JP2017519204A - 物体の幾何学的な計測装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、物体（１４）の幾何学的な計測装置および方法に関し、これは、・基部（１１）、および、これに配置されている、物体（１４）用の担体装置（１２）と、・基部（１１）に対して固定可能な少なくとも１つの参照物体（１８、２０）と、・参照物体（１８、２０）と、物体（１４）の参照物体（１８、２０）側の表面（１４ａ、１４ｂ）との間の距離を測定可能である少なくとも１つの距離計測装置（７０）と、・物体（１４）が固定可能であり、上面（１０４）および下面（１０６）を有する物体保持部（１００）であって、物体保持部（１００）が、任意選択的に、第１方位（１）と第２方位（２）とで、担体装置（１２）に配置可能である、物体保持部（１００）とを備え、・距離計測装置（７０）および物体保持部（１００）は、物体（１４）の表面（１４ａ、１４ｂ）をスキャンするために、互いに対して相対的に可動であり、物体保持部（１００）は、その上面（１０４）およびその下面（１０６）で、物体保持部（１００）と距離計測装置（７０）との相対移動に対応する参照構造部（１０８、１１０）をそれぞれ１つ有する。

Description

本発明は、物体、とりわけ光学部品、例えばレンズの幾何学的な計測装置に関する。本発明は、さらに、この種の物体の幾何学的な計測を行う相応の方法およびコンピュータプログラムに関する。

とりわけ精密工学技術および光学の領域における、ならびに、機械および電気微細構造の製造技術における産業上の製造プロセスの品質保証のため、ならびに、監視のためにも、加工品または一般的に物体に関して、高分解能での精確な計測がますます必要となっている。

したがって、特許文献１からは、担体上に軸支された物体の少なくとも１つの表面部分の計測装置が公知である。この装置は、担体に対して固定可能な参照物体と、少なくとも１つの第１方向で参照物体に対して可動である保持部とを有する。保持部には、参照体と、距離センサーとが配置されていて、これらの距離センサーは、互いに対して回転可能に軸支されている。測距計は、この場合、物体の表面部分の第１点までの第１距離と、これに対応する参照体の第２点までの第２距離とを測定するように形成されている。この測距計は、この際、物体側の第１距離センサーと、参照体側の第２距離センサーとを有する。これらは、直径方向で互いに反対側に位置合わせされている。

この種の装置を用いて、物体の表面は、非常に精確にかつ非接触で光学的に走査ないしスキャンされうる。

しかし、平坦または屈曲して構成された物体の表面に渡っての厚さ、とりわけ厚さの経過または厚さの輪郭の経過の計測、および、レンズのいわゆるウェッジエラーの測定は、この種の装置では可能ではない。

独国特許１０ ２０１１ ０１１ ０６５ Ｂ４号

この点で、本発明の課題は、とりわけ、物体、典型的には光学レンズの厚さ計測およびウェッジエラーを測定することが可能になるような、物体の幾何学的な計測を行う装置、方法およびコンピュータプログラムを提供することである。この装置により、非常に精確な物体計測が可能になる。この装置は、さらに可能な限り小型で比較的コスト効率の良い構造を特徴とするべきである。

発明および有利な構成
この課題は、特許請求項１に記載の装置、特許請求項１１に記載の方法、および、請求項１５に記載のコンピュータプログラムによって達成される。有利な構成は、それぞれ従属特許請求項の対象物である。

この点で、ここで設けられている装置は、担体装置に軸支された物体を幾何学的に計測するために形成されている。この装置は、とりわけ反射する物体、例えば、レンズの厚さ計測およびウェッジエラー測定に適している。この装置は、基部、および、これに配置されていてかつ物体を軸支する担体装置、ならびに、担体装置に対してないし基部に対して固定可能ないし固定された少なくとも１つの参照物体を有する。

この装置には、さらに距離計測装置が設けられていて、これを用いて、位置固定の参照物体と、物体のこの参照物体側の表面との間の距離が測定可能である。この距離計測装置を用いて、参照物体に対する物体の表面輪郭も導き出されうる。さらに、この装置は、上面と下面とを有する物体保持部を有する。物体保持部には、計測されるべき物体が固定可能である。この際、物体保持部は、任意選択的に第１方位と第２方位で担体装置に配置可能である。典型的には物体保持部は、その上面またはその下面で担体装置に軸支可能、ないし、担体装置に固定可能である。そして、上面および下面のうちの、担体装置に対してそれぞれ逆側の面は、距離計測装置側にあり、その結果、物体保持部の上面または下面に割り当てられている物体の表面は、物体保持部の該当する方位で、距離計測装置を用いてスキャン可能である。

この場合、走査とは、距離計測装置側の、物体の計測されるべき表面の、点での二次元の走査を意味する。距離計測装置と物体保持部とは、物体の表面を走査するために、互いに対して相対的に可動である。物体保持部は、その上面およびその下面に、物体保持部と距離計測装置との相対移動に対応する参照構造部をそれぞれ１つ有する。

物体を物体保持部に固定することにより、典型的には対向し互いに逆側の表面を備えた物体は、物体保持部の参照構造部に対しても固定されている。例えば上面側の物体の表面を走査する時には、典型的には物体保持部の上面に設けられている上方参照構造部が、同様にスキャン可能である。同じことが、物体の対向する表面と、これに従って物体保持部の下面に設けられている下方参照構造部とに該当する。

物体保持部に構成された参照構造部を用いて、物体の対向する表面、典型的には上面および下面の形態の表面が、順々にそれぞれ物体保持部側にある参照構造部と共にスキャン可能となる。したがってこのようにして生成された表面の画像中には、関連する表面に割り当てられた参照構造部の少なくとも１つの部分が必ず備わって含まれる。参照構造部は、このスキャンされた表面の画像中で識別可能である。物体の対向する表面について連続的におよび順々に行われたスキャンプロセス、および、ここで生成された表面画像は、それぞれ物体保持部の上面および下面で形成された参照構造部を用いて、互いに関連づけられうる。

