JP2002511573A - 座標測定器による物体の検出のための方法及び装置 - Google Patents

座標測定器による物体の検出のための方法及び装置

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JP2002511573A JP2000543786A JP2000543786A JP2002511573A JP 2002511573 A JP2002511573 A JP 2002511573A JP 2000543786 A JP2000543786 A JP 2000543786A JP 2000543786 A JP2000543786 A JP 2000543786A JP 2002511573 A JP2002511573 A JP 2002511573A
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クリストーフ，ラルフ
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ベルス・メステヒニーク・ゲーエムベーハー
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
    • G01B11/005—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • A Measuring Device Byusing Mechanical Method (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の目的は座標測定器による物体の幾何学的形状の測定のための改良された方法及び装置を提供するにある。 【解決手段】 その位置が物体の幾何学的形状に関係する少なくとも1個の光斑又は光点を光学系(20)によって少なくとも1個の検出器(30)に結像する。レンズ群(20、22)が夫々軸方向にモータ駆動により移動されるズーム光学装置(18)によって像倍率、焦点深度及び物体距離を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は幾何学的形状によって位置が決まる少なくとも1個の光斑、光点、コン
トラスト遷移点ないしは端縁を少なくとも1個の検出器に検出及び結像して、そ
の出力信号を解析するための光学系を有し、選択可能な像倍率及び当該の物体と
の選択可能な距離を光学系により調整することができる座標測定器による物体の
幾何学的形状の測定のための方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする技術】
上記の種類の方法及び装置は公知のものである（R.-J.Ahlers, W.Rauh：「画像
処理による座標測定技術」：VDI-Z131(1989年)11号12―16頁所載）。 ここに開示の公知の座標測定器は、テレセントリック光路を備えた特殊な光学装
置を有する。また光学装置は倍率変更の結果、物体距離の変化が生じないように
構成されている。高さ測定のために公知の座標測定器では、ゼロ標識として動作
し、第3のディメンジョンで補助機械運動を必要とする自動焦点調整装置が設け
られている。
【０００３】 またフロントレンズ群、焦点距離の変更のための第1のスライド部材及び像位置
の定常化のための第2のスライド部材が夫々軸方向移動のための駆動系と連結さ
れた可変焦点距離対物レンズのための制御装置も知られている。この制御装置は
光学スライド部材を入力条件にかかわりなく任意の位置で停止させることができ
るゲート回路を具備する(ドイツ国実用新案第2611639号明細書)。
【０００４】 最後に、写真測量系と、曲げ弾性軸及びこの軸と連結されたプローブからなり
、測定時に被測定物と接触させられる検知ピンとを有する幾何学的構造の測定装
置が知られている。軸に目標標識例えば球が取り付けられ、走査基準系に対する
その相対位置が写真測量系によって検出される。プローブの位置は光を放出する
目標標識位置から測定される(ドイツ国特許第29710242号明細書)。
【０００５】 本発明の根底にあるのは、幾何学的形状に応じて生じる光を僅少な費用で検出
し、少なくとも1個の検出器に結像し、大きな測定範囲で高い分解能を可能にする、
光学系による物体の幾何学的形状の測定のための、広い使用分野に適した方法及
び広い使用分野で使用するための装置を提供する問題である。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
この問題は冒頭に述べた種類の方法において、本発明に基づきおおむね光学系
