ．２０、Ｏｃｔｏｂｅｒ  １５，１９８９において、及びＶｉｊａｙ  Ｓｈｉｌｐｉｅｋａｎｄｕｌａは、その修士論文、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｆｅｂ．２００４において、カメラの方程式の使用によりスペックル変位を記録することによって、どのようにして焦点がぼけた又は焦点が合ったカメラを回転角読取りエンコーダを製作するのに使用できるかを説明している。この技法も３Ｄ空間の複数部品位置における局所並進オフセット及び局所回転オフセットの両方を測定する能力に欠けている。
【０００７】
欧州特許第１９２４４００号は、機械式及び光機械式機械加工及び品質管理システムの部品の部品位置関係を見つけるための、並びにこれらの部品を認識するための装置及び方法を説明している。この技法は、とりわけ、焦点を合わせた表面構造の画像変位を見つけるための相関技法を説明している。しかし、この技法は、３Ｄ空間の複数の部品位置における並進オフセット及び回転オフセットの両方を測定する能力に欠けている。
【０００８】
したがって、コンピュータ制御機械内の並進及び回転を見つけるための、周知の機械及び光学デバイス及び方法は、十分な測定能力、精度、又は速度に欠けており、或いは感度が良すぎるか又は誤差を生じやすい。さらに、それらは、典型的には、時間のかかる及び／又は高価な較正を必要とする。
【０００９】
特許出願ＰＣＴ／ＮＯ２０１５／０５０１０２において、Ｇｕｄｍｕｎｄ  Ｓｌｅｔｔｅｍｏｅｎは、最小２つの構成Ａ及びＢにおける最小２つの画像の間の並進オフセット（ｄＡｘ、ｄＡｙ）及び（ｄＢｘ、ｄＢｙ）をどのように組み合わせて、２つの機械部品の間の並進オフセット（Ｄｘ、Ｄｙ）及び回転角オフセット（Ｔｘ、Ｔｙ）値を見つけることができるかを説明している。この技法は、３Ｄ空間の複数の部品位置における並進オフセット及び回転オフセットの両方を測定することができるが、画像が別々に捕捉されるので、光源波長のドリフト、又はカメラ若しくは他の光学構成部品の機械的ドリフトに感受性があり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】欧州特許第１９２４４００号
【特許文献２】特許出願ＰＣＴ／ＮＯ２０１５／０５０１０２
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ  Ｊ．  Ｄａｉｎｔｙ編、Ｌａｓｅｒ  Ｓｐｅｃｋｌｅ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｖｅｒｌａｇ、Ｂｅｒｌｉｎ  １９７４
【非特許文献２】Ｉｃｈｉｒｏｕ  Ｙａｍａｇｕｃｈｉら、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．２８、Ｎｏ．２０、Ｏｃｔｏｂｅｒ  １５，１９８９
【非特許文献３】Ｖｉｊａｙ  Ｓｈｉｌｐｉｅｋａｎｄｕｌａ、Ｍａｓｔｅｒ  ｔｈｅｓｉｓ、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｆｅｂ．２００４
【非特許文献４】Ａｔｈａｎａｓｉｏｓ  Ｐａｐｏｕｌｉｓ著、Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｓ  ｗｉｔｈ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｏｐｔｉｃｓ、１９６８年、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ  Ｂｏｏｋ  Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、コンピュータ制御機械の作業空間内の部品の並進若しくは回転、又は部品の並進及び回転の両方のいずれかの決定における精度を改善することにある。本発明の別の目的は、コンピュータ制御機械の較正に必要な時間を低減することにある。本発明のさらに別の目的は、並進及び／又は回転補正データの速度及び精度における改善を機械のコンピュータ制御に提供すること、又は高度な並進及び／又は回転エンコーダとして直接作業する解決策を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の以下の説明から理解される、これらの及び他の目的及び利点は、添付の独立請求項によるデバイス、システム及び方法によって実現される。本発明の他の態様は、添付の従属請求項によって定義される。
【００１４】
態様によれば、本発明は、コンピュータ制御機械の作業空間に配置された第２の機械部品に対する第１の機械部品の位置を変更するための可動キャリアを有する前記コンピュータ制御機械において使用するのに適切なセンサ・デバイスであって、第１の機械部品に取付け可能な第１のパターン発生器と、第２の機械部品に取付け可能であり、第１のパターン発生器によって散乱された光からの、前記作業空間における、以下、空間光パターン又は光の空間パターン又は単に光パターンと称する、３次元光回折及び干渉パターンを共同で作り出すために第１のパターン発生器を照射するように構成された少なくとも第１及び第２の照射器と、第２の機械部品に取付け可能なカメラとを備える、センサ・デバイスを提供する。センサ・デバイスは、カメラが、それぞれ、カメラと、第１及び第２の照射器のそれぞれの１つとが関与する少なくとも２つの異なる光学構成において形成された前記作業空間における空間光パターンの合成画像を捕捉することが可能になるように構成可能であり、合成画像は、異なる光学構成のそれぞれの１つにおいて生成された空間光パターン成分から構成された空間光パターンの全く同一のカメラ露出で捕捉された画像である。異なる光学構成は、空間光パターンの第１の空間光パターン成分を作り出すために光が第１のパターン発生器を介して第１の照射器から光学経路に沿ってカメラまで伝搬される第１の光学構成の有効光学距離の範囲が、空間光パターンの第２の空間光パターン成分を作り出すために光が第１のパターン発生器を介して第２の照射器から光学経路に沿ってカメラまで伝搬される第２の光学構成の有効光学距離の範囲と重複していない点において異なる。したがって、本発明によるセンサ・デバイスにおいて、照射発散中心からパターン発生器までの距離ｄ−ｉ、カメラ対物面からパターン発生器までの距離ｄ−ｃ、及び有効パターン発生器焦点距離ｆの高調波の和の逆数である、１つの光学構成の有効距離ｄ−ｅは、別の光学構成の有効距離ｄ−ｅとは異なり、その場合、（１／ｄ−ｅ）＝（１／ｄ−ｉ）＋（１／ｄ−ｃ）＋（１／ｆ）である。
【００１５】
一実施例において、本発明のセンサ・デバイスは、有利には、合成画像における出現による異なる光学構成で形成された異なる空間光パターン成分の光の間の相互干渉を回避するための手段を含む。そのような相互干渉を回避するための手段の実例は、別のコヒーレント光照射器に使用されるレーザの波長とは異なる波長を有する１つのコヒーレント光照射器に使用されるレーザ、別の光パターン成分の光の偏光の状態に直交する１つの光パターン成分の光の偏光の状態を作る異なる光学構成の光学経路における偏光光学系、光を異なる光学構成の経路において伝搬させて、カメラ感光面を全く同じ合成画像露出時間内で異なる回数で露出するように光学構成の光学経路に配列されたシャッタ、デフレクタ、又は振幅変調器、及びカメラ感光面から測定したときの空間光パターン成分の間の最小角距離が、関与するカメラの画素サイズ及び光の波長によって決定された角距離よりも大きいことを確実にする光学構成部品の配列である。
【００１６】
実施例において、センサ・デバイスは、合成画像データを前記少なくとも１つのカメラから受け取り、前記キャリアの位置データを受け取るための記憶手段をさらに備え、前記少なくとも第１及び第２の照射器、前記カメラ、及び前記パターン発生器の少なくとも第１及び第２の異なる光学構成における空間光パターンの合成画像を受け取るように構成される。
【００１７】
本発明の態様によれば、少なくとも第１及び第２の照射器は、少なくとも部分的にコヒーレントな光を用いてパターン発生器を照射するように構成される。有利には、光のコヒーレンスの度合いが高ければ高いほど、空間光パターンが空間において広く延びる。
【００１８】
別の態様によれば、本発明のセンサ・デバイスは、有利には、第２の機械部品に取付け可能な第２のパターン発生器を含み、前記第１及び第２の光学構成における前記第１のパターン発生器に加えて第３の光学構成における第２のパターン発生器を使用して形成された空間光パターンの合成画像をカメラを用いて捕捉するように構成される。その場合、照射器のうちの少なくとも１つは、空間光パターンの第３の空間光パターン成分を作り出すために第２のパターン発生器を照射するようにも配列される。
