JP6739538B2 - 干渉測長による対象物の空間的位置を決定するための方法およびデバイス - Google Patents

Description

本発明は、干渉測長（interferometric length measurement）によって対象物の空間的位置を非接触で決定するための方法およびデバイスに関する。

対象物の空間的位置の測定は、例えば産業、医学、特にロボット工学での様々な機械および装置の制御または調整における、多くの分野での用途を有する。ロボット工学においては、ロボットアーム、トレーサー等の先端の位置決め精度は、可能とする製造精度を実質的に決定する。したがって、例えばロボットのグリッパー・アーム（gripper arm）のような空間における対象物の適切な位置付けを非常に正確に決定する方法が必要とされている。

距離は、電磁ビーム、例えば光によって通過される（covered）経路長を測定することによって非接触で決定することができる。この場合、電磁ビームはリファレンス位置と対象物との間の経路に沿って、１回または複数回通過するため、ビームによって通過される経路長から距離を導出できる（ＴＯＦ法）。

ＤＥ １０ ２００４ ０３７ １３７ Ａ１は、測定精度を向上させるために、ＴＯＦ測定と、三角測量法または干渉測定法などのさらなる光学測定方法との組合せを提案している。

ＤＥ １０ ２００８ ０４５ ３８７ Ａ１およびＤＥ １０ ２００８ ０４５ ３８６ Ａ１には、光パルスを使用する位置決定が記載されており、それによるところ、信号成分の位相位置が決定され、光パルスのシーケンスの反復速度の倍数だけ振動し、その結果、そのうちの比較的遠距離の範囲では、距離の決定を非常に正確に達成することができる。

ＤＥ １０ ２０１０ ０６２ ８４２ Ａ１には、干渉測定装置（interferometric measuring arrangement）を用いて目標対象物の絶対位置を決定する方法が記載されており、それによるところ、測定経路の長さに対する大まかな情報を決定するために、測定経路に沿って通過した後の測定信号の強度が時間の関数として決定され、またリファレンス・ビームを用いて、位相信号が、測定経路の長さについての精密な情報として決定され、上記の大まかな情報と組み合わされる。

本発明の課題は、多くの用途に使用することができ、優れた測定精度を達成することができる、対象物の位置を決定するための方法およびデバイスを提案することである。

本発明によれば、課題は、可動な（movable）目標対象物（または目的対象物、target object）の位置を決定するための方法であって、凸状反射面（convex reflective surface）を有する球状目標対象物に、コヒーレントの（または可干渉性の、coherent）、集束された測定ビーム（measurement beam）を、目標対象物の中心が測定ビームの焦点に位置するように方向付ける工程、および目標対象物によって反射された測定ビームを、リファレンス・ビーム（reference beam）と干渉的に重ねること（または重ね合わせること、superposing）によって、目標対象物とリファレンス点（または基準点、reference point）との間の距離を決定する工程を含んで成る方法によって解決される。

本発明による方法は、干渉測長が対象物の距離を決定するための最も正確な方法の１つであるため、多くの用途に使用することができ、非常に高い測定精度で目標対象物の空間的位置を決定することを可能にする。これによって、例えば可視光または赤外光などの、使用されるビームの波長よりもかなり短い分解能（resolution）を得ることができる。しかし、干渉測定の前提条件は、目標対象物によって反射されたビームを内部リファレンス・ビームとコヒーレントに重ねることである。測定デバイスは、測定ビームがボール（または球体、ball）に中心的に当たること、つまり最大の干渉コントラストを保証するので、それ故最良の可能な測定精度が得られる。対象とするボールから戻ってくる発せられた信号は、空間におけるその位置から独立している。

本発明はさらに、空間において可動な目標対象物の位置を決定するためのデバイスであって、コヒーレント測定ビームを生成するための光源（light source）、測定ビームを、球状目標対象物に、目標対象物の中心が測定ビームの焦点に位置するように集束させるために設計されたイメージング光学系（imaging optics）、測定ビームからリファレンス・ビームを生成するためのデバイス、目標対象物によって反射された測定ビームと、リファレンス・ビームとの重ね合せによって生成される干渉信号（interference signal）を検出するための検出機、測定ビームの焦点が目標対象物の領域に位置するように、測定ビームの焦点を連続的にトラッキングするためのトラッキング・デバイス、および干渉信号を評価すること（または判定すること、もしくは算出すること、evaluating）によって、目標対象物とリファレンス点との間の距離を決定するための評価デバイスを有して成るデバイスを提案する。