順々に導き出されうる表面画像の、とりわけ物体の対向する表面の姿勢および相互の位置合わせは、このようにして、計算機で互いに割り当てられ、かつ、少なくとも仮想的に３次元で物体を模造するために互いに対して関連づけられる。物体の対向する表面画像を少なくとも仮想的に割り当てることにより、輪郭を導き出し、かつ、物体の厚さを測定することが可能になる。さらに、少なくとも２つの参照構造部が設けられた物体保持部を用いて、物体のウェッジエラーも精確に導き出しうる。

距離計測装置は、典型的には光学的なしたがって非接触の距離計測装置として構成されている。しかし、本発明は、決して光学走査方法に限定されるのではない。したがって、距離計測装置は、同様に触覚性走査装置としても構成可能である。

物体の表面の走査は、様々な様式で行うことができる。物体が参照物体に対して静止し続ける一方で、距離計測装置が、物体の幾何学形状ないし表面輪郭のいずれかに対応して、物体に対してないし担体装置に対して相対的に、少なくとも２次元または３次元でさえのスキャン移動を行うことも考えられうる。当然、逆も考えることができ、距離計測装置が参照物体に対して静止していて、距離計測装置と物体との相対移動のみが、対応する物体保持部の距離計測装置に対する移動により行われることも考えられる。しかし、装置的にも計測技術的にも、組み合わせられた構成が有利であることは明らかであり、距離計測装置も物体も、参照物体に対して規定された移動をしうる。

本発明のさらなるある構成では、物体保持部は、物体用の収容領域の外側で、その上面に上方参照構造部を有し、同様に物体用の収容領域の外側に、その下面に下方参照構造部を有する。物体用の収容領域は、貫通開口を有することができ、その中に、例えば、光学レンズの形態で構成された物体が取り外し可能に配置可能である。収容領域中またはこれに接する位置で、この物体は、典型的には上面が、物体保持部の上面と位置合わせされている。下面では、この物体は、さらに物体保持部の下面と位置合わせされていて、したがって、物体保持部に配置されている。このようにして、物体の上面は、上方参照構造部と共にスキャンされ、その輪郭が導き出されうる。この点は、物体の下面と、物体下面に割り当てられた下方参照構造部とにも同様に該当する。

さらなるある構成によれば、上方参照構造部は、物体の、物体保持部の上面に設けられている表面と共にスキャン可能であり、かつ、下方参照構造部は、物体の、物体保持部の下面に設けられている表面と共にスキャン可能である。物体上面と物体下面とは、物体保持部の方位に応じて、上方ないし下方参照構造部をそれぞれ備えた担体装置においてスキャンされうる。

上方または下方参照構造部を、物体の上面または下面と共にスキャンするとは、必ずしも同時にスキャンすることを意味しない。１つの同じスキャン過程で、まず例えば、上方参照構造部をスキャンし、その後この参照構造部に割り当てられた、物体の上側の表面をスキャンすることも十分可能である。そこで、後続の工程で、物体保持部が第１方位から第２方位に移行し、その後後続のスキャン過程中で、同様に対応する下方参照構造部と、物体の下面とを、同時にまたは連続的にスキャンする。参照構造部のスキャンと、これに関連する物体の表面のスキャンとの間で、物体保持部の方位転換は生じないので、このようにして得られた表面画像は、常に対応する参照構造部に関連づけられている。

双方の参照構造部同士の関係はわかっていて、または較正により導き出されうるので、上方および下方参照構造部に対応する領域を、物体の上方および下方表面画像内に割り当てることにより、物体の対向する表面画像の相互で精確な割り当てを行いうる。この割り当てから、物体の多様で幾何学的なサイズおよび特性、例えば、物体の厚さや、厚さ輪郭やウェッジエラーも測定できる。

さらなるある構成によれば、装置は、さらに制御部を有し、この制御部を用いて、物体の互いに対向する表面であって、物体保持部の上面と下面とに設けられていてかつ距離計測装置を用いてスキャンされる表面が、物体表面と共にスキャンされる上方および下方参照構造部に互いに割り当て可能である。

制御部は、とりわけコンピュータで実装されて構成されている。この制御部は、一方では、距離計測装置と計測されるべき物体との相対移動、およびしたがって物体表面端面の走査を制御しうる。これに加えて、この制御部は、距離計測装置を用いて導き出されうる表面画像を電子的に処理し、このようにして得られた表面画像中で参照構造部を識別することにより、表面画像を相互に割り当てることも、および、ここから由来するデータおよび幾何学的なパラメータを決定することもできる。

制御部を用いて、計測方法をほぼ全自動的におよび／またはプログラムで制御して進めることも可能である。

さらなるある構成によれば、物体保持部は、その上面とその下面との間で、外側からアクセス可能である外側参照構造部を有する。この外側参照構造部は、上方および下方参照構造部のように、好適には物体保持部と距離計測装置との間で行われる相対移動に対応して伸張する。上面および下面に設けられている上方および下方参照構造部を用いて、物体保持部に配置されている物体を、距離計測装置への距離に関して参照を行う一方で、外側参照構造部を用いて、物体保持部と距離計測装置との相対移動に関するさらなる参照を、スキャン過程の間に提供することができる。

担体装置において回転可能に軸支された物体の計測時に、外側参照構造部を用いたこの種の参照は、とりわけ回転対称ではない物体の場合には、特に重要である。とりわけこれにより仮想的な表面画像の横方向の位置ずれ、すなわち、スキャン時に回転する物体の回転軸に垂直の方向での位置ずれが補償されうる。

さらなるある構成によれば、距離計測装置は、平面（ｘ、ｚ）中で、参照物体および担体装置のうちの少なくとも１つに対して相対的に可動である。この平面は典型的には計測面を形成するが、この計測面中では、距離計測装置が、担体装置に対して相対的に、したがって物体に対しても相対的に、また、少なくとも１つの位置固定の参照物体に対しても相対的に可動である。典型的には２つの参照物体は、互いに対して距離をあけて設けられていることができ、これらを用いて距離計測装置の位置測定は、この平面中で、互いに対して固定された双方の参照物体に対して相対的に行われうる。計測されるべき物体の具体的な幾何学的な構成に応じて、例えば、距離計測装置を、参照物体に対して相対的ないし担体装置に対して相対的に、１次元のみでほぼ並進的に可動とすることも考えられうる。

