专利名称：坐标测量仪的测量头系统和测量头系统的扫描元件的位移的光学测量方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的、用于坐标测量仪的且具有机械扫描元 件的测量头系统，以及根据权利要求14的前序部分的、用于光学测量该测量头系统的扫描 元件的位移的方法。
背景技术：
用于坐标测量仪的具有机械扫描元件的测量头系统很早就被用于精确测量目标 物体的表面。通常类型的用于相应的坐标测量仪的测量头系统也被称为扫描头，其例如由 EP 0 373 644 A1 公开。例如，借助坐标测量仪来检查机加工工件的目标形状以便控制质量。为了进行测 量，坐标测量仪的测量头借助移动支架被一直移向被测对象，直到一个相对测量头的测量 头底座可活动设置的扫描元件尤其是触针接触被测对象上的期望测量点。随后，可由该测 量头的位置和该扫描元件相对测量头底座的相对位置来确定所扫描的测量点的空间坐标。为了确定触针相对测量头底座的相对位置，换句话说，为了确定扫描被测对象时 的触针的偏移，已经发明了各种方法。在如上述EP 0 373 644 A1所述的测量头系统中，为此目的采用了光学检测器。它 包括两个发光器，它们产生两束交叉相向的光线，还包括两维PSD(位置敏感器件)作为光 接收器。如果触针处于其未偏移的静止位置，则这两束光线在PSD中心产生一个共同的光 点。如果触针偏移了，则这两束光线在PSD上分别产生一个光点，在这里，所述两个光点依 据偏移量和偏移方向而在PSD上漂移。PSD依据光点位置产生两个输出电流，可借此确定光 点在PSD上的位置。随后，可以从所获值中确定触针偏移的量和方向。因为特殊布置该发 光器，所以在此情况下可以掌握在所有三个坐标方向(x，y，z)上的扫描偏移。W0 00/60307公开了具有触针偏移的光学测量功能的另一种测量头。在这里，也采 用了一个两维测量用的光敏型检测元件。但该文献没有记载精确计算方式。DE 38 26 581 A1公开了一种三维测量用的测量头，其中的第一光学检测件被用 于测量x方向或y方向的触针偏移，在空间上分隔开的第二光学检测件用于测量z方向上 的偏移。DE 27 41 413 A1还公开了一种两维测量用的测量头，其中，触针在x向和y向的 偏移将由在光电元件两维场上的光点位置确定。检测场为此被分为四个象限，在一个或多 个象限内的光点位置是触针偏移的尺度。W0 2005/085749公开了一种具有触针的测量头，触针在横向和竖向上的偏移通过 在至少两个在空间上分开且相互错位布置的行扫描传感器(Zeilensensor)上产生一个圆 形光图来读取。所述至少两个且最好四个构成传感器交叉的行扫描传感器此时共同且同时 被一个光图照明。该文献还说明了，行扫描传感器是总只用于一维的测量元件。在所有上述的现有技术的测量头系统中，必需要读取平面传感器或者多个行扫描传感器，这在读取速度和进而测量速度方面被证明是很不利的。此外存在许多测量头，其中触针的偏移没有以光学方式来测量，而是以其它检测 器例如浸入式线圈或者霍尔器件来测量。关于可获得的最高测量精度、最大测量速度和最大可能测量范围，另外关于测量 头的尺寸和重量、耐用性和生产成本，已知的测量头系统均各有强有弱。但是，没有一种已 知的测量头系统同样满足所有要求。
发明内容
相对这样的背景，本发明的总体目的是提供一种具有光学测量部件的改进的测量 头系统和用于坐标测量仪的改进的光学测量方法。本发明的一个具体目的是提供一种在读取速度和进而测量速度方面得以改善的 测量头系统和光电测量方法。本发明的另一个目的是提供一种具有不太复杂的光学测量部件的测量头系统，所 述光学测量部件尤其占空间较小并且还能确保同样的或者改善的测量精度。该目的通过独立权利要求的特征部分的特征来实现。由从属权利要求中得到以有 利或替代方式改进本发明的特征。根据本发明的、用于坐标测量仪的测量头系统在扫描元件上具有设置用来接触被 测对象的部分，该部分通常可相对测量头底座在横向的x方向、横向的y方向以及在特殊情 况下还可在竖直的z方向上移动，因此适用于机械扫描该被测对象。为此，测量头系统可以按照已知方式具有多个运动部分，通过这些运动部分，扫描 元件与测量头底座相连。