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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinheit, ein Messsystem und ein Verfahren zum Ermitteln einer relativen Position und relativen Orientierung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Messeinheit und ein Verfahren zum Ermitteln einer relativen Position und relativen Orientierung unter Verwendung von elektromagnetischer Strahlung.
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Die Messung einer Lage und Orientierung eines Elements in einem dreidimensionalen Raum hat vielfache Anwendungen, beispielsweise bei der industriellen Fertigung oder bei der quantitativen Qualitätskontrolle, insbesondere in der industriellen Produktion. Beispielsweise können in der quantitativen Qualitätskontrolle taktile Koordinatenmessmaschinen eingesetzt werden, die hohe Genauigkeiten in Volumina von einigen Kubikmetern erreichen können, wobei jedoch die Position eines Messtasters mit entsprechender Genauigkeit ermittelt werden muss. Andere Anwendungen für die Bestimmung der Lage eines Objekts relativ zu einem Bezugssystem beinhalten eine Roboterkinematik in der industriellen Fertigung oder Messung, bei der jedenfalls einzelne Elemente der Roboterkinematik drei translatorische und drei rotatorische Freiheitsgrade aufweisen. Bei derartigen und anderen Vorrichtungen ist es erforderlich, die Lage einer Komponente der Anlage im Raum zu bestimmen. Zur Bestimmung der Lage muss sowohl die Position eines bestimmten Punktes der Komponente relativ zu einem Fixpunkt als auch die Orientierung eines durch die Komponente definierten Koordinatensystems relativ zu einem ortsfesten Bezugssystem im Labor bekannt sein. Beispielsweise muss bei einer Koordinatenmessmaschine die Lage, d.h. die Position und Orientierung des Messkopfes im Raum mit hoher Genauigkeit bestimmbar sein. Dazu können beispielsweise Kalibrierungstechniken eingesetzt werden, wie sie in der
US 6,611,346 B2 beschrieben sind.
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Die genaue Ermittlung der Position und Orientierung eines Objekts im Raum stellt eine Herausforderung dar. Im Hinblick auf ihre Genauigkeit und den zur Durchführung der Lageermittlung erforderlichen apparativen Aufwand sind Methoden unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere optische Methoden unter Einsatz von Strahlung mit Wellenlängen im IR, sichtbaren oder UV Teil des elektromagnetischen Spektrums, attraktiv.
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Methoden zur Bestimmung der Lage eines Objekts unter Verwendung elektromagnetischer, insbesondere optischer, Strahlen sind beispielsweise in der
US 7,358,516 B2 und der
US 4,621,926 beschrieben. In der
US 4,621,926 werden insgesamt mindestens fünf Interferometer eingesetzt, um die Bewegung eines Objekts auf einem nichtlinearen Pfad zu verfolgen und zu steuern. Bei dem in der
US 7,358,516 B2 beschriebenen Verfahren wird von einem Punkt oder mehreren Punkten aus jeweils ein Strahlkegel ausgesendet, der gleichzeitig mehrere Reflektoren erfasst. Um eine Eindeutigkeit zwischen dem Ausgangspunkt des Strahlenkegels und dem Reflektor zu erzielen, können steuerbare Shutter oder andere Techniken eingesetzt werden.
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Die
US 5 455 670 A beschreibt eine Vorrichtung zur optischen Entfernungsmessung, bei der verschwenkbare Spiegel eingesetzt werden. Die Strahlen mehrerer Entfernungsmessung werden über Retroreflektoren gerastert. Die Strahlen werden mit einer bestimmten Frequenz moduliert. Die Vorrichtung weist einen digitalen Phasendetektor auf.
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Die
US 6 166 809 A beschreibt ein System, das einen optischen Abstandsmesser oder mehrere optische Abstandsmesser umfasst. Ein Messstrahl wird durch Ansteuerung eines Spiegels abgelenkt und kann auf mehrere Reflektoren treffen, die an einem Objekt angebracht sind, dessen Lage zu ermitteln ist.
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Es besteht weiterhin ein Bedarf an Vorrichtungen und Verfahren, mit denen die Position und Orientierung eines Objekts relativ zu einem Bezugssystem unter Verwendung elektromagnetischer Strahlen ermittelt werden kann. Insbesondere besteht ein Bedarf an derartigen Vorrichtungen und Verfahren, bei denen Probleme im Hinblick auf die eindeutige Zuordnung von Elementen, zwischen denen eine Länge gemessen wurde, verringert werden können. Es besteht weiter ein Bedarf an derartigen Vorrichtungen und Verfahren, mit denen für einen großen Bereich unterschiedlicher Lagen des Objekts relativ zu dem Bezugssystem die Lage des Objekts zuverlässig ermittelt werden kann, ohne dass dabei die Lage des Objekts verändert werden muss.
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Erfindungsgemäß wird eine Messeinheit, ein Messsystem und ein Verfahren angegeben, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen definiert sind. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsbeispiele.
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Eine Messeinheit nach einem Aspekt ist eingerichtet, um eine relative Position und relative Orientierung zwischen der Messeinheit und einer Anordnung von mindestens drei optischen Elementen zu ermitteln. Die Messeinheit umfasst eine Längenmesseinrichtung, die eingerichtet ist, um Messstrahlen an mindestens drei voneinander beabstandeten Stellen auszusenden, und mindestens eine Strahllenkeinrichtung, die eingerichtet ist, um die Messstrahlen auf optische Elemente der Anordnung zu lenken. Die mindestens eine Strahllenkeinrichtung ist steuerbar, um wenigstens einen der Messstrahlen zeitsequentiell auf mehrere optische Elemente der Anordnung zu lenken, um zeitsequentiell mehrere Längenmessvorgänge derart durchzuführen, dass bei den mehreren Längenmessvorgängen jeder Messstrahl des wenigstens einen Messstrahls auf genau eines der optischen Elemente trifft. Die mindestens drei optischen Elemente sind in bekannten Abständen voneinander angeordnet, und die Stellen, an denen die Messstrahlen ausgesendet werden, sind in bekannten Abständen voneinander angeordnet. Die Anordnung ist dabei derart, dass mindestens sechs Längen zwischen den Stellen und den optischen Elementen gemessen werden können.
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Bei dieser Messeinheit kann mit der Strahllenkeinrichtung einer der Messstrahlen zwischen verschiedenen optischen Elementen verstellt werden, wobei er bei verschiedenen Längenmessvorgängen jeweils auf genau eines der optischen Elemente gelenkt wird. Dadurch wird eine eindeutige Zuordnung einer gemessenen Länge zu einem Paar von Aussende-Stelle und optischem Element für den Messstrahl erreicht. Dies gilt entsprechend auch, wenn mehrere Messstrahlen zwischen verschiedenen optischen Elementen verstellt werden. Dabei können bei einem Längenmessvorgang die verschiedenen Messstrahlen auf unterschiedliche optische Elemente gelenkt werden, so dass auf jedes optische Element der Anordnung bei jedem Längenmessvorgang maximal ein Messstrahl auftrifft. Alternativ können die Messstrahlen auch so gelenkt werden, dass zwei oder mehr als zwei Messstrahlen zur gleichen Zeit auf dasselbe optische Element fallen, wobei wenigstens das betreffende optische Element, vorteilhaft die Mehrzahl von optischen Elementen, so ausgeführt sind, dass die aus verschiedenen Richtungen eintreffenden Strahlen eindeutig auf die Aussendestelle zurückgeworfen werden.
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Die Strahllenkeinrichtung erlaubt, dass unter Verwendung von drei Stellen, an denen die Messstrahlen ausgesendet werden, aufgrund der bereitgestellten Verstellmöglichkeiten ausreichende Informationen für die Bestimmung der relativen Position und Orientierung gesammelt werden kann. Die Strahllenkeinrichtung führt auch dazu, dass keine breiten Strahlenfächer oder Strahlenkegel verwendet werden müssen, wodurch die Güte der Längenmessung erhöht werden kann.
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Die Messstrahlen können elektromagnetische Strahlen mit einer Wellenlänge im IR, sichtbaren oder UV Teil des elektromagnetischen Spektrums sein.
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Bei Ausführungsformen kann die Messeinheit an einem Objekt angebracht sein, dessen Position und Orientierung zu bestimmen ist, während die Anordnung der optischen Elemente ortsfest positioniert ist. Bei weiteren Ausführungsformen kann die Messeinheit ortsfest vorgesehen sein, während die Anordnung der optischen Elemente an dem Objekt angebracht ist, dessen Position und Orientierung zu bestimmen ist.
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Die mehreren Längenmessvorgänge können durchgeführt werden, während die relative Position und Orientierung zwischen der Messeinheit und dem Bezugssystem, das durch die Anordnung von optischen Elementen definiert ist, im Wesentlichen unverändert bleibt.
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Die drei Stellen sind vorteilhaft derart angeordnet, dass sie nicht alle auf einer Geraden positioniert sind. Die Anordnung der wenigstens drei optischen Elemente ist so ausgestaltet, dass wenigstens drei optische Elemente nicht alle auf einer Geraden positioniert sind. Dadurch kann die lineare Unabhängigkeit der gemessenen Längen, von denen jede den Abstand zwischen einer der Aussende-Stellen und einem der optischen Elemente repräsentiert, sichergestellt werden.