【００１９】
本発明の別の態様によれば、基準画像を作り出す目的のために、センサ・デバイス構成手段は、関与する異なる光学構成のそれぞれの１つにおいて別々に形成された光パターンの基準画像をカメラが捕捉することが可能になるように動作可能である。
【００２０】
本発明の態様によるシステムは、上記の態様のうちのいずれかの１つによるセンサ・デバイスと、基準データベースを装備する記憶手段とを備える。基準データベースは、パターン発生器に対して基準機械部品の正確な並進及び回転を表す、相互に関連のある基準画像とキャリア位置データとを備える。基準データベースの用意により、第１のコンピュータ制御機械に記録された合成画像を、前に又は後で第２のコンピュータ制御機械に、又は第１のコンピュータ制御機械に記録された基準画像に関連付けることが可能になる。第２の機械は、基準画像を記録するとき第１の機械と同じ光学構成が使用される基準機械である。
【００２１】
態様によれば、システムは、対応する画像の各組に対する画像並進オフセット・データを導き出すために、及び複数の異なる光学構成に関連付けられた画像並進オフセット・データに基づいてコンピュータ制御機械の較正に対する位置データを導き出すために、対応する画像の組を見つけるために基準画像データとともに、前記記録された合成画像データを処理するように構成された処理手段をさらに備える。処理には、典型的には、記録された合成画像データと基準画像データとを比較するステップが関与し、対応する画像の組は、典型的には、対応する画像の対である。処理手段は、システムが合成画像と基準画像との対応を自動的に決定し、決定された対応に基づいて、コンピュータ制御機械の較正に対する位置データを導き出すことを可能にする。
【００２２】
別の態様は、コンピュータ制御機械の第１及び第２の部品の相対並進及び回転に関連付けられたデータを記録する方法を説明している。コンピュータ制御機械は、第２の機械部品に対する第１の機械部品の位置を変更するための可動キャリアを備える。方法は、キャリアを複数の位置に移動させるステップを含む。各位置において、照射器は、空間光パターンが作り出されるように、第１の機械部品に取り付けられたパターン発生器を照射するのに使用される。各位置においても、少なくとも２つの異なる光学構成において形成された前記空間光パターンの合成画像が、前記照射器及び少なくとも１つのカメラを使用して記録される。そのような方法は、第２の機械部品の並進及び回転に対する第１の機械部品の並進及び回転に関連付けられたデータの迅速で正確な捕捉を可能にする。したがって、方法は、工作機械又は座標測定機などのコンピュータ制御機械における並進及び回転オフセットの高密度サンプリングを可能にする。したがって、合成画像を記録することによって、方法は、光源波長のドリフト、コンピュータ制御機械の構成部品の機械的ドリフト、及び光学構成部品及びカメラの機械的ドリフトに対して感受性が低い。
【００２３】
態様によれば、方法は、各位置において前記キャリアの位置を記録する他の方法ステップを含む。
【００２４】
態様によれば、各位置において、複数の前記照射器が、パターン発生器を同時に又は交互に照射するように制御される。
【００２５】
態様によれば、コンピュータ制御機械の較正に対するデータを導き出す方法が提供される。コンピュータ制御機械は、第２の機械部品に対する第１の機械部品の位置を変更するための可動キャリアを備える。この方法は、本発明のセンサ・デバイスのそれぞれの要素をコンピュータ制御機械の第１及び第２の機械部品に提供するステップと、第２の機械部品に対する第１の機械部品の位置が各位置に対して変化するように、キャリアを複数のキャリア位置に移動させるステップと、各キャリア位置において、本発明のセンサ・デバイスを動作させるステップとを含み、照射器が、空間光パターンが作り出されるように、第１の機械部品に取り付けられたパターン発生器を照射するように動作され、各キャリア位置において、前記キャリアの位置に関係した位置データが、やはり記録され、各キャリア位置において、空間光パターンの合成画像が、前記少なくとも２つの照射器、前記第１のパターン発生器及び少なくとも１つのカメラのうちの少なくとも２つの異なる光学構成において捕捉され、記録され、各それぞれのキャリア位置に対して、同様の光パターン・データの対が、前記記録された合成画像データを基準データベースの基準画像データと比較することによって見つけられ、前記光パターン・データが、内部パターン発生器を含むパターン発生器から反射され、又は透過される独自の空間光パターンに関連付けられている相互に関連のある光パターン及び位置データを含み、同様の光パターン・データが、同様の光パターンの各対に対する光パターン並進オフセット・データを導き出すように分析される。さらに、コンピュータ制御機械の較正又は補償のデータが、複数の異なる光学構成に関連付けられた光パターン並進オフセット・データに基づいて導き出される。
【００２６】
態様によれば、パターン発生器は、少なくとも部分的にコヒーレントな光を用いて照射される。光のコヒーレンスにより、空間光パターンを発生させることが可能になる。
【００２７】
本発明の利点の中で、光パターンの基準画像の記録及びこれらの基準画像の使用が、異なる機械で実行されることである。有利には、機械はその後の性能の基準であることも可能である。本発明の他の利点は、本発明が、有利には、異なって構成された光パターンの記録をエンコーダ位置読取りと関連付けるように配列されるので、コンピュータ制御機械の並進及び回転を見つけ、較正するその適用性である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明によるセンサ・デバイスを備えるシステムを装備したフライス盤の第１の例示的な実施例を示す概略的側面図である。
【図２】本発明によるセンサ・デバイスを備えるシステムを装備している座標測定機の第１の例示的な実施例を示す概略的側面図である。この機械は、図１によって表されるように、フライス盤によって使用される基準データを収集している。
【図３】図１のフライス盤及び図２の座標測定機の光学経路及び有効距離を表す概略的側面図である。
【図４】実例１のフライス盤であるが、本発明によるセンサ・デバイスを備える代替システムを装備したフライス盤の概略的側面図である。このセンサ・デバイスの使用は、複数の位置における剛体の移動のすべての６つの自由度（３つの並進＋３つの回転）を、同様に構成されたセンサ・デバイスを有する座標測定機に関してフライス盤に対して見つけることを可能にする。
【図５】図４のフライス盤に示し、対応する基準画像記録機において使用されるセンサ・デバイスの光学経路及び有効距離を表す概略的側面図である。
【図６】本発明によるセンサ・デバイスを装備した縦フライス盤の概略的投影図であり、その場合、センサ・デバイスは、光源波長のドリフト、又は機械的及び光学構成部品の位置ドリフト、又はカメラの機械的若しくは熱ドリフトの補償に適切な追加の基準構成を装備している。
【図７】図６の縦フライス盤に示し、対応する基準画像記録機において使用されるセンサ・デバイスの光学経路及び有効距離を表す概略的側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の方法は、第２の機械部品の並進及び回転に対して第１の機械部品の並進及び回転に関連付けられたデータの迅速で正確な捕捉を可能にする。したがって、方法は、基準機械のものに対する、工作機械又は座標測定機などのコンピュータ制御機械における並進及び回転オフセットの高密度サンプリングを可能にする。これは、最小２つの光学構成によって形成された空間光パターンの合成画像の基準データベースにおける画像との比較によって達成され、その場合、基準データベースにおける画像は、異なる構成によって別々に形成された基準空間光パターンの画像である。パターン発生器の空間光学特性に関連付けられた、相互に関連のある空間光パターン及び位置データに頼る比較により、第１のコンピュータ制御機械に捕捉され、記録された空間光パターンの位置を、同じ光学構成を使用して、座標測定機などの基準コンピュータ制御機械に前に捕捉され、又は後で記録された基準空間光パターン又は較正設定と比較することが可能になる。それにより、各サンプル位置における並進及び回転オフセットを正確に決定し、第１のコンピュータ制御機械の位置較正又は補償に対するデータを導き出すためにオフセット・データを使用することが可能である。較正データは、第１のコンピュータ制御機械の移動が基準データを記録するのに使用される基準機械の移動によって補正されるように、第１のコンピュータ制御機械の移動を読み取り、又は制御するのに使用することができる。画像捕捉を簡単にすることによって、本発明は、特許出願ＰＣＴ／ＮＯ２０１５／０５０１０２から導き出すことができる適用例の範囲も拡大させる。
