JP2021508054A - 二つの構造を持つ３次元目標、光学計測装置及びそのような目標を使う方法 - Google Patents

Abstract

【課題】第１対象物と第２対象物との間の相対位置を計測する技術を提案する。【解決手段】本発明は位置決め基準として役割をなし得る３次元目標（２００）に関し、有効面（２０２）上にて、少なくとも第１部分（２１４）と、第２部分（２１６）との間で分割された平面的な基準面（２１２）を画定する第１構造（２１０）であって、第１部分（２１４）の表面は、拡散反射にしたがって反射するものであり、第２部分（２１６）の表面は、鏡面反射にしたがって反射するものであり、第２部分（２１６）は、第１部分（２１４）に配置されている一連のローカライズ領域（２１７）にしたがって分割されている、第１構造（２１０）と、平面的な基準面（２１２）について傾斜面（２２２）を持つ第２構造（２１６）とを備える。第１対象物と第２対象物との間の相対位置の３次元光学計測に適用可能である。

Description

本発明は、第１対象物と第２対象物との間の相対位置を光学的に計測する分野に関する。

より具体的には、本発明は、第１対象物と第２対象物との間の相対位置を３次元的に光学的に計測することに関する。このタイプの計測は、特に工作機械又は他の材料を除去することによる機械加工による、工作物の機械加工の分野を特に含むものの、それらに限定されない、寸法計測を適用する多くの分野で使用されている。

工作機械の分野では、段取り時に開発された作業平面に適合した加工範囲を確保するために、工具ホルダと工作物ホルダとの間の相対位置を正確に知る必要がある。

機械加工モジュール（工作機械）、特に自動旋盤、自動旋回機、ターンミルセンタ、フライス盤、マシニングセンタ、搬送機による工作物の製造には、一般的に３つの異なる段階がある。

第１調整（又はプリセット）段階では、オペレータ（例えば、旋盤オペレータ）が加工モジュール上で加工平面を定義し、テストする。オペレータは、例えば、最も効率的な加工計画が得られるようにする。すなわち、所与の工作物を最小限の操作で加工可能になり、工具間や工作物との衝突を回避可能になる、加工計画が得られるようにする。オペレータは、使用すべき工具を選択し、得られる工作物の品質、例えば表面の仕上げ、公差への適合性などを検査する。

第２生産段階では、調整段階で設定された変数を用いて、プリセットされた加工モジュール上で一連の工作物が生産される。この段階は唯一の生産段階であり、自動供給機又はブランク搭載機（加工前の工作物）を使用して加工モジュールに原材料を供給しながら、多くの場合２４時間体制で行われる。

一連の工作物の生産は、摩耗した工具を交換するため、同じ加工モジュールで別のタイプの工作物を生産するため、機械のメンテナンスのためなどに中断され、その後、再開されることがある。そのような場合には、調整段階中にあらかじめ設定した変数を適用するために、前準備段階が必要となる。この前準備段階は、調整段階より速く行われる。

前準備段階では、しばしば、機械に取り付けられた工具を、実施する加工に適した別の工具セットに交換する必要がある。これらの工具の位置決め精度が加工品質を左右するが、連続した前準備段階での再現は難しい。

さらに、生産段階では、新しい工作物の加工が進むにつれて、特に長い間には、工具ホルダと工作物ホルダの間の位置のドリフト（ずれ）、特に機械の熱膨張に起因する位置のドリフトがおこらないとはいえない。

したがって、生産段階及び前準備時に工具ホルダと工作物ホルダとの間の正しい相対位置決め、すなわち調整時に工具ホルダと工作物ホルダとの間の相対位置に整合する相対位置決めを保証するため、従来の技術では異なる解決策が提案されてきた。

工作機械で使用される多くの原位置計測技術は、工作物又は工作物ホルダと工具自体との間の相対的な位置を計測することに焦点を当てている。しかし、この場合、工作物又は工作物ホルダと工具との間の相対位置の計測は、工具の摩耗や運転中の工作機械の熱ドリフトの影響を受ける。

また、このタイプの相対位置計測は、特許文献１（ＤＥ２０２０１６００４２３７Ｕ）に記載されているように、一般的に２次元、いわば２方向で実施される。

工作物又は工作物ホルダと工具との間のこの相対位置の登録（位置決め）は、２次元（例えば、Ｙ及びＸ、それぞれ横方向及び縦方向）に限定されているので、正しい相対位置を保証するのに十分ではないので、別の技術が、第３次元（例えば、Ｚ、工作物ホルダの前進／後退方向、とも呼ばれる。以下、「材料の方向」という。）の計測に、使用されなければならない。これでは、計測技術の費用が高くなるだけでなく、当該計測技術の実装にも時間がかかり、２つの計測系列を同時に使用することで誤差が生じることとなる。

特許文献２（ＵＳ２０１４３６２３８７ＡＡ）は、目標物が工具ホルダに干渉しないことを確認するために工具ホルダに配置された光学計測装置を開示する。この光学計測装置は、反射光線のセンサと入射光線の発光部との間の位置を含むレーザ光線計測装置の幾何学的変数を特徴付けるべく、複数の傾斜部を有する基準要素を使用する。この基準要素は、工具ホルダと機械加工される工作物となり得る目標物との間の相対位置の計測中には、利用されない。

特許文献３（ＵＳ２０１０１１１６３０ＡＡ）は、工作機械用の工具の再位置決めシステムを開示する。このシステムは、工具上に置かれる不規則な形の目標であって、位置が不特定な複数の光学計測要素により、工具の正確な位置の光学計測を可能にする目標を、備える。

特許文献４（ＵＳ２００７２５３００２ＡＡ）は、整列対象の２物体間の距離を光学的に計測するシステムを開示する。このシステムは、２物体のそれぞれの端部に、発光要素と受光要素とを備える。

特許文献５（ＵＳ５８３１７３４）には、光学センサが工具ホルダに固定されていて、当該センサが、識別印（溝）を用いて、この工具ホルダの加工対象の工作物に対する相対位置の登録を実施するという解決手段が記載されている。

特許文献６（ＵＳ２０１４３４３８９０）は、レーザーシステムを使用する物体の位置の計測の補助に使用される携帯（ハンドヘルド）装置を提案する。この携帯装置は、視覚基準印の付いた単一の有効面のある円錐形の基準面を備える３次元目標と、中央に再帰反射器とを備える。

特許文献７（ＵＳ２００４２０２３６４）は、各面が可視指標と、関与する面を特定する基準印になり得るものとを備えるプリズムの形態の較正対象物を示す。

これらの解決手段は、しかしながら、空間の３次元における相対位置の決定を可能にする情報を提供する単一露光ステップにより、加工対象の工作物と工具との間の相対位置の決定を可能にするものではない。

これらの解決手段はまた、機械加工中にリアルタイムで変化する変数、特に工具の摩耗と、工具、及び／又は加工される工作物を受け取る機械工具の作業空間の熱変動とを受けないものにはできない。

独国実用新案第２０２０１６００４２３７号明細書 米国特許出願公開第２０１４／３６２３８７号明細書 米国特許出願公開第２０１０／１１１６３０号明細書 米国特許出願公開第２００７／２５３００２号明細書 米国特許第５８３１７３４号明細書 米国特許出願公開第２０１４／３４３８９０号明細書 米国特許出願公開第２００４／２０２３６４号明細書

本発明の課題は、既知の計測技術の制限から解放された、工具ホルダと工作物ホルダとの間、さらに一般的には第１対象物と第２対象物との間の相対位置の計測の実施を可能にする技術を提案することである。

本発明の別の課題は、工具ホルダと工作物ホルダとの間、さらに一般的には第１対象物と第２対象物との間の相対位置の計測の実施を可能にする技術であって、単一の露光ステップから第１対象物と第２対象物との間の３次元相対位置を提供する技術を提案することである。

本発明によると、これらの課題は特に、位置決め基準として役割をなし得る３次元目標によって、達成される。３次元目標は、有効面上にて、
少なくとも第１部分と、第２部分との間で分割された平面的な基準面を画定する第１構造であって、
第１部分の表面は、拡散反射にしたがって反射するものであり、
第２部分の表面は、鏡面反射にしたがって反射するものであり、第２部分は、第１部分に配置されている一連のローカライズ領域にしたがって分割されている、第１構造と、
平面的な基準面について傾斜面を持つ第２構造と
を備える。このような配置は、デカルト座標の基準枠の３方向Ｘ、Ｙ、Ｚにしたがって目標の位置決めを可能にする。当該目標は、第１構造又は平面Ｘ、Ｙに平行な基準面と、第２構造又は主方向Ｚに沿って所定範囲で広がっている傾斜面とを備える。

