CN112567198B - 用于物体的几何测量的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于物体(14)的几何测量的装置和方法，该装置具有：‑用于该物体(14)的支座(12)，该支座限定轴向方向(z)和径向方向(x)；‑支架(26)，该支架关于该轴向方向(z)以及关于该径向方向(x)都可相对于该支座(12)移动并且设置有距离测量设备(30)；‑至少一个基准物体(18，19，20)，所述至少一个基准物体相对于该支座(12)是可固定的，‑其中在支架(26)和基准物体(18，19，20)中的一个上布置纵向延伸的第一基准结构(22)和纵向延伸的第二基准结构(24)，以及，‑其中在支架(26)和基准物体(18，19，20)中的另一个上布置对准至第一基准结构(22)的第一基准传感器(32)和对准至第二基准结构(24)的第二基准传感器(34)，并且其中至少所述第二基准结构或所述第二和第一基准结构(22，24)相对于所述径向方向(x)以及相对于所述轴向方向(z)以预定的角度对准。

Description

用于物体的几何测量的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于物体的几何测量的装置，此物体特别是光学元件，例如透镜。本发明还涉及对此类物体进行几何测量的一种对应的方法以及计算机程序。

背景技术

为了保证品质及监控工业制造过程，尤其是在精密仪器技术领域、光学系统以及机械和电子微结构的制造过程中，对于工件或一般物体的高分辨率且精确的测量存在不断提高的需求。

因此，由DE 10 2011 011 065 B4中已知一种用于测量一个安置于支座

的物体的至少一个表面区段的装置。该装置在此具有一个可相对于该支座固定的基准物体(Referenzobjekt)以及在至少第一方向上可相对于该基准物体移动的支架。在该支架上布置一个基准体/>

以及一个距离传感器，它们安置成可相对于彼此旋转。因此,该距离测量设备形成为确定至该物体的表面区段的第一点的第一距离以及至该基准体与第一点对应的第二点的第二距离。称为距离测量器的距离测量设备在此具有一个面向该物体的第一距离传感器和一个面向该基准体的第二距离传感器。因此，这些传感器正好相对地反向互相对准。

利用上述装置，能以高精确率且无接触地以光学方式探测或扫描物体的表面。

由DE 10 2011 011 065 B4基本已知的装置示意性示于图1中。装置100具有支座12，在该支座上可旋转或可移位地安置有待测量的物体14，例如透镜。装置100还具有可在图1中示出的x-z平面中移动的支架26，在该支架上布置有距离测量设备30。距离测量设备30具有面向物体14的第一距离传感器36以及背向该物体而对准基准体40的第二距离传感器38。基准体可以具有形成为圆柱体内壁的反射式或镜面式的基准面42。基准面例如可以设计成中空镜面。第二距离传感器38可以相对于第一距离传感器36相对向地布置并且反向地对准。两个距离传感器36、38呈刚性相互联接。

距离传感器36指向物体14的待测量的表面16。距离传感器36、38被形成为光学距离传感器，并且因此用于光信号的发射和检测。传感器36、38以反射几何学进行测量。这意味着，指向物体14的测量点17的测量光束相应于物体14的表面外形被反射并且传回，并且由于该测量光束与物体14的表面16的近似正交的对准再由传感器36检测并且最后输送到传感器单元和检测单元的与距离传感器36联接的控制器。依据待测量的物体14的外形以及支架26相对于物体14的相对位置，距离传感器36、38的对准或定向相对于支架26上的旋转轴线51而改变，并在各情况下自适应地调整以保持测量所需的正交条件。

为了进一步精确地确定距离测量设备30的位置，特别是两个距离传感器36、38的位置以及基准体40在x-z平面中的位置，在支架26上设置有另外两个距离传感器，当前称为基准传感器32、34，所述基准传感器根据支座26的移位方向或移动方向(x，z)相对于位置固定的基准物体18、20对准，并且借助于所述基准传感器可以测量支座26在z方向上到基准物体18的基准面22的轴向距离和在x方向上到另一位置固定地布置的基准物体20以及到其基准面24的径向距离。

特别是在待测量的物体14的表面16重度弯曲、大致上凹入成拱形的情况下，可以表明困难的是：将距离测量设备30相对于物体14的表面16以所需的距离和在距离测量所需的取向上定位。如例如在图2中示出的那样，可能出现如下情况：基准传感器34相对于轴向方向(z)沉入到物体14的表面16的中空空间中，由此由基准传感器34发出的信号被物体14或其表面16吸收或分散。相对于对应的基准物体20的参照因此不再是可能的。距离测量设备30到表面16的距离必须相应地增加，这有时会以测量精度和测量速度为代价。

由于距离传感器36的受限制的接收角度，距离传感器36和物体14的待测量的表面16之间的距离应选择成尽可能小，以便测量装置的实际操作。此外，从距离传感器36指向物体的测量光束通常聚焦在物体表面上，以便获得用于物体表面的可扫描的测定的尽可能高的横向空间分辨率。

相比之下，本发明的目的是提供一种用于物体的几何测量的改进型装置和方法以及计算机程序，其适合于可靠地、精确地且快速地测定(特别是扫描)待测量的物体的相对严重弯曲的表面。在此应该能可靠地避免基准传感器的信号的可能的碰撞或由物体或其表面引起的遮蔽，而不会由此限制测量精度或测量速度。

