CN107449358B - 坐标测量机、制造方法以及测量光学滤波器的方法 - Google Patents

Abstract

一种坐标测量机，包括用于光学采集工件的图像数据的光学传感器，其中光学传感器包括镜头和照明装置，镜头限定光轴，照明装置在图像数据的光学采集期间照明工件。照明装置包括漫射发光体和光学滤波器，光学滤波器具有彼此并排布置且彼此分开的多个光通道，其中由发光体发射的光在其下侧进入滤波器，穿过光通道，且在其相对顶侧从滤波器再次出现，其中每个光通道仅透射与相应光通道的纵向轴线的角度小于预定限制角的光线。镜头和滤波器相对于彼此倾斜，使得垂直于滤波器的顶侧对准的法向矢量与光轴形成不为0°的倾斜角。

Description

坐标测量机、制造方法以及测量光学滤波器的方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量工件的空间坐标的坐标测量机。此外，本发明涉及一种制造坐标测量机的方法。此外，本发明涉及一种在根据本发明的坐标测量机中使用的测量光学滤波器的光学性质的方法。

背景技术

坐标测量机用于检查工件，例如作为质量保证的一部分，或作为所知的“反向工程”的一部分来完全确定工件的几何结构。此外，可以预期多样的其他应用可能性，例如，工艺控制应用，其中直接应用测量技术，以进行在线监测并调整制造和加工工艺。

在坐标测量机中，不同类型的传感器可以用于采集待测量的工件。作为示例，以触觉方式测量的传感器就此而言是已知的，如申请人以名称“VAST XT”或“VAST XXT”销售的。在此，用触针扫描待测量的工件的表面，所述触针在测量空间中的坐标在所有时间是已知的。这样的触针也可以沿着工件的表面移动，使得在测量过程中可以按限定的时间间隔采集多个测量点，作为所谓“扫描方法”的一部分。

此外，已知使用光学传感器，其使得能够进行工件或测量对象的坐标的非接触采集。本发明涉及这样的包括光学传感器的坐标测量机。

在光学规格度量中，如果意图以单个微米范围的精度测量工件的形状，通常产生大量花费。这通常归因于以下事实，相对复杂的机器沿着预先计划的轨迹引导相对复杂和沉重的传感器。随后或并行地，然后将光学采集的信息关联到由机器致动器系统提供的空间信息，使得可以重新构建待测量的对象的表面。

可以用于光学坐标测量机中的光学传感器的一个示例是申请人以商品名称“ViScan”销售的光学传感器。此类型的光学传感器可以用于各种类型的测量设置或坐标测量机中。这样的坐标测量机的示例为申请人销售的产品“O-SELECT”和“O-INSPECT”。

具有高分辨率镜头的照相机通常用作这样的光学坐标测量机中的光学传感器。在光学度量中，简而言之，评估测量对象的阴影投射(shadow casting)。为此，在测量对象在照相机芯片上的成像上，将黑白转变与测量对象的位置相关联。可以由光学单元的校准产生图形和对象之间的此关联。

然而，上述程序中的基本前提是，阴影投射，即在照相机芯片上成像的图像中的明亮和黑暗的位置也实际上精确地对应于测量对象的轮廓。因此，意图用于度量目的这样的光学系统具有严格要求，其不仅与成像系统有关，而且与照明系统有关。因此，照明与成像系统理想地适配，以能够实现最佳可能的测量结果。

为能够确保与照明系统有关的严格要求，远心照明光学单元通常用于光学坐标测量机中。然而，由于空间和/或成本原因，也可以由平坦设计的表面发光元件取代所述远心照明光学单元。然而，由于发散光在测量对象处的反射，此测量主要在体零件(volumepart)的情况下则限制测量精度。依照顺序，即使在这样的坐标测量机构造的情况下，为了再次获得使用远心照明光学单元可实现的测量精度范围，也可以用其他部件取代或扩展平坦设计的表面发光源。

例如，EP 1618349 B1描述了坐标测量机，其包括透射光照明布置，其中透射光照明布置包括实施为进行漫射的表面发光源形式的照明体。除了图像处理传感器系统和所述透射光照明布置之外，坐标测量机包括设置在表面发光源与测量对象之间的滤波器。所述滤波器具有沟道状的通道开口，通道开口平行于图像处理传感器系统的镜头的光轴对准，并且仅透射相对于光轴小于预定限制角α的光线。光线可以穿过通道开口的限制角度α的值原则上小于10°，优选地小于3°，可能甚至小于1°。根据EP 1618349 B1的教导，所述光学滤波器意图避免外来光，否则外来光可能穿过进入光学单元，即图像处理传感器系统。从而意图是避免成像像差以及测量误差，尤其是当测量旋转对称零件时。

然而，已经发现，在使用如EP 1618349 B1中所描述的光学滤波器的情况下，为了对准表面发光源的漫射的光，使得不产生上述的测量误差，必须符合很窄的容差。对于待照明的小的面积，潜在地可能以相对简单的方式进行这样的光学滤波器的过程可靠的制造和安装。然而，如果照明的面积是相对大的面积(例如范围为100×100mm²的面积)，使用从EP1618349 B1得知的方案事实上不可能确保避免测量误差。这是由于，尤其是，由于制造的规定，所用的光学滤波器几乎无法满足所要求的窄的容差。

离开光学滤波器的多个沟道状的开口中的一个的光锥的开口应典型地具有小于5°的值。形心(centroid)光线(即光锥中轴或光锥主轴的方向)的方向应垂直于滤波器的机械表面行进。不言而喻，不仅对于光学滤波器的多个沟道状的通道开口中的一个，而且对于全部的沟道状的开口必须符合这些要求，即必须在光学滤波器的整个表面之上完全相同。

然而，现有测量已经揭示，在实践中，由于生产工程原因，光学滤波器的上述期望的发射特性几乎无法确保，或仅能在极高花费的情况下确保。由申请人进行的测量已经揭示，例如，尽管这样的光学滤波器的发射特性通常在整个像场上符合光锥的5°孔径(aperture)角度的要求，形心光线的方向(即光锥的中轴)不会在整个视野之上垂直于光学滤波器的机械表面对准。反之，已经发现，此要求(形心光线的方向垂直于机械表面)不仅通常不符合，并且还取决于位置而不同。