別の代替的構成によると、当該平面的な基準面は、少なくとも次の第１部分と第２部分に分割される。
第１部分の表面は、第１反射変数にしたがって反射する。
第２部分の表面は、第１反射変数とは異なる第２反射変数にしたがって反射する。

一実施態様によると、当該傾斜面の表面は、均一に分布されたレリーフ要素を有する。別の実施態様によると、当該傾斜面の表面は、均一に分布された鏡面反射要素を有する。両方の態様において、おおまかに平面的で、方向Ｚにおいて基準面に直交している、傾斜面の登録（傾斜面の位置決め）を可能にする。
これを実施するには、ある場合では、レリーフ要素は、小さな不均等又は粗さの表面を構成し、傾斜面の表面は、粗さを有して、傾斜面の一部分をはっきりととらえるべく目標を見る光学系に拡散反射の形成を可能にする。特に、それらレリーフ要素は、７００ナノメートルより大きなサイズ、特に１マイクロメートルより大きく、より具体的には入射放射、ここでは自然光の波長より大きなサイズを有している。
他の場合は、傾斜面の鏡面要素は、例えば、相互に平行な線として幾何学的配置にしたがって、そして方向Ｚについて異なる位置に、位置されていて、（好ましくは、拡散反射にしたがって反射するものとして）傾斜面の他の表面から視覚的に識別される。したがって、傾斜面の一部分をはっきりととらえるべく目標を見る光学系の可能な形態は、それらの鏡面要素の１つ又はそれ以上を持つものである。

この３次元目標は、有効面を形成する側には、二つの構造を持ち、これら構造のそれぞれが第１平面的基準面と、第１基準面に対して傾斜された平面を画定する第２基準面とを画定している。目標のこの３次元幾何学形状は、それぞれが第１基準面と第２基準面とを作る２つの表面の特定の異なる特性に結びつけられていて、使用される光学系に対するこの目標の空間の３次元Ｘ、Ｙ及びＺにおける光学的登録（光学的位置決め）のために許容される。
一実施態様において、この光学系は、上記光学的登録（光学的位置決め）を可能にする、より具体的には、第１平面基準面と第２傾斜基準面との両方の露光の単一ステップによって、相対位置計測を最大限に可能にする。それゆえ、当該単一ステップは、第１平面的基準面と第２基準面との像の同時露光を含む。
この同時露光は、２、３又はそれ以上の繰り返しで、ｎ回（ｎは１より大きな整数であり、例えば２から１５である。）の露光に増大しても、実行可能である。このように、第１平面的基準面と第２基準面との複数の像（一連の像）を有することがある。このことは、計算アルゴリズムによる処理を、第１平面的基準面と第２基準面との単一の像ではなく、第１平面的基準面と第２基準面との一連の像の処理の実施を可能として、よって精度を得る。

特に、一つの可能な規定では、後述するように、第１平面的基準面と第２基準面との像（又は複数の像）のこの生成は、調整の実施を必須とすることなく、使用される光学系で実施される。この場合、光学系で実施される特別な設定はなく、３次元目標の相対位置の計測を実施する上での時間の節約を可能にする。この解決手段は、特にこの目標を見る光学系の焦点距離における、複数の計測ステップ又は設定の変更を要せず、従来技術に対して特筆すべき優位性を提示する。

また、この目標が、工具ホルダと工作物ホルダとの相対位置の計測に使用されるとき、この目標を工具ホルダに配置することで、（計測を）工具の摩耗と、工具の熱変動及び／又は加工対象の工作物を受け取る工作機械の作業空間の熱変動とから独立したものとすることが可能となる。

本発明は、また、第１対象物と第２対象物との間の相対位置を計測する３次元光学計測装置に関する。当該装置は、本願に記載され、第１対象物への搭載が意図される３次元目標と、第１露光系と第２露光系とを備える光学系とを備える。当該光学系は、第２対象物に置かれることが意図され、当該装置において、第２露光系の焦点距離と第１露光系の焦点距離との差は、最短距離と最長距離との間にある。

よって、光学系は、次の位置を同時に特定可能である。一方で、第１露光系によって生成される像を介して基準面（第１基準面）に対する位置であり、他方で、第１露光系によって生成される像を介して特定される傾斜面（第２基準面）の少なくとも１つの領域に対する位置である。目標上の位置は、基準面に対して既知である。

このような光学系は、関係する２つの対象物の一つ（第２対象物）に配置可能であり、当該光学系は、２つの露光系によって、２つの対象物のもう一方（第１対象物）上の２つの隣り合う位置の２つのシャープな像を同時露光できるようにする。第１対象物のそれら２つの隣り合う位置は、第２対象物からわずかに異なる距離にある。このような光学系は、以下に後述するように、２つの像によって、光学系を支持する、第１対象物と第２対象物との間の相対位置の３次元的な登録（位置決め）を可能にする。

１つの可能性によると、光学系は、光路が、第１露光系と第２露光系との一方の少なくとも１部分を、第１露光系と第２露光系との他方に到達する前に、通過するように、構成される。このように、第１及び第２露光系と共通又は非常に近い、光学系の入力／出力として光路の１区間を持ってもよい。また、第１及び第２露光系を同一の光学系に組み合わせが可能であるだけでなく、第１対象物上の２つの隣り合う位置、２０ミリメートルや３０ミリメートルの位置、２ミリメートル又は３ミリメートルでの位置も、さらに１ミリメートル未満での近い位置の登録が可能である。

本発明は、また、第１対象物と第２対象物との間の相対位置を計測する３次元計測の装置に関する。当該装置は、
第１対象物と第２対象物とを備える設備と、
本願に記載される光学計測装置とを、備える。
第１可能性によると、光学計測装置は、次のようなものである。
第１露光系が、像焦点面が第１構造の基準面に対応可能に構成されていて、
第２露光系が、像焦点面が３次元目標の傾斜面を分割可能に構成されている。
第２可能性によると、上記の第１可能性と互換性があり、光学計測装置は、次のようなものである。
第１露光系の焦点距離が、第１露光系の像焦点を第１構造に配置可能である。
第２露光系の焦点距離が、第２露光系の像焦点を第２構造に配置可能である。

そのような設備は、例えば設備一式、機械、モジュール、特に科学的又は技術的なもので、互いに可動な第１対象物と第２対象物とを持ち、３次元空間における相対位置の登録（相対位置決め）の実施用のものである。例えば、この設備は、第１対象物として工具ホルダ又は複数の工具ホルダの１つと、第２対象物として、機械加工される工作物（棒状のもの、ブランクなど）を支持する工作物ホルダとを備える、工作機械又は機械加工モジュールである。
別の例によると、この設備は、第１対象物として、ＰＣＢ（又は印刷回路基板）の支持部と、第２対象物として、電子部品を搭載するクランプ又は他の工具とを備える、ＰＣＢ（又は印刷回路基板）上に電子部品を搭載するユニットである。さらに別の例では、この設備は、マイクロプレート上に収容された一連のウェルに播種を実施するセル培養モジュールであって、第１対象物が、マイクロプレートの支持部であり、第２対象物が、培養対象の細胞を注入する装置の支持部である。

