JP2018116058A - 少なくとも１つの長さ測定量を測定する測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はワークピースの長さの測定量を決定するための測定装置（１０）と方法に関する。【解決手段】レーザ干渉計（２４）が、第１のレーザ測定ビーム（Ｌ１）と第２のレーザ測定ビーム（Ｌ２）によって、第１の空間方向（ｘ）における第１のリフレクタ（２５）からのレーザ干渉計（２４）の距離を表す第１の測定信号（Ｓ１）と、第１の空間方向（ｘ）における第２のリフレクタ（２６）からのレーザ干渉計（２４）の距離を表す第２の測定信号（Ｓ２）とを生成する。プローブ系平面（Ｅ）は、搬送部（１３）又はプローブユニット（１８）に対して第１の空間方向（ｘ）に不動であり、かつこの第１の空間方向（ｘ）に対して直角に延在する。したがってプローブ系平面（Ｅ）は、第１のリフレクタ（２５）及び第２のリフレクタ（２６）からのレーザ干渉計（２４）の距離によって決定可能な第１の空間方向（ｘ）の位置を有する。【選択図】図１

Description

本発明はワークピースの少なくとも１つの長さ測定量を測定するための測定装置及び方法に関する。この目的のための測定装置は、長さ測定量を測定するために機械的接触あるいは例えば光学的な非接触にてワークピースを探測可能なプローブユニットを有する。例えばワークピースの外径、内径、外形などが測定可能である。

独国特許出願公告第１５８８０１８（Ｂ２）号（特許文献１）明細書にはクロススライド（横送り台）の位置決めのための装置が開示されている。この装置は、クロススライドの位置を決定するために光学画像システムにより作用する。測定精度を改善するために、光電干渉計又は光電顕微鏡の形態の測定システムも知られている。

干渉法による測定の場合には、通常は空気である光ビームが伝播する媒体の屈折率を決定する必要がある。この目的のために外部の高精度屈折計が使用可能である。しかし干渉計の測定ビームは、屈折計が屈折率を測定する場所を通る訳ではない。その上屈折率は、干渉計による長さ測定に同期しては決定されない。屈折率は、例えばエアーカーテンなどの周囲の影響の変化、空気組成の変化、温度変化などにより影響されるので、屈折率が干渉計の測定に同期して決定されないこと及び干渉計測定とは物理的に離間して測定が遂行されることの結果として、測定の不正確さが存在する可能性がある。

独国特許出願公告第１５８８０１８（Ｂ２）号

したがって本発明の目的は、従来技術を進めて、高精度の長さ測定を可能とする測定装置及び方法を創生することである考えられる。

この目的は、請求項１に記載の特徴を有する測定装置、及び請求項１７に記載の特徴を有する方法によって達成される。

測定装置は、搬送部が少なくとも１自由度で移動可能に取付けられた台座を有する。搬送部は好ましくは少なくとも１つの直線自由度で移動可能である。位置決め装置は少なくとも１自由度で搬送部を移動させて位置決めするようになっている。

測定装置はさらに搬送部上に配置されたプローブユニットを有する。プローブユニットは、長さの測定量を測定するためにワークピースを探測するようになっている。ワークピースは機械的に接触して、又は非接触で具体的には光学的に、探測可能である。ワークピースに接触して探測するプローブユニットは、プローブアームを持ったプローブチップを有し、プローブアームの自由端にワークピースを探測するプローブ本体又はプローブチップがある。光学的に探測するプローブユニットは、発光素子と、発光素子により放射されてワークピースで反射された光を受光する受光素子とを有する。

プローブユニットを搬送する搬送部は、搬送部に対するその相対位置が固定されているプローブ系平面を画定する。プローブユニットは実際に搬送部上に、例えば回転可能又は直線移動可能なような移動可能に配置できる。ただし、プローブユニットは搬送部に対してプローブ系平面に直交する自由度での移動はできないようになっている。プローブ系平面の広がりに対する直角の自由度でプローブ系平面の位置を決定することで、長さ測定量の測定のための、プローブユニットと例えばプローブ本体又はプローブチップの位置がこうして決定可能である。

測定装置は少なくとも１つの干渉計装置を有している。干渉計装置はいずれも、少なくとも１つのレーザ干渉計（二重干渉計）と第１のリフレクタと第２のリフレクタを有する。レーザ干渉計（二重干渉計）は、第１のレーザ測定ビームを第１の放射方向の第１のリフレクタに向けて放射し、かつ第２のレーザ測定ビームを第２の放射方向の第２のリフレクタに向けて放射するように設計されている。第１の放射方向と第２の放射方向は反対向きとなっている。第１と第２の放射方向はプローブ系平面に対して直交している。

レーザ干渉計（二重干渉計）が測定中に動かないように搬送部に配置されている場合には、第１のリフレクタと第２のリフレクタは測定中に台座上で動かないように配置されている。あるいはまたその逆である。したがって、測定中に搬送部が台座に対して移動すると、レーザ干渉計（二重干渉計）とリフレクタは相対運動する。リフレクタは、例えば台座に直接配置するか、又は間接的に、具体的には測定フレームによって台座に配置することができる。干渉計（二重干渉計）及び／又はリフレクタは搬送部又は台座上に固定的に結合されるのではなく、調整の目的のために、測定時を除く測定の前後において制御された方法で移動または調節が可能である。