【００３０】
カメラ及び照射器の光学構成の正確な位置及び角度を、本明細書においてパターン発生器と称する物理的部品の位置及び角度に関連付けることによって、本発明は、パターン発生器、又はパターン発生器の真の姉妹複製を１つの機械（基準）から他の機械に持って行くことによって、及び同じ光学構成によって画定されたセンサ・デバイスを用いて、作り出された光パターンを観察することによって、コンピュータ制御機械における正確なツール・ホルダ並進及び回転を見つけることを可能にする。各合成画像は画像が捕捉されたときのコンピュータ制御機械に関するすべての必要な位置及び回転情報を含むので、合成画像を捕捉することによって、本発明は、速度及び精度の両方を同時に改善することができる。これにより、高度の信頼性及び精度が生じる。
【００３１】
パターン発生器は、例えば、市販エンコーダのエンコーダ・ガラス棒とまったく同じ目的にかなう。合成画像を捕捉することによって、本発明は、パターン発生器の外側の自由空間における空間光パターンの並進及び回転の記録を可能にし、この情報を使用して、機械部品の正確な並進及び回転オフセット状態を見つける。
【００３２】
センサ・デバイスは、第２の機械部品の並進及び回転に対して第１の機械部品の並進及び回転に関連付けられた画像の迅速で正確な捕捉を可能にする。したがって、デバイスは、工作機械又は座標測定機などのコンピュータ制御機械における並進及び回転オフセットの高密度サンプリングを可能にする。最小２つの異なる光学構成の用意により、第２の部品の並進に対して第１の部品の並進の信頼できる情報を第２の部品の回転に対して第１の部品の回転から別々に導き出すことが可能になる。また、第１の光学構成の有効距離が第２の光学構成の有効距離と異なるので、各サンプル位置において十分な並進及び回転情報を含む前記空間光パターンの１つの合成画像を記録することが可能である。それにより、第１の機械における位置決めが基準データを記録するのに使用される基準機械における位置決めに酷似するように、各サンプル位置における並進及び回転オフセットを迅速に決定し、第１のコンピュータ制御機械における位置決めを補償するために並進及び回転オフセット・データを使用することが可能である。したがって、センサ・デバイスは、機械的な不規則性、軸受隙間、及び／又は機械的な遊びが、すべて、機械部品位置決め誤差を作り出すが、その影響を多かれ少なかれ除去する。
【００３３】
キャリア位置を記録することにより、光パターンの記録された画像を記録されたキャリア位置に関連付け、したがって、実験室の機械などの基準コンピュータ制御機械の座標系を表す位置を別のコンピュータ制御機械、すなわち、使用されているコンピュータ制御機械の座標系を表す位置に関連付けることが可能になる。これにより、パターン発生器に関連付けられた正確な並進及び回転データを発生させることも可能になり、一緒に高度なエンコーダとして作業することも可能になる。
【００３４】
本発明は、各利用可能なカメラに対する複数の異なる光学構成の使用に役立ち、したがって、多数の機械的自由度及び多数の機械部品の機械的状態を同時に表す合成画像を捕捉するのに単一のカメラでも使用することを可能にする。また、より多数の光学構成が、合成画像によって画像化された、空間光パターンに寄与するようにされるとき、より多くの自由度からのより多くの並進及び回転が、同時に測定され、又は並進及び回転オフセットの決定において、より高い精度が得られる。
【００３５】
「実例１」
次に、図１を参照して本発明の実施例によるセンサ・デバイス１を説明する。センサ・デバイス１は、この実例において、フライス盤２の整合及び較正に適合される。図１において、フライス盤２は、作業領域テーブル４と、ツール・ホルダ５と、支持部品１００−１、１００−２、及び１００−３と、キャリア３−１及び３−２とを備える。本実例において、フライス盤２のキャリア３−１及び３−２が装着されたとき、それらの軸は、互いに直角となるように整合される必要がある。フライス盤２の内部座標系１００−４とできる限り最善に整合させるために、キャリア３−１及び３−２が機械的に調整された後でも、残余誤差が、キャリアが移動するときに依然生じることがある。これらの誤差は、高い機械加工精度が必要な場合、考慮に入れなければならない。センサ・デバイス１は、これらの誤差を見つけるのに使用される。本実施例は、図２によって表されるように、これらの誤差をＣＭＭ（座標測定機）２−Ｒの使用によって別々に記録される対応する基準データからの並進及び回転オフセットとして提供する。これらの誤差は、フライス盤２の可動部品の位置に関係している。本実例において、フライス盤は、Ｘ、Ｙ及びＺキャリア位置を参照する（簡単にするためにＸキャリア軸３−１及びＺキャリア軸３−２だけを図１に概略的に示すことに留意されたい）内部３Ｄ機械座標系１００−４を有する。本実施例の目的は、フライス盤の可動範囲内の３Ｄ位置の組のそれぞれの位置に関連付けられている並進及び回転オフセット・データの組を見つけることにある。これらのオフセット・データは、装着性及び整合性を改善するために機械メーカによって、又は空間内の意図した位置に物理的にツールを配置している実際のＸ−Ｙ−Ｚキャリア移動の誤差を補償するために機械ＣＮＣ（コンピュータ数値制御：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）によって使用される。
【００３６】
図１は、本発明の実施例とともにフライス盤２の概略図を示す。センサ・デバイス１は、２つの照射器７Ａ及び７Ｂと、１つのカメラ９とを備える。２つの光学構成、構成１１Ａと構成１１Ｂとを区別する。照射器７Ａがパターン発生器６を照射するように動作可能にされる構成において、カメラ９は光学構成Ａに属すると言う。それに対応して、照射器７Ｂがパターン発生器６を照射するように動作可能にされる構成において、カメラは光学構成Ｂに属すると言う。「照射器」という用語は、光源と照射光学系とのある組合せを意味する。したがって、同じ光源から生じるが、パターン発生器６に達する前又は後に異なる光学経路をたどり、又は異なる光学系を通過する光も、異なる「照射器」に属すると言われる。この実例において、照射器７Ａ及び７Ｂ、並びにカメラ９は、ツール・ホルダ５に取り付けられ、パターン発生器６は、ワーク・ピース・ホルダ４に取り付けられる。同様にうまくいくはずの別の可能な設定は、第１及び第２の照射器７Ａ、７Ｂ、並びにカメラ９がワーク・ピース・ホルダ４に取り付けられ、パターン発生器６がツール・ホルダ５に取り付けられるものであることに留意されたい。パターン発生器６は、例えば、光散乱面を有する材料片などの光散乱体であり、それは照射器７Ａ及び７Ｂによってパターン発生器に向かって放射された光の少なくとも一部をカメラ９に向かった方向に返し、又は透過させるのに適切である。本文書において、光がパターン発生器６によって互換可能に反射され、又は透過されるとき起こる光回折を回折、反射、透過、又は散乱のいずれかと呼ぶ。照射器７Ａ及び７Ｂは空間内の空間光パターン８がカメラによって見られること、及びカメラ９の画像平面において画像化されること、並びに合成画像が捕捉されることが可能になるように、ワーク・ピース・ホルダ４とツール・ホルダ５との間の、前記空間内のどこかに空間光パターン８を共同で作り出すためのパターン発生器６を照射するように構成される。光学教科書の定義により、概して、ワーク・ピース・ホルダ４とツール・ホルダ５との間の前記空間は、物体空間と呼ばれ、対物面１５から測定したとき、負の無限大から正の無限大まで拡大することができる。したがって、この実例において、空間光パターン８は、パターン発生器によって散乱された第１の照射器７Ａからの光によって前記空間内に作り出された前記空間における第１の光パターン成分８Ａと、パターン発生器によって散乱された第２の照射器７Ｂからの光によって同じ前記空間内に作り出された前記空間における第２の光パターン成分とを備え、空間光パターン８の単一のカメラ・ショットで捕捉された合成画像は、両方の成分８Ａ及び８Ｂによって形成される。したがって、成分８Ａ及び８Ｂは、それらが、両方共、同じカメラによって同じカメラ・ショットで画像化されている限り、時間が経てば、明色によって、偏光によって、カメラ感光面から見たときの角度によって、又は他のパラメータによって分離させることができる。