本発明は、主方向Ｚにおいて整列されていて互いに離れている第１対象物と第２対象物との間の相対位置を３つの直交方向Ｘ、Ｙ、Ｚにしたがって計測するための３次元光学的計測方法にも関する。当該方法において、
３次元目標が、位置基準を形成して提供されていて、有効面上に、
少なくとも第１部分と、第２部分との間で分割された平面的な基準面を画定する第１構造であって、
第１部分の表面は、拡散反射にしたがって反射するものであり、
第２部分の表面は、鏡面反射にしたがって反射するものであり、第２部分は、第１部分に配置されている一連のローカライズ領域にしたがって分割されている、第１構造と、
平面的な基準面について傾斜面を持つ第２構造と
を備え、
光学系が、第１露光系と第２露光系とを備えて提供され、
３次元目標が第１対象物上に位置され、
光学系が、
一方で第１露光系の焦点距離が第１露光系の像焦点を目標の第１構造に置けるように、
他方で第２露光系の焦点距離が第２露光系の像焦点を目標の第２構造に置けるように、
第２対象物に位置され、
少なくとも１つの露光が、光学系の第１露光系と光学系の第２露光系とを使って同時に行われ、
それによって、光学系の各露光のため、
一方で、第１露光系が、基準面の第１部分に対する第２部分の位置（特に、ローカライズ領域）の位置の識別を可能にする目標の第１像を生成し、
第１像は、
最初に、第１露光系に対する目標の方向Ｘにおける相対位置の情報の第１部分を示し、
第２に、方向Ｙにおける目標と第１露光系との間の相対位置の情報の第２部分を示し、
他方で、第２露光系が、第２構造の傾斜面の位置に対応するシャープな部分を備える目標の第２像を生成し、
第２像は、目標と第２露光系との間の方向Ｚにおける距離についての情報の第３部分を示す。
一つの可能性によると、光学系は、第２露光系の焦点距離と第１露光系の焦点距離との差が、基準面が傾斜面から離される最短距離と最長距離との間にあるように構成される。
別の可能性によると、単独又は先述の態様との組み合わせで、光学系は、第１露光系の光路と第２露光系の光路とが、第１露光系の像焦点平面及び第２露光系の像焦点平面を含む共通区間を持つように構成される。
さらに別の可能性によると、単独又は先述の態様との組み合わせで、第１露光系の被写界深度（ＤＯＦ１）は、第２露光系の被写界深度（ＤＯＦ２）の少なくとも１０倍大きい。

この方法によって、３次元目標の（第１）基準面と傾斜面又は第２基準面とに結び付く空間的幾何学情報を持つことが可能になる。これにより、第１対象物と第２対象物との間の３次元的空間方向Ｘ、Ｙ、Ｚにおける相対位置を導くことができるようになる。まず、目標と第１対象物との間の３次元相対位置と、光学系と第２対象物との間の３次元的相対位置の基準をとることが実施された。

１実施形態において、露光又は光学系の各露光系による像形成は、対応する露光系の焦点合わせを実施せずに、実施されるということに留意することが重要である。確かに、光学系が見ている対象物に対する露光系の３方向Ｘ、Ｙ、Ｚにおける相対位置（そしてしたがって、目標の基準面に対する第１露光系の相対位置と、目標の傾斜面に対する第２露光系の相対位置との両方）、そして、光学的特性と、特に、光学系の各露光系の非常に異なる被写界深度とは、２つの像の同時生成を可能にする。ここで、２つの像それぞれは、基準面と傾斜面とに対応する。
これら２つの像（２連の像でさえもよい）の分析は、そこからＸ（この方向Ｘは例えば高さに対応する）についてと、Ｙ（この方向Ｙは例えば水平の横方向の変位に対応する）についてと、Ｚ（この方向Ｚは例えば主水平距離に対応する）についての、３次元目標を支持する第１対象物と、光学系を支持する第２対象物との間の相対位置についての情報を導くことを可能にする。

一実施形態では、３次元目標の第１対象物上への位置決めと光学系の第２対象物上への位置決めとの後、目標の第１対象物に対するＸ、Ｙ、Ｚ内の位置の空間的基準をとる追加ステップが光学系により実施される。

一つの可能な構成では、平面的な基準面の第２部分は、第１部分に位置する一連のローカライズ領域に分割されている。そして、第１露光系によって生成される第１像は、基準面上の第２部分のローカライズ領域の位置の特定を可能にする。第１像は、ローカライズ領域と第１露光系との間の相対位置についての情報を提供するものであり、方向Ｙ及び方向Ｘにおける相対計測を導けるようにする。

一実施形態では、計測方法は、工作機械の３次元空間における、工具ホルダと工作物ホルダとの間の相対位置の計測用の方法である。この方法において、光学系を用いた上述の同時露光のステップの前に、追加のステップが以下にしたがって実施される。
工具ホルダと工作物ホルダとは、３次元目標の有効面が光学系の光路にあるように主方向Ｚに整列されている。

別の可能な構成によると、光学装置は、工具ホルダに設けられて目標の有効面の配向と、工具ホルダの角度の向きとの少なくとも一方を登録すべく第３露光系も備える。

本発明の実施例は、添付の以下の図面によって図示される記載に示される。

本発明による３次元目標及び光学系を備える３次元計測装置を示す。 工具ホルダと工作物ホルダ（材料スピンドルとも呼ばれる）間の相対位置の空間での計測のための工作機械における図１の３次元計測装置の使用を示す。 図２Ａの方向ＩＩＢから、すなわち、目標が光学系に向けられたときに光学系によって見られる方向Ｚに従って、３次元目標を有する工具ホルダに対応する図２Ａの部分を示す。 本発明による３次元目標の構造を正面図で示す図である。 本発明による３次元目標の構造を斜視図で示す図である。 本発明による３次元目標の構造を、断面図で示す図である。 図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃにおけるような、変形実施形態による目標の第２構造の斜視図である。 図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃにおけるような、変形実施形態による目標の第２構造の斜視図である。 光学系の第２露光系によって生成された画像の処理を示す。 光学系の第２露光系によって生成された画像の処理を示す。 本発明による３次元目標を備えた工具ホルダを斜視図及び分解図で表す。 工具ホルダへの３次元光学計測装置の取り付けを示す。

図１は、光学系１００と、目標２００と光学系１００との間の相対位置の３次元計測を実行するために協働可能な３次元目標２００とを備える光学装置１０を示す。計測位置では、目標２００は、主水平方向Ｚを形成する主軸に平行な光学系１００に向けられている。このため、光学系１００の出力において、光路Ｏは、目標２００の有効面２０２に直交している。

次に、目標２００について、図１、図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃに関連して説明する。目標２００は、ペレットの形態であり、ここでは円形断面（それは正方形断面又は他のものであり得る）の円筒形状であり、その一方の側は、計測を実行するための有効面２０２を形成する。したがって、計測を実行するために、この有用な面２０２は、光学系１００に向けられ、特に光学系１００の入力面１０２に向けられ、軸線Ｚは、主方向（図では水平）に対応する。軸線Ｚは、光学系１００の入力面１０２から有効面２０２を分離する。

目標２００の有効面２０２の表面は、第１構造２１０と第２構造２２０との間に分布する。第１構造２１０は、その表面が滑らかであり、その第１部分２１４の間に分布する平面基準面２１２と、第２部分２１６とを有する。第２部分２１６の表面は、拡散反射によって反射性であり、その表面が鏡面反射によって反射性である。一実施形態では、第１部分２１４は、例えば硫酸バリウムＢａＳＯ_４で作られた反射拡散層で被覆され、第２部分２１６は、例えばクロムで作られた鏡面反射による反射層で形成される。図示の実施形態では、第２部分２１６は、連続する第１部分２１４内に形成された島を形成する円の形のいくつかのローカライズ領域２１７から構成される。これらのローカライズ領域２１７は、円以外の形状の区間又は島のような、他の形状を有し得る。
これらのローカライズ領域２１７は、複数領域間の関係によって次のリスト、四辺形、平行四辺形、長方形、正方形、ひし形、正多角形及び円形に属する幾何的図形を画定する。この幾何学的図形は、中心対称性を持つ幾何学的図形にしてもよい。図３Ａ及び図３Ｂでは、２４個の円形ローカライズ領域２１７が正方形に配置されている。この第１構造２１０の目的は、標準的な視覚工具を使用してその中心Ｃ３を正確に識別可能にすることである。正方形の場合、この正方形の２つの対角線Ｃ１とＣ２は正方形の中心で交差する。図１から図３と図５とに示すように、計測位置では、基準面２１２はＸ及びＹ方向に平行に配置される。Ｘ方向とＹ方向とはそれぞれ、図示の配置の場合、それぞれ垂直方向（軸線）と横方向（軸線）をなす。

第２構造２２０は、基準面２１２に対して傾斜した面２２２を備える。この傾斜面２２２は本質的に平面であり、この傾斜面の正中面は、基準面２１２に対して鋭角αを形成する。鋭角αは、１０度から８０度の間、例えば２０度から３０度の間、好ましくは２５度程度（図３Ｃ参照）である。

１つの実施形態では、この傾斜面２２２の表面は滑らかではないが、ランダムであるか、又は所定の形状に従って、例えばそれらの間に格子（グリッド）又はネットワークの形態を規定する表面の不均等さを形成するレリーフ要素２２４を有する。構造化された格子（図示なし）又は構造化されたラインのネットワーク（図３Ｄを参照）を構成する。