距離計測装置が平面中で可動であることにより、装置には高い柔軟性が与えられる。距離計測装置が二次元で可動であることにより、異なる物体の幾何学的な計測について、普遍的で多様に採用することが可能になる。

さらなるある構成によれば、物体保持部は、担体装置に対して回転可能に軸支されている。物体保持部の回転軸は、この場合、典型的には距離計測装置の計測面中にあり、または、この計測面に対して平行に伸張している。物体保持部を担体装置で回転可能に軸支することは、とりわけ回転対称の物体を計測するには、計測技術的な観点から有利である。担体装置で回転する物体は、距離計測装置により、物体の回転運動時に、半径方向で外側から内側へまたは内側から外側へ走査されないし非接触でスキャンされうる。

さらなるまたは代替となるある構成によれば、さらに物体保持部は、担体装置に対して線形で並進的に軸支されていると考えることができる。物体保持部の並進移動は、この際、典型的には距離計測装置の計測面に対して垂直でまたは所定の角度をとって伸張する。担体装置に物体をこのように並進的に軸支することは、とりわけ段階的なスキャンまたは円柱対称形状である物体（例えば、シリンドリカルレンズ）の走査にとって有利であることが明らかである。この場合、とりわけ、計測されるべき物体の縦軸が、担体装置の並進軸方向と位置合わせされていて、これに従って、物体が物体保持部に配置されているように設けることができる。

さらなるある構成によれば、距離計測装置は、参照物体に対して可動である保持部を有し、この保持部に、参照体と、第１距離センサーと、第２距離センサーとが配置されている。第１および第２距離センサーは、この際、参照体に対して回転可能に軸支されている。距離センサーを回転可能に軸支することは、とりわけ計測されるべき物体表面に対する直交条件を設定するために有利である。

とりわけ距離計測装置ないしその距離センサーと、物体の計測されるべき表面との間の距離を、精確に導き出すことができるために、関連するセンサーを、計測されるべき表面に対して実質的に直交して位置合わせし、その位置合わせを、計測されるべき物体の輪郭に応じて合わせなければならない。このように合わせるために、センサーの並進移動も回転運動も行うべきであろう。空間中の距離センサーの並進移動および位置は、保持部に配置されていて参照物体に対して位置合わせされた少なくとも１つのさらなる距離センサーを用いて、少なくとも１つの参照物体に対して十分高精度で問題なく導き出しうる一方で、センサーの回転ないしひっくり返しは、計測技術的な観点では、問題があることがわかっている。

可動な保持部に参照体を配置して設けることは、距離センサーを旋回可能に軸支しているにも関わらず、精確な距離測定にとっては極めて有利であるが、これは、特許文献１にすでに記載されている通りである。

典型的には第１および第２距離センサーは、互いに固定されて配置されている。第１距離センサーは、装置の作動中に、物体の計測されるべき表面の方向を向いている一方で、第２距離センサーは、典型的には直径方向で逆方向で、参照体側にある。参照体は、双方の距離センサーの回転運動に対応しかつシステム全体でわかっているないし予め較正により導き出された参照面を有し、その結果、直径方向で逆方向で位置合わせされた双方の第１および第２距離センサーを用いて、物体の計測されるべき表面上の選択された点から、計測装置の保持部の参照体までの相対的な距離が測定可能である。

保持部自体は、少なくともすでに述べたさらなる距離センサーを用いて、少なくとも１つの参照物体に対するこのさらなる距離センサーまでの位置に関して、空間中で参照されている。保持部の姿勢は、１つまたは複数の補充の距離センサーを用いて、上述の少なくとも１つの参照物体ないし複数の参照物体に対して、精確に測定可能である。

保持部の参照体の参照面は、例えば実質的に円セグメント様の幾何学形状を備えた凹面鏡として構成可能である。この際、この凹面鏡の中心点は、典型的には距離計測装置の回転軸と、すなわち、第１および第２距離センサーの共通の回転軸と一致しうる。

さらなるある構成によれば、第３の距離センサーとして構成された少なくとも１つの参照センサーが保持部にあり、これを用いて、参照物体に対する保持部の相対的な距離または位置合わせが測定可能である。この参照物体は、この際、距離センサーに対応した典型的に反射する参照面を有する。

この距離計測装置を用いれば、物体の計測されるべき表面の個々のないし複数の点の、装置の保持部の参照体へのないし距離計測装置への相対的な距離が測定可能である。少なくとも１つの参照センサー（これも同様に距離センサーとして形成されている、さらなる第２参照センサー）を用いて、少なくとも１つのまたは複数の参照物体に対する、保持部の相対的な位置または姿勢を精確に測定できる。

距離センサーないし参照センサーは、物体または参照体または参照物体までの距離を、多重波長計測原理を用いて測定するために、典型的には異なる波長の複数の光源と結合されている。この種のヘテロダイン計測方法により、ナノメータ領域およびサブナノメータ領域での分解能での非常に精確な距離計測が可能になり、さらに、ミリメータ領域までの計測結果の一意性の領域が提供されうる。好適には光源として、ほぼ単色レーザが設けられていて、その波長は、１５２０〜１６３０ｎｍの範囲である。典型的には用いられるレーザ波長領域は光学通信スペクトルのＳ、ＣまたはＬ帯にある。しかし、基本的に可視領域および／またはＵＶスペクトル領域の波長も考えられうる。

原理的には、本発明は、１つの波長のみで動作する距離計測装置用にも実装可能である。しかし、多重波長計測方法を用いると、受信信号の一意性領域を明らかにより拡大することが可能である。物体表面から反射された光線の各位相または位相位置は、波長選択的に検出され、電子評価の過程で距離の測定のために処理される。

