CN105247319B - 用于校准坐标测量仪的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于校准坐标测量仪的装置，其中，所述装置(1)包括至少一个校准元件(2，2a，2b)，所述校准元件(2，2a，2b)具有多个表面区段，其中，相互抵接的表面区段构成一棱(KK)，其中，所述装置(1)包括至少一个保持装置(3)，其中，所述校准元件(2，2a，2b)设置在所述保持装置(3)的表面区段(HE2)上，其中，所述校准元件(2，2a，2b)的表面区段彼此设置为使得所述校准元件(2，2a，2b)具有至少一个棱(KK)，当将所述至少一个棱和所述校准元件(2，2a，2b)的其他棱(KK)投影到一共同的投影平面中时，所述至少一个棱不与所述其他棱(KK)重叠，其中，所述投影平面正交于所述保持装置(3)的表面区段(HE2)的法向量取向，以及涉及一种用于校准坐标测量仪的方法。

Description

用于校准坐标测量仪的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于校准坐标测量仪的装置和方法。
背景技术
在尺寸测量技术中对于使用坐标测量仪的情况必须提供测量能力证明，特别是精度证明。在工业测量技术中，待测量的测量对象，例如工件典型地是三维体。对于借助于坐标测量仪的触觉三维测量技术，例如在DIN EN ISO 10360中描述了一种校准装置。
除了该触觉测量技术(即依据机械探测的测量技术)之外，也存在光学测量技术，其中，测量对象被光学测量。但是对于该光学测量技术，在微米精度范围内仅仅存在二维的校准方法，所述校准方法例如由半导体工业公开。对于光学坐标测量仪，已知的三维校准方法具有如下缺点：特别是对于三维测量，结果不是直接地而是大部分间接地返回到法定的初级标准(gesetzliche )。
US 2009/0161 122 A1公开了一种用于在一种用于评价坐标测量仪的三维测量精度的方法中使用的测量体。该测量体呈具有四个竖直的表面、四个倾斜的表面和一个平的上表面的棱锥形状。
DE 10 2008 028 986 A1公开了一种保持装置用于保持用于校准坐标测量仪的测量传感器的校准体。该保持装置具有一调整装置，所述调整装置配置用于，通过使用者的操作，特别是通过旋转一可旋转的部件，调整保持在所述保持装置上的校准体的取向。
DE 10 2005 033 187 A1公开了一种用于校准一种测量组件的方法，所述测量组件借助于侵入式的辐射产生测量对象的图像。此外该文献公开了一种用于校准该测量组件的校准对象，其中，该校准对象具有至少一个具有球形表面的校准元件和/或至少一个下述校准元件，所述校准元件的表面构成一球表面的至少一部分。
DE 10 2005 026 022 A1公开了一种坐标测量仪，其具有无接触地探测待测量对象的光学传感器。在其尺寸中取决于传感器测量轴线和材料表面之间的倾斜角的系统测量错误如下地被修正，即事先通过测量在该坐标测量仪中的标准件在确定偏差时将偏差储存，以便接着在用该传感器测量工件时修正地考虑。此外该文献公开了一种球标准件。
DE 197 20 821 A1公开了一种校准标准件，其用于接触和无接触地光学工作的量规，所述量规由具有一个或者多个子表面的体构成，其中，不仅该体而且其表面由坚固的材料制成。该体突出的是，该体的表面具有足够的形状稳定性和耐磨度并且至少该体的表面的材料很大程度上吸收、传送或者仅仅弱地反射。
DE 10 2005 018 447 A1公开了用坐标测量仪测量对象，其中，测量可以借助于触觉和/或光学传感器进行。该文献此外公开了，在X光断层摄影过程中基本上对一校准体，特别是一球组件进行X光断层摄影并且此外确定旋转轴线相对于坐标测量仪和/或相对于X光源和/或相对于X光传感器的相对位置并且接着以数学的方式修正。
发明内容
存在的技术问题是，提出一种用于校准坐标测量仪(特别是具有至少一个光学传感器和至少一个触觉传感器的坐标测量仪)的装置和方法，所述装置和方法实现了对坐标测量仪可靠的并且高精度的校准。
通过具有权利要求1和24的特征的主题解决该技术问题。此外从从属权利要求中得出本发明有利的构型。
本发明的基本思想是，提出一种用于校准坐标测量仪的装置，所述装置由于多个光学传感器和照明方案实现了高精度的光学测量，特别是高精度和单义的基于图像的特征探测。
本发明建议，一种用于校准坐标测量仪的装置。该坐标测量仪可以特别是所谓的多传感器坐标测量仪，所述多传感器坐标测量仪借助于至少一个光学传感器和触觉传感器实现对测量对象的三维测量。
在通过触觉传感器对测量对象测量时，通过借助于触觉传感器(例如探测元件，特别是探测球，所述探测球可以是探测头的一部分)触摸测量对象的表面，确定测量对象的坐标。在光学测量测量对象时，由光学传感器产生测量对象的图像，其中，通过图像加工的方法进行测量，也就是说确定尺寸。在此，可以探测和分析评估适合的图像特征。
该装置包括至少一个校准元件。校准元件在此表示一种具有已知几何尺寸的元件。优选地，该校准元件归于法定的初级标准，也就是说被标准化的。
校准元件具有多个表面区段，其中，彼此抵接的表面区段构成棱。在彼此抵接的表面区段的过渡中，在棱上进行法向量跳跃式的改变，其中，法向量正交于相应的表面区段取向。因此，特别是球形的校准元件不具有棱。
优选地，校准元件包括多个平的、特别是仅仅是平的表面区段。该表面区段可以例如构成校准元件的侧面。
根据本发明，该装置包括至少一个保持装置，其中，该校准元件设置在所述保持装置的表面区段上。校准元件特别是设置在所述保持装置的平的表面区段上。因此允许的是，校准元件的平的表面区段设置在所述保持装置的平的表面区段上。校准元件和保持装置可以在此机械可拆卸地或者不可拆卸地连接。例如校准元件和保持装置可以粘接。但是自然也可以设置其他机械连接类型。