そのようなレリーフ２２４の要素は、傾斜面２２２の平均平面に対して、突出又はくぼんで、すなわち下がっていてもよく、特に小さな粗さの形で、又は他の任意の表面の不規則性となっていてよい。そのようなレリーフ要素２２４は、傾斜面２２２の表面全体にわたって存在し得る。そのようなレリーフ要素２２４は、傾斜面２２２の表面全体にわたって規則的に分布され得る。例えば、これらのレリーフ要素２２４は、格子又はネットワークを区切るセットの形態を取り得る。あるいはより一般的には、レリーフ要素２２４は、この傾斜面２２２で反射された光を拡散可能にする構造化表面又は粗面を形成してもよい。第２構造２２２の傾斜面２２２の表面は、例えば、次の要素の一つで覆われている。刻まれたネットワーク又は構造化格子で、格子又はネットワークのパターン間のピッチが５マイクロメートルと１００マイクロメートルとの間、特に５と５０マイクロメートルとの間、特に８と１５マイクロメートルとの間、例えば１０マイクロメートル程度である。

例えば、この傾斜面２２２は、研磨されていないシリコン又はその他のセラミック、又は研磨されていない金属又はガラス、又はその他の構造化材料で作られ、レリーフ２２４の要素は、フォトリソグラフィー、削りくずの除去による機械加工、直接書き込みなど、又はその他の構造化プロセスによって得られたものである。これらのレリーフ要素２２４は、例えば、それぞれ平均平面から数マイクロメートル又は数１０マイクロメートル、特に０．５と５０マイクロメートルの間の値で、後退／突出する窪み及び／又は突起を形成する。

別の実施形態では、図３Ｅに示すように、この傾斜面２２２の表面は滑らかであり、クロムの線のネットワーク、又は鏡面要素２２５を構成するこれらのクロムの線の鏡面反射を引き起こす別の材料のネットワークを備える。線の形態のこれらの鏡面要素２２５は、互いに平行に配置される。計測位置では、線又は帯の形のこれらの鏡面要素２２５が平面Ｙ、Ｚに平行に配置されるため、傾斜面に沿って、方向Ｚで、これらの線が１つずつ出会う（これはＸ方向に進む場合も同様である）。次に、第２構造２２０のウエハを形成する基板は、ガラス又はシリコンを含む異なる材料で製造可能であり、傾斜面２２２上に、例えば鏡面要素２２５と交互になる硫酸バリウムＢａＳＯ４で作られた反射拡散層を備える。あるいは、傾斜面の表面全体を覆い、鏡面要素２２５がこの拡散反射層の上に配置される。
例示的な実施形態では、線の形のこれらの鏡面要素２２５は、２５マイクロメートルのピッチでネットワークを形成し、（特にクロムの）線は、１２．５マイクロメートルの幅を有し、幅１２．５マイクロメートルの線又は条片の形の拡散反射を伴う線の間隔又は部分の幅に等しい。別の実施によれば、１０マイクロメートル以上のピッチ、より一般的には５と５０マイクロメートルとの間のピッチが使用される。拡散反射を生成する残りの表面と交互になるこれらの鏡面要素２２５は、帯を形成する連続線又は区間以外の形、特に不連続線又は点線、ドットの境界線、円、三角形、その他の幾何学的形状などのパターンの形状をなしてもよい。

図示されていない実施形態によれば、第２構造２２０の傾斜面２２２は、点状で、突出しているレリーフ要素２２４を持っていて、レリーフ要素２２４は、互いに平行な列に分布されている小さな盛り上がりの又はとがった形で、レリーフ要素２２４は、ある列が別の列からずらされて、互い違いのパターンを形成している。図示されていない別の実施形態によれば、第２構造２２０の傾斜面２２２は、互いに平行な区間の形態で、互いに９０°で交差する２つのシリーズにおいて等しい距離で突出するレリーフ要素２２４を担持する。このレリーフ要素２２４のセットは、格子パターンを構成する。この格子は、互いに９０°とは異なる角度で交差する一連の区間を持つ、互いに平行な２連の区間で形成してもよいことを特記する。図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ及び図３Ｄでは、第２構造２２０の傾斜面２２２は、方向Ｘに沿って、互いに平行でかつ互いに等距離にある一連の区間の形でくぼみが作られたレリーフ要素２２４を持つ。これらのレリーフ要素２２４は、この場合、溝を形成する。この方向Ｘは、したがって、レリーフ２２４の要素を形成する区間の方向に直交する。

図３Ｅの実施形態では、したがって、第２構造２２０の傾斜面２２２の表面は、鏡面線２２５のネットワーク、すなわち、表面が鏡面反射特性を有する相互に平行な連続条片のネットワークによって覆われる。

よって、上記の事例、特に図３Ｄ及び図３Ｅのものにおいては、傾斜面２２２の表面は、横紋状である。

目標２００について示される実施形態によれば、目標２００を区切るパッチは、その有効面２０２上に、有効面２０２の表面の大部分を占める第１構造２１０と、第１構造２１０内に、第２構造２２０の領域とを備える。この状況では、第１構造２１０は第２構造２２０を取り囲む。より特定的には、第１構造２１０の第２部分２１６のローカライズ領域２１７は、第２構造を取り囲む正方形を画定する。可能な配置と、示される目標２００の実施形態の場合とによれば、第１構造２１０及び第２構造２２０は、有効面２０２上に同心円状に配置される。
さらに、図示の場合のように、第１構造体２１０は、第２構造体２２０を収容するハウジング２１９用の開口部２１８を画定し、そして例えば、傾斜面２２２を有するウェハ上に配置される。ウェハがハウジング２１９に収容されるとき、第１構造体２１０の傾斜面２２２は、ハウジング２１９の外側に向かって、開口部２１８に向かって回転される。この特定の場合、第２構造体２２０は、ハウジング２１９内に配置され、傾斜面２２２は、第１構造２１０の基準面から後退される。これは、傾斜面２２、したがって、第２構造２２０が、ハウジング２１９内で基準面２１２によって画定される平面の後ろ（主方向Ｚについて、図３Ｂ参照。）に配置されることを意味する。そして、第２構造２２０は、例えば、０．０５から２ミリメートル又は他の値、およそ０．１５ミリメートルで、後退される。図示されていない別の可能性によれば、第２構造体２２０は、基準面２１２によって区切られた平面の前、前面に配置される。図示されていないさらに別の可能性によれば、第２構造体２２０は、基準面２１２に対して、基準面２１２で区切られた平面のいずれかの側、すなわち、傾斜面２２２の一部が後方に配置され、傾斜面２２２の他の部分が前方に配置される。

図３Ｃに見られるように、第１構造２１０及び第２構造２２０を環境（ほこり、油、衝撃など）から保護するために、目標２００は、特にガラスの、透明な材料で、有効面２０２の側で第１構造２１０及び第２構造２２０を覆う保護板２３０を備える。
可能な一実装によれば、図３Ｃに示されるように、目標２００は、スタックの形で次の要素を備える。底壁２３１は、有効面２０２の側の開口部２１８によって区切られたハウジング２１９を区切るために、その中心がくり抜かれた板によって形成された天板２３２が上に載っている。天板２３２は、ハウジング２１９を閉じる保護板２３０が上に載っている。全体は、目標２００全体を保持する円筒形の壁２３４によって囲まれている。第２構造２２０は、例えば、有効面２０２に向かって傾斜されている（レリーフ要素２２４又は鏡面要素２２５を支持する）傾斜面２２２を有するハウジング２１９に収容されたシリコンウェハである。
有効面２０２に向けられた天板２３２の面は、説明したように２つの領域に反射層２３３を備え、それぞれ、第１部分２１４（拡散反射による反射面）と、第２部分２１６（鏡面反射による反射面、特に、ローカライズ要素２１７の形態）に関する。

さらに、目標２００は、ＲＦＩＤ（近距離無線通信を用いた自動認識技術）タイプのチップ（図示せず）を装備して、目標２００と、目標２００が取り付けられることが意図されている第１対象物、特に工具ホルダ３１０（図５及び６を参照）とに関連する一意の識別子及びデータの記憶及び読み取りを可能にしてもよい。例えば、この工具ホルダ３１０の参照情報及び使用に関する他の情報（例えば、シリアル番号、タイプ、材料センター又は工作物ホルダに対する設定、使用回数など）である。