所述多个运动部分此时彼此连接并且与测量头底座连接，从而在 每两个运动部分之间以及在测量头底座和与之相接的运动部分之间，可以分别执行沿x方 向、y方向以及或许z方向的受引导移动。这样一来，将保证扫描元件在这些方向上相对于 测量头底座可以受引导地运动，结果，扫描元件可以作除了旋转运动之外的自由运动，直到 偏离零位一定距离。根据本发明，为了精确地光电测量扫描元件上的接触用部分相对测量头底座的位 移，采用包括至少一个照射源和至少一个第一掩模件的机构在设于测量头底座的传感器线 列上产生第一分投影。此时，如此构成第一掩模件，即，第一分投影被优化用来确定扫描元 件的接触用部分在x方向和y方向上的横向位移。分析计算单元可以从仅由同一个传感器线列产生的信号中相应地确定x位移和y 位移。此外，为了附加确定接触用部分在竖直的z方向上的位移，该机构还可以具有一 个不同于第一掩模件的第二掩模件。第二掩模件如此被设计用来在传感器线列上产生第二 分投影，即第二分投影被优化用来至少确定接触用部分相对测量头底座的在Z方向上的Z 位移。在此情况下，分析计算单元设计用来根据仅由同一个传感器线列产生的信号来确 定x位移、y位移和z位移。作为一个光学传感器的一部分的传感器线列此时包括多个排成一行的传感器元 件，因此，可读出在传感器线列上产生的投影，包括第一分投影以及或许第二分投影。光学传感器优选为行扫描传感器，其包括唯一一个传感器线列，这是因为单独一行可比多行或平面传感器快速许多地被读取。例如，如从现有技术中知道的那样，为此可以考虑使用CCD 线阵列或者按照CMOS技术的行扫描传感器。不过，或者可以采用平面的两维传感器，在两 维传感器中，只读取唯一一行来测量位移。传感器最好如此安装在测量头底座上，即传感器 线列或者准确地说是传感器线列的纵轴线沿χ方向取向。传感器线列的纵轴线此时被定义 为平行于单独的传感器元件的排列方向延伸的轴线。此外，传感器线列是指一个连续的基本未中断的传感器元件排列，因此，相关的线 列以特别笔直的线出现。确切说，排成一线的多个单独的传感器元件能够以最小的间距并 排布置。在功能上，传感器线列如此构成连续的线，即可发现该投影的连续部分，因而能无 中断地分析在传感器线列上产生的投影的变化过程。由该投影的、唯一被读取的相关线性 部分中确定χ位移和y位移，以及或许同样确定ζ位移。在此，投影产生机构，就是说所述至少一个照射源和该掩模件，最好空间固定地与 扫描头连接，从而它们与扫描头一起执行扫描头的所有位移，因此产生于传感器线列上的 投影取决于扫描头相对测量头底座的位置。不过，尤其是也可以将一个掩模件和照明该掩 模件的照射源一起安装在测量头系统的一个运动部分上，该运动部分只能在三个方向中的 一个或两个方向上移动。该掩模件于是只能专门确定扫描头在其中一个或两个方向上的偏 移。例如，掩模件可被有意识地用来消除相互混淆的危险，该相互混淆的危险由在三个方向 上的各自位移引起的分投影的不同变化造成，以下将对此详加介绍。根据本发明，所述至少两个本身不同的分投影在空间或时间上相互分隔开，因此 所述两个分投影在传感器线列读取时能相互区分开。例如，两个分投影可被并列投射到各 自半个传感器线列上，或者在时间上交替地在相同的传感器列上或传感器线列的相同区域 上产生。此外，分投影也可以在空间和时间上相互隔开地在传感器线列上产生。同样可以相互交错地将两个分投影成像在传感器线列上，从而两个分投影例如根 据在传感器线列上产生的图案来加以区分，因此可被分别评估以用于确定横向位移或竖向 位移。如上所述，通过按照本发明在唯一一个传感器线列上产生两个分投影并且通过唯 一传感器线列的读取，可以提供一种在读取速度方面得以改善的测量头系统，其中，扫描元 件的接触用部分沿其运动的所有三个方向上的位移能以相同的或甚至更高的测量精度被 确定。这将通过产生分投影来实现，所述分投影设计用来专门确定横向位移或专门确定竖 向位移。被优化用来确定横向位移的且通过第一掩模件产生的第一分投影具有这样的图 案，即不仅可以明确识别和读出χ位移，而且可以识别和读出y位移。就是说，第一分投影被 如此设计用来确定横向位移，即便接触用部分沿所有三个方向均偏移，也能够不混淆地识 别出传感器线列上的第一分投影的变化是由χ位移引起的变化还是由y位移引起的变化。尤其可以如此构成第一掩模件，即扫描元件的接触用部分的X位移造成第一分投 影沿传感器线列的按规定运动。因此，X位移的大小可以结合整个第一分投影沿传感器线 列的移动被求出。另外，从由第一掩模件产生的第一分投影确定y位移。为此，例如还如此 构成掩模件，即，y位移造成成像于传感器线列上的第一分投影按规定的成比例的变化。按 比例变化在此是指在线列上产生的图案的比例按规定变化。