此外，校准元件的表面区段如下述地彼此设置，当将所述棱投影在一共同的投影平面中时，所述校准元件具有至少一个棱，所述棱不与所述校准元件的其他棱重叠。在此，所述投影平面正交于所述保持装置的表面区段的法向量取向。如果所述保持装置的表面区段(校准元件设置在所述表面区段上)是平的表面区段，那么该法向量是该平的表面区段的法向量。但是如果所述保持装置的表面区段(校准元件设置在所述表面区段上)例如是弯曲的表面区段，那么该法向量可以是在如下的一个点或者直线的切面的法向量，在所述点或者直线上校准元件和保持装置连接。
通过校准元件的根据本发明的布置和构造得出，可单义地辨别在所述投影平面中的所述至少一个棱，原因是其不与其他棱重叠。投影平面例如对应于光学传感器的一图像平面，那么所述至少一个棱单义地构造到该图像平面中。
概念“重叠”在此表示，两个棱的至少部分区段以相同的位置和取向投影到共同的投影平面中。
概念“重叠”特别是表示，在共同的投影平面中的棱的部分区段的位置和取向符合的是，在投影平面中确定的棱的端点和/或走向不能被单义地探测或者辨别。该部分区段在此可以具有预定的长度。这概念部分区段绝对不是棱的一个点。因此，当棱在投影平面中在一个点上相交时，这可以例如是无害的。
该投影在此是正交投影，其投影方向平行于上述的法向量取向。特别是校准元件可以如下构造和设置在所述保持装置上，预定数量的或者甚至所有的棱在共同的投影平面中不重叠，校准元件的至少两个表面区段抵接在所述棱上。如下面还详细描述的那样，保持装置自然也可以如下构造，在共同的投影平面中没有保持装置的棱与校准元件的至少一个棱重叠。
该棱不与其他棱重叠因此也表示，该棱在投影平面中可以单义地被辨别，特别是其位置和取向。
校准元件和保持装置的本发明建议的构造和布置以有利的方式实现了特别是对校准元件的棱的单义的成像(或描述，Abbildung)。因此，特别是可以改进对校准元件的基于棱探测的光学测量。因为棱限定表面区段并且校准元件的表面区段的尺寸是已知的，在此基础上可以确定在表面区段的基于图像的(例如基于像点的)尺寸和表面区段的实际尺寸之间的相互关系，例如换算系数。
该相互关系则实现光学传感器的校准，原因是实现基于图像的确定的尺寸相对于实际尺寸的高精度的关系。因此，本发明建议的装置在光学测量时实现高的测量精度。
在另一实施形式中，两个彼此不同的表面区段，特别是平的表面区段以锐角相交。该锐角在此是在校准元件的内部或者内部体积中的由表面区段包围的角度。如果上述的法向量平行于这些表面区段中的一个的法向量延伸，那么以有利的方式得出，该由两个所述的表面区段构成的棱单义地投影到共同的投影平面中。如果表面区段以直角相交并且法向量平行于表面区段中的一个取向，则特别是不可以提供该单义的投影。特别是校准元件的多个或者甚至所有的表面区段可以以锐角相交。例如校准元件可以构造成四面体形的。
在一个优选的实施形式中，该锐角处于从0°到小于90°的角度范围内。因此，该角度大于0°且小于90°。优选地，该角度接近90°，例如其可以是大于80°或者大于85°。
这是有利的，原因是不需要过大的底切，所述底切由于材料很难制造。通过非过大的底切，也可以避免在触觉测量所述相应的表面时所谓的柄触摸(Schaftantastung)。因此，以有利的方式避免在触觉测量期间探测头或者探测元件例如探测球的可能需要的摆动。
因为由两个彼此垂直取向的平面构成的棱可以非常好地基于图像确定，如上所述的那样，在同时保证单义的可确定性的同时，由此以有利的方式得出该棱的尽可能好的基于图像的可确定性。
在另一优选的实施形式中，校准元件构造成截头棱锥形的。校准元件在此可以具有三角形的或者四边形的或者多于四角的基本面。特别是允许，截头棱锥形的校准元件如下地设置在保持装置上，校准元件的横截面在上述法向量的方向上增大，其中，横截面正交于法向量取向。因此，截头棱锥形的校准元件的基本面可以构成校准元件的在法线方向上的上表面。
这以有利的方式实现了尽可能简单地机械制造该校准元件。
在另一实施形式中，校准元件具有已知的光学特性。校准元件的光学特性在此包括校准元件的一部分光学特性或者优选所有的光学特性，通过所述光学特性校准元件与电磁辐射(特别是光)出现交互作用。光学特性例如也可以是校准元件的结构特性或者依赖于该结构特性。
该已知的光学特性实现了以计算的方式确定校准元件与光的交互作用。因此，可以在认识已知的光学特性的情况下计算(也就是说模拟)校准元件的虚拟的图像。
光学特性特别是实现模拟在校准元件和电磁辐射之间的电磁交互作用。因此，可以以有利的方式实施所谓的严格光学模拟。
光学特性在此例如由结构特性和几何构造得出。因此，特别是可以由材料或者材料成分、表面性质、表面品质、表面形貌、导电能力和校准元件的其他特性得出光学特性。
影响光学特性的其他特性可以包括例如吸收特性、反射特性、折射率、材料和/或材料特性的均匀性和材料和/或材料特性的各向同性。
在另一实施形式中，校准元件的散射特性和/或衍射特性和/或反射特性和/或透射特性是已知的。这些特性在此算作校准元件的上述光学特性。上述特性在此可以例如根据校准元件的材料或者材料成分确定。为了模拟电磁波的扩散，例如为了模拟传送，可以考虑依赖于地点和方向的以及依赖于波长的、具有依赖于波长的实数部分和依赖于波长的虚数部分的复合折射率。
这种方法允许以有利的方式尽可能完全地考虑制造、装配、周围环境和运行影响，例如但是不限于温度、空气湿度、大气压力和到该材料中的应力引入
合适选择的材料可以简化上述模拟。例如对于均匀的材料去除折射率的地点依赖性。对于各向同性的材料去除例如方向依赖性。
上述的特性以有利的方式实现了尽可能精确地计算校准元件与电磁辐射(特别是光)的交互作用。