ここで図１を参照して、空間２００の３方向における２つの物体間の相対位置を計測するための光学装置１０を一緒に形成するために説明された目標２００に関連する光学系１００を提示する。特に、図に直接示されているデカルト座標系Ｘ、Ｙ、Ｚの直交空間について考えることとする。この光学系１００は、露光の同一シーケンスにおいて、目標２００の第１構造２１０の画像と、同時に目標２００の第２構造２２０の画像との両方の同時撮像を意図している。現時点の記載によると、この２つの画像の同時撮像は調整なしで実行されるため、この露光の実行速度は非常に速くなる。特に上述の目標２００の特定の構造に関連する他の特性も、最大の精度を可能にする。出願人の企業は、本明細書による光学的３次元計測装置１０を製造し、１マイクロメートル以下の精度で再現可能な相対計測を０．５秒以下で達成することに成功した。

この光学系１００は、第１露光系１１０及び第２露光系１２０を備える。一構成によれば、当該光学系１００は、第２露光系１２０の焦点距離と、第１露光系１１０の焦点距離との差は、基準面２１２を傾斜面２０２から隔てる最小距離と最大距離との間にある。
別の構成によると、第１露光系１１０の被写界深度ＤＯＦ１は、第２露光系１２０の被写界深度ＤＯＦ２よりもはるかに大きく、特に少なくとも１０倍大きい。例えば、第１露光系１１０の被写界深度ＤＯＦ１は、１０と１０，０００の間であるか、又は第２露光系１２０の被写界深度ＤＯＦ２よりも１００倍から５０００倍大きい。
異なる可能性の中で、第１露光系１１０の被写界深度ＤＯＦ１は、０．８ミリメートル以上、また他に、０．５と５ミリメートルの間、また他に０．８と３ミリメートルの間、また他に１と２ミリメートルの間である。また、異なる可能性によると、第２露光系１２０の被写界深度ＤＯＦ２は、０．１ミリメートル以下、また他に５と５０マイクロメートル、また他に８と３０マイクロメートル、また他に１０と２０マイクロメートルの間である。

これにより、第１露光系１１０は、自然に、他の調整なしに、目標２００と第１露光系との間の、数ミリメートルにわたって変化する可能性がある距離の範囲内で第１構造２１０の基準面２１２全体に焦点合わせが可能となる。並行して、第２露光系１２０は、第２露光系１２０の焦点距離に対応する距離で第２露光系から離れている第２構造体２１０の傾斜面２２２の部分に、自然にそして他の調整なしに、焦点合わせが可能である。１つの可能性によると、第１露光系２１０の倍率は、第２露光系２２０の倍率以下である。

本発明の意味の範囲内の各露光系（第１露光系２１０及び第２露光系２２０）は、光学系、特に、光学部品と、像取得系とのセットを備える中心光学系に対応する。そのような像取得系は、写真及び／又はビデオ撮影を可能にし、例えば、カメラ又は写真装置、特にデジタル写真装置である。可能な構成によれば、第１露光系１１０の第１像取得系１１２及び第２露光系１２０の第２像取得系１２２は、第１像取得系１１０による第１画像及び第２露光系１２０による第２画像を同時に取得すべく同期される。

第１露光系２１０及び第２露光系２２０による目標２００の視野への同時アクセスを可能にするために、後者は、第２露光系２２０に出入りする共通の光路の一部を有する。目標２００を第１物体に取り付け、光学系１００を第２物体に取り付けた後、光学系１００によって見える物体、この場合は目標２００（図１及び図２を参照）。このために、計測位置では、第１露光系２１０は、目標２００の有効面２０２の方向に回転され、目標２００と位置合わせされた露光系、及び第２露光系を形成する。第２露光系１２０は、目標２００と位置合わせされた露光系１１０の光路１１６に結合し、光軸に関して目標２００に対してずらした露光系を形成する光路１２６を有する。光学系１００の光学軸線Ｏであり、光路１１６及び１２６の共通部分（目標と整列）に対する。換言すると、目標２００と位置合わせされた露光系の光路は、基準面２１２に対して実質的に垂直である。光軸線Ｏは、第１光路１１６の共通部分の平均半径と重ね合わされる。この共通部分では、第１光路１１６の区間及び第２光路１２６の区間は互いに平行であるが、必ずしも重ね合わされる必要はない。

特に、図１及び図２に示すように、第１露光系２１０は、目標２００の有効面２０２の方向に向けられ、換言すると、目標２００の有効面２０２に垂直に配向される。これは、光軸線Ｏと、光路１１６及び１２６との共通部分が目標２００と位置合わせされ、目標２００の有効面２０２（したがって基準面２１２）に対して垂直にあることを意味する。この構成では、図１及び２に見られるように、光軸線Ｏと、光路１１６及び１２６との共通部分は、主方向Ｚに平行であり、横方向Ｘ及びＹと、平面Ｘ、Ｙとに直交している。

光路１１６及び１２６の共通部分において、光線は、少なくとも部分的に一致するか、又は他に、互いに単に平行である。中心からずれている第２露光系１２０は、この第２露光系１２０の内部に、好ましくは光軸線Ｏに平行な光路１２６の一部分を有する。この内部光路１２６の内側部分は、光路１１６に接続されている、あるいはより具体的には、鏡１２９などの反射光学系を備える専用光学モジュール１２８によって位置合わせされた第１露光系１１０の光路１１６に結合される。このようにして、中心の光軸から離れて位置されている露光系の入力（ここでは第２露光系１２０）は、整列された露光系（ここでは第１露光系１１０）の経路又は光路に接続される。

より一般的には、第１露光系１１０及び第２露光系１２０のうちの１つは、目標２００の有効面２０２に向けられ、目標２００に整列された露光系を形成して、他方が第１露光系１１０から外れた露光系を形成することが理解される。そして第２露光系１２０は、目標２００に整列されている露光系１１０の光路１１６に結合する光路１２６を備えて、中心の光軸から外れた露光系を形成する。これは、他方の露光系が、傾斜面２２２、すなわち目標２００の第２構造２２０を通過する光軸線を有することを意味する。
また、第１露光系１１０と第２露光系１２０は、互いに平行に配置されている。さらに、光学系は、第１露光系１１０と第２露光系１２０との間に配置され、第１露光系１１０及び第２露光系１２０の一方の少なくとも一部を透過して第１露光系及び第２露光系の他方に向かう光線の一部を偏向するように構成された（例えば、鏡などの反射光学系を有する）光学モジュール１２８をさらに備える。
逆に、光学系１００は、光学系１００によって見られる物体（図１及び図２の目標２００）からの光路が、第１露光系１１０及び第２露光系１２０の他方（図１及び図２の第２露光系１２０）に到達する前に、第１露光系１１０と第２露光系１２０の一方の少なくとも一部（図１及び図２の第１露光系１１０）を通過するように配置される。

一実施形態では、第２露光系１２０の焦点距離は、第１露光系１１０の焦点距離よりも長い。例えば、第２露光系１２０の焦点距離と、第１露光系１１０の焦点距離の差は、０．５と５ミリメートルの間にある。

一実施形態では、第１露光系１１０の倍率は、第２露光系１２０の倍率以下である。例えば、第１露光系１１０の倍率は、第２露光系１２０の倍率の０．２倍と１倍との間である。例えば、第１露光系１１０の倍率は、第２露光系１２０の倍率の０．３倍と０．８倍との間、又は他に０．４倍と０．６倍との間、好ましくは第２露光系１２０の０．５倍である。

図１及び図２の実施形態では、光学系１００は、３次元目標２００の方向に向けられた光源１４０をさらに備え、この光源１４０は、３次元目標２００の横方向の照明を構成するように配置される。この目的のために、この光源１４０は、中心軸線から外して配置され、光学系１００の光路１１６＋１２６に対して傾斜している。特に、光源１４０の光線は、目標の反射面上での鏡面反射が、特にローカライズ領域２１７で、光学系１００に入射しない反射光線を生成するような角度とされる。同様に、傾斜面２２２が鏡面反射要素２２５を備える場合、これらの鏡面反射素子２２５上での光源１４０からの光線の反射は、光学系１００に入射しない。

一実施形態によれば、使用される第１露光系２１０及び使用される第２露光系２２０はテレセントリックである。念のため、テレセントリックとは、光学系を通過する全ての主光線（光線の各線の中心光線）が、実質的にコリメートされ、光軸線に平行である、光学系の一特性である。テレセントリック光学系の場合、被写界深度の概念は作動距離の概念に置き換えられる。別の実施形態によれば、使用される第１露光系２１０及び使用される第２露光系２２０がテレセントリックではないか、両方がテレセントリックではない。それらが両方ともテレセントリックである場合、それらはまた、工具ホルダ３１０上に配置された工具の幾何学的特性の計測にも、使用可能である。

