JP7536927B2 - 物体を幾何学的に測定する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、物体、例えばレンズなどの特に光学部品を幾何学的に測定する装置に関する。これに加えて、本発明は、この種の物体を幾何学的に測定するための対応する方法及びコンピュータプログラムに関する。

品質保証のために、及び特に精密機械工学、光学の分野、ならびに機械的及び電気的微細構造の製造技術における工業生産プロセスの監視のために、工作物又は一般に物体の高分解能での正確な測定に関する要求が増している。

ＤＥ１０２０１１０１１０６５Ｂ４から、支持体上に支持された物体の少なくとも１つの表面部分を測定するための装置が知られている。この場合、装置は、支持体に対して固定可能な基準物体と、基準物体に対して少なくとも１つの第１方向に可動の保持体とを有している。保持体には、互いに相対回転可能に支持される基準体と距離センサとが配置されている。その際、距離測定装置が物体の表面部分の第１点に対する第１距離と、第１点に対応する基準体の第２点に対する第２距離とを決定するように形成されている。その際、距離測定器と呼ばれる距離測定装置は、物体の方に向いた第１距離センサと、基準体の方に向いた第２距離センサとを有する。その際、第１距離センサと第２距離センサとは正反対に方向合わせされている。

この種の装置により、物体の表面を高精度かつ非接触で光学的に走査若しくはスキャンすることができる。

ＤＥ１０２０１１０１１０６５Ｂ４から基本的に知られている装置が図１に模式的に示される。装置１００は、例えばレンズなどの測定すべき物体１４が回転可能又は変位可能に支持される支持体１２を有する。装置１００は、図１に示されたｘ－ｚ平面上で可動の保持体２６をさらに有し、この保持体に距離測定装置３０が配置されている。距離測定装置３０は、物体１４の方に向いた第１距離センサ３６と、物体から離反した基準体４０に方向合わせされている第２距離センサ３８とを有する。基準体は、円筒内壁として形成された反射若しくは鏡反射する（ｓｐｉｅｇｅｌｎｄ）基準面４２を有することができる。基準面を、例えば中空鏡として形成することができる。第２距離センサ３８は、第１距離センサ３６に相対して正反対に配置され、かつに逆に方向合わせされ得る。２つの距離センサ３６、３８は互いに固定結合されている。

距離センサ３６は、物体１４の測定すべき表面１６に向けられている。距離センサ３６、３８は、光学距離センサとして、かつそれに伴い光信号を発し、かつ検出するように形成されている。センサ３６、３８は、反射ジオメトリで測定する。すなわち物体１４の測定点１７に向けられた測定ビームが物体１４の表面輪郭に対応して反射され、跳ね返され、かつ物体１４の表面１６に対して略直交する向きにもとづいて再びセンサ３６によって検出され、最終的に距離センサ３６と結合された、センサ及び検出ユニットの制御器に送られる。測定すべき物体１４の輪郭、及び物体１４に対する保持体２６の相対位置決めに応じて、保持体２６の回転軸５１に対する距離センサ３６、３８の向き若しくは方位を変化させることができ、測定のために必要な直交性の条件を遵守するべく、それぞれ適応的に適合させることができる。

距離測定装置３０、特に２つの距離センサ３６、３８のポジションとｘ－ｚ平面上の基準体４０のポジションとを正確に決定するために、保持体２６には２つの別の、本明細書中で基準センサ３２、３４と呼ばれる距離センサが設けられ、これらの距離センサは、定置の基準物体１８、２０に相対する支持体２６の変位方向又は運動方向（ｘ、ｚ）に対応して方向合わせされ、これらの距離センサによって、基準物体１８の基準面２２に対してｚ方向に支持体２６の軸方向の距離と、別の定置に配置された基準物体２０及びこの基準物体の基準面２４に対してｘ方向に径方向の距離を測定することができる。

特に測定すべき物体１４の表面１６が大きく曲がっている、例えば凹状に湾曲する場合、距離測定装置３０を物体１４の表面１６に相対して必要とされる距離で、及び距離測定のために必要な向きで位置決めすることが困難であることが明らかになり得る。例えば図２に示されるように、基準センサ３４が軸方向（ｚ）に関して物体１４の表面１６の中空空間に入り込み、それによって基準センサ３４により発せられる信号が物体１４若しくは物体の表面１６で吸収又は散乱されるという状況が生じ得る。その場合、相応の基準物体２０を基準とする（Ｒｅｆｅｒｅｎｚｉｅｒｕｎｇ）ことができなくなる。それに対応して、表面１６に対する距離測定装置３０の距離が拡大せざるを得なくなり、このことが測定精度及び測定速度に不利になることがある。

距離センサ３６の受光角が限られていることから、測定装置の実運用のために距離センサ３６と物体１４の測定すべき表面１６との間の距離を可能な限り小さく選択すべきである。それに加えて、物体表面のスキャン検出をするべく可能な限り高い横方向の空間分解能を得るために、距離センサ３６から物体に向けられる測定ビームは典型的には物体表面に集束される。

ＤＥ１０２０１１０１１０６５Ｂ４

これに対して本発明は、測定すべき物体の比較的大きく曲がった表面を高い信頼性で、正確に、かつ迅速に検出する、特にスキャンするのに適した、物体を幾何学的に測定するための改善された装置、及び方法、ならびにコンピュータプログラムを提供するという課題にもとづいている。この場合、場合によって起こり得る衝突、あるいは物体又は物体の表面により引き起こされ得る基準センサの信号の遮蔽が、測定精度又は測定速度が制約されることなしに確実に回避されるべきである。

これに加えて、比較的大きい面積の物体、特に径方向又は横方向に関して、すなわち支持体の軸方向に対して垂直に比較的大きく延在する物体の測定が、このために装置の空間寸法をほとんど大きくすることなしに可能にされるべきである。装置の体積（Ｋｕｂａｔｕｒ）は可能な限りそのまま変わらず、装置が比較的大きい物体を測定するのに適するべきである。

上記課題は、独立請求項１に記載の装置、請求項１４に記載の方法、及び請求項１５に記載のコンピュータプログラムにより解決される。その場合、有利な実施形態は従属請求項の主題である。

