CN104704318A - 确定测量对象上的空间坐标的坐标测量机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种坐标测量装置，其具有容纳测量对象的工件保持器(12)和可相对于工件保持器(12)移动的测量头(16)。测量头(16)支承光学传感器(18)。评估和控制单元(22)设计成根据测量头(16)相对于工件保持器的位置以及根据光学传感器(18)的传感器数据来确定测量对象的空间坐标。光学传感器(18)包含物镜(24)和相机(34)。物镜(24)具有孔径(52)和至少四个分离的透镜组(40，42，44，46)，其中三个透镜组可沿物镜(24)的光轴(50)单独地移位。而且，孔径(52)也可沿光轴单独地移位。第一透镜组(40)以静止方式布置在物镜(24)的入光开口(28)的区域中。除了别的之外，具有所述物镜(24)的坐标测量装置使得可在广泛应用范围内改变放大率、聚焦和分辨率。

Description

确定测量对象上的空间坐标的坐标测量机
技术领域
本发明涉及一种确定测量对象的空间坐标的坐标测量机，包括支撑测量对象的工件保持器，包括相对于工件保持器可移动并承载光学传感器的测量头，并且包括评估和控制单元，所述评估和控制单元构造成根据测量头相对于工件保持器的位置以及根据光学传感器的传感器数据确定测量对象的空间坐标，其中，光学传感器包括物镜和相机，相机构造成通过物镜记录测量对象的像，其中，物镜包括物镜体，物镜体具有入光开口和出光开口，出光开口具有连接到相机的接口，其中，物镜还包括光阑和多个透镜，多个透镜布置在物镜体中，其中，所述透镜形成至少四个分离的透镜组，至少四个分离的透镜组一起限定光轴，以及其中，四个透镜组中的至少两各可沿光轴移动。
本发明还涉及一种确定测量对象上的空间坐标的方法，包括以下步骤：
-将测量对象布置在工件保持器上；
-提供测量头，测量头包括物镜和相机，其中，物镜包括物镜体，物镜体具有入光开口和出光开口，出光开口具有连接到相机的接口；
-相对于工件保持器定位测量头；
-通过物镜记录测量对象的至少一个像；以及
-根据测量头相对于工件保持器的位置以及根据所述像确定测量对象上的空间坐标，
其中，物镜包括光阑和多个透镜，多个透镜布置在物镜体中，其中，所述透镜形成至少四个分离的透镜组，至少四个分离的透镜组一起限定光轴，其中，四个透镜组中的至少两个可沿光轴移动。
背景技术
EP1071922B1公开了这种坐标测量机和对应方法。已知的坐标测量机具有接触探针，接触探针优选地布置在弹性可弯曲的导光纤维的末端。接触探针用于接触测量对象上的测量点。借助包括相机和物镜的光学传感器，可以检测到接触探针在与测量对象的接触期间的偏转。借助接触探针的偏转，并且可选地借助光学传感器相对于测量对象的位置，那么可确定采样测量点的空间坐标。作为替代，已知的坐标测量机意在提供在没有接触探针的情况下测量测量对象的表面形貌的可能性，即纯光学地测量。EP1071922B1提出了光学传感器包括具有两个透镜组的变焦光学***，两个透镜组借助电机单独地移动而设定成像比例和距测量对象的距离。这意在允许选择性地将接触探针带离光学***的景深，以允许纯光学测量。
JP2011-169661公开了一种具有相机和远心光学***的光学测量装置，远心光学***具有前透镜、后透镜和远心光阑。该测量装置还具有基于激光器的自动聚焦***，其借助激光确定测量对象在远心***光轴上的位置。