距離センサーは、さらに光ファイバーで、関連する光源と結合可能である。場合によっては生じうる環境に起因するノイズの影響は、このようにして、最低限まで限定可能である。

さらなる態様によれば、本発明は、さらに、上述の装置を用いた物体の幾何学的な計測方法に関する。ここで、第１工程では、計測されるべき物体が設けられた物体保持部を、第１方位で、計測装置の担体装置に配置する。続く工程では、その後、物体の第１表面と、物体保持部の上方（通常は、距離計測装置側の）参照構造部とを、距離計測装置を用いてスキャンし、かつ、物体とこれに関連する参照構造部との第１表面画像を生成する。

その後、物体保持部を、典型的には裏返しの第２方位で担体装置において配置し、その後、同様の様式で、第１表面に対向して配置された物体の第２表面をも、上方参照構造部とは逆側の物体保持部の下方参照構造部をも、距離計測装置を用いて、第２表面画像を生成するためにスキャンされる。

後続の工程中では、第１および第２表面画像中の上方および下方参照構造部に基づいて、第１および第２表面画像の割り当てを行い、したがって、対応する表面画像中に含有された、物体の各表面を表す計測値が割り当てられうる。この割り当てにより、計測された物体の複数の幾何学的なパラメータを決定可能である。したがって、とりわけ、物体の厚さ、表面についての厚さ輪郭、および、物体のウェッジエラーも精確に導き出され、かつ決定できる。

これのさらなる構成によれば、物体の第１および第２表面のスキャンならびにそれぞれの関連する参照構造部のスキャンは、時間的に順々に距離計測装置を用いてそれぞれ行われる。例えば上方参照構造部の連続的な走査と、これに続く物体の上面とのスキャンは、１つの同じ距離計測装置を用いて行うことができ、その結果、この方法の実施にかかる装置コスト、および、装置の実装にかかる装置のコストを、最低限まで低減することができる。

しかし、基本的に、物体の表面を、物体保持部の割り当てられた参照構造部と共に同時にスキャンすることも考えられる。しかし、この際、相応の距離センサーと、その信号とを、わかっているように確実に固定的に関連づけうる。

さらなる構成によれば、この上方および下方参照構造部のうちの少なくとも１つ、または、物体の表面のうちの少なくとも１つを、物体保持部の外側参照構造部と共にスキャンするように設けられている。この外側参照構造部は、物体保持部の外側縁または外側に存在する。この種の方法は、とりわけ回転対称ではない物体の場合に重要である。さらに、これにより順々に異なる方位で計測された表面画像の、場合によっては生じうる横方向の変位を補償しうる。このようにして、物体を担体装置の回転軸に、絶対的に精確でかつ中央で軸支する要件も減らすことができるので有利でありうる。

この方法のさらなるある構成によれば、少なくとも１つの参照構造部のスキャンと、物体の少なくとも１つの表面のスキャンとを、同じ距離計測装置を用いて行う。このようにして、１つのみの距離計測装置（これは、典型的には直径方向で反対側に位置合わせされた上述の２つの距離センサーを利用する）を用いて、参照構造部も、参照構造部にそれぞれ割り当てられた物体の表面も、精確に計測できる。装置のコストは、この際、限度内に保つことができる。

この方法のさらなるある構成によれば、物体の第１および第２表面画像を相互に割り当てる工程から、少なくとも物体の厚さおよび／または物体のウェッジエラーを導き出す。厚さおよび／またはウェッジエラーの導出は、この場合、典型的には計算機で支援されて行われる。第１および第２表面画像の割り当ては、各表面画像により記録された参照構造部に基づいて行われ、これらの参照構造部の姿勢は互いにわかっている、または、その姿勢は装置の始動時の較正により互いに決められる。

さらに、冒頭で説明した装置は、ここで説明する方法を実施するために設けられていて、用いられうる点に留意するべきである。この限りで、装置について挙げた全特徴および利点は全て、同様にこの方法についても該当し、逆もまた該当する。

さらなる態様によれば、本発明は、さらにコンピュータプログラムに関し、これは、典型的には上述の装置の制御部中で動く。このコンピュータプログラムは、この種の物体の上述の計測装置に基づいて物体の幾何学的な計測のために機能する。

このコンピュータプログラムは、物体の第１表面をスキャンするため、および、第１方位で担体装置に配置されている物体保持部の上方参照構造部をスキャンするためのプログラム手段を有する。

同様に、このプログラム手段は、物体の第２表面と、第２方位で担体装置に配置されている物体保持部の下方参照構造部とをスキャンするためにも形成されている。このプログラム手段は、さらに、物体の第２表面画像を生成するために構成されている。この第２表面画像は、計測されるべき物体の、第１表面画像とは逆側の表面を映す。

コンピュータプログラムは、さらに第１および第２表面画像を、上方および下方参照構造部に基づいて割り当てるプログラム手段を利用可能である。このコンピュータプログラムは、とりわけ、計測された表面画像内で上方および下方参照構造部を識別し、表面画像を、固定されてわかっている関係で互いに置かれている参照構造部に基づいて、少なくとも仮想的に重畳させるように形成されている。この重畳から、物体の表面および空間の非常に精確な再構成が可能になり、これから、物体の表面についての厚さ輪郭も、物体のウェッジエラーも測定可能になる。

ここで、さらに留意すべきであろう点は、このコンピュータプログラムは、とりわけ上述の方法をこれも同様に上述の装置を用いて実施するのに適切であり、このために独自に形成されていると言う点である。このコンピュータプログラムは、典型的には装置の制御中に実装されていて、この点に関して制御部により実行可能である。このコンピュータプログラムは、距離計測装置を用いて導き出されうる表面画像の評価のみに役立つのではなく、さらに物体の表面画像の生成のためのスキャン過程も自動的に制御可能である。

装置および方法に関連して説明した全ての特徴および利点は、ここで挙げたコンピュータプログラムについても同様に該当し、また逆も該当することを、さらに留意すべきである。