作为一个简单例子，此时可考虑三个在线列上通过投影产生的光点，在这里，通过 第一和第二光点之间距离限定一个距离a，通过第一和第三光点之间距离限定一个距离b。 对于y位移，在传感器线列上产生的第一分投影，即在传感器线列上的光点排列，现在如此 改变，即根据y位移的大小，距离a同距离b之比按规定变化。这样的按比例变化现在可被 明确地识别为由y位移引起的第一分投影变化。但在另一个实施例中，也可以只将距离a 的按规定的变化考虑用于确定y位移的大小。具体说，例如第一掩模件可以如此被构造以生成用于确定横向位移的第一分投影，即第一分投影具有一个图案，其包括两条垂直于传感器线列取向的线和相对传感器线 列倾斜取向的第三条线。同样，第一分投影也可以具有例如V形结构。第二分投影由第二掩模件产生并用于确定竖向位置；通过由ζ位移造成的第二分 投影的变化，对该第二分投影在明确无疑的可识别性和准确可读性方面的进行优化。就是 说，第二分投影与此相关地被设计用来确定竖向位移，从而即便接触用部分沿所有三个空 间方向均偏移，也能够不混淆地识别出第二分投影在传感器线列上的特定变化是由ζ位移 产生且由其限定的变化。尤其如此构成第二掩模件，接触用部分的ζ位移造成在传感器线列上的第二分投 影的限定的缩放变化。此时，缩放变化是指整个第二分投影的放大或者缩小，即在传感器线 列上的分投影或者分投影图案内的所有比例保持不变，但整个第二分投影的尺度将改变。具体说，为此例如可以如此构成第二掩模件，即使得第二分投影具有一图案，该图 案包括多条垂直于传感器线列取向的且并排而设的线。因为与y位移相比，χ位移造成第一分投影的可更精确地分辨的变化，所以χ位移 也可以以更高的精度被确定。为了还能以所需的精度求出y位移，第二分投影例如还被优 化以确定y位移，从而由第一和第二分投影确定的y位移被平均，进而可被更精确地确定。 为此，如此构成第二掩模件，即使得y位移还造成在传感器线列上的第二分投影的规定的 按比例变化，并且也可以基于第二分投影的按比例变化来明确无疑地识别该y位移。在此，尤其是第二掩模件以及照明第二掩模件的照射源能够被在空间上固定不变 地安装在该测量头系统的相对测量头底座只能在y方向和ζ方向上运动的运动部分上，以 便产生第二分投影。因此，可根本上排除由扫描元件上的接触用部分在χ方向上的偏移造 成的第二分投影变化，结果，将与由在y方向或ζ方向上的位移引起的真正待测变化相混淆 的风险降低为零。所述至少两个掩模件例如可以在同一个掩模上实现，尤其当所述至少两个分投影 相互交错地实现时。或者，所述掩模件也可以分别在一个单独的掩模上实现，在此随后使用多个照射 源或者用于照明掩模的偏转机构。可采用任何从现有技术中知道的机构作为掩模件，其本身适用于产生任何上述的 分投影。例如，掩模件为此具有不透光区域和透光区域，结果，可以作为投影的简单例子地 产生投射阴影。如从现有技术中知道的，可以设置一个或多个附加的光学元件，用于在传感器线 列上产生分投影，在这里，为此可以采用所有已知类型的光学元件，例如衍射、折射或反射 的光学元件。尤其是在掩模件之后的光路中，例如为了在传感器线列上清晰地和/或放大地成像该掩模件图案，设有一个类似显微镜物镜的透镜组。此时，从易于安装的角度出发，将透镜组固定安装在测量头底座上，就是说，固定在测量头系统的不活动部分上，这可能是 有利的，在这里，或者也可以安装在扫描元件上并且布置在掩模件下游。此外，在读取传感器线列时，可以采用本领域技术人员已知的所有内插方法。根据本发明的测量头系统尤其适用于坐标测量仪，在坐标测量仪中，测量头系统 安装在坐标测量仪的活动臂或移动支架上，此外，设有与内坐标系相关地确定测量头系统 的相对空间位置的机构。