使用光学传感器与坐标测量机在许多情况下允许非常快速地测量测量对象的几何特性。已知的具有光学传感器的坐标测量机的一个缺点是注明光学传感器限于特定测量任务和特定工件属性。光学传感器通常针对特定类型的测量任务而优化，例如在可实现的测量精度或测量范围方面优化。例如，在传感器光轴方向上具有大高度差的工件可能导致发生问题。有时，使用不同的光学和/或触觉传感器，以能够应付不同的测量要求，单独的传感器分别仅承担整个测量任务的一部分。每个单独的传感器通常针对特定测量任务优化。首要的是，光学传感器由此具有分别高度适用于特定预期用途而不太适用于其它目的单独的光学***。
在坐标测量机中设置不同的传感器来用于不同的测量任务允许高灵活性连同高测量精度。提供具有分别适配于传感器预期用途的光学***的许多传感器的高成本是不利的。而且，许多传感器及它们各自的光学***要求坐标测量机中的比较大的装配空间，这限制了测量体积，并导致其它成本。
发明内容
因此，希望提供一种光学坐标测量机，其能够以比较低的成本实施广泛的光学测量任务。相应地，本发明之目的是提供一种对应的坐标测量机和一种对应的方法。
根据本发明的一个方面，该目的通过一开始提到的类型的坐标测量机来实现，其中，至少四个透镜组的第一透镜组固定地布置在入光开口的区域中，并且其中，光阑以及至少四个透镜组的第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组各相对于第一透镜组沿光轴可单独地移动，其中，第二透镜组布置在第一透镜组和光阑之间，并且其中，第三和第四透镜组布置在光阑和出光开口之间。
根据另一方面，该目的通过一开始提到的类型的方法来实现，其中，至少四个透镜组的第一透镜组固定地布置在入光开口的区域中，并且其中，光阑以及至少四个透镜组的第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组各相对于第一透镜组沿光轴可单独地移动，以获得测量对象在像中的限定的放大率和限定的聚焦两者，其中，第二透镜组布置在第一透镜组和光阑之间，并且其中，第三和第四透镜组布置在光阑和出光开口之间。
根据另一方面，该目的通过用于一开始提到的类型的光学坐标测量机的物镜来实现，其中，物镜的至少四个透镜组的第一透镜组固定地布置在入光开口的区域中，其中，物镜的光阑以及至少四个透镜组的第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组各相对于第一透镜组沿光轴可单独地移动，其中，第二透镜组布置在第一透镜组和光阑之间，并且其中，第三和第四透镜组布置在光阑和出光开口之间。提供这种的物镜使得可通过更换光学***来改进现有的光学坐标测量机，以实现下面说明的特性和优点。
新的坐标测量机具有物镜，其中，在空间上彼此隔开的至少四个分离的透镜组布置在共同的光轴上。第一透镜组(如从入光开口或前侧所看见)是固定的。因此，其与连接相机的接口相距恒定的限定距离。在一些示例性实施例中，接口是用于连接相机的标准接口，比如所谓的C安装件或F安装件。在其它示例性实施例中，接口是专有接口，其中，相机旋拧到物镜体。该专有接口提供了高稳定性，并因此确保维持高测量精度。
在第一透镜组之后接着有沿光轴的三个另外的透镜组，它们各相对于第一透镜组沿光轴可单独地移动。优选地，四个透镜组各包括具有两个光折射表面的至少一个透明光学元件，两个光折射表面的至少一个表面凸地或凹地弯曲。而且，优选地，透镜组各相对于光轴旋转对称。布置在第二透镜组和第三透镜组之间的还有光阑，其也可以沿光轴单独地移动。在本文中，可单独地移动意味着对应元件可执行沿光轴的移动，这与其它元件在移动方向方面和/或移动距离方面的可能同时移动不同。换言之，第二透镜组、光阑、第三透镜组和第四透镜组各可沿光轴移动，使得四个透镜组和光阑之间的相对距离可以单独地变化。例如，第二透镜组和光阑之间的距离可以增加或减小。而且，光阑和第三透镜组之间的距离可以增加或减小，第三透镜组和第四透镜组之间的距离可以增加或减小。可单独移动的透镜组以及布置在它们之间的同样可单独移动的光阑允许高灵活性及许多组合可能性。