另外，应可以测量较大面积的物体，特别是相对于径向方向或横向方向(即，垂直于支座的轴向方向)具有较大的伸展度的物体，而不必因此大大地提高该装置的空间尺寸。在该装置尽可能保持相同的体积时，这应适合于测量相对较大的物体。

此目的通过根据独立权利要求1的装置，根据权利要求14的方法以及根据权利要求15的计算机程序来实现。在此，有利的设计方案是从属权利要求的主题。

就此而言，提供了一种用于物体的几何测量的装置。该装置具有用于物体的支座。用于物体的支座限定轴向方向(z)和径向方向(x)。轴向方向和径向方向通常依据一般的圆柱坐标。用于物体的支座特别是用作用于光学组件的支座。当将物体(例如透镜)放置或安装在支座上时，物体的光轴通常与支座的轴向方向重合或平行于支座的轴向方向延伸。

支座可以可旋转地安装在基座上。依据物体的特性，支座还可以相对于装置的基座横向或纵向可移位地，例如垂直于轴向方向而安置。

该装置还具有支架，该支架可相对于支座关于轴向方向以及关于径向方向移动。通常，支架可在由支座的轴向方向和径向方向所跨越的平面中相对于支座运行或移位。因此，支架可以在轴向方向和径向方向所跨越的平面中扫描支座。

支座可以可旋转地安置，使得通过布置在支座上的物体的旋转，可以利用布置在支架上的距离测量设备完全扫描物体的面对支架的表面。该装置还包括布置在支架上的这种距离测量设备。

将距离测量设备形成为确定到布置在支座上的物体的表面的距离。将距离测量设备通常形成为非接触式距离测量设备。它具有例如以光学方式实施的距离测量器，该距离测量器以反射几何学来确定到物体的表面上的一个点或多个点的一个距离或多个距离，从而几乎逐点或逐线地扫描表面外形。

该装置还具有可以相对于支座固定的基准物体。支座和基准物体通常位置固定地布置并且彼此处于固定的几何关系。

在支架和基准物体之一上布置纵向延伸的第一基准结构和纵向延伸的第二基准结构。在支架和基准物体中的另一个上也布置与第一基准结构对准的第一基准传感器和与第二基准结构对准的第二基准传感器。可以设想并设置，基准结构布置在位置固定的基准物体上或多个位置固定的基准物体上，并且面向各个基准结构的基准传感器布置在装置的支架上。

第一基准结构和第二基准结构彼此以预定角度延伸。通过测量第一基准传感器和第一基准结构之间的距离以及通过测量第二基准传感器和第二基准结构之间的第二距离，可以精确地确定支架在由两个基准结构的纵向延伸所跨越的平面中的位置。

其他设计方案设置成，第一基准结构和第二基准结构布置在支架上。与之相对应的基准传感器然后布置在基准物体上或在多个可供使用的基准物体上，并且在相应基准结构的方向上对准。因此，可以同样地测得和确定支架关于轴向方向(z)和径向方向(x)相对于支座或相对于该基准物体或相对于各基准物体的距离或位置。

还设置，第一基准结构在径向方向(x)上对准并且第二基准结构相对于轴向方向(z)倾斜预定角度而对准。于此可替代地是，第一基准结构和第二基准结构分别可相对于径向方向(x)及相对于轴向方向(z)以预定角度对准。对于这里设置的第一和/或第二基准结构的每一种对准，表明有利的是，至少第二基准传感器不再水平地对准，而是相对于水平向上倾斜地对准。这使得能够沉入例如物体表面上或物体表面处的中空结构或底切区域。特别是，可以精确地扫描和测量物体的由此较大的凹入结构以及在保持最大距离时精确地且快速地扫描和测量物体的由此较大的凹入结构。

通常，两个基准结构都不在竖直方向或轴向方向上延伸。然而，两个基准结构之一可以在水平方向上延伸，即在径向方向上或横向(即正交)于轴向方向延伸。通常，第一基准结构，因此第一基准物体，可以针对轴向方向布置在支架上方。支架因此针对轴向方向(z)位于支座和第一基准物体之间。

第二基准物体或第二基准结构可以侧向地或水平地位于距支架一定距离处。第二基准结构通常以其表面法线对准至支座的方向上。它可以针对支座的表面法线或布置在支座上的物体的表面法线径向偏移地布置。第二基准物体的这种倾斜布置以及因此第二基准结构的这种倾斜布置使得能够扩大装置的径向测量区域。此外，可以精确地测量具有相对严重弯曲的表面外形的物体，特别是凹入成拱形的物体，而该物体或其区域不会到达第二基准传感器和第二基准结构之间。

根据另一设计方案，第二基准结构在至支架的轴向距离变大，而至支架的径向距离变小。换句话说，第二基准结构在水平方向或径向方向上向上朝向支座倾斜地对准。第二基准结构，特别是第二基准物体，可以或可能具有基本笔直或平面的外形。相应于第二基准结构的倾斜，通常布置在支架上的第二基准传感器也向上倾斜地对准。由此可以很大程度上避免和排除物体的凹入或中空的表面区域对支架的遮蔽。