在另一实施形式中，校准元件由各向同性的材料构成。
这实现了尽可能简单地计算校准元件与电磁辐射(特别是光)的交互作用。
显然也允许，校准元件由各向异性的材料或者各向异性的材料成分构成。在这种情况下，特性对方向的依赖性优选是已知的。各向同性和各向异性涉及的特性可以特别是光学特性。
在另一实施形式中，校准元件由非传导材料构成。这也包括具有很小导电率的材料。例如校准元件可以构造成具有小于10-8Sm导电率的非导体或者绝缘体。
这种校准元件以有利的方式实现了简化地计算校准元件与电磁辐射(特别是光)的交互作用。
产生和模拟校准元件的虚拟图像以有利的方式实现了优化基于图像的测量。因此，可以通过该模拟来模拟成像效果，所述模拟在实际光学成像时使基于图像的测量变得困难。在认识模拟的成像效果的情况下，那么可以提高基于图像的测量的精度，原因是可以补偿由于该成像效果而出现的测量误差(Messungenauigkeiten)。
在另一实施形式中，校准元件具有预定的机械硬度。在此，该硬度是机械阻力，校准元件以所述机械阻力抵抗较硬的测试体的侵击。例如校准元件可以构造为使得通过以一小于或者等于最大力的力碰触使校准元件完全可逆地变形。当然校准元件也可以构造为使得通过以一小于或者等于最大压力的压力碰触使校准元件完全可逆地变形。因此，也就是说在给校准元件施加这样的力/压力时校准元件仅仅可逆地变形。
当然，本发明建议的包括校准元件和保持装置的装置也可以具有高的机械硬度。该装置特别是可以构造为使得在施加上述的力/压力时在校准元件和保持装置之间不出现或者仅仅出现可逆的位置变化。
替代地或者增加地，校准元件可以具有一预定的机械强度。该机械强度在此描述如下机械阻力，校准元件以所述机械阻力抵抗塑性变形或者分离。校准元件特别是可以具有一预定的抗压强度。
此外替代地或者增加地，校准元件可以具有一预定的机械耐磨度。机械耐磨度在此是指校准元件相对于机械磨损的阻力。例如校准元件可以构造为使得在以小于或者等于最大力的力碰触时，不发生或者仅仅发生极小的机械磨损。相应地，也适用于以小于或者等于最大压力的压力触碰的情况。
校准元件例如可以至少部分地由石英玻璃、微晶玻璃、硅、碳化物、氮化物或工业陶瓷氧化物构成。
在一优选的实施形式中，校准元件由金刚石构成。金刚石有利地具有高的机械硬度、高的机械强度、高的机械耐磨度、精确的可加工性、低热膨胀系数以及精确已知的光学特性。
校准元件由金刚石构成的这种构造的另一优点是：金刚石化学的和物理的纯度。因此，校准元件优选地由人造的MCVD金刚石(Modified Chemical Vapor Deposition–Diamant，改进的化学气相沉积金刚石)或者由AAA金刚石或者由最高工具质量水平或者甚至珠宝质量水平的自然的金刚石构成。AAA金刚石在此是指最高质量水平的人造金刚石。
金刚石在此提供均匀的、高纯的和单晶的材料，所述材料最好地适合于物理光学模拟，原因是其容易被物理化学地描述并且仅仅具有最小的干扰。三维的材料混合、层系统或者合金与此相比可以在上述的严格光学模拟的框架中仅仅以较大的不确定性模拟。
校准元件也可以具有预定的热膨胀系数。该热膨胀系数可以特别是小于一预定的(较小的)热膨胀系数。这有利地实现了校准元件的几何尺寸在温度影响下尽可能小地改变。
替代地或者增加地，校准元件由硬质金属构成。此外替代地或者增加地，校准元件由技术陶瓷，特别是碳化物构成。陶瓷也有利地具有高机械强度和耐磨度。
对于上述材料存在加工方法，所述加工方法实现了以高精度的可确定的尺寸制造一体。例如，在使用金刚石和硬质金属时可以达到在从10到100nm范围内的形状偏差和表面品质，部分甚至在小于10nm的范围内。这种精度是需要的，以便在补偿元件计算时(如其在尺寸测量技术和其校准中一般实施的那样)实现在小于10nm的范围内的稳定性和不确定性。
建议的材料有利地实现了将根据本发明的装置也用于校准触觉传感器。特别是保证了，几何尺寸由于该碰触(例如借助于探测元件)不改变或者仅仅极小地改变。因此，例如在存在碰触力时也不出现面挤压，所述面挤压可以导致校准元件表面的塑性变形。
在一优选的实施形式中，保持装置具有至少一个开口，其中，所述至少一个校准元件至少部分地设置在所述开口上方。开口特别是贯通开口。这表示，该开口朝向开口的两侧打开，例如朝向保持装置的上侧和朝向保持装置的下侧。贯通开口特别不是盲孔开口。
至少一个校准元件至少部分地设置在所述开口上方，表示穿过该开口的光落到该校准元件上。开口的中心轴线特别是可以平行于上述的法向量取向，所述中心轴线在开口的两端之间延伸。
换句话说，校准元件在开口上方的布置表示，投影到共同的投影平面中的开口和投影到共同的投影平面中的校准元件在共同的投影平面中至少部分地重叠。
特别是校准元件的至少一个棱或者一个棱的部分区段设置在开口的上方。
在保持装置中设置开口以及校准元件相应的布置有利地实现了利用反射光和透射光来产生校准元件的图像。在此，透射光是指下述的光，所述光从保持装置的背离图像传感器的图像平面的一侧穿过开口落到图像平面上。相应地，反射光表示下述的光，所述光从保持装置的面对图像平面的一侧落到保持装置和校准元件上。
因此，借助于建议的装置可以不仅在反射光照明方案中而且在透射光照明方案中校准光学传感器。
在另一优选的实施形式中，保持装置具有多个开口，其中，所述至少一个校准元件至少部分地设置在多于一个的开口的上方。特别是校准元件的多个棱或者多个棱的部分区段至少部分地设置在开口的上方。
如上所述，这表示，在共同的投影平面中，校准元件的棱至少部分地设置在经投影的开口的区域中。
由此，多于一个棱可以不仅在反射光照明方案中而且在透射光照明方案中成像。由此，有利地进一步改进在这种照明方案中的校准。
所述至少一个开口可以具有不同的几何形状。所述开口可以例如具有圆形的或者多边形的横截面。