以下将结合附图示意表示的实施例来单纯举例详细说明本发明，其中也提到了其 它优点，附图具体表示图1表示用于坐标测量仪的本发明测量头系统的一个实施例；图2a_2b示意表示本发明测量头系统的两个实施例；图3示意表示用于在传感器线列上产生阴影投影的实施例；图4a_4d表示用于第一和第二掩模件的各实施例；图5表示通过图4a所示掩模在传感器线列上产生的投影，该投影包括两个相互交 错的分投影；图6a_6b示意表示用于产生分投影的其它实施例；图7示意表示用于在传感器线列上产生分投影的另一个实施例；图8a_8b示意表示用于在传感器线列上产生分投影的另一个实施例。
具体实施例方式图1以示意剖视图和立体斜视图表示用于坐标测量仪的测量头系统1。具有扫描 元件的该类型测量头系统的结构已经由现有技术公开。一个用于扫描被测对象的呈触针状 的扫描元件6的接触用部分5此时可相对一个例如被固定安装在坐标测量仪的臂上的测量 头底座2在三个相互垂直的空间方向20、21和22上运动。为此，扫描元件6通过三个在此 示意表示的运动部分40、41、42被悬挂在扫描头底座2上，所述运动部分40、41、42分别允 许沿一个空间方向χ、y或ζ的受引导运动。箭头20、21、22表示所保证的运动自由度，如箭头20、21、22所示，例如通过将第一 运动部分40悬挂在测量头底座上来实现沿ζ方向22的受引导运动，通过将第二运动部分 41悬挂在第一运动部分上来实现沿y方向21的受引导运动，通过将第三运动部分42悬挂 在第二运动部分上来实现沿χ方向20的受引导运动。扫描元件6被固定安装在第三运动 部分42上或者本身就是第三运动部分42，由此一来，在此示意表示的测量头系统1现在能 够在所有三个空间方向x、y和ζ上完成位移或偏移。不过，悬挂方式对于实现本发明来说只扮演次要角色。悬挂例如可以通过弹簧悬 挂(薄膜弹簧，弹簧平行四边形，双弹簧平行四边形)或者线性导向机构(滑动轴承，滚动 轴承等)来实现，如本领域技术人员从现有技术中知道的那样。测量头底座2例如可以是 测量头系统1的壳体或者是与之相连的部分。在测量头底座2上固定有光学传感器10，光学传感器10具有一个可读取的并由许多相互排成行的传感器元件构成的传感器线列。该传感器线列的纵轴线此时平行于X方向 20取向。在空间上相对扫描元件6固定地设有用于在传感器线列上产生与扫描元件6的接 触用部分5相对测量头底座2的位移相关的投影的机构。为此，该机构具有照射源15，例如 LED或者激光二极管，还具有设置在照射源15下游的掩模12。根据本发明，掩模12此时具 有第一掩模件和与第一掩模件不同的第二掩模件，它们如此设置以用来在传感器线列上产 生至少一个第一分投影或第二分投影，即第一分投影被优化用来确定接触用部分5相对测 量头底座2的分别在χ方向和y方向20、21上的χ位移和y位移，第二分投影被优化用来 至少确定接触用部分5相对测量头底座2的在ζ方向22上的ζ位移。在此，测量头系统1具有分析计算单元3，用于从通过同一个传感器线列产生的信 号来确定X位移、y位移和Z位移。就是说，通过读取唯一一个传感器线列，现在可以确定 扫描元件6或接触用部分5的分别在三个空间方向x、y和ζ上的位移，由此一来，本发明可 以获得在读取速度和进而测量速度方面的优势。因为采用了至少两个不同的且分别专门优 化的掩模件，所以能够在读取速度相当快的情况下仍以符合要求的精度或者甚至比现有技 术更高的精度来求出扫描元件6的偏移。
图2a示意表示本发明的测量头系统1，它具有三个以长方体表示的运动部分，根 据图1所示，这三个运动部分实现了在各自一个空间方向x、y或ζ上的受引导位移。最下方的运动部分上安装有一个在此为简明起见而未示出的扫描元件。同样在那 里固定有一个照射源15和位于下游的掩模12，它们设计用来产生两个与扫描元件的相对 位置相关的分投影。在具有两个掩模件的掩模12之后的光路中，设有一个类似显微镜物镜 的透镜组30，用于在传感器线列11上清晰放大地成像掩模件图案。该透镜组30此时固定 安装在测量头底座上。 在图2b中示出了 一个实施例，它具有替代图2a所示方式的投影产生机构的布置。在这里，第一照射源15和具有第一掩模件的位于下游的掩模13被固定安装在第 三运动部分上。