良好な干渉信号を得るために、測定ビームは、目標対象物の表面における、目標対象物に照射された測定ビームの波面の曲率（または曲げ、curvature）が、目標対象物の凸状面（convex surface）の曲率に対応するように、目標対象物において集束される。

連続測定の場合、目標対象物の位置で測定ビームの焦点位置を連続的にトラッキングする必要がある。これに必要な目標対象物の位置の大まかな決定は、位置検出カメラ（position-detecting camera）を用いて、または非集束の、好ましくは非コヒーレントな制御ビーム（control beam）の、目標対象物によって反射された強度を決定することによって行うことができる。

本発明によるデバイスは、目標対象物の位置に測定ビームの焦点をトラッキングするための可変焦点距離を有する可動レンズ（movable lens）を有してもよい。

本発明によれば、目標対象物の空間的位置は、異なる位置から照射され、目標対象物に向けられた複数の測定ビームによって決定される。この方法の変形例によれば、表面のトポグラフィは、複数の測定ビームによって、表面において可動な球状目標対象物の空間的位置決定によって決定されてもよい。目標対象物に向けられた測定ビームの数は、目標対象物の自由度（the degrees of freedom）および要求される冗長性の測定値（redundant measurements）に応じて選択することができ、測定精度を高めることができる。

さらに、本発明によれば、空間における対象物の位置および方向を決定することができ、それによって、互いに離間した複数の、例えば３つの球状目標対象物が対象物に設けられ、その空間的位置を干渉法によって決定する。好ましくは、球状の目標対象物は、形状、色、大きさまたは位置などによって互いに区別可能に構成されてもよい。

本発明を、図面を参照した態様に基づいて下記詳細に記載する。

図１は、目標対象物の位置を決定するための本発明によるデバイスの一態様の構造の模式図である。 図２は、焦点の領域における測定ビームの波面の模式図である。 図３は、目標対象物に当たって反射する測定ビームの波面の模式図である。 図４は、表面のトポグラフィを決定するための本発明による方法の変形例の模式図である。 図５は、空間における対象物の位置および方向を決定するための本発明による方法の変形例の模式図である。 図６は、測定ビームの焦点を連続的にトラッキングするための、本発明によるトラッキング・デバイスの一態様の模式図である。 図７は、目標対象物の位置を決定するための、本発明による方法の一態様を説明するための模式的なフロー図である。

図１は、目標対象物の位置を決定するための、本発明によるデバイス１０の一態様の模式図を示す。コヒーレント測定ビーム、好ましくはレーザを生成するために、コヒーレントな可視光または赤外光を生成する光源１２が供される。測定ビームは、測定ビーム２５を目標対象物４０に集束させるレンズ・システム２２を用いてトラッキング・ユニット２０に送られる。また、反射リファレンス・ビーム１７を生成するためのデバイス２１が供される。これは、例えば、部分反射ミラーまたはビーム・スプリッタとミラーとの組み合わせとして構成されてもよい。この場合、リファレンス・ビームは、トラッキング・ユニットの前、トラッキング・ユニットの内側またはトラッキング・ユニットの後に生成されてもよい。目標対象物４０によって反射された信号は、好ましくはビーム・スプリッタ１５に戻って同じ光路上を進み、リファレンス・ビーム１７と共に検出機３０に反射され、この経路上でリファレンス・ビーム１７と干渉する。検出機によって受けられた干渉信号は、評価ユニット３５によって評価され、このようにして、リファレンス・ビーム１７および測定ビーム２５の光路の差が決定される。システムの較正によって、このようにして、目標対象物４０の距離の測定が可能になる。

目標対象物の位置を決定するための、本発明による方法は、図７において、最も一般的な形態で示される。第１工程Ｓ１では、測定ビーム２５は、目標対象物が測定ビームの焦点に位置するように目標対象物に向けられ、このようにして、リファレンス・ビームを用いて干渉信号を生成するコヒーレントな反射ビームが生成される。第２工程Ｓ２では、リファレンス点から目標対象物までの距離が干渉的に決定される。

目標対象物４０は、反射凸状面を有する本体であり、好ましくは鏡面を有するボールである。測定ビーム２５が目標対象物４０に中心的に当たると、測定ビームは反射され、好ましくは同じビーム経路に沿ってビーム・スプリッタ１５に戻り、ここで戻りビーム（returning beam）は、それ自体とリファレンス・ビーム１７とで干渉的に重なり、ビームの強度は検出機３０によって決定される。