レーザ干渉計（二重干渉計）はさらに、第１のリフレクタで反射された第１のレーザ測定ビームと、第２のリフレクタで反射された第２のレーザ測定ビームとを受光するように設計されている。２つの反射されたレーザ測定ビームは、干渉計では周知のように、参照レーザビームと重畳されて干渉状態がもたらされる。レーザ測定ビームが通った光路を基に、レーザ干渉計と第１のリフレクタの間の距離、及びレーザ干渉計と第２のリフレクタの間のもう一つの距離が、評価ユニットにおいて別々に決定可能である。これらの決定された各距離は、第１のリフレクタからのプローブ系平面の第１の距離と、第２のリフレクタからのプローブ系平面の第２の距離もまた表す。評価ユニットは、リフレクタ及び／又は台座に対するプローブ系平面の位置を決定するように設計されている。

２つのリフレクタ間の距離は既知である。測定値に対して有害である環境条件の変化は、特にリアルタイムであり、かつその上に干渉計測定と同じ地点での２つのレーザ測定ビームによる測定からの冗長情報によって識別可能である。したがって、プローブ系平面の位置を決定するときに周囲の影響を考慮にいれること及びリアルタイムで測定の補正を遂行することが可能である。

評価ユニットは例えば、第１のリフレクタからのプローブ系平面の第１の距離と、第２のリフレクタからのプローブ系平面の第２の距離を決定するように設計可能である。第１の距離と第２の距離の合計は、第１のリフレクタと第２のリフレクタとの間の既知の反射距離を特徴づけ、又はそれに対応する。合計距離が変化した場合、例えば測定装置の長さの変化（ドリフト）のため、及び／又は第１と第２のレーザ測定ビームの測定光路内での光の波長の影響のため、などの周囲の影響により測定が損なわれてしまったと結論することができる。

さらには評価ユニットを、合計距離の変化に基づいて補正された第１の距離及び／又は補正された第２の距離を計算するように設計することも可能である。補正された第１の距離と補正された第２の距離の両方が計算されると、これらの２つの補正値を一緒に用いて、プローブ系平面の補正位置を決定することが可能である。こうして誤差は更に低減可能である。例えば、補正された第１の距離で決定される位置と補正された第２の距離で決定される位置との間の中間位置を、プローブ系平面の補正位置として決定することが可能である。

好適な実施形態では、測定装置には２つの別々の干渉計装置がある。２つのレーザ干渉計装置のレーザ干渉計は、相互に距離を置いてプローブ系平面に平行に配置される。２つのレーザ干渉計は好ましくは、プローブ系平面に直交して、プローブユニットを通る中央面からそれぞれ等距離にある。中央面からのレーザ干渉計の距離が等しくない場合、その差を知ることが必要であり、そうすれば補正でそれに応じた考慮をすることが可能である。ワークピースは、この中央面内で機械的接触か非接触のいずれかでプローブユニットによって探測される。中央面はいわば仮想アッベ面に対応する。プローブユニットはレーザ干渉計のレーザ測定ビームを用いた直線上でワークピースを探測するわけではないが、結果的に測定の不正確さは回避できる。

空間方向に相互のある距離を置いて配置され、同じ更なる空間方向に測定する複数の干渉計装置によれば、これら２つの空間方向に対して直交する軸を中心とする、特にスライド装置におけるアライメント誤差、回転、傾斜位置などは、追加的に識別可能である。

単一干渉計装置だけが提供されることも可能であり、これはプローブユニットを通る中央面内に配置されてプローブ系平面に直交する方向を向いている。

評価ユニットには、例えば初期値として空気の屈折率が指定される。これは第１の距離及び／又は第２の距離の決定に必要である。それは、放射された光の波長は屈折率に依存し、また干渉法による長さ測定には光の波長が既知である必要があるからである。屈折率の値に対して指定される初期値は、較正処理時に装置が初期化されるときに一度決定することができる。この目的のために、例えば外部屈折計又は別の装置が利用可能であり、それによって空気の屈折率の値が決定可能である。測定装置及び外部装置はある時間作動される。測定装置と外部装置の測定信号が、周囲条件の変動のために同期して変化すれば、定常状態振動が達成される。この処理で決定された空気の屈折率の値は、評価ユニットへ指定される。屈折率の変化は、測定装置の動作時に干渉計装置によって検出可能であり、測定値の補正に考慮することが可能である。

例えばレーザ測定ビームが遮断されるとか、測定装置に変更が行われたとかの所定のイベントが発生した場合に、屈折率は再び決定されて評価ユニットに指定することができる。

備えられたリフレクタが測定フレーム上に配置される場合には、さらに有利である。このとき測定フレームは台座に動かないように結合される。測定フレームは、温度変化に鈍感な材料で製造可能であり、これは台座の材料とは別であってよい。

リニアガイド及び／又はロータリガイドによる１又は２以上の自由度で位置決め装置が台座上に配置されればさらに有利である。測定フレームは測定装置又はワークピースにより生じるいかなる力も受けない。

好適な実施形態においては、測定フレームは第１の柱を有することができ、その上に第１のリフレクタが配置される。第２の柱を反対側に設けてその上に第２のリフレクタを配置することができる。例えば、柱は直方体形状であってよい。複数の干渉計装置がある場合、測定フレームにはそれに応じて複数の柱の対があり、そのそれぞれは対向して対を成すように配置される。備えられた柱は、測定フレームの共通のベースプレートで相互に結合される。柱とベースプレートは、できれば継ぎ目や接合部のない一様な材料の一体品で製造されることが好ましい。リフレクタは柱及び／又はベースプレートに当てるかねじ止めすることができる。

例えば、鏡をリフレクタとして使用可能である。こうして、反射されたレーザ測定ビームが、たとえレーザ干渉計と関連するリフレクタとの間に大きな距離がある場合でもレーザ干渉計の正確に判定可能な点に接触することが保証される。