按照图1，第三运动部分可相对测量头底座在三个空间方向χ、y和ζ上运 动。第一掩模件被如此优化，由此产生的第一分投影被设置用于确定χ位移和y位移。为 此，掩模件具有图案，结果，由在传感器线列11上产生的第一分投影不会混淆地可分别单 独识别χ位移和y位移，并且可读出该位移的读值。在只能相对测量头底座在y向和ζ向上运动的第二运动部分上，固定安装有第二 照射源16和包括第二掩模件的另一位于下游的掩模14。如果扫描元件的接触用部分现在 在所有空间方向上χ、y和ζ偏移，则第二运动部分还是只执行在y向和ζ向上的偏移。就 是说，由第二照射源16和第二掩模件产生的第二分投影本身在接触用部分仅具有χ偏移时 不改变。因此，如此特殊地构成第二掩模件，即第二分投影被优化以便确定y位移和ζ位移。 就是说，由χ位移造成的传感器线列上的第二分投影变化与由y位移或ζ位移造成的变化 的相互混淆可以被根本上排除。在此实施例中，第一和第二分投影在时间上分隔开并且交替在传感器线列11上 产生。例如，结合规定的交替节奏，此时可以在读出时区分和识别这两个分投影。为此，在 清晰成像的透镜组30之前或者之间设置棱镜31，用于会聚第一和第二分投影的光路。因为第一和第二分投影均设置用来读出y位移，所以可以从由第一或第二分投影求出的ι位移值中求出例如一个平均值，以便确定y位移。图3示意表示一个已知的适用于在传感器线列11上产生可读出的投影的例子。按照阴影投射原理，为此，一个照射源15照射一个掩模12，该掩模具有构成图案的透光区域 和不透光区域，因而，通过图案所形成的投射阴影的一部分被投射到传感器线列11上。根据检测器相对照射源15和掩模12的相对位置，投射阴影的相应部分被成像在 传感器线列11上，由此可以推断出瞬间相对位置。图4a_4d表示被分别优化用于确定横向位移或竖向位移的掩模件17和18的多个 实施例。此时规定，分别平行于X方向20地安置传感器线列。在图4a中，第一和第二掩模件17和18在同一个掩模12上实现，这些掩模可被一 个照射源照射。第一掩模件17具有总是由两条相互平行的且相对χ方向20倾斜的线构成 的图案并由此大致呈V形，而第二掩模件18具有四条相互平行的且垂直于χ方向20设置 的线。就是说，第一和第二分投影通过该掩模12相互交错地产生。图5表示通过在此所示 的掩模12产生的投影在传感器线列11上的投影50。如图所示，通过投影50在传感器线列 11上出现八个光点，其中两个左外侧的光点和两个右外侧的光点通过第一分投影51产生， 内侧的四个光点通过第二分投影52产生。如果被照射的掩模沿ζ方向22移动，则该位移的大小可以由第二掩模件的四个由 平行线产生的光点的相对距离而被明确无疑地确定，从而不会与在其它方向上的位移相混 淆。就是说，第二掩模件被优化用来确定ζ位移。掩模沿χ方向20的移动造成投影50沿传感器线列11的位移，其例如可以明确无 疑地从最左侧光点至最右侧光点的距离中心点的位置确定。y位移的确定例如可以明确无 误地根据最左侧光点至最右侧光点的路程或距离同两个左外侧光点之间距离的规定比例 来实现。借此产生左外侧两个光点和右外侧两个光点的第一掩模件因此被优化用于确定横 向位移。如果要仅从在线列上产生的投影50中读出χ位移和y位移，则确定y位移时也可 以考虑两个左侧或者右侧的光点的重心至光图50的整体重心的距离。尤其是，此时也可以将在传感器线列11上产生的光点的其它布置特征用来确定 位移，上述光点的特征在于由第一和第二掩模件所产生的光点的组合。图4b表示用于第一和第二掩模件17和18的另一个例子，所述第一和第二掩模件 现在在同一个掩模12上并排实现。第一掩模件17具有四个并排布置的三角形，因此也呈V形。在传感器线列上的由 这些三角形形成的照明区的亮度中心点位置此时可以明确无疑地被用于确定X位移，照明 区宽度与照明区距离之比可以被用于与X方向和Z方向的位移无关地明确确定y位移。第 一掩模件17因而被优化用于确定横向位移。第二掩模件18是根据图4a中的设计构成的，因此被设计用来确定ζ位移。这两个通过并排的掩模件17和18所产生的分投影现在在空间上分隔开地(就是 说并排地)被成像至传感器线列上。因此，这两个分投影可单独且可彼此区分开地被读取。在图4c中，对应于图4a的两个掩模件17和18在两个单独的掩模13和14上实 现。单独的掩模13和14现在可以例如如图2b、6a或6b所示地被两个单独的光源照射，并 且其分投影或是并排、交错或在时间上错开地会聚并且成像在传感器线列上。