在另一实施形式中，保持装置具有一基体和至少一个保持块，其中，保持块通过至少一个被自由切削的(freigeschnitten)保持片与基体连接。被自由切削的在此表示，至少在保持片的一个区段中，该保持片两侧地限定开口，或者设置在一开口中，例如插入到该开口中。该保持片因此涉及保持装置的如下的区段，所述区段两侧被一个或者多个开口限定。因此，在所述保持片的至少一个区段的两侧上设置一个或者多个开口。
校准元件可以设置在保持装置的保持块上。在此，保持块可以在投影到共同的投影平面中时具有比投影到共同的投影平面中的校准元件的最小或者最大的空间尺寸小的外部尺寸。
通过构造保持片有利地实现保持装置的尽可能简单的制造，从而使得实现稳定地保持校准元件，但是同时保证校准元件的至少一部分在保持装置的一个或者多个开口上方的上述的布置。
保持块也可以具有开口，例如中心开口。在这种情况下，校准元件也可以设置在保持块的开口上方。
在另一实施形式中，校准元件的一角或者一棱设置在所述至少一个保持片的上方。一角在此是指校准元件的两个或者多个棱的交点。
与上述实施形式相应地，概念“在上方”表示，校准元件的投影到共同的投影平面中的棱或者角设置在投影到共同的投影平面中的片之内或者在投影到共同的投影平面中的片的边缘上。
这表示，在透射光照明方案中校准元件的该角或者棱被所述至少一个片覆盖。
如果一角设置在所述至少一个片的上方，那么校准元件的两个棱的至少部分区段可被该片覆盖。但是在这种情况下，实现将校准元件稳定地机械支承在保持装置上。
如果仅仅一个棱并且没有角设置在该片的上方，那么至少一个由该棱构成的角可以设置在保持装置的开口的上方。因此，在这种情况下，在透射光照明方案中有利地可以好地使该棱成像。因为经成像的角是基于图像的简单的、精确和稳健确定的特征，因此有利地可以改进光学尺寸的确定。
在另一实施形式中，保持装置具有至少一个棱，其中，该投影到共同的投影平面中的棱不与保持装置的投影到共同的投影平面中的其他棱重叠。附加地，当然允许，保持装置的投影到共同的投影平面中的该棱不与校准元件的投影到共同的投影平面中的棱重叠。
由此，有利地得出，保持装置的棱也可以基于图像单义地被辨别。因此，可以改进光学测量，原因是例如也可以借助于棱探测的方法探测保持装置的棱并且可以用于确定基于图像的尺寸。
在另一实施形式中，所述至少一个棱是限定所述至少一个开口的棱。因此，有利地实现，所述至少一个棱不仅在透射光照明方案中而且在反射光照明方案中都可以单义地被成像。
相应于校准元件的构造允许，该棱由保持装置的两个平的表面区段构成，所述两个表面区段以锐角，特别是以上述从0°到小于90°的角度范围内的角度相交。
在另一实施形式中，保持装置具有多个彼此平行的、平的表面区段，所述表面区段沿着所述法向量以一预定的间距彼此间隔开地设置。在此，校准元件可以设置在这些平的表面区段中的一个上。因此有利地得出，不仅可以光学地也可以触觉地测量这些平的表面区段，其中，这些表面区段的实际的空间间距是已知的。
一般保持装置也可以具有已知的几何尺寸。例如在保持装置中的开口可以具有已知的尺寸，例如直径。因此，保持装置也可以用于校准坐标测量仪，特别是用于校准坐标测量仪的触觉传感器。
在另一实施形式中，该装置包括至少一个另外的校准元件。该另外的校准元件可以与第一校准元件相同地构造。特别是该另外的校准元件可以具有和第一校准元件相同的几何特性和物理光学特性。
该另外的校准元件在此可以设置在保持装置的另一表面区段上。在此，该另外的校准元件可以以一相对于第一校准元件预定的间距设置在保持装置上。因此，在校准元件之间可以设置具有已知尺寸的气隙。因此，校准元件包围一“凹入的”结构，所述结构不仅可以被光学地而且可以被触觉地测量。
关于保持装置的表面区段(校准元件设置在所述表面区段上)，校准元件分别构成一突出的结构，所述结构同样可以被光学地和触觉地测量。
这有利地根据已知的环规和塞规测量实现对内部尺寸和外部尺寸测量的校准。
在另一实施形式中，该装置包括至少一个另外的校准元件，其中，该另外的校准元件具有一至少部分球形的子元件。
该另外的校准元件例如可以构造成球形的校准标准件。这有利地实现了将已知的校准方法用于坐标测量仪的特别是触觉传感器的校准。
在另一实施形式中，该装置包括至少一个另外的校准元件，其中，所述至少一个另外的校准元件构造成校准样本(Kalibriermuster)或者包括一校准样本，其中，该校准样本构造成结构化层。该校准样本特别是构造成借助于电子束刻蚀(Elektronenstrahllithographie)制造的结构化层。该结构化层特别是可以由对电子束敏感的材料构成。校准样本在此可以具有纳米级的已知尺寸，其中，校准样本的位置错误可以小于20纳米。校准样本附加地也可以被所谓的面具注册装置(Maskenregistratureinrichtung)测量。这实现了对纳米级的尺寸确定具有十分之一纳米级的测量不确定性。
例如校准样本可以具有关于例如校准元件或者保持装置的表面区段或者校准样本的参考表面突出的和/或凹入的区域，其中，该区域的尺寸是已知的。
该校准样本因此可以有利地用于校准特别是光学传感器。但是需要注意的是，这种校准样本一般仅仅实现对二维测量的校准而不能实现对三维测量的校准，原因是深度信息，特别是突出的或者凹入的区域的高度不是已知的或者不可被检测。
有利地实现，用于近似平坦的校准样本的严格光学模拟的方法是已知的，例如呈片宽测量的形式。这因此实现了通过光学传感器对校准样本的成像精确地模拟并且因此实现了上文已经说明的对成像效果的补偿，所述补偿在实际光学检测中出现并且所述补偿使光学测量变得困难。
在另一实施形式中，校准样本具有至少一个开口，其中，该开口的最大直径小于光学检测装置的或者坐标测量仪的光学传感器的分辨率极限。