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Die Längenmesseinrichtung und die mindestens eine Strahllenkeinrichtung können so eingerichtet sein, dass jeder der Messstrahlen einen Strahlquerschnitt aufweist, in dem maximal ein optisches Element angeordnet ist. Insbesondere können die Messstrahlen einen konstanten Strahlenquerschnitt von geringem Durchmesser aufweisen oder schwach divergent sein. Auf diese Weise kann das Signal-Rausch-Verhältnis bei der Längenmessung erhöht werden.
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Die Messeinheit kann eine Kollimationsoptik zur Strahlenformung aufweisen, um nicht divergente oder nur schwach divergente Messstrahlen zu erzeugen.
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Die mindestens eine Strahllenkeinrichtung kann eingerichtet sein, um zum Durchführen der mehreren Längenmessvorgänge jeden einer Mehrzahl von Messstrahlen zeitsequentiell über mehrere optische Elemente der Anordnung zu rastern. Wenn mehrere Messstrahlen zwischen aufeinanderfolgenden Längenmessvorgängen auf diese Weise verstellt werden, kann die für die Ermittlung von mindestens sechs linear unabhängigen Längen erforderliche Anzahl der Stellen, von denen die Messstrahlen ausgesendet werden, und/oder die insgesamt erforderliche Messzeit reduziert werden. Beispielsweise können in einem Längemessvorgang drei Messstrahlen auf die optischen Elemente gelenkt werden, so dass zeitlich parallel drei Längen gemessen werden, wobei anschließend die drei Messstrahlen verstellt und in einem weiteren Längenmessvorgang auf die optischen Elemente gelenkt werden können, so dass zeitlich parallel drei weitere Längen gemessen werden.
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Die Längenmesseinrichtung und die mindestens eine Strahllenkeinrichtung können so eingerichtet sein, dass bei wenigstens einem der mehreren Längenmessvorgänge die Mehrzahl von Messstrahlen gleichzeitig ausgesendet und auf optische Elemente der Anordnung gelenkt wird. Dadurch kann die zur Bestimmung der Lage und Orientierung insgesamt erforderliche Messzeit reduziert werden.
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Die Längenmesseinrichtung und die mindestens eine Strahllenkeinrichtung können so eingerichtet sein, dass zum Durchführen der mehreren Längenmessvorgänge drei Messstrahlen über mehrere optische Elemente der Anordnung gerastert werden, um bei jedem der mehreren Längenmessvorgänge drei Längen zu messen. Auf diese Weise wird eine hohe Parallelität beim Messen der sechs Längen erreicht. Insbesondere kann mit zwei sequentiellen Längenmessvorgängen, in denen jeweils drei Längen bestimmt werden, die insgesamt erforderliche Anzahl von Längen ermittelt werden.
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Die Rasterung der verschiedenen Messstrahlen kann auf unterschiedliche Weise implementiert werden. Bei einem Längenmessvorgang kann ein erster Messstrahl, der von einer ersten Stelle ausgesendet wird, auf ein erstes optisches Element der Anordnung gelenkt werden, ein zweiter Messstrahl kann auf ein zweites optisches Element der Anordnung gelenkt werden, und ein dritter Messstrahl kann auf ein drittes optisches Element der Anordnung gelenkt werden. Das erste, zweite und dritte optische Element sind paarweise verschieden. Bei einem weitere Längenmessvorgang kann der erste Messstrahl auf ein von dem ersten optischen Element verschiedenes optisches Element der Anordnung, der zweite Messstrahl auf ein von dem zweiten optischen Element verschiedenen Element der Anordnung und der dritte Messstrahl auf ein von dem dritten optischen Element verschiedenes optisches Element der Anordnung gelenkt werden. Beispielsweise kann bei dem weiteren Längenmessvorgang der erste Messstrahl auf das zweite optische Element, der zweite Messstrahl auf das dritte optische Element und der dritte Messstrahl auf das erste optische Element gelenkt werden.
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Es ist eine Steuereinrichtung zum Steuern der mindestens einen Strahllenkeinrichtung vorgesehen, die die mindestens eine Strahllenkeinrichtung so steuert, dass der wenigstens eine Messstrahl in verschiedenen Längenmessvorgängen auf unterschiedliche optische Elemente gelenkt wird. Die Steuereinrichtung kann so ausgebildet sein, dass sie die mindestens eine Strahllenkeinrichtung abhängig von einer Abschätzung der relativen Position und relativen Orientierung zwischen der Messeinheit und der Anordnung von optischen Elementen steuert. Die Abschätzung kann beispielsweise durch ein mit geringerer Genauigkeit arbeitendes Messsystem oder durch die Steuerung einer Maschine oder Anlage bereitgestellt werden, deren Lage relativ zu einem Bezugssystem bestimmt werden soll. Falls beispielsweise die Position und Orientierung einer Komponente eines Roboters unter Verwendung der Messeinheit bestimmt werden soll, kann die Steuereinrichtung eine Schnittstelle mit der Robotersteuerung aufweisen, um Informationen über die Soll-Lage zu empfangen. Abhängig davon kann die Steuereinrichtung die mindestens eine Strahllenkeinrichtung so steuern, dass der Messstrahl gezielt über optische Elemente gerastert wird. Dadurch kann ein großräumiges Abscannen zum Auffinden der optischen Elemente vermieden und die Zeitdauer für eine Bestimmung der relativen Position und Orientierung verringert werden. Dafür kann in einem ersten Schritt die Beziehung zwischen einem Koordinatensystem des Roboters relativ zu einem Koordinatensystem der Messeinheit bestimmt werden, beispielsweise unter Verwendung eines weniger genau arbeitenden Messsystems oder von Informationen über die Soll-Lage des Koordinatensystems des Roboters relativ zu dem Koordinatensystem der Messeinheit. Diese Beziehung wird durch drei translatorische und drei rotatorische Freiheitsgrade beschrieben.
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Die Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, um die mindestens eine Strahllenkeinrichtung abhängig von der Abschätzung so zu steuern, dass der wenigstens eine Messstrahl gezielt von einem optischen Element auf ein weiteres optisches Element gerastert wird. Dabei kann die Steuereinrichtung so ausgebildet sein, dass die mindestens eine Strahllenkeinrichtung zwischen Längenmessvorgängen so verstellt wird, dass der Messstrahl wenigstens in einer Umgebung des weiteren optischen Elements auftrifft. Dadurch kann die zum Erfassen der sechs Längen benötigte Messdauer verringert werden.
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Die Steuereinrichtung ist erfindungsgemäß eingerichtet, um die optischen Elemente, auf die die Messstrahlen gelenkt werden, aus der Gesamtheit der optischen Elemente der Anordnung auszuwählen. Die Steuereinrichtung führt die Auswahl abhängig von der Abschätzung der Relativposition und Relativorientierung durch. Die Steuereinrichtung kann die mindestens eine Strahllenkeinrichtung dann entsprechend ansteuern, so dass die Messstrahlen auf die ausgewählten optischen Elemente gelenkt werden.
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Die Auswahl der optischen Elemente kann nach verschiedenen Kriterien erfolgen. Bei einer Ausgestaltung kann die Steuereinrichtung die optischen Elemente, auf die die Messstrahlen gelenkt werden sollen, so wählen, dass optische Abschattungen vermieden werden. Die Steuereinrichtung kann diese Auswahl abhängig von der Geometrie einer Maschine mit der Komponente, deren Lage ermittelt werden soll, und abhängig von der Abschätzung der Relativposition und Relativorientierung so treffen, dass für keines der gewählten optischen Elemente eine Abschattung des Messstrahls, der das optische Element treffen soll, vorliegt.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung die optischen Elemente, auf die die Messstrahlen gelenkt werden sollen, so wählen, dass bei der nachfolgenden rechnerischen Auswertung der Längen die relative Lage und Orientierung eine geringe Fehlerbehaftung aufweisen. Dazu kann die Steuereinrichtung die optischen Element abhängig von der Abschätzung der Relativposition und Relativorientierung so wählen, dass die Vektoren zwischen den Aussende-Stellen und zugeordneten optischen Elementen, für die die Längen gemessen werden, in einem Raumwinkelbereich liegen, der größer als ein Schwellenwert ist. D.h., die Steuereinrichtung kann die optischen Elemente so wählen, dass die Richtungen dieser Vektoren nicht zu ähnlich sind. Die Steuereinrichtung kann die optischen Elemente, auf die von den verschiedenen Stellen ausgesendete Messstrahlen gelenkt werden, so wählen, dass wenigstens ein Paar der Vektoren zwischen Aussende-Stellen und optischen Elemente einen Winkel einschließt, der um weniger als ein Schwellenwert von π/2 verschieden ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung die optischen Elemente, auf die die Messstrahlen gelenkt werden sollen, so wählen, dass ein gutes Signal-Rausch-Verhättnis erzielt wird. Dazu kann die Steuereinrichtung unter mehreren zur Verfügung stehenden optischen Elemente abhängig von der Abschätzung der Relativposition und Relativorientierung diejenigen wählen, die einen kleineren Abstand von der zugeordneten Stelle aufweisen, an der der entsprechende Messstrahl ausgesendet wird.