さらなる目的、特徴および有利な応用の可能性については、図を参照した実施形態の説明に基づき説明する。

物体の幾何学的な計測装置の斜視図である。 図１に記載の装置の側面図である。 この距離計測装置の基本的な計測原理の概略図である。 距離計測装置、担体装置および物体保持部の相互配置を少し詳細に示した図である。 物体保持部の斜視図である。 図５に記載の物体保持部であって、これに配置された物体担体を備えたものの斜視図である。 物体保持部であって、これに配置されたレンズを備えたものの断面図である。 第１表面画像を導き出す際の装置の概略図である。 第１表面画像の概略図である。 第２表面画像を導き出す際の装置の概略図である。 図１０に記載の構成に対応する第２表面画像の図である。 図９および図１１中で図示された表面画像を重畳した図であるが、第２表面画像は垂直方向に映された図である。 真のウェッジエラーを有するレンズを計測する際の装置のさらなる概略図である。 図１３に記載の構成中で計測されたレンズの第１表面画像を示す図である。 図１３に記載の構成の図示であるが、担体装置に別の方位で軸支された物体保持部を備えた構成の図である。 図１５に記載の構成に対応する表面画像の図である。 レンズのウェッジエラーを導き出すために、図中に図示された双方の表面画像の重畳の概略図である。 物体の幾何学的な計測方法のフローチャートである。

図１〜３中の異なる図で示された計測装置１０は、２つの位置固定で互いに対して固定された、この場合では互いに対して直交して位置合わせされた参照物体１８、２０を有し、これらのうちで、参照物体１８は実質的に第１方向（ｘ）に伸張していて、第２参照物体２０は、これに対して垂直の方向（ｚ）に伸張している。双方の参照物体１８、２０において、個々の参照面２２、２４が設けられていて、これらは、典型的には鏡面としてまたは反射面として形成されている。

この装置１０は、さらに回転可能に軸支された担体装置１２を有し、この担体装置に、計測されるべき物体１４、例えば光学部品、例えばレンズ１４が配置可能かつ固定可能である。物体担体１２およびこれに解除可能に固定可能な物体保持部１００は、この際回転軸１６の周りで回転可能に軸支されている。さらに計測装置１０は、計測面と称されるｘ−ｚ面中で可動である保持部２６を有し、この保持部が、基部１１において、計測面（ｘ、ｚ）に対して可動である。

計測装置１０は、基部１１と、これに対して固定された枠部２０４とを有し、この枠部は、基部に配置されている担体装置１２上にかかっていて、かつ、基部１１において可動でかつ変位可能に配置されている距離計測装置７０用の計測面（ｘ、ｚ）を規定している。この枠部２０４は、２つの側方での脚部２０５、２０６と、担体装置１２のうちの１つの上方で脚部２０５、２０６間に伸張する連結梁２０８とを有する。連結梁２０８の下面には、参照物体のうちの１つ１８が配置されている一方で、上方向に突出する脚部２０５においては、第２参照物体２０が配置されている。枠部２０４を用いて、参照物体１８、２０は、基部１１に位置固定で配置されている。

保持部２６は、ここではより詳細には記さない基板を有し、この基板に、参照体２８と、２つの距離センサー３４、３６を回転可能に軸支するための軸受３２とが配置されている。参照体２８は、距離センサー３４、３６のうちの１つ側の、この場合にはおよそ円筒内壁状に形成された鏡面または参照面３０を有する。この面は、好適には凹面鏡として形成されている。参照面３０の輪郭は、計測装置１０を較正するために精確に計測されるべきである。この輪郭と、参照面３０上で走査されるべき個々の点４４とは、その位置に関してわかっていて、制御部６０の評価ユニット中に格納されている。

参照体２８を保持部２６に配置するのは、水平方向に伸張するブーム２６ａを介して行われる一方で、距離計測装置７０の保持部２６への配置は、これに対して平行に伸張していてかつ基部１１に回転可能に配置されているブーム２６ｂを介して行われるが、これは、図２の側面図で示されている通りである。

逆方向に位置合わせされた２つの距離センサー３４、３６を有する距離計測装置７０は、回転軸３３に対して回転可能に軸受３２に保持されている。回転軸３３は、この際、好適には、双方の参照物体１８、２０によって張られた平面（ｘ、ｚ）に直交している。物体１４の方向を向いた距離センサー３４は、この場合、好適には多重波長センサーとして形成されているが、これは、物体１４の計測されるべき表面上の選択された第１点４２への絶対的な距離を測定するために形成されている。

双方のセンサー３４、３６は、ここで互いに対して固定されている。さらに、これらは、回転軸３３に対して直径方向で互いに位置合わせされている。したがって、センサー３４の位置合わせが変化すると、常にセンサー３６の対応する方向変化が伴う。

この際、センサー３４は、反射配置で計測を行う。すなわち、計測点４２に向けられた計測光線は、等しく映され、センサー３４により検出され、最後にセンサー３４と結合された（図１に示唆された）制御部６０のセンサーユニットないし検出ユニットに戻される。計測されるべき物体１４の輪郭に応じて、および、物体１４に対する保持部２６の相対的な位置付けに応じて、センサー３４の位置合わせないし方位を変えることができる。しかし、距離センサー３４、３６の回転軸３３の周りでの回転は、保持部２６に対する距離センサー３４の位置ずれをもたらしうる。

第２距離センサー３６が第１センサー３４とは逆の方向で、参照体２８の参照面３０に対して位置合わせされていることにより、例えば、距離計測装置７０の回転運動により必然的に引き起こされる、わかっている参照体２８に対する位置ずれが精確に計測され、受信ないし検出される計測信号が電子評価の過程で補償される。

センサー３４が、例えば回転により、例えば、物体１４の方向へ位置ずれすると、これにより計測されるべき距離３８が小さくなる。しかし、この種の位置ずれにより、同時に、対向するセンサー３６と静止している参照面３０との間の第２距離４０も定量的に同じ大きさだけより大きくなる。このようにして、距離計測装置７０の場合によっては生じうる回転により生じる位置の不正確さが、第２距離センサー３６により、参照面３０上で選択された第２計測点４４に対する第２距離４０を計測することにより精確に補償されうる。