因此，事实上，在使用如EP 1618349 B1中所提出的光学滤波器的情况下，来自光源的光的最大可能量未被滤波器透射和被成像光学单元或光学传感器采集。此外，由于滤波器的上述发射特性，发生不期望的成像的图案，其不利地影响测量操作和总体系统的主观印象。

发明内容

在此背景下，本发明的目标是提供一种坐标测量机及其制造方法，其克服上述缺点。在此情况下，目标尤其是以最成本有效的方式降低在使用上述类型的光学滤波器的情况下发生的可能的测量不精确性。

根据本发明的一方面，通过一种坐标测量机实现此目标，坐标测量机包括：

-光学传感器，用于光学采集工件的图像数据，其中光学传感器包括镜头，镜头限定光轴；

-照明装置，用于在图像数据的光学采集期间照明工件；

-评估单元，配置为评估采集的图像数据，并且由此确定工件的空间坐标，

其中照明装置包括漫射发光体和光学滤波器，光学滤波器具有彼此并排布置且彼此分开的多个光通道，其中由发光体发射的光在滤波器的下侧进入滤波器，穿过光通道，并且在滤波器的相对顶侧上从滤波器再出现，其中光通道中的每一个透射与各自光通道的纵向轴线或中轴形成的角度小于预定限制角的光线，并且

其中镜头和滤波器相对于彼此倾斜，使得垂直于滤波器的顶侧对准的法向矢量与光轴形成不为0°的倾斜角，其中倾斜角对应于滤波器的平均光发射方向，其中滤波器的平均光发射方向为在滤波器的至少两个光通道之上确定的光锥主轴角度的平均值，并且其中光锥主轴角度为离开光通道的光锥的主轴与法向矢量形成的角度。

从而，本发明遵循解决上述问题的构思，所述问题实质上是因为光学滤波器的不均匀发射特性，通过将镜头和滤波器相对于彼此对准，使得垂直于滤波器的顶侧对准的法向矢量与光轴形成不等于0°的倾斜角。

因此，与EP 1618349 B1中所提出的不同，滤波器的顶侧并不垂直于光轴对准，而是相对于其倾斜或成不等于90°的角度。在此情况下，垂直于滤波器的顶侧对准的法向矢量成的倾斜角相对于与滤波器的平均光发射方向对应的光轴倾斜，其中滤波器的平均光发射方向是光通道中的至少两个之上(优选地在滤波器的光通道中的至少10％之上，尤其优选地至少50％之上)确定的光锥主轴角度的平均值，其中光锥主轴角度是离开光通道的光锥的主轴或中轴与法向矢量形成的角度。

相对于彼此来实现镜头与滤波器之间的倾斜。实际上，这可以通过滤波器的倾斜和通过镜头的倾斜两者实现。

因此，通过根据本发明的镜头与滤波器相对于彼此的对准，可以从生产工程师的立场，以相对简单但极为有效且有利的方式改进由EP 1618349 B1所知的方案。与EP 1 618349 B1中所提出的方案不同，定向到光学滤波器的平均光发射方向的两个部件(镜头和滤波器)的相对倾斜具有以下效果：显著增强由滤波器透射的光的质量，并且可以显著降低由滤波器的不均匀发射特性带来的照明像差以及由之产生的测量误差。

因此完全实现了上述目标。

坐标测量机优选地包括用于接收工件的工件支架，其中工件支架限定垂直于工件支架行进的z轴。所述工件支架优选为水平对准的板或水平对准的台。这样的板和这样的台分别将z轴限定为使z轴垂直于其行进的程度。不言而喻，取决于要求和测量任务，测量对象可以直接设置在工件支架上，或可以通过其他设备(例如夹具)设置于其上。

根据本发明的一个实施例，光轴平行于z轴行进，并且法向矢量与z轴形成倾斜角。

因此，在此实施例中，通过将光学滤波器相对于z轴倾斜，而镜头不相对于z轴倾斜，来实现上述相对倾斜。这具有以下优点，尤其是，可以分别地实现滤波器的单独倾斜，而不影响坐标测量机的其他部件。例如，可以制造一种照明装置，照明装置包含在分别的制造工艺中已经相对于之以单独倾斜角倾斜的发光体和滤波器，并且然后将其作为模块整体地整合。坐标测量机的其他部件将不必为此目的改变或适配。

在根据本发明的坐标测量机的其他实施例中，法向矢量平行于z轴行进，并且光轴与z轴形成倾斜角。

在此实施例中，成像镜头是倾斜的，而滤波器设置于坐标测量机中，使得其顶侧垂直于z轴行进。然而，根据此实施例，同样地，成像镜头的光轴平行于由滤波器透射的光的最大强度或至少平行于平均最大强度对准。与上述滤波器的倾斜相比，镜头的倾斜具有以下优点：镜头的定位或对准可相对容易地重新调整，使得也可以后续(即在滤波器的安装之后)设置所述对准。如果改变了滤波器，则镜头的对准也可以单独重新调整或重新设置。

根据上一实施例的第一可替代方案，镜头为沿着平行于z轴行进的移动轴可移动的，并且光轴与移动轴形成倾斜角。镜头的移动轴和光轴从而彼此偏离。因此，镜头的移动不再发生在光轴的方向上。

根据上一实施例的第二变化方案，镜头为沿着移动轴可移动的，移动轴与z轴形成倾斜角并且平行于光轴行进。尽管在此情况下，不同于坐标测量机的实践中的通常情况，移动轴相对于z轴倾斜，此变化方案具有以下优点：镜头沿着其光轴或与之平行移动。

根据本发明的坐标测量机根据的其他实施例，坐标测量机包括滤波器安装件，在其中可固定滤波器，其中滤波器安装件限定站立区域(standing area)和相对于其以倾斜角倾斜的倾斜平面，在滤波器插入到滤波器安装件的情况下，该倾斜平面平行于滤波器的顶侧对准。