その限りにおいて、物体を幾何学的に測定する装置が予定されている。装置は、物体のための支持体を有する。物体のための支持体は軸方向（ｚ）及び径方向（ｘ）を定義する。軸方向及び径方向は、典型的には一般に用いられる円筒座標に準拠する。物体のための支持体は、特に光学部品のための支持体として機能する。物体、例えばレンズが支持体に配置されているか、又は組み付けられている場合、物体の光学軸は典型的には支持体の軸方向と一致するか、あるいは光学軸は支持体の軸方向に対して平行である。

支持体は回転可能に基部に支持され得る。しかし支持体を物体性状に応じて装置の基部に相対して横方向に、若しくは縦方向に変位可能に、例えば軸方向に対して垂直に支持することもできる。

装置は、支持体に相対して軸方向に関して、及び径方向に関して可動である保持体をさらに有する。典型的には保持体は、支持体の軸方向と径方向に広がる平面上を支持体に相対して移動可能又は変位可能である。それに伴い保持体は、軸方向と径方向に広がる平面上で支持体をスキャンすることができる。

支持体を回転可能に支持することができ、それにより支持体に配置された物体が回転することによって、保持体の方に向いた物体の表面を保持体に配置された距離測定装置により完全にスキャンすることができる。装置は、保持体に配置された距離測定装置をさらに備える。

距離測定装置は、支持体に配置された物体の表面に対する距離を決定するように形成されている。距離測定装置は、典型的には非接触距離測定装置として形成されている。距離測定装置は、例えば光学的に実装される距離測定器を有し、この距離計測器は、反射ジオメトリで物体の表面上の１つ若しくは複数の点に対する１つ又は複数の距離を検知し、それに伴い表面輪郭をいわば点状又は線状にスキャンする。

装置は、支持体に対して固定可能な基準物体をさらに有する。支持体と基準物体とは、典型的には定置に配置されるとともに固定の幾何学的関係にある。

保持体及び基準物体の一方に、長手方向に延在する第１基準構造物と長手方向に延在する第２基準構造物が配置されている。保持体及び基準物体のもう一方には第１基準構造に方向合わせされた第１基準センサと第２基準構造物に方向合わせされた第２基準センサがさらに配置されている。基準構造物が１つの定置の基準物体に、又は複数の定置の基準物体に配置されていること、ならびにそれぞれの基準構造物の方に向いた基準センサが装置の保持体に配置されていることが考えられ、かつ予定されている。

第１基準構造物及び第２基準構造物は互いに予め定められた角度で延在する。第１基準センサと第１基準構造物との間の距離を測定することによって、及び第２基準センサと第２基準構造物との間の第２距離を測定することによって、２つの基準構造物の長手方向延在がなす平面上の保持体のポジションを正確に検知することができる。

他の実施形態は、第１基準構造物及び第２基準構造物が保持体に配置されていることを予定する。その場合、これと対応する基準センサが、１つの基準物体に、又は利用可能な複数の基準物体に配置され、それぞれの基準構造物の方向に方向合わせされる。それに伴い、支持体に相対する、若しくは１つの基準物体又は複数の基準物体に相対する保持体の軸方向（ｚ）及び径方向（ｘ）に関する距離若しくはポジションを同じように検知及び決定することができる。

第１基準構造物が径方向（ｘ）に方向合わせされ、第２基準構造物が軸方向（ｚ）に対して予め定められた角度の分だけ傾けて方向合わせされていることがさらに予定されている。これに代えて、第１基準構造物と第２基準構造物がそれぞれ径方向（ｘ）に対して、すなわち軸方向（ｚ）に対して予め定められた角度の分だけ方向合わせされ得る。ここで予定される第１基準構造物及び／又は第２基準構造物の各向きについては、少なくとも第２基準センサがもはや水平にではなく、水平線に対して上に傾けて方向合わせされることが有利であることが明らかになっている。このことは、例えば物体の表面上又は表面における中空構造又はアンダーカット領域に入り込むことを可能にする。特に、このことによって物体の比較的大きい凹状の構造を正確に、かつ最大距離を遵守して正確かつ迅速にスキャン及び測定することができる。

典型的には、２つの基準構造物のどちらも垂直方向若しくは軸方向に延在しない。これに対して、２つの基準構造物の１つが水平方向に、すなわち径方向又は横方向に、すなわち軸方向に対して直交方向に延在し得る。典型的には、第１基準構造物、したがって第１基準物体は、軸方向に関して保持体の上方に配置され得る。その際、保持体は軸方向（ｚ）に関して支持体と基準物体との間に位置する。

第２基準物体若しくは第２基準構造は、保持体から側方若しくは水平方向に離間して設けられ得る。第２基準構造は、典型的にはその面法線が支持体の方向に方向合わせされている。第２基準構造は、支持体の、又は支持体に配置された物体の面法線に関して径方向にずらして配置され得る。第２基準物体の、したがって第２基準構造物をこのように傾けた配置は、装置の径方向の測定領域の拡大を可能にする。さらに、比較的大きく曲がった表面構造を有する物体、特に凹状に湾曲した物体を、物体又は物体の領域が第２基準センサと第２基準構造との間に達することなしに正確に測定することができる。

別の実施形態では、第２基準構造は、支持体に対する軸方向の距離が大きくなるにつれて小さくなる支持体に対する径方向の距離を有する。換言すると、第２基準構造物は、上へ支持体に向かって水平の方向又は径方向に傾けて方向合わせされている。第２基準構造、特に第２基準物体も実質的に直線的又は平坦な輪郭を有することができる。第２基準構造の傾きに対応して、典型的には保持体に配置される第２基準センサも上へ傾けて方向合わせされている。このことによって物体の凹状又は中空の表面領域による保持体の遮蔽を大幅に回避することができ、かつ不可能にすることができる。

別の一実施形態では、基準構造は、軸方向（ｚ）に対して５°～７５°の角度、３０°～６０°の角度、４０°～５０°の角度、又は約４５°の角度の分だけ傾けて方向合わせされている。これに代えて、第２基準構造は、軸方向（ｚ）に対して５°～３０°の角度、５°～２５°の角度、１０°～２０°の角度、又は約１５°の角度の分だけ傾けて方向合わせされ得る。