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Die Strahllenkeinrichtung kann eine oder mehrere mikroelektromechanische Einrichtungen aufweisen. Insbesondere kann die Strahllenkeinrichtung einen oder mehrere MEMS-Spiegel aufweisen. Auf diese Weise kann eine kompakte Bauweise der Messeinheit realisiert werden.
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Die Strahllenkeinrichtung kann auch eine Winkelaufweitungsoptik aufweisen. Dadurch kann erreicht werden, dass trotz der aus Verwendung eines MEMS-Spiegels resultierenden Winkelbeschränkungen Messstrahlen ausreichend weit verstellt werden können, um sie selektiv auf verschiedene optische Elemente zu lenken.
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Es können mindestens drei Strahllenkeinrichtung vorgesehen sein, von denen jede einer der Stellen zugeordnet ist, an denen ein Messstrahl ausgesendet wird. Auf diese Weise können die Messstrahlen unabhängig voneinander über verschiedene optische Elemente gerastert werden, während die Messeinheit kompakt ausgebildet werden kann.
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Die Winkelaufweitungsoptik kann so ausgebildet sein, dass eine Lichtlaufzeit durch die Winkelaufweitungsoptik weitgehend winkelunabhängig ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln der relativen Lage und relativen Orientierung aus den wenigstens sechs Längen winkelabhängige Laufzeitunterschiede durch die Winkelaufweitungsoptik rechnerisch kompensieren. Zum rechnerischen Kompensieren der Laufzeitunterschiede kann die Auswerteeinrichtung von der Steuereinrichtung Informationen über den Ablenkwinkel erhalten. Die rechnerische Kompensation kann unter Verwendung von Kalibriermethoden erfolgen.
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Die Messeinheit kann weiterhin Detektoren zum Erfassen der Messstrahlen nach Durchlaufen des Wegs von der Stelle zu einem der optischen Elemente und zurück zu der Stelle umfassen, falls die optischen Elemente als reflektierende Elemente ausgebildet sind. Die Detektoren können in einer Umgebung der Stellen, an denen die Messstrahlen ausgesendet werden, vorgesehen sein. Die Detektoren können Fotodetektoren sein.
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Zur eigentlichen Weglängenmessung können verschiedene Methoden eingesetzt werden, die für eindimensionale Weglängenmessungen bekannt sind. Bei einer Ausgestaltung können die Messstrahlen eine Folge von Pulsen mit einer Repetitionsrate umfassen. Die Auswerteeinrichtung kann eine sinusförmige Komponente der von den Detektoren erfassten Signale auswerten. Die sinusförmige Komponente kann eine Frequenz aufweisen, die der Repetitionsrate entspricht. Die sinusförmige Komponente kann eine Frequenz aufweisen, die einem ganzzahligen Vielfachen der Repetitionsrate entspricht. Aus einer Phasenlage der sinusförmigen Komponente relativ zu einer Referenzwelle mit derselben Frequenz kann die Auswerteeinrichtung die durchlaufene Weglänge ermitteln. Es kann ein optischer Frequenzkamm-Generator verwendet werden, um die Messstrahlen zu erzeugen. Andere Methoden zur Weglängenmessung können ebenfalls verwendet werden.
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Die Messeinheit kann einen Träger aufweisen, an dem die Stellen zum Aussenden der Messstrahlen definiert sind. Der Träger kann ein Material mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten, beispielsweise Zerodur, umfassen. Alternativ oder zusätzlich können Temperatursensoren vorgesehen sein, um beim Ermitteln der Position und Orientierung aus den sechs gemessenen Längen eine thermische Abstandsänderung zwischen den Stellen, an denen die Messstrahlen ausgesendet werden, zu kompensieren.
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Ein Messsystem nach einem Aspekt ist zum Ermitteln einer relativen Position und relativen Orientierung zwischen einer Messeinheit und einer Anordnung von mindestens drei optischen Elementen eingerichtet. Die wenigstens drei optischen Elemente sind in bekannten Abständen voneinander angeordnet Die Messeinheit ist als Messeinheit nach einem Aspekt oder Ausführungsbeispiel ausgebildet.
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Bei dem Messsystem kann die Messeinheit an einem beweglichen Objekt, dessen Position und Orientierung bestimmt werden soll, angebracht sein. Die Anordnung der optischen Elemente kann dann ortsfest vorgesehen sein und ein Bezugssystem definieren.
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Bei dem Messsystem kann auch die Anordnung der optischen Elemente an dem beweglichen Objekt, dessen Position und Orientierung bestimmt werden soll, angebracht sein. Dann kann die Messeinheit ortsfest vorgesehen sein und ein Bezugssystem definieren.
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Die optischen Elemente können als passive Elemente ausgebildet sein. Insbesondere kann jedes der optischen Elemente der Anordnung als Retroreflektor ausgebildet sein. In diesem Fall kann die Messeinheit auch Detektoren zum Erfassen der Messstrahlen nach Reflexion an den optischen Elementen umfassen.
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Die optischen Elemente können auch als Detektoren ausgebildet sein. In diesem Fall wird der Weg von der Messeinheit zum optischen Element nur einmal durchlaufen.
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Nach einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Ermitteln einer relativen Position und relativen Orientierung zwischen einer Messeinheit und einer Anordnung von mindestens drei optischen Elementen angegeben. Die mindestens drei optischen Elemente sind in bekannten Abständen voneinander angeordnet Bei dem Verfahren werden Messstrahlen an mindestens drei voneinander beabstandeten Stellen der Messeinheit ausgesendet, wobei die drei Stellen in bekannten Abständen voneinander angeordnet sind. Die Messstrahlen werden auf optische Elemente der Anordnung gelenkt. Dabei wird wenigstens einer der Messstrahlen zeitsequentiell auf mehrere optische Elemente der Anordnung gelenkt, um zeitsequentiell mehrere Längenmessvorgänge durchzuführen, wobei bei den mehreren Längenmessvorgängen jeder Messstrahl des wenigstens einen Messstrahls auf genau eines der optischen Elemente trifft. Insgesamt werden mindestens sechs Längen gemessen.
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Bei dem Verfahren wird eine eindeutige Zuordnung einer gemessenen Länge zu einem Paar von Aussende-Stelle und optischem Element für den Messstrahl erreicht. Da ein Messstrahl bei verschiedenen Längenmessvorgängen jeweils auf unterschiedliche optische Elemente gelenkt wird, kann unter Verwendung von drei Stellen, an denen die Messstrahlen ausgesendet werden, aufgrund der Verstellmöglichkeiten ausreichend Informationen für die Bestimmung der relativen Position und Orientierung gesammelt werden kann. Die Strahllenkeinrichtung bewirkt auch, dass keine breiten Strahlenfächern oder Strahlenkegeln verwendet werden müssen, wodurch Signal-Rausch-Verhältnisse bei der Erfassung von optischen Signalen erhöht werden können.
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Jeder der Messstrahlen kann so ausgesendet und gelenkt werden, dass er bei den Längenmessvorgängen maximal auf ein optisches Element trifft.
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Bei dem Verfahren können zum Durchführen der mehreren Längenmessvorgänge mehrere Messstrahlen zeitsequentiell über mehrere optische Elemente der Anordnung gerastert werden.
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Bei dem Verfahren können bei wenigstens einem der Längenmessvorgänge die mehreren Messstrahlen gleichzeitig ausgesendet werden.
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Bei dem Verfahren können zum Durchführen der mehreren Längenmessvorgänge drei Messstrahlen über mehrere optische Elemente gerastert werden, um jeweils simultan drei Längen zu messen. Es können in einem ersten Längenmessvorgang simultan drei Messstrahlen auf drei optische Elemente gelenkt werden, und in einem zweiten Längenmessvorgang können die drei Messstrahlen simultan derart auf die drei optischen Elemente gelenkt werden, dass jeder der Messstrahlen in dem zweiten Längenmessvorgang auf ein anderes optisches Element trifft als im ersten Längenmessvorgang.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die optischen Elemente, auf die die Messstrahlen gelenkt werden, abhängig von einer Abschätzung der relativen Position und Orientierung zwischen der Messeinheit und der Anordnung von optischen Elementen gewählt.
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Die Messeinheiten, Messsysteme und Verfahren nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung können allgemein zum Ermitteln der Position und Orientierung eines Objekts relativ zu einem Bezugssystem eingesetzt werden. Ein beispielhaftes Anwendungsfeld sind Messanwendungen in der quantitativen Qualitätskontrolle, insbesondere in der industriellen Produktion. Jedoch sind die Ausführungsbeispiele der Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
- 1 ist eine schematische Darstellung eines Messsystems nach einem Ausführungsbeispiel.
- 2 ist eine schematische Darstellung einer Sende-Empfangs-Einheit einer Messeinheit nach einem Ausführungsbeispiel.
- 3 zeigt schematische Darstellungen eines Messsystems nach einem Ausführungsbeispiel bei zwei Längenmessvorgängen.