在此实施例中，同样地，从而再次将滤波器相对于z轴倾斜。滤波器安装件确保期望的倾斜永久保持。滤波器安装件可以单独适配滤波器的光学性质，并且与后者共同整合到坐标测量机中。

可以按各种方式配置滤波器安装件。作为示例，在此可以涉及通过快速原型制造且以层叠方式构造的部件。所述部件可以具有实质上楔形的形状，其外形已经适配于待实现的倾斜角。可以通过3D打印机或一些其他快速原型方法以简单的方式制造这样的部件。

上述的滤波器安装件的实施例的其他可能是通过机加工方法单独制造的型材(profile)。可以相对简单且成本有效地制造这样的型材，其最优地实现为由铝或相似的适当材料形成的挤出型材。根据理想地对准光学滤波器的所需角度，在此情况下，可以在横切锯(mitre saw)上设置挤出型材的锯槽(saw cut)和旋转，使得所需角度自动包含在锯断的片中。作为其可替代的方案，也可以通过研磨制造部件。首先，在此情况下，再次地，优选地将片从实心型材锯断。在此情况下，片的高度应选为使得在后续研磨步骤中，任意角度组合从此半成品是可能的。然后将此片在研磨机上进一步加工。如果涉及3轴研磨机，则首先将在粗工序中研磨粗糙倾斜(tilting)，并且之后将通过理想地使用球形铣刀(sphericalcutter)的精加工从半成品研磨精确倾斜。在5轴研磨机上，此步骤可以变得简单得多，因为可以经由第四轴和第五轴将半成品枢转，使得可以通过例如使用的单个切削头的单个研磨工序实施倾斜。

实现上述滤波器安装件的其他可能包括使用具有高度可调的3点支架的安装件。作为示例，可以通过经由螺丝可调的具有3点支架的安装件来设定倾斜角。可以基于上述滤波器的发射特性或平均发射特性计算关于螺丝需要拧入多远的信息，并且然后对于待夹钳到此安装件中的滤波器提前单独提供。

实现滤波器安装件的其他可替代的方案包括使用万向悬架(cardanicsuspension)。例如，所述万向悬架可以固定地安装在坐标测量机中。作为其可替代的方案，然而，其也可以可释放地固定在坐标测量机中。以相似于上述镜头的倾斜的方式，使用万向悬架倾斜光学滤波器具有以下优点：即使在安装在坐标测量机中之后，仍可以重新调整。例如，可以通过电机确保倾斜角的调整。然而，也可以手动机械调整。总体上，也可以首先通过电机设置最佳位置，并且然后固定万向悬架的轴承。例如，可以通过粘接剂、填隙或旋拧来实现轴承的固定。在该情况下，重新调整不再可能。然而，持续地保持了提前的理想倾斜角设置。

如已经提到的，上面提到的类型的光学滤波器中的每一个的发射特性是不同的，因为制造的规定。为了确定光轴与垂直于滤波器的顶侧的法向矢量之间的上述理想倾斜角，因此需要对于每个滤波器提前单独确定光学性质。

因此，根据本发明的其他方面，提出了测量上面提到的类型的光学滤波器的光学性质的方法，其中该方法包括以下步骤：

-提供光学传感器，包括镜头，所述镜头限定光轴；

-通过漫射发光体从滤波器的下侧照明滤波器；

-通过光学传感器，测量由滤波器透射的光量，其中在滤波器的顶侧上的多个测量点处测量由滤波器透射的光量，并且镜头与滤波器在测量过程期间相对于彼此移动，使得对于测量点中的每一个从多个取向上测量透射的光量；以及

-根据(i)滤波器的顶侧上的位置，以及(ii)相对于垂直于滤波器的顶侧对准的法向矢量的发射角度，确定测量的透射的光量的分布。

在上述方法中，从而，根据位置和发射角度来测量滤波器的发射特性。为此，通过漫射的(优选地平面的)发光体从滤波器的下侧照明滤波器。在此情况下，漫射发光体理解为是指理想地产生在全部方向上均匀发射的照明或至少在关于滤波器的下侧均匀发射的照明的发光体。不言而喻，本申请不必须要求使用在全部方向上发射或发射到整个半空间中的发光体(例如，朗博特发射体)。以近似相同的光强度(包含实际上可忽略的偏差)在每个点辐照滤波器的整个下侧的发光体是足够的。这样的发光体，同样地，在本情况下应理解为漫射发光体。通过光学传感器测量由滤波器透射的光量，其中光学传感器的镜头和滤波器在测量过程期间相对于彼此移动或倾斜。以关于根据本发明的设备已经在上面提及的相似方式，在此，再次地，在测量过程期间可以移动滤波器或镜头。

不言而喻，为采集单独图像，在各情况下的移动的部件(滤波器或镜头)可以停止，即移动也可以实现为逐步的方式。总体上，然而，也可以在移动期间和之后采集图像或图像序列，以相应地评估它们。

不论在测量过程期间两个部件中的哪个移动，上述方法优选地附加包括以下方法步骤：基于所确定的分布计算滤波器的平均光发射方向，其中滤波器的平均光发射方向是在滤波器的光通道中的至少两个至上确定的光锥主轴角度的平均值，并且其中光锥主轴角度是离开光通道的光锥的主轴与法向矢量形成的角度。从而，计算的滤波器的平均光发射方向可以用于倾斜角的单独设定。

如相似地已经提及的，上述方法中的测量步骤存在两个变化方案。

根据测量由滤波器透射的光量的第一变化方案，对于测量点中的每一个，以逐步的方式将镜头移动到多个位置中，其中通过光学传感器在所述位置中的每一个中采集各自的图像，并且其中多个位置位于球冠上，并且距滤波器的顶侧上的各自测量点相同距离。然后对于每个单独测量点进行此测量程序。