このような傾きは、装置の外寸をほとんど拡大することなしに装置の径方向の測定領域の拡大を可能にする。第２基準構造物の方向合わせの、したがってさらに第２基準物体の方向合わせのこの角度範囲は、典型的には保持体に配置される第２基準センサの対応する方向合わせを可能にする。

これに対応して、結果として装置の径方向若しくは水平の測定領域が拡大される。第１基準構造物は、第２基準構造物に対して固定の角度比率で方向合わせすることができる。例えば、第１基準構造物を第２基準構造物に対して直角に、又は９０°の角度に方向合わせすることができる。それにより第１基準構造物の長手方向延在と第２基準構造物の長手方向延在との間の角度を６０°～１７５°、７５～１１５°、７５°～１３５°、７５°～１４５°、あるいは約９０°又はより大きくすることができる。物体の幾何学的測定のために、第１基準構造物の長手方向延在が径方向に対して平行に、すなわち水平に延びるならば有利であり得る。それに対して第２基準構造物の長手方向延在は、これに対して下へ、すなわち支持体に向かって約９０°～１７５°、９０°～１６０°、９０°～１４５°、９０°～１３５°、又は９０°～１２０°の角度範囲で延びることができる。

第１基準構造物及び第２基準構造物の相互の方向合わせに対応して、第１基準センサ及び第２基準センサも互いに方向合わせされ、したがって第１センサが第１基準構造物に対して実質的に垂直に方向合わせされ、それに伴い第２センサも第２基準構造に対して実質的に垂直に方向合わせされる。第１基準センサ及び第２基準センサは、典型的にはそれぞれの基準構造物との距離を測定するための光学センサとして形成されている。

一実施形態では、例えば第２基準構造物は、軸方向に対して約４５°の角度の分だけ傾けて方向合わせされ得る。その際、第１基準構造物は、第２基準構造物の長手方向延在に対して約９０°の角度の分だけ方向合わせされ得る。したがって第１基準構造物も同様に軸方向に対して４５°傾けて方向合わせされ得る。第１基準構造物と第２基準構造物の直交方向の方向合わせは、例えばデカルト座標系にもとづいて特に簡単な基準設定を可能にする。

第２基準構造物が軸方向に対して１０°～２０°の角度、例えば約１５°の角度の分だけ傾けて方向合わせされる別の実施形態は、比較的大きい物体を測定するように形成されている装置の場合に特に有利であることが明らかになっている。支持体の軸方向の位置調節性（Ｖｅｒｓｔｅｌｌｂａｒｋｅｉｔ）又は移動距離が予め定められる場合、軸方向に対する第２基準構造物の角度が大きくなるにつれて、これに対応して当該基準構造物の長さを適合させなければならない。

この場合、基準構造物の長さは、軸方向から逸脱する角度が大きくなるにつれて増加するということになる。しかし製造技術的及び測定技術的には、例えば鏡の形の基準構造物が可能な限りコンパクトに形成されていることが有利である。そのため上記の１０°～２０°の角度範囲は最善であり得るか、又は測定領域を拡大することと同時に装置をコンパクトな形式にすることとの間の少なくとも１つの良好な妥協案であり得る。

別の一実施形態では、長手方向に延在する第１基準構造物及び第２基準構造物が少なくとも１つの共通の基準物体に、又は互いに固定された２つの基準物体に配置されている。唯一の基準物体、例えばＬ字形の基準物体を設ける場合、典型的には鏡面として形成される第１基準構造物及び第２基準構造物が互いに固定かつ不動に唯一の基準物体に配置されている。２つの基準物体が設けられる場合、第１基準構造物及び第２基準構造物を、例えば較正する目的で互いに方向合わせすることもでき、若しくは互いに必要に即して方向合わせすることもできる。

別の一実施形態では、第１基準センサは保持体に配置され、かつ第１基準構造物の長手方向延在に対して垂直に方向合わせされている。第２基準センサも同様に保持体に配置され、かつ第２基準構造物の長手方向延在に対して垂直に方向合わせされている。保持体は、基準構造物に対して、若しくは少なくとも１つの基準物体に対して特に回転不能に配置されている。保持体は、基準構造物若しくは少なくとも１つの基準物体に対して並進的に可動に装置に配置されているにすぎない。

基準構造物が保持体に、典型的には保持体の外面に配置されている、かつ基準構造物と協働する基準センサが少なくとも１つの基準物体に、又は複数の基準物体に割り振って配置されている逆の位置関係も同様に考えられる。基準物体における基準構造物の、及び保持体における基準センサの配置に関する上記のすべての特徴は、基準構造物が保持体に配置され、基準センサが１つ又は複数の基準物体に配置される逆の位置関係にも当てはまる。

さらに別の実施形態では、距離測定装置は少なくとも第１軸に関して旋回可能に保持体に支持されている。第１軸は、軸方向及び径方向に対して典型的には垂直に、又は予め定められた角度で延在し得る。保持体における距離測定装置の旋回可能な支持により、物体の表面上の各点が反射ジオメトリで、及び距離測定装置の直交性の条件を遵守して目指され、かつ光学的に走査され得る。このために第３の、すなわち径方向に対して垂直及び軸方向に対して垂直の次元に関して、保持体に相対する物体の回転可能な、及び／又は並進的に変位可能な支持が必要になること、かつ予定されることがある。

別の実施形態では、第１軸は、第１基準センサの第１測定方向の想定される第１延長部の、及び第２基準センサの第２測定方向の想定される第２延長部と一致する。距離測定装置の回転軸と第１基準センサ及び第２基準センサの測定方向の想定される延長部とのこの重なりは、保持体の、若しくはこれらの基準センサの旋回可能に支持された距離測定装置の正確なポジション決定及び位置決定のために有利である。その限りで、場合によって生じ得る公差にもとづく保持体の傾倒が、物体に対する距離測定の測定結果に影響を及ぼさないか、又は無視できる程度にしか及ぼさない。その限りで、基準センサ及び基準センサと協働する基準構造物にもとづく保持体の位置決定は、距離測定装置の回転運動に対してほとんど不変（ｉｎｖａｒｉａｎｔ）である。