根据另一设计方案，基准结构相对于轴向方向(z)以5°至75°之间的角度，30°至60°之间的角度，40°至50°之间的角度或大约45°的角度倾斜地对准。于此可替代地是，第二基准结构可以相对于轴向方向(z)以5°至30°之间的角度，5°至25°之间的角度，10°至20°之间的角度或大约15°的角度倾斜地对准。

这样的倾斜允许在不显着增加装置的外部尺寸的情况下扩大装置的径向测量区域。用于第二基准结构的对准并且因此也用于第二基准物体的对准的这种角度范围使得通常布置在支架上的第二基准传感器的对应的对准成为可能。

结果是装置的径向或水平测量区域与此对应地增加。第一基准结构可以以固定的角度比与第二基准结构对准。例如，第一基准结构可以与第二基准结构成直角或成90°角对准。因此，第一基准结构的纵向延伸与第二基准结构的纵向延伸之间的角度可以在60°至175°之间，75°至115°之间，75°至135°之间，75°至145°之间或大约90°或更大。对于物体的几何测量，如果第一基准结构的纵向延伸平行于径向方向(即水平线)延伸，则可以是有利的。第二基准结构的纵向延伸可相对于此大约在90°至175°，90°至160°，90°至145°，90°至135°或90°至120°的角度范围内向下(即朝向支座)倾斜地延伸。

对应于第一基准结构和第二基准结构的相互间的对准，第一基准传感器和第二基准传感器也彼此对准，因此第一传感器基本垂直于第一基准结构而对准，因此第二传感器也基本垂直于第二基准结构而对准。第一基准传感器和第二基准传感器通常形成为用于测量至相应的基准结构的距离的光学传感器。

在一种设计方案中，例如，第二基准结构可以相对于轴向方向以大约45°的角度倾斜地对准。第一基准结构因此可以相对于第二基准结构的纵向延伸以大约90°的角度对准。因此，第一基准结构同样可以相对于轴向方向成45°角倾斜地对准。第一基准结构和第二基准结构的正交对准可实现特别简单地参照，大致上是以笛卡尔坐标系为基础。

第二基准结构相对于轴向方向以10°至20°之间的角度，例如大约15°的角度倾斜地对准的其它设计方案表明对于为测量较大物体而设计的这种装置是特别有利的。在轴向方向上的预定可活动性或行进路径中，必须以第二基准结构相对于轴向方向变大的角度相应地调整相关基准结构的长度。

在此适合的是，基准结构的长度随着与轴向方向偏离的角度而增加。然而，就生产技术和测量技术而言，有利的是，基准结构(例如镜面形式的基准结构)被设计得尽可能紧凑。因此，上述10°和20°之间的角度范围可以表示在该装置同时有紧凑的构造方式时测量区域的扩大之间最佳或至少良好的折衷。

根据另一设计方案，纵向延伸的第一基准结构和第二基准结构布置在至少一个共同的基准物体上或布置在彼此固定的两个基准物体上。当设置单个基准物体(例如L形基准物体)时，通常被设计为镜面的第一基准结构和第二基准结构被布置成在单个基准物体上彼此固定且不可移动。如果设置两个基准物体，则第一基准结构和第二基准结构例如为了校准的目的也可以彼此调整或根据需要彼此对准。

根据另一设计方案，第一基准传感器布置在支架上且垂直于第一基准结构的纵向延伸。第二基准传感器同样布置在支架上且垂直于第二基准结构的纵向延伸而对准。该支架关于该基准结构或关于至少一个基准物体特别是不可旋转地布置。该支架只是平移地相对于各基准结构或至少一个基准物体可移动地布置在装置上。

同样可以设想一种相反的组态，其中各基准结构布置在支架上，通常是布置在支架的外侧上，且其中与各基准结构一起作用的基准传感器布置在至少一个基准物体上或分散地布置在多个基准物体上。关于各基准结构布置在各基准物体上以及各基准传感器布置在支架上的所有上面描述的特征也适用于所述相反的组态，其中各基准结构布置在支架上且各基准传感器布置在该基准物体上或各基准物体上。

依据另一设计方案，距离测量设备至少关于第一轴可摆动地安置在支架上。第一轴通常可垂直于轴向方向以及径向方向延伸或与轴向方向以及径向方向成预定角度地延伸。根据距离测量设备在支架上可摆动的安置，物体的表面上的每一点都可以以反射几何学且在保持用于距离测量设备的正交条件下运行且以光学方式受到扫描。为此，关于第三维度，即，垂直于径向方向且垂直于轴向方向该物体相对于支架的可旋转的和/或平移地可移位的安置有时是必需的并且被提供。

依据另一设计方案，第一轴与第一基准传感器的第一测量方向的假想的第一延长部和第二基准传感器的第二测量方向的假想的第二延长部的交点叠合。距离测量设备的旋转轴在与第一基准传感器和第二基准传感器的测量方向的假想的延长部每次重叠对支架或其可摆动地安置的距离测量设备的精确的位置确定和状况确定是有利的。支架的可能与公差有关的倾斜就此而言对至该物体的距离测量的测量结果不会有影响或只有微不足道的影响。在这方面，支架的基于各基准传感器和与其一起作用的基准结构的状况确定大体上对距离测量设备的旋转移动保持不变。