好ましくは、光源１２、トラッキング・ユニット２０および検出機３０の間のビームは、光ファイバーで運ばれる。光源１２は、リファレンス・ビームを生成するためのデバイス２１、目標対象物４０および検出機３０と共に、このようにして距離測定に役立つ干渉計を形成する。この場合、リファレンス・ビーム生成デバイス２１の反射面へのリファレンス・ビームの光路は、距離測定のためのリファレンス長を構成する。従来の干渉計では、波長の半分以下の相対的な長さ測定しかできない。さらに、最新の方法では、より大きな相対距離およびさらには絶対距離も測定することができる。絶対距離測定用の干渉計が利用できない場合でも、リファレンス点が相対測定用に作成されているとしても、提案された方法を実装してもよい。

目標対象物としてのボールを反射する、本発明を使用することの大きな利点は、目標対象物を完全に受動的に構成し得ることである。目標対象物の測定ビームへの方向付けは不要である。逆に、ボールの中心で非常に正確に測定ビームを当てること（struck）が必要である。これは、好ましくは、ビームを偏向させるための多段システムによって達成される。まず、ボールの位置を大まかに決定しなければならず、デカップリング・ユニット（decoupling unit）をボールに向ける。次の工程でボールの中心が見つかるはずである。干渉法はここでのみ使用できる。実際の長さ測定が迅速に可能なので、ボールは動的システムでも追跡され、ボールの中心までの距離は短い間隔で測定される。ボール４０における大まかな方向付けは、例えば、それ自体公知のカメラ（図示せず）による位置決定によって達成されてもよい。ボールの位置は、適切な画像評価ソフトウェアと共に１つ以上のカメラの助力による三角測量によって決定することができる。代替的には、ボールに対する大まかな方向付けは、ボールからの後方反射によって行うことができる。明るい非集束光（bright, non-focused light）の助力により、ボールの後方反射を、測定ビームにも使用されるのと同じ光学系を用いて探索することができる。しかし、その後の測定に必要な干渉は生じないことが重要である。そのときだけ反射されたパワーは、ボールの中心からの距離に伴って単調に低下する。この方法は、追加のレーザを用いて行うことができるが、干渉計自体のレーザでも行うことができ、それによるところ、レーザ波長が変調される。

目標対象物４０における測定ビーム２５の反射について、図２および図３を用いて以下に詳細に説明する。

凸状面、特に球面における干渉測長の場合、ボール４０における反射点に正確に当てるだけでなく、以下の２つの重要な条件が満たされなければならない。
１．干渉計によって吸収されたボールの反射のパワーは、十分な信号対雑音比で局所リファレンス・ビームを変調するのに十分でなければならない。
２．反射ビームおよびピックアップ・ビーム内のランタイム分布はシャープでなければならない。言い換えれば、光波長の数分の１よりも短いまたは長い経路を通過した部分ビームは存在してはならない。

これらの条件の両方は、目標対象物４０の距離に適合したビーム形成を満たすことができる。さらなる要件は、測定ビームをボールに中心的に当てる必要から生じる。

測定ビーム２５と目標対象物４０との相互作用を、ガウス光学系を用いて以下に記載する。これは、ビーム光学系の法則（大部分は直感に従う）が焦点で成り立たなくなるため、必要となる。単一モードのファイバーから出る光は、ガウス光学系で非常によく説明できる。ガウスビームの焦点を図２に示す。焦点は一点ではなく、最小直径を有するウエスト（waist）である。波面の曲率は、説明のために誇張されて示されている。ここで重要なことは、焦点は任意に小さくすることはできないが、波長およびビームの発散のために、最小直径の下限があることである。波面の曲率は、焦点からの距離の非線形関数である。

いわゆるレイリー長さｚ_０は_、最小ビーム半径ω（ウエスト）および波長λの関数である。

数１から、ガウスビームにおける波面は、レイリー長の距離において最小曲率半径を有することが分かる。この最小曲率半径が反射ボールの最小曲率半径以下になるようにビームを集束させることができれば、光路誤差なしにビームの完全なミラーリングが可能である。ビームはそれ自体でミラー化される（mirrored）。このケースは、ボールが同じ半径の波面で覆われている場合に生じる。このケースを、図３に模式的に示す。同一のビームに対して同位相の反射が生じる。これにより、ボールに対する十分な（full）干渉コントラストおよび反射の最適なピックアップ効率が可能になる。