がズーム光学装置を具備し、そのレンズ群が像倍率及び物体距離に対する位置へ
夫々別個にモータ駆動により移動されることによって解決される。この方法は輪
郭の形状に大きな相違がある幾何学的形状の正確な測定に適している。
【０００７】 特に好適な実施形態では微細構成依存性の光がプローブによって発生される。
プローブは物体と接触させられ、その位置が光学系により少なくとも1個の目標標
識で直接又は間接に確定される。この実施形態は光学的即ち無接触式方法と、機械
式走査を使用する、即ち光学・機械式方法との間で選択を行うことができる。選択
は測定される当該の幾何学的形状、材料特性、所望の像倍率、所望の焦点深度及び
所望の測定距離又は作動距離に従う。
【０００８】 プローブにより物体の幾何学的形状を測定するときに、物平面又は測定平面が
プローブの中心にあるように、光学系の作動距離をズーム光学装置で調整するこ
とが好ましい。
【０００９】 プローブなしで、即ちもっぱら光学的に表面微細構成を測定するときは、物平面
又は測定平面がプローブの前にあるように、光学系の作動距離をズーム光学装置
で調整することが好ましい。その場合はプローブが光学系の焦点深度の外にあっ
て見えない。
【００１０】 代案として物平面及び測定平面をズーム光学装置によりプローブの物体に面し
た側の空間にセットすることができる。
【００１１】 特にプローブないしは少なくとも1個の目標標識の位置を、反射放射ないしは
プローブ又は目標標識が陰影を描く放射ないしはプローブが放出する放射によっ
て決定する。
【００１２】 物体との接触で起こるプローブの偏りを光学系により測定することが好ましい
。偏りは検出器上のプローブの像の変位によって確かめることができる。画像処
理系で像のコントラスト関数を解析することによって、プローブの偏りを決定す
ることも可能である。物体距離と倍率の間の幾何光学的関連に基づく、少なくと
も1個の目標標識の像の大きさの変化から偏りを決定することもできる。また目
標標識の像の見かけの大きさの変化により、焦点はずれによるコントラスト損失
に基づきプローブの偏りを決定することができる。
【００１３】 幾何学的形状によって位置が決まる少なくとも1個の光斑、光点、コントラスト
遷移点ないしは端縁を少なくとも1個の検出器に検出及び結像して、その出力信
号を解析するための光学系を有し、光学系が選択可能な像倍率及び当該の物体と
の選択可能な距離の調整のために構成されている座標測定器による物体の幾何学
的形状の測定装置において、上記の課題は本発明に基づきおおむね光学系が軸方
向に夫々別個にモータ駆動により移動可能な少なくとも2個のレンズ群からなる
ズーム光学装置を有することによって解決される。レンズ群又はレンズセットに
より像倍率ないしは作動距離ないしは焦点深度が変更又は調整される。
【００１４】 本発明の有利な実施形態においてはプローブないしはこれに配属された光学的
位置検出のための少なくとも1個の目標標識が光学系の前に設けられている。プ
ローブ又は少なくとも1個の目標標識の配列によって、本発明に係る測定装置を2
つの異なる使用方式で操作することができる。一方の使用方式では物体に無接触
で幾何学的形状が測定される。他方の使用方式ではプローブの走査と偏りにより
間接的に光学的に幾何学的形状が測定される。プローブなしで測定する場合は、
物平面又は測定平面がプローブの光学系に面した側の前にあるように、ズーム又
は可変焦点光学装置を調整する。即ちプローブは光学系の焦点深度の外にある。
プローブは「見えない」。測定のためにプローブの偏りを使用する場合は、ズーム
光学装置により物平面をプローブの中心に置く。
【００１５】 プローブは曲げ弾性グラスファイバー又は光ガイド検知ピンの端部に配設する
ことが好ましい。グラスファイバー検知ピンの端部を球形に形成することができ
る。グラスファイバー検知ピンに少なくとも1個の目標標識を備えることも可能
である。光ガイドによりピンの末端又は目標標識に光が送られ、末端又は目標標識
から放出される。
【００１６】 またプローブ又は目標標識を反射体としてピンのかたわら又は上に形成するこ
とも可能である。
【００１７】 ピン又はグラスファイバーピンをＬ形に折り曲げ、検知端に隣接する部分を光
学系の光軸に沿って配列することが好ましい。
【００１８】 2つの可能な使用方式によって、本発明に係る測定装置の使用範囲が拡張され
る。測定の仕方を夫々の物平面の構造に合わせて調整することができる。従って
測定装置は広範囲に使用できる粗さ、形状又は波形テスターとして面倒な輪郭に
も適している。硬質及び軟質材料例えばゴム又はプラスチックの表面構造を測定