依据另一设计方案，在支架上布置基准体。形成支架上的距离测量设备，以便在物体布置在支座上时测量基准体和物体的表面之间的距离。这具有的优点是：可能由于距离测量设备的旋转移动所导致的定位准确度可借助于基准体来补偿。基准体相对于基准物体不可旋转地布置在可移动的支架上。基准体通常具有可反射的、面向装置的支座的表面，该表面具有已知的表面几何形状。一方面经由测量在物体的方向上的距离且另一方面测量在基准体的方向上的距离，可补偿距离测量设备的旋转移动所导致的距离测量设备的定位准确度。

若由于距离测量设备的旋转移动例如使距离测量设备和物体的表面上的预定的测量点之间的距离变短，则距离测量设备和基准体上的正相对着的相反的测量点之间的距离同样地以相同的数值变大。

依据另一设计方案，装置具有纵向延伸的第三基准结构，该第三基准结构布置在支架和基准物体之一上且以预定的角度倾斜于第一基准结构和第二基准结构而延伸。借助于纵向延伸的第三基准结构，就全部三个空间座标而言可测得支架关于基准物体的位置。这原则上可实现支架在全部三个空间维度上的自由移动。支架也可相对于两个空间维度而移动且布置在支架上的距离测量设备也可相对于两个轴而摆动。

然而，即使对于在轴向方向和径向方向、因此在唯一平面中的移动中受限的支架的移动性而言，第三基准结构对于距离测量设备的位置和/或定向的测得是有利的。特别是，可借助于第三基准结构相对于测得的、确定的且与此相关的可能的位置准确度来对与距离测量设备的倾斜或旋转相关的位置准确度作补偿。

依据另一设计方案，装置还具有第三基准传感器，该第三基准传感器布置在支架和基准物体中的另一个上且基本上垂直于第三基准结构的纵向延伸而对准。借助于第三基准传感器，可精确地测得支架和第三基准物体之间的距离。第三基准传感器的第三测量方向的假想的第三延长部因此可与第一基准传感器的第一测量方向的第一延长部和第二基准传感器的第二测量方向的假想的第二延长部中的至少一个叠合。因此，全部的基准传感器的全部的延长部可相交于一点。每一交点优选为与距离测量设备的旋转轴叠合。

依据另一设计方案，第三基准结构具有基准平面，该基准平面以预定的角度倾斜于第一基准结构和第二基准结构而延伸。提供基准平面特别是可实现支架在由轴向方向和径向方向所跨越的平面中的运行性或移位性。第三基准结构，特别是第三基准结构的基准平面，可以以大致上小于90°且大于15°的预定的角度相对于轴向方向而延伸。

此外，第三基准结构的基准平面通常是在切线方向上延伸。第三基准结构可随着至支座的轴向距离的变大而具有至支座变小的径向距离。基准平面的表面法线通常是可在支座的方向上对准。第三基准平面可关于径向方向(x)布置成相对于支座的表面法线轴向地偏移。就此而言，在由径向内部朝向径向外部观看时第三基准结构的基准平面向下倾斜地延伸。在由径向外部朝向径向内部观看时它向上倾斜地延伸。

依据另一设计方案，距离测量设备至少相对于第二轴可摆动地安置在支架上。第二轴因此以预定的角度倾斜于第一轴而延伸。距离测量设备相对于其可摆动地安置在支架上的第一轴和第二轴可以以例如90°的角度互相延伸。第一轴和第二轴的假想的延长部例如也可在一点中相交。

借助于第三基准传感器及其与第三基准结构的共同作用可精确地测得或测量并且与此相应地以计算方式来补偿由于相对于第二轴的摆动移动所造成的距离测量设备的可能的位置不准确度。

在一种典型的组态中，可设置的方式为：第一基准物体或第一基准结构至少随着一个方向组件沿着径向方向(x)延伸，第二基准物体或第二基准结构至少随着一个方向组件沿着轴向方向(z)延伸，并且距离测量设备相对于其可旋转地安置在支架上的第一轴在切线方向(因此垂直于径向方向且垂直于轴向方向)上延伸。因此，距离测量设备相对于第一轴可以是可摆动的，第一轴基本上平行于由轴向方向和径向方向所跨越的平面的表面法线而延伸。

在由此构成的其中距离测量设备另外也相对于第二轴可摆动地安置在支架上的设计方案中，可经由这样实现的类似(quas i)第二可摆动的安置就基准物体来产生距离测量设备的位置不准确度。此种位置不准确度可能例如与机械的轴误差有关。然而，经由距离测量设备在支座上相对于第二轴的可摆动性，此种位置不准确度可以位于距离测量设备的测量方向中。借助于第三基准结构和第三基准物体以及借助于指向第三基准结构和第三基准物体的第三基准传感器，可以精确地测定且因此以计算方式来补偿此种位于测量方向中的位置不准确度。

依据另一设计方案，另外设置：第一基准结构和第二基准结构中的至少一个具有直线延伸的细长反射条片。因此，第一基准结构和第二基准结构可类似地形成为一维的基准结构，该一维的基准结构分别只允许支架在相应的基准结构的纵向方向上运行或纵向可移位地移动且支架的移动就此而言会受到限制。