次に、図２Ａ及び図６を参照して、機械加工モジュール３００が上記のような光学装置１０を備える工作機械の場合における、目標２００と光学系１００との間の三次元光学計測方法を説明する。選択される工作機械の基準方向Ｘ、Ｙ及びＺは、工作機械から、特に工作機械の、垂直Ｘ方向（又は第１横軸線）と、主水平方向Ｚ（又は主軸線）と、横水平方向Ｙ（又は第２横軸線）を提示する枠部から選択される。目標２００は、第１対象物として機能する工具ホルダ３１０上に配置される（図５参照）。工具ホルダ３１０は、Ｘ軸線に対応する水平主方向に延在し、このＸ軸線周りに回転可能性を持つ。このために、工具ホルダ３１０の一部、例えばクランプ部は、その周囲に、通常、クランプ把持／解放する工具の搭載専用の溝部を持ち、そこに、これまでに説明したようにＲＦＩＤチップに関連付けられている目標２００を配置可能となっている。
さらに、光学系１００は、第２対象物として機能し、加工対象の工作物３２２を受け入れる工作物ホルダ３２０（図６を参照）に取り付けられる。工作物ホルダ３２０は、軸線Ｚについて回転可能性を持ちながら、軸線Ｚに対応する水平主方向に延在する。次に、工作物ホルダ３２０及び工具ホルダ３１０は、機械加工ステップの前に、近接位置に配置されて、工具３１２及び加工対象の工作物を互いに近くに配置する。工具ホルダ３１０上の目標２００の位置決め及び工作物ホルダ３２０上の光学系１００の位置決めは、この相対的な計測位置において、目標２００、より正確には基準面２０２が、光学系１００の光軸線Ｏ（この光軸線Ｏは方向Ｚに平行であることに注意されたい）の延長に、配置されることを可能にする。よって、目標２００の基準面２０２は、光学系１００の入力面１０２の方向に向けられる。

図６に示される場合のように、光学装置１０はまた、工具ホルダ３１０上に配置されて、目標２００の有効面２０２の配向及び／又は工具ホルダ３１０の回転部分の特に軸線Ｘについての角度配置を登録すべく構成された第３露光系１３０を備える。当該光学系１００を用いた同時露光ステップの前に目標２００を位置決めする追加の予備ステップが実行される。追加の予備ステップは、次のとおりである。
３次元目標２００の有効面２０２が光学系１００の光路Ｏにあるように、工具ホルダ３１０及び工作物ホルダ３２０が配置される。特に、工具ホルダ３１０の回転部分に対する、それにより軸線Ｘに対する目標２００の角度配置を登録するのに、第３露光系を使用してもよい。これにより、必要に応じて、Ｘ軸に対する工具ホルダ３１０の回転部分の角度配置（図６の矢印Ｒを参照）が変更可能、それゆえ、目標２００の有効面２０２が光学系１００に向けられるように目標２００の配置を変更可能になる。相対計測位置は、図１及び図２Ａの場合に先に説明したように、目標２００が光学系１００の方向に向けられて、得られる。この場合、方向Ｚは目標２００と光学系１００との間に延在する。

光学装置１０、個別にいうと、工作物ホルダ３２０（又はより一般的には第２対象物）と工具ホルダ３１０（又はより一般的には第１対象物）とにそれぞれ搭載される、光学系１００と関連する目標２００を、初めて使用するときは、目標２００を支持する工具ホルダ３１０（又はより一般的には第１対象物）に対する目標２００の位置を、３方向Ｘ、Ｙ、Ｚにおける空間的に基準を取る、追加の予備ステップを実行する必要がある。光学系１００の変数、より具体的には第１露光系１１０及び第２露光系の変数が、焦点距離を含み、既知となっていることは、明らかであり、留意されたい。この段階で、加工モジュール３００の作業空間が閉じられていて一定温度に維持されるとき、この熱安定性は、光学装置１０の、したがってその変数の寸法安定性を生成すると言及可能である。

工具ホルダ３１０（又はより一般的には第１対象物）と工作物ホルダ３２０（又はより一般的には第２対象物）との間の、Ｘ、Ｙ及びＺに関する３次元相対位置を最終的に知るべく、目標２００と光学系１００との間の３次元相対位置の計測が工作機械の場合に使用されることを再度考える。

現記載において、３方向Ｘ、Ｙ及びＺは、例えば工作機械の機械加工モジュール３００の軸線である。よってＺは、主軸線、より詳しくは、第１対象物（工具ホルダ３１０）を第２対象物（工作物ホルダ３２０）から離す主水平方向として定義してもよい。Ｘは、横水平方向、又はより一般的には、第２横断軸線として定義してもよい。一実施形態では、工具ホルダ３１０はこの方向Ｘに平行な軸線について回転する。

目標２００の３方向Ｘ、Ｙ及びＺにおける位置の空間的基準をとる（光学装置１０の較正）ステップでは、例えば図２Ａ及び図２Ｂの配置では、光学系１００による露光が有効となって、
一方で、第１露光系１１０の第１像取得系１１２による、全ての基準面２１２を持つ目標２００の全ての有効面２０２の、鮮明な、第１像の生成という結果となり、
他方で、第２露光系１２の第２像取得系１２２による、水平方向の帯の形態の鮮明な領域を持つ目標２００の全ての傾斜面２２２の第２像の生成という結果となる。
この第１像は、ローカライズ領域２１７の像を備える。ここでは、第１像の処理が、正方形の対角線Ｃ１及びＣ２をなし、正方形の中心Ｃ３を特定可能にするように、正方形を区画している（図３Ａ参照）。よって、第１像の光学軸線Ｏの位置がわかるので、正方形の中心Ｃ３の位置の決定で、光学軸線Ｏだけでなく、一方で、工具ホルダ３１０のＸ方向における基準点３１４に対する位置と、工具ホルダ３１０のＹ方向における基準点３１６に対する位置とに対する、目標２００のＸとＹにおける位置がわかるようになる。
事実上、図２Ａ及び図２Ｂからわかるように、Ｘ基準として、軸線Ｘに直交する、工具ホルダ３１０の一面が使用される。第１像上の線に見え、その面が方向Ｘにおいて基準点３１４を形成する、工具ホルダ３１０の区間に沿って段となった肩部が、その一面の例である。
さらに、図２Ａ及び図２Ｂからわかるように、Ｙ基準として、軸線Ｘに直交し、目標２００のそばの工具ホルダ３１０の幅（方向Ｙに平行）で代表されることがある、目標２００のそばの工具ホルダ３１０の寸法が使用される。寸法は、例えば、工具ホルダ３１０の目標２００のそばの部分が円形区間の円筒であるなら、直径であり、この寸法が、方向Ｙの基準点３１６を形成する。

並行して、例えば図４Ａにみられる第２像の処理が実施される。この第２画像の局所的なコントラストを分析することにより（Ｘ位置の関数としてのコントラスト曲線を示す図４Ｂを参照）、第２画像のシャープな領域の鉛直方向Ｘの位置Ｘ０が決定される。この解析は、画像の中で最もシャープな画素の決定を可能にするアルゴリズムを用いて行われる。傾斜面２２２の傾斜が既知であるので、目標２００に固有のこの傾斜面２２２のＸとＺとの間のマッピングから対応曲線を得る。この対応曲線のよって、位置Ｘ０（図４Ａ及び図４Ｂを参照）が既知であることにより、光軸Ｏ上の傾斜面２２２の位置Ｚ０、ひいては光学系１００に対する目標２００のＺについての位置の推定が可能となる。さらに、工作物ホルダ３２０に対する光学系１００の相対的なＺについての位置は、光学系１００を支持する工作物ホルダ３２０上のＺ軸に沿って配置された計測尺度（図示せず）から既知である。同様に、工具ホルダ３１０の３１４に対する目標２００のＺについての相対位置は既知である。

この操作を複数回実施し、毎回Ｚについて工作物ホルダ３１０の工具ホルダ３２０に対する距離を変更する（例えば工作物ホルダ３１０を後退又は前進させる）ことで、目標２００の傾斜面２２２の３次元像の再構築と、工具ホルダ３１０に対する目標２００の傾斜面２２２の３次元直交系のための図面にする基準のベースを持つことが、可能である。究極的には、それは、工具ホルダ３１０に対して３方向Ｘ、Ｙ、Ｚにおいて空間的に基準とされる、目標２００の有効面２０２の全面（基準面２１２及び傾斜面２２２）である。

