用于物体几何测量的装置和方法与流程

本发明涉及一种用于物体几何测量的装置，特别是光学元件如透镜的几何测量的装置。此外，本发明还涉及一种相应的用于这类物体几何测量的方法以及计算机程序。

背景技术：

为保证质量及监控工业制备过程，特别是在精密仪器技术领域、光学以及在机械和电子微结构的制备过程中，对工件的高分辨率的和精密测量或物体的一般测量方面均提出越来越多的需求。

例如，由DE 10 2011 011 065 B4已知一种用于测量安置于支座上的物体的至少一个表面区段的装置。该装置具有可相对支座固定的基准物体(Referenzobjekt)和在至少一个第一方向上可相对于基准物体移动的支架(Halter)。在支架上，配置有呈可相对互相旋转的基准物件以及间距传感器。间距测量设备构成为用于测定到物体表面区段第一点的第一间距和到基准物件与此对应的第二点的第二间距。称为间距测量器的间距测量设备在此具有朝向物体的第一间距传感器和朝向基准物件的第二间距传感器。在此，两个间距传感器相互完全反向取向定位。

用这类装置可高精度且无接触地对物体表面进行光学探测或扫描。

由DE 102011011065 B4基本已知的装置示意性示于图3中。测量设备10具有支座12，在支座上可旋转或可移动地安置待测量的物体14如透镜。设备10还具有可在图3中所示的x-z平面中移动的支架26，在支架上配置有基准物件28以及用于可旋转安置两个间距传感器34,36的轴承32，两个间距传感器构成间距测量设备70。基准物件28具有一个朝向间距传感器36的、在此例如按圆柱体内壁类型构成的反射式或镜面式的基准面30。基准面例如可以设计成凹面镜。间距测量设备70还具有另一个如同样结构的间距传感器34，与间距传感器36反向对置。该间距传感器34与间距传感器36呈相反方向取向定位。两个间距传感器34,36呈刚性相互联接。

间距传感器34指向物体14的待测表面15。间距传感器34,36设计成光学间距传感器，并由此用于发射和检测光信号。传感器34,36以反射几何学进行测量。即指向物体14的测量点42上的测量光束相应于物体14的表面外形经反射和传回，并基于该测量光束到物体14的表面15的类似正交的取向再经传感器34检测，并最后输送到与间距传感器34相联接的、具有传感器单元和检测单元的控制器。按照待测物体14的外形和支架26相对于物体14的相对定位，间距传感器34,36的定向或方位取向可相对于支架26上的旋转轴线33而改变，并在各情况下自适应地调整以保持测量所需的正交条件。

特别是在测量非旋转对称的物体14，例如图3中以横截面显示的和其纵向延伸垂直于纸面即在y方向延伸的圆柱透镜时，需要用间距传感器34扫描垂直于物体14的纵向延伸的整个横截面外形。

特别是在待测物体14表面重度弯曲的情况下，可以表明困难的是：以所需间距和以间距测量所需的相对于物体14的方位来定位间距传感器34。如图3中所示，可出现的情况是，带有例如朝向物体14或物体支座12的、向下突出的支腿的基准物件28会与待测物体14发生碰撞。

这种碰撞当然应避免。但为了也能正交地扫描物体14的与水平方向呈高度倾斜的表面区段，基准物件28的某种程度的几何延伸是不可避免的。

此外，为精确测定间距测量设备70，特别是两个间距传感器34,36的位置和基准物件28在x-z平面中的位置，在支架26上还设置另外两个在此称为基准传感器50,52的间距传感器，基准传感器按照支座26的移动方向或运动方向(x,z)相对于位置固定的基准物体18,20定向，并且，借此可测量在z方向中支座26到基准物体18的基准面22的间距48和在x方向中到另一位置固定的基准物体20和到其基准面24的间距46。

图3中，基准传感器50,52的测量轴线的示意性的虚拟延长线1,2与间距测量设备70的旋转轴线33重合。由此，在由X方向和Z方向构成的测量平面(x,z)中，整个装置相对于支座26或基准物件28的可能的旋转运动或倾斜运动是基本上不变的。基准传感器50,52的测量轴线所设想的延长线1,2与两个相互呈刚性联接的间距传感器34,36旋转轴线33的重叠，从测量技术考虑表明是特别有利的。但由此也有时大大地限制了支架26和特别是其上配置的基准物件28的几何结构自由度。