成分８Ａ及び８Ｂが角度によって分離された場合、カメラのカメラ感光面から測定したときの、成分８Ａの光と成分８Ｂの光との間の最小の角距離は、２＊ａｒｃｓｉｎ（ｌａｍｂｄａ／（４＊ｐ））よりも大きいはずであり、その場合、ａｒｃｓｉｎ（）は三角関数であり、ｌａｍｂｄａは関与する光の波長であり、ｐはカメラの画素サイズである。カメラ・ショット、カメラ露出、及びカメラ捕捉という用語は、ビデオ画像のシーケンスの１つの静止画像又は１つのスチル画像のカメラの撮影に対しては、本明細書において互換可能に使用される。カメラは、有利には、前記空間光パターン８の２Ｄ（二次元）合成画像を捕捉するように構成される。センサ・デバイス１は、少なくとも第１の１１Ａ及び第２の１１Ｂの異なる光学構成において合成画像を捕捉するように構成される。前記第１の光学構成１１Ａは、前記パターン発生器６を介して前記第１の照射器７Ａから、この構成においてカメラ９Ａと呼ばれる前記カメラ９までの経路を画定する。前記第２の光学構成１１Ｂは、前記パターン発生器６を介して前記第２の照射器７Ｂから、この構成においてカメラ９Ｂと呼ばれる前記カメラ９までの経路を画定する。したがって、各それぞれの光学構成は、パターン発生器６、カメラ９並びに照射器７Ａ及び７Ｂの相対位置によって画定される。したがって、それぞれ、指数Ａ及びＢによって識別される、異なる光学構成のそれぞれの組においてカメラ９によって捕捉された各合成画像は、別々に独自であり、パターン発生器６、カメラ９並びにそれぞれの照射器７Ａ及び７Ｂの相対位置に直接関係している。
【００３７】
上記に説明したセンサ・デバイス１を採用する全システム実施例において、センサ・デバイス１に加えてシステムは、フライス盤２からの相互に関連のあるキャリア位置３１及び３２並びにカメラ９からの捕捉された合成画像３０を記憶するためのコンピュータ・ハード・ディスク１０又は同様のデータ記憶デバイスも備える。本実施例において、光学構成１１Ａにおいて作り出された光パターンは、光学構成１１Ｂにおいて作り出された光パターンと同時にカメラ９を露出する。すなわち、捕捉された合成画像３０は、カメラによって単一のカメラ・ショットで画像化され、捕捉された光パターン成分８Ａ及び８Ｂで形成された画像である。コンピュータは、前に記録されたキャリア基準位置データ３１−Ｒ及び３２−Ｒをフライス盤２からもたらされるキャリア位置データ３１、３２と比較し、第１の基準光パターン８Ａ−Ｒのそれぞれの、前に記録された第１の画像データと、第２の基準光パターン８Ｂ−Ｒの第２の画像データとを比較するように構成されるプロセッサ１２も含み、それらは、異なる第１及び第２の光学構成のそれぞれの１つにおいて撮影された別々のカメラ・ショットで捕捉されており、捕捉された合成画像データ３０は、カメラ９からもたらされる。
【００３８】
前に記録されたキャリア基準位置データ３１−Ｒ及び３２−Ｒ並びに前に記録された第１の基準光パターン８Ａ−Ｒ及び第２の基準光パターン８Ｂ−Ｒ画像データは、図２によって表されるように、別個のＣＭＭにおいて前に記録され、ハード・ディスク１０−Ｒに記憶され、図１のハード・ディスク１０に転送されている。図２において、これらのデータは、収集された基準データ３３−Ｒである。図１において、プロセッサ１２によってハード・ディスク１０から受け取られた、収集されたデータ３３は、収集された基準データ３３−Ｒ、キャリア位置データ３１及び３２、並びに捕捉された合成画像３０データである。
【００３９】
第１及び第２の照射器７Ａ及び７Ｂは、それぞれ、前記第１の空間光パターン成分８Ａ及び前記第２の空間光パターン成分８Ｂを作り出すためにパターン発生器６を照射するのに適切な光を放射することができるタイプである。典型的には、実質的にコヒーレントな光を放射することができる照射器は、記述した目的に適切である。本発明の目的のためには、照射器７のコヒーレンス長を、１０％よりも大きいコヒーレンスの度合いを作り出す最大光学経路長差と定義する。この特定の実施例において、照射器は、光学構成Ａ及びＢのそれぞれ内の経路長差のうちの最大の１つよりも大きいコヒーレンス長を有するレーザ発光ダイオードである。照射器７Ａ及び７Ｂのそれぞれから放射された光は、多くの異なるそれぞれの経路を無限にたどる。光学構成Ａの場合、経路の２つの実例を照射目的のために図３に示す。第１の経路は、第１の照射器７Ａからパターン発生器６に進む第１の照射器光軸１６Ａと一致し、パターン発生器６からカメラ９に進むカメラ光軸２０と一致する鎖線に沿って続いている鎖線で示す。第２の経路は、第１の照射器７Ａからパターン発生器６に進み、パターン発生器からカメラ９に進む完全に引かれた二重線２２Ａに沿って続いている、完全に引かれた二重線２１Ａで示す。第１の照射器７Ａからパターン発生器６を介してカメラ９までのすべての可能な光学経路及び経路長を考慮することによって、照射器７Ａのレーザ・ダイオード光源は、これらの光学経路間の長さの最大差よりも大きいコヒーレンス長の光を照射するはずである。同じコヒーレンス状態を、第２の照射器７Ｂ、パターン発生器６、及びカメラ９が関与するＢ構成によっても別箇に満足するはずである。しかし、照射器７Ａの光学波長は、光パターン成分８Ａと８Ｂとの間の相互干渉が合成画像３０において出現しないことを回避するために照射器７Ｂの光学波長とは十分に異なるべきである。カメラ９は、典型的には、好ましくは１０００ｘ１０００画素以上の分解能を有するＣＣＤ（電荷結合素子）又はＣＭＯＳタイプの２Ｄ電子カメラである。パターン発生器６は、平面／平ステンレス鋼板によって適切に設けられる。アルミニウム及びガラスなどの他の材料は、パターン発生器６の反射面が、意図された空間光パターン成分８Ａ、８Ｂを作り出すのに適切である限り、パターン発生器６を設けるために本発明の範囲内で使用することができる。パターン発生器６は、反射ホログラムによって、又はガラス板表面上に蒸着させた金属面光パターン複製によって、又はマスター表面から別の適切な表面上へのエンボス・インプリントによって設けることもできる。しかし、重要要件は、表面詳細が、例えば、腐食、取扱い、又は同様のものによりなど、経時的に変化しないことである。本実施例において、鋼板の反射面は、照射器７Ａ、７Ｂによって放射されたレーザ光波長に匹敵する表面粗さを有し、それにより、カメラ９によって検出されるくらいに十分な角度範囲の散乱角度及び十分な量の光が作り出されることである。本実施例において、コンピュータがハード・ディスク１０とプロセッサ１２とを内蔵する。キャリア位置データ３１及び３２をそれぞれ受け取るために、コンピュータは、Ｅｔｈｅｒｎｅｔケーブルを通してフライス盤、ＣＮＣに接続され、コンピュータは、ＵＳＢポート・ケーブル接続又はＦｉｒｅＷｉｒｅポート・ケーブル接続の使用を通じてカメラ９から合成画像３０を受け取る。基準位置データ３１−Ｒ及び３２−Ｒは、それぞれ、及び個々の基準光パターン８Ａ−Ｒ及び８Ｂ−Ｒの画像は、それぞれ、ＵＳＢタイプのメモリ・スティック又は同様の携帯型データ記憶デバイスの使用によって基準データ・ハード・ディスク１０−Ｒからハード・ディスク１０に好都合に転送される。
【００４０】
以下において、図１、２、及び３を参照して本発明の実施例による方法を説明する。上記に説明したセンサ・デバイス１、又は同じ光学構成を有するセンサ・デバイス１−Ｒは、ハード・ディスク１０−Ｒ、図２の記憶手段１０−Ｒに記憶された基準データを記録するのに使用される。基準光パターン８Ａ−Ｒ及び８Ｂ−Ｒの画像を、それぞれ、並びに基準キャリア位置データ３１−Ｒ及び３２−Ｒを、それぞれ、記録するために、本実施例において、以下、ＣＭＭ２−Ｒと称する、較正された座標測定機に頼る。概略的に、このＣＭＭ２−Ｒは、フライス盤２と同様であるが、図２で表す。このＣＭＭは、本実施例において、位置の固定３Ｄマトリックスにおけるサンプリング位置の間を段階的に移動するようにプログラムされる。位置の数は、ユーザ及びその適用例に強く依存する。フライス盤２が組立品質に関して点検するだけである場合、５ｘ５ｘ５位置で十分である可能性がある。そうでない場合、ＣＮＣへの詳細なフィードバック補正データを必要とするならば、１０００ｘ１０００ｘ１０００などの大きな数を必要とする可能性がある。本実例において、これらの位置は４００ｘ４００ｘ４００ｍｍの容積を扱う。概して、サンプリング位置の分布は、線形１Ｄアレイから２Ｄマトリックスまで、上述の３Ｄマトリックスまで、何でもである可能性があり、その場合、有利にも場合により位置は、不均等に配分される。これらの位置のそれぞれに対して、コンピュータ・ハード・ディスク１０−Ｒは、対応するキャリア位置データ３１−ＲＡ、３２−ＲＡ、３１−ＲＢ、及び３２−ＲＢとともに、２つの画像８（４９Ａ−Ｒ、４９Ｂ−Ｒ）、各光学構成１１Ａ−Ｒ、１１Ｂ−Ｒに対して１つを記憶する。