別の実施形態では、保持体に基準体が配置されている。保持体における距離測定装置は、物体が支持体に配置されている場合に基準体と物体の表面との間の距離を測定するように形成されている。このことには距離測定装置の回転運動によって場合によって引き起こされ得るポジションの不正確さが基準体によって補償され得るという利点がある。基準体は、基準物体に対して回転不能に可動の保持体に配置されている。基準体は、典型的には鏡反射する、かつ装置の支持体の方に向いた、既知の表面ジオメトリを有する表面を具備する。物体の方向と基準体の方向の距離を測定することによって、距離測定装置の回転運動によって引き起こされる距離測定装置のポジションの不正確さを補償することができる。

距離測定装置の回転運動によって、例えば距離測定装置と、物体の表面上の予め定められた測定点との間の距離が短縮される場合、同じように、距離測定装置と、正反対の側に位置する基準体における測定点との間の距離も同程度に拡大される。

別の実施形態では、装置は、保持体及び基準物体の一方に配置され、かつ第１基準構造及び第２基準構造に対して予め定められた角度で傾いて延在する、長手方向に延在する第３基準構造を有する。長手方向に延在する第３基準構造によって、基準物体に対する３つのすべての空間座標に関して保持体のポジションを検知することができる。このことは原則的に３つのすべての空間次元における保持体の自由な可動性を可能にする。保持体を２つの空間次元に関して動かすことができ、かつ保持体に配置された距離測定装置を２つの軸に関して旋回させることができる。

しかし、保持体の可動性が軸方向及び径方向に、そしてそれに伴い唯一の平面上での動きに限定される場合にも、第３基準構造物は、距離測定装置のポジション及び／又は向きを検知するために有利であり得る。特に、第３基準構造物によって、距離測定装置の傾き又は回転によって引き起こされるポジションの不正確さを、場合によっては検知され、決定され、及びこれによって引き起こされ得るポジションの不正確さに関して補償することができる。

別の実施形態では、装置は、保持体及び基準物体のもう一方に配置され、かつ第３基準構造物の長手方向延在に対して実質的に垂直に方向合わせされる第３基準センサをさらに有する。第３基準センサによって、保持体と第３基準物体との間の距離を正確に検知することができる。その際、第３基準センサの第３測定方向の想定される第３延長部は、第１基準センサの第１測定方向の第１延長部及び第２基準センサの第２測定方向の想定される第２延長部の少なくとも一方と一致し得る。したがって、すべての基準センサのすべての延長部が一点で交わり得る。どの交点も距離測定装置の回転軸と一致することが好ましい。

別の実施形態では、第３基準構造物は、第１基準構造物及び第２基準構造物に対して予め定められた角度で傾いて延在する基準平面を有する。基準平面を提供することは、特に軸方向と径方向とがなす平面上での保持体の移動性又は変位性を可能にする。第３基準構造物、特に第３基準構造物の基準平面は、軸方向に対して例えば９０°より小さい、及び１５°より大きい予め定められた角度で延在し得る。

第３基準構造物の基準平面は、さらに、典型的には接線方向に延在し得る。第３基準構造物は、支持体に対して軸方向の距離が大きくなるにつれて小さくなる支持体に対する径方向の距離を有し得る。基準平面の面法線は、典型的には支持体の方向に方向合わせされ得る。第３基準平面は、径方向（ｘ）に関して、支持体の面法線に対して軸方向にずらして配置され得る。その限りで第３基準構造物の基準平面は、径方向内側から径方向外側に見て下へ傾いて延在する。基準平面は、径方向外側から径方向内側に見て上に傾いて延在する。

別の実施形態では、距離測定装置は、少なくとも第２軸に関して旋回可能に保持体に支持されている。その際、第２軸は、第１軸に対して予め定められた角度で傾いて延在する。第１軸及び第２軸に関して距離測定装置が旋回可能に保持体に支持され、第１軸及び第２軸は、例えば互いに９０°の角度で延在し得る。第１軸及び第２軸の想定される延長部も、例えば一点で交わり得る。

第３基準センサによって、及び第３基準センサと第３基準構造物との協働によって、第２軸に関する旋回運動の結果として場合によって生じ得る距離測定装置のポジションの不正確さが、正確に検知若しくは測定され、それに対応して計算により補償され得る。

すなわち典型的な構成では、第１基準物体若しくは第１基準構造物が少なくとも一方向成分で径方向（ｘ）に沿って延在すること、第２基準物体若しくは第２基準構造物が少なくとも一方向成分で軸方向（ｘ）に沿って延在すること、及び距離測定装置が第１軸に関して回転可能に保持体に支持され、第１軸が接線方向に、したがって径方向に対して垂直に、かつ軸方向に垂直に延在することが予定され得る。このようにして距離測定装置は、軸方向と径方向とがなす平面の面法線に対して実質的に平行に延在する第１軸に対して旋回可能であり得る。

これにもとづく距離測定装置が付加的に第２軸に対しても旋回可能に保持体に支持される実施形態では、これによって可能にされるいわば第２の旋回可能な支持によって、基準物体に対する距離測定装置のポジションの不正確さが生じ得る。この種のポジションの不正確さは、例えば機械的な軸線誤差（Ａｃｈｓｅｎｆｅｈｌｅｒ）によって引き起こされ得る。しかし支持体における距離測定装置の第２軸に関する旋回性によって、この種のポジションの不正確さは距離測定装置の測定方向に位置し得る。第３基準構造物及び第３基準物体によって、ならびにこれに向けられる第３基準センサによって、測定方向に位置するこの種のポジションの不正確さを正確に検出し、それに対応して計算により補償することができる。

別の実施形態では、第１基準構造物及び第２基準構造物の少なくとも一方が直線的に延びる、長手方向に延在する鏡反射する条片を有することがさらに予定されている。したがって、第１基準構造物及び第２基準構造物を、それぞれ保持体がそれぞれの基準構造物の長手方向に移動すること又は長手方向に変位する動きのみを可能にし、その限りで保持体の動きを制限するいわば一次元基準構造物として形成することができる。

第１基準構造物と第２基準構造物とは直線的に延びる、長手方向に延在する鏡反射する条片を有することができる。それに伴い保持体は、軸方向及び径方向に関して唯一の、第１基準構造物及び第２基準構造物と一致する平面上で１つの基準物体に相対して、若しくは複数の基準物体に相対して可動に支持されている。