さらに好適に実施形態では、干渉計装置の各レーザ干渉計は、第３のレーザ測定ビームを第３の放射方向の第３のリフレクタに向けて放射して、そこで反射された第３のレーザ測定ビームを受光するように設計することができる。第３の放射方向は、第１と第２の放射方向とは直角な方向であって、例えば垂直方向又は水平方向である。少なくとも１つの干渉計装置のレーザ干渉計は、第４のレーザ測定ビームを第３の放射方向とは反対の第４の放射方向にある第４のリフレクタに向けて放射して、第４のリフレクタで反射された第３のレーザ測定ビームを受光するように設計することも可能である。このようにしてプローブユニット又は搬送部の位置を第３及び／又は第４のリフレクタ、又は台座に対する更なる空間方向において追加的に決定することが可能である。ここでこの更なる空間方向は、プローブ系平面に平行及び／又は中央面に平行又は直交する方向である。開発においては、干渉計ユニット毎に６つのリフレクタが備えられて、６つのレーザ測定ビームが相対向する対となって全空間方向の各リフレクタに向けて放射される実施形態もまた有利である。

位置決め装置によってプローブユニットを動かすことのできる直線自由度のそれぞれに対して、上記のような少なくとも１つの干渉計装置を備えることも更に可能である。

この方法の測定装置の有利な実施形態は、従属請求項、明細書、及び図面から明らかとなるであろう。好適な例示的実施形態を添付の図面を参照して以下でより詳細に説明する。

測定装置の例示的実施形態の基本的な概略斜視図である。 図１の測定装置のブロック図的な表示である。 ２つのプローブユニットと本実例では４つの干渉計装置を有する、測定装置のさらなる例示的実施形態のブロック図的表示である。 測定装置に使用可能なレーザ干渉計の基本図である。 レーザ干渉計を用いた、２つのリフレクタに対するプローブ系平面の位置決定法を説明する基本図である。

図１〜図３は測定装置１０の例示的実施形態を示す。測定装置１０は台座１１を有し、これは、基盤面上への測定装置１０の支持に使用される。台座１１は例えば機械フレーム又は鋳造体であってもよい。

台座１１には位置決め装置１２が備えられる。位置決め装置１２は、搬送部１３を台座１１に対して少なくとも１自由度で移動及び位置決めするのに使用される。搬送部１３は例えば、スライド装置１４による３直線自由度で台座１１に対する移動または位置決めが可能である。この目的のために位置決め装置１２は対応する駆動装置を有している。位置決め装置１２は、回転ガイドと駆動装置も有することができる。搬送部１３は最大６自由度まで移動可能である。直線自由度と回転自由度の数は任意である。本明細書に示す例示的実施形態では、搬送部１３は少なくとも１つの第１の空間方向ｘに直線自由度で移動可能であり、所望により他の方向ｙ、ｚにもそれぞれ直線自由度で移動可能である。

プローブユニット１８が搬送部１３上に配置される。プローブユニット１８は、ワークピース（図示せず）を探測して長さの測定量を測定するために使用される。プローブユニット１８は、機械的接触をするプローブユニット１８として、又は非接触で作用するプローブユニット１８として構成可能である。本明細書に示す例示的実施形態では、接触して探測し、かつ先端がボールの形をしたプローブ本体１９を有するプローブユニットが示されている。プローブ本体１９のワークピースへの接触はプローブユニット１８によって識別され、ワークピースにおける長さ測定量が、スタート位置に対するプローブ本体１９の位置、例えば探測方向に対して直交する較正面Ｋからの距離、を基準として測定可能である。

プローブユニット１８は搬送部１３上に第１の空間方向ｘに向けて動かないように配置される。例示的な一実施形態では、第１の空間方向ｘに延在するピボット軸Ｓを中心に、プローブユニット１８を搬送部１３に対して枢動可能であってもよい。第１の空間方向ｘにそれぞれ直交する第２の空間方向ｙ又は第３の空間方向ｚへの直線移動可能性が、所望により、又はピボット軸Ｓを中心にする枢動可能性に替わって、提供されてもよい。

測定装置１０には、少なくとも１つの干渉計装置が、そして図１と図２の例示的実施形態では２つの別々の干渉計装置２３がさらに含まれる。各干渉計装置２３には、レーザ干渉計２４、第１のリフレクタ２５及び第２のリフレクタ２６が含まれる。例えば、リフレクタ２５、２６は鏡で構成される。各レーザ干渉計２４は二重干渉計として実現されており、したがって２つの干渉計ユニットを有している。本明細書に示す例示的実施形態では、第１と第２の各リフレクタ２５、２６は、第２の空間方向ｙと第３の空間方向ｚに広がる平面に平行に延在する。各干渉計装置２３において、第１のリフレクタ２５と第２のリフレクタ２６は対向して対を成して配置される。干渉計装置２３の第１のリフレクタ２５と第２のリフレクタ２６は、台座１１に対して相互に動かないように配置される。

レーザ干渉計２４は、ホルダ２７によって搬送部１３上に動かないように配置される。こうして、レーザ干渉計２４の搬送部１３に対する相対位置は変化しない。搬送部１３は第２の空間方向ｙに不動とすることができるし、あるいは、レーザ干渉計２４が関連する第１のリフレクタ２５と第２のリフレクタ２６との間の領域に位置決めされたままで、かつレーザ干渉計から放射されるレーザ測定ビームがそれらのリフレクタ２５、２６に当たっている限りは可動とすることもできる。搬送部１３は本実施例によれば、スライド装置１２によってすべての空間方向ｘ、ｙ、ｚに可動である。