- 4 zeigt eine schematische Darstellungen des Messsystems von 3 bei einem weiteren Längenmessvorgang.
- 5 ist eine schematische Darstellung optischer Komponenten einer Sende-Einheit einer Messeinheit nach einem Ausführungsbeispiel.
- 6 ist eine schematische Darstellung einer Sende-Empfangs-Einheit einer Messeinheit nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern dies in der nachfolgenden Beschreibung nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird. Auch wenn einzelne Ausführungsbeispiele im Hinblick auf spezifische Anwendungen, beispielsweise im Kontext einer industriellen Anlage, beschrieben werden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Messsystems nach einem Ausführungsbeispiel. Das Messsystem ist so eingerichtet, dass eine relative Position und relative Orientierung zwischen einer Messeinheit 1 mit einem Messkopf 2 und einer Anordnung 20 von optischen Elemente zu ermitteln. Die Messeinheit 1 ist so eingerichtet, dass sie sechs linear unabhängige Längen zwischen vorgegebenen Stellen an dem Messkopf 2 und optischen Elementen der Anordnung 20 ermitteln kann.
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An dem Messkopf 2 der Messeinheit 1 sind drei Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 vorgesehen. Jede der Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 umfasst eine Austrittsöffnung zum Aussenden eines Messstrahls. Die drei Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 sind so angeordnet, dass die Abstände zwischen den Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 mit hoher Genauigkeit bekannt sind. Ein Abstand zwischen der ersten Sende-Empfangs-Einheit 3 und der zweiten Sende-Empfangs-Einheit 4 ist bei 26 schematisch dargestellt. Die Abstände zwischen den Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 müssen nicht alle gleich sein. Die Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 sind so an dem Messkopf 2 vorgesehen, dass sie nicht alle auf einer Geraden liegen. Die Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 können an den Ecken eines Dreiecks, beispielsweise eines gleichseitigen Dreiecks, vorgesehen sein. Die nicht auf einer Geraden angeordneten Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 definieren eine Ebene und können zur Definition eines Koordinatensystems des Messkopfes 2 verwendet werden. Beispielsweise kann die x-Achse des Messkopf-Koordinatensystems als Achse von der Strahlaustrittsposition der ersten Sende-Empfangs-Einheit 3 zu der Strahlaustrittsposition der ersten Sende-Empfangs-Einheit 4 definiert sein. Die y-Achse des Messkopf-Koordinatensystems kann als eine in der durch die drei Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 definierten Ebene liegende Richtung definiert werden, die orthogonal zu dem Vektor von der Strahlaustrittsposition der ersten Sende-Empfangs-Einheit 3 zu der Strahlaustrittsposition der zweiten Sende-Empfangs-Einheit 4 ist. Die z-Achse des Messkopf-Koordinatensystems kann als zu der durch die drei Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 definierte Ebene senkrechte Achse so definiert werden, dass ein Rechtssystem gebildet wird. Beispielsweise kann die z-Achse als Achse definiert werden, die parallel zum Kreuzprodukt des Vektors von der Strahlaustrittsposition der ersten Sende-Empfangs-Einheit 3 zu der Strahlaustrittsposition der zweiten Sende-Empfangs-Einheit 4 und des Vektors von der Strahlaustrittsposition der ersten Sende-Empfangs-Einheit 3 zu der Strahlaustrittsposition der dritten Sende-Empfangs-Einheit 5 ist. Der Nullpunkt des Koordinatensystems kann beispielsweise an der Strahlaustrittsposition der ersten Sende-Empfangs-Einheit 3 gewählt werden. Andere Definitionen des Messkopf-Koordinatensystems sind ebenso möglich.
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Die Anordnung 20 von optischen Elementen ist bei dem Messsystem nach dem Ausführungsbeispiel von 1 ortsfest vorgesehen. Die Anordnung umfasst wenigstens drei optische Elemente 21-23. Die wenigstens drei optischen Elemente 21-23 sind so angeordnet, dass sie nicht alle auf einer Geraden liegen. Beispielsweise können die optischen Elemente 21-23 an Ecken eines Dreiecks, beispielsweise eines gleichseitigen Dreiecks, angeordnet sein. Die drei optischen Elemente 21-23 definieren ein Bezugssystem. Koordinatenachsen des Bezugssystems können beispielsweise analog zu den Koordinatenachsen des Messkopf-Koordinatensystems abhängig von den Richtungsvektoren zwischen spezifischen Punkten der optischen Elemente 21-23 definiert werden. Das Bezugssystem kann auch als Laborsystem definiert sein, in dem die Elemente 21-23 ortsfest angeordnet sind. Abstände 24 zwischen charakteristischen Punkten der optischen Elemente 21-23 bzw. die Lagen der Elemente 21-23 im Laborsystem sind bekannt und können bei der Ermittlung der relativen Lage und Orientierung zwischen der Messeinheit 1 mit dem Messkopf 2 und der Anordnung 20 von optischen Elementen verwendet werden. Die optischen Elemente können als passive Elemente, insbesondere als reflektierende Elemente ausgebildet sein. Insbesondere kann jedes der optischen Elemente ein Retroreflektor, beispielsweise eine Retroreflektorkugel oder ein Tripelprisma sein. Während in 1 beispielhaft eine Anordnung mit drei optischen Elemente vorgesehen ist, können auch mehr optische Elemente vorgesehen sein.
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Die Arbeitsweise des Messsystems ist allgemein so, dass insgesamt sechs linear unabhängige Längen zwischen Sende-Empfangs-Einheiten und optischen Elementen gemessen werden. Die Messeinheit 1 verwendet dazu Messstrahlen, die von den Sende-Empfangs-Einheiten an den Stellen 3-5 ausgesendet werden. Zwei Messstrahlen 16, 17 sind beispielhaft dargestellt. Die Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 der Messeinheit 1 sind so ausgebildet, dass ein nicht oder nur schwach divergenter Messstrahl ausgegeben wird. Insbesondere können die Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 die Messstrahlen so aussenden, dass jeder der Messstrahlen maximal auf eines der optischen Elemente fällt. Der Öffnungswinkel der Messstrahlen kann so gewählt sein, dass bei Auftreffen auf die Anordnung 20 von optischen Elementen 21-23 maximal ein optisches Element 21-23 im Strahlquerschnitt angeordnet ist.
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Wie noch näher beschrieben werden wird, weisen die Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 eine Einrichtung zum Lenken der Messstrahlen auf. Diese ist so eingerichtet, dass die Messstrahlen 16, 17 gezielt auf jeweils eines der optischen Elemente 21-23 gelenkt werden können. Insbesondere kann wenigstens einer der Messstrahlen so gelenkt werden, dass er zeitsequentiell auf verschiedene optische Elemente 21-23 der Anordnung trifft Durch das Rastern eines oder mehrerer Messstrahlen kann eine ausreichende Zahl von linear unabhängigen Längen gemessen werden. Bei einer Ausgestaltung ist jede der Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 so eingerichtet, dass der von ihr ausgesendete Messstrahl gezielt über verschiedene optische Elemente 21-23 der Anordnung 20 gerastert werden kann.
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Die Verwendung der mehreren Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 erlaubt, dass simultan mehrere Längen gemessen werden. So kann in einem ersten Längenmessvorgang ein erster Satz von drei Längen gemessen werden, indem die von den drei Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 ausgesendeten Strahlen auf optische Elemente der Anordnung 20 gerichtet sind. Bei einem darauf folgenden zweiten Längenmessvorgang kann simultan ein zweiter Satz von drei Längen gemessen werden, wobei die von den drei Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 ausgesendeten Strahlen wiederum auf optische Elemente der Anordnung 20 gerichtet sind. Dabei lenken die Sende-Empfangs-Einheiten die von ihnen ausgesendeten Messstrahlen so, dass wenigstens einer der Messstrahlen, vorteilhaft alle Messstrahlen, bei dem zweiten Längenmessvorgang jeweils auf ein anderes optisches Element der Anordnung 20 gerichtet sind als bei dem ersten Längenmessvorgang. Bei jedem der Längenmessvorgänge können die Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 so gesteuert werden, dass auf jedes optische Element der Anordnung 20 maximal ein Messstrahl gelenkt wird, um Verfälschungen zu verringern.
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Aus den sechs gemessenen Längen wird die Position und Lage des Messkopfes 2 der Messeinheit 1 relativ zu der Anordnung 20 von optischen Elementen ermittelt. Die relative Position kann beispielsweise durch die drei kartesischen Koordinaten des Nullpunkts des Messkopf-Koordinatensystems in dem Bezugssystem, in dem die Anordnung 20 vorgesehen ist, definiert sein. Die relative Orientierung kann durch die drei Euler-Winkel definiert sein, die eine Drehung des Messkopf-Koordinatensystems relativ zu dem Bezugssystem angeben.
