JP2004504586A - 物体の幾何学的形状の無接触測定のための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は光学系を経て物体の測定点にレーザビームを結像し、測定点から反射又は散乱される光を検出器で検出する座標測定機による物体の幾何学的形状例えば表面の無接触測定のための方法に関する。簡単な処置で使用範囲を拡張することができるように、光学系がズームレンズを具備し、そのレンズ群の位置を作動距離ないしは分解能ないしは測定範囲に関してそれぞれ互いに別個にモータ駆動により調整することを提案する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学系を経て物体の測定点にレーザビームを結像し、測定点から反射又は散乱される光を検出器で検出する座標測定機による物体の幾何学的形状、例えば表面の形状等を無接触で測定するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
オプロエレクトロニクス式距離測定のために、例えばレーザ三角測量の原理又はレーザ・オートフォーカス法を利用することができる。後者の場合は、例えば赤外線レーザダイオードのビームをコリメータレンズにより平行に配向し、追従可能な走査レンズにより物体又は被検体の表面に焦点合わせする。そこから反射又は散乱した光は走査レンズとコリメータレンズを逆方向に通過する。ビーム分割プリズムがコリメータレンズによって新たに集束されたこのビームの一部を焦点検出器へ導く。焦点が焦点検出器の平面にあれば焦点検出器のセグメントの間で対称になるから、２つのセグメントが同じ信号を電子解析装置へ送る。
【０００３】
ところが焦点が焦点検出器の平面の前方にあれば、光は不鮮明な半散乱円の形で焦点検出器のおおむね一方のセグメントにだけ入射する。逆に焦点が焦点検出器の平面の後方にあれば、放射の重心が他方のセグメントに移る。次に焦点検出器のセグメントの信号から走査レンズの追従のための制御信号が生じる。走査レンズが常に被検体表面に焦点合わせされているように、可動コイル形モータで走査レンズを追従させることができる。換言すれば、レンズは被検体の輪郭に追従するのである。そこで垂直運動が変位センサ、例えば誘導形センサにより測定信号として記録される。被検体表面の様々な反射能が測定結果に影響しないように、第２の検出器によって強度測定を行うことができ、それによって焦点検出器の信号が正規化される。
【０００４】
検出装置による上記のビーム調節法のほかに、例えば光路の半分を光学ナイフエッジで遮蔽するフーコーのナイフエッジの原理を応用することもできる。ビームが焦点検出器の平面の前方又は後方のいずれで物体に入射するかによって、反射される測定光の左側又は右側部分が検出器、例えばダブルホトダイオードに結像される。
【０００５】
ナイフエッジの代わりに、１個のスプリットプリズムと２組のホトダイオード対の組合せを使用することもできる。１個の円柱レンズと１組のホトダイオード対の組合せを使用することも可能である。但しこの点については適切な測定法を参照されたい。
【０００６】
オートフォーカス方式による公知の距離測定法は固定光学系を有し、小さな測定範囲で高い分解能を望むか、大きな測定範囲で小さな分解能を望むかを選ばねばならない。作動距離自体は明らかに一定である。
【０００７】
座標測定装置による物体の幾何学的形状の検出のための配列方法が国際公開公報ＷＯ９９／５３２６８（ドイツ特許公開ＤＥ１９８１６２７０Ａ１）で周知である。その場合、ズームレンズを備えた光学系が利用され、そのレンズ群の位置が倍率及び物体の距離に関してそれぞれ別個にモータ駆動により移動させられる。
【０００８】
適当な方法によって物体の幾何学的形状の測定のために大きな利用範囲が可能になる。その場合、幾何学的形状に応じて発生される光が僅かな費用で検出され、検出器に映写される。
【０００９】
映画撮影機用の可変焦点距離レンズのための制御装置がドイツ特許公開ＤＥ２６１１６３９Ａ１に記載されている。
【００１０】
ドイツ特許ＤＥ３６１３２０９Ｃ２はビームスプリッタを備えた複数個の検出系を有する光学式表面輪郭測定装置に関するものである。
【００１１】
ドイツ特許公開ＤＥ１９７４７０２７Ａ１による多重センサ形トレーシング装置では触覚トレーサ及びビデオトレーサのほかに、レーザトレーサが設けられている。その場合トレーサ系は同じ測定点を検出するように構成されている。
【００１２】
本発明の根底にあるのは、簡単な処置で使用範囲を拡張できるように、冒頭に挙げた種類の方法を改良する課題である。また上記の方法と、座標測定機で周知の他の従来慣用の光学的方法とを組み合わせる可能性を示すことも本発明の課題である。
【００１３】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