在一些示例性实施例中，物镜可具有第五透镜组，其布置在出光开口的区域中，并优选地是固定的。原则上，另外的透镜组是可能的，尽管新的物镜优选地包括不多于五个所述透镜组。四个或五个透镜组一起产生图像传感器上的像，图像传感器经由接口连接到物镜。由于三个透镜组和光阑的单独移动性，新的物镜可针对不同的成像条件十分灵活地调节。如下参考优选示例性实施例所说明的，新的物镜尤其允许可变地调节放大率以及可变地调节工作距离。在优选的示例性实施例中，新的物镜在放大率的整个调节范围内和在工作距离的整个调节范围内是远心，这可借助可单独移位的光阑十分良好地实现。三个透镜组的单独移动性使得可尤其在工作距离的整个变化范围内产生基本恒定的放大率，或者在整个放大率范围内产生到一个工作距离上的基本恒定的聚焦。这些特性使得可以恒定参数测量在物镜光轴方向上具有大高度差的测量对象，而无需光学传感器本身必须靠近测量对象或进一步移动远离测量对象。这允许在多个测量点十分快速地测量。固定的第一透镜组还具有的优点是，光学传感器在坐标测量机的测量体积中的“干扰轮廓(interference contour)”总是相同的。降低了传感器在综合测量期间会碰撞测量对象的风险。
由于可变的移动性，新的坐标测量机和对应的物镜消除了转换光学***，转换光学***有时用在先前的坐标测量机中，以实施不同的测量任务。至少，转换光学***的数量可以明显减少。
由于高灵活性，新的坐标测量机的物镜还能够与不同光学传感器相互配合。在优选的示例性实施例中，物镜可选择性地与自动聚焦传感器、共焦的白光传感器、三角测量传感器等组合，在这种情况下，成像以及特定照明的输入和输出(传感器原理所需要的)各在在新的物镜中或通过新的物镜而实施。在一些示例性实施例中，新的物镜具有另外的入光开口和/或出光开口，穿过另外的入光开口和/或出光开口，光可选择性地输入和/或输出，在这种情况下，光不会穿过所有透镜组。换言之，新的坐标测量机提供了耦合不同传感器原理与统一物镜的可能性，由于四个提到的透镜组和可轴向移动的光阑，这提供了高灵活性，以与不同传感器原理相互配合。
因此，新的坐标测量机可比较经济地制造。而且，新的坐标测量机节省了装配空间，装配空间在先前提供转换光学***和/或在测量头中容纳多个物镜的情况中是需要的。
因此，前述目的完全实现。
在本发明的优选改进例中，用于第二、第三和第四透镜组以及光阑的单独预定的控制曲线存储在存储器中，第二、第三和第四透镜组以及光阑各可沿光轴根据单独的控制曲线移动。单独的控制曲线可以彼此处于固定关系，使得可移动的透镜组和光阑的单独移动彼此适配。然而，第二、第三和第四透镜组以及光阑还在该情况下单独地移动，使得所有可移位元件的相应移动方向和相应移动距离彼此不同。相应地，新的物镜构造成第二、第三和第四透镜组以及光阑各可沿光轴根据单独的控制曲线移动，第二、第三和第四透镜组以及光阑的单独的控制曲线分别彼此不同。新的方法使用优选构造中的单独的控制曲线，以沿光轴灵活地调节第二、第三和第四透镜组以及光阑的相应位置。
在一些示例性实施例中，物镜具有内部结构，其中，第二、第三和第四透镜组和/或光阑彼此机械地连接，使得在沿光轴调节元件之一的位置时，单独的控制曲线的固定关系例如借助凸轮和/或齿轮而由机械连接限定。可以说，机械连接形成机械记忆(mechanical memory)。在其它示例性实施例中，物镜具有电和/或光学接口以及电驱动器，电和/或光学接口用于传输代表单独的控制曲线的控制信号，电驱动器用于使每个元件移动。在一些变型中，新的物镜包括电子存储器，其可构造成结合在物镜体中或者与物镜体分离，单独的控制曲线存储在存储器中。而且，在其它的示例性实施例中，第二、第三和第四透镜组和/或光阑中的一些元件可以彼此机械地连接，而第二、第三和第四透镜组以及光阑中的其它元件构造成没有机械连接，对未机械连接元件的整体控制借助物镜和单独驱动器的光学和/或电接口来实现。