参照物体１８、２０に対する保持部２６の位置は、参照センサーと称される、さらなる２つの距離センサー５０、５２を用いて行われる。これらのセンサーは、それぞれ各参照物体１８、２０へのｚ方向の距離４８、ないし、ｘ方向の距離４６を導き出す。この際、これらの参照センサーも、多重波長センサーとして構成可能である。

参照体２８の幾何学形状ないし位置に対する距離センサー３４、３６の位置合わせは、物体の表面１４上の計測されるべき点４２により明らかになる。この場合、適切なセンサーおよび電気機械的設定装置を用いて、物体１４側の距離センサー３４を、常に各点４２に対して直交するように位置合わせすることが考えられうる。この場合に設定された第１および／または第２距離センサー３４、３６の角度は、その後、距離４０の測定のために使用可能である。

所定の角度に対して実際に計測された距離値４０は、較正プロセスの経過中に受信される参照値と比較できる。この差異から、計測された距離３８の長さの修正が直接得られる。

図５〜７中に、担体装置１２において回転可能である物体保持部１００を概略的に示す。物体保持部１００は、周囲にある閉じている参照リング１０２を有する。この参照リング１０２は、上面１０４と、この上面１０４とは逆方向にある下面１０６とを有する。上面１０４には、図７中に示すように、周囲にある上方参照構造部１０８が形成されている。これと同様に、対向する下面１０６にも、周囲にある下方参照構造部１１０が形成されている。参照構造部１０８、１１０は、リング形状の参照面として構成可能である。基本的には、半径方向の伸張が比較的より小さい参照リングとしての構成も可能である。

半径方向での内側で、参照リング１０２は、内側に突出するフランジ１１４を有し、このフランジは、ディスク様式で構成された物体担体１１６を配置するために機能する。内側に突出するフランジ１１４には、例えば互いに等距離をあけて配置されている３つの固定箇所１２０が設けられていて、この固定箇所が、ディスク様式の物体担体１１６の固定箇所１１８と対応し、かつ、これに従って物体担体１１６の固定箇所１１８と重複しうる。物体担体１１６は、異なる大きさで、かつ異なる厚さの計測されるべき物体１４用のある種の取り付けアダプタとして機能しうる。

半径方向の中心では、このディスク様式で構成された物体担体１１６が、貫通開口の形状で構成された収容領域１２４を有する。この収容領域１２４の開口縁部は、さらに半径方向で内側に突出するフランジ１２８が備えられているが、これは、図６の断面図から明らかである通りである。さらに、収容領域１２４の開口縁部には、雌ねじ１２６が設けられていて、この中に、対応する雄ねじ１２７が設けられた固定リングがねじ込可能である。この固定リング１３０と、半径方向で内側に突出するフランジ１２８との間に、計測されるべき物体１４が配置できる。

この物体は、典型的にはこの固定リング１３０を用いて、物体担体１１６に、およびしたがって物体保持部１００にも固定可能になる。参照リング１０２の上面１０４にも下面１０６にも、それぞれマーキング１２２が配置されていて、これを用いて、物体保持部１００が担体装置１２における回転軸１６に対して規定の角度位置に配置可能である。

物体担体１１６への移行部で、参照リング１０２は、上面１０４に、周囲にある面取り部１４０を有し、これに対応してないし対称的に構成される面取り部１４２を下面１０６に有する。これらの面取り部１４０、１４２を用いて、物体保持部１００は、典型的にはこれに対応する面取り部１４４を備えた、担体装置１２の軸受部材１３で芯出しをして、異なる双方の方位１、２で配置可能である。

図８〜１２の順で、物体１４の幾何学的な計測方法を図示する。図８の構成では、物体保持部１００が第１方位１で担体装置１２に軸支されている。上面１０４は、この場合、３つの異なる位置に図示された距離計測装置７０側にある一方で、下面１０６は距離計測装置７０とは逆側に配置されている。

図９中で概略的な示された表面画像４を測定するために、物体保持部１００は、図１中で概略図示された回転軸３に対して回転させられる一方で、図８および図１０中では概略的にのみ図示された距離計測装置７０の、表面１４ａ側の距離センサー３４は、この表面１４ａを、半径方向で外側から半径方向で内側に向かって、非接触で走査する。この走査の経過中に、上方参照リング１０２の上面１０４にある上方参照構造部１０８も走査ないし計測される。このようにして導き出されうるないし計測可能である、かつ、図９中で概略的に図示される表面画像４は、したがって、走査された参照構造部１０８の画像１０８ａと関連している。

これに対してほぼ同一の手順を、その後、図１０および図１１で図示されるように、物体保持部１００の下面１０６についてもそれぞれ行う。物体保持部１００を、その第２方位２で、この場合、裏返して担体装置１２に軸支して、および、再度回転軸３に対して変位させる。同様に、ここでも距離計測装置７０は、下方参照構造部１１０を走査し、これに続いて、物体１４の下方表面１４ｂを走査する。ここで、下方の表面画像５が導き出されるが、これは、図１０中に概略的に描写した通りである。ここでも、物体の表面１４ｂの計測された輪郭ないし構造は、下方参照構造部１１０の画像１１０ａに直接関連づけられている。

図９および図１１で点線で描写された領域（これは、参照構造部１０８ａ、１１０ａの水平方向で図示された上方および下方画像と、表面画像４、５の半径方向で中央にある領域との間にある）は、物体担体１１６の半径方向の伸張に相当し、図８および図１０の概略的な図示中では、ほぼフェードアウトされている。

図１２中、前もって撮像された双方の表面画像４、５が、互いに関連づけられ、かついわゆる重畳される。図１１中で示された表面画像５は、物体保持部１００の第２方位２で撮像されたので、この表面画像は、図１２中で垂直の方向で映され、表面画像５’として図示される。上方参照構造部１０８と下方参照構造部１１０との間にある左右で外側にある点線は、物体保持部１００のわかっているないし予め較正された厚さＤを示す。