ＣＭＭが、画像記録の間、機械的に安定していると仮定して、キャリア位置３１−ＲＡはキャリア位置３１−ＲＢに等しく、キャリア位置３２−ＲＡはキャリア位置３２−ＲＢに等しい。これらのデータは、その後のフライス盤２の生産／補修整合活動のための基準データであり、そのうちに、ハード・ディスク１０−Ｒ（図２）からハード・ディスク１０（図１）に転送される。第１及び第２の照射器７Ａ−Ｒ、７Ｂ−Ｒの光源（図に示さず）は、後でフライス盤２において使用すべき同じタイプのレーザ・ダイオード及びコヒーレンス特性である。本実施例において、及び概略的に図２に示すように、並びに図１においてフライス盤の構成にも対応して、第１の照射器７Ａ−Ｒは、集束光にその焦点位置を提供し、それは第１の照射器７Ａ−Ｒとパターン発生器６−Ｒとの間に配置されたその発散中心１７Ａ−Ｒでもある。レーザ光は、この発散中心１７Ａ−Ｒからパターン発生器６−Ｒに向かって発散する。図１にやはり概略的に示すように、第２の照射器７Ｂ−Ｒは、パターン発生器６−Ｒに向かって伝搬するコリメート光を提供する光学系を内蔵する。すなわち、その発散中心１７Ｂ−Ｒは、この実例において、無限遠に設定され、したがって、図２の図面の範囲内に示すことができない。図３は、２つの光学構成Ａ及びＢの照射／観察配置を概略的に示し、図１の図面で概略的に表すフライス盤２及び図２の図面で概略的に表すＣＭＭ２−Ｒに両方とも使用される光学構成を表す。明確にするために、本実施例において、第２の照射器７Ｂの発散中心１７Ｂは無限遠に設定されるが、発散中心１７Ａ及び１７Ｂに対応する、両方の発散中心１７Ａ−Ｒ及び１７Ｂ−Ｒは、図３の範囲内に示す。図３にやはり示すように、カメラ画像化特性は、対物面の位置及びサイズ１５並びにこの対物面を中心とした対応する被写界深度１９で画定される。被写界深度は、それぞれ平面１９−１から平面１９−２に延びる。本実例において、対物面は、カメラ９とパターン発生器６との間に配置される。カメラ光軸２０は、空間における２つの点を通り抜けるように画定され、第１の点はカメラ９の入射瞳中心であり、第２の点は対物面１５中心である。カメラ光軸２０は、点２３を画定するように延び、その場合、カメラ９光軸２０は、パターン発生器６と交わる。図３にやはり示すように、照射器の光学特性は、それぞれの発散中心１７Ａ及び１７Ｂ並びにこれらのそれぞれの発散中心を中心としたそれぞれの対応する被写界深度１８Ａ及び１８Ｂによって画定される。照射器７Ａの被写界深度は、平面１８Ａ１から平面１８Ａ２に延びる。それに対応して、照射器７Ｂの被写界深度は、平面１８Ｂ１から平面１８Ｂ２に延びる。明確にするために、本実例において、発散中心は、それぞれの照射器７Ａ、７Ｂとパターン発生器６との間に配置される。照射器光軸１６Ａ、１６Ｂのそれぞれは、空間における２つの点、それらのそれぞれの発散中心１７Ａ、１７Ｂを点２３まで通り抜けるように画定され、その場合、カメラ光軸２０は、パターン発生器６と交わる。照射器の発散中心距離ｄｉＡ４０、ｄｉＢ４１は、それらのそれぞれの光軸１６Ａ、１６Ｂに沿って発散中心１７Ａ、１７Ｂからパターン発生器６上の反射面点２３まで測定される。カメラ対物面距離ｄｃＡ４２、ｄｃＢ４３は、本実例において等しく、光軸２０に沿ってパターン発生器６上の反射面点２３から対物面１５まで測定される。これらの配置はＣＭＭキャリア３−１−Ｒ、３−２−Ｒ及びフライス盤キャリア３−１、３−２が移動するとき、ＣＭＭ２−Ｒ基準記録及びフライス盤２測定の間、変化することに留意されたい。画定された軸、位置、及び距離は、それらのプロセスの間、変化する。第１の光学構成の有効距離Ａは、方程式ｄｅＡ＝ｄｉＡ＊ｄｃＡ／（ｄｉＡ＋ｄｃＡ）によって与えられ、同じやり方で、第２の光学構成の有効距離Ｂは、方程式ｄｅＢ＝ｄｉＢ＊ｄｃＢ／（ｄｉＢ＋ｄｃＢ）によって与えられる。パターン発生器６が湾曲した反射鏡であるか、又は透過のレンズ効果を含む場合、上記の方程式におけるｄｉＡ及びｄｉＢは、それぞれの方程式ｄｉＡ＊ｆ／（ｄｉＡ＋ｆ）及びｄｉＢ＊ｆ／（ｄｉＢ＋ｆ）で置き換えるべきであり、その場合、ｆは等価パターン発生器の等価焦点距離を表し、その場合、パターン発生器６の表面は、粗さのない光学的に滑らかな表面で置き換えられる。例えば、パターン発生器６がＲの符号付き曲率半径で湾曲している場合、焦点距離ｆはＲ／２に等しいはずである。これらの光学構成のそれぞれに対して、被写界深度は、範囲を画定し、その範囲内で被写体は焦点が合っているとみなされる。これらの範囲は、本実例において、視野面１９−１から視野面１９−２に延び、対物面距離ｄｃＡ４２、ｄｃＢ４３の範囲を、それぞれ、ｄｃＡ１＝ｄｃＢ１からｄｃＡ２＝ｄｃＢ２にする。それに対応して、照射器は、それぞれの発散平面１８Ａ１から１８Ａ２に、及び１８Ｂ１から１８Ｂ２にわたる異なる距離を扱うことができ、発散中心距離ｄｉＡ４０、ｄｉＢ４１の範囲をそれぞれ、ｄｉＡ１からｄｉＡ２、及びｄｉＢ１からｄｉＢ２にすることができる。ｄｃＡ１、ｄｉＡ１、ｄｃＡ２、及びｄｉＡ２を第１の有効距離ｄｅＡの方程式に挿入した場合、ｄｅＡ１からｄｅＡ２に延びる有効距離の範囲を得る。それに対応して、ｄｃＢ１、ｄｉＢ１、ｄｃＢ２、及びｄｉＢ２を第２の有効距離ｄｅＢの方程式に挿入した場合、ｄｅＢ１からｄｅＢ２に延びる有効距離の範囲を得る。典型的には、関与するカメラ及び照射器の被写界深度が＋／−（２＊ｌａｍｂｄａ＊Ｆ＊Ｆ）であり、その場合、ｌａｍｂｄａは光学波長であり、Ｆは有効な光学的Ｆ値であり、パターン発生器６側を表す。有効Ｆ値とは、方程式Ｆ＝１／［２＊ｓｉｎ（ｖ／２）］による照射器射出瞳及びカメラ入射瞳の角度範囲を画定するＦ値を意味し、その場合、ｖは発散中心及び対物面から観察したときのそれらの瞳の角の範囲である。しかし、照射器及びカメラは、異なるＦ値を用いて構成することができることに留意されたい。また、代替光学構成において、照射器７Ａ、７Ｂは、非点収差の焦点を含むことができ、したがって、発散中心１７Ａ、１７Ｂが、直交横断方向で観察されたときの対応する発散中心距離に対して１つの横断方向で、例えばＸ軸に平行に観察されたとき、異なる照射距離ｄｉＡ（図３においては４０）及びｄｉＢ（図３においては４１）にあることに留意されたい。他の代替光学構成において、概して、２つの直交横断方向の外観に集束したとき、対物面位置１５Ａ及び１５Ｂを異なるカメラ対物面距離ｄｃＡ（図３においては４２）及びｄｃＢ（図３においては４３）に配置させるカメラ画像化特性の場合も同じである。非点収差性能は、典型的には、照射及び／又は観察経路に円筒形光学系を含めることによって得られる。光学構成Ａ、Ｂは、それらの有効距離が重複しないように、すなわち、各センサ・デバイス１の位置に対して、ｄｅＡ１からｄｅＡ２にわたる任意の有効距離がｄｅＢ１からｄｅＢ２にわたる任意の有効距離と等しくならないように構成される。代替光学構成が非点収差の発散中心１７Ａ、１７Ｂ、又は非点収差の対物面位置１５Ａ、１５Ｂを含む場合、要件は、光学構成Ａ、Ｂの有効距離が別々に評価された横断方向のそれぞれに対して重複してはならないことである。有効距離の分離を増加させると、並進オフセットと回転オフセットとを区別するのがより容易になり、したがって、測定誤差による影響が低減されるので、より良い画像分析性能のためには、有効距離の範囲は分離すべきである。
【００４１】
パターン発生器６がコヒーレント・レーザ光によって照射されるので、パターン発生器６より上の３Ｄ空間における構造的に安定した空間光パターン８が作り出される。この空間光パターン８は、カメラ９を用いて観察される。光学構成Ａ及びＢのそれぞれは、他の１つと異なる光パターンを作り出す。典型的には、これらの光パターンは、すべての異なる記録位置に対して独自である。キャリア３−１、３−２、及び３−１−Ｒ、３−２−Ｒが第１の時間Ｔ１において第１の記録位置に画像を記録するように制御され、次いで、その後の記録位置に画像を記録するように移動され、最後に、正確に第１の位置に第２の時間Ｔ２において画像を記録するように移動して戻る場合、時間Ｔ１において記録された光パターンの画像は、時間Ｔ２において正確に再現される。しかし、Ο．Ο１μｍなど、第１の記録時間と第２の記録時間との間の非常に小さな位置オフセットでも、光パターン位置に影響することがあり、したがって、検出可能である。
【００４２】