本発明によれば、上記課題はおおむね次のようにして解決される。即ち光学系がズームレンズを具備し、そのレンズ群の位置が作動距離ないしは分解能ないしは測定範囲に関してそれぞれ互いに別個にモータ駆動により調整されるのである。
【００１４】
こうしてレンズ群の位置を作動距離ないしは作動距離と分解能ないしは測定範囲ないしは作動距離と測定範囲と分解能に関してそれぞれ互いに別個にモータ駆動により調整することができる。
【００１５】
公知のレーザ距離測定法と異なり、ズームレンズのレンズ群を互いに別個に調整できるので、作動距離を変える一方で分解能を改善し、測定範囲を拡大することが可能である。これに対して先行技術では分解能の品質と測定範囲の大きさの間で折衷案を選ばねばならない。
【００１６】
特に本発明により以下の技術的事項が実現可能になる。
−ズームレンズによるレーザ作動距離の調整及び座標測定装置による走査
−直接にズームレンズによるレーザ作動距離及び制御プロセスの変更
−映像処理光路と組み合わせて１つの光路とすること
−回り継手による映像処理及びレーザのためのコンパクトな増設ユニット
−ビーム分割ミラーによる明視野−入射光の補助的組み入れ
−ビームスプリッタ一式を持たない映像処理光路への色選択性ビームスプリッタによる又は代案として「細幅ミラー」によるレーザビームの取り込み
−ファイバトレーサの第３の座標の測定のためのレーザの使用
−ファイバトレーサの球体の自家照明の発生
【００１７】
本発明によれば、作動距離可変のズームレンズが光斑、光点又はコントラスト変化の形成又は検出のために使用されるだけでなく、ズームレンズは同時にマーク、エッジ、光点、特にフーコーのナイフエッジの投影のために使用される。このようにレーザ距離測定法に必要なレーザビームの投影のため、また物体上の合成像の映写のために、作動距離、分解能、測定範囲及び倍率等の光学的パラメータを同時に又は一様に変更することが本発明に基づき可能である。又、本発明によれば作動距離が異なる場合に先行技術のように２つの光学系が必要ではなく、本発明に基づき設けられるズームレンズによって実現が可能である。
【００１８】
本発明に基づきレーザセンサの様々な作動距離及びそれに伴う様々な測定範囲及び精度が利用者に提供される。こうして測定範囲は大きいが測定結果の精度が劣る高速の走査速度の操作モードと、測定範囲が小さいが結果が高精度である低速の走査速度の操作モードとを選択的に利用することができる。
【００１９】
座標測定機による測定用トレーサの通常の走査動作では、測定用トレーサがその測定信号に従って座標測定機の機械的軸により再調整される。本発明によって補足的に得られる可変作動距離の機能に基づき、座標軸を動かさなくても物体の走査を行うことができる。センサの変位に応じて作動距離だけが変更される。測定結果は作動距離の読取りによって、読取り結果と座標測定機の座標軸との組合せで得られる。
【００２０】
別のビームスプリッタを結像光路に入れれば、本発明の学説に基づき測定物の距離の迅速な測定と像平面の寸法測定のための映像処理の可能性とを組み合わせることができる。各モードで場合によって起こる映像処理光路又はレーザ光路の強度損失を回避するために、ビームスプリッタ例えばミラーを光路の外へ転回又は傾倒できるように機械的に構成することができる。また色選択性フィルタによって２つの光路を分離することも可能である。
【００２１】
また本発明が開発した測定法及び応用分野の柔軟性を高めるために、本発明の別の実施形態においては、センサ機能一式を座標測定機のヒンジ又は回り継手に配設することが提案される。
【００２２】
開示内容を引例として挙げる国際公開公報ＷＯ９９／５３２６８で明らかなように、使用するレーザ光を光触覚トレーサのプローブの自家照明の発生のために利用することも可能である。
【００２３】
さらに国際公開公報ＷＯ９９／５３２６８に記載されているように、座標測定機のＺ方向の光触覚トレーサの位置を本発明のレーザ距離センサによって決定することができる。
【００２４】
これとは独立に、本発明に係る提案は光触覚トレーサ及びトレーサ延長部と、物体の測定のためにトレーサから出て物体と接触させられるプローブと、場合によっては標的マークと、平面（座標測定機のｘ−ｙ軸）でのプローブないしは標的マークの位置決定のための光学センサとを具備する座標測定機による物体の幾何学的形状、例えば表面の測定方法において、平面に対して垂直な方向（座標測定機のｙ軸）のプローブないしは標的マークの位置をレーザ距離センサによって決定することを特徴とする方法を提案する。
【００２５】
レーザ距離センサの作動方向を交換可能な補助ミラーにより選択的に変更することもできる。
【００２６】
