JP2006504941A - 物体の幾何学的形状又は構造の測定のための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、物体の測定点を検出し、少なくとも１個の光学センサ（３６）に結像するための光学系を有し、光学系が少なくとも１個の測定レンズ（１４、１８、２２）を有する移動可能なレンズ群（１０、１２）を備えており、測定レンズの少なくとも幾つかがそれぞれ１個の受け（２６、２８、３０）に収容される座標測定装置による物体（３８）の幾何学的形状又は構造の測定のための装置に関する。その場合少なくとも１個の移動可能なレンズ群の、測定レンズを収容する受けの少なくとも幾つかに、光ビームを物体上に結像するための少なくとも１個の別のレンズが配置されている。

Description

本発明は、測定点を検出し、少なくとも１個の光学センサ、例えばＣＣＤセンサに結像するための光学系を有し、光学系が少なくとも１個の測定レンズを有する移動可能なレンズ群からなり、測定レンズの少なくとも幾つかがそれぞれ１つの受けに収容されている座標測定装置による物体の幾何学的形状又は構造の測定のための装置に関する。

測定技術のために画像処理系を使用する場合は、結像系として特にズームレンズが適している。この場合倍率を調整することしかできない系も、倍率と作動距離の両者を調整できる系も知られている（ドイツ特許出願第１９８１６２７０．７−５２）。

このような系を使用する時は、測定物の照明を上から垂直に行うことも必要である。これはいわゆる明視野入射光照明で、照明光路をズームレンズに反射することによって行われる。これに伴って、個々の光学境界面に照明光反射が現れ、こうして結像光路の迷光が画像の質を劣化するという欠点がしばしば起こる。これを回避するために、照明を別個に配置することができる。その結果、照明の強さと照明斑（スポット）の大きさがズームレンズの当該の像寸法に整合しないことになる。

距離センサ、例えばレーザ距離センサが光学系に共に組込まれる系も周知である（ドイツ特許公開第１００４９３０３号、ドイツ特許第３８０６６０６号）。この場合もズームレンズの光学的性質を画像処理の要求に対しても、レーザセンサ装置の要求に対しても最適化することは困難である。別個に反射させることによって、この問題が部分的に解決されるが、しかしズームに相当する調整は行われないから、柔軟性の低下という欠点を我慢しなければならない。

ドイツ特許公開第１００５６０７３号及び米国特許第４２７７１３０号は立体ズームレンズに関するものである。ここにおいては、各部分系を通る光路が共通の焦点に対して互いに鋭角をなして整列されるように、光学系が互いに整列されている。

本発明の課題は、前述の欠点を回避し、有害な反射を回避して照明の最適化が行われる装置を提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の課題は本発明に基づき、次のようにして解決される。即ち少なくとも１組の移動可能なレンズ群の、測定レンズを収容する受けの少なくとも幾つかに、光ビームを物体上に結像するための少なくとも１個の別のレンズが配置され、測定レンズから出る第１の光路が物体側で、少なくとも１つの別のレンズから出る第２の光路と平行になるように構成される。

本発明によれば、特にズームレンズの画像寸法及び／又は作動距離の調整のための少なくとも１個、とりわけ複数個の調整可能なレンズ群の機構の内部に、複数の光路が平行に組込まれる。その場合、移動可能なレンズ群の区域で、測定レンズの光軸と結像レンズの光軸は平行である。受けが測定レンズと、別のレンズとして被照射体の照明のためのレンズとを収容する場合は、照明レンズを通るビームが移動可能なレンズ群の下側、即ち物体側で測定レンズの光軸に向けて偏向される。これはミラー又はビームスプリッタによって行うことができる。

こうして全系のための機構の費用を一定に保つことができ、同時に様々な要求を様々なレンズ群で満たすことができる。特に倍率又は作動距離の変更に適した調整可能なレンズを有するズームレンズは、各レンズ受けに２つ以上の平行な結像光路のための結像レンズが納められているのが特徴である。その場合、一方の光路を画像処理用結像光学系の要求に対して、また第２の光路を明視野照明の要求に対して最適化することができる。また一方の光路が画像処理光学系の要求に、別の光路がレーザ距離センサの要求に従って、最適化されるように構成されている。ドイツ特許公開第１９８１６２７０号又はドイツ特許公開第1００４９３０３号で概要が明らかなように、当該のビームは別個の、但し共通の受けに納められたレンズを通り、レンズ自体は所望の範囲で、必要に応じて調整できるように形成されている。

また３個以上のレンズを同一の受けに収容することもでき、その場合１つの光路は画像処理光学系の要求に、１つの光路はレーザ距離センサの要求に、１つの光路は明視野入射光照明の要求に従って設計される。適当なレンズが適当な受けに組込まれる。

各受けにあるレンズは同じ光学的性質を持つことができるが、異なる色の光の利用に関連してコーティングを最適化することができる。

画像処理光路のための光学系即ちレンズには高級な、他の単数又は複数の光路のためのレンズにはこれより低級な、但し原則として同じ公称パラメータを有する光学系を選ぶことができる。