单独的控制曲线代表元件的相应单独位置对外部设定值的依赖性，例如由操作者指定的放大率或预定工作距离或对应聚焦。另外的设定值可以是由限定测量任务支配的特定分辨率或这些设定值的组合。单独的控制曲线形成曲线族，在一些示例性实施例中，曲线族代表元件沿光轴的单独位置对期望放大率和期望聚焦的二维依赖性。在这些示例性实施例中，控制曲线形成2D曲线族，其代表所有可调节元件的单独且彼此适配的位置。对于每个可选择的工作距离，有1D曲线族，其限定出元件的放大率和对应的单独位置。另一方面，对于每个放大率，有另一1D曲线族，其确定不同聚焦位置的单独位置。
所述改进例通过按记录提供不同光学设定值的预定单独位置而减少了新的坐标测量机和新方法的使用者的负担。使用者可关注他进行特定测量任务所需要的光学设定值，而不用关心新的物镜的对于获得最优成像质量而言重要的细节。相应地，该改进例简化了新的物镜在新的坐标测量机和新方法的范围中的使用，并且允许更快速地实施新的测量任务。
在优选的示例性实施例中，单独的控制曲线包含控制曲线的多个设定，第一设定选择成通过物镜记录的像在调节图像大小和/或分辨率期间基本上保持清楚(可变放大率情况下的恒定聚焦)。第二设定优选地选择成活动元件以最大速度接近它们各自的调节位置，从而容忍调节期间的模糊。另外的设定优选地选择成元件相应地彼此同步调节，像大小在不同工作距离/聚焦位置上保持不变。
在另一改进例中，单独的控制曲线相应地构造成选择性地以到限定工作距离上的基本相同聚焦产生可变放大率，或者以基本相同放大率产生到不同工作距离上的可变聚焦。
如上所述，控制曲线限定出可移动元件沿光轴的位置对期望聚焦和期望放大率的单独的依赖性。对于每个透镜组和光阑，曲线是不同的。在优选的示例性实施例中，第二和第三透镜组彼此靠近，以为了高放大率，而距第一和第四透镜组的距离比较大。优选地，第四透镜组在最大放大率处充当纯投射镜，其将由第一、第二和第三透镜组形成的像发送到所连接的相机的图像传感器的平面中。相反地，在最低放大率处，第二透镜组最靠近第一透镜组(第一和第二透镜组之间的最小距离)，第三和第四透镜组彼此靠近。该改进例允许基于此十分简单地操作坐标测量机的新的物镜，因此，其有助于使用者能够比较快速地实施新的测量任务。
在另外的改进例中，第一和第二透镜组一起限定出焦点(以及由此的垂直于光轴的焦平面)，焦点位于第二和第三透镜组之间，光阑和第二透镜组彼此适配成使得光阑总是布置在焦点处或者焦平面中。优选地，光阑和第二透镜组的控制曲线彼此对应地适配。特别优选地，控制曲线选择成第二透镜组和光阑总是沿光轴彼此相反地移动，因为如此，十分容易确保光阑总在保持在由第一和第二透镜组形成的子***的焦点处。
尽管有灵活的变化可能性，但是该改进例允许在所有放大率和工作距离上的物侧远心。物侧远心是十分有利的，以尤其确定测量对象上的孔、突起或凹槽的深度，因为在这些情况中的不同工作距离下，测量对象的“观看”基本上保持不变。有利地，通过物侧远心可以避免测量对象的透视畸变。第二透镜组和光阑的相反运动允许经济地实现该特性。
在另外的改进例中，光阑具有可变的光阑孔径，其优选地随着光阑沿光轴的位置而变化。
在该改进例中，新的物镜具有另外的自由度，即光阑孔径。这使得可改变物镜的数值孔径，由此改变物镜的可实现的分辨率。在优选的示例性实施例中，前述控制曲线(包括光阑孔径的单独的控制曲线)构造成使得光阑提供在不同工作距离上具有恒定像侧孔径的操作模式。该操作模式是有利地，以能够以在不同工作距离上的一致的高测量精度进行操作。而且，优选地，控制曲线构造成物镜允许在不同工作距离和/或放大率上具有相应最大孔径的操作模式。