图4d中，与图4c相似构成的两个掩模件17和18在两个单独的掩模13和14上 实现。尤其是，第二掩模件18此时设置用来安装在一个运动部分上，该运动部分只与扫描 元件一起执行y位移和Z位移，这例如对应于图2b所示的实施方式。因为由第二掩模件18 产生的第二分投影的变化(其导致χ位移)由此被根本排出，所以在第二掩模件18的这个 实施例中，可以基于沿传感器线列的第二分投影运动来高分辨率地确定y位移。与之前一 样，此时同样可以基于在传感器线列上的第二分投影18的按比例变化求出ζ位移。就是说， 在此实施例中示出的第二掩模件18被优化用于确定ζ位移和y位移。如已经在参照图4b的说明中描述的那样，因为第一掩模件17被优化用于求出横向位移，所以，可以进行基于第一分投影求出的y位移值和基于第二分投影求出的y位移值 的求平均值，因此能更精确地确定y位移。图6a和图6b表示用于并排结合由两个单独的掩模13、14产生的第一和第二分投 影的两个实施例。图6a表示一个作为图2的替代例的例子。在这里，两个分投影在时间上未被分隔 开，而是并排结合，结果，它们在同一传感器线列上并排成像。图6b表示一个用于聚集两个由在单独的掩模13和14上实现的掩模件所产生的 并排的分投影的例子，在这里，两个照射源15、16和掩模13、14固定安装在扫描元件上。由 此一来，扫描元件上的接触用部分在每个空间方向χ、y和ζ上的偏移分别造成两个分投影 的变化。图7表示一个实施例，在此实施例中，由照射源15和具有第一和第二掩模件的掩 模12产生的分投影通过反射元件32被放大，并且通过附加的透镜33在传感器线列11上 清晰成像。尤其是，此时呈触针形状的扫描元件6也可以相对测量头底座倾斜地悬挂，从而 扫描元件6在扫描被测对象时被倾斜。通过该倾斜动作，接触用部分5，即扫描元件6接触 被测对象的部分经历了在χ方向或y方向或ζ方向上的平移。根据本发明，现在能在传感器 线列上产生第一和第二分投影，从而现在如此读出在传感器线列上产生的两个分投影的、 由扫描元件6倾斜所造成的变化，由此确定接触用部分5相对测量头底座的χ位移、y位移 禾口 ζ位移。图8a和图8b表示在传感器线列11上产生分投影的另一实施例，为了便于理解， 图8b中有测量头系统1的运动部分40、41、42，图8b中没有这些运动部分。此变型方案规 定，照射源15在负ζ方向22上向抛物面反射镜35发光。其被固定在扫描元件6上，因而 同时完成整个扫描元件偏移。在光路中有掩模12和放大用光学元件34，该掩模按照本发明 包括两个不同的掩模件。光束现在在抛物面35的反射镜面上被反射，偏转向侧面。为了在 传感器线列11上投影图像，在运动部分40、41、42之外设有圆柱形凹面反射镜36，因而分投 影在传感器线列11上成像。在此结构中，照射源15、放大用光学元件34、掩模12和圆柱形凹面反射镜36固定 安装在测量头底座中。只有抛物面反射镜35安装在扫描元件6上，用于随同执行其运动或 者该扫描元件6的接触用部分5的运动。特别是，所述多个运动部分至少是半透明的，因此分投影的光路未被运动部分40、 41、42中断或者受到负面影响。
当然，所示出的图仅示意表示可能有的实施例。在图中，只是出于简明考虑而未示出其它的电子控制装置和供电部分以及安装构件。
权利要求