物体又は基準体又は基準物体との距離を多波長測定原理で決定するために、距離センサ若しくは基準センサは、典型的には異なった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測定法は、ナノメートル領域及びサブナノメートル領域の分解能で高精度の距離測定を可能にし、かつミリメートル領域までの測定結果の一義性領域を提供することができる。光源として、一般に、波長が１５２０～１６３０ｎｍの範囲の単色レーザが予定されることが好ましい。典型的には、使用されるレーザ波長は光電気通信スペクトルのＳ帯域、Ｃ帯域、又はＬ帯域である。しかし基本的に可視領域、及び／又はＵＶスペクトル領域の波長も考えられる。

原則的に、本発明は、単波長でしか動作しない距離測定装置のためにも実現可能である。しかし多波長測定法によって、受信信号の一義性領域を著しく拡大することができる。物体表面により反射されるビームのそれぞれの位相又は位相位置は、波長選択的に検出され、電子的評価の過程で距離を決定するために処理される。

距離センサは、さらに光ファイバで当該光源と結合され得る。このようにすることで、場合によって生じ得る環境に起因する干渉の影響を最小限にとどめることができる。

別の実施形態では、装置は、検出ユニットとして形成される制御器をさらに有し、この制御器によって第１距離及び第２距離から、少なくとも１つの基準物体に相対する保持体又は保持体の基準体のポジション及び向きを正確に決定することができる。特に、互いに独立して測定された第１距離と第２距離の比較により、及び／又は平均値を求めることにより測定平面（ｘ、ｚ）上の保持体のポジションと、保持体の傾き若しくは傾倒を決定することができる。これにより、特に距離測定装置の回転軸の位置を正確に決定することができる。

別の態様では、本発明は、さらに上記の装置により物体を幾何学的に測定する方法に関し、支持体に支持された物体の表面が距離測定装置によってスキャンして検出若しくは測定される。その際、支持体に支持された物体の表面輪郭が、保持体に回転可能に配置された距離測定装置によってスキャンして、すなわち表面走査して検出される。物体の表面の個々の測定点に測定ビームが順次照射され、それにより測定点ごとに１つの距離を検知することができる。その限りで、スキャンプロセス中に距離測定装置によって物体の測定点に対する、場合によってはさらに基準体の基準点に対する複数の距離が測定される。これらの距離から物体の表面画像が生成され、特に計算機支援により算出される。

さらに、第１基準センサ及び第２基準センサによって、少なくとも１つの基準物体に相対する保持体又は保持体の基準体のポジション及び向きが検知される。装置が保持体のために１つの運動自由度しか予定していない場合、典型的には平行に方向合わせされ、かつ測定方向に対して垂直に互いに離間した基準センサを２つだけ実現することで基本的に十分である。装置の一展開形態では、それに対応して方法の一展開形態でも、二次元測定平面（ｘ、ｚ）上の保持体のポジション及び向きが第１基準センサ、第２基準センサ、及び第３基準センサによって検知されることが予定されている。その場合、保持体若しくは基準体のポジション決定と向き決定にもとづいて表面画像が補正される。

したがって、特に、第１基準センサ及び第２基準センサによって検知された保持体の向きが距離測定装置によって測定された物体の測定点と基準体の基準点との間の距離が使用されることが予定されている。このようにすることで、保持体のごくわずかな傾き又は傾倒にもとづいて引き起こされる距離測定誤差を計算により補正することができる。

その際、上記の方法が先に述べた装置によって実行可能であること、及びその限りで装置に関して記載されたすべての特徴及び利点が方法にも同じように当てはまり、その逆もまたしかりであることに言及しておく。

別の態様では、本発明は、さらに、先に述べた装置によって物体を幾何学的に測定するためのコンピュータプログラムに関する。コンピュータプログラムは、距離測定装置を用いて、支持体に支持された物体の表面輪郭をスキャンして検出するためのプログラム手段を有する。このために、コンピュータプログラムは、距離測定装置を用いて物体の測定点に対する複数の距離を測定するためのプログラム手段を備えている。さらに、コンピュータプログラムは、基準物体に相対する保持体の、又は保持体に配置された距離測定装置のポジション及び向きを、第１基準センサ及び第２基準センサによって測定された距離にもとづいて検知するために用いられるプログラム手段を有する。さらには保持体又は保持体の基準体の検知若しくは測定されたポジション及び向きにもとづいて表面画像を補正するためのプログラム手段が設けられている。

ここでさらに言及しておきたいのは、コンピュータプログラムが装置と結合された制御器で実行され、したがってこの制御器に実装可能であるということである。コンピュータプログラムは、同様に先に説明した装置を規定通りに使用して、特に同様に先に説明した方法を計算機支援により実施するために用いられる。その限りで、装置及び方法に関して述べたすべての特徴、特性、及び利点がコンピュータプログラムにも同じように当てはまり、その逆もまたしかりである。

以下の例示的実施例の説明をもとにして本発明の他の目的、特徴、及び有利な実施形態について詳しく説明する。

図１は、従来技術により公知の物体を幾何学的に測定するための装置の模式図である。 図２は、比較的大きい径方向延在を有する物体及び／又は大きく曲がった、例えば凹状に湾曲した表面を有する物体を測定する場合の本展開形態を基礎付ける問題提起の図である。 図３は、第１実施形態による本発明の距離測定装置の図である。 図４は、装置の別の実施形態の図である。 図５は、物体を幾何学的に測定するための装置の別の実施形態の図である。 図６は、図５による保持体に配置された、測定すべき物体に関する距離測定装置の拡大図である。 図７は、装置の別の実施形態である。 図８は、図７による装置の向きを変えた図である。 図９は、方法のフローチャートである。

すでに冒頭で述べた図１に示される装置１００と比較して、図３の本発明による装置１０は、例えばレンズなどの例えば光学部品である物体１４のための支持体１２を有する。支持体１２は、軸方向（ｚ）及び径方向（ｘ）を定義する。支持体１２及び支持体に配置された物体１４は、例えば装置１０の基部１１に対して回転可能に支持され得る。

装置１０は、支持体１２に相対して軸方向に関して、及び径方向に関して可動である保持体２６をさらに有する。保持体２６は、典型的には軸方向に関しても径方向に関しても支持体１２に相対して並進的に可動に支持されている。このために、個々の変位ユニット、例えば１次元又は２次元の変位テーブルを有する別個の機械的アセンブリが設けられ得る。支持体、若しくは基部１１は、定置に設置され得る。