在优选的示例性实施例中，光阑相对于光轴居中地布置，尤其具有小于20μm、优选小于10μm的定心误差。光阑优选地是可变光阑，其可以单独地电机驱动，通过使用属于前述曲线族的控制曲线来实施所述驱动。这些示例性实施例允许在整个工作范围内的简单的实施和一致的高测量精度。
在另外的改进例中，物镜包括多个支架和电机驱动器，第二、第三和第四透镜组以及光阑各连接到它们自身的支架，支架可以沿光轴移动，支架能够借助电机驱动器单独地移动。
在该改进例中，可沿光轴移动的元件各连接到它们身的驱动器。在一些示例性实施例中，驱动器是步进电机，其优选地以全步操作而操作，因为这涉及到物镜的更少的热输入。该改进例允许模块化和比较经济的制造。
在另外的改进例中，第一透镜组具有正折射力。优选地，第二透镜组具有负折射力，第三透镜组优选地具有正折射力，第四透镜组优选地具有负折射力。
在实际中已发现该改进例(尤其是前面的三个透镜组的正/负/正变化折射力与第四透镜组的负折射力组合)是特别有利的，以实现物镜在新的坐标测量机的测量体积中的紧凑设计和小干扰轮廓(interference contour)。
在另外的改进例中，在第一和第二透镜组之间在物镜体中有自由空间，分束器布置在自由空间中。在特别优选的变型例中，在分束器附近在物镜体上有另外的接口，通过另外的接口，限定的照明可输入物镜和/或仅由第一透镜组产生的像可输出。
在该改进例中，在第一透镜组和可移动的第二透镜组之间有限定的最小距离，该最小距离不能由第二透镜组超出。自由空间使得可容纳分束器，其允许在光束路径中“在前方非常远地(very far in front)”输入或输出光。该改进例增加了新的物镜的灵活性，因为特别地，其便于针对不同传感器原理输入限定的照明。例如，在坐标测量机的一些示例性实施例中，共焦的白光传感器(色阶白光传感器)连接到另外的接口。在一些示例性实施例中，第一透镜组产生限定的纵向色差，即第一透镜组的焦平面以限定的方式随着穿过第一透镜组的光的波长而变化。限定的纵向色差的数量级可以用本领域常规的校正而减小。换言之，纵向像差被“有意地”诱导，并不仅仅是制造公差的结果。那么共焦的白光传感器可根据从工件表面穿过第一透镜组到达传感器的反射并借助对反射的频谱评估来确定反射工件表面相对于物镜的高度位置。在第一和第二透镜组之间存在于物镜体中的自由空间使得可使用第一透镜组的纵向色差用于这种共焦的白光传感器，而对到相机的出光开口的另外光束路径的校正借助另外的透镜组实现。因此，已发现提供第一和第二透镜组之间的自由空间是非常有利的实施例。
在其它示例性实施例中，条纹图案或其它结构化的照明(借助由相机记录的像而分析，以测量测量对象)可经由另外的接口输入。另外的自由空间(其中同样布置有分束器)优选地布置在物镜的第四透镜组和出光开口之间。优选地，第三接口布置在另外的分束器的高度处，使得在由第四透镜组构成的光学***之后，照明和/或信号的输入和输出也是可能的。使用新的物镜和对应坐标测量机的灵活性和范围由此进一步增加。
在另外的改进例中，物镜具有分离的玻璃盖，其布置在第一透镜组前方，在入光开口的区域中。
在该改进例中，通过入光开口进入物镜光束路径的光首先撞击玻璃盖，然后仅穿过一系列透镜组而到达出光开口。通常，玻璃盖不具有弯曲的光学作用(折射)表面，而是具有两个平面。它们可以彼此平行或者相对彼此倾斜。
将分离的玻璃盖布置在第一透镜组之前是用于测量物镜的常见措施，因为在任何情况下，玻璃盖影响物镜或其光束路径的光学特性。在优选的示例性实施例中，由此在校正透镜组时考虑玻璃盖的光学特性，即玻璃盖包含在对物镜的整体校正中。尤其在第一透镜组构造成产生限定的纵向色差时(在新的物镜的优选示例性实施例中的情况)，在第一透镜组之前提供分离的玻璃盖是不常见的。然而，该改进例的优点是，当物镜的入光开口在日常操作期间受到污染或者甚至受损时，必要时，可更容易地清洁和更换分离的玻璃盖。相应地，在优选的示例性实施例中，新的物镜构造成使得分离的玻璃盖以无损的方式可逆地和可释放地保持在物镜体中。