ＣＭＭ基準記録が本実施例によるセンサ・デバイス１−Ｒ、又は同様に光学的に構成されたセンサ・デバイス１を使用して完了した後、ハード・ディスク１０−Ｒに記録された、収集された基準データ３３−Ｒは、フライス盤２を組み立て、使用し、補修しながら不整合を数値化するのに使用される。数値化されると、不整合は、フライス盤２の機械整合を改善し、及び／又はその後のＣＮＣ移動を制御するのに使用される。これは、通常の較正及び調整方法を使用して補正するのが可能でない、フライス盤２におけるいずれかの機械的並進及び回転不規則性にかかわらず、より良い位置決めを実現する。ＣＭＭ２−Ｒ基準データを記録するのに使用されるのと同じ光学構成Ａ、Ｂを含むセンサ・デバイス１が使用される。図１は、フライス盤２の概略図を示す。本実施例において、パターン発生器６−Ｒは、フライス盤に移動され、パターン発生器６と呼ばれる。しかし、本実施例は、パターン発生器６−Ｒ及びパターン発生器６の両方が同じマスターの正確な複製である場合、同様にうまく作業するはずである。パターン発生器６に対する照射−カメラ組立品７Ａ、９、７Ｂの新たな位置は、ＣＭＭ機械の位置を厳密に再現するはずである。それが起きるようにするために、照射器−カメラ組立品７Ａ、９、７Ｂ及びパターン発生器６は、事前整合させる必要がある。その目的のために、あらかじめ位置決めされた機械的ロケータの使用又はパターン発生器６の位置の反復機械的整合が実行されるものとする。次いで、フライス盤２  ＣＮＣ−制御を使用して、照射器−カメラ組立品７Ａ、９、７Ｂを、パターン発生器６に対して前にＣＭＭ２−Ｒにより記録された位置のうちの１つの近傍に移動させ、次いで、オフセットを光学的に観察／測定し、次いで、機械的にパターン発生器６を移動させ、次いで、位置がやや一致するまで整合プロセスを繰り返す。代替案として、定規／キャリパ又はタッチ・プローブ又は同様のものなどの他の整合ツールの手動使用だけによって、パターン発生器６に対して照射器−カメラ組立品７Ａ、９、７Ｂを機械的に整合させることが可能である。事前整合の後、ＣＭＭ２−Ｒ基準記録に対して測定したとき、このフライス盤２設定は、その正確な整合性を見つける用意ができる。一連の対応する基準キャリア位置データ３１−Ｒ、３２−Ｒによって表される、収集された基準データ３３−Ｒ及び基準光パターン・データ８Ａ−Ｒ、８Ｂ−Ｒを表す画像４９Ａ−Ｒ、４９Ｂ−Ｒは、ハード・ディスク１０に複写される。次いで、フライス盤２は、前の名目上の位置、すなわち、基準ＣＭＭ２−Ｒによって記録された位置に対応する位置の間を名目上ステップ移動するように指示される。これらの位置のそれぞれに対して、コンピュータ・ハード・ディスク１０は、空間光パターン８の合成画像３０、及び合成画像３０のそれぞれと同時に記録される、対応するキャリア位置３１、３２をカメラ９から受け取る。これらの合成画像のそれぞれに対して、空間光パターン８は、異なる構成１１Ａ、１１Ｂにおいて形成される。パターン発生器６の並進及び回転に対する照射−カメラ組立品７Ａ、９、７Ｂの並進及び回転は、ＣＭＭ２−Ｒ基準記録の間使用される対応する並進及び回転に見かけ上、等���いはずである。結果として、すべての位置に対して、フライス盤２に記録された、新たな空間光パターンの合成画像８は、それぞれ、組み合わされた光パターン成分８Ａ及び８Ｂの画像となる。光パターン成分８Ａ及び８Ｂのそれぞれは、それぞれ、対応するＣＭＭ２−Ｒ基準光パターン８Ａ−Ｒ、８Ｂ−Ｒと別々に同様である。より具体的には、光パターン画像表現は、それらが同じ光パターン表現として認識されるのに十分に同様のデータを含むが、あるオフセット及び場合によりわずかな非相関を有する。しかし、カメラ９感光面に関して、光パターン成分８Ａ及び８Ｂの画像は、一般に、それぞれの基準光パターン８Ａ−Ｒ及び８Ｂ−Ｒの画像に比較して相対的に少量で置き換えられる。感光面のこれらの２Ｄ光パターン並進オフセットを参照して、それぞれ、（ＤＡＸ、ＤＡＹ）及び（ＤＢＸ、ＤＢＹ）と呼ぶ。これらのオフセット・データを計算するために、基準光パターン８Ａ−Ｒ及び８Ｂ−Ｒのそれぞれの１つのそれぞれ捕捉された基準画像４９Ａ−Ｒ及び４９Ｂ−Ｒは、対応するフライス盤２合成画像３０と数学的に２Ｄ相互相関される（画像の相互相関計算については、例えば、Ａｔｈａｎａｓｉｏｓ  Ｐａｐｏｕｌｉｓ著、Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｓ  ｗｉｔｈ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｏｐｔｉｃｓ、１９６８年、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ  Ｂｏｏｋ  Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋという名称の書籍参照）。空間光パターン８の合成画像３０が空間光パターン成分８Ａ及び８Ｂから構成された、この配列を通して、合成画像データは、光学構成１１Ａ及び１１Ｂの両方で形成され、レーザ波長及び機械的ドリフトによる誤差は、最小にまで低減される。キャリア位置３１及び３２のそれぞれに対して、結果として最大の２Ｄ相互相関となる位置が、２つの光学構成Ａ及びＢの画像オフセット（ＤＡＸ、ＤＡＹ）及び（ＤＢＸ、ＤＢＹ）を決定する。基準ＣＭＭ２−Ｒキャリア３−１−Ｒ、３−２−Ｒのエンコーダがわずかに異なるキャリア位置３１−Ｒ、３２−Ｒを機械２キャリア３−１、３−２の指示されたキャリア位置３１、３２から戻すことができるので、同じ見かけ上のキャリア位置に対しても、キャリア位置又は測定された光パターン並進オフセットは、これらの可能な差によって補正されるはずである。本実例において、これらの補正を、光パターン並進オフセットを表すデータに適用し、（ｄＡｘ、ｄＡｙ）及び（ｄＢｘ、ｄＢｙ）の対応する補正された画像並進オフセットと呼ぶ。これらの補正された画像並進オフセットは、パターン発生器６に対する照射器−カメラ組立品７Ａ、９、７Ｂの並進オフセット（Ｄｘ、Ｄｙ）と回転角オフセット（Ｔｘ、Ｔｙ）との組合せによって生じる。すなわち、補正された画像並進オフセットは、第２の部品５−Ｒ位置に対するＣＭＭ２−Ｒ第１の部品４−Ｒを基準として使用して、ツール・ホルダ５に対するフライス盤２ワーク・ピース・ホルダ４の並進オフセット（Ｄｘ、Ｄｙ）及び回転角オフセット（Ｔｘ、Ｔｙ）によって生じる。Ｄｘ及びＤｙは、それぞれｘ及びｙ方向の並進オフセットを表すが、Ｔｘ及びＴｙは、ｘ及びｙ軸を中心とした回転角オフセットを表す。これらのオフセットは、図１のフライス��座標軸１００−４を表す。基準キャリア位置３１−Ｒ、３２−Ｒは、ＣＭＭ２−Ｒ座標軸１００−４−Ｒを表す。
【００４３】
線形近似において、画像並進オフセット（ｄＡｘ、ｄＡｙ）及び（ｄＢｘ、ｄＢｙ）と、相対部品並進オフセット（Ｄｘ、Ｄｙ）及び回転角オフセット（Ｔｘ、Ｔｙ）との関係は以下の４つの方程式で表される。ｄＡｘ＝ｍ１１＊Ｄｘ＋ｍ１２＊Ｄｙ＋ｍ１３＊Ｔｘ＋ｍ１４＊Ｔｙ、ｄＡｙ＝ｍ２１＊Ｄｘ＋ｍ２２＊Ｄｙ＋ｍ２３＊Ｔｘ＋ｍ２４＊Ｔｙ、ｄＢｘ＝ｍ３１＊Ｄｘ＋ｍ３２＊Ｄｙ＋ｍ３３＊Ｔｘ＋ｍ３４＊Ｔｙ、ｄＢｙ＝ｍ４１＊Ｄｘ＋ｍ４２＊Ｄｙ＋ｍ４３＊Ｔｘ＋ｍ４４＊Ｔｙ。これらの方程式において、それぞれの因数（ｍ１１、ｍ１２、ｍ１３、ｍ１４、ｍ２１、ｍ２２、ｍ２３、ｍ２４、ｍ３１、ｍ３２、ｍ３３、ｍ３４、ｍ４１、ｍ４２、ｍ４３、ｍ４４）は、それぞれ、第１及び第２の光学構成Ａ、Ｂの正確な照射−観察配置によって与えられる。光学教科書において、これらの因数は、回折公式の使用によって計算され、その場合、光を所与の照射方向から所与の観察方向に向け直す、特定の反射／透過物体の所与の空間周波数が、観察波動ベクトルと入射波動ベクトルとの差によって与えられる。これらの公式の変形は、多くの場合、回折格子の式とも呼ばれる。光学構成Ａの光パターン８Ａ、８Ａ−Ｒを作り出すための有効距離ｄｅＡが光学構成Ｂの光パターン８Ｂ、８Ｂ−Ｒを作り出すための有効距離ｄｅＢと異なる限り、上記の方程式は、並進オフセット（Ｄｘ、Ｄｙ）及び回転角オフセット（Ｔｘ、Ｔｙ）の値で表されたときのツール・ホルダ５に対するワーク・ピース・ホルダ４の並進及び回転オフセットを見つけるために逆数にされる。数値実例として、照射距離ｄｉＡ４０は６０ｍｍに等しく、カメラ距離ｄｃＡ４２は１００ｍｍに等しく、照射距離ｄｉＢ４１は無限遠であり、カメラ距離ｄｃＢ４３はやはり１００ｍｍに等しく、座標軸ＸＹＺはフライス盤２の対応するＸＹＺ座標軸１００−４に平行である（図１）と仮定し、及びオリゴが点２３に配置され（図３）、その場合、カメラ９光軸２０はパターン発生器６と交わると仮定する。距離を表す数については図３を参照されたい。照射器光軸１６Ａ、１６Ｂはカメラ光軸２０と同軸であり、カメラ倍率は−１／３に等しく、カメラ感光面のＸ軸及びＹ軸は、フライス盤座標軸１００−４（図１）及びＣＭＭ座標軸１００−４−Ｒ（図２）で示すように、対応する機械のＸ軸及びＹ軸に平行であるとも仮定する。