因此，在此变化方案中，例如围绕光学滤波器移动测量照相机(光学传感器)，以从不同“视角”光学采集光学滤波器，同时通过漫射光源从光学滤波器的下侧将其照明。可以理想地通过5轴坐标测量机实现测量照相机的移动，其中可以经由旋转枢转接头来移动或倾斜光学传感器。对于滤波器的顶侧上的每个测量点，然后变化坐标测量机的五个轴，使得滤波器的顶侧上的所视空间点总是相同的，并且仅改变由照相机和镜头所视的点的旋转和倾斜。在此，由镜头相应地采用的位置全部位于球冠上，球冠的孔径角度对应于待检查的角度范围，其半径对应于镜头的焦距，并且其中点是滤波器的顶侧上的测量点。

从而，对于图中的每个单独测量点，可以将通过光学传感器测量的光强度对于方位角和倾斜角度作图。对于测量点，这产生作为发射角度的函数的测量的透射的光量的分布。

如果意图是确定光学滤波器在多个测量点上的发射行为，必须对于这些其他测量点中点每一个重复上述测量步骤。然后这产生测量的透射的光量的分布，其不仅作为发射角度的函数，而且也作为滤波器的顶侧上的位置的函数。

上述测量过程的第二可能性是，在测量过程期间，围绕相对于彼此正交对准的主轴中的两个，以逐步的方式将滤波器枢转到多个位置中，在每种情况下，所述主轴垂直于滤波器的顶侧的法向矢量，并且通过光学传感器在所述位置中的每一个采集图像。为此，可以通过例如万向悬架形式的旋转倾斜设备，相对于测量照相机(光学传感器)的光轴横向地以逐步的方式枢转滤波器。类似于上述第一测量可能性，对于每个角度位置检测透射的光量。优选地，为此，具有小于待测量的发射角度的数值孔径的远心镜头用作镜头。

此第二测量变化方案的主要区别同时也是主要优点是，对于光学传感器的整个视野的每个角度位置(即滤波器的顶侧上的多个空间测量点)，可以同时进行采集。对于每个现在独立可选的测量点，类似于第一测量变化方案，则可以确定由滤波器最大发射的光量的方向的角度以及由滤波器最大发射的光量的平均方向。

优选地，为此，在多个限定的图像区域中采集的图像中的每一个中确定灰度(grey-scale)值，并且基于所确定的灰度值确定测量的透射的光量的分布。

不言而喻，此类型的测量，与上述的第一测量变化方案相比较，除省时间之外，也较为成本有效，因为可以相对简单地且用坐标测量机的常规部件实现对此所需的测量设置。

根据本发明的其他方面，在本情况下提供制造方法，制造方法包括以下方法步骤：

-提供坐标测量机，包括(i)光学传感器，用于光学采集工件的图像数据，其中光学传感器包括镜头，所述镜头限定光轴，并且包括(ii)照明装置，用于在图像数据的光学采集期间照明工件，其中照明装置包括漫射发光体，并且包括(iii)评估单元，配置为评估采集的图像数据，并且从之确定工件的空间坐标；

-提供光学滤波器，光学滤波器具有设置为彼此并排且彼此分开的多个光通道，其光通道设置在滤波器的下侧与滤波器的相对顶侧之间的区域中，其中光通道中的每一个仅透射与相应光通道的纵向轴线形成的角度小于预定限制角的光线；

-通过上述测量方法，确定透射的光的测量的量的分布，分布取决于(i)滤波器的顶侧上的位置，以及(ii)相对于垂直滤波器的顶侧对准的法向矢量的发射角度；

-基于所确定的分布确定倾斜角；

-将滤波器设置在发光体上，使得由发光体发射的光在滤波器的下侧进入，并且至少部分地在滤波器的相对顶侧再次发出；以及

-将镜头和滤波器相对于彼此对准，使得垂直于滤波器的顶侧对准的法向矢量与光轴形成不等于0°的倾斜角。

不言而喻，在上述方法中，将滤波器设置在发光体上的步骤和将镜头相对于滤波器对准的步骤也可以在一个步骤中实现。

应当理解，而在不背离本发明的范围的情况下，前述特征和下面尚待解释的那些特征不仅可以在分别指定的组合中使用，也可以在其他组合中或单独使用。相似地，应当指出，关于根据本发明的坐标测量机描述的上述实施例也以同样的方式涉及根据本发明的测量方法以及根据本发明的制造方法。

附图说明

本发明的示例性实施例在附图中图示，并且在下面的说明中更详细地描述。附图中：

图1示出了坐标测量机的一个示例性实施例的立体图；

图2示出了可以在根据本发明的坐标测量机中使用的具有光学滤波器的发光源的一个示例性实施例的示意截面图；

图3示出了在根据本发明的坐标测量机中可能发生的照明和成像情况的第一示例性实施例的示意截面图；

图4示出了在根据本发明的坐标测量机中可能发生的照明和成像情况的第二示例性实施例的示意截面图；

图5示出了在根据本发明的坐标测量机中可能发生的照明和成像情况的第三示例性实施例的示意截面图；

图6示出了图示根据本发明的制造方法的一个示例性实施例的示意流程图；

图7示出了图示根据本发明的测量光学滤波器的光学性质的方法的第一示例性实施例的示意流程图；

图8示出了图示根据本发明的测量方法的第一示例性实施例的子步骤的示意基本表示图；

图9示出了图示透射的光量作为相对于彼此正交对准的两个发射角度的函数的示例性分布的示意图；

图10示出了图示根据本发明的测量方法的第二示例性实施例的示意流程图；

图11示出了图示执行根据本发明的测量方法的第二示例性实施例的测量设置的示意基本表示图；

图12示出了图示根据本发明的测量方法的第二示例性实施例的方法步骤的其他基本表示图；以及

图13示出了通过示例方式图示通过根据本发明的测量方法的第二示例性实施例确定的光量的分布的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的坐标测量机。该坐标测量机在此整体由参考标记10标示。