することができる。
【００１９】 その場合プローブの接触力の所定の調整のために、曲げ弾性ピン又は軸を剛直
な又はおおむね剛直な案内により、場合によっては変位自在に支えることができ
る。プローブ又はこれに配属された目標標識を有する所望の曲がり長さのピン又
は軸が案内から突出する。
【００２０】 本発明のその他の細部、利点及び特徴は特許請求の範囲、特許請求の範囲に見ら
れる特徴―単独でないしは組合せとして―だけでなく、図面に示す好ましい実施
例の下記の説明からも明らかである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図1に被検体又は物体の幾何学的形状の検出のための座標測定器の装置の概略
図が示されている。装置は絞り12の背後に配列された主対物レンズ14と絞り12の
前に配列された固定レンズ16を有する光学系10を具備する。ズーム又は可変焦点
光学装置18は主対物レンズ14のアダプターをなす。ズーム光学装置18は第1のレ
ンズ群20又は第1のレンズセット及び第2のレンズ群22又は第2のレンズセットか
らなる。2つのレンズ群20、22の軸方向位置を互いに独立に光学系10の光軸24に沿
ってモータ駆動により調整することができる。図1にはレンズ群20と連結された
モータ駆動装置26及びレンズ群22と連結されたモータ駆動装置28により調整可能
であることが概略図で示されている。軸24に沿って移動可能な光学系10の外部に
配設された特に光電式の検出器30が、図平面で主対物レンズ14の後方にある。主
対物レンズ14から出るビームが偏向鏡29を経て検出器30へ送られる。検出器30の
出力側は解析装置32に接続される。解析装置32によって検出器30の出力信号が評
価され、処理される。解析装置32は特にコンピュータを含む。検出器30は例えば
カメラである。
【００２２】 光学系の10の前に間隔をおいてプローブ34がある。プローブ34は検知ピン36の
末端に配設されている。検知ピン36はＬ形に折り曲げられ又は屈折している。プ
ローブ34と連結された、湾曲部の手前の検知ピン部分は、プローブ34を通る光軸2
4に沿って配列されている。図示しない少なくとも1個の目標標識を検知ピン36に
配設することができる。偏向鏡29は半透明である。
【００２３】 プローブ34ないしは目標標識は放射を立体的に放出又は反射する物体、特に球
体又は円筒体として形成することができる。
【００２４】 検知ピン36は少なくともプローブ34に隣接する部分が曲げ弾性を有する。光軸
24に対して直角に折り曲げられた部分38の端部はスリーブ40の中に配設され、ス
リーブ40はホルダー42に固定されている。ホルダー42は自由度5で移動可能な駆
動機構と連結することができる。ホルダー42と光学系10は互いに連結され又は1
つの剛体を形成することができる。スリーブ40は剛直又はおおむね剛直に形成さ
れているので、スリーブ40から突出する曲げ弾性検知ピン36の自由端は所定の範
囲でたわむことができる。こうしてプローブ34の所望の接触力を設定することが
できる。なお曲がり長さ即ちスリーブ40から突出する部分を指定することができ
るように、軸又は検知ピン36を案内又はスリーブ40の中に固定して支え、又は案
内又はスリーブ40に対して変位可能に形成することができる。
【００２５】 検知ピン36を光ガイド又は光ファイバ導波路として形成し、ホルダー42の中に
配設されたその端部に光源46から光学装置44を経て照射することが好ましい。光
ガイドは透明なプローブ34に隣接する部分を除き、光を通さない外被48によって
取り囲まれている。
【００２６】 図1に示す装置によって被検体の表面を2つの異なる方法、即ち無接触法および
機械・光学式法で測定することができる。無接触光学走査法では作動距離50がプ
ローブ34の前にあるように、ズーム光学装置18が調整される。その場合レンズ群
20及び22は図１に実線で示した位置にある。この調整の場合、プローブ34は光学
系10の焦点深度の外にある。このことは、プローブが見えず、従って結像されない
ことを意味する。無接触走査により例えば弾性又は軟質材料の表面を測定するこ
とができる。
【００２７】 機械・光学式法では被検体の表面と機械的に接触させたプローブ34の位置が測
定される。物平面又は測定平面52がプローブ34、いわゆる接触球の中心にあるよ
うに、ズーム光学装置18をあらかじめ調整する。こうしてプローブ34又は図示し
ない目標標識の位置が測定される。検知ピン36の変形は測定に影響しない。
【００２８】 センサ、例えばカメラ、の軸線に対して垂直方向の偏りが、半透明の偏向鏡29