装置１０は、第１基準物体１８と第２基準物体２０とをさらに有する。基準物体１８、２０は、支持体１２に相対して固定可能である。典型的にはこれらの基準物体は、基部１１において支持体１２に相対して定置に配置されている。ここに図示される実施例では、第１基準物体１８は、この基準物体１８の、支持体１２の方に向いた側で基準物体１８に沿って延在する第１基準構造２２を有する。

第２基準物体２０は、この基準物体２０の、同様に支持体１２の方に向いた側で延在する第２の、長手方向に延在する基準構造２４を有する。保持体２６には、第１基準構造２２の方向に方向合わせされた第１基準センサ３２が配置されている。第１基準センサ３２は、典型的には保持体２６に配置されている。保持体２６には第２基準センサ３４がさらに配置されている。第２基準センサは、第２基準物体２０の第２基準構造２４の方向に方向合わせされている。

第１基準センサ３２は、特に第１基準構造２２の長手方向延在に対して垂直に方向合わせされている。第２基準センサ３４は、典型的には第２基準構造２４の長手方向延在に対して垂直に配置されている。第１基準センサ３２の想定された延長部、特に第１の想定された延長部５２、及び第２基準センサ３４の測定方向の第２の想定された延長部５４は共通の交点で交わる。この想定された交点は、典型的には回転軸線と、特に保持体２６の第１軸５１と一致し、距離測定装置３０が第１軸に、又は第１軸に関して旋回可能に支持されている。

図４に示されるように、距離測定装置３０は、典型的には少なくとも１つの第１の、支持体１２に向けられた距離センサ３６を有する。距離センサ３６によって、距離測定装置３０は、保持体２６と、物体１４の表面１６上の選択された測定点１７との間、特に保持体２６の軸５１と選択された測定点との間の距離を決定することができる。距離センサ３６と測定点１７との間の距離を伝播時間の差によって、又は干渉計により測定できるようにするために、個々の測定点１７に対する距離を決定するため、距離センサ３６は発射された光線を測定点１７に垂直にぶつからなければならない。

距離センサ３６、したがって距離測定装置３０全体は、典型的には光ファイバにより制御部６０と結合され、制御部は、一方では距離測定装置３０によって測定された信号又はデータを距離に換算するように形成され、他方では物体１４の表面１６を点状又は線状に走査するように、かつそれに対応して保持体２６及び距離測定装置３０の変位運動及び／又は回転運動のために必要な調整駆動装置を制御するように形成されている。

距離測定装置が支持体２６に第１軸５１に関して回転可能に支持され、この第１軸は、典型的には第１基準構造と第２基準構造２２、２４がなす平面に対して垂直に延在する。

図３及び図４には、第１基準構造２２と第２基準構造２４とが軸方向（ｚ）に対して傾けて配置されていることがさらに示されている。第１基準構造２２と第２基準構造２４との間の角度は約９０°である。保持体２６における第１基準センサ及び第２基準センサ３２、３４も第１基準構造及び第２基準構造２２、２４の向きに対応して方向合わせされている。

したがって従来技術による構成と比較して、保持体２６全体を支持体１２に対して、又は基部１１に対して予め定められた角度の分だけ回転させて方向合わせすることができる。このことは、特に第２の、従来技術では水平に方向合わせされた基準センサ３４について、この第２基準センサが従来技術とは異なり図３、図４、図５、図７、図８の実施形態によれば斜め上へ傾けて方向合わせされ得ることを可能にする。

特に図６に示されるように、第２基準センサ３４を特に上へ傾けて方向合わせすることによって、装置の径方向（ｘ）の測定領域を拡大することができる。これに加えて、比較的大きく曲げられた表面１６を有する物体１４、特に凹状に湾曲した表面１６も正確に測定することができる。

第２基準センサ３４の上へ傾いた向きによって、基準センサから出る基準ビーム又は測定ビームが物体１４によって、又はこの物体により、あるいはこの物体の表面１６により遮断、偏向、又は散乱される恐れがなくなる。

図４による実施形態では、保持体２６は破線でしか示されていない。図５による実施形態では、保持体は、純粋に説明の目的でもはや明確には示されていない。しかしそれでも保持体はそこにある。

図４による装置１０の実施形態では、距離測定装置３０は、物体１４の表面１６の方向に方向合わせされている第１距離センサ３６を有する。これに加えて、距離測定装置３０は、第１距離センサ３６の測定方向に方向合わせされている第２距離センサ３８を有する。

両方の距離センサ３６、３８は、回転不能に互いに接続されている。これらの距離センサは組み合わせて、第１軸５１に関して回転可能に保持体２６に支持されている。第２距離センサ３８は、基準体４０、特に基準体４０の基準面４２の方向に方向合わせされ、基準体は、例えば中空鏡を有し、中空鏡の仮想中心点が第１軸５１と略一致する。基準体の、特に第２距離センサ３８に向いた側のジオメトリが正確に測定され、制御部６０に記憶される。

基準体４０に相対する距離測定装置３０、したがって２つの距離センサ３６、３８の具体的な角度位置は、距離測定装置３０と接続された、又は機械的に結合された回転角度センサによって検知され得る。第１軸５１に関して距離測定装置３０が回転することにより場合によって引き起こされ得るポジションの不正確さを２つの距離センサ３６、３８によって計算により補償することができる。距離測定装置３０は、物体表面１６上の測定点１７と基準体４０におけるこれと対応する測定点４１との距離を検知するために用いられる。

図５による実施形態では、第１基準構造２２と第２基準構造２４との間の角度が約１２０°～１３５°である。

第１基準構造２２、したがって第１基準物体１８は水平に方向合わせされている。この第１基準物体は距離測定装置３０の上方、及び支持体２６の上方にある。第２基準構造２４及び第２基準物体２０は、径方向に対して、及び軸方向に対して傾けて方向合わせされている。第２基準センサ３４の上に向いた方向合わせを可能にするために、第２基準構造２４は、支持体１２に対する軸方向の距離が大きくなるにつれて小さくなる支持体１２に対する径方向の距離を有する。