２つの干渉計装置２３、あるいは２つのレーザ干渉計２４が第２の空間方向ｙにある距離を置いて配置される。２つのレーザ干渉計２４は、好ましくは、プローブ装置１８を通る中央面Ｍから等距離に配置される。ワークピースは好ましくはこの中央面Ｍ内でプローブ装置１８によって探測される。例えば、プローブ本体１９は探測動作時には中央面Ｍ内にある。例示的実施形態では中央面Ｍは、第１の空間方向ｘと第３の空間方向ｚに広がる平面内にある。

搬送部１３はプローブ系平面Ｅを画定する。このプローブ系平面Ｅは搬送部１３に対して不動であり、したがってプローブユニット１８及び少なくとも１つのレーザ干渉計２４に対しても不動である。プローブ系平面Ｅは中央面Ｍに対して直交する。例えば、プローブ系平面Ｅはプローブ本体１９を貫通して延在できる。

各レーザ干渉計２４は、第１の放射方向ｘ１に第１のレーザ測定ビームＬ１を放射し、第２の放射方向ｘ２に第２のレーザ測定ビームＬ２を放射する。第１の放射方向ｘ１は第２の放射方向ｘ２の反対側である。２つの放射方向ｘ１、ｘ２は第１の空間方向ｘに平行な向きである。

第１のレーザ測定ビームＬ１は第１のリフレクタ２５に向かい、そこで反射されて再びレーザ干渉計２４で受光される。第２のレーザ測定ビームＬ２は第２のリフレクタ２６に向かい、そこで反射されてレーザ干渉計２４で受光される。レーザ干渉計２４の概略構造は図４に非常に単純化されて表示されている。

少なくとも１つのレーザを有するレーザ光源装置３０が、第１のビームスプリッタ３１と第２のビームスプリッタ３２へ向けてレーザ光を生成する。第１のビームスプリッタ３１は入射光を、第１の測定光路３６へ出力される第１のレーザ測定ビームＬ１と、参照光路３３へ出力される参照レーザビームとに分岐する。同様に、第２のビームスプリッタ３２は入射光を、第２の測定光路３７へ出力される第２のレーザ測定ビームＬ２と、更なる参照光路３３へ出力される参照レーザビームとに分岐する。参照光路３３はそれぞれ鏡３４で終端し、これが関連するビームスプリッタ３１、３２からの参照レーザビームを反射して再び戻す。

第１のリフレクタ２５で反射された第１のレーザ測定ビームＬ１と第２のリフレクタ２６で反射された第２のレーザ測定ビームＬ２はそれぞれが、第１のビームスプリッタ３１と第２のビームスプリッタ３２で対応する参照光路３３からの参照レーザビームに重畳されて、例えばカメラ３５である受光素子に向かう。重畳させることで増加的干渉及び／又は減殺的干渉が起きる。カメラ３５は関連するビームスプリッタ３１、３２からの重畳光を受光することができる。第１のレーザ測定ビームＬ１の光路と第２のレーザ測定ビームＬ２の光路の変化は、干渉に基づいて高精度で識別可能である。

図４に概略的に示すレーザ干渉計２４は、２つの個別の測定光路３６、３７を持つために二重干渉計とも呼ぶことができる。第１の測定光路３６は、第１のレーザ測定ビームＬ１がレーザ干渉計２４からリフレクタ２５に行き、そこからレーザ干渉計２４に戻ってくる光路に対応する。第２の測定光路３７は、第２のレーザ測定ビームＬ２がレーザ干渉計２４からリフレクタ２６に行き、そこからレーザ干渉計２４に戻ってくる光路に対応する。

各レーザ干渉計２４は、レーザ干渉計２４と第１のリフレクタ２５の間の距離を表す第１の測定信号Ｓ１と、第２のリフレクタ２６からのレーザ干渉計２４の距離を表す第２の測定信号Ｓ２とを発する。各レーザ干渉計２４からの第１の測定信号Ｓ１と第２の測定信号Ｓ２は評価ユニット４０へ送信される。評価ユニット４０は更に、ワークピースがプローブユニット１８で探測されたときに生成されるプローブ信号Ｔも送信する。

本明細書に示す例示的実施形態では、２つの干渉計装置２３と、それに従い２つの第１のリフレクタ２５と２つの第２のリフレクタ２６とが備えられる。図１ではリフレクタ２５、２６は台座１１に直接配置されてはいないことがわかる。測定フレーム４４は台座１１に動かないように配置され、そして備えられた第１のリフレクタ２５と第２のリフレクタ２６を担持する。これらのリフレクタ２５、２６のそれぞれは、測定フレーム４４の柱４５上に配置される。共通の干渉計装置２３の第１のリフレクタ２５と第２のリフレクタ２６を担持する２つの柱４５は、相互にある距離を置いて第１の空間方向ｘに対向配置される。柱４５は共通ベースプレート４６から第３の空間方向ｚに延在する。本実施例による４つの柱４５とベースプレート４６が測定フレーム４４を形成し、これが本実施例によれば、継ぎ目や接合部のない均一材料からの一体品で製造されている。測定フレーム４６の材料は、台座１１の材料とは違っていてもよい。

例示的実施形態では、柱４５は直方体をしている。第１のリフレクタ２５と第２のリフレクタ２６はこうして、第２の空間方向ｙと第３の空間方向ｚに広がる平面内に延在する、柱４５の直方体の面に非常に容易に取り付けることができる。