曲率半径に必要な小さなウエストは、それに対応して大きな発散で集束することによって得ることができる。

したがって、例えば１０ｍｍの直径を有するボールの場合、最後のレンズの位置での最小ビーム直径、すなわちその最小開口を規定する、０．８°の発散が必要とされる。例えば、最大距離１ｍでは、３５μｍのウエストを生成するためには、少なくとも２８ｍｍの有効直径を有するデカプラ（decoupler）が必要であり、それは、５ｍｍの最小波面半径を有する。

上記により、断面全体にわたって同相反射が生じるように、測定ビームを集束させることが可能である。これにより、その後、最大のコントラストを有する干渉信号が可能になる。しかし、距離が増加するにつれて、より大きな開口および焦点距離を有するビーム形成光学素子（beam-forming optic）が必要とされる。しかし、これは少なくとも数メートルまでの範囲で可能である。

目標対象物４０における測定ビーム２５の方向およびトラッキングを、図６を参照して具体的な態様によって以下に説明する。干渉計からの測定光はシングルモード・ファイバ１８から来て、図示する態様において、単一のレンズ２２によって９０ｍｍの距離で集束される。得られる（計算される）ウエストの直径は５２．５μｍである。これには、１．４ｍｍのレイリー長さが付随し、したがって、最小波面半径は２．８ｍｍである。理想的な条件下では、ウエストはボールの表面の裏側（内側）に４．５７ｍｍの位置にある。正確には、このとき波面はボールを通過する（cover）。

本発明の他の構成によれば、複数の測定ビームと干渉計との組み合わせにより、目標対象物４０の様々なリファレンス点への距離を決定できることで、個々の距離から空間における目標対象物４０の位置を計算することができる。これによって、本発明による方法の利点は、目標対象物の測定ビームへの方向付けが必要でない点に見出すことができる。異なる位置に設けられた複数の距離測定デバイス１０を用いた、空間における目標対象物４０の位置決定の変形例を図４に模式的に示す。例示するように、球状目標対象物４０は調査すべき表面４５において自由に動き、球状目標対象物の半径を考慮して、そのトポグラフィを非常に高い測定精度でスキャンすることができる。用いる対象検出デバイス（target-detecting devices）１０の数は、目標対象物４０の自由度に基づいて、選択することができる。冗長性によって測定精度を高めるために、より多くの測定ビームを目標対象物の自由度として用いることもできる。記載された方法は、例えば材料試験の分野で使用することができる。

本発明のさらに別の構成によれば、空間における対象物の位置および方向を決定することができ、これによって、対象物の対称性および目標対象物の１の可能なシャドーイングで要求される冗長性に応じて、互いに間隔をあけて配置された２、３または複数の球状目標対象物が対象物に設けられ、その空間的な位置が干渉法によって検出される。これは、図５において例として示されている。３つの球状目標対象物４０が、規定された距離でペン状対象物５０に設けられている。各々のケースにおいて、３つの測定ビームを用いて３つの目標対象物４０のすべての位置を決定することによって、上記のように、例えば空間における対象物５０の位置および方向ならびに、それにより測定チップ（または測定先端、measuring tip）５２の位置も、非常に高い測定精度で決定することができる。これにより、特にロボット工学の分野における用途が広がる。容易に区別するために、互いに離間した複数の目標対象物４０は、異なる形状、色、サイズまたは位置を有するボールであってもよい。

まとめると、本発明は、多くの用途に使用することができる汎用性のある非接触式の方法、および干渉測長によって目標対象物の位置、特に空間的位置を正確に決定するためのデバイスを提案する。

Claims (16)