同軸とは、関与する軸が平行であることを意味する。この場合、照射の方向は、観察の方向に対向して向く。透過同軸で照射されるパターン発生器の場合、照射の方向は観察の方向と同じであることを意味する。線形近似において、これらの構成パラメータは、因数（ｍ１１、ｍ１２、ｍ１３、ｍ１４、ｍ２１、ｍ２２、ｍ２３、ｍ２４、ｍ３１、ｍ３２、ｍ３３、ｍ３４、ｍ４１、ｍ４２、ｍ４３、ｍ４４）に対して、それぞれの値（−０．８８８９、０．０、０．０ｍｍ、−６６．６６７ｍｍ、０、−０．８８８９、６６．６６６７ｍｍ、０．０ｍｍ、−０．３３３３、０．０、０．０ｍｍ、−６６．６６６７ｍｍ、０．０、−０．３３３３、６６．６６６７ｍｍ、０．０ｍｍ）を与える。対応するキャリア位置３１、３２と基準キャリア位置３１−Ｒ、３２−Ｒとの間の差による補正がないとも仮定する。次いで、補正された画像並進オフセット（ｄＡｘ、ｄＡｙ、ｄＢｘ、ｄＢｙ）は、それぞれ、（−５９．６、−４．０、−３０．７、＋２．７）μｍに等しいことが分かる。次いで、これらの式は、それぞれの並進オフセット（Ｄｘ、Ｄｙ）の探索値を（５２．０、１２．０）μｍとして、及び回転角オフセット（Ｔｘ、Ｔｙ）を（１００、２００）μＲａｄｉａｎとして与えるために逆数にすることができる。上記に説明した一次式は、光の照射、回折、及び観察プロセスを記述する。並進及び回転オフセットが大きい実際の適用例において、上記に説明したｍ因数は、追加された非線形偏差を考慮に入れなければならない可能性がある。代替案として、正確な解決策を見つけるために完全非線形方程式が反復される。
【００４４】
キャリア位置３１、３２で表される並進及び回転データ３４、関連する部品並進オフセット（Ｄｘ、Ｄｙ）、及び関連する回転角オフセット（Ｔｘ、Ｔｙ）は、その後のフライス盤生産、補修、又は整合活動の較正データとなる。代替案として、フライス盤２のＣＮＣは、フライス加工の間のキャリア３−１、３−２の誤差移動を補償するためにこれらのデータを使用する。
【００４５】
「実例２」
次に、図４及び５を参照して、本発明の実施例によるセンサ・デバイス１を説明する。概して、最小２つの光学構成Ａ、Ｂが、並進及び回転成分を別々に同時に見つけるのに必要である。しかし、２つの異なる光学構成が実例１において提供されているが、より多い数の光学構成を他の実施例において提供することができる。光学構成の数が多いと、より多くの情報が得られ、より多い数の空間基準が提供されるが、記録されたデータの分析に、より大きな計算能力も必要とする。光学構成の正確な設定は、光パターンが何度も再現されるように繰り返し可能である限り、本発明の範囲内で変更される。剛体移動のすべての６つの自由度（３つの並進＋３つの回転）を、適用されるすべてのキャリア位置３１、３２に対して見つけることを可能とする実例を概略的に図４及び５に示す。図５は、図４において（破線）、機械部品５に締結された組立品６０の詳細を示す。図５は、カメラ９によって合成画像３０に捕捉される４つの光パターン成分８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄを一緒に形成する４つの光学構成１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄを有する設定を概略的に示す。明確にする目的のために、この実施例の異なる照射器７の外形／境界は図５に示していないが、それらの成分は、それらの共通光源５２を含む、対応する構成１１の経路をたどることによってリストにすることができる。本実例において、構成１１Ａの光は、光源５２からビーム・スプリッタ５０−１、ビーム・スプリッタ５０−２、ミラー５１−１、パターン発生器６、ミラー５１−４を介して、カメラ９までの経路をたどる。構成１１Ｂの光は、光源５２からビーム・スプリッタ５０−１、ビーム・スプリッタ５０−２、パターン発生器６、ミラー５１−４を介してカメラ９までの経路をたどる。構成１１Ｃの光は、光源５２からビーム・スプリッタ５０−１、ミラー５１−２、ビーム・スプリッタ５０−３、パターン発生器６を介してカメラ９までの経路をたどる。構成１１Ｄの光は、光源５２からビーム・スプリッタ５０−１、ミラー５１−２、ビーム・スプリッタ５０−３、ミラー５１−３、パターン発生器６を介してカメラ９までの経路をたどる。本実例において、ビーム・スプリッタ５０−１は、偏光の状態に関して中立的に５０−５０％で光を分割するが、ビーム・スプリッタ５０−２及び５０−３は、光を直交線形偏光に分割することができる偏光キューブ・ビーム・スプリッタである。パターン発生器６が偏光保存反射鏡として働くという条件で、この配列を通して、構成１１Ａにおいてカメラ９に達する光は、構成１１Ｂにおいてカメラに達する光に比較して直角に偏光されるように構成することができる。同様に、構成１１Ｃの経路を介してカメラに達する光６は、構成１１Ｄの経路をたどる光に比較して直角に偏光されるように配列される。この配列を通して、構成１１Ｂ経路をたどる光に対する構成１１Ａ経路をたどる光の間の相互干渉は、最小まで低減され、合成画像３０に出現しない。同様に、この配列を通して、構成１１Ｃ及び１１Ｄ経路をたどる光に対する構成１１Ａ及び１１Ｂ経路をたどる光の間の相互干渉は、最小まで低減され、合成画像３０に出現しない。構成（１１Ｃ、１１Ｄ）経路をたどる光に対する構成（１１Ａ、１１Ｂ）経路をたどる光の間の角度６１により、光パターン成分８Ａと光パターン成分８Ｃ及び８Ｄのうちのいずれかの一つとの間の相互干渉、及び光パターン成分８Ｂと光パターン成分８Ｃ及び８Ｄのうちのいずれかの一つとの間の相互干渉は、カメラ９によって解像されない。すなわち、カメラ感光面側に変換され、構成（１１Ｃ、１１Ｄ）の経路をたどる光に対する構成（１１Ａ、１１Ｂ）の経路をたどるすべての光に対する変換された角度６１は、２＊ａｒｃｓｉｎ（ｌａｍｂｄａ／（４＊ｐ））よりも大きいはずであり、その場合、ａｒｃｓｉｎ（）は三角関数であり、ｌａｍｂｄａは関与する光の波長であり、ｐはカメラ画素サイズである。図５に示さないが、カメラ９内部光学系により、対物面位置１５は分割され、図５に１５−１及び１５−２として示し、その場合、対物面１５−１は、構成１１Ａ及び１１Ｂの対物面であり、対物面１５−２は、構成１１Ｃ及び１１Ｄの対物面である。基準キャリア位置３１−Ｒ及び３２−Ｒ、並びに基準光パターン８Ａ−Ｒ、８Ｂ−Ｒ、８Ｃ−Ｒ、及び８Ｄ−Ｒの画像を記録するために、図５の配列は、パターン発生器６とともに、概略的に図４に示すものと同様のキャリアを有する機械に配置すべきである。基準記録段階の間、基準光パターン８Ａ−Ｒ、８Ｂ−Ｒ、８Ｃ−Ｒ、及び８Ｄ−Ｒの画像は、別々に連続して捕捉される。これは、カメラがそれらを別々の画像４９Ａ−Ｒ、４９Ｂ−Ｒ、４９Ｃ−Ｒ、及び４９Ｄ−Ｒとして捕捉することを可能にするシャッタ（図５に示さず）の使用によって達成される。実例１によって説明された計算を通して、基準キャリア位置３１−Ｒ、３２−Ｒ、基準光パターン８Ａ−Ｒ及び８Ｂ−Ｒの画像、合成画像３０、並びにキャリア位置３１及び３２の使用により、機械部品５に対して、及び座標軸（Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１）を基準として機械部品４の合計６つの剛体移動の２つの並進及び２つの回転成分を見つけることが可能になる。実例１によって説明された計算を通して、基準キャリア位置３１−Ｒ、３２−Ｒ、基準光パターン４９Ｃ−Ｒ及び４９Ｄ−Ｒの画像、合成画像３０、並びにキャリア位置３１及び３２の使用により、機械部品５に対するが、ここでは座標軸（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）を基準としない、機械部品４の移動の合計６つの自由度の２つの他の並進及び２つの他の回転成分を見つけることが可能になる。これにより、機械部品４と５との間の剛体移動の６つの自由度を計算する際に８つの成分がすべて一緒に得られ、そのうちの２つは余剰である。
【００４６】
「実例３」