測定フレーム４４には、測定装置１０やワークピースからの荷重がかからない。特に、ワークピースや、プローブユニット１８や位置決め装置１２からの力やモーメントが掛からないで、台座１１によって支持される。したがって外力により生じる測定フレーム４４の変形は回避され、測定精度を損なうことはない。

したがって、リセス４７を測定フレーム４４、実施例によればベースプレート４６、に備えることができ、このリセスを通って回転プレートやクランプユニットなどのワークピース取付台が測定フレーム４４に支持されることなく突出することができる。

図１及び図２による上記の測定装置１０は、次のように動作する。

ワークピースがプローブユニット１８で探測されるとき、ワークピースにおける長さ測定量を決定するために、プローブユニット１８の位置を知る必要がある。実施例によればワークピースは第１の空間方向ｘに沿って探測される。次にプローブ系平面Ｅの第１の空間方向ｘにおける位置を、実施例によれば較正面Ｋに対して決定する必要がある。この目的のために、少なくとも１つの干渉計装置２３が使用される。

第１のリフレクタ２５からのプローブ系平面Ｅの第１の距離と、第２のリフレクタ２６からのプローブ系平面Ｅの第２の距離Ａ２とが、第１の測定信号Ｓ１と第２の測定信号Ｓ２に基づいて評価ユニット４０で決定可能である。これは、レーザ干渉計２３が搬送部１３に動かないように結合されているためにプローブ系平面Ｅに対して可動ではないことによる。第１の空間方向ｘにおける、第１のリフレクタ２５と第２のリフレクタ２６との間のリフレクタ距離Ｒは既知である。第１の距離Ａ１と第２の距離Ａ２との合計距離は、したがってリフレクタ距離Ｒを特徴づけてそれに対応する。第１の距離Ａ１と第２の距離Ａ２のこの合計距離が変化すれば、評価ユニット４０はこれを基に、何らかの周囲の影響によって変化が及ぼされたと結論付けることができる。そのような周囲の影響は測定装置１０の１つ又は複数の長さ、例えばスライド装置の空間での移動方向などを変化させ得る。例えば空気のガス組成又はその密度が（温度変化のために）変化するなどの周囲の影響の結果として、光の波長もまた変化し得る。

そのような周囲の影響は、本発明によれば測定装置１０によって考慮に入れられる。それらはリアルタイムで識別され、第１の空間方向ｘにおけるプローブ系平面Ｅの決定された位置をリアルタイムで補正するのに使用可能である。

較正された値から始まる第１の距離Ａ１と第２の距離Ａ２の合計距離が変化すると、この値を比例的に考慮して、補正された第１の距離と補正された第２の距離が計算される。例えば、合計距離が０．１％だけ増加したとすると、補正された第１の距離と補正された第２の距離を得るために、測定された第１の距離Ａ１と測定された第２の距離Ａ２を０．１％だけ減少させることができる。

補正された第１の距離と補正された第２の距離の両方が、プローブ系平面Ｅの第１の空間方向ｘにおける補正位置を決定するために評価ユニット４０において追加して使用可能である。これは平均値を出すなどによって実行可能である。こうして測定誤差は更に低減可能である。全ての入手可能な測定値は補正に使用可能である。例えば図１及び図２による実施形態からの４つのレーザ測定ビームＬ１、Ｌ２による測定結果、又は図３の実施形態からの８つのレーザ測定ビームＬ１、Ｌ２、Ｌ３による測定結果である。

図１と図２に示す例示的実施形態には、２つの干渉計装置２３が備えられている。プローブ系平面Ｅの位置は、したがってそれぞれが中央面Ｍから等距離に配置された２つの異なる地点において空間的に離間して決定される。こうして仮想的なアッベ面が中央面Ｍ内に与えられる。ワークピースがプローブユニット１８によって中央面Ｍ内で探測されると、非常に高精度な結果となる。搬送部１３、ホルダ２７、レーザ干渉計２４、及びプローブユニット１８で構成されるユニットの、第３の空間方向ｚに延在する軸を中心とする傾斜移動は検出されて、長さ測定量の決定時に、評価ユニット４０内での対応する補正によって考慮に入れることが可能である。

ワークピースの探測時に様々な長さ測定量が決定可能である。例えば、円筒形又は中空円筒形のワークピースの外径又は内径、表面輪郭、などである。

測定装置１０の最初の動作前の初期化時に、例えば高精度の屈折計、気象観測所などが、測定装置１０の他に空気の屈折率を決定する。ただし、局所的な汚染形成や他の局所的影響のために、外部装置の屈折率は、少なくとも１つの干渉計装置２３の場所における空気の屈折率に必ずしも一致する必要はない。初期化時に、測定装置１０及び外部装置は従って少なくとも１つの干渉計装置２３と外部装置の測定信号の変化に同期が取れるまで、動作される。この状態で決定された屈折率が評価ユニット４０に対して指定されて、測定動作時に使用される。

こうして、測定開始時に屈折率がわかる。したがって、測定された第１の距離Ａ１と測定された第２の距離Ａ２の、決定された合計距離のすべての変化は、環境条件の変化に帰属させることができる。この種の変化は、基本的に第１の測定光路３６又は第２の測定光路３７における光の波長の変化をもたらす。これを図５に第１の距離Ａ１を基に極く概略的に示す。環境起因の変化は従って、プローブ系平面Ｅの位置決定のための測定も行われる地点においてリアルタイムで干渉計装置２３内に検出される。これはプローブユニット１８による測長値の測定にも必要である。環境条件、特に現在の光の波長を、少なくとも１つの干渉計装置２３で決定する際の誤差は、このようにして回避される。例示的実施形態では、環境起因の測定への影響は、設けられた各干渉計装置２３そのもので、すなわち測定位置において直接的に決定される。したがって、環境条件の局所的な差異は測定精度に対して負の影響を及ぼさない。