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于物体几何测量的改进型装置，该装置为基准物件提供了高程度的结构自由度，从而可确保避免在基准物件和待测物体之间可能的碰撞，同时又不会限制测量精确度。

该目的用权利要求1的用于物体几何测量的装置、用权利要求13的用于物体几何测量的方法和用权利要求14的计算机程序实现的。在此，有利的方案是从属权利要求的主题。

在此，提供一种用于物体几何测量的装置。该装置具有一个用于物体的支座以及至少一个相对于支座可固定的基准物体。支座和基准物体通常是呈位置固定配置，并相互呈固定的几何关系。该装置还具有一个在至少一个方向(x，z)相对于基准物体移动的支架。在支架上配置有一个基准物件和一个间距测量设备。设置间距测量设备以用于测量物体(特别是朝向间距测量设备的物体表面)和基准物件(特别是基准物件朝向物体的基准面)之间的间距。

此外，在支架或基准物件朝向基准物体的一侧上，相互呈间距地配置有第一和第二基准传感器。形成两个基准传感器是用于测量到基准物体的第一和第二间距。在此，两个配置在支架或基准物件的一侧且同一侧的基准传感器分别测量到一个且同一个基准物体的间距。如果这时出现不同的间距，则是支架相对于基准物体的定向出现可能倾斜的一种量度。借助于配置在支架或基准物件朝向基准物体的一侧的两个基准传感器，可推算出可能的倾斜，并由此不仅可推算出支架126在测量平面(x,z)中的相对位置，也可推算出支架126在测量平面(x,z)中的定向，并可用于校正由间距测量设备70可测的间距值。

在支架或基准物件朝向基准物体的一侧或在相应区段配置至少两个基准传感器，可将基准传感器测量轴线的延伸的虚拟交点移位到间距测量设备的旋转轴线外的一个区域。这时装置可使得支架和其上配置的基准物件具有最多样性的和差异最大的几何方案。

按照其一个扩展方案设定，形成第一基准传感器，以用于测量到基准物体朝向支架的基准面的第一点的第一间距。借助于第一基准传感器，基本上可测定在支架和相关基准物体的基准面之间的第一间距。

按另一个方案，还形成第二基准传感器，以用于测量到基准物体朝向支架的基准面的第二点的第二间距。通常，第一和第二基准传感器呈相互平行定向。但两个基准传感器垂直或倾斜于各自测量方向以给定间距相互隔开地配置在支架上。如果支架例如要经受晃动或倾斜移动，则其可通过对比第一间距和第二间距来推算，第一间距和第二间距可借助于第一和第二基准传感器相互独立地测量和确定。

按该装置的另一个方案设定，基准面的第一点和第二点之间的间距(d)用第一和第二基准传感器之间的间距(D)校正。在此可设想，在基准面的两点之间的间距(d)约相应于第一和第二基准传感器之间的间距(D)或与此大致上一致。在这种方案中，基准传感器例如相互平行定向。在此，其特别是呈基本垂直于基准面或呈垂直于基准物体定向。

按另一个方案，该装置还具有设计成检测单元的控制设备，借助于该控制设备，可由第一间距和第二间距精确测定支架或其基准物件相对于至少一个基准物体的位置和取向。特别是可通过对相互独立测定的第一和第二间距进行比较和/或取平均值而测定支架在测量平面(x,z)的位置和其斜度和倾斜度。在此，特别是可精确测定间距测量设备的旋转轴线的位置。

按另一个方案，支架在由第一方向(x)和第二方向(z)所展开的平面(x,z)中相对于第一和第二基准物体移动。由此，可使支架在两维的x-z平面中相对于物体移动，并相应于物体表面的状况和外形总是用其朝向物体的间距传感器以基本对物体表面的测量点呈正交定向。第一和第二基准物体通常相互呈垂直延伸。它们相对于彼此而且也相对于物体的支座固定。

按另一个方案设定，第一基准传感器和第二基准传感器分别对准第一基准物体。此外，还设置对准第二基准物体的第三基准传感器。通常，第一和第二基准物体相互呈垂直或正交定位，并且朝向各基准物体的基准传感器基本上呈垂直对准相关的基准物体的基准面。