径方向内側から径方向外側に見て、第２基準構造２４が、若しくは第２基準物体２０が下へ、すなわち支持体１２に向かって傾けて方向合わせされていてもよい。

図７及び図８による別の実施形態では、第３基準物体１９により提供される第３基準構造２３がさらに設けられている。図７及び図８を合わせてみることによって明らかになるように、第３基準構造２３は、第１基準構造２２及び第２基準構造２４に対して予め定められた角度で延在する。第３基準構造２３を、さらに基準平面２５として形成することができ、したがって第３基準物体１９はプレートのような平坦なジオメトリを有することができる。

第３基準物体１９若しくは第３基準物体の第３基準構造２３も軸方向（ｚ）に関して、及び径方向（ｘ）に関して傾けて方向合わせされ得る。特に図８に明瞭化されるように、第３基準構造２３、したがって基準平面２５は、支持体１２に対する軸方向距離が大きくなるにつれて小さくなる支持体１２に対する径方向の距離を有することができる。第３基準センサ３３は、保持体２６において第３基準構造２３の方向に、それに対応して第３基準物体１９に対して垂直にも方向合わせされ得る。第３基準センサ３３は、第３基準構造２３の平面に対して実質的に垂直に方向合わせされ得る。

この配置は、特に距離測定装置３０の２次元旋回性のために有利である。さらに図７及び図８を用いて説明されるように、距離測定装置３０は、例えばｙ方向に延びる第１軸５１に関して旋回可能である。距離測定装置は、さらに、例えば径方向、すなわちｘ方向に延びる第２軸５３に関して旋回可能である。第１軸５１は、第２軸５３に対して特に垂直に延びることができる。２つの軸５１、５３は、典型的には基準センサ３２、３３、３４のうちの少なくとも２つの想定される延長部と一致する少なくとも１つの仮想交点を有することができる。

このようにすることで、表面１６に対して垂直に方向合わせされる距離測定装置３０によって、若しくはこの距離測定装置の距離センサ３６によって極めて複雑な物体表面１６も光学的に走査することができ、それに対応して比較的迅速に測定することができる。２つの軸５１、５３に関する距離測定装置３０の旋回性は、物体の表面１６に対する距離センサ３６を迅速に直交方向に方向合わせすることを可能にする。

距離測定装置３０が２つの軸５１、５３に関して旋回可能に保持体２６に支持される場合、及び距離測定方向３０が２つの逆に方向合わせされた距離センサ３６、３８を備えている場合、基準体４０は、典型的には３次元基準面、例えば球面の中空鏡の形の鏡面を有する。それに伴い、基準体４０に向いた距離センサ３８の各角度位置について、基準体４０上の測定点４１と物体１４の表面１６上の測定点１７との間の距離を決定することができる。測定点４１は、基準体４０の基準面４２上にある。

しかし第２軸５３に関する旋回性によって、不可避の機械的な軸方向の誤差（Ａｃｈｓｆｅｈｌｅｒ）により、距離測定装置３０の向きによって予め定められる測定方向に沿って測定の正確さ（Ｍｅｓｓｕｎｇｓｇｅｎｅｕｉｇｋｅｉｔｅｎ）が生じ得る。測定の正確さは、特に保持体２６若しくは距離測定装置３０のポジションにおいて軸方向（ｘ）及び径方向（ｘ）の面法線の方向に位置し得る。第３基準構造２３及び第３基準物体１９によって、かつ第３基準センサ３３の助けにより、軸方向（ｘ）と径方向（ｘ）に広がる平面に対して垂直に場合によって生じ得るポジションの不正確さが測定され、かつ計算により補償され得る。換言すると、距離測定装置３０の第２の旋回可能な支持によって引き起こされるｙ方向のポジションの誤差が第３基準センサ３３によって、及び基準構造２３が設けられた第３基準物体１９によって正確に検出され、それに対応して計算により補償され得る。

図９において、さらに方法のフローチャートが示されている。第１工程２００において、支持体１２に支持された物体１４の表面輪郭が保持体２６に回転可能に配置された距離測定装置３０によってスキャンして、すなわち表面走査して検出される。物体１４の表面１６の個々の測定点１７に測定ビームが順次照射され、それにより各測定点１７について距離センサ３６との距離が検知される。その限りで、距離測定装置３０によるスキャンプロセス中に、物体１４の個々の測定点１７との一連の距離が測定され、あるいは基準体４０における測定点と基準点との間の距離が測定される。これらのことから物体１４の表面画像が生成され、特に計算機支援により算出される。

第１工程２００と同時に進行する別の工程２０２において、第１基準センサ及び第２基準センサ３２、３４によって、及び第３基準センサ３３によって少なくとも１つの基準物体１８、２０に相対する、典型的には２つの基準物体１８及び２０に相対する、場合によってはさらに第３基準物体１９に相対する保持体２６及び／又は保持体の基準体４０のポジション及び向きが検知される。別の工程２０４において、保持体若しくは基準体のポジション決定及び向き決定にもとづいて表面画像が補正される。

１０ 測定装置
１１ 基部
１２ 支持体
１４ 物体
１６ 表面
１７ 測定点
１８ 基準物体
１９ 基準物体
２０ 基準物体
２２ 基準構造
２３ 基準構造
２４ 基準構造
２５ 基準面
２６ 保持体
３０ 距離測定装置
３２ 基準センサ
３３ 基準センサ
３４ 基準センサ
３６ 距離センサ
３８ 距離センサ
４０ 基準体
４１ 測定点
４２ 基準面
５１ 軸
５２ 延長部
５３ 軸
５４ 延長部
６０ 制御器
１００ 測定装置

Claims (15)