較正された光の波長に対する屈折率を決定して指定した後、リフレクタ２５、２６の空間的又は相互に対する配向が初期化のときに更に決定される。第１の距離Ａ１と第２の距離Ａ２が、干渉装置２３の第１と第２のリフレクタ２５、２６の複数の地点において決定可能である。こうして、関連する干渉計装置２３の２つのリフレクタ２５、２６に対する、レーザ干渉計２４の可能な位置のそれぞれにおけるリフレクタ距離Ｒを、評価ユニット４０に指定することができる。リフレクタ距離Ｒの設計関連の変更もまた、後のワークピースの測定時に、補正された第１の距離及び／又は補正された第２の距離及び／又はプローブ系平面Ｅの補正された位置を決定する際に考慮に入れることができる。

測定装置１０の更なる例示的実施形態を図３に概略的に示す。ここでは、２つのプローブユニット１８がそれぞれ別々の搬送部１３上に配置されている。各搬送部１３は位置決め装置１２によって位置決め可能である。少なくとも１つのレーザ干渉計、そしてこの実施例によれば２つのレーザ干渉計２４が、ホルダ２７によって各搬送部１３上に動かないように配置される。各レーザ干渉計２４は、関連する第１のリフレクタ２５及び関連する第２のリフレクタ２６と共に、干渉計装置２３を構成する。この実施例では第１の各リフレクタ２５と第２の各リフレクタ２６は、２つのプローブユニット１８の１つに対する干渉計装置２３の一部である。４本の柱４５と合計４つのリフレクタ２５、２６を有する測定フレーム４４は、こうして図３に示す４つの干渉計装置２３に対しても使用可能である。

図１に示す測定装置１０の例示的実施形態には、更なる設計上のオプションの可能性も概略的に示されている。これまでに説明した装置と同様に、第１の空間方向ｘのみでなく、第３の空間方向ｚに対しても測定原理が使用可能である。各レーザ干渉計２４は、第３のレーザ測定ビームＬ３を第３の放射方向ｚ３の第３のリフレクタ５０に向け、かつ又第４のレーザ測定ビームＬ４を第３の放射方向ｚ３の逆方向の第４の放射方向ｚ４の第４のリフレクタ（図示せず）に向かわせるようにすることが可能である。このために、干渉計装置２３にはしたがって４つのレーザ干渉計ユニット又は２つの二重干渉計が備えられる。第３と第４の放射方向ｚ３、ｚ４は、この実施例によれば第３の空間方向ｚに平行な向きとなっている。第３と第４の放射方向ｚ３、ｚ４は、第１の放射方向ｘ１と第２の放射方向ｘ２に対して直角を成している。第３のリフレクタ５０はこの実施例では測定フレーム４４のベースプレート４６上に配置され、干渉計装置２３の第１のリフレクタ２５と第２のリフレクタ２６の間に位置している。例えば、第４のリフレクタは、ベースプレート４６からある距離で柱４５を結合する横部品上に配置可能である。第１の空間方向ｘ内のプローブ系平面Ｅの位置に加えて、搬送部１３またはプローブユニット１８に対する第３の空間方向ｚの更なる位置の値が追加して決定可能である。レーザ干渉計２４は対応する第３及び第４の測定信号Ｓ３、Ｓ４を生成してそれを（図２、３にオプションで示す）評価ユニット４０へ送信可能である。この種の第３又は第４の測定信号Ｓ３、Ｓ４は、各干渉計装置２３にそれぞれ備えられたレーザ干渉計２４によって生成可能であり、かつ評価ユニット４０へ送信可能である。

更なる実施形態では、各干渉計装置２３は、１空間方向、又は２空間方向、又は全３空間方向ｘ、ｙ、ｚで測定するために、最大６つのレーザ干渉計、又は３つの二重干渉計を有することができる。

測定を開始する前に、測定装置１０を較正面Ｋに対して較正することができる。較正面Ｋは、第１のリフレクタ２５と第２のリフレクタ２６の中間で、第１の空間方向ｘに直角に、すなわちプローブ系平面Ｅに平行に延在する。プローブ系平面Ｅと較正面Ｋとが一致する場合には、プローブユニット１８はそのとき始点位置又はゼロ位置にある。ここを始点として、ワークピースの長さ測定量が測定可能である。較正面Ｋは、好ましくはワークピース用の対応する取付台又はホルダの中央を通って延在する。

本発明はワークピースの長さの測定量を決定するための測定装置１０と方法に関する。プローブユニット１８が第１の空間方向ｘに動かないように配置されている搬送部１３は、位置決め装置１２によって移動または位置決めが可能である。少なくとも１つのレーザ干渉計２４が、第１の空間方向ｘに動かないように搬送部１３に結合される。干渉計装置２３を形成するために、第１のリフレクタ２５と第２のリフレクタ２６が各レーザ干渉計２４に関連付けられる。２つのリフレクタ２５、２６は第１の空間方向ｘ内に互いにある距離を置いて対向配置される。第１のレーザ測定ビームＬ１と第２のレーザ測定ビームＬ２によって、レーザ干渉計２４は、第１の空間方向ｘにおける第１のリフレクタ２５からのレーザ干渉計２４の距離を表す、第１の測定信号Ｓ１と、第１の空間方向ｘにおける第２のリフレクタ２６からのレーザ干渉計２４の距離を表す、第２の測定信号Ｓ２とを生成する。搬送部１３又はプローブユニット１８に対して第１の空間方向ｘに不動であり、かつこの第１の空間方向ｘに対して直角に延在するプローブシステム面Ｅはしたがって、第１のリフレクタ２５及び第２のリフレクタ２６からのレーザ干渉計２４の距離を基に決定可能な、第１の空間方向ｘの位置を有する。与えられた冗長度により、測定への周囲の影響は、リアルタイムかつレーザ干渉計２４により測定が行われるその地点で局所的に決定可能であり、かつ測定に組み入れることが可能である。