1. 集束された測定ビーム（２５）の焦点が空間において可動な目標対象物（４０）内に位置するように、該目標対象物（４０）に該測定ビーム（２５）を照射し、該焦点の位置によって該目的対象物（４０）の位置を決定するための方法であって、
   凸状反射面を有する球状目標対象物（４０）に、コヒーレントの、該集束された測定ビーム（２５）を、該目標対象物（４０）の中心が該測定ビーム（２５）の焦点に位置するように方向付ける工程、および
   前記目標対象物（４０）によって反射された前記測定ビーム（２５）を、リファレンス・ビーム（１７）と干渉的に重ねることによって、該目標対象物（４０）とリファレンス点との間の距離を決定する工程
   を含んで成り、
   前記目標対象物（４０）の表面において該目標対象物（４０）に照射された前記測定ビーム（２５）の波面の曲率が、該目標対象物（４０）の前記凸状反射面の曲率に対応するように前記測定ビーム（２５）の前記焦点の位置が、前記目標対象物（４０）の位置で連続的にトラッキングされる、方法。
2. 前記測定ビーム（２５）の前記焦点の位置をトラッキングするための前記目標対象物（４０）の大まかな位置決めが、位置検出カメラによって行われる、請求項１に記載の方法。
3. 前記測定ビーム（２５）の前記焦点の位置をトラッキングするための前記目標対象物（４０）の大まかな位置決めが、非集束制御ビームの該目標対象物（４０）によって反射された強度を決定することによって行われる、請求項１に記載の方法。
4. 前記制御ビームがコヒーレントではない、請求項３に記載の方法。
5. 前記リファレンス・ビーム（１７）が、前記測定ビームからの部分反射によって生成される、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記目標対象物（４０）の空間的位置が、異なる位置から照射されて、該目標対象物（４０）に向けられた複数の測定ビーム（２５）によって決定される、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 前記目標対象物（４０）に向けられた前記測定ビーム（２５）の数が、該目標対象物（４０）の自由度および要求される冗長性の測定値に応じて選択可能である、請求項６に記載の方法。
8. 表面（４５）のトポグラフィが、該表面（４５）で可動な球状目標対象物（４０）の空間的位置決定によって決定される、請求項６または７に記載の方法。
9. 空間における対象物（５０）の位置および方向を決定するための方法であって、
   互いに離間した複数の球状目標対象物（４０）が、前記対象物（５０）に設けられ、
   前記球状目標対象物の空間的位置が、請求項６〜８のいずれかに記載の方法によって決定される、方法。
10. 互いに離間した前記複数の目標対象物（４０）が、互いに区別可能になっている、請求項９に記載の方法。
11. 測定チップ（５２）の前記空間的位置が決定され、該空間的位置が前記複数の目標対象物（４０）への距離を規定する、請求項９または１０に記載の方法。
12. 集束された測定ビーム（２５）の焦点が、凸状反射面を有する、空間において可動な目標対象物（４０）内に位置するように、該目標対象物（４０）に該測定ビーム（２５）を照射し、該焦点の位置によって該目的対象物（４０）の位置を決定するためのデバイスであって、
    コヒーレント測定ビーム（２５）を生成するための光源（１２）、
    前記測定ビーム（２５）を、球状の前記目標対象物（４０）に、該目標対象物（４０）の中心が該測定ビーム（２５）の焦点に位置するように集束させるために設計されたイメージング光学系（２２）、
    前記測定ビーム（２５）からリファレンス・ビーム（１７）を生成するためのデバイス（２１）、
    前記目標対象物によって反射された前記測定ビーム（２５）と、前記リファレンス・ビーム（１７）との重ね合せによって生成される干渉信号を検出するための検出機（３０）、
    前記測定ビーム（２５）の焦点が、前記目標対象物（４０）の領域に位置するように、該測定ビーム（２５）の焦点を連続的にトラッキングするためのトラッキング・デバイス（２０）、および
    前記干渉信号を評価することによって、前記目標対象物（４０）とリファレンス点との間の距離を決定するための評価デバイス（３５）
    を有して成り、
    前記目標対象物（４０）の表面において該目標対象物（４０）に照射された前記測定ビーム（２５）の波面の曲率が、該目標対象物（４０）の前記凸状反射面の曲率に対応するように前記測定ビーム（２５）の前記焦点の位置が、前記目標対象物（４０）の位置で連続的にトラッキングされる、デバイス。
13. リファレンス・ビーム（１７）を生成するためのデバイス（２１）が反射面を有する、請求項１２に記載のデバイス。
14. 前記測定ビーム（２５）の焦点の位置をトラッキングするために、前記目標対象物（４０）の位置を大まかに決定するための位置検出カメラを有する、請求項１２または１３に記載のデバイス。
15. 非集束制御ビームを生成するための光源（１２）を有し、前記検出機（３０）が、前記目標対象物（４０）によって反射された前記制御ビームの強度を、該目標対象物（４０）の位置を大まかに決定するための制御変数として検出するようになっている、請求項１２〜１４のいずれかに記載のデバイス。
16. 前記目標対象物（４０）の位置への前記測定ビーム（２５）の焦点をトラッキングするための１または複数の可動レンズ（２２）を有する、請求項１２〜１５のいずれかに記載のデバイス。

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