第一基准结构以及第二基准结构都具有直线延伸的细长反射条片。关于轴向方向和径向方向，支架因此在唯一的、与第一基准结构和第二基准结构叠合的平面中相对于该基准物体或相对于各基准物体可移动地安置。

距离传感器或基准传感器通常与多个不同波长的光源相联接，以借助于多波长测量原理确定到物体或到基准体或基准物体的距离。这类外差(Heterodyn)测量方法可以以纳米范围和次纳米范围的分辨率进行高精确度的距离测量，并还可提供直到毫米范围的测量结果的单值性区域。优选设置基本呈单色的激光作为光源，其波长在1520-1630nm的范围内。通常，所用的激光波长处于光学通讯谱的S频带、C频带或L频带中。但原则上也考虑在可见光和/或UV光谱范围的波长。

原理上，本发明也可适于仅以一个波长操作的距离测量设备。但借助于多波长测量方法，可明显放大所获取信号的单值性区域。由物体表面反射的光束的各相或相位经波长选择性地检测，并与电子求值过程中关联以用于确定距离。

此外，距离传感器可以以光纤方式与相关的光源联接。以此方式可将由环境引起的可能的干扰影响限制到最小。

依据另一设计方案，装置另外具有设计为检测单元的控制器，借助于该控制器由第一距离和第二距离可精确地确定支架或其基准体相对于至少一个基准物体的位置和取向。特别是可通过对相互独立测量的第一距离和第二距离进行比较和/或取平均值而确定支架在测量平面(x,z)的位置以及其斜度或倾斜度。在此，特别是可精确地确定距离测量设备的旋转轴的位置。

按另一方面，本发明还涉及一种用于借助于前面描述的装置进行物体的几何测量的方法，其中借助于距离测量设备以扫描方式测定或测量安置在支座上的物体的表面。在此，借助于可旋转地布置在支架上的距离测量设备以扫描，即以表面探测，测定安置在支座上的物体的表面形状。对物体表面的各个测量点依次施加测量光束，以致对每个测量点可测得距离。就此而言，在借助于距离测量设备的扫描过程中，测量到物体的测量点的多个距离，如有必要到基准体的基准点的多个距离。特别是以计算机辅助进行计算由多个距离产生物体的表面图像。

此外，借助于第一基准传感器和第二基准传感器测得支架或其基准体相对于至少一个基准物体的位置和取向。只要装置为支架设定了仅一个运动自由度，则原则上，仅设置两个通常呈平行对准且垂直于其测量方向的相互间隔开的基准传感器是足够的。在装置的扩展方案和相应地也在方法的扩展方案中设置，借助于第一基准传感器、第二基准传感器和第三基准传感器，测得支架在二维测量平面(x,z)中的位置和取向。然后，基于支架或基准体的位置确定和取向确定，校正表面图像。

因此，特别设置，将借助于第一基准传感器和第二基准传感器所测得的支架的取向用于校正由距离测量设备所测量的在物体测量点和基准体的基准点之间的距离。以此方式可以计算补偿由于支架的最小斜度或倾斜所引起的距离测量误差。

在此要说明的是，所述方法可借助于前面描述的装置实施，并就此而言关于设备所描述的全部特征和优点均也同样适用于方法；且反之亦然。

按另一方面，本发明还涉及一种借助于前面描述的装置用于物体的几何测量的计算机程序。该计算机程序具有借助于距离测量设备以扫描方式获取安置在支座上的物体的表面外形的程序工具。对此，计算机程序配备有借助于距离测量设备用于测量到物体的测量点的多个距离的程序工具。此外，计算机程序具有基于由第一基准传感器和第二基准传感器所测量的距离来确定支架或布置在其上的距离测量设备相对于基准物体的位置和取向的程序工具。最后，还设置基于经测得或经测量的支架或其基准体的位置和取向来校正表面图像的程序工具。

在此还说明的是，计算机程序在与装置相联接的控制器中运行，并在其中可相应地实施。计算机程序在同样前面描述的装置所确定的应用中特别用于前面描述的方法的计算机辅助转换。就此而言，在装置方面和方法方面的全部所述特征、特性和优点均也同样适用于计算机程序；且反之亦然。

附图说明

将参照示例性实施例的下面描述详细阐述本发明的其它目的、特征及有利的设计方案。其中：

图1示出根据现有技术已知的用于物体的几何测量的装置的示意图，

图2示出在测量具有较大径向延伸的物体和/或具有严重弯曲(大致凹入成拱形)的表面的物体时以目前的发展为基础存在的问题状态。

图3示出依据第一实施方案的根据本发明的距离测量设备，

图4示出装置的另一实施方案，

图5示出用于物体的几何测量的装置的另一实施方案，

图6示出根据图5布置在支架上的距离测量设备相对于待测量的物体的放大图，

图7示出装置的另一设计方案，

图8示出根据图7的装置的旋转图，以及

图9示出方法的流程图。

具体实施方式

相较于已在本文开头所描述的以及在图1中所示的装置100，图3的根据本发明的装置10具有用于物体14的支座12，该物体例如是光学组件(例如透镜)。支座12限定轴向方向(z)和径向方向(x)。支座12和布置于其上的物体14例如可相对于装置10的基座11可旋转地安置。