因此，可以有利地进行对图像检测装置的检查并且必要时检查配置给所述图像检测装置的其他光学元件，例如透镜。例如可以由光学检测装置的聚焦成像错误求取所谓的相补偿方法(Phase-Retrieval-Methoden)。
这种方法例如在H.Gross等所著的“Characterization of Complex OpticalSystems Based on Wavefront Retrieval from Point Spread Function”Proc.EOSTopical Meeting，Lille，2007中公开。
在另一实施形式中，该装置包括至少两个具有彼此不同的热膨胀系数的区段，其中，所述区段构造为使得这些区段的预定的几何尺寸的差单义地对应一温度。例如这些区段在参考温度例如20℃时可以具有至少一个相同的相应几何尺寸，例如长度。如果该温度上升或者下降超过该参考温度，那么该几何尺寸根据区段特定的膨胀系数变化。几何尺寸之间的差在此单义地代表相对于参考温度的相应的温度差并且因此也代表绝对的温度。
这有利地实现了通过确定相应的尺寸来确定所建议的装置的温度。
此外建议一种用于校准坐标测量仪(特别是多功能坐标测量仪)的方法，所述坐标测量仪不仅能实现光学地而且能实现触觉地测量。在此，至少一个根据上述实施形式中的任一实施形式的装置设置在所述坐标测量仪的光学传感器和/或触觉传感器的测量空间(Messvolumen)或测量区域中。此外，借助于所述坐标测量仪的传感器测量所述至少一个装置。这表示，该装置(特别是至少一个校准元件)的几何尺寸被确定。这例如可以通过上述的借助于触觉传感器的触摸进行和/或通过借助于上述的光学传感器或者光学检测装置的光学测量进行。
此外，根据测量结果和根据所述装置的已知的尺寸确定至少一个影响所述测量结果的参数。
关于通过光学检测装置的光学测量，例如可以确定图像加工方法的参数，所述参数用于确定基于图像的几何尺寸。例如可以确定用于棱探测的方法的参数。也可以确定在基于图像的几何尺寸和实际尺寸之间的换算系数。
同样地，自然也适用于触觉传感器的校准。
在另一实施形式中，该装置被光学地测量。这表示，产生该装置的图像并且确定该装置的基于图像的特征，其中，根据特征确定该装置的基于图像的几何尺寸并且与已知的尺寸比较。
也可以根据该装置的物理光学特性产生该装置的虚拟图像，例如通过上述严格光学模拟。通过实际图像(所述实际图像借助于光学检测装置产生)和虚拟图像的比较，可以确定光学测量的不确定性。这下面在光学测量中可以用于修正或者在光学确定几何尺寸时用于估计不确定性区间。
在另一实施形式中，该装置被触觉地测量。例如所述至少一个校准元件可以被触觉地测量。在此例如可以确定，该装置实际是否具有已知的并且因此预期的尺寸。触觉测量可以特别是用于验证该装置的尺寸，所述装置如上所述地被光学测量并且产生所述装置的虚拟图像。
在另一实施形式中，确定所述装置的至少两个具有彼此不同的热膨胀系数的区段的预定的几何尺寸的差，其中，根据该差确定所述装置的温度。这有利地实现了确定该装置的温度。
附图说明
以下参照实施例更详细地说明本发明。附图示出了：
图1：根据本发明的装置的立体图；
图2：图1所示的装置的俯视图；
图3：图1所示的装置的纵向剖视图；
图4a：校准元件的立体视图；
与4b：图4a所示的校准元件的示意棱走向；
图5：校准元件的示意横截面；
图6：在明视场反射光照明方案中校准元件的示意横截面和相应的强度走向；
图7：在明视场透射光照明方案中校准元件的示意横截面和相应的强度走向；和
图8：在暗视场反射光照明方案中校准元件的示意横截面和相应的强度走向；
下面标号相同的元件具有相同或者相似的技术特征。
具体实施方式
在图1中示出了根据本发明的装置1的立体视图。装置1包括第一校准元件2a和第二校准元件2b。此外，装置1包括保持装置3。
也示出一坐标系，下面参考所述坐标系。因此，示出第一水平方向x和与其正交的另一水平方向y。竖直方向z与这两个水平方向x、y正交。方向x、y、z构成笛卡尔坐标系。
保持装置具有多个彼此平行的平的表面区段HE1、HE2、HE3。表面区段HE1、HE2、HE3在竖直方向z上彼此以已知的间距间隔开。竖直方向z在此正交于所有这些平的表面区段HE1、HE2、HE3取向。因此，竖直方向z是保持装置3的表面区段HE1、HE2、HE3的法向量。
因此，沿着竖直方向z在保持装置3的第二表面区段HE2之下设置第一表面区段HE1，其中，第二表面区段HE2又设置在第三表面区段HE3之下。
在第二表面区段HE2上设置校准元件2a、2b。在此，相应的校准元件2a、2b的基本侧KGS(参看例如图4a)位于保持装置3的第二表面区段HE2上。
校准元件2a、2b构造成截头棱锥形的，其中，截头棱锥具有矩形的基本面。在此，校准元件2a、2b如下地设置在保持装置3上，校准元件2a、2b的横截面沿着竖直方向z增大。
沿着第一水平方向x在两个校准元件2a、2b之间，特别是在校准元件2a、2b的彼此面对的侧面KSF之间的沿着竖直方向z变化的间距是已知的。
保持装置3具有多个贯通开口D。这些贯通开口D在此沿着竖直方向z从保持装置3的下侧MS延伸到上侧，所述上侧由保持装置3的平的表面区段HE1、HE2、HE3构成。
保持装置3具有多个棱HK。棱HK分别作为非弯曲平面的交线，其中，相交的平面不彼此垂直。特别是保持装置3的平的表面区段(所述表面区段构成棱HK)彼此包围一锐角。棱HK中的一些在此限定保持装置3的贯通开口D。
此外，在图1中示出了，校准元件2a、2b的一部分在保持装置3的相应总共四个贯通开口D的上方延伸。这表示，在一个共同的投影平面(未示出)中，所述投影平面正交于竖直方向设置，相应的校准元件2a、2b的一部分设置在贯通开口D之内。此外，校准元件2a、2b在竖直方向z上设置在贯通开口D之上。