坐标测量机10包含工件支架12，其上可以定位有待测量的工件。所述工件支架12布置在测量台14上。取决于坐标测量机的实施例，所述测量台可以是固定的(即，不能移动的)测量台。在图1所示的实施例中，涉及测量台14，其通过定位装置16在测量台平面中沿两个坐标轴18、20可线性移动，所述两个坐标轴相对于彼此正交对准。第一坐标轴18通常标示为x轴，第二坐标轴20标示为y轴。

在如图1所示的坐标测量机10的示例性实施例中，测量台14实现为所谓的十字台设计。该测量台包含X台22，其沿着第一坐标轴18(x轴)可线性移动，并且在其顶侧上布置工件支架12。X台22进而承载在与其平行布置的Y台24上，通过该Y台，工件支架12沿着第二坐标轴20(y轴)可线性移动。Y台24进而布置在固体基板26上，其经常标示为安装板26。基板26充当测量台14的载体结构，并且通常以集成方式连接至机器框架28。

除了支撑基板26的下部部件之外，机器框架28还包含上部部件28'，其通常但不完全必要地以集成方式连接至机器框架28的下部部件。机器框架28的所述上部部件28'经常标示为Z立柱。

在如图1所示的坐标测量机10的示例性实施例中，所谓的Z滑块30以线性可位移方式附接于Z立柱28'。所述Z滑块30优选通过滑块壳体32内的线性引导体被引导，滑块壳体32固定连接至Z立柱28'。因此，Z滑块30沿着第三坐标轴34可移动，该第三坐标轴34通常标示为z轴，其相对于测量台14正交，或者相对于其他两个坐标轴18、20正交。测量头36布置在Z滑块30面向测量台14的下侧上。取决于坐标测量机10的实施例，测量头36包含一个或多个传感器。在这种情况下，测量头36包含光学传感器38，通过该光学传感器38，定位在工件支架12上的待测量工件可被光学地采集。工件的图像数据可通过所述光学传感器38采集。具有高分辨率光学单元的照相机优选用于该目的。在这种情况下，图像数据通常被理解为表示工件的图像或图像序列。

坐标测量机10还包含照明装置42。所述照明装置42用于在通过光学传感器36光学采集图像数据期间照明待测量工件。在坐标测量机10的本示例性实施例中，所述照明装置42是所谓的透射光照明布置。在透射光照明布置中，相对于光学传感器36，光源位于待测量工件后面。照明装置42因此优选集成在测量台14中或布置在测量台14之下。在这种情况下，工件支架12优选实施为使得其是透射光式的。这样，不被待测量工件遮蔽的区域在光学传感器38上呈现为明亮的。相对，被待测量工件遮蔽的区域在光学传感器38上呈现为暗的。

坐标测量机10还包含操作和切换仪器44，利用该仪器，操作人员能够手动控制和/或定位光学传感器38以及工件容座12。

根据图1所示的示例性实施例，控制单元或评估单元46(两个术语在这种情况下等同地使用)布置在附接至Z立柱28'的容座容器48中。所述控制单元46用于控制坐标测量机10的多个部件。此外，所述控制单元46用于通过已知的度量图像处理软件评估由光学传感器38采集的图像数据，从而由图像数据计算待测量工件的坐标。控制或评估单元46优选实施为其上安装相应软件的计算机硬件形式。

应理解，图1所示的坐标测量机10仅为其中可实现本发明的坐标测量机的许多可能示例性实施例之一。原则上，测量台14也可以以不能移动的方式实施。原则上，测量头36在机器框架28处悬停的方式也可不同地实施。特别地，测量头36和待测量工件相对于彼此移动的运动学可结构上不同地实施。除了相对于z轴34的可动性之外，其中布置有光学传感器38的测量头36也可例如相对于一个、两个、三个或更多的轴线枢转。而且，滑块壳体32和/或测量头36也可沿着x轴16和/或沿着y轴20移动。

同样，应指出的是，作为透射光照明布置的替代或附加，照明装置还可包含反射光照明布置。在反射光照明布置中，待测量工件由镜头侧照明，即由光学传感器38侧照明。为此，反射光照明布置包含一个或多个发光体，其优选布置在光学传感器38周围。所述发光体可例如以环形方式布置在传感器38周围。然而，不用说，原则上，其他几何布置也是可想到的。

图2示出了照明布置42的一个示例性实施例的示意性截面图，其例如可用作集成在坐标测量机10中的测量台14中的透射光照明布置。在此图示的照明布置42包含发光源50和光学滤波器52。发光源50优选为面发光源。在任意情况下，其为漫射发光体。举例而言，在此可使用布置成行、矩阵或同心圆的多个LED。举例而言，玻璃板可布置在所述LED之上。

光学滤波器52通过漫射发光体50从其下侧54被照明。由发光体50发出的光线(所述光线由箭头56指示)在滤波器54的下侧54进入并排布置的光通道58，并在滤波器54的顶侧60再次从所述光通道发出。并排布置的光通道58优选通过单独的膜或彼此粘接的薄层(lamellae)制造。在该情况下，滤波器52的光通道58设计为使得在滤波器54的下侧54进入光通道58之一的光线56不能横越到滤波器54内的相邻光通道58。单独的光通道58因此彼此光学隔离。另外，光通道58设计为使得每一个光通道58仅透射与相应光通道58的纵向轴线62形成的角度小于预定限制角α的光线56。相比之下，与相应光通道58的纵向或中心轴线62形成的角度大于所述预定限制角α的光线56不能从光通道58发出。光通道58在附图中指示为沟道状光通道。实际上不必是该情况。光通道58还可为互相分离的开口或出现在薄层结构的多个互相垂直的间隙之间的界面处的光栅结构类型。因此，与图2所示的示图相比，光通道58无需从下侧延伸直到顶侧60。重要的是，从空间的角度来看，它们布置在下侧54和顶侧60之间。另外，应指出，光通道58必须不包含材料缺口。光通道还可通过由光不透射材料围绕的光透射(即透明的)材料实现。术语“光透射”也不意在暗示任何截面形状。