そして、上述した空間的基準計測の精度を維持するために、この目標２００を搭載した加工モジュール３００と光学系１００をこの間に分解しない光学系１００を使用する動作の間に、必要に応じて実測が実施可能である。この目的のために、例えば、図２Ａの配置が示されている。ワークホルダ３２０は、必要に応じて、目標２００を光学系１００に整列させるために、軸線Ｘと平行なその回転軸（図６の矢印Ｒを参照）について回転される。次に、光学系１００による露光が作動されて、それにより、一方で、第１露光系１１０の第１像取得系１１２は、基準面２１２の全体がシャープな焦点である目標２００の全体の有用面２０２の第１画像を生成し、他方で、第２露光系１２０の第２像取得系１２２は、第２露光系１２０の焦点距離に対応し水平な条片の形でシャープな領域のみを有する目標２００の全体の傾斜面２２２の第２画像を生成する。この第１画像の解析により、上述したように、ローカライズ要素２１７によって形成された正方形の中心Ｃ３の特定が可能となり、よって、光軸線Ｏに対する目標２００のＸ及びＹにおける位置、並びに工具ホルダ３１０に対する位置の特定が可能となる。第２画像の分析、特に第２画像（図２Ａのような）のＸについてのシャープな領域の位置によって、光学系１００に対する目標２００のＺについての位置、ひいては距離がわかるようになる。実際、第２画像については、工具ホルダ３１０上の基準３１４及び３１６に対する傾斜面２２２の画像の各画素の位置Ｚが既知であるので、目標２００の位置Ｚ、ひいては工具ホルダ３１０の位置Ｚの非常に迅速な計測が可能である。

上記から、このようにして、この光学系１００の設定又は調整が伴う時間の損失なしに、光学系１００によって生成された２つの画像の分析のみによって、光学系１００に対する目標２００のＸ、Ｙ及びＺについての位置、及び工作物ホルダ３２０に対する工具ホルダ３１０から始まる位置は、非常に迅速に計測される。これは、工作物ホルダ３２０に対する光学系１００のＸ、Ｙ及びＺについての位置が既知であるために可能である。

本願の記載は、光学系に搭載されることが意図されている第１対象物と第２対象物との間の相対位置の３次元計測用の当該光学系についても関する。当該光学系は、第１露光系と、第２露光系とを備え、当該光学系において、
第１露光系の被写界深度は、第２露光系の被写界深度の少なくとも１０倍大きく、
当該光学系は、第１露光系の光路と第２露光系の光路とが、第１露光系の像焦点平面及び第２露光系の像焦点平面を含む共通区間を持つように構成されている。

本願の記載は、主方向Ｚにおいて整列されていて互いに離れている第１対象物と第２対象物との間の相対位置を３つの直交方向Ｘ、Ｙ、Ｚにしたがって計測するための３次元光学的計測方法にも関する。当該３次元光学的計測方法において、以下のとおりである。
３次元目標が、位置基準を形成して有効面上に提供されていて、第１構造と第２構造とを備える。
第１構造は、少なくとも第１部分と、第２部分との間で分割された平面的な基準面を画定し、
第１部分の表面は、拡散反射にしたがって反射するものであり、
第２部分の表面は、鏡面反射にしたがって反射するものであり、第２部分は、第１部分に配置されている一連のローカライズ領域にしたがって分割されている。
第２構造は、平面的な基準面について傾斜面を持つ。
光学系が、第１露光系と第２露光系とを備えて提供され、
一方で、第１露光系の光路と第２露光系の光路とが、第１露光系の焦点平面と第２露光系の焦点平面とを持つ共通区間を持つように、
他方で、第２露光系の焦点距離と第１露光系の焦点距離との差が、傾斜面から基準面が離れている最小距離と最大距離との間にあるように、構成されている。
３次元目標は、
一方で第１露光系の焦点距離が第１露光系の像焦点を目標の第１構造に置けるように、
他方で第２露光系の焦点距離が第２露光系の像焦点を目標の第２構造に置けるように、第１対象物に位置される。
光学系が第２対象物に位置されて、
少なくとも１つの露光が、光学系の第１露光系と光学系の第２露光系とを使って同時に行われ、
それによって、光学系の各露光のため、
一方で、第１露光系が、基準面上で第１部分に対する第２部分の位置（又は他に、基準面のローカライズ領域の位置）の特定を可能にする目標の第１像を生成し、
第１像は、
最初に、第１露光系に対する目標の方向Ｘにおける相対位置の情報の第１部分を示し、
第２に、方向Ｙにおける目標と第１露光系との間の相対位置の情報の第２部分を示し、
他方で、第２露光系が、第２構造の傾斜面の位置に対応するシャープな部分を備える目標の第２像を生成し、
第２像は、目標と第２露光系との間の方向Ｚにおける距離についての情報の第３部分を示す。

これまで説明したように、光学系１００はしたがって第１画像及び第２画像を同期して生成する。さらに、光学系１００は、調節を実施することなく、第１画像及び第２画像を生成する。これにより、時間の喪失なく、即時に露光の実施が可能である。

本願の記載は、前もって定義されるごとく光学目標を備える工作機械、並びに定義されるごとく光学系を備える工作機械にも関連する。本願の記載はまた、工具ホルダ及び工作物ホルダを備えた機械加工モジュールを備える工作機械、並びに前記工具ホルダと前記工作物ホルダとの間の相対位置を３次元計測するための光学計測装置に関する。光学計測装置は、工作物ホルダに取り付けられた光学系と工具ホルダに取り付けられた目標を備え、光学系の光軸に配置可能な位置決め基準を形成する有用な面を備える。例えば、光学計測装置は、光学系による目標の単一の露光工程を通じて、機械加工される工作物のホルダと工具ホルダとの間の３次元の相対位置の決定を可能にするように構成される。また、１つの可能な規定によれば、目標は、光学系の像焦点面が目標の有効面と融合可能に配置される。

Ｘ 縦方向（第１横断軸線）
Ｙ 横水平方向（第２横断軸線）
Ｚ 第１物体と第２物体とを分ける主水平方向（主軸線）
Ｃ１ 対角線
Ｃ２ 対角線
Ｃ３ 中心
α 傾斜面の角度
Ｒ 工具ホルダ及び目標の回転を示す矢印
１０ 光学装置
２００ ３次元目標
２０２ 利用面
２１０ 第１構造
２１２ 基準面
２１４ 第１部分（放射反射による反射表面）
２１６ 第２部分（鏡面反射による反射表面）
２１７ ローカライズ領域
２１８ 開口部
２１９ ハウジング
２２０ 第２構造
２２２ 傾斜面
２２４ レリーフ要素
２２５ 鏡面要素
２３０ 透明保護板
２３１ 底壁
２３２ 天板
２３３ 反射層
２３４ 筒状壁
１００ 光学系
Ｏ 光学軸線
１０２ 光学系の入力面
１１０ 第１露光系
ＤＯＦ１ 第１露光系の被写界深度
Ｆ１ 第１露光系の像焦点平面
１１２ 第１像取得系
１１６ 第１露光系の光路
１２０ 第２露光系
Ｆ２ 第２露光の像焦点平面
ＤＯＦ２ 第２露光系の被写界深度
１２２ 第２像取得系
１２６ 第２露光系の光路
１２８ 反射光学系を持つ光学モジュール
１２９ 鏡
１３０ 第３露光系
１４０ 光源（横方向の照明）
３００ 機械加工モジュール
３１０ 工具ホルダ（第１対象物）
３１２ 工具
３１４ 工具ホルダ上のＸについての位置決め
３１６ 工具ホルダ上のＹについての位置決め
３２０ 工作物ホルダ又は材料スピンドル（第２対象物）
３２２ 加工対象の工作物（材料）

Claims (25)