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Der Messkopf 20 kann beispielsweise an einer Komponente 10 einer Maschine oder Anlage angebracht sein. Schematisch dargestellt ist die Verwendung des Messkopfes an einer Koordinatenmessmaschine. Die Koordinatenmessmaschine kann einen mechanischen oder optischen Taster 11 aufweisen, mit dem eine Oberfläche abgetastet werden kann. Die Position und Orientierung des Messkopfes 2 und somit des Tasters 11 kann durch eine translatorische Bewegung 12 oder rotatorische Bewegung 13 relativ zu dem Bezugssystem der Anordnung 20 verstellt werden. Durch Durchführung von Längenmessvorgängen, mit denen sechs linear unabhängige Längen gemessen werden, bei im Wesentlichen unveränderter Lage des Messkopfes 2 im Bezugssystem kann die relative Position und relative Orientierung ermittelt werden.
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Bei dem Messsystem 1 ist eine Lichtquelle 6 vorgesehen. Die Lichtquelle 6 kann optische Signale mit einer Wellenlänge im IR, sichtbaren oder UV Teil des elektromagnetischen Spektrums erzeugen. Die von der Lichtquelle 6 erzeugten Signale werden an die Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 bereitgestellt, die die optischen Signale in einer noch näher beschriebenen Weise aussenden. Die Lichtquelle 6 kann in den Messkopf 2 integriert sein. Bei Verwendung einer Lichtquelle mit hoher Ausgangsleistung, insbesondere eines Lasers, ist die Lichtquelle jedoch vorteilhaft separat von dem Messkopf 2 vorgesehen. Eine optische Faser 14 oder mehrere optische Fasern 14 kann bzw. können vorgesehen sein, um die von der Lichtquelle 6 erzeugten optischen Signale zu dem Messkopf 2 zu leiten.
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Bei dem Messsystem 1 ist eine elektronische Recheneinrichtung 7 vorgesehen. Die elektronische Recheneinrichtung 7 weist eine Steuereinrichtung 8 auf, die die Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 so steuert, dass die ausgesendeten Messstrahlen zeitsequentiell über mehrere optische Elemente der Anordnung 20 gerastert werden. Das Steuern der Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 kann abhängig von einer Abschätzung der relativen Position und Orientierung des Messkopfes 2 zu der Anordnung 20 von optischen Elementen 21-23 erfolgen. Falls der Messkopf 2 an der Komponente 10 einer Maschine oder Anlage, beispielsweise an einem Roboter vorgesehen ist, kann eine derartige Abschätzung aus einem Sollwert für die Position der Komponente 10 gewonnen werden. Der Sollwert kann durch eine Steuerung 18 der Maschine oder Anlage bereitgestellt werden.
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Um die Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 so zu steuern, dass wenigstens einer der ausgesendeten Messstrahlen gezielt in seiner Richtung derart verstellt werden kann, so dass er zunächst auf eines der optischen Elemente und in einem weiteren Längenmessvorgang gezielt auf ein weiteres der optischen Elemente gelenkt wird, kann die Steuereinrichtung 8 auch Informationen über die Positionen der optischen Elemente 21-23 der Anordnung 20 verwenden, die in einem Speicher 19 abgelegt sind. Falls thermische Effekte nicht vernachlässigbar sind, kann für eine hochgenaue Bestimmung der relativen Position und Orientierung die Steuereinrichtung 8 durch thermische Expansion oder Kontraktion hervorgerufene Positionsänderungen der optischen Elemente 21-23 der Anordnung 20 wenigstens teilweise kompensieren. Dazu kann die Steuereinrichtung 8 ein von einem Temperatursensor 25 bereitgestelltes Temperatursignal und Informationen über einen thermischen Expansionskoeffizienten eines Trägers der optischen Elemente 21-23 auswerten, um die für die gemessene Temperatur geltenden Positionen der optischen Elemente der Anordnung 20 zu bestimmen. Die temperaturkorrigierten Positionen können zum Generieren von Steuersignalen für die Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 verwendet werden. Die Steuersignale können als elektrische Signale über geeignete Kommunikationswege, beispielsweise Leitungen 15, an die Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 bereitgestellt werden.
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Die Recheneinrichtung 7 weist auch eine Auswerteeinrichtung 9 auf, die abhängig von den sechs linear unabhängigen Längen, die zwischen Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 und optischen Elementen der Anordnung 20 gemessen wurden, die Position und Orientierung des Messkopfes 2 relativ zu einem Bezugssystem zu ermitteln. Die Auswerteeinrichtung 8 empfängt von den Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 Signale, aus denen die sechs gemessenen Längen ermittelbar sind. Im allgemeinen Fall werden von der Auswerteeinrichtung zum Ermitteln der relativen Position und Orientierung insgesamt sechs Werte bestimmt, die die relative Position (drei Koordinaten) und relative Orientierung (drei Euler-Winkel) angeben. Je nach Anwendung kann die Ermittlung einer geringeren Anzahl von Werten ausreichen, um die relative Position und relative Orientierung zu definieren. Die Auswertung erfolgt dabei unter Verwendung der bekannten Positionen der optischen Elemente der Anordnung 20 in einem Bezugssystem und der relativen Lagen der Austrittsstellen der Messstrahlen der Sende-Empfangs-Einheiten 3-5.
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Die Auswerteeinrichtung
9 kann verschiedene rechnerische Methoden anwenden, um aus den sechs Längen die relative Lage und Orientierung zwischen dem Messkopf
2 und dem Bezugssystem zu ermitteln. Beispielsweise können die in der
US 7,358,516 B2 eingesetzten Methoden verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Optimierungsverfahren, beispielsweise ein iteratives Optimierungsverfahren eingesetzt werden, bei dem der durch die verschiedenen relativen Positionen und verschiedenen relativen Orientierungen aufgespannte Parameterraum ausgetestet wird, um die Werte für die relative Lage und relative Orientierung zu ermitteln.
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Zum Auswerten kann die Auswerteeinrichtung 9 Informationen über die Positionen der optischen Elemente der Anordnung 20 verwenden, die in einem Speicher 19 abgelegt sind. Die Auswertung durch die Auswerteeinrichtung 9 kann weiterhin unter Verwendung einer Abschätzung der relativen Lage und Orientierung erfolgen, die beispielsweise von der Steuerung 18 bereitgestellt wird. Falls thermische Effekte nicht vernachlässigbar sind, kann für eine hochgenaue Bestimmung der relativen Position und Orientierung die Auswerteeinrichtung 9 durch thermische Expansion oder Kontraktion hervorgerufene Positionsänderungen der optischen Elemente der Anordnung 20 wenigstens teilweise kompensieren, wie dies für die Funktion der Steuereinrichtung 8 beschrieben wurde. Zusätzlich oder alternativ kann die Auswerteeinrichtung auch optische Weglängenunterschiede innerhalb der Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 kompensieren, die für unterschiedliche Ablenkwinkel der Messstrahlen bestehen.
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Die Auswerteeinrichtung
9 kann auch Funktionen übernehmen, mit denen aus von der Sende-Empfangs-Einheit
3-5 bereitgestellten Signalen die sechs Längen ermittelt werden. Abhängig von der zur optischen Weglängenmessung verwendeten Technik kann die Auswerteeinrichtung
9 dabei unterschiedliche ausgestaltet sein. Bei einer Ausgestaltung erzeugt die Lichtquelle
6 optische Pulse mit einer Repetitionsrate f0. Die Lichtquelle
6 kann beispielsweise so ausgestaltet sein, dass sie einen optischen Frequenzkamm erzeugt. Die Pulse können Rechtseckspulse der Intensität sein. Die Sende-Empfangs-Einheiten
3-5 können jeweils die Intensität der Messstrahlen als Funktion der Zeit nach Durchlaufen des Wegs von den Sende-Empfangs-Einheiten
3-5 zu einem der optischen Elemente und zurück zur der entsprechenden Sende-Empfangs-Einheit
3-5 erfassen. Abhängig von der erfassten Intensität als Funktion der Zeit nach Durchlaufen des Wegs zwischen Sende-Empfangs-Einheit und optischem Element kann die optische Weglänge ermittelt werden. Zum Ermitteln der optischen Weglänge kann bei einer Ausgestaltung die erfasste Intensität einer Filterung unterzogen werden, so dass eine sinusförmige Komponente der erfassten Intensität bestimmt wird. Die Frequenz dieser Komponente kann gleich der Repetitionsrate f0 sein. Vorteilhaft kann eine sinusförmige Komponente der erfassten Intensität bestimmt werden, deren Frequenz einem ganzzahligen Vielfachen der Repetitionsrate f0 entspricht. Abhängig von einer Phasendifferenz zwischen der sinusförmigen Komponente der erfassten Intensität und einem mit derselben Frequenz oszillierenden Referenzsignal kann die Laufzeit und somit die optische Weglänge des Messstrahls ermittelt werden. Das Referenzsignal kann durch Filterung der von der Lichtquelle
6 an die Sende-Empfangs-Einheiten
3-5 bereitgestellten Folge von Pulsen
14 ermittelt werden. Verschiedene zusätzliche Merkmale können für eine stabile und genaue Weglängenmessung eingesetzt werden. Beispiele für derartige Merkmale beinhalten das Abwärtsmischen der sinusförmigen Komponente der erfassten Intensität. Beispiele für derartige Merkmale, die bei dem Messsystem dieser Anmeldung eingesetzt werden können, sind in der
DE 10 2008 045 386 A1 näher beschrieben.