应指出，如图1所示的照明装置42的布置原则上是由现有技术已知的。然而，现已发现，由于制造要求，滤波器52的上述光学行为只能非常困难地被满足。在该情况下，尤其已发现，实际上，单独光通道58的纵向轴线62不总是彼此准确地平行对准。滤波器52的顶侧60也不总是准确地垂直于光通道58的纵向轴线62行进。因此，同样显而易见的是，形心光线的方向，即离开单独光通道58的光锥的中心轴线的方向，不总是准确地垂直于滤波器52的顶侧60行进。

由申请人进行的测量例如揭示了，尽管这种滤波器52的发射特性通常满足滤波器52的整个视场上5°的区域中的光锥的所需孔径角，上述光锥的形心光线的方向没有全部彼此平行对准。形心光线的方向实际上以依赖于位置的方式变化。因此其对于逐个光通道58不同。

图3示出了关于如何根据本发明来避免照明装置42内的上述缺点的第一示例性实施例的示意性截面图。准确地说，图3示出了待测量工件64的照明和成像位置，工件64定位在工件支架12上。工件64仍由漫射发光体50照明，滤波器52通过安装件66安装在漫射发光体50的顶侧上。尽管安装件66在本示例中直接连接到发光体50，但是根据本发明，这不是绝对必要的，只要安装件66或者尤其是滤波器52布置在发光体50和待测量工件64之间的区域中即可。根据图3所示的示例性实施例，通过借助于安装件66来倾斜布置滤波器52，实际上避免了滤波器52出现的不理想发射特性的上述问题。

与如图2所示的由现有技术已知的实施例不同，在如图3所图示的根据本发明的示例性实施例的情况中，滤波器52不布置为垂直于成像光学单元或光学传感器38的镜头68的光轴70。更准确地说，滤波器52布置为使得相对于滤波器52的顶侧60正交对准的法向矢量72与镜头68的光轴70形成不等于0°的角β。该倾斜角β优选对应于滤波器52的平均光发射方向，其中滤波器52的平均光发射方向是在多个测量点上平均的光锥主轴角的平均值，其中，在本情况下，光锥主轴角被理解为表示离开单独光通道58的光锥的主轴与法向矢量72形成的角。滤波器的不均匀发射特性因此通过以下事实来补偿：滤波器52以可针对各个滤波器52确定的平均光发射方向相对于光轴倾斜。

根据本发明的另外两个示例性实施例图示于图4和5中。这两个示例性实施例遵循与图3所示的示例性实施例相同的发明原理。在此，滤波器52和镜头68同样相对于彼此倾斜，使得相对于滤波器52的顶侧60正交对准的法向矢量72与镜头68的光轴70形成倾斜角β，所述倾斜角对应于滤波器52的平均光发射角。然而，这两个示例性实施例的区别在于以下事实：现在镜头68是倾斜的，而不是滤波器52。在图3所示的示例性实施例中，镜头68的光轴70优选与z轴34重合，所述z轴垂直于工件支架12行进。相比之下，在图4和5所示的示例性实施例中，镜头68的光轴70在每种情况下均与z轴34形成倾斜角β。相比之下，滤波器52的法向矢量72与z轴34平行行进。最终，在这两个示例性实施例中产生同样的有利效应，即滤波器52的不均匀发射特性以通过倾斜支配的方式补偿，并且最大可能的光量因此可穿过镜头68到达光学传感器38。

在图4所示实施例的情况下，光轴70相对于法向矢量72和z轴34倾斜倾斜角β。此外，光轴70还相对于镜头68的移动轴74倾斜倾斜角β。因此，在该示例中，移动轴74平行于z轴34行进或者甚至与z轴34重合。

相比之下，在图5所示的实施例的情况下，移动轴74同样相对于z轴34倾斜倾斜角β。在该情况下，光轴70和移动轴74因此重合。

图6示出了图示根据本发明的制造方法的一个示例性实施例的示意性流程图。

第一步骤S10包含提供光学坐标测量机，其包含其基础部件，例如光学传感器、照明装置和评估单元。这种坐标测量机可例如对应于图1所示的示例性实施例。

步骤S20提供上述滤波器52。

因为如上所述的滤波器52的平均光发射方向是单独变量，其以制造支配的方式而对逐个滤波器不同，下一方法步骤S22包含测量滤波器52的光学性质。在所述方法步骤S22中应用的测量方法在下文基于根据本发明的两个示例性实施例更详细地解释。方法步骤S22的结果优选是，将由滤波器透射的光量的分布确定为滤波器52的顶侧上的位置的函数，并且也是相对于垂直于滤波器52的顶侧60对准的法向矢量72的发射角的函数。

基于所确定的分布(滤波器52的光发射特性)，那么可在方法步骤S24中确定倾斜角β。

一旦已确定待针对各个滤波器确定的所述倾斜角β，那么在方法步骤S26中，滤波器52可定位在发光体50上，并且与发光体共同安装在坐标测量机10中。

然后，方法步骤S28包含将镜头68和滤波器52彼此对准，尤其使得法向矢量72与光轴70形成倾斜角β。如上所述，这可通过滤波器52的倾斜或通过镜头68的倾斜实现。

在滤波器52改变或由新滤波器替换的情况下，步骤S20-S28将针对新的滤波器相应重复。

图7示出了测量方法的第一示例性实施例，所述测量方法可在图6所图示的制造方法的方法步骤S22中进行。

方法步骤S220.1首先包含提供具有高分辨率镜头的光学传感器。所述光学传感器可为在图1的坐标测量机10中使用的相同的光学传感器38。然而，为了执行测量方法，重要的是，光学传感器38与镜头68一起不仅仅是平移可移动的，而且围绕旋转轴可旋转。