に後置したセンサ画面54、特に電子カメラの像の変位によって直接決定される。
座標測定器の解析装置32に設置された画像処理によって画像解析を行なうことが
できる。こうして光学解析装置に極めて簡単に結合することができる二次元動作
式走査系が実現される。
【００２９】 光学センサ、例えばカメラ、の軸線の方向の偏りの検出のために、幾つかの可
能性がある。とりわけセンサの軸線24(カメラの軸線)の方向のプローブ34の偏り
が検出器30によって測定される。光学座標測定技術において加工品表面への焦点
合わせですでに知られている焦点調整系である。この場合は電子カメラの画像の
コントラスト関数が解析される。
【００３０】 目標標識の像の大きさ、例えば円形又は円環形の目標標識の場合、直径の変化を
解析することによって、センサ又はカメラの軸線の方向のプローブの偏りが測定
される。この効果は幾何光学的結像に原因し、光学ユニットの設計によって的確
に最適化される。
【００３１】 第3の可能性の場合も目標標識の大きさの変化が解析されるが、それは幾何光学
的大きさの変化と不鮮明な縁による見かけの拡大の組合せから生じる大きさの変
化である。焦点はずれ関数の解析に対して、この方法は目標標識の実際の大きさ
が不変であることを利用する。
【００３２】 プローブ34による被検体の計測の場合は2つのレンズ群20及び22が光学走査の
場合より小さな相互間隔で配列される。レンズ群20、22の当該の位置を図1に20'
及び22'で示す。
【００３３】 上記の測定装置によって像倍率、焦点深度及び作動距離が変更され、又は表面
走査の精度及び速度の要求に適応させられる。測定装置は材料特性、例えば硬さ
、に適応させることもできるから、広い使用分野に適合する。
【図面の簡単な説明】
【図1】被検体又は物体の幾何学的形状の検出のための座標測定器の装置の
概略図を示す。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年４月１日（２０００．４．１）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００３】 またフロントレンズ群、焦点距離の変更のための第1のスライド部材及び像位置
の定常化のための第2のスライド部材が夫々軸方向移動のための駆動系と連結さ
れた可変焦点距離対物レンズのための制御装置も知られている。この制御装置は
光学スライド部材を入力条件にかかわりなく任意の位置で停止させることができ
るゲート回路を具備する(ドイツ国特許第2611639号明細書)。更に、物体の構造
の検出のために接触によっても光学的にも測定する座標測定器がドイツ国特許公
開第１９６３９７８０号明細書で知られている。その場合カメラによって光学系
の自動焦点調整を行うことができる。在来の座標測定器の移動誤差の検出と補正
のために使用されるズーム光学装置を備えた座標測定器が米国特許第５,０３５,
５０３号明細書で知られている。光学装置自体は被検体の直接測定に利用されな
い。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，Ｚ Ａ，ＺＷ

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】幾何学的形状によって位置が決まる少なくとも1個の光斑、光点
    、コントラスト遷移点ないしは端縁を少なくとも1個の検出器に検出及び結像して
    、その出力信号を解析するための光学系を有し、選択可能な像倍率及び当該の物体
    との選択可能な距離を光学系により調整することができる座標測定器による物体
    の幾何学的形状の測定方法において、光学系がズーム光学装置を具備し、そのレン
    ズ群が像倍率及び物体距離に対する位置へ夫々別個にモータ駆動により移動され
    ることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】光斑、光点、コントラスト遷移点又は端縁をプローブによって発
    生し、プローブを物体と接触させ、その位置を光学系により少なくとも1個の目標
    標識で直接又は間接に確定することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項３】物平面又は測定平面がプローブの中心にあるように、光学系と
    ズーム光学装置の使用間隔を調整することを特徴とする請求項1又は2に記載の方
    法。
  4. 【請求項４】物平面又は測定平面がプローブの前にあるように、光学系の作
    動距離をズーム光学装置で調整することを特徴とする請求項1又は2に記載の方法