1. 物体（１４）を幾何学的に測定するための装置であって、
   軸方向（ｚ）及び径方向（ｘ）を定義する前記物体（１４）のための支持体（１２）と、
   前記支持体（１２）に相対して前記軸方向（ｚ）に関して、及び前記径方向（ｘ）に関して可動である保持体（２６）と、
   前記保持体（２６）に配置されている距離測定装置（３０）と、
   前記支持体（１２）に相対して固定可能である少なくとも１つの基準物体（１８、１９、２０）と、を備え、
   保持体（２６）及び基準物体（１８、１９、２０）の一方に、長手方向に延在する第１基準構造物（２２）と長手方向に延在する第２基準構造物（２４）が配置され、
   前記第１基準構造物（２２）及び前記第２基準構造物（２４）は、互いにゼロでない所定の角度を成して延在しており、
   保持体（２６）及び基準物体（１８、１９、２０）のもう一方に前記第１基準構造物（２２）に方向合わせされた第１基準センサ（３２）と前記第２基準構造物（２４）に方向合わせされた第２基準センサ（３４）が配置され、
   第１基準センサ（３２）と第１基準構造物（２２）との間の第１の距離を測定することによって、および、第２基準センサ（３４）と第２基準構造物（２４）との間の第２の距離を測定することによって、前記第１基準構造物の長手方向範囲と前記第２基準構造物の長手方向範囲とによる平面内の保持体（２６）の位置を決定することができ、
   前記第１基準構造物（２２）が径方向（ｘ）に方向合わせされ、前記第２基準構造物（２４）が前記軸方向（ｚ）に対して予め定められた角度の分だけ傾けて方向合わせされている、あるいは、
   前記第１基準構造物（２２）及び前記第２基準構造物（２４）はそれぞれ前記径方向（ｘ）に対して、及び前記軸方向（ｚ）に対して予め定められた角度の分だけ方向合わせされており、
   前記距離測定装置（３０）は、少なくとも第１軸（５１）に関して旋回可能に前記保持体（２６）に支持されている、装置。
2. 前記第２基準構造物（２４）は、前記支持体（１２）に対する軸方向距離が大きくなるにつれて小さくなる前記支持体（１２）に対する径方向距離を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記第２基準構造物（２４）は、前記軸方向（ｚ）に対して５°～７５°の角度、３０°～６０°の角度、４０°～５０°の角度、又は４５°の角度の分だけ傾けて方向合わせされる、あるいは前記第２基準構造物（２４）は、前記軸方向（ｚ）に対して５°～３０°の角度、５°～２５°の角度、１０～２０°の角度、又は１５°の角度の分だけ傾けて方向合わせされている、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記長手方向に延在する第１基準構造物及び前記長手方向に延在する第２基準構造物（２２、２４）は、基準物体（１８）に配置されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
5. 長手方向に延在する前記第１及び第２基準構造物（２２、２４）は、２つの互いに固定された基準物体（１８、２０）の上に互いに固定されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記第１基準センサ（３２）は保持体（２６）に配置され、かつ前記第１基準構造物（２２）の前記長手方向延在に対して垂直に方向合わせされ、前記第２基準センサ（３４）は前記保持体（２６）に配置され、かつ前記第２基準構造物（２４）の前記長手方向延在に対して垂直に方向合わせされている、請求項４又は５に記載の装置。
7. 前記第１軸（５１）は、前記第１基準センサ（３２）の第１測定方向の想定される第１延長部（５２）及び前記第２基準センサ（３４）の第２測定方向の想定される第２延長部（５４）の第１交点と一致する、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記保持体（２６）に基準体（４０）が配置され、前記距離測定装置（３０）は、前記物体（１４）が前記支持体（１２）に配置されている場合に前記基準体（４０）と前記物体（１４）の表面（１６）との間の距離を測定するように形成されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記保持体（２６）及び前記基準物体（１８、１９、２０）の一方に配置され、かつ前記第１基準構造物（２２）及び前記第２基準構造物（２４）に対して予め定められた角度で傾いて延在する、長手方向に延在する第３基準構造物（２３）をさらに有する、請求項１から８のいずれか１項に記載の装置。
10. 保持体（２６）及び基準物体（１８、１９、２０）のもう一方に配置され、かつ前記第３基準構造物（２３）の長手方向延在に対して垂直に方向合わせされている第３基準センサ（３３）をさらに有する、請求項９に記載の装置。
11. 前記第３基準構造物（２３）が基準平面（２５）を有し、前記基準平面は、前記第１基準構造物（２２）及び前記第２基準構造物（２４）に対して予め定められた角度で傾いて延在する、請求項９又は１０に記載の装置。
12. 前記距離測定装置（３０）が少なくとも第２軸（５３）に関して旋回可能に前記保持体（２６）に支持され、前記第２軸（５３）は、前記第１軸（５１）に対して予め定められた角度で傾けて方向合わせされる、請求項１から１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 第１基準構造物及び第２基準構造物（２２、２４）の少なくとも一方は、直線的に延び長手方向に延在する、鏡反射する条片を有する、請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置によって物体（１４）を幾何学的に測定するための方法であって、支持体（１２）に支持された物体（１４）の表面（１６）が距離測定装置（３０）によって、スキャンして検出され、その際、
    前記距離測定装置（３０）によって、前記物体（１４）の測定点に対する複数の距離と前記物体（１４）の１つの表面画像とが生成され、
    第１基準センサ及び第２基準センサ（３２、３４）によって、前記基準物体（１８、２０）に相対する保持体（２６）又は前記保持体に配置された基準体（４０）のポジション及び向きが検知され、
    前記基準物体（１８、２０）に相対する前記保持体（２６）又は前記基準体（４０）のポジション及び向きにもとづいて前記表面画像が補正される、方法。
15. コンピュータでプログラムを実行する場合に、検出する工程、測定及び生成する工程、検知する工程、及び補正する工程を前記コンピュータに実行させるプログラム手段を備える、請求項１～１３のいずれか１項に記載の装置によって物体（１４）を幾何学的に測定するためのコンピュータプログラムであって、
    支持体（１２）に支持された物体（１４）の表面輪郭（１５）を距離測定装置（３０）によってスキャンして検出するためのプログラム手段と、
    前記物体（１４）の表面（１６）における測定点（１７）に対する複数の距離を測定するための、及び前記物体（１４）の表面画像を生成するためのプログラム手段と、
    前記第１基準センサ及び前記第２基準センサ（３２、３４）によって前記基準物体（１８、２０）に相対する保持体（２６）又は前記距離測定装置（３０）のポジション及び向きを検知するためのプログラム手段と、
    前記基準物体（１８、２０）に相対する前記保持体（２６）又は前記距離測定装置（３０）の前記ポジション及び向きにもとづいて前記表面画像を補正するためのプログラム手段と
    を備える、コンピュータプログラム。

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