在透射光照明方案中，装置1可以被保持装置3的下侧MS照明。在此，光可以穿过贯通开口D。坐标测量仪的光学检测装置的图像平面(未示出)可以设置在面对装置1的上侧的侧上，并且特别是也正交于竖直方向z取向。贯通开口D和校准元件2a、2b在贯通开口D之上的布置实现了将校准元件2a、2b的棱KK(这里例如图4a)成像到上述的图像平面中。
此外，示出保持块HB，所述保持块参考图2更详细地解释。
在图2中示出图1所示的装置1的俯视图。在此一目了然的是，装置3具有保持片HS，所述保持片使保持装置3的基体GK与保持块HB(参看图1)连接。保持片HS是被自由切削的保持片HS，所述保持片两侧被贯通开口D包围。因此，基体GK、保持片HS和保持块HB完全包围保持装置3的贯通开口D。
此外示出，校准元件2a、2b的由校准元件2a、2b的棱KK构成的角设置在保持片HS的上方。这些角因此在上述的透射光照明方案中不可被成像到图像平面中。
但是也可以想到，保持片HS设置为使得仅仅棱KK的部分区段而没有角设置在保持片HS的上方。因此可以实现，这些角在透射光照明方案中可被成像到图像平面中。
在图3中示出了图1所示的装置1的纵向剖视图。其中特别是示出了，在竖直方向z上校准元件2a、2b的上棱KK得出作为校准元件2a、2b的两个平的表面区段的交线，所述两个表面区段以锐角α相交。如果光例如以平行于竖直方向z的辐射方向辐射到装置1上或者从装置1的下侧MS辐射穿过装置1，那么棱KK单义地成像到正交于竖直方向z取向的图像平面中并且不与装置1的其他棱KK重叠。相应地，也适用于保持装置3的棱HK。校准元件2a、2b在图3中示出的棱KK由相应的校准元件2a、2b的上侧KOS和由校准元件2a、2b的侧面KSF构成。在此，上侧KOS和侧面KSF分别构成校准元件2a、2b的平的表面区段。该交角α(上侧KOS和侧面KSF以所述交角相交)处于从80°到小于90°的角度范围内。
在图4a中示出校准元件2的立体视图。校准元件构造成截头棱锥形的并且具有基侧KGS、上侧KOS和侧面KSF。这些侧在此构造成校准元件2的平的表面区段。示出的是，侧面KSF关于上侧KOS和基侧KGS倾斜。在此，侧面KSF上侧KOS分别以锐角α相交并且构成校准元件2的棱KK。因此，得出棱KK作为两个彼此不正交取向的平面的交线。
在图4a中示出的校准元件2具有已知的物理光学特性，所述物理光学特性实现计算校准元件2与光的交互作用。优选地，校准元件2由金刚石构成，所述金刚石构成各向同性的、非传导的材料。同时，由金刚石构成的校准元件2具有高的机械硬度、高机械强度、和高机械耐磨度。同样地，由金刚石构成的校准元件2具有小的热膨胀系数。
保持装置3可以同样地由金刚石构成。但是优选地，保持装置3由硬质金属或者陶瓷构成。
在图4b中示意地示出图4a所示的校准元件2的棱KK的实际走向以及棱KK的基于图像可确定的走向。
通过实线示出棱KK的和由侧面KSF构成的其他棱KWK的实际走向。如果校准元件2通过坐标测量仪的光学检测装置成像，那么棱KK、KWK的由实线示出的走向可以基于图像地确定。在图4b中通过虚线示出棱KK、KWK的基于图像可确定的理想走向。该理想走向例如可以确定为参考棱KK的实际走向的拟合线。
在图5中示出校准元件2的纵向剖视图，其中，特别是示出校准元件2的上侧KOS和侧面KSF。此外，示出由上侧KOS和侧面KSF构成的棱KK。实线示出上侧KOS和侧面KSF的实际走向或者实际地形。在此示出了，它们构造成不是完全平的。
此外示出探测球4，所述探测球固定在探测针5的自由端部上。探测针5又可以固定在坐标测量仪的探测头(未示出)上。探测球4和探测针5在此构成用于测量校准元件2的触觉传感器。示出了轨迹B，探测球4的中心点在探测上侧KOS和侧面KSF时沿着所述轨迹运动。轨迹B在此以半径R_t从上侧KOS或者侧面KSF分别沿着在上面KOS和侧面KSF上的法向量错开。根据探测球4的中心点沿着轨迹B的位置可以确定校准元件2的地形。通过虚线示出上侧KOS或者侧面KSF的理想走向，所述虚线可以根据沿着轨迹B的测量点确定。
因此，校准元件2不仅可以被用于光学测量而且也可以用于触觉测量，由此，可以有利地借助于校准元件2来校准多功能坐标测量仪。
在图6中示出在明视场反射光照明方案中校准元件2的示意横截面以及沿着第一水平方向x强度走向I。在此，光6从上侧KOS射到校准元件2上。光6的一部分在此反射，这通过弯曲的箭头示出。光6反射的部分可以被光学检测装置检测并且例如成像到图像传感器上，所述图像传感器可以构成图像平面。
此外示出借助于图像传感器检测的光6沿着第一水平方向x的典型的强度走向。示出了第一光强度I_in，所述第一光强度是射入的光6的强度。此外示出了强度走向I_r，所述强度走向是反射光的强度。在此一目了然的是，在由上侧KOS和侧面KSF构成的棱KK的区域中，反射光6的强度走向I_r上升并且在校准元件2的区域中具有比在校准元件2之外高的值。此外，示出了强度阀值I_th，其中，如果反射光6的强度I_r与强度阀值I_th相交，在明视场反射光照明方案中棱KK或者棱KK的位置被基于图像地探测。
在图7中示出了在明视场透射光照明方案中校准元件2的示意横截面以及在第一水平方向x上相应的强度走向。光6在此从校准元件2的下侧，也就是说从在图4a中示出的校准元件2的基侧KGS穿过校准元件2并且从校准元件2旁边经过。
在此示出了，光6的辐射方向平行于竖直方向取向。
此外示出了，在第一水平方向x上的强度走向I，所述强度走向例如由光学检测装置的图像传感器(未示出)产生，其中，该光学检测装置产生在明视场透射光照明方案中的校准元件2的图像。