図１２に記載された双方の表面画像４、５の重畳からは、厚さｄないし厚さ輪郭が、例えば回転対称である物体１４の半径の関数として精確に測定可能である。

図１３〜１７の順で、レンズを例にした物体のウェッジエラーの導出について、概略的に示す。上で図８〜１２について説明した物体保持部１００の上面１０４および下面１０６のスキャンに補充して、ここでは、補充して参照リング１０２の半径方向で外側を向いた外側１１１における、外側参照構造部１１２の走査が行われる。この外側参照構造部１１２は、上方および下方の参照構造部１０８、１１０に対して固定的でわかっている関係にある。図１３に記載の構成では、物体保持部１００の上面１０４およびその中に配置されている物体１４が計測されるが、この構成中では、外側参照構造部１１２（これは、図１３中で図示される表面画像４では、画像１１２ａとして垂直の線で示されている）の計測ないし走査も同時にまたは連続的に行われる。

さらに、図１４に記載の表面画像４中には、計算機により導き出された物体表面１４ａの対称軸６が図示されている。物体保持部１００を反転させ、裏返した後に、新たにスキャン方法を実施し、ここでも、外側参照構造部１１２を、この場合は下方参照構造部１１０および物体の下面１４に補充してスキャンする。さらなる下側の表面画像５が生じ、その中では、外側参照構造部１１２と、下側参照構造部１１０と、物体１４の下側表面１４ｂの画像とが描かれている。図１５の図示中では、補充して物体１４の下側表面１４ｂのコンピュータで導き出された対称軸７が図示されている。

図１６では、前もって別々に図１４および図１６中で示された双方の表面画像４、５の重畳が再度概略的に示され、ここでも、下面１０６に割り当てられた表面画像５が映されている。外側参照構造部１１２を用いて、別々に互いに依存せず撮像された２つの表面画像４、５が、半径方向、すなわち、図１６での図示に対して水平方向で、互いに重複して精確に位置付け可能であり、その結果、半径方向（ｒ）でも、表面画像４、５’の精確な割り当てを行うことができる。

その後、それぞれ表面画像４、５について算出された対称軸６、７の異なる傾斜角度α１、α２から、物体１４のウェッジエラーが測定可能になる。

最後に、図１８中では、物体１４の幾何学的な計測方法の流れを概略的に述べる。第１工程３００では、計測されるべき物体１４が設けられた物体保持部１００を、その第１方位１で担体装置１２に配置する。後続の工程３０２では、距離計測装置７０側の物体１４の第１表面１４ａと、物体保持部１００の同じ側にある物体保持部１００の上方参照構造部１０８をスキャンする。

さらなる工程３０４では、物体保持部１００を裏返し、その第２方位２に移行させ、この位置で、物体保持部１００の下面１０６が、距離計測装置７０側にある。これに続く工程３０６では、工程３０２に相当するように、第２表面１４ｂしたがって物体１４の下面を、物体保持部１００の下方参照構造部１１０と共に距離計測装置７０を用いてスキャンする。ここで、第２表面画像５が生成される。

最後の工程３０８では、連続して得られた第１および第２表面画像４、５を、上方および下方参照構造部１０８、１１０に基づいて互いに割り当てる。計測されるべき物体を、表面画像４、５の重畳により、計算機により支援されて、ほぼ仮想的に模造し、高精度で、その厚さ輪郭に関して、および、そのウェッジエラーに関して計測可能である。

図１での図示は、回転可能に軸支された物体保持部１００を示しているが、とりわけ図７〜１６中の概略的な図示では、物体保持部１００を、図示された図平面から出て、中へ入る並進的な位置ずれをさせて移動させることも考えられる。この点は、とりわけ例えばシリンドリカルレンズの計測についても設けられている。物体１４を回転可能に軸支するのに代えて、ここでは、ｙ方向での位置ずれで、すなわち、観察者の面に対して垂直の方向で、および、距離計測装置７０の計測面（ｘ、ｚ）に垂直の方向で、物体を段階的に位置ずれさせることができる。

１ 方位
２ 方位
３ 回転軸
４ 表面画像
５ 表面画像
６ 対称軸
７ 対称軸
１０ 装置
１１ 基部
１２ 担体装置
１３ 軸受部材
１４ 物体
１４ａ 表面
１４ｂ 表面
１６ 回転軸
１８ 参照物体
２０ 参照物体
２２ 参照面
２４ 参照面
２６ 保持部
２８ 参照体
３０ 参照面
３２ 軸受
３４ 距離センサー
３６ 距離センサー
３８ 距離
４０ 距離
４２ 計測点
４４ 計測点
４６ 距離
４８ 距離
５０ センサー
５２ センサー
６０ 制御部
７０ 距離計測装置
１００ 物体保持部
１０２ 参照リング
１０４ 上面
１０６ 下面
１０８ 上方参照構造部
１０８ａ画像
１１０ 下方参照構造部
１１０ａ 画像
１１２ 外側参照構造部
１１２ａ 画像
１１４ フランジ
１１６ 物体担体
１１８ 固定箇所
１２０ 固定箇所
１２２ マーキング
１２４ 収容領域
１２６ 雌ねじ
１２７ 雄ねじ
１２８ フランジ
１３０ 固定リング
１４０ 面取り部
１４２ 面取り部
１４４ 面取り部
２０４ 枠部
２０５ 脚部
２０６ 脚部
２０８ 連結梁

Claims (16)