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Die Darstellung der Recheneinrichtung 7 in 1 ist rein schematisch. Beispielsweise können die Steuereinrichtung 8 und Auswerteeinrichtung 9 Komponenten der elektronischen Recheneinrichtung 7 gemeinsam nutzen. Die Recheneinrichtung 7 kann einen Prozessor umfassen, der sowohl Operationen zum Steuern der Sende-Empfangs-Einheiten als auch Operationen zum Ermitteln der relativen Position und relativen Orientierung aus den gemessenen Längen durchführt. Elektrische oder elektronische Komponenten, die Steuerfunktionen durchführen, und/oder elektrische oder elektronische Komponenten, die Auswertefunktionen durchführen, können auch in den Messkopf 2 integriert sein. Beispielsweise können Detektoren und Filter an dem Messkopf vorgesehen sein, um das optische Signal in ein elektrisches Signal, beispielsweise ein hochfrequentes elektrisches Signal umzusetzen. Weiterhin können elektrische Mischer vorhanden sein, um das hochfrequente Signal in ein Signal mit einer niedrigeren Frequenz umzusetzen, welches dann über Leitungen 15 zu der Auswerteeinheit 9 geführt wird.
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Bei dem Messsystem kann eine größere Anzahl von optischen Elementen vorgesehen sein. Beispielsweise kann an einer oder mehreren Begrenzungswänden einer industriellen Anlage eine Anordnung von mehr als drei optischen Elementen vorgesehen sein. Die Auswahl der optischen Elemente, auf die für die Messung einer Länge einer der Messstrahlen gelenkt werden soll, kann dann von der Steuereinrichtung 8 automatisch abhängig nach vorgegebenen Kriterien erfolgen. Die Steuereinrichtung 8 kann die optischen Elemente so auswählen, dass Abschattungen vermieden werden. Die Steuereinrichtung 8 kann die optischen Elemente so auswählen, dass eine hohe Genauigkeit der ermittelten relativen Position und Orientierung gewährleistet ist. Dazu erfolgt die Auswahl derart, dass der Raumwinkel, der von den Vektoren zwischen den Strahlaustrittsstellen der Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 und den jeweils angepeilten optischen Elementen 21-23 aufgespannt wird, größer als ein Schwellenwert ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung 8 die optischen Elemente so auswählen, dass das Signal-Rausch-Verhältnis erhöht wird. Dazu erfolgt die Auswahl derart, dass nahe optische Elemente gegenüber weiter entfernten bevorzugt werden. Die intelligente Auswahl erfolgt abhängig von einer Abschätzung der relativen Position und relativen Orientierung.
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Die Ermittlung der typischerweise sechs Werte, die die relative Position und relative Orientierung angeben, erfolgt nicht nur abhängig von den gemessenen Längen, sondern auch abhängig von den bekannten Lagen der Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 am Messkopf 2 relativ zueinander und abhängig von den bekannten Lagen der optischen Elemente 21-23 relativ zueinander erfolgen. Um Stabilität gegenüber Temperaturänderungen zu erreichen, können die Einheiten 3-5 und/oder die optischen Elemente 21-23 jeweils an einem Träger mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 3·10-6 µm/(m·K), insbesondere von weniger als 1·10-6 µm/(m·K), insbesondere von weniger als 0,1·10-6 µm/(m·K) vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein Temperatursensor zum Messen einer Temperatur am Träger der Einheiten 3-5 und/oder am Träger der optischen Elemente 21-23 vorgesehen sein, wobei Abstandsänderungen durch Temperaturschwankungen rechnerisch kompensiert werden können. Häufig wird ein charakteristischer Abstand zwischen den Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 deutlich von einem charakteristischen Abstand zwischen den optischen Elementen 21-23 verschieden sein. Für ein Messsystem, bei dem der Messkopf mit den Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 beweglich ist und die optischen Elemente 21-23 der Anordnung 20 ortsfest sind, können die Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 an einem Träger mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, beispielsweise aus Zerodur, angebracht sein, und temperaturinduzierte Abstandänderungen zwischen den optischen Elementen 21-23 können rechnerisch kompensiert werden.
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2 ist eine schematische Darstellung einer Sende-Empfangs-Einheit 30. Mehrere derartiger Sende-Empfangs-Einheiten können als Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 an der Messeinheit 1 vorgesehen sein. Insbesondere kann die Messeinheit drei oder mehr als drei derartige Einheiten umfassen. Die Sende-Empfangs-Einheit 30 ist als Modul ausgestaltet, so dass die Sende-Empfangs-Einheit 30 gefertigt und anschließend an einem Messkopf eingebaut werden kann.
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Die Sende-Empfangs-Einheit 30 umfasst eine Aufnahme 31, in die ein Ende einer optischen Faser 14 eingeführt werden kann. Aus dem Ende der optischen Faser 14 austretendes Licht wird über eine Kollimationsoptik 32 und einen Strahlteiler 33 zu einer steuerbaren Umlenkeinrichtung 34 geführt. Die Kollimationsoptik 32 ist so ausgebildet, dass der von der Sende-Empfangs-Einheit 30 ausgesendete Messstrahl einen Öffnungswinkel derart aufweist, dass bei einem Längenmessvorgang maximal ein optisches Element in dem Messstrahl angeordnet ist. Die steuerbare Umlenkeinrichtung 34 kann als mikroelektromechanische Einrichtung, insbesondere als MEMS-Spiegel, ausgebildet sein.
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Die Umlenkeinrichtung 34 kann so ausgebildet sein, dass sie zwei Freiheitsgrade aufweist, so dass sie den Messstrahl nicht nur entlang einer Linie, sondern entlang zweier unabhängiger Richtungen ablenken kann. Dazu kann ein MEMS-Spiegel so gelagert sein, dass er um zwei verschiedene Achsen verkippt werden kann. Die Lagerung kann derart sein, dass beide Kippachsen einen Schnittpunkt besitzen, um die aus der Verkippung resultierenden Laufzeitunterschiede an dem MEMS-Spiegel gering zu halten. Alternativ kann ein Paar von MEMS-Spiegel vorgesehen sein. Die Umlenkeinrichtung 34 empfängt ein Steuersignal 43 über eine elektrische Schnittstelle der Einheit 30. Abhängig von dem Steuersignal 43 wird die Position der Umlenkeinrichtung 34 eingestellt, so dass der Messstrahl auf eines der optischen Elemente der Anordnung gelenkt wird. Das Steuersignal 43 kann zwischen einem ersten und zweiten Längenmessvorgang so geändert werden, dass der Messstrahl gezielt von einer Richtung, in der er auf ein erstes optisches Element gelenkt wird, zu einer anderen Richtung verstellt wird, in der er auf ein von dem ersten verschiedenes zweites optisches Element gelenkt wird.
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Von der steuerbaren Umlenkeinrichtung 34 aus verläuft der Messstrahl über eine Winkelaufweitungsoptik 35 zu einer Austrittsöffnung 36 der Einrichtung 30. Mit der Winkelaufweitungsoptik 35 können etwaige Beschränkungen des Stellbereichs der Umlenkeinrichtung 34 so kompensiert werden, dass der Messstrahl in einem größeren Winkelbereich verstellt werden kann. An der Austrittsöffnung 36 tritt der Messstrahl 41 in einer Richtung aus, die durch die Umlenkeinrichtung 34 gesteuert wird. Wie erwähnt kann die Umlenkeinrichtung 34 so eingerichtet sein, dass der Messstrahl 41 nicht nur entlang einer Linie, sondern in zwei unabhängigen Richtungen verstellt werden kann. Anders ausgedrückt kann mit der Umlenkeinrichtung 34 nicht nur der in 2 dargestellte azimuthale Winkel 42 relativ zu der Mittelachse der Winkelaufweitungsoptik, sondern auch der polare Winkel verändert werden. Dadurch kann ein zuverlässiges Rastern über verschiedene optische Elemente der Anordnung sichergestellt werden, ohne dass die Position der Messkopfes, an dem die Einrichtung 30 im Gebrauch angebracht ist, geändert werden muss.
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Ein an dem optischen Element retroreflektierter Messstrahl wird über die Winkelaufweitungsoptik 35, die steuerbare Umlenkeinrichtung 34 und den Strahlteiler 33 zu einem Detektor 38 geführt. Der Detektor 38 kann ein Fotodetektor sein und die Intensität des reflektierten Messstrahls als Funktion der Zeit erfassen. Signalverarbeitungskomponenten 39 zur Weiterverarbeitung des Ausgangssignals des Sensors 38 können in der Einheit 30 vorgesehen sein. Die Signalverarbeitungskomponenten 39 können beispielsweise einen Verstärker und/oder ein Filter und/oder einen elektrischen Mischer umfassen. Beispielsweise kann ein Bandpassfilter vorgesehen sein, das eine oszillierende Komponente, insbesondere eine sinusförmige Komponente, des Ausgangssignals des Fotodetektors 38 mit einer ersten Frequenz erzeugt. Es kann ein Mischer vorgesehen sein, dem die mit der ersten Frequenz oszillierende Komponente zugeführt wird, und der durch Abwärtsmischen eine mit einer zweiten Frequenz oszillierende Komponente erzeugt, deren Frequenz kleiner als die erste Frequenz ist. Auf diese Weise können Laufzeiten und somit optische Weglängen aus Phasenlagen der oszillierenden Komponenten mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Falls zur Längenmessung eine Folge von Pulsen mit einer Repetitionsrate verwendet wird, können die Signalverarbeitungskomponenten ein Bandpassfilter umfassen, dessen Durchlassbereich die Repetitionsrate oder ein Vielfaches der Repetitionsrate umfasst und dessen Bandbreite kleiner als die Repetitionsrate ist. Ein Ausgangssignal des Fotodetektors 38 kann, nach optionaler Weiterverarbeitung durch die Signalverarbeitungskomponenten 39, als Signal 44 über eine Schnittstelle der Einheit 30 ausgegeben werden.