示出了，射入的透射光的强度I_in。此外示出了，强度走向I_r，所述强度走向由图像传感器产生。同样示出了，用于棱探测的强度阀值I_th。在此一目了然的是，在由校准元件2的上侧KOS和侧面KSF构成的棱KK的区域中强度I_r从射入的强度I降到在强度阀值I_th之下的一个值并且在校准元件2的区域中具有比在校准元件2外部更小的值。根据强度阀值I_th与强度走向I_r的交点可以基于图像地确定棱KK的位置。
在图8中示出在暗视场反射光照明方案中校准元件2的示意横截面以及在第一水平方向x上的相应的强度走向。在此，光6从校准元件2的上侧KOS这样射到校准元件2上，使得不发生直接的反射。光学检测装置的图像传感器在这种情况下仅仅检测散射光8，所述散射光被校准元件2散射。
这通过十字7示意地示出，所述十字表示不发生光6的直接反射。
在散射光8沿着第一水平方向x的相应的强度走向I_r中一目了然的是，在由校准元件2的上侧KOS和侧面KSF构成的棱KK的区域中出现强度峰值。因此，强度走向I_r在棱KK的区域中具有强度最大值，由此可以基于图像简单并且可靠地探测棱KK的位置。

Claims (39)

1.一种用于校准坐标测量仪的装置，其中，所述装置(1)包括至少一个校准元件(2，2a，2b)，所述校准元件(2，2a，2b)具有多个表面区段，其中，相互抵接的表面区段构成一棱(KK)，其中，所述装置(1)包括至少一个保持装置(3)，其中，所述校准元件(2，2a，2b)设置在所述保持装置(3)的表面区段(HE2)上，其中，所述校准元件(2，2a，2b)的表面区段彼此设置为使得所述校准元件(2，2a，2b)具有至少一个棱(KK)，当将所述至少一个棱和所述校准元件(2，2a，2b)的其他棱(KK)投影到一共同的投影平面中时，所述至少一个棱不与所述其他棱(KK)重叠，其中，所述投影平面正交于所述保持装置(3)的表面区段(HE2)的法向量取向，其特征在于，所述保持装置(3)具有至少一个开口(D)，其中，所述至少一个校准元件(2，2a，2b)至少部分地设置在所述开口(D)上方。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述校准元件(2，2a，2b)的两个彼此不同的表面区段以锐角(α)相交。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述锐角(α)位于80°到90°的角度范围内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述校准元件(2，2a，2b)构造成截头棱锥形的。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述校准元件(2，2a，2b)具有已知的光学特性。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述校准元件(2，2a，2b)的散射特性和/或衍射特性和/或反射特性和/或透射特性是已知的。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述校准元件(2，2a，2b)由各向同性材料构成。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述校准元件(2，2a，2b)由非传导材料构成。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述校准元件(2，2a，2b)具有预定的机械硬度和/或预定的机械强度和/或预定的机械耐磨度和/或预定的热膨胀系数。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述校准元件(2，2a，2b)由金刚石和/或由硬质金属和/或由陶瓷构成。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述保持装置(3)具有多个开口(D)，其中，所述至少一个校准元件(2，2a，2b)至少部分地设置在多于一个所述开口(D)上方。
12.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述保持装置(3)具有多个开口(D)，其中，所述至少一个校准元件(2，2a，2b)至少部分地设置在多于一个所述开口(D)上方。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述保持装置(3)具有一基体(GK)和至少一个保持块(HB)，其中，所述保持块(HB)通过被自由切削的至少一个保持片(HS)与所述基体(GK)连接。
14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述保持装置(3)具有一基体(GK)和至少一个保持块(HB)，其中，所述保持块(HB)通过至少一个被自由切削的保持片(HS)与所述基体(GK)连接。
15.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述保持装置(3)具有一基体(GK)和至少一个保持块(HB)，其中，所述保持块(HB)通过至少一个被自由切削的保持片(HS)与所述基体(GK)连接。
16.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述校准元件(2，2a，2b)的一角或者一棱(KK)设置在所述至少一个保持片(HS)上方。
17.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述保持装置(3)具有至少一个棱(HK)，其中，所述保持装置(3)的所述至少一个棱(HK)在所述共同的投影平面中不与所述保持装置(3)的其他棱(HK)重叠。