装置10还具有支架26，该支架相对于支座12可针对轴向方向及针对径向方向而移动。支架26通常平移地针对轴向方向及针对径向方向可移动地相对于支座12安置。为此，可设置具有单独的移位单元、例如一维或二维移位台的分离的机械组件。支座或基座11可位置固定地安装。

装置10还具有第一基准物体18和第二基准物体20。基准物体18、20相对于支座12是可固定的。通常，基准物体18、20相对于支座12而位置固定地布置在基座11上。在目前所示的实施例中，第一基准物体18具有第一基准结构22，该第一基准结构沿着基准物体18在基准物体18的面向支座12的一侧上延伸。

第二基准物体20具有纵向延伸的第二基准结构24，该第二基准结构同样在基准物体20的面向支座12的一侧上延伸。在支架26上布置第一基准传感器32，该第一基准传感器对准至第一基准结构22的方向上。第一基准传感器32通常布置在支架26上。支架26上还布置第二基准传感器34。第二基准传感器对准至第二基准物体20的第二基准结构24的方向上。

第一基准传感器32特别是垂直于第一基准结构22的纵向延伸而对准。第二基准传感器34通常垂直于第二基准结构24的纵向延伸而对准。第一基准传感器32的假想的延长部，特别是假想的第一延长部52，和第二基准传感器34的测量方向的假想的第二延长部54在共同的交点相交。此种假想的交点通常与旋转轴叠合，特别是与支架26的第一轴51叠合，距离测量设备30可摆动地安置在该第一轴上或相对于该第一轴安置。

距离测量设备30如图4所示通常具有指向支座12的至少一个第一距离传感器器36。借助于距离传感器36，距离测量设备30可确定支架26(特别是支架26的轴51)和物体14的表面16上已选取的测量点17之间的距离。对于至各个测量点17的距离的确定，距离传感器36须将已发出的光束垂直入射至该测量点17，因此可经由运行时间差或干扰仪技术来测量距离传感器36和测量点17之间的距离。

距离传感器36，因此整个距离测量设备30，通常是以光纤形式与控制器60联接，该控制器一方面形成为用于将距离测量设备30测量的信号或数据换算成距离，且另一方面形成为逐点地或逐线地来扫描物体14的表面16且与此相应地控制支架26和距离测量设备30的移位式移动和/或旋转式移动所需的伺服驱动装置。

第一轴51通常垂直于由第一基准结构22和第二基准结构24所跨越的平面而延伸，距离测量设备相对于该第一轴可旋转地安置在支座26上。

此外，图3和图4中示出：第一基准结构22以及第二基准结构24都相对于轴向方向(z)倾斜地对准。第一基准结构22和第二基准结构24之间的角度是大约90°。对应于第一基准结构22和第二基准结构24的对准，支架26上的第一基准传感器32和第二基准传感器34也可对准。

因此，与根据现有技术的组态相比，整个支架26可以以预定的角度相对于支座12旋转或对准基座11。这特别是对于依据现有技术成水平对准的第二基准传感器34可实现：不同于现有技术第二基准传感器34根据图3、图4、图5、图7和图8的实施方案可斜向上倾斜地对准。

特别就如图6中所示，特别是可经由第二基准传感器34的向上倾斜的对准使装置在径向方向(x)中的测量范围变大。此外，也可精确地测量具有较严重弯曲的表面16(特别是凹入弯曲的表面16)的物体14。

经由第二基准传感器34的向上倾斜的对准，则不再担心由该基准传感器发出的基准光束或测量光束会被物体14或由物体14或由其表面16所阻挡、转向或分散。

在根据图4的设计方案中支架26仍然只以虚线来表示。在根据图5的设计方案中该支架纯粹是为了图解的目的而不再明显地示出。然而，该支架仍然存在。

在根据图4的装置10的设计方案中，距离测量设备30具有第一距离传感器36，该第一距离传感器对准至物体14的表面16的方向上。此外，距离测量设备30具有第二距离传感器38，该第二距离传感器与第一距离传感器36的测量方向成反向地对准。

两个距离传感器36、38不可旋转地互相连接。这两个距离传感器相对于第一轴51组合且可旋转地安置在支架26上。第二距离传感器38对准至基准体40的方向上，特别是对准至基准体40的基准面42，该基准面可具有例如中空镜面，该中空镜面的虚拟的中央点大致上与第一轴51叠合。该基准体的几何形状，特别是指向第二距离传感器38的那一侧的几何形状，被精确地测量且储存在控制器60中。

距离测量设备30的具体的角度位置，且因此两个距离传感器36、38相对于基准体40的角度位置，可借助于与距离测量设备30连接的或机械上联接的旋转角度传感器来测得。由于距离测量设备30相对于第一轴51的旋转而造成的可能的位置不准确度可经由且借助于两个距离传感器36、38以计算方式来补偿。距离测量设备30用于测得物体表面16上的测量点17至基准体40上的与之相对应的测量点41的距离。

在根据图5的设计方案中，第一基准结构22和第二基准结构24之间的角度是大约120°至135°。

第一基准结构22，且因此第一基准物体18，水平地对准。该第一基准结构位于距离测量设备30上方以及支座26上方。第二基准结构24和第二基准物体20相对于径向方向且也相对于轴向方向倾斜地对准。为了实现第二基准传感器34的向上指向的对准，第二基准结构24随着至支座12的变大的轴向距离具有至支座12的变小的径向距离。