1. 位置決め基準として役割をなし得る３次元目標（２００）は、有効面（２０２）上にて、
   少なくとも第１部分（２１４）と、第２部分（２１６）との間で分割された平面的な基準面（２１２）を画定する第１構造（２１０）であって、
   第１部分（２１４）の表面は、拡散反射にしたがって反射するものであり、
   第２部分（２１６）の表面は、鏡面反射にしたがって反射するものであり、第２部分（２１６）は、第１部分（２１４）に配置されている一連のローカライズ領域（２１７）にしたがって分割されている、第１構造（２１０）と、
   平面的な基準面（２１２）に対して傾斜面（２２２）を持つ第２構造（２２０）と
   を備える、３次元目標（２００）。
2. ローカライズ領域（２１７）は、ローカライズ領域（２１７）の間に、次の、四辺形、平行四辺形、長方形、正方形、ひし形、正多角形及び円形のリストに属する幾何学的図形を画定する、請求項１に記載の３次元目標（２００）。
3. 前記第２部分のローカライズ領域（２１７）は、第１部分（２１４）に分布された島又は区間によって形成されている、請求項１又は２に記載の３次元目標（２００）。
4. 前記ローカライズ領域は、クロムからなる、請求項１から３のいずれか一項に記載の３次元目標（２００）。
5. 傾斜面（２２２）の表面は、均一に分布されている、レリーフ要素（２２４）又は鏡面要素（２２５）を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の３次元目標（２００）。
6. 第１構造（２１０）と第２構造（２２０）とは、互いに同心に有効面（２０２）上に位置されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の３次元目標（２００）。
7. 第１構造（２１０）は第２構造（２２０）を囲んでいる、請求項６に記載の３次元目標（２００）。
8. 第１構造（２１０）の第２部分（２１６）のローカライズ領域は、第２構造（２２０）を囲む正方形を画定している、請求項７に記載の３次元目標（２００）。
9. 第１構造（２１０）は、第２構造（２２０）を収容するハウジング（２１９）の開口部（２１８）を区切っている、請求項１から８のいずれか一項に記載の３次元目標（２００）。
10. 第２構造は、第１構造（２１０）の基準面（２１２）に対して後退されている傾斜面（２２２）を持ち、ハウジング（２１９）内に位置している、請求項９に記載の３次元目標（２００）。
11. 第２構造（２２０）の傾斜面（２２２）の表面は、横紋状である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の３次元目標（２００）。
12. 第２構造（２２０）の傾斜面（２２２）の表面は、次の、刻まれたネットワーク、構造化された格子又は鏡面線（２２５）の要素いずれかで覆われている、請求項１１に記載の３次元目標（２００）。
13. 目標（２００）は、有効面（２０２）の側で第１構造（２１０）及び第２構造を覆う、透明材料、特にガラスの板（２３０）もまた備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載の３次元目標（２００）。
14. 第１対象物と第２対象物との間の相対位置を計測する３次元光学計測装置が、
    第１対象物に設けられることが意図された請求項１から１３のいずれか一項に記載の３次元目標（２００）と、
    第１露光系（１１０）と第２露光系（１２０）とを備える光学系（１００）とを備え、
    光学系（１００）は第２対象物に設けられることが意図され、第２光学系（１２０）の焦点距離と、第１露光系（１１０）の焦点距離との間の差が、傾斜面（２２２）から基準面（２１２）が離れている最小距離と最大距離との間にある、
    ３次元光学計測装置。
15. 第１露光系（１１０）の被写界深度（ＤＯＦ１）は、第２露光系（１２０）の被写界深度（ＤＯＦ２）の少なくとも１０倍大きい、請求項１４に記載の３次元光学計測装置。
16. 第１露光系（１１０）及び第２露光系（１２０）のいずれかが、目標（２００）の有効面（２０２）に向けられていて、目標（２００）に整列されている露光系を形成し、第１露光系（１１０）及び第２露光系（１２０）のもう一方が、目標（２００）に整列されている露光系の光路に結合する光路を有して、中心から外れた露光系を形成している、請求項１４又は１５に記載の３次元光学計測装置。
17. 第１露光系（１１０）が目標（２００）の有効面（２０２）に向けられていて、目標（２００）に整列されている露光系を形成し、第２露光系（１２０）が、目標（２００）に整列されている露光系の光路に結合する光路を有して、目標（２００）に対して中心から外れた露光系を形成している、請求項１４又は１５に記載の３次元光学計測装置。
18. ３次元目標（２００）に向かって配向されている光源（１４０）も備え、光源が、３次元目標（２００）の横方向の照明を作るために位置されている、請求項１４から１７のいずれか一項に記載の３次元光学計測装置。
19. 第１露光系（１１０）はテレセントリックであり、第２露光系（１２０）はテレセントリックである、請求項１４から１８のいずれか一項に記載の３次元光学計測装置。
20. 第１対象物と第２対象物との間の相対位置の３次元光学計測の装置が、
    第１対象物と第２対象物とを備える設備と、
    請求項１４から１９のいずれか一項に記載の光学計測装置（１０）とを備え、
    第１露光系（１１０）が、像焦点面（Ｆ１）が第１構造（２１０）の基準面（２１２）に対応可能に構成されていて、
    第２露光系（１２０）が、像焦点面（Ｆ２）が３次元目標（２００）の傾斜面（２２２）を分割可能に構成されている、
    装置。
21. 前記設備が機械加工モジュールであり、第１対象物は工具ホルダ（３１０）であり、第２対象物が材料支持部又は工作物ホルダ（３２０）である、請求項２０に記載の装置。
22. 主方向Ｚにおいて整列されていて互いに離れている第１対象物と第２対象物との間の相対位置を３つの直交方向Ｘ、Ｙ、Ｚにしたがって計測するための３次元光学的計測方法において、
    ３次元目標（２００）が、位置基準を形成して提供されて有効面（２０２）上に、
    少なくとも第１部分（２１４）と、第２部分（２１６）との間で分割された平面的な基準面（２１２）を画定する第１構造（２１０）であって、
    第１部分（２１４）の表面は、拡散反射にしたがって反射するものであり、
    第２部分（２１６）の表面は、鏡面反射にしたがって反射するものであり、第２部分（２１６）は、第１部分（２１４）に配置されている一連のローカライズ領域（２１７）にしたがって分割されている、第１構造（２１０）と、
    平面的な基準面に対して傾斜面（２２２）を持つ第２構造（２１６）と
    を備え、
    光学系（１００）が、第１露光系（１１０）と第２露光系（１１０）とを備えて提供されて、第２露光系（１１０）の焦点距離と第１露光系（１１０）の焦点距離との差が、傾斜面（２２２）から基準面（２１２）が離れている最小距離と最大距離との間にあるように構成されていて、
    ３次元目標（２００）が第１対象物上に位置され、
    光学系（１００）が、
    一方で第１露光系（１１０）の焦点距離が第１露光系（１１０）の像焦点（Ｆ１）を目標（２００）の第１構造（２１０）に置けるように、
    他方で第２露光系（１１０）の焦点距離が第２露光系（１１０）の像焦点（Ｆ２）を目標（２００）の第２構造（２２０）に置けるように、第２対象物に位置され、
    少なくとも１つの露光が、光学系（１００）の第１露光系（１１０）と光学系（１００）の第２露光系（１１０）とを使って同時に行われ、
    それによって、光学系（１００）の各露光のため、
    一方で、第１露光系（１１０）が、基準面（２１２）のローカライズ領域（２１７）の位置の識別を可能にする目標（２００）の第１像を生成し、
    第１像は、
    最初に、第１露光系（１１０）に対する目標（２００）の方向Ｘにおける相対位置の情報の第１部分を示し、
    第２に、方向Ｙにおける目標（２００）と第１露光系（１１０）との間の相対位置の情報の第２部分を示し、
    他方で、第２露光系（１１０）が、第２構造（２２０）の傾斜面（２２２）の位置に対応するシャープな部分を備える目標（２００）の第２像を生成し、
    第２像は、目標（２００）と第２露光系（１１０）との間の方向Ｚにおける距離についての情報の第３部分を示す、
    ３次元光学的計測方法。
23. ３次元目標（２００）を第１対象物上に位置させ、光学系を第２対象物に位置させた後、目標（２００）のＸ、Ｙ、Ｚについて、光学系（１００）によって第１対象物に対する位置の空間の基準を決める追加のステップが実施される、
    請求項２２に記載の計測方法。
24. 工作機械の３次元空間における、工具ホルダ（３１０）と工作物ホルダ（３２０）との間の相対位置の計測のための、請求項２２又は２３に記載の計測方法において、
    第１対象物は工具ホルダ（３１０）であり、第２対象物が工作物ホルダ（３２０）であって、
    工具ホルダ（３１０）と工作物ホルダ（３２０）とが、３次元目標（２００）の有効面（２０２）が光学系（１００）の光路に位置するように主方向Ｚに整列して配置されていることにしたがって、
    光学系（１００）を用いる同時露光のステップの前に、追加ステップが実施される、計測方法。
25. 光学装置（１０）が、工具ホルダ（３１０）に設けられ目標（２００）の有効面（２０２）と工具ホルダ（３１０）の角度配向との少なくとも一方の配向を登録すべく構成されている第３露光系（１３０）をも備える、請求項２４に記載の計測方法。

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