発明のその他の細部、利点及び特徴は特許請求の範囲及び特許請求の範囲に見られる特徴のみならず、図面に基づいて説明される以下の発明の実施の形態によっても明らかである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明によればレーザビームによる物体の幾何学的形状、例えば表面の無接触測定のための座標測定機が提案される。レーザビームは光学系を経て物体の測定点に結像され、測定点から反射された光が検出器又はセンサによって検出される。本発明に基づきこのために作動距離可変のズームレンズが光斑、光点又はコントラスト変化の結像又は検出のために使用されるだけでなく、同時にズームレンズはマーク、エッジ、光点、特にフーコーのナイフエッジの投影のために使用される。こうしてレーザ距離測定法に必要なレーザビームの投影のため、また物体上の合成像の映写のために作動距離、分解能、測定範囲及び倍率等の光学的パラメータを同時かつ一様に変更することが可能である。
【００２８】
レーザビームを種々異なる焦平面６及び７に結像するために、レーザ１のビームがプリズム２及び半透明ミラー３を経てズームレンズ５に導かれることが図１にごく原理的に示されている。反射された光は半透明ミラー３を通過して、別のプリズム２を経て例えば差動ホトダイオード形のセンサ４に導かれる。
【００２９】
図１がフーコーの原理によるレーザセンサの例を示すが、ズームレンズ５はミラーを経て光路に持ち込まれるフーコーのナイフエッジの像の投影にも、また測定物の合成像のオプトエレクトロニクス式センサ４への結像にも利用される。センサ４は前述のように本例では差動ホトダイオードとして形成されている。ズームレンズ５によって作動距離及び分解能ないしは測定範囲を互いに別個に調整することができるから、単一のズームレンズしか必要でない。先行技術の方法によれば、可変作動距離でフーコーの原理を実現するには２個のズームレンズが必要であった。
【００３０】
その結果さまざまな作動距離とそれに伴うさまざまな測定範囲及び精度が利用者に提供される。こうして図２で明らかなように、図２の（ｂ）及び（ｄ）で示すごとく測定範囲（捕捉範囲）は大きいが測定結果の精度が劣る高速の走査速度の操作モードと、図２の（ａ）及び（ｃ）で示すごとく測定範囲が小さいが結果が高精度である低速の走査速度の操作モードを選択的に利用することができる。ここで１はズームレンズ、２は作動距離、３は測定範囲を原理的に示す。図２の表が明らかにしているように、倍率、作動距離及び測定範囲に応じてさまざまな精度が生じる（↑＝大きい、ないしはより大きい、↓＝小さい、少ない、ないしはより小さい、より少ない）。
【００３１】
先行技術によれば座標測定機による測定用トレーサの通常の走査動作で、測定用トレーサは測定信号に従って座標測定機の機械的軸により再調整される。本発明に基づき補足的に得られる可変作動距離の機能によって、座標軸を動かさないでも物体の走査を行うことができる。センサの変位に応じて作動距離だけが変更される。図３の（ａ）が明らかにしているように、測定結果は作動距離の読取りにより、座標測定機の読取り結果と組み合わせて得られる。ところが本発明に係るズームレンズがなければ、図３の（ｂ）で明らかなように固設された距離センサに基づき極めて限られた測定範囲が生じることになる。
【００３２】
図４により別のビームスプリッタ４を結像光路に入れることによって、測定物の距離の本発明に基づく迅速な測定と、像平面の寸法測定のための映像処理の可能性とを組み合わせることができる。これによって各作動モードで映像処理光路又はレーザ光路に起こる強度損失を回避するために、ビームスプリッタ、例えばミラーを光路の外へ転回又は傾倒できるように機械的に構成することができる。色選択性フィルタによって光路を分離することも可能である。
【００３３】
また上記の解決策の柔軟性を高めるために、図５でごく原理的に示すように、センサ機構全体を座標測定機のヒンジ又は回り継手に配設することが可能である。
【００３４】
一方、図６は本発明に基づき構成されたレーザ距離センサを、レーザ距離センサの光軸（座標測定機のＺ方向）方向に沿う機械的プローブ又は走査部材の位置の測定のために使用できることをごく原理的に示す。その場合、明確に引例として挙げられる国際公開公報ＷＯ９９／５３２６８で説明されるように、走査要素としてファイバトレーサないしブローブが選ばれる。この点については当該の開示を参照されたい。こうして像平面内の映像処理系の測定結果と組み合わせて、走査部材の位置の三次元決定が得られる。このために球形の走査部材はレーザ像の発生のための特殊な面を備えることができる。
【００３５】
レーザ光によって生じるファイバトレーサの球体の自家照明効果は、同時に映像処理システムによる球体の位置の検出のために利用することもできる。
【００３６】
Ｚ方向即ち平面に垂直な方向の位置決定、即ち光学式センサ、例えば映像処理センサ、位置感受性表面センサ又はビデオカメラによるトレーサの位置決定は、もちろん在来のレーザ距離センサで行うこともできる。この点においても本発明の独特の提案が存在する。
【００３７】