下一步骤S222.1包含通过漫射发光体50从滤波器52的下侧照明滤波器52。

在步骤S224.1中，用于测量的光学传感器与滤波器的顶侧60上的第一测量点对准。

在步骤S226.1中，通过滤波器52从多个观察方向上在测量点测量透射的光量。图8示意性示出了该测量步骤的原理。在此可见，特别地，用作光学传感器的高分辨率照相机76在测量步骤S226.1期间以步进方式移动到不同位置，所述不同位置全部位于球冠的表面上，所述球冠的中心点是滤波器52的顶侧60上的瞬时观察测量点78。所述球冠的孔径角对应于待测试的角范围的孔径角。球冠的半径对应于镜头的焦距。在步骤S226.1中，因此，照相机76以步进方式沿着球冠移动，其中照相机在移动期间不变地观察同一测量点78。由照相机76在该移动期间记录的图像数据因此提供关于滤波器52在瞬时检查的测量点78处的发射特性的信息。

然而，因为滤波器52的所述发射特性意在评估滤波器52的顶侧60上的不止一个测量点，方法步骤S224.1和S226.1针对滤波器52的顶侧60上的多个测量点78相应地重复。

结果，在方法步骤S228.1中，可计算由滤波器52透射的光量的分布，其作为滤波器52的顶侧60上的位置的函数且作为相对于法向矢量72的发射角的函数。

图9通过示例示出了滤波器在测量点78中的至少一个处的发射特性。在图9图示的示图中，光强度绘示在竖直z轴上，相互垂直的发射角绘示在水平x和y轴上，所述发射角中的每一个是相对法向矢量72测量的。

图10示出了执行确定滤波器52的光学性质的测量方法的第二示例性实施例。

步骤S220.2和S222.2等同于来自图7所示测量方法的步骤S220.1和S222.1。

然而，步骤S224.2和S226.2与步骤S224.1和S226.1的不同在于，根据第二变型的测量方法中，在测量期间，滤波器52移动，而不是光学传感器。

图11示意性地示出了执行根据本发明的第二示例性实施例的测量方法的一个可能的测量设置。成像光学单元68在测量期间是固定的(即，不动的)。相比之下，滤波器52夹持在万向悬架80中，由此，滤波器52围绕彼此垂直对准的两个轴线可枢转。万向悬架80的这两个枢转轴中的每一个例如可分配有电动机，其用作相应枢转运动的致动器。

上述测量设备因此使得可在测量步骤S224.2期间以步进方式将滤波器52枢转到多个空间位置，并且对于每个位置采集图像数据，基于该图像数据，可评估在滤波器52的不同测量点处由滤波器52透射的光量。远心成像光学单元68优选用于该类型测量。

不用说，必须知道滤波器52针对通过万向悬架80在步骤S224.2中移动到的各个位置的角位置。因此，电动机82应准确校准。然而，为了消除可能的校准误差，原则上还可执行滤波器围绕其纵向轴线旋转180°的反测量，然后同一测量在相同位置再次进行。这提供能够使用甚至更有成本效益的步进电动机用于该方法的可能性。

然后，在方法步骤S226.2中评估步骤S224.2中采集的图像数据。该情形在图12中针对在滤波器52的特定位置采集的图像之一举例示出。滤波器52的顶侧60的待检查区域应在各个图像中完整表现。这样，那么可在各单独图像中评估多个测量点或关注区域(ROI)。图12针对一个ROI举例显示该过程。在该情况下，各ROI的位置对应于滤波器52的顶侧60上待评估位置的位置。步骤S226.2包含单独针对每个ROI确定所有待检查ROI的平均灰度值。当然，该过程不仅针对一个图像(即，滤波器52的一个空间位置)，而是也针对所有图像(即，所有待确定的位置或观察角)。

通过比较在同一个ROI中(例如在位置x_t1，y_t1)不同图像的每一个中出现的平均灰度值，可确定滤波器52在位置x_t1，y_t1的作为相对于法向矢量72的发射角的函数的发射特性。图13示出了这种评估的结果。其中，在ROI x_t1，y_t1中，不同图像的每一个中确定的平均灰度值绘示为示图中的单独测量点。类似于图9所示的示图，图13的示图示出了光强度的分布为相对于法向矢量72的两个相互垂直角的函数。由测量点的该云，可通过已知插值方法放置最佳拟合区域。待寻求的区域可尤其通过三阶或更高阶2D多项式、逐点双线性插值、逐点双三次插值、2D样条区域或2D高斯函数来拟合。

最后，在方法步骤S228.2中，通过确定的分布，可再次计算滤波器52的平均光发射方向，以确定倾斜角β。

不用说，在方法步骤S228.2中，以及在方法步骤S228.1中，还可从所述光强度分布提取其它信息，例如，滤波器52相对于旋转角的最大透射方向或分布在滤波器52的顶侧60上的多个测量点之上的光发射方向的变化。如果所述变化例如过分大，则这相当妨碍使用滤波器52用于上述方法。依赖于空间位置的最大透射最终表现滤波器52的光通道58的均匀性。另外，图9和13所示的发射锥的宽度是对形成光通道58的薄层的等距离的测量。

Claims (16)

1.一种坐标测量机(10)，包含：

光学传感器(38)，其光学采集工件的图像数据，其中所述光学传感器(38)包含镜头(68)，所述镜头限定光轴(70)；

照明装置(42)，其在所述图像数据的光学采集期间照明所述工件(64)；

评估单元(46)，配置为评估采集的图像数据，并且由此确定所述工件(64)的空间坐标，

其中所述照明装置(42)包含漫射发光体(50)和光学滤波器(52)，所述光学滤波器(52)具有彼此并排布置且彼此分离的多个光通道(58)，其中由所述发光体(50)发出的光在下侧(54)进入所述滤波器(52)，穿过所述光通道(58)，并且在与所述下侧(54)相对的顶侧(60)从所述滤波器(52)再出现，其中所述光通道(58)中的每一个仅透射与相应光通道(58)的纵向轴线(62)形成小于预定限制角(α)的光线(56)，

其特征在于，所述镜头(68)和所述滤波器(52)相对于彼此倾斜，使得垂直于所述滤波器(52)的顶侧(60)对准的法向矢量(72)与所述光轴(70)形成不等于0°的倾斜角(β)，其中所述倾斜角(β)对应于所述滤波器(52)的平均光发射方向，其中所述滤波器(52)的平均光发射方向是在所述滤波器(52)的光通道(58)中的至少两个上确定的光锥主轴角的平均值，并且其中所述光锥主轴角为离开所述光通道(58)的光锥的主轴与所述法向矢量(72)形成的角。