また光学系の正面区域、即ち物体側で、光路を偏向系により共通の光路に統合しなければならない。とりわけミラー系又はビームスプリッタが挙げられる。

さらに移動可能なレンズユニットに加えて、移動可能な絞りを組み入れることができる。絞りは物体の調整のために必要なそれぞれの場所に、テレセントリック光学系が実現されるように配置することができる。

いわゆるテレセントリック絞りを必要に応じて光路に出し入れすることも可能である。テレセントリック絞りの実現は、開放又は閉鎖により実際に光路に入れることによって行うことができる。

本発明の実施態様はその他の請求項で明らかである。

本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−単独で及び／又は組合せとして−だけでなく、図面に見られる好ましい実施例の下記の説明からも明らかである。

例えば花崗岩からなる台枠２を有する座標測定装置１００のごく概要が図３で明らかである。台枠の上に測定台１０４が配置され、その上に測定すべき物体としての加工品１０５がある。

台枠１０２に沿って門形支架１０６が、座標測定装置１００のＹ方向に調整し得るように配置されている。また支柱又は支脚１０８、１１０が台枠１０２の上に摺動可能に支持される。支柱１０８、１１０から横材１１２が出ており、スライド１１４がこれに沿って、即ち本例では座標測定装置のＸ方向に調整し得るように配置されている。一方、スライド１１４は、Ｚ軸方向に調整可能なセンタースリーブ又は支柱を収容する。測定台１０４の上に配置された加工品１０５を測定するために、センタースリーブ又は支柱１１６もしくはこれに設けられたインタフェースからセンサ系１１８が延出している。センサ系１１８は図１及び２で詳しく説明する。

図１の実施例によれば、センサ系１１８は第１のレンズ群１０及び第２のレンズ群１２からなる。各レンズ群１０、１２は複数のレンズ１４、１６又は１８、２０又は２２、２４を有し、複数のレンズはそれぞれ共通の受け２６、２８、３０から出ている。本例では受け２６からレンズ１８、２０が、受け２８からレンズ１４、１６が、受け３０からレンズ２２、２４が出ている。本例では受けごとに２個のレンズだけが示されているが、必要に応じて各受けに２個を超えるレンズを設けることも可能である。

受け２６、２８、３０にあるレンズ１４、１６、１８、２０、２２、２４は互いに平行な光路が形成されるように、互いに整列されている。図１によれば、レンズ１４、１８、２２は第１列に、レンズ１６、２０、２４は第２列に、それぞれ共通の光軸３２、３４を持つように配置され、光路が形成されている。その場合、光学センサ、例えばＣＣＤ（電荷結合素子）センサ３６又はカメラにより物体３８−図３の図示では加工品３８−を測定するために、ズーム式のレンズ１４、１８、２２が設計されている。受け２６、２８は、矢印で示唆するように光路ないし光軸にそって移動するよう調整可能である。

物体３８を明視野入射光照明で測定することができるように、照明光路をなす光軸３４に沿って整列されたレンズ１６、２０、２４に光源３８が配属されている。レンズ２４、１６、２８を通るビームは次にミラー４０及びビームスプリッタ２４並びに物体側にある別の固定レンズ４４を経て物体３８に向けて偏向される。こうして照明光源３８に由来する照明光路の光束と、ＣＣＤセンサによる測定のために必要なビームとが物体３８の同じ測定点に入射する。

図２の実施例は、測定ビーム４４と平行なビーム４６がレンズの外で、本例ではミラー４８とビームスプリッタ５０により、光ビーム４４に向けて偏向される点が図１と相違する。こうして光ビーム４４、４６は物体５４の同じ点５２に入射する。測定ビームは、図２の実施例では、光学センサ、例えばＣＣＤセンサ６６に対して整列されたレンズ５８、６０、６２、６４の光軸５６に沿って通る。またレンズ５８、６０、６２、６４は、ビーム４６を形成するレンズ７６、７８、８０、８２が配置された受け６８、７０、７２、７４から出ている。その場合レンズ７６、７８、８０、８２は明視野入射光照明又はレーザ距離センサのために使用することができる。

受け７０、７２は調整可能である（矢印を参照）。

本発明により、先行技術に固有の欠点、特に望ましくない散乱光又は光反射が回避され、追加装置のための費用なしで様々なレンズで様々な要求に対応することができる。その場合、受け６８、７４から出るレンズ５８、７６又は６４、６８は固設され、受け７０、７２から出るレンズ６０、７８又は６２、８０は例えば倍率又は作動距離を所望の範囲で変更できるように、相互に可動に配置されている。品質に関する損失を伴うことなく、距離センサによる測定又は明視野入射光照明による測定が組込まれる。