１０ 測定装置
１１ 台座
１２ 位置決め装置
１３ 搬送部
１４ スライド装置
１８ プローブユニット
１９ プローブ本体
２３ 干渉計装置
２４ レーザ干渉計
２５ 第１のリフレクタ
２６ 第２のリフレクタ
２７ ホルダ
３０ レーザ光源装置
３１ 第１のビームスプリッタ
３２ 第２のビームスプリッタ
３３ 参照光路
３４ 鏡
３５ カメラ
３６ 第１の測定光路
３７ 第２の測定光路
４０ 評価ユニット
４４ 測定フレーム
４５ 柱
４６ ベースプレート
４７ リセス
５０ 第３のリフレクタ
Ｅ プローブ系平面
Ｍ 中央面
Ｋ 較正面
Ｌ１ 第１のレーザ測定ビーム
Ｌ２ 第２のレーザ測定ビーム
Ｌ３ 第３のレーザ測定ビーム
Ｌ４ 第４のレーザ測定ビーム
Ｓ ピボット軸
Ｓ１ 第１の測定信号
Ｓ２ 第２の測定信号
Ｓ３ 第３の測定信号
Ｓ４ 第４の測定信号
Ｔ プローブ信号
ｘ 第１の空間方向
ｘ１ 第１の放射方向
ｘ２ 第２の放射方向
ｙ 第２の空間方向
ｚ 第３の空間方向
ｚ３ 第３の放射方向
ｚ４ 第４の放射方向

Claims (18)