由径向内部朝向径向外部观看时，第二基准结构24或第二基准物体20可向下(即朝向支座12)倾斜地对准。

此外，根据图7和图8的另外设计方案中设置有第三基准结构23，该第三基准结构由第三基准物体19提供。就像由图7和图8的概观所示那样，第三基准结构23相对于第一基准结构22以及相对于第二基准结构24都以预定的角度延伸。第三基准结构23还可设计成基准平面25，第三基准物体19因此可具有平板式的平面几何形状。

第三基准物体19或其第三基准结构23相对于轴向方向(z)以及相对于径向方向(x)都可倾斜地对准。就像特别是图8中阐明的那样，第三基准结构23，因此基准平面25，随着至支座12的变大的轴向距离而具有至支座12的变小的径向距离。第三基准传感器33可在支架26上对准至第三基准结构23的方向上且因此也垂直于第三基准物体19而对准。第三基准传感器33基本上可垂直于第三基准结构23的平面而对准。

每一布置特别是对于距离测量设备30的二维的可摆动性都是有利的。就像另外依据图7和图8所示那样，距离测量设备30相对于第一轴51是可摆动的，该第一轴例如在y方向上延伸。另外，距离测量设备30相对于第二轴53是可摆动的，该第二轴例如在径向方向(即，x方向)上延伸。第一轴51特别是可垂直于第二轴53而延伸。两个轴51、53可具有至少一个虚拟的交点，该交点通常与基准传感器32、33、34中的至少两个的假想的延长部叠合。

以此形式和方式，也可借助于垂直于表面16而对准的距离测量设备30或借助于其距离传感器36以光学方式来扫描且因此较快速地来测量极其复杂的物体表面16。距离测量设备30相对于两个轴51、53的可摆动性可使距离传感器36快速地正交对准至物体的表面16。

当距离测量设备30相对于两个轴51、53可摆动地安置在支架26上时且当距离测量方向30配置有两个反向对准的距离传感器36、38时，基准体40通常具有三维的基准面，大致上是球形中空镜面形式的镜面。因此，对于指向基准体40的距离传感器38的每一角度位置，可确定基准体40上的测量点41和物体14的表面16上的测量点17之间的距离。测量点41位于基准体40的基准面42上。

然而，通过相对于第二轴53的可摆动性，由于不可避免的机械上的轴误差，测量精度会沿着由距离测量设备30的对准所预定的测量方向而产生。测量精度在轴向方向(z)和径向方向(x)的表面法线的方向上特别是可位于支架26的位置或距离测量设备30的位置。借助于第三基准结构23和第三基准物体19且借助于第三基准传感器33可测量且以计算方式来补偿垂直于轴向方向(z)和径向方向(x)所跨越的那个平面的可能的位置不准确度。换言之，借助于第三基准传感器33且借助于具有设置于那里的基准结构23的第三基准物体19可精确地测定且因此以计算方式来补偿在y方向上由距离测量设备30的第二可摆动的安置引起的位置误差。

最后，图9中示出方法的流程图。在第一步骤200中，借助于可旋转地布置在支架26上的距离测量设备30以扫描方式，即，表面扫描，来测定安置在支座12上的物体14的表面轮廓。物体14的表面16的各个测量点17依序施加测量光束，以便对每一测量点17测得至距离传感器36的距离。就此而言，在扫描过程中借助于距离测量设备30来测量至物体14的各个测量点17的一系列距离或测量所述测量点与基准体40上的基准点之间的距离。由此产生物体14的表面影像，特别是以计算机辅助方式来计算物体14的表面影像。

在与第一步骤200同时运行的另一步骤202中，借助于第一基准传感器32和第二基准传感器34且也借助于第三基准传感器33来测得支架26和/或其基准体40相对于至少一个基准物体18、20，通常相对于两个基准物体18和20，如有必要也相对于第三基准物体19，的位置和取向。在另一步骤204中，基于支架或基准体的位置确定和取向确定来校正表面影像。

标号列表

10 测量装置

11 基座

12 支座

14 物体

16 表面

17 测量点

18 基准物体

19 基准物体

20 基准物体

22 基准结构

23 基准结构

24 基准结构

25 基准面

26 支架

30 距离测量设备

32 基准传感器

33 基准传感器

34 基准传感器

36 距离传感器

38 距离传感器

40 基准体

41 测量点

42 基准面

51 轴

52 延长部

53 轴

54 延长部

60 控制器

100 测量装置

Claims (18)

1.一种用于物体(14)的几何测量的装置，具有：

-用于该物体(14)的支座(12)，该支座限定轴向方向(z)和径向方向(x)，

-支架(26)，该支架关于该轴向方向(z)以及关于该径向方向(x)都能够相对于该支座(12)移动，

-距离测量设备(30)，该距离测量设备布置在该支架(26)上，

-至少一个基准物体(18，19，20)，所述至少一个基准物体相对于该支座(12)是可固定的，

-其中在支架(26)和基准物体(18，19，20)中的一个上布置纵向延伸的第一基准结构(22)和纵向延伸的第二基准结构(24)，其中纵向延伸的第一基准结构(22)和纵向延伸的第二基准结构(24)彼此以预定角度延伸，以及