由支架的运动可能引起的支架例如在x-z平面中的倾斜移动或晃动仍不会导致违反间距测量所需的正交性条件。但对在几纳米或更小的范围内的所需测量准确度而言，引起的移动或晃动对用间距测量设备要实现的测量精度会有实质的影响。借助于总共三个基准传感器，可在测量平面(x,z)的两个方向上测定支座的位置并由此也可测定其基准物件和相对基准物件可旋转安置的间距测量设备的位置。此外，借助于第一和第二基准传感器也可测定支座相对于基准物体之一的仅微小的斜度。

按另一个方案，第一基准物体还平行于第一方向(x)定向，并且第二基准物体还平行于第二方向(z)定向，其中两方向x,z呈相互垂直定向。如果支座例如沿第一方向(x)移动，则此时支座在x方向中的间距发生变化，并由此支座到第二基准物体的间距也发生变化。这种间距变化可用第三基准传感器精确推算。对支座在测量平面另一方向移动的测量，特别是在例如垂直定向的z方向移动的测量，可借助于第一和第二基准传感器同时推算由此产生并且发生变化的到第一基准物体18的间距。如果在此产生不同的间距值，则这是支座在测量平面(x,z)中的倾斜或仅微小的斜度或扭转的标志。

按另一个方案，间距测量设备具有第一间距传感器和第二间距传感器，第一间距传感器和第二间距传感器相对于基准物件呈可旋转安装。借助于两个间距传感器，可精确推算围绕基准物件的一个基准面、对于间距测量设备的所有角位在物体表面之间的总间距。间距测量设备由其旋转运动可能引起的其第一和第二间距传感器的定位不精确性，可通过反向的间距测量--一方面到物体表面而另一方面到基准物体--进行精确推算和计算补偿。

此外，形成间距测量设备，以用于测定到物体待测表面区段第一点的第一间距以及到基准物件与此相应的第二点的第二间距。该待借助于间距测量设备推算的第一间距表示为原本的测量信号，而根据所测量的第二间距，可推算如旋转所引起的、在间距测量设备和同样配置在可运动的支架上的基准物件之间的相对位移。根据待测的第二间距，在此可对所测的第一间距进行间距校正。

例如通过间距测量设备的旋转运动引起的传感器的不可再现的位移及由此产在的测量值的不正确性，可通过测定相对于在外形和位置方面已知的基准物件的第二间距来补偿。在间距测量设备的旋转轴线和测量轴线之间的偏移可通过对第一和第二间距的推算以及通过基准物件和间距测量设备的相对定向进行数值上的补偿。

间距测量设备，特别是其两个间距传感器，与至少两个、通常与三个基准传感器一起，存在于一个共同的平面，即所谓的测量平面中。这样，可以以传感器获取在测量平面中的表面测量和间距测量的所有相关因素，特别是在测量平面中的基准物件的斜度和/或倾斜，并对原来测量的精确度进行补偿。

按另一个方案设定，间距测量设备的第一间距传感器朝向支座或配置在支座上的物体，并且第二间距传感器朝向基准物件。通常，第一和第二间距传感器呈相互反向定向。两间距传感器呈刚性相互联接，从而，物体表面上每一个待探测的或待无接触测量的点都配属至基准物件基准面上相应的点。

按另一个方案设定，物体支架呈可旋转或可线性平移地安置在支座上。在可旋转配置中，物体支架的旋转轴线通常位于间距测量设备的测量平面中，或平行于测量平面延伸。就有利的测量技术考虑，物体支架在支座设备上的可旋转配置特别适于测量旋转对称的物体。在支座设备上旋转的物体可在物体旋转运动中由间距测量设备于径向从外向内或从内向外进行探测或无接触扫描。

在平移式配置中，平移方向或移动方向通常呈垂直于间距测量设备的测量平面或与平面呈给定的角度延伸。物体在支座设备上的平移式配置表明对具有圆柱体对称的物体，例如对圆柱体透镜的步进式扫描或探测是有利的。在此，特别可设定，待测量的物体的纵轴线以支座设备的平移轴线的方向定向，并将物体相应配置在物体支架上。