2.根据权利要求1所述的坐标测量机，包含接收所述工件(64)的工件支架(12)，其中所述工件支架(12)限定垂直于所述工件支架(12)行进的z轴(34)。

3.根据权利要求2所述的坐标测量机，其中所述光轴(70)平行于所述z轴(34)行进，并且其中所述法向矢量(72)与所述z轴(34)形成所述倾斜角(β)。

4.根据权利要求2所述的坐标测量机，其中所述法向矢量(72)平行于所述z轴(34)行进，并且其中所述光轴(70)与所述z轴(34)形成所述倾斜角(β)。

5.根据权利要求4所述的坐标测量机，其中所述镜头(68)沿着平行于所述z轴(34)行进的移动轴(74)是可移动的，并且其中所述光轴(70)与所述移动轴(74)形成所述倾斜角(β)。

6.根据权利要求4所述的坐标测量机，其中所述镜头(68)沿着移动轴(74)是可移动的，所述移动轴与所述z轴(34)形成所述倾斜角(β)并且平行于所述光轴(70)行进。

7.根据权利要求1所述的坐标测量机，包含滤波器安装件(66)，在所述滤波器安装件中所述滤波器(52)是可固定的，其中所述滤波器安装件(66)限定站立区域和相对于所述站立区域以所述倾斜角倾斜的倾斜平面，在所述滤波器(52)插入所述滤波器安装件(66)的情况下，所述倾斜平面平行于所述滤波器(52)的顶侧(60)对准。

8.根据权利要求7所述的坐标测量机，其中所述滤波器安装件(66)包含(i)通过快速原型制造且以层叠方式构造的部件，(ii)具有高度可调的三点支架的安装件，或(iii)万向悬架(80)。

9.一种测量光学滤波器(52)的光学性质的方法，所述光学滤波器具有彼此并排布置且彼此分离的多个光通道(58)，所述光通道布置在所述滤波器(52)的下侧(54)与所述滤波器(52)的相对顶侧(60)之间，其中所述光通道(58)中的每一个仅透射与相应光通道(58)的纵向轴线(62)形成的角小于预定限制角(α)的光线(56)，其中所述方法包含以下步骤：

提供包含镜头(68)的光学传感器(38、76)，所述镜头限定光轴(70)；

通过漫射发光体(50)，从所述滤波器的下侧(54)照明所述滤波器(52)；

通过所述光学传感器(38、76)，测量由所述滤波器(52)透射的光量，其中在所述滤波器(52)的顶侧(60)上的多个测量点(78)，测量由所述滤波器(52)透射的光量，并且所述镜头(68)和所述滤波器(52)在所述测量过程期间相对于彼此移动，使得透射的光量针对所述测量点(78)中的每一个，从多个取向测量所述透射的光量；以及

根据(i)所述滤波器(52)的顶侧(60)上的位置和(ii)相对于垂直于所述滤波器(52)的顶侧(60)对准的法向矢量(72)的发射角，确定所测量的透射光量的分布。

10.根据权利要求9所述的方法，包含以下附加方法步骤：

基于确定的分布，计算所述滤波器(52)的平均光发射方向，其中所述滤波器(52)的平均光发射方向是在所述滤波器(52)的光通道(58)中的至少两个上确定的光锥主轴角的平均值，并且其中所述光锥主轴角为离开所述光通道(58)的光锥的主轴与所述法向矢量(72)形成的角。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，为了测量由所述滤波器(52)透射的光量，为了所述测量点(78)中的每一个的测量，将所述镜头(68)移动至多个位置，并且在每一个所述位置通过所述光学传感器(38、76)采集相应图像，其中所述位置位于球冠上并且处于离所述滤波器(52)的顶侧(60)上的相应测量点(78)的相等距离处。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述测量过程期间，所述滤波器(52)围绕它的彼此正交对准的主轴中的两个枢转到多个位置，并且在每一个所述位置通过所述光学传感器(38、76)采集图像。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，在多个限定的图像区域中在各个采集的图像中确定灰度值，并且基于确定的灰度值确定测量的透射光量的分布。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述滤波器(52)通过万向悬架(80)枢转。

15.根据权利要求9所述的方法，其中，远心镜头用作所述镜头(68)。

16.一种制造坐标测量机的方法，包含以下步骤：

提供坐标测量机(10)，包含(i)光学传感器(38)，其光学采集工件(64)的图像数据，其中所述光学传感器(38)包含镜头(68)，所述镜头限定光轴(70)，且包含(ii)照明装置(42)，其在所述图像数据的光学采集期间照明所述工件(64)，其中所述照明装置(42)包括漫射发光体(50)，且包含(iii)评估单元(46)，配置为评估采集的图像数据，并且由此确定所述工件(64)的空间坐标；

提供光学滤波器(52)，所述光学滤波器(52)具有彼此并排布置且彼此分离的多个光通道(58)，所述光通道布置在所述滤波器(52)的下侧(54)与所述滤波器(52)的相对顶侧(60)之间，其中所述光通道(58)中的每一个仅透射与相应光通道(58)的纵向轴线(62)形成的角小于预定限制角(α)的光线(56)；

通过根据权利要求9-15中任一项所述的方法，根据(i)所述滤波器(52)的顶侧(60)上的位置和(ii)相对于垂直于所述滤波器(52)的顶侧(60)对准的法向矢量(72)的发射角，确定所测量的透射光量的分布；

基于确定的分布，确定倾斜角(β)；

将所述滤波器(52)定位在所述发光体(50)上，使得通过所述发光体(50)发出的光在所述滤波器(52)的下侧(54)进入，并且在所述滤波器(52)的顶侧(60)至少部分地再出现；以及

使所述镜头(68)与所述滤波器(52)彼此对准，使得垂直于所述滤波器(52)的顶侧(60)对准的法向矢量(72)与所述光轴形成不等于0°的所述倾斜角(β)。

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