1. 物体（１４）の幾何学的な計測装置であって、
   基部（１１）、および、これに配置されている、前記物体（１４）用の担体装置（１２）と、
   前記基部（１１）に対して固定可能な少なくとも１つの参照物体（１８、２０）と、
   前記参照物体（１８、２０）と、前記物体（１４）の前記参照物体（１８、２０）側の表面（１４ａ、１４ｂ）との間の距離を測定可能である少なくとも１つの距離計測装置（７０）と、
   前記物体（１４）が固定可能であり、上面（１０４）および下面（１０６）を有する物体保持部（１００）であって、前記物体保持部（１００）が、任意選択的に第１方位（１）と、第２方位（２）とで、前記担体装置（１２）に配置可能である、物体保持部（１００）と、
   を備え、
   前記距離計測装置（７０）および前記物体保持部（１００）は、前記物体（１４）の前記表面（１４ａ、１４ｂ）をスキャンするために、互いに対して相対的に可動であり、前記物体保持部（１００）は、その上面（１０４）およびその下面（１０６）で、物体保持部（１００）と距離計測装置（７０）との相対移動に対応する参照構造部（１０８、１１０）をそれぞれ１つ有する、
   装置。
2. 前記物体保持部（１００）は、前記物体（１４）用の収容領域（１２４）の外側に、その上面（１０４）に上方参照構造部（１０８）を有し、その下面（１０６）に下方参照構造部（１１０）を有する請求項１に記載の装置。
3. 前記上方参照構造部（１０８）は、前記物体保持部（１００）の前記上面（１０４）に設けられている、前記物体（１４）の表面（１４ａ）と共にスキャン可能であり、かつ、前記下方参照構造部（１１０）は、前記物体保持部（１００）の前記下面（１０６）に設けられている、前記物体（１４）の表面（１４ｂ）と共にスキャン可能である請求項２に記載の装置。
4. さらに制御部（６０）が備えられていて、前記制御部を用いて、前記物体（１４）の互いに対向する表面（１４ａ、１４ｂ）であって、前記物体保持部（１００）の上面（１０４）と下面（１０６）とに設けられていてかつ前記距離計測装置（７０）を用いてスキャンされる表面（１４ａ、１４ｂ）が、前記物体表面（１４ａ、１４ｂ）と共にスキャンされる上方および下方参照構造部（１０８、１１０）に互いに割り当て可能である請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記物体保持部（１００）は、その上面（１０４）とその下面（１０６）との間で、外側からアクセス可能である外側参照構造部（１１２）を有する請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記距離計測装置（７０）は、平面（ｘ、ｚ）中で、参照物体（１８、２０）および担体装置（１２）のうちの少なくとも１つに対して相対的に可動である請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記物体保持部（１００）は、前記担体装置（１２）に対して回転可能に軸支されている請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記物体保持部（１００）は、前記担体装置（１２）に対して、線形で並進的に軸支されている請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記距離計測装置（７０）は、前記参照物体（１８、２０）に対して可動である保持部（２６）を有し、前記保持部に、参照体（２８）と、第１距離センサー（３４）と、第２距離センサー（３６）とが配置されていて、かつ、前記第１および前記第２距離センサー（３４、３６）は、前記参照体（２８）に対して回転可能に軸支されている請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
10. 距離センサーとして構成された少なくとも１つの参照センサー（４６、４８）が前記保持部（２６）に配置されていて、前記参照センサーを用いて、前記参照物体（１８、２０）に対する前記保持部（２６）の相対的な距離（４６、４８）および／または位置合わせが測定可能である請求項９に記載の装置。
11. 上記請求項のいずれか１項に記載の装置を用いた物体（１４）の幾何学的な計測方法であって、以下の工程、すなわち、
    計測されるべき物体（１４）が設けられた物体保持部（１００）を、第１方位（１）で前記担体装置（１２）に配置する工程と、
    前記物体（１４）の第１表面（１４ａ）と、前記物体保持部（１００）の上方参照構造部（１０８）とを、前記距離計測装置（７０）を用いてスキャンし、かつ、第１表面画像（４）を生成する工程と、
    前記物体保持部（１００）を、第２方位（２）で前記担体装置（１２）に配置する工程と、
    前記物体（１４）の第２表面（１４ｂ）と、前記物体保持部（１００）の下方参照構造部（１１０）とを前記距離計測装置（７０）を用いてスキャンし、第２表面画像（５）を生成する工程と、
    前記第１および第２表面画像（４、５）を、前記上方および下方参照構造部（１０８、１１０）に基づいて割り当てる工程と、
    を含む方法。
12. 前記第１および第２表面（１４ａ、１４ｂ）のうちの１つと、それぞれに関連する参照構造部（１０８、１１０）とのうちの１つをスキャンする前記工程は、前記距離計測装置（７０）を用いて時間的に順々に行う請求項１１に記載の方法。
13. 上方および下方参照構造部（１０８、１１０）のうちの少なくとも１つ、または、前記物体（１４）の表面（１４ａ、１４ｂ）のうちの少なくとも１つを、前記物体保持部（１００）の外側参照構造部（１１２）と共にスキャンする請求項１１または１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 少なくとも１つの参照構造部（１０８、１１０、１１２）の前記スキャン工程と、前記物体（１４）の少なくとも１つの表面（１４ａ、１４ｂ）の前記スキャン工程とを、同じ距離計測装置（７０）を用いて行う請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 第１および第２表面画像（４、５）を相互に割り当てる工程から、前記物体（１４）の少なくとも厚さおよび／または前記物体（１４）のウェッジエラーを導き出す請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 上記請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置を用いて、物体（１４）を幾何学的に計測をするためのコンピュータプログラムにおいて、
    前記物体（１４）の第１表面（１４ａ）と、第１方位（１）で前記担体装置（１２）に配置されている前記物体保持部（１００）の上方参照構造部（１０８）とをスキャンし、前記物体（１４）の第１表面画像（４）を生成するためのプログラム手段と、
    前記物体（１４）の第２表面（１４ｂ）と、第２方位（２）で前記担体装置（１２）に配置されている前記物体保持部（１００）の下方参照構造部（１１０）とをスキャンし、前記物体（１４）の第２表面画像（５）を生成するためのプログラム手段と、
    前記第１および前記第２表面画像（４、５）を、前記上方および下方参照構造部（１０８、１１０）に基づいて割り当てるプログラム手段と
    を備えたコンピュータプログラム。

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