按另一个方案，在支座上方呈可移动配置在基座上的支架可越出物体的对置(gegenüberliegende)的外缘或越出物体支座的对置的外缘。支架在基座上且相对于支座的这种移动可能性和灵活性,使得可以用扫描或无接触式特别是以光学方式探测物体的整个表面外形。以这种方式，也可精确测量非旋转对称的物体或其表面。

间距传感器或基准传感器通常与多个不同波长的光源相联接，以借助于多波长测量原理测定到物体或到基准物件或基准物体的间距。这类异齿型(Heterodont)测量方法可以以纳米范围和次纳米范围的分辨率进行高精确度的间距测量，并还可提供直到毫米范围的测量结果的单值性区域。优选设置基本呈单色的激光作为光源，其波长在1520-1630am的范围内。通常，所用的激光波长处于光学通讯谱的S频带、C频带或L频带中。但原则上也考虑在可见光和/或UV光谱范围的波长。

原理上，本发明也可适于仅以一个波长操作的间距测量设备。但借助于多波长测量方法，可明显放大所获取信号的单值性区域。由物体表面反射的光束的各相或相位经波长选择性地检测，并与电子求值过程中关联以用于确定间距。

此外，间距传感器可以以光纤方式与相关的光源联接。以此方式可将由环境引起的可能的干扰影响限制到最小。

按另一方面，本发明还涉及一种借助于前述装置用于物体几何测量的方法。在此，借助于呈可旋转配置在支架上的间距测量设备以扫描--即以表面探测--获取安装在支座上的物体的表面外形。对物体表面的各个测量点依次施加测量光束，以致对每个测量点可推算出间距。此时，在借助于间距测量设备的扫描过程中，测量在物体的测量点和基准物件的基准点之间的多个间距。特别是以计算机辅助进行计算，由多个间距产生物体的表面图像。

此外，借助于第一和第二基准传感器推算出支架或其基准物件相对于至少一个基准物体的位置和取向。只要装置为支架设定了仅一个运动自由度，则原则上，仅设置两个通常呈平行定向且垂直于其测量方向的相互间隔开的基准传感器是足够的。在装置的扩展方案和相应地也在方法的扩展方案中设定，借助于第一、第二和第三基准传感器，推算支架在二维测量平面(x,z)中的位置和取向。然后，基于支架或基准物件的位置测定和取向结果，校正表面图像。

因此，特别设定，将借助于第一和第二基准传感器所推算的支架的取向用于校正由间距测量设备所测量的在物体测量点和基准物件的基准点之间的间距。以此方式可在数值上补偿由于支架的最小斜度或倾斜所引起的间距测量误差。

在此要说明的是，所述方法可借助于前述装置实施，并在此，与设备相关的全部所述特征和优点均也同样适用于方法；且反之亦然。

按另一方面，本发明还涉及一种借助于前述的装置实施物体几何测量的计算机程序。该计算机程序具有借助于间距测量设备以扫描获取安置在支座上的物体的表面外形的程序工具。对此，计算机程序配备有用于测量物体测量点和基准物件基准点之间多个间距的程序工具。此外，计算机程序还具有基于由第一和第二基准传感器所测定的间距来推算支架或其基准物件相对于基准物体的位置和定向的程序工具。最后，还提供基于经推算或经测量的支架或其基准物件的位置和定向来校正表面图像的程序工具。

在此还说明的是，计算机程序在与装置相联接的控制设备中运行，并在其中可相应地实施。计算机程序在同样前述设备所确定的应用中特别用于前述方法的计算机辅助转换。在此，在设备方面和方法方面的全部所述特征、特性和优点均也同样适用于计算机程序；且反之亦然。

附图简述

本发明的其它目的、特征和有利方案将按下列示例性的实施例的说明加以详述。

图1示出用于物体几何测量的装置的透视图，

图2示出装置的侧视图，

图3示出现有技术的一种类型的装置的简化示意图，

图4示出本发明的第一构型装置的示意图，

图5示出根据图4的另一构型装置的视图，

图6示出方法的流程图。

详细描述

图1的透视图中示出的测量装置100具有位置固定的基座110，在基座上例如呈可平移滑动地安置有支座设备12的物体支架102。在支座设备12上，因而在其物体支架102上配置有待测量的物体14。