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Die Einheit 30 kann optional eine Einrichtung umfassen, mit der in einem Regelkreis die Stellung der steuerbaren Umlenkeinrichtung 34 beeinflusst wird. Dazu kann beispielsweise ein Teil des reflektierten Messstrahls über einen Strahlteiler 37 auf einen weiteren Detektor 40 geleitet werden. Der Detektor 40 kann beispielsweise durch einen oder mehrere Fotodetektoren, eine 4-Quadranten-Diode oder ein anderes fotoelektrisches Bauteil ausgebildet sein. Der Detektor 40 kann eingerichtet sein, um zu ermitteln, ob der Messstrahl an einem zentralen Abschnitt oder einem Randabschnitt eines Retroreflektors reflektiert wurde. Dazu kann beispielsweise die erfasste Intensität und/oder eine erfasste Positionsabweichung an dem Detektor 40 ausgewertet werden. Abhängig davon kann die steuerbare Umlenkeinrichtung 34 mit einem Steuersignal 45 so gesteuert werden, dass die von dem Detektor 40 erfasste Intensität erhöht und/oder eine erfasste Positionsabweichung des reflektierten Messstrahls verringert wird. Die Regelung der Umlenkeinrichtung 34 kann zu mehreren Zwecken eingesetzt werden. Beispielsweise kann bei einem Längenmessvorgang die Stellung der Umlenkeinrichtung 34 so geregelt werden, dass der Messstrahl auf einen zentralen Abschnitt eines reflektierenden optischen Elements trifft und/oder eine erfasste Intensität des reflektierten Messstrahls maximiert wird. Alternativ oder zusätzlich kann während einer Bewegung des Messkopfes, an dem die Einrichtung 30 im Gebrauch angebracht ist, die Stellung der Umlenkeinrichtung 34 so geregelt werden, dass der Messstrahl 41 auch während der Bewegung auf eines der optischen Elemente gerichtet bleibt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass bei einer erneuten Bestimmung der relativen Position und Orientierung der Messstrahl bereits auf eines der optischen Elemente gerichtet ist.
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Weitere Ausgestaltungen der Einheit 30 sind möglich. Falls die Einheit beispielsweise nur als Sendeeinheit ausgebildet sein soll, können der Fotodetektor 38 und die zugehörigen Signalverarbeitungskomponenten 39 weggelassen werden. In diesem Fall können beispielsweise die optischen Elemente als Fotodetektoren ausgebildet sein. Alternativ kann für jede Sendeeinheit ein Fotodetektor separat von der Einheit 30 an einem Messkopf vorgesehen sein.
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6 ist eine schematische Darstellung einer Sende-Empfangs-Einheit 90. Mehrere derartiger Sende-Empfangs-Einheiten können als Sende-Empfangs-Einheiten 3-5 an der Messeinheit 1 vorgesehen sein. Insbesondere kann die Messeinheit drei derartige Einheiten oder mehr als drei derartige Einheiten umfassen. Die Sende-Empfangs-Einheit 90 ist als Modul ausgestaltet, so dass die Sende-Empfangs-Einheit 90 gefertigt und anschließend an einem Messkopf eingebaut werden kann. Komponenten oder Elemente, die in ihrer Funktion oder Ausgestaltung Komponenten oder Elemente der Einheit 30 von 2 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Bei der Sende-Empfangs-Einheit 90 wird ein über die optische Faser 14 zugeführter Messstrahl kontrolliert auf ein optisches Element gelenkt. Der zurücklaufende Messstrahl wird über die Kollimationsoptik 32 zurück in die Faser 14 geleitet. Die Faser 14 ist mit einem faseroptischen Zirkulator 91 oder einem anderen Koppler versehen. Dadurch kann der zurücklaufende Messstrahl in die Faser 14 eingekoppelt werden, um über den Zirkulator 91 oder einen andere Koppler zu einem Detektor 38 geführt zu werden. Bei der faseroptischen Ankopplung des Detektors, wie sie für die Einheit 90 dargestellt ist, kann die Faser die Funktion einer Apertur übernehmen.
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Signalverarbeitungskomponenten 39 zur Weiterverarbeitung des Ausgangssignals des Sensors 38 können in der Einheit 30 vorgesehen sein. Die Signalverarbeitungskomponenten 39 können wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ausgestaltet sein.
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Die Einheit 90 kann optional eine Einrichtung umfassen, mit der in einem Regelkreis die Stellung der steuerbaren Umlenkeinrichtung 34 beeinflusst wird, wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurde.
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Bei noch weiteren Ausführungsformen kann der Detektor räumlich separat von der Messeinheit ausgebildet sein. Der Detektor kann beispielsweise in der Auswerteeinrichtung vorgesehen sein. Elektrische Komponenten zur Auswertung der rücklaufenden Messstrahlen können ebenfalls separat von dem Messkopf vorgesehen sein. Diese Signalverarbeitungskomponenten können beispielsweise ebenfalls in die Auswerteeinrichtung integriert sein. Auch bei Ausgestaltungen mit vom Messkopf separatem Detektor können die Messstrahlen weiterhin an der Messeinheit erfasst und dort in eine optische Faser eingekoppelt werden, die den rücklaufenden Messstrahl dem Detektor zuführt. In der optischen Faser kann ein Zirkulator oder ein anderes Element zum Trennen von auszusendenden und empfangenen optischen Signalen vorgesehen sein, wobei die empfangenen Signale zu dem Detektor geleitet werden.
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Unter Bezugnahme auf 3 und 4 wird näher beschrieben, wie mit einer Messeinheit nach einem Ausführungsbeispiel die relative Position und Orientierung zwischen der Messeinheit und einem durch eine Anordnung optischer Elemente definierten Bezugssystem ermittelt werden kann. Die Messeinheit und optischen Elemente können wie unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben ausgestaltet sein. Bei weiteren Ausführungsformen kann die Messeinheit eine Mehrzahl von beabstandet und in bekannten Abständen zueinander angeordneten Sende-Einheiten zum Aussenden von Messstrahlen umfassen. Die optischen Elemente der Anordnung können jeweils als Fotodetektoren ausgebildet sein, so dass der Weg zwischen der Sende-Einheit und dem optischen Element jeweils nur einmal durchlaufen wird.
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Eine Messeinheit 50 ist so ausgestaltet, dass an drei verschiedenen Stellen 51-53 drei Messstrahlen 61-63 ausgesendet werden. Die drei Messstrahlen 61-63 werden von der Messeinheit gezielt auf optische Elemente 54-56 einer Anordnung von optischen Elementen gelenkt. Die drei Stellen 51-53 sind in bekannten Abständen derart angeordnet, dass sie nicht alle auf einer Geraden liegen. Die Stellen 51-53 der Messeinheit 50 definieren ein Koordinatensystem 64 der Messeinheit 50. Optische Elemente 54-56 der Anordnung von optischen Elementen sind in bekannten Abständen derart angeordnet, dass sie nicht alle auf einer Geraden liegen. Die optischen Elemente 54-56 definieren ein Koordinatensystem 65 der Messeinheit.
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3 zeigt schematisch die Messung von sechs Längen in zwei Längenmessvorgängen, die zeitsequentiell durchgeführt werden. Die Konfiguration der Messstrahlen bei einem ersten Längenmessvorgang ist bei 46 dargestellt Die Konfiguration der Messstrahlen bei einem zweiten Längenmessvorgang ist bei 47 dargestellt.
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Bei dem ersten Längenmessvorgang wird der von der ersten Stelle 51 ausgesendete erste Messstrahl 61 auf das erste optische Element 54 gelenkt. Der von der zweiten Stelle 52 ausgesendete zweite Messstrahl 62 wird auf das zweite optische Element 55 gelenkt. Der von der dritten Stelle 53 ausgesendete dritte Messstrahl 63 wird auf das dritte optische Element 56 gelenkt. Auf diese Weise können drei linear unabhängige Längen gemessen werden, aus denen der Abstand zwischen der ersten Stelle 51 und dem ersten optischen Element 54, der Abstand zwischen der zweiten Stelle 52 und dem zweiten optischen Element 55 und der Abstand zwischen der dritten Stelle 53 und dem dritten optischen Element 56 ermittelbar sind. Diese Längen können zeitlich simultan in dem ersten Längenmessvorgang gemessen werden.