一种用于坐标测量仪的测量头系统(1)，该测量头系统(1)具有·扫描元件(6)，该扫描元件(6)包括用于接触被测对象的部分，该部分作为接触用部分(5)，该接触用部分可相对于固定的测量头底座(2)在横向的x方向(20)和横向的y方向(21)上运动，从而可用该扫描元件(6)机械地扫描待测对象，·固定在该测量头底座(2)上的光学传感器(10)，该光学传感器(10)包括由排成一行的多个传感器元件构成的、可读的传感器线列(11)，·尤其是相对于所述接触用部分(5)在空间上固定不变地设置的机构，该机构□根据接触用部分(5)相对测量头底座(2)的位移，在传感器线列(11)上产生投影(50)，□具有至少一个照射源(15、16)，以及·分析计算单元，所述测量头系统(1)的特征在于，·所述机构具有至少一个第一掩模件(17)，该第一掩模件被设计用来在传感器线列(11)上产生第一分投影(51)，所述第一分投影(51)被优化用来确定所述接触用部分(5)相对于所述测量头底座(2)的在x方向上的x位移以及在y方向上的y位移，并且·所述分析计算单元被设计用来从仅通过一个传感器线列(11)产生的信号来确定所述x位移和y位移。
2.根据权利要求1所述的测量头系统(1)，其中所述接触用部分(5)还能够在竖直的 ζ方向(22)上相对于固定的测量头底座(2)运动，其特征在于， 所述机构具有不同于所述第一掩模件(17)的第二掩模件(18)，该第二掩模件被设计 用来在所述传感器线列(11)上产生第二分投影(52)，该第二分投影(52)被优化用来至少 确定所述接触用部分(5)相对于所述测量头底座(2)的在ζ方向(22)上的ζ位移，并且 所述分析计算单元被设计用来从仅通过一个传感器线列(11)产生的信号来确定χ位 移、y位移和ζ位移。
3.根据权利要求2所述的测量头系统(1)，其特征在于，如此构成所述第二掩模件 (18)，即 所述ζ位移造成所述第二分投影(52)在所述传感器线列(11)上的按规定的缩放变 化，并且尤其是 所述y位移造成所述第二分投影(52)在所述传感器线列(11)上的按规定的成比例 的变化或者造成所述第二分投影(52)沿所述传感器线列(11)的规定运动，尤其是第二掩模件(18)具有一图案，该图案包括相对于传感器线列的纵轴线平行和 倾斜地设置的多条线。
4.根据权利要求2或3所述的测量头系统(1)，其特征在于，所述至少两个掩模件(17、 18)在同一个掩模(12)上实现。
5.根据权利要求2-4之一所述的测量头系统(1)，其特征在于， 所述至少两个掩模件(17、18)分别在一个单独的掩模(13、14)上实现，并且 设有多个照射源(15、16)或者用于照明该掩模(13、14)的偏转机构。
6.根据权利要求2-5之一所述的测量头系统(1)，其特征在于，所述至少两个分投影(51,52) 在空间上相互分隔开地，尤其是并排地，和/或 在时间上相互分隔开地，尤其是以规定频率交替地，或者 相互交错地形成在传感器线列(11)上。
7.根据权利要求2-6之一所述的测量头系统(1)，其特征在于，该测量头系统(1)具有 三个运动部分(40、41、42)，其中， 通过将第一运动部分(40)悬挂在测量头底座(2)上，可执行在ζ方向(22)的受引导 运动， 通过将第二运动部分(41)悬挂在第一运动部分(40)上，可执行在y方向(21)的受 引导运动，以及 通过将尤其呈扫描元件(5)形式的第三运动部分(42)悬挂在第二运动部分(41)上， 可执行在χ方向(20)的受引导运动。
8.根据权利要求7所述的测量头系统(1)，其特征在于，所述第二掩模件(18)和与其 对应的照射源(16)被固定安装在所述第二运动部分(41)上。
9.根据前述权利要求之一所述的测量头系统(1)，其特征在于， 所述传感器(10)呈行扫描传感器形式，其具有唯一一个传感器线列(11)，其中所述 传感器元件连续且基本不中断地排成一行，并且 所述传感器线列(11)的纵轴线平行于X方向(20)。
10.根据前述权利要求之一所述的测量头系统(1)，其特征在于，如此构造所述第一掩 模件(17)，即 所述χ位移造成所述第一分投影(51)沿传感器线列(11)的规定运动，并且 所述y位移造成所述第一分投影(51)在传感器线列(11)上的按规定的成比例的变化，尤其是第一掩模件(17)具有V形图案。
11.根据前述权利要求之一所述的测量头系统(1)，其特征在于，所述投影(50)通过阴影投射产生。
12.根据权利要求1-10之一所述的测量头系统(1)，其特征在于，附加设有一个或多个 光学元件(30、31、32、33、34、35、36)以用于在所述传感器线列(11)上产生投影(50)，所述 光学元件以衍射、折射或反射方式构造，尤其是存在一个放大和/或起聚焦作用的类似显 微镜物镜的透镜组(30)，以用于在传感器线列(11)上产生投影(50)。