次に、図６及び７を参照して、本発明の実施例によるセンサ・デバイス１を説明する。図６は、照射器（７）の詳細をより詳細に図７に示す設定を示す。本実施例において、実例１及び２においても説明したように、空間光パターン（８）は、照射器（７）において生じ、パターン発生器（６）から反射され、カメラ（９）に達する光から作り出される。さらに、それぞれの照射器（７Ａ、７Ｂ）の内部の他の「内部」パターン発生器（５４Ｃ、５４Ｄ）が追加される。これにより、内部の構成（１１Ｃ、１１Ｄ）と呼ぶ、４つの構成（１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ）がすべて一緒に作り出される。これらの内部パターン発生器（５４Ｃ、５４Ｄ）から反射された光は、機械部品（４）と（５）との間の相対並進／回転によって影響を受けない光パターン成分（５７Ｃ、５７Ｄ）を作り出す目的を果たす。しかし、それらは、それぞれの、光源（５２Ａ、５２Ｂ）の波長ドリフト及びカメラ感光面の位置ドリフトによって生じた、照射器（７）及びカメラ（９）における内部変化によって影響される。この実例において、光源（５２Ａ、５２Ｂ）は、ダイオード・レーザである。ダイオード・レーザの波長は、典型的にはナノメートル及びサブ・ナノメートルの範囲で、特に温度ドリフト及びレーザ・モード遷移により、わずかにドリフトすることがある。この波長ドリフトは、実例１及び２によって説明されているように、本センサ・デバイス１の総精度を低減する。本発明の主要な特徴は、基準光パターンの画像を別々に捕捉し、後で合成画像と比較するためにこれらを記憶する能力であり、その場合、合成画像を作り出すために光パターンの一部又は全部がカメラ感光面を露出する。本実例において、図６及び７で示すように構成されたセンサ・デバイス１が、実験室基準機械に配置される。この実験室機械は、温度安定化レーザ・ダイオード、特に頑丈な機構及び位置エンコーダを内蔵する。この機械は、容積ｘ−ｙ−ｚにおいて機械部品（５−Ｒ）に対して機械部品（４−Ｒ）を段階的に移動させ、基準光パターン（８Ａ−Ｒ）、基準光パターン（８Ｂ−Ｒ）、光パターン（５７Ｃ−Ｒ）、及び光パターン（５７Ｄ−Ｒ）の画像を別々に捕捉する。各相対機械部品位置に対して、ドリフトを回避するために、実験室基準機械は、４つの画像を可能な限り高速に連続して捕捉するように構成される。これらの画像は、基準ハード・ディスク（１０−Ｒ）に記憶される。基準光パターン（８Ａ−Ｒ）は、光源（５２Ａ）から及びビーム・スプリッタ（５０−１）、パターン発生器（６）、ビーム・スプリッタ（５０−４）、ビーム・スプリッタ（５０−２）を介して、及びカメラ（９）までの経路をたどる光によって作り出される。基準光パターン（８Ｂ−Ｒ）は、光源（５２Ｂ）から及びビーム・スプリッタ（５０−３）、パターン発生器（６）、ビーム・スプリッタ（５０−４）、ビーム・スプリッタ（５０−２）を介して、及びカメラ（９）までの経路をたどる光によって作り出される。基準光パターン（５７Ｃ−Ｒ）は、光源（５２Ａ）から及びビーム・スプリッタ（５０−１）、パターン発生器（５４−Ｃ）、ビーム・スプリッタ（５０−２）を介して、及びカメラ（９）までの経路をたどる光によって作り出される。基準光パターン（５７Ｄ−Ｒ）は、光源（５２Ｂ）から及びビーム・スプリッタ（５０−３）、パターン発生器（５４Ｄ）、ビーム・スプリッタ（５０−４）、ビーム・スプリッタ（５０−２）を介して、及びカメラ（９）までの経路をたどる光によって作り出される。図７における円形（５０−１、５０−２、５０−３、５０−４）は、ビーム・スプリッタを表す。全空間光パターン（８）の合成画像が捕捉される、後の動作の間、異なる光パターン成分（８Ａ、８Ｂ）及び光パターン成分（５７Ｃ、５７Ｄ）のうちのいずれかの間の相互干渉が合成画像（３０）に出現することを回避するために、２つのレーザ・ダイオード（５２Ａ）及び（５２Ｂ）は、わずかに異なる波長で動作し、ビーム・スプリッタ（５０−１）及び（５０−３）は、線形偏光ビーム・スプリッタである。さらに、パターン発生器（６）及び内部パターン発生器（５４Ｃ、５４Ｄ）は、線形偏光の状態を維持する金属反射鏡である。ビーム・スプリッタ（５０−２、５０−４）は、偏光の異なる方向と独立して光を均等に分割する偏光方向に関して中立である。図７において、カメラ（９）の４つの異なる対物面（１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄ）も示す。実例１においてより詳細に説明し、及び「ｄｃ」と示したように、これらの対物面からそれぞれのパターン発生器（６）及び内部パターン発生器（５４Ｃ、５４Ｄ）までの距離は、有効距離のそれぞれの計算の一部になる。同様に、「ｄｉ」として示す、４つの異なる照射発散中心からそれぞれのパターン発生器（６）及び内部パターン発生器（５４Ｃ、５４Ｄ）までの距離は、有効距離のそれぞれの計算の一部となる。簡単にするために、本実施例において、照射器（７Ａ）及びカメラ（９）に対して、パターン発生器（６）までの相対照射及び観察方向、距離、及び有効距離は、パターン発生器（５４Ｃ）までの相対照射及び観察方向、距離、及び有効距離と同じであると仮定する。同様に、照射器（７Ｂ）及びカメラ（９）に対して，パターン発生器（６）までの相対照射及び観察方向、距離、及び有効距離は、内部パターン発生器（５４Ｄ）までの相対照射及び観察方向、距離、及び有効距離と同じであると仮定する。レーザ・ダイオード（５２Ａ）の波長ドリフトを補償するために、これにより、後で単純に、光パターン（５７Ｃ−Ｒ）位置に対する光パターン成分（５７Ｃ）位置の並進シフトを基準光パターン（８Ａ−Ｒ）位置に対する光パターン成分（８Ａ）位置の対応する並進シフトから減算し、それに対応して、構成Ｂ位置から構成Ｄ位置を減算してから、実例１において説明したように、（ｄＡｘ、ｄＡｙ）及び（ｄＢｘ、ｄＢｙ）の補正された画像並進オフセットを計算することが可能になる。
【００４７】
本実施例によるセンサ・デバイス１は、機械的並進段階におけるエンコーダ又はロボット・アームなどの異なる適用例に使用することができる。本実例において、それは、概略的に図６に示すように、ＥＤＭ（放電加工機）機に使用されると仮定する。センサ・デバイスを効果的に動作させるために、ＥＤＭ機は、基準記録中に記録されたように、センサ・デバイス１を機械部品（４）と（５）との間のおよそ同じ相対位置まで移動させて、並進オフセット（Ｄｘ、Ｄｙ）及び回転角オフセット（Ｔｘ、Ｔｙ）値で表されるそれらの正確な新たなオフセットを見つけるように製作される。しかし、基準記録中に捕捉された画像に反して、空間光パターン（８）の合成画像（３０）は、ここでカメラ（９）によって捕捉される。空間光パターン（８）は、２つの外部構成（１１Ａ、１１Ｂ）及び２つの内部構成（１１Ｃ、１１Ｄ）によって形成される。これにより、可能な機械的及びレーザ・ドリフトが２つの構成（１１Ａ）及び（１１Ｂ）の状態として除去され、構成（１１Ｃ、１１Ｄ）の導入を通して、２つの経路の正確なレーザ波長及びカメラ（９）位置の状態が同時に捕捉されることが確実になる。対応する基準光パターン（８Ａ−Ｒ、８Ｂ−Ｒ）及び内部基準光パターン（８Ｃ−Ｒ、８Ｄ−Ｒ）がこれらの４つの画像のそれぞれをすべての４つの構成（１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ）によって形成された合成画像（３０）と別々に相関させることによってすべて別々の画像として捕捉されたので、機械部品（４）と（５）との間の並進オフセット（Ｄｘ、Ｄｙ）及び回転角オフセット（Ｔｘ、Ｔｙ）値を見つけるのに必要な、（ｄＡｘ、ｄＡｙ）及び（ｄＢｘ、ｄＢｙ）の補正された画像並進オフセットを見い出す。値（ｄＡｘ、ｄＡｙ、ｄＢｘ、ｄＢｙ）から（Ｄｘ、Ｄｙ、Ｔｘ、Ｔｙ）をどのように計算するかの説明については実例１を参照されたい。
【００４８】
この実例は、どのようにして、光源波長のわずかなドリフト、内部光学構成部品の小さな位置変化、又はカメラの小さな位置変位を、内部構成を追加して光パターンを形成することによって、及びカメラ（９）に空間光パターン（８）の合成画像（３０）を確実に捕捉させるによって、補償することができるのかを説明する。別の特許出願ＰＣＴ／ＮＯ２０１５／０５０１０２において、Ｇｕｄｍｕｎｎ  Ｓｌｅｔｔｅｍｏｅｎは、どのようにして、最小２つの構成Ａ及びＢにおける最小２つの画像の間の並進オフセット（ｄＡｘ、ｄＡｙ）と（ｄＢｘ、ｄＢｙ）とを組み合わせて、２つの機械部品（４）と（５）との間の並進オフセット（Ｄｘ、Ｄｙ）及び回転角オフセット（Ｔｘ、Ｔｙ）値を見つけることができるのかも説明している。本実例において説明されている実施例により、内部基準経路を作り出す構成を特許出願ＰＣＴ／ＮＯ２０１５／０５０１０２に説明されている構成のいずれかに追加することによって、光源波長のわずかなドリフト、内部光学構成部品の小さな位置変化、又はカメラ感光面小さな位置変位をそれらの構成において補償することもできる。
【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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