図７に本発明に係る方法の実現のための実施形態を示す。調整可能なレンズ群を備えたレーザ距離センサ１１が座標測定装置のセンタースリーブ１２（Ｚ軸）に固定されている。このセンタースリーブ１２はスライド１３によりｘ方向に移動することができる。測定物１５も測定台１４によりｙ方向に移動することができる。図示の座標測定装置のすべての軸はモータで駆動され、制御システム１６により制御される。レーザ距離センサ１１の出力信号は制御システム１６で、レーザ距離センサ１１と材料表面の間隔が常に一定に保たれるように処理される。こうしてｘ軸又はｙ軸のいずれか１つで移動することによって、測定物１５をカバーする走査行程が得られる。レーザ距離センサ１１のレンズ群の位置を調整することによって走査時のレーザ距離センサ１１の作動距離を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】物体の表面の測定のためのレーザセンサの原理図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ図１のレーザセンサでカバーできる測定範囲の原理図を示すものである。
【図３】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明のレーザセンサでカバーできる測定範囲と先行技術によるレーザセンサの測定範囲との比較を示すものである。
【図４】補助ビームスプリッタを備えた図１のレーザセンサの図である。
【図５】レーザセンサを備えたヒンジ又は回り継手の図である。
【図６】レーザセンサ及びファイバトレーサを備えたヒンジ又は回り継手の図である。
【図７】座標測定機の原理図である。

Claims (12)

1. 光学系を経て物体の測定点にレーザビームを結像し、測定点から反射又は散乱される光を検出器で検出する座標測定機による物体の幾何学的形状例えば表面の無接触測定のための方法において、光学系がズームレンズを具備し、そのレンズ群の位置が作動距離ないしは分解能ないしは測定区域に関して互いに別個に電動調整されることを特徴とする方法。
2. 検出器又はセンサの出力信号が座標測定機の走査動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 走査動作の実施のために光学系の作動距離を制御操作により適宜に変更することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 結像光路から誘導される映像処理光路を補助的に発生することを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の方法。
5. レーザ、検出器ないしは光学系を旋回装置により立体的に位置決めすることを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の方法。
6. 映像処理光路とレーザビーム光路の間のビームスプリッタとして色選択性フィルタを使用することを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の方法。
7. 映像処理光路とレーザビーム光路の間のビームスプリッタとして傾斜又は回転ミラーを使用することを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の方法。
8. レーザ、光学系及び検出器からなるレーザ距離センサによって光触覚トレーサの第３の座標（座標測定機のＺ軸）を決定することを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の方法。
9. 光触覚トレーサ又はそのプローブの自家照明の発生のためにレーザ光を使用することを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の方法。
10. レーザ距離センサの作動方向を交換可能な補助ミラーにより選択的に変更することができることを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の方法。
11. 光触覚トレーサ及びトレーサ延長部と、物体の測定のためにトレーサから出て物体と接触するプローブと、場合によっては標的マークと、平面（座標測定機のｘ−ｙ軸）でのプローブないしは標的マークの位置決定のための光学センサとを具備する座標測定機による物体の幾何学的形状例えば表面の測定方法において、平面に対して垂直な方向（座標測定機のｙ軸）のプローブないしは標的マークの位置をレーザ距離センサによって決定することを特徴とする方法。
12. レーザ距離センサが生じるレーザ光によって光触覚トレーサ又はそのプローブないしは標的マークの自家照明を発生することを特徴とする請求項１１に記載の方法。

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