13.—种坐标测量仪，该坐标测量仪包括根据权利要求1-12之一的测量头系统(1)，该 测量头系统(1)尤其是安装在该坐标测量仪的铰接臂或移动支架上，其中设有用于确定该 测量头系统⑴的相对空间位置的机构。
14.一种用于光电测量位移的方法，所述位移是用于坐标测量仪的测量头系统(1)的 扫描元件(6)的、作为接触用部分(5)而用于接触被测对象的部分的位移，其中所述接触用 部分(5)能够至少在横向的χ方向(20)和横向的y方向(21)上运动，从而可用扫描元件 (6)机械地扫描一个待测对象，该方法包括以下步骤 基于所述接触用部分(5)相对于测量头底座(2)的位移，在一条尤其是直的线上产生投影(50)， 读取该线，并且 确定接触用部分(5)相对于测量头底座(2)在χ方向(20)上的χ位移和在y方向 (21)上的y位移， 其特征在于， 所述投影(50)包括至少一个第一分投影(51)，该第一分投影被优化用于确定χ位移 和y位移，并且 通过只读取同一条线来完成所述确定。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述接触用部分(5)还能够在竖直的ζ方向(22)上运动，其特征在于， 所述投影(50)还包括不同于所述第一分投影(51)的第二分投影(52)，该第二分投 影被优化用于至少确定所述接触用部分(5)相对于测量头底座(2)在ζ方向(22)上的ζ 位移，并且 所述χ位移、y位移和ζ位移的确定通过读取同一条线来实现。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，如此产生所述第二分投影(52)，即 所述ζ位移造成所述第二分投影(52)在该线上的规定的缩放变化，并且尤其是 所述y位移□造成所述第二分投影(52)在该线上的按规定的成比例的变化，或者 □造成所述第二分投影(52)沿该线的规定运动，尤其是所述第二分投影(52)具有一图案，该图案包括多条并排平行等距的且相对所 读取的线倾斜的线。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述第一和第二分投影(51，52) 如此产生，即 在空间上相互分开地，尤其是并排地，和/或 在时间上相互分开地，尤其是按照规定频率交替地，或者 相互交错地。
18.根据权利要求14-17之一所述的方法，其特征在于，如此产生所述第一分投影 (51)，即 所述χ位移造成该第一分投影(51)沿所述线的规定运动，并且 所述y位移造成该第一分投影(51)在所述线上的按规定的成比例的变化， 尤其是该第一分投影(51)具有V形图案。
全文摘要
本发明涉及用于坐标测量仪的测量头系统(1)，其具有扫描元件(6)，其包括作为接触用部分(5)而用于接触被测对象的部分，该接触用部分可相对于固定的测量头底座(2)在横向的x方向(20)和y方向(21)上运动，从而可用该扫描元件(6)机械扫描待测对象。固定在测量头底座(2)上的光学传感器(10)，其包括由排成一行的多个传感器元件构成的可读传感器线列(11)。还设有相对接触用部分(5)空间固定不变地设置的机构，其用于以至少一个照射源(15)在传感器线列(11)上产生与接触用部分(5)相对测量头底座(2)的位移有关的投影。还设有分析计算单元。在此，所述机构具有至少一个第一掩模件(17)，该第一掩模件(17)用来在传感器线列(11)上产生第一分投影(51)，从而第一分投影(51)被优化来确定接触用部分(5)相对测量头底座(2)的在x方向或y方向上的x位移和y位移，所述分析计算单元设计成从仅由同一个传感器线列(11)产生的信号来确定x位移和y位移。
文档编号G01B5/012GK101849159SQ200880114628
公开日2010年9月29日 申请日期2008年10月29日 优先权日2007年11月5日
发明者乌苏拉·斯切维特, 克努特·西尔克斯, 克劳斯·P·克费施泰因, 巴蒂斯特·乌斯克, 斯特凡·弗雷, 海因茨·利普纳 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司