センサ３６によって生じた像の処理は常法により行われる。例えばＣＣＤセンサ３６が撮影した像は、例えばコンピュータのインタフェースカードでデジタル化される。そこでこの画像は、画像処理目的でアクセスするために、コンピュータで利用可能である。画像処理は簡単な画像改善、例えば雑音減少又はコントラスト・エンファシス及び自動的特徴抽出又はパターン認識のための比較的複雑な方法を含む。画像処理コンピュータは必要に応じてパソコン、ワークステーション又は並列コンピュータアーキテクチャである。

本発明に係わる光学系を備えた装置の第１の実施例を示す。 本発明に係わる光学系を備えた装置の第２の実施例を示す。 座標測定装置の概要図を示す。

Claims (16)

1. 物体の測定点に入射する照明光路がそれから延出する光源と、測定点を検出し、ＣＣＤセンサ等の少なくとも１個の光学センサ（３６）に結像するための光学系とを具備し、該光学系が少なくとも１個の測定レンズ（１４、１８、２２、５８、６０、６２、６４）を有する移動可能なレンズ群からなり、これら測定レンズの少なくとも幾つかが受け（２６、２８、３０、６８、７０、７２、７４）にそれぞれ収容されている座標測定装置（１００）による物体（３８）の幾何学的形状又は構造の測定のための装置において、
   少なくとも１組の移動可能なレンズ群の、測定レンズ（１４、１８、２２、５８、６０、６２、６４）を収容する受け（２６、２８、３０、６８、７０、７２、７４）の少なくとも幾つかに、照明光路が通る少なくとも１個の別のレンズ（１６、２０、２４、７６、７８、８０、８８）が配置され、測定レンズから出る第１の光路が、物体側で、少なくとも１つの別のレンズから出る照明光路と平行であることを特徴とする装置。
2. 第１の光路が画像処理光路であり、ないしは照明光路が明視野入射光の光路又はレーザ距離センサの光路であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 照明光路及び第２の光路及び場合によっては受け（２６、２８、３０、６８、７０、７２、７４）に配置されたレンズを通る別の光路が物体（３８）の１点又はほぼ１点に入射することを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 移動可能なレンズ群の測定レンズ（１４、１８、２２、５８、６０、６２、６４）の各受け（２６、２８、３０、６８、７０、７２、７４）に少なくとも１個の結像レンズ等の別のレンズ（１６、２０、２４、７６、７８、８０、８８）が配置されていることを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の装置。
5. 不動に配置された物体側の別の測定レンズ（４４）の前方又は後方で、別のレンズ（１６、２０、２２）から出る第２の光路が、測定レンズ（１４、１８、２２）の光軸（３２）に向けて偏向されることを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の装置。
6. 受けに配置され、光路が通り、倍率ないしは作動距離の変更のために互いに調整可能なレンズからなるズームレンズを備えた結像光学系を有し、光路が測定すべき物体の測定点に入射する、特に請求項１に記載の装置において、各受けが２つ以上の互いに平行な光路のためのレンズを収容し、光路が物体側で互いに平行であり、測定点で測定すべき物体に入射することを特徴とする装置。
7. 画像処理光路が通る測定レンズ（１４、１８、２２、５８、６０、６２、６４）ないしは照明光路が通る別のレンズ（１６、２０、２４）ないしはレーザ距離光路が通るレンズ（７６、７８、８０、８８）が、これらを通る光に関して最適化されていることを特徴とする少なくとも請求項６に記載の装置。
8. レンズを通るビームの最適化を得るために、レンズがコーティングされていることを特徴とする少なくとも請求項１に記載の装置。
9. 画像処理光学系の要求も、レーザ距離センサの要求も、明視野入射光照明の要求も満たすレンズ（１４、１６、１８、２０、２２、２４、５８、６０、６２、６４、７６、７８、８０、８８）が、受け（２６、２８、３０、６８、７０、７２、７４）に配置されていることを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の装置。
10. １つの光路が通る各レンズないしは複数の光路が通るレンズが、それぞれ同じ光学的性質を有することを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の装置。
11. レンズが、これを通る光の色に応じて、コーティングにより最適化されていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 画像処理光路が通るレンズ（１４、１８、２２、５８、６０、６２、６４）が高級な光学的性質を有し、単数又は複数の別のレンズがそれより低級の光学的性質を有し、これらがおおむね同じ公称パラメータを有することを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の装置。
13. レンズ（１４、１６、１８、２０、２２、２４、５８、６０、６２、６４、７６、７８、８０、８８）を通る光路が、ミラー系によって物体側で共通の光路に合流させられることを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の装置。
14. レンズ（１４、１６、１８、２０、２２、２４、５８、６０、６２、６４、７６、７８、８０、８８）を収容する移動可能な受け（２６、２８、３０、６８、７０、７２、７４）に加えて、移動可能な絞りが組み入れられ、絞りが対物レンズの調整のために必要な場所に、テレセントリック光学系が実現されるように配置されていることを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の装置。
15. テレセントリック絞りが必要に応じて光路に出し入れできるように配置されていることを特徴とする上記請求項の少なくとも１つに記載の装置。
16. テレセントリック絞りを開放又は閉鎖により実際に光路に入れ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つに記載の装置。
    

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