18.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述保持装置(3)具有至少一个棱(HK)，其中，所述保持装置(3)的所述至少一个棱(HK)在所述共同的投影平面中不与所述保持装置(3)的其他棱(HK)重叠。
19.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述保持装置(3)具有至少一个棱(HK)，其中，所述保持装置(3)的所述至少一个棱(HK)在所述共同的投影平面中不与所述保持装置(3)的其他棱(HK)重叠。
20.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述保持装置(3)具有至少一个棱(HK)，其中，所述保持装置(3)的所述至少一个棱(HK)在所述共同的投影平面中不与所述保持装置(3)的其他棱(HK)重叠。
21.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述保持装置(3)的所述至少一个棱(HK)是限定所述至少一个开口(D)的棱(HK)。
22.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述保持装置(3)具有多个沿着所述法向量彼此间隔开地设置的、彼此平行的、平的表面区段(HE1，HE2，HE3)。
23.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述保持装置(3)具有多个沿着所述法向量彼此间隔开地设置的、彼此平行的、平的表面区段(HE1，HE2，HE3)。
24.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述保持装置(3)具有多个沿着所述法向量彼此间隔开地设置的、彼此平行的、平的表面区段(HE1，HE2，HE3)。
25.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述保持装置(3)具有多个沿着所述法向量彼此间隔开地设置的、彼此平行的、平的表面区段(HE1，HE2，HE3)。
26.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述保持装置(3)具有多个沿着所述法向量彼此间隔开地设置的、彼此平行的、平的表面区段(HE1，HE2，HE3)。
27.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述保持装置(3)具有多个沿着所述法向量彼此间隔开地设置的、彼此平行的、平的表面区段(HE1，HE2，HE3)。
28.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置(1)包括至少一个第二校准元件(2b)。
29.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置(1)包括至少一个另外的校准元件，其中，所述另外的校准元件具有一至少部分球形的子元件。
30.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置(1)包括至少一个另外的校准元件，其中，所述至少一个另外的校准元件构造成校准样本或者包括一校准样本，其中，所述校准样本构造成结构化层。
31.根据权利要求30所述的装置，其特征在于，所述校准样本具有至少一个开口，其中，所述校准样本的所述至少一个开口的最大直径小于所述坐标测量仪的光学检测装置的分辨率极限。
32.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置(1)包括至少两个校准元件(2a，2b)，所述校准元件设置为以一预定的间距彼此间隔开。
33.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置(1)包括至少两个具有彼此不同的热膨胀系数的区段，其中，所述区段构造为使得一预定的几何尺寸的差单义地对应一温度。
34.一种用于校准坐标测量仪的方法，其中，
-在所述坐标测量仪的传感器的测量空间中设置至少一个装置(1)，所述装置(1)是根据权利要求1至33中任一项所述的装置(1)，
-借助于所述坐标测量仪的传感器测量所述至少一个装置(1)，
-根据测量结果和所述装置(1)的已知的尺寸确定至少一个影响测量结果的参数。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述装置(1)被光学测量。
36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，根据所述装置(1)的光学特性计算所述装置(1)的虚拟图像，其中，所述虚拟图像与所述装置(1)的由所述坐标测量仪的光学检测装置产生的对应图像比较，其中，根据该比较确定光学测量的误差。
37.根据权利要求34至36中任一项所述的方法，其特征在于，所述装置(1)被触觉测量。
38.根据权利要求34至36中任一项所述的方法，其特征在于，确定所述装置(1)的至少两个具有彼此不同的热膨胀系数的区段的预定的几何尺寸的差，其中，根据该差确定所述装置(1)的温度。
39.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，确定所述装置(1)的至少两个具有彼此不同的热膨胀系数的区段的预定的几何尺寸的差，其中，根据该差确定所述装置(1)的温度。
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