装置100具有在其基座110上、跨过支座设备12且基本定义测量平面(x,z)的框架104。框架与基座110呈固定和刚性相连。框架104具有两个侧面支腿105,106并在支座设备12上方具有在侧面支腿105、106之间延伸的连接梁108。在连接梁108的下侧配置有第一基准物体18，而在左侧支腿105朝向支座12的内侧配置有第二基准物体20。

两个位置固定的且相互固定的、呈相互正交取向的基准物体18,20呈不可移动和刚性地固定在框架104上。基准物体18在第一方向(x)上如呈水平延伸，并且第二基准物体20在第二方向(z)上如呈垂直延伸。在两个基准物体18,20上提供有各自的基准面22,24，基准面22,24通常呈镜面或反射性面构成。借助于框架104，基准物体18,20呈位置固定地配置在基座110上。

借助于框架104，基准物体18,20也可相关于待测物体14的支座设备12呈位置固定地配置。此外，在基座110上还配置有在测量平面(x,z)中移动的支架126。在支架126上配置有间距测量设备70，间距测量设备通过轴承32关于旋转轴线呈可旋转地安装在支架126上。在此，轴承32的旋转轴线33呈垂直于测量平面(x,z)即y方向延伸。支架126关于测量平面(x,z)呈可移动安装在基座110上。

如图1和4所示，在支架126上配置有基准物件128以及用于可旋转安装两个间距传感器34,36的轴承32。基准物件128具有朝向间距测量设备70的、例如按圆柱体内壁类型构成的镜面或基准面130。镜面或基准面优选设计成凹面镜。基准面130的外形需经精密测量以用于标定测量装置100。外形和基准面130上的各个待探测点144就其位置而言是已知的，并存储在控制设备60的求值单元中。

基准物件128在支架126上的配置通过水平延伸的悬臂112实现，而间距测量设备70在支架126上的配置通过与此平行延伸的另一个呈可旋转配置在基座110上的悬臂114实现，如在图2的侧视图中所示。

图1中所示的装置100的测量原理示于呈测量平面(x,z)构思的图4和5中。基础测量原理基本保持不变，即测量第一间距传感器34和物体14表面15上的测量点42之间的间距38，并由此伴随测量与此相应的间距140，间距140是到与现有技术相比经改良的基准物件128基准面130上的基准点144的间距。

具有两个反向定位的间距传感器34,36的间距测量设备70关于旋转轴线33呈可旋转保持在轴承32上。在此，旋转轴线33优选呈正交于由两基准物体18,20所展开的平面(x,z)。在此，指向物体14的间距传感器34优选呈多波长-传感器构成，传感器是用于测定到物体14的待测表面上的所选第一点42的绝对间距。其它所有的传感器150,152,154均可呈多波长-传感器构成。

传感器34,36呈相互固定。此外，它们关于旋转轴线33呈相互反向定向。传感器34的方位取向改变总伴随传感器36的相应的方位取向改变。

传感器34,36以反射几何学进行测量。即指向测量点42上的测量光束呈全等性反射并再由传感器34检测，并最后输送到与传感器34相联接的在图1中所示出的控制设备60的传感器单元或检测单元。按待测物体14的外形和支架126相对于物体14的相关定位，需改变传感器34的定向取向或方位。但间距传感器34,36围绕旋转轴线33的旋转可随之引起间距传感器34相对于支架126的位移。

通过第二间距传感器36以对第一间距传感器34呈反方向定位到基准物件128的基准面130上，可精确测量例如通过间距测量设备70的旋转运动必然引起的、关于已知的基准物件128的偏移，并与电子求值过程关联以补偿所接收的或所检测的测量信号。

如果传感器34因由旋转引起而经受例如在围绕物体14的方向上的位移，则这会减小待测的间距38。但这种位移也同时会在定量上以相同程度增大在对置的传感器36和固定的基准面130之间的第二间距140。以此方式，通过测量相对于在基准面130上的所选的第二测量点144的第二间距140，可由第二间距传感器36精确补偿可能由旋转引起的间距测量设备70的定位不精确度。