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Bei dem zweiten Längenmessvorgang werden alle Messstrahlen 61-63 so gelenkt, dass sie jeweils auf ein optisches Element treffen, das von dem optischen Element verschieden ist, auf das der entsprechende Messstrahl im ersten Längenmessvorgang gelenkt wurde. Die Änderung der Konfiguration der Strahllenkeinrichtung, die dazu führt, dass bei dem zweiten Längenmessvorgang die Messstrahlen 61-63 jeweils auf andere optische Elemente als im ersten Längenmessvorgang gerichtet sind, kann abhängig von einer Abschätzung der relativen Position und Orientierung der Messeinheit 50 relativ zu der Anordnung der optischen Elemente 54-56 erfolgen.
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Bei dem zweiten Längenmessvorgang wird der von der ersten Stelle 51 ausgesendete erste Messstrahl 61 auf das zweite optische Element 55 gelenkt. Der von der zweiten Stelle 52 ausgesendete zweite Messstrahl 62 wird auf das dritte optische Element 56 gelenkt. Der von der dritten Stelle 53 ausgesendete dritte Messstrahl 63 wird auf das erste optische Element 54 gelenkt. Auf diese Weise können drei weitere linear unabhängige Längen gemessen werden, aus denen der Abstand zwischen der ersten Stelle 51 und dem zweiten optischen Element 55, der Abstand zwischen der zweiten Stelle 52 und dem dritten optischen Element 56 und der Abstand zwischen der dritten Stelle 53 und dem ersten optischen Element 54 ermittelbar sind. Diese weiteren Längen können zeitlich simultan in dem zweiten Längenmessvorgang gemessen werden.
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Aus den drei in dem ersten Längenmessvorgang gemessenen Längen und den drei weiteren in dem zweiten Längenmessvorgang gemessenen Längen kann durch Multilateration die relative Position und Orientierung zwischen der Messeinheit und der Anordnung von optischen Elementen ermittelt werden.
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4 illustriert das Messsystem von 3, nachdem die Messeinheit translatorisch und rotatorisch in dem durch die optischen Elemente definierten Bezugssystem bewegt wurde. Dabei ist ein erster Längenmessvorgang schematisch bei 48 dargestellt. Wie ersichtlich ist, ändern sich die Längen der von den Messstrahlen 61-63 durchlaufenen Wege, wenn die Messeinheit 50 an eine andere Position oder in eine andere Orientierung relativ zu dem Bezugssystems 65 bewegt wurde. Durch Durchführung mehrerer Längenmessvorgänge, in denen insgesamt sechs Längen ermittelt werden, kann wiederum die relative Position und Orientierung der Messeinheit 50 relativ zu der Anordnung von optischen Elementen 54-56 bestimmt werden.
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Bei der erneuten Durchführung von ersten und zweiten Längenmessvorgängen ist es nicht erforderlich, dass die Messstrahlen auf dieselben optischen Elemente gelenkt werden wie bei den Längenmessvorgängen, die bei einer anderen Position oder Orientierung der Messeinheit durchgeführt wurden. Vielmehr können die optischen Elemente jeweils abhängig von einer Abschätzung der relativen Position und Orientierung so ausgewählt werden, dass eine günstige, d.h. zu niedrigen Fehlern führende Fehlerfortpflanzung bei der Bestimmung der relativen Position und Orientierung aus den gemessenen sechs Längen resultiert, und/oder so, dass ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis beim Erfassen der Messstrahlen gewährleistet ist.
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Zahlreiche Abwandlungen der anhand von 3 und 4 beschriebenen Durchführung von Längenmessvorgängen können realisiert werden. Während in 3 jeder der Messstrahlen 61-63 so über verschiedene optische Elemente gerastert wird, dass er in den zwei Längenmessvorgängen auf zwei unterschiedliche optische Elemente gelenkt wird, kann auch nur ein Teil der Messstrahlen 61-63 gerastert werden. Beispielsweise können bei weiteren Ausführungsformen drei Längenmessvorgänge durchgeführt werden, in denen wenigstens einer der Messstrahlen auf drei unterschiedliche optische Elemente gelenkt wird. Dies kann beispielsweise dann sinnvoll sein, wenn eine der Stellen 51-53 eine freie Sichtlinie nur zu einem der optischen Elemente 54-56 hat. Bei weiteren Ausführungsformen können auch mehr als drei optische Elemente und/oder mehr als drei Stellen, von denen die Messstrahlen ausgesendet werden, vorgesehen werden.
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Während in 3 und 4 ein Messsystem dargestellt ist, bei dem die Messeinheit beweglich und die Anordnung optischer Elemente in einem Laborsystem ortsfest ist, kann bei weiteren Ausführungsformen die Anordnung optischer Elemente an einem beweglichen Objekt angebracht sein, und die Messeinheit kann ortsfest montiert sein. Ein charakteristischer Abstand zwischen den Stellen 51-53 der Messeinheit, an denen die Messstrahlen ausgesendet werden, wird typischerweise so gewählt, dass er verschieden ist von einem charakteristischen Abstand zwischen den optischen Elementen 54-56. Dabei kann insbesondere eine Ausgestaltung gewählt werden, bei * der der charakteristische Abstand zwischen den Stellen 51-53 kleiner ist als der charakteristische Abstand zwischen den optischen Elementen 54-56, falls die Messeinheit an einem beweglichen Objekt angebracht ist. Falls die Anordnung von optischen Elementen an einem beweglichen Objekt angebracht ist, kann eine Ausgestaltung gewählt werden, bei der der charakteristische Abstand zwischen den Stellen 51-53 größer ist als der charakteristische Abstand zwischen den optischen Elementen 54-56. Der charakteristische Abstand kann beispielsweise als über alle Paare von Stellen bzw. optischen Elementen 54-56 gemittelter Abstand definiert sein.
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Um eine hohe Stabilität und Genauigkeit bei der Bestimmung der relativen Lage und Orientierung vorzusehen, können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden. Stabilität gegenüber Temperaturschwankungen kann durch die Verwendung geeigneter Materialien oder temperaturabhängige Korrekturen erreicht werden. Fehler bei der Ermittlung von Abständen zwischen Stellen der Messeinheit, an denen Messstrahlen ausgesendet werden, und optischen Elementen können durch Vermeidung und/oder Korrektur von winkelabhängigen Laufzeitunterschieden in der Messeinheit erreicht werden. Falls eine Winkelaufweitungsoptik verwendet wird, kann diese so ausgestaltet sein, dass winkelabhängige Laufzeitunterschiede kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert, beispielsweise kleiner als 10 µm/c sind. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteeinrichtung des Messsystems eine winkelabhängige Laufzeitkorrektur durchführen, mit der Laufzeitunterschiede in der Optik der Sende-Einheiten oder Sende-Empfangs-Einheiten berücksichtigt werden.
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5 ist eine Darstellung, die eine mögliche Anordnung 71 optischer Komponenten einer Sende-Einheit oder einer Sende-Empfangs-Einheit detaillierter zeigt. Die in 5 dargestellte Anordnung optischer Komponenten kann beispielsweise bei der Sende-Empfangs-Einheit von 2 eingesetzt werden.
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Die Anordnung 71 umfasst einen Kollimator 73 zum Kollimieren von aus einem Faserende 72 austretender Strahlung. Ein MEMS-Spiegel 74 ist vorgesehen, um die Strahlung steuerbar umzulenken. Eine Winkelaufweitungsoptik mit einer Mehrzahl von Linsen 75-77 ist so ausgestaltet, dass ein Messstrahl über einen ausreichend großen Winkelbereich ausgegeben werden kann. Beschränkungen des Stellbereichs des MEMS-Spielges 74 können so kompensiert werden.
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Der Kollimator 73 und die Winkelaufweitungsoptik 75-77 ist so ausgestaltet, dass der in verschiedene Richtungen ausgesendete Messstrahl 78-80 jeweils nur auf genau ein optisches Element 81 trifft. Die Winkelaufweitungsoptik 75-77 kann so ausgestaltet sein, dass winkelabhängige Laufzeitunterschiede durch die Winkelaufweitungsoptik 75-77 kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert sind.
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Während unter Bezugnahme auf die Figuren Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben wurden, können bei zahlreichen weiteren Ausführungsbeispielen Abwandlungen realisiert werden. Während beispielsweise Messsysteme beschrieben wurden, bei denen die Messeinheit an einem beweglichen Objekt angebracht ist, kann die Messeinheit auch ortsfest vorgesehen sein und die Anordnung optischer Elemente an einem beweglichen Objekt vorgesehen sein. Während Messeinheiten beschrieben wurden, bei denen jeder von mehreren Messstrahlen bei verschiedenen Längenmessvorgängen über verschiedene optische Elemente gerastert wurde, kann auch nur ein Teil der Messstrahlen in verschiedenen Längenmessvorgängen auf unterschiedliche optische Elemente gelenkt werden.
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Die Vorrichtungen und Verfahren nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung erlauben eine Bestimmung der relativen Lage und Orientierung zwischen einer Messeinheit und einer Anordnung von optischen Elementen. Beispielhafte Anwendungen liegen in der Anlagentechnik, in der industriellen Fertigung und in der Qualitätskontrolle.