    。
  5. 【請求項５】物体との接触で生じるプローブの偏りを光学系によって測定す
    ることを特徴とする請求項2又は3に記載の方法。
  6. 【請求項６】光学系がズーム光学装置を具備し、そのレンズ群が像倍率及び
    物体距離に対する位置へ夫々別個にモータ駆動により移動され、当該の物体の機
    械的／光学的測定の場合は物体と接触させるプローブによって光斑、光点、コント
    ラスト遷移点又は端縁を発生し、物平面又は測定平面がプローブをよぎるように
    ズーム光学装置により調整した光学系の作動距離で、プローブの位置を光学系に
    よって少なくとも1個の目標標識で直接又は間接に確定し、当該の物体の無接触
    測定の場合は物平面又は測定平面がプローブの外部にあるように、ズーム光学装
    置により光学系の作動距離を調整することを特徴とする請求項1に記載の方法。
  7. 【請求項７】幾何学的形状によって位置が決まる少なくとも1個の光斑、光点
    、コントラスト遷移点ないしは端縁を少なくとも1個の検出器(30)に検出及び結像
    して、その出力信号を解析するための光学系(10)を有し、光学系が選択可能な像
    倍率及び当該の物体との選択可能な距離の調整のために構成されている、座標測
    定器による物体の幾何学的形状の測定装置において、光学系(10)が軸方向に夫々
    別個にモータ駆動により移動可能な少なくとも2個のレンズ群(20、22)からなるズ
    ーム光学装置(18)を有することを特徴とする装置。
  8. 【請求項８】光斑又は光点の光学的位置検出のためのプローブ(34)ないしは
    これに配属された少なくとも1個の目標標識が光学系(10)の前に配設されている
    ことを特徴とする請求項7に記載の装置。
  9. 【請求項９】ズーム光学装置(18)により物平面又は測定平面がプローブ(34)
    の物体に面した側の空間にセットされていることを特徴とする請求項7又は8に記
    載の装置。
  10. 【請求項１０】ズーム光学装置(18)により物平面又は測定平面がプローブ(3
    4)の光学系(10)に面した側の前方の空間にセットされていることを特徴とする請
    求項7ないし9のいずれか1つに記載の装置。
  11. 【請求項１１】ズーム光学装置(18)により物平面又は測定平面がプローブ(3
    4)特にその中心を通るようにセットされていることを特徴とする請求項7ないし1
    0のいずれか1つに記載の装置。
  12. 【請求項１２】プローブ(34)が光ガイド検知ピン(36)の端部に配設されてい
    ることを特徴とする請求項7ないし11のいずれか1つに記載の装置。
  13. 【請求項１３】光ガイド検知ピン(36)が端部に透明な球形プローブ(34)を担
    持することを特徴とする請求項7ないし12のいずれか1つに記載の装置。
  14. 【請求項１４】プローブ(34)又はこれに配属された少なくとも1個の目標標
    識がピン又は軸(36)と連結された反射体として形成されていることを特徴とする
    請求項7ないし13のいずれか1つに記載の装置。
  15. 【請求項１５】プローブ(34)ないしはこれに配属された目標標識を有する自
    由曲がり長さを除き、ピン又は軸(36)が剛直な又はおおむね剛直な案内例えば、
    スリーブ(40)、の中を通っていることを特徴とする請求項7ないし14のいずれか1
    つに記載の装置。
  16. 【請求項１６】ピン又は軸がＬ形に折れ曲がっており、プローブ(34)に隣接
    するピンの部分が光学系(10)の光軸(24)に沿って延びていることを特徴とする請
    求項7ないし15のいずれか1つに記載の装置。
  17. 【請求項１７】光学系(10)が少なくとも2個の夫々別個に軸方向にモータ駆
    動により移動可能なレンズ群(20、22)からなるズーム光学装置(18)を有し、光斑又
    は光点の光学的位置検出のためのプローブ(34)ないしはこれに配属された少なく
    とも1個の目標標識が光学系(10)の前に配設され、ズーム光学装置(18)により物
    平面又は測定平面が、第1の使用方式ではプローブ(34)の当該の物体に面した側
    の空間に、第2の使用方式ではプローブ(34)の光学系(10)に面した側の前方の空間
    にセットされることを特徴とする請求項7ないし16のいずれか1つに記載の装置。
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