由图4-5与图3的现有技术的对比表明，明显缩短了基准物件128在垂直的z方向的延伸。因此，至少第三基准传感器154朝向第二基准物件20的所设想的延伸2向上移动，并不再与间距测量设备70的旋转轴线33相重叠。由此，支架126在测量平面(x,z)中可能的和鉴于所需的精确度而不可避免的倾斜或倾斜移动对于间距测量设备70的旋转轴线33的位置测定和定位测定，或对于基准物体128的定位和位置，都具有广泛的影响。

在基准物体128上，朝向第一基准物体18配置有两个基准传感器150,152，两个基准传感器的间距为D。第一基准传感器150用于测量到第一基准物体18或到其基准面22的第一间距51。在此，相应于在x方向的各位置，测定从第一基准传感器150到基准面22上的第一点21的间距51。同样，借助于平行于第一基准传感器150的第二基准传感器152测量到基准物体18的基准面22上的第二点23的间距53。

通过对比第一和第二间距51,53，可推算基准物件128或支架126相对于基准物体18,20的可能的倾斜或斜度。在此，斜度可定性和定量测定，从而，可对由此产生的间距测量设备70和旋转轴线33的位置变化进行数值上的补偿。由此，基于第一和第二间距51,53的测量可推算出的基准物件128或支架126的斜度或倾斜可用测量技术进行补偿。借助于间距测量设备70可推算的间距和由此可成像的物体14的表面图像可对基准物件128或间距测量设备70的可能的定位误差或斜度误差进行数值上的校正。支架126或其上配置的基准物件130关于x方向的位置可借助于同样设计成间距传感器的第三基准传感器154测定。借助于该第三基准传感器测量到第二基准物体20或到基准物体20的基准面24的间距55。

借助于总共三个基准传感器150,152和154，可使间距测量设备70的旋转轴线33不再绝对必须与按现有技术采用的基准传感器150,152所设想的延伸1，2呈重叠配置。在此，可实现适于不同几何结构的基准物件128，特别是使得待测试物体14的整个表面15可进行无碰撞的扫描或探测，如由图4和5的两个不同构型所示出的。由图4和5的对比还可看出，间距测量设备70或支架126可在支座12的上方区域越出物体14的两个对置的外缘14a,14b。以此方式，特别是也可对不是旋转对称的物体14，如纵向延伸的圆柱体透镜进行几何测量。

最后，图6中示出方法的流程图。在第一步骤200中，借助于呈可旋转配置在支架126上的间距测量设备70以扫描即表面探测方式获取安装在支座12上的物体14的表面外形。对物体14的表面15上的各个测量点42相继施加测量光束，以致推算所有测量点42到间距传感器36的间距。就此，在扫描过程中，借助于间距测量设备70测量物体14的测量点42和基准物件128的基准点140之间的一系列间距38。由这些间距产生--特别是以计算机辅助计算--物体14的表面图像。

在与第一步骤200同时的另一步骤202中，借助于第一和第一基准传感器150,152并借助于第三基准传感器154，推算支架126或其基准物件128相对于至少一个基准物体18,20(通常相对于两个基准物体18和20)的位置和取向。如果装置100对支架126仅设定一个运动自由度，则仅设置两个通常呈平行且垂直于其测量方向的相互间隔开的基准传感器150,152原则上是足够的。

在另一步骤204中，基于支架或基准物件的位置测定和取向测定校正表面图像。

标号列表

1 延长线

2 延长线

10 测量装置

12 支座

14 物体

14a 外缘

14b 外缘

15 表面

18 基准物体

20 基准物体

21 点

22 基准面

23 点

24 基准面

26 支架

28 基准物件

30 基准面

32 轴承

33 旋转轴线

34 间距传感器

36 间距传感器

38 间距

40 间距

42 测量点

44 测量点

46 间距

48 间距

50 基准传感器

51 间距

52 基准传感器

53 间距

55 间距

60 控制设备

70 间距测量设备

100 装置

102 物体支架

104 框架

105 支腿

106 支腿

108 连接梁

110 基座

112 悬臂

114 悬臂

126 支架

128 基准物件

130 基准面

140 间距

144 测量点

150 基准传感器

152 基准传感器

154 基准传感器