1. 少なくとも１つの長さの測定量を測定するための測定装置（１０）であって、
   搬送部（１３）が少なくとも１自由度（ｘ）で移動可能に取付けられた台座（１１）と、
   前記搬送部（１３）を前記少なくとも１自由度（ｘ）で位置決めするための位置決め装置（１２）と、
   前記搬送部（１３）に配置された、ワークピースの探測のためのプローブユニット（１８）であって、前記搬送部（１３）が、前記搬送部（１３）に対するその位置が固定されたプローブ系平面（Ｅ）を画定する、プローブユニットと、
   第１のレーザ測定ビーム（Ｌ１）を第１の放射方向（ｘ１）に第１のリフレクタ（２５）に向けて放射して前記第１のリフレクタ（２５）で反射された第１のレーザ測定ビーム（Ｌ１）を受光するように設計され、かつ第２のレーザ測定ビーム（Ｌ２）を前記第１の放射方向（ｘ１）とは反対の第２の放射方向（ｘ２）に第２のリフレクタ（２６）に向けて放射して前記第２のリフレクタ（２６）で反射された第２のレーザ測定ビーム（Ｌ２）を受光するように設計された、レーザ干渉計（２４）を有する少なくとも１つの干渉計装置（２３）であって、
   前記第１と第２の放射方向（ｘ１、ｘ２）は前記プローブ系平面（Ｅ）に対して直角方向を向いており、
   前記第１のリフレクタ（２５）と前記第２のリフレクタ（２６）は、前記レーザ干渉計（２４）が搬送部（１３）に配置されている場合には前記台座（１１）に配置され、かつ
   前記第１のリフレクタ（２５）と前記第２のリフレクタ（２６）は、前記レーザ干渉計（２４）が前記台座（１１）に配置されている場合には搬送部（１３）に配置されている、少なくとも１つの干渉計装置（２３）と、
   前記レーザ測定ビーム（Ｌ１、Ｌ２）が進行する光路を基に、前記リフレクタ（２５、２６）及び／又は前記台座（１１）に対する前記プローブ系平面（Ｅ）の位置を決定するように設計された評価ユニット（４）と、
   を備える、測定装置（１０）。
2. 前記評価ユニット（４０）は、周囲の影響により生じる前記測定装置（１０）の長さの変化及び／又は前記レーザ測定ビーム（Ｌ１、Ｌ２）のレーザ光の波長変化を検出して、前記プローブ系平面（Ｅ）の位置を決定するときにこれを考慮に入れるように設計されていることを特徴とする、請求項１に記載の測定装置。
3. 前記評価ユニット（４０）は、前記測定装置（１０）の長さの変化及び／又は前記レーザ測定ビーム（Ｌ１、Ｌ２）のレーザ光の波長変化をリアルタイムで検出して、前記プローブ系平面（Ｅ）の位置を決定するときにこれを考慮に入れるように設計されていることを特徴とする、請求項２に記載の測定装置。
4. 前記評価ユニット（４０）は、前記第１のレーザ測定ビーム（Ｌ１）による測定を基に前記第１のリフレクタ（２５）からの前記プローブ系平面（Ｅ）の第１の距離（Ａ１）を決定し、かつ前記第２のレーザ測定ビーム（Ｌ２）による測定を基に前記第２のリフレクタ（２６）からの前記プローブ系平面（Ｅ）の第２の距離を決定するように設計されていることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の測定装置。
5. 前記評価ユニット（４０）は、前記プローブ系平面（Ｅ）の位置を決定する際に、前記第１の距離（Ａ１）と前記第２の距離（Ａ２）の合計距離が前記第１のリフレクタ（２５）と前記第２のリフレクタ（２６）の間の既知のリフレクタ距離（Ｒ）を表すことを考慮に入れ、かつ前記合計距離の変化に基づいて、前記測定装置（１０）の長さ及び／又はレーザ光の波長が周囲の影響により変化したことを識別するように設計されていることを特徴とする、請求項４に記載の測定装置。
6. 前記評価ユニット（４０）は、前記合計距離の変化に基づいて補正された第１の距離（Ａ１）及び／又は補正された第２の距離（Ａ２）を計算するように設計されていることを特徴とする、請求項５に記載の測定装置。
7. 前記評価ユニット（４０）は、前記補正された第１の距離及び／又は前記補正された第２の距離から前記プローブ系平面（Ｅ）の補正された位置を決定するように設計されていることを特徴とする、請求項６に記載の測定装置。
8. ２つの干渉計装置（２３）を備え、前記２つの干渉計装置（２３）の前記レーザ干渉計（２４）のそれぞれが、前記プローブユニット（１８）を通り、かつ前記プローブ系平面（Ｅ）に対して直角に配向する中央面（Ｍ）から等距離または既知の距離を有することを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の測定装置。
9. 前記ワークピースは前記中央面（Ｍ）にある前記プローブユニット（１８）によって探測されることを特徴とする、請求項８に記載の測定装置。
10. 前記プローブユニット（１８）を通り、かつ前記プローブ系平面（Ｅ）に対して直角に配向する中央面（Ｍ）に配置された、単一の干渉計装置（２３）を備えることを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の測定装置。
11. 空気の屈折率が初期値として評価ユニット（４０）に事前に指定されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の測定装置。
12. 前記リフレクタ（２５、２６）は、前記台座（１１）上に配置された測定フレーム（４４）上に配置されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の測定装置。
13. 前記備えられたリフレクタ（２５、２６）は、前記測定フレーム（４４）の、相互に対となって対向配置された柱（４５）にそれぞれ配置されていることを特徴とする、請求項１２に記載の測定装置。
14. 前記柱（４５）は、前記測定フレーム（４４）の共通ベースプレート（４６）によって相互に結合されていることを特徴とする、請求項１３に記載の測定装置。
15. 前記少なくとも１つの干渉計装置（２３）の前記レーザ干渉計（２４）は、第３のレーザ測定ビーム（Ｌ３）を前記第１と第２の放射方向（ｘ１、ｘ２）に対して直角に配向した第３の放射方向（ｚ３）の第３のリフレクタ（５０）に向けて放射し、かつ、前記第３のリフレクタ（５０）で反射された前記第３のレーザ測定ビーム（Ｌ３）を受光するように設計されていることを特徴とする、請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載の測定装置。
16. 前記少なくとも１つの干渉計装置（２３）の前記レーザ干渉計（２４）は、第４のレーザ測定ビーム（Ｌ４）を前記第３の放射方向（ｘ３）とは反対の第４の放射方向（ｚ４）の第４のリフレクタに向けて放射し、かつ、前記第４のリフレクタで反射された前記第３のレーザ測定ビーム（Ｌ４）を受光するように設計されていることを特徴とする、請求項１５に記載の測定装置。
17. 搬送部（１３）が少なくとも１自由度（ｘ）で移動可能に取付けられた台座（１１）と、
    前記少なくとも１自由度（ｘ）で前記搬送部（１３）を位置決めするための位置決め装置（１２）と、
    ワークピースを探測するように設計され、かつ前記搬送部（１３）に配置されたプローブユニット（１８）であって、前記プローブユニット（１８）はプローブ系平面（Ｅ）を画定するプローブユニットと、
    レーザ干渉計（２４）と第１のリフレクタ（２５）と第２のリフレクタ（２６）を有する少なくとも１つの干渉計装置（２３）であって、前記リフレクタ（２５、２６）は、前記レーザ干渉計（２４）が前記搬送部（１３）上に配置されているときは前記台座（１１）上に配置され、かつ前記レーザ干渉計（２４）が前記台座（１１）上に配置されているときは前記搬送部（１３）上に配置される、干渉計装置と、
    評価ユニット（４０）と、
    を備える測定装置（１０）を利用して少なくとも１つの長さの測定量を測定する方法であって、前記方法は、
    第１の放射方向（ｘ１）の前記第１のリフレクタ（２５）に向けて第１のレーザ測定ビーム（Ｌ１）を放射し、かつ前記第１のリフレクタ（２５）で反射された前記第１のレーザ測定ビーム（Ｌ１）を受光するステップと、
    前記第１の放射方向（ｘ１）とは反対の第２の放射方向（ｘ２）の前記第２のリフレクタ（２６）に向けて第２のレーザ測定ビーム（Ｌ１）を放射し、かつ前記第２のリフレクタ（２６）で反射された前記第２のレーザ測定ビーム（Ｌ２）を受光するステップと、
    前記レーザ測定ビーム（Ｌ１、Ｌ２）が進行する光路を基に、前記リフレクタ（２５、２６）及び／又は前記台座（１１）に対する前記プローブ系平面（Ｅ）の位置を決定するステップと、
    を含む、方法。
18. 前記測定装置（１０）の周囲の空気の屈折率に対する初期値が、前記測定装置（１０）の初期化工程において外部屈折計によって決定されて、前記評価ユニット（４０）へ事前に指定されることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。