-其中在支架(26)和基准物体(18，19，20)中的另一个上布置对准至第一基准结构(22)的第一基准传感器(32)和对准至第二基准结构(24)的第二基准传感器(34)，其中支架(26)在由第一基准结构(22)的纵向延伸和第二基准结构(24)的纵向延伸所跨越的平面中的位置通过测量第一基准传感器(32)和第一基准结构(22)之间的第一距离以及测量第二基准传感器(34)和第二基准结构(24)之间的第二距离来确定，

-其中该第一基准结构(22)在该径向方向(x)上对准且该第二基准结构(24)以预定的角度相对于该轴向方向(z)倾斜地对准，或

-其中该第一基准结构(22)和该第二基准结构(24)分别以预定的角度相对于该径向方向(x)以及相对于该轴向方向(z)而对准；以及

其中该距离测量设备(30)至少相对于第一轴(51)可摆动地布置在该支架(24)上。

2.根据权利要求1所述的装置，其中该第二基准结构(24)随着至该支座(12)的变大的轴向距离而具有至该支座(12)的变小的径向距离。

3.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中该第二基准结构(24)以5°至75°之间的角度相对于该轴向方向(z)倾斜地对准。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中该第二基准结构(24)以40°至50°之间的角度相对于该轴向方向(z)倾斜地对准。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其中该第二基准结构(24)以5°至30°之间的角度相对于该轴向方向(z)倾斜地对准。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其中该第二基准结构(24)以10°至20°之间的角度相对于该轴向方向(z)倾斜地对准。

7.根据前述权利要求1或2所述的装置，其中纵向延伸的所述第一基准结构(23)和第二基准结构(24)布置在一个基准物体(18)上。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其中纵向延伸的所述第一基准结构(23)和第二基准结构(24)布置在两个互相固定的基准物体(18，20)上。

9.根据权利要求1或2所述的装置，其中该第一基准传感器(32)布置在该支架(26)上且垂直于该第一基准结构(22)的纵向延伸而对准，并且其中该第二基准传感器(34)布置在该支架(26)上且垂直于该第二基准结构(24)的纵向延伸而对准。

10.根据权利要求1或2所述的装置，其中该第一轴(51)与该第一基准传感器(32)的第一测量方向的假想的第一延长部(52)和该第二基准传感器(34)的第二测量方向的假想的第二延长部(44)的第一交点叠合。

11.根据权利要求1或2所述的装置，其中在该支架(26)上布置基准体(40)并且其中形成该距离测量设备(30)以用于当该物体(14)布置在该支座(12)上时测量该基准体(40)与该物体(14)的表面(16)之间的距离。

12.根据权利要求1或2所述的装置，该装置还具有纵向延伸的第三基准结构(23)，该第三基准结构布置在该支架(26)和该基准物体(18)中的一个上，且该第三基准结构以预定的角度倾斜于该第一基准结构(22)及倾斜于该第二基准结构(24)而延伸。

13.根据权利要求12所述的装置，该装置还具有第三基准传感器(33)，该第三基准传感器布置在支架(26)和基准物体(18，19，20)中的另一个上，且该第三基准传感器基本上垂直于该第三基准结构(23)的纵向延伸而对准。

14.根据权利要求12所述的装置，其中该第三基准结构(23)具有基准平面(25)，该基准平面以预定的角度倾斜于该第一基准结构(22)及倾斜于该第二基准结构(24)而延伸。

15.根据权利要求1或2所述的装置，其中该距离测量设备(30)至少相对于第二轴(53)可摆动地安置在支架(24)上并且其中该第二轴(53)以预定的角度倾斜于该第一轴(51)而对准。

16.根据权利要求1或2所述的装置，其中第一基准结构(22)和第二基准结构(24)中的至少一个具有直线延伸的细长反射条片。

17.一种用于借助于根据前述权利要求1-16中的一项所述的装置进行物体(14)的几何测量的方法，其中借助于该距离测量设备(30)以扫描方式来测定安置在该支座(12)上的物体(14)的表面(16)，其中：

-借助于该距离测量设备(30)来产生至该物体(14)的测量点的多个距离且产生该物体(14)的表面影像，

-借助于第一基准传感器(32)和第二基准传感器(34)来测得该支架(26)或布置在该支架(26)上的基准体(40)相对于所述基准物体(18，20)的位置和取向，以及

-基于该支架(26)或该基准体(40)相对于所述基准物体(18，20)的位置和取向来校正该表面影像。

18.一种计算机存储介质，其存储用于借助于根据前述权利要求1至16中的一项所述的装置进行物体(14)的几何测量的计算机程序，包括以下通过计算机来执行的获取、测量、确定和校正的步骤：

-借助于距离测量设备(30)以扫描方式来获取安置在支座(12)上的物体(14)的表面外形(15)，

-测量至物体(14)的表面(16)上的测量点(17)的多个距离且产生该物体(14)的表面影像，

-借助于第一基准传感器(32)和第二基准传感器(34)来确定该支架(26)或该距离测量设备(30)相对于基准物体(18，20)的位置和取向，以及

-基于该支架(26)或该距离测量设备(30)相对于所述基准物体(18，20)的位置和取向来校正该表面影像。

Images