在另外的改进例中，第一、第二、第三和第四透镜组各包括至少两个透镜。在优选的示例性实施例中，每个透镜组包括至少一个胶合部件，即四个透镜组中的每个的至少两个单独的透镜在沿它们的光学作用表面的大区域上永久地连接起来。
该改进例减少了接口数量，由此有助于宽工作频谱范围上的高成像质量。在一个优选的示例性实施例中，四个透镜组仅形成十四个接口。
在另外的改进例中，至少一个透镜组具有能够在透镜组内相对彼此移动的第一和至少第二单独透镜。优选地，与透镜组本身的对应最大移动距离相比，单独透镜相对彼此的最大移动距离较小。在一个示例性实施例中，物镜具有压电致动器，其使第一和第二单独透镜相对彼此移位。另外优选地，第一和第二单独透镜在第一工作位置彼此平坦地承靠，由此形成复合透镜，而在第二工作位置，它们相对彼此布置在限定距离处。
在该改进例中，透镜组之一的至少两个单独透镜可选择性地分开并一起返回原处。如此，可以非常经济的方式产生新的物镜的限定的纵向色差。该纵向色差可以对于共焦的白光传感器来说有利的方式评估。该改进例的优点是，物镜提供了综合的可选择性激活的纵向像差，而不用新的坐标测量机的操作者更换透镜元件和/或玻璃盖。
在另外的改进例中，前述控制曲线包括构造成产生限定纵向色差的设定(set)。相应地，活动透镜元件和/或活动透镜组本身可相对彼此移动进选定位置，选定位置选择成获得限定的纵向色差。
在另外的改进例中，至少四个分离的透镜组精确地形成四个分离的透镜组。
该改进例由比较简单且经济的结构区分开。意外地，已发现，在其中三个以上述方式可单独移动的四个分离的透镜组的情况下，可制造测量物镜，其在显著范围上满足上述要求。
在另外的改进例中，至少四个分离的透镜组形成五个分离的透镜组。优选地，第五透镜组布置成在出光开口区域中是固定的，即在第四透镜组和用于连接到相机的接口之间是固定的。
该改进例的优点是，借助第五透镜组，可在新的物镜的整个工作范围上比较简单地实现像侧远心。这有助于确保相机中的图像传感器的照明，该照明在物镜的整个工作范围上是恒定的。
应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，上文说明的特征和下面要说明的特征不仅可以分别表明的组合方式使用，而且还可以其它组合或单独地使用。
附图说明
在附图中示出本发明的示例性实施例，并在下面的描述中更详细地说明本发明的示例性实施例。
图1示出新的坐标测量机的示例性实施例的从前方倾斜的视图；
图2示出图1的坐标测量机的物镜的示意图；
图3示出根据优选的示例性实施例的图2的物镜的透镜组的截面图，所述透镜组表示为处在五个不同工作位置，五个不同工作位置分别表示在相同工作距离下不同的放大率；
图4示出具有五个不同工作位置的图2的物镜的另一截面图，五个不同工作位置表示在与图3所示不同的工作距离下的五个不同放大率；
图5示出图2的物镜的另一截面图，透镜组沿光轴的位置分别表示在相同放大率下五个不同的工作距离；以及
图6示出数值的表，其表示出透镜组和光阑在优选的示例性实施例中的位置，由此表示出单独的控制曲线。
具体实施方式
在图1中，新的坐标测量机的示例性实施例整体由参考标号10表示。在该示例性实施例中，坐标测量机10具有xy台12形式的工件保持器。布置在xy台12上方的是套管(quill)14。套管14承载测量头16，测量头在该情况下保持光学传感器18和分离的触觉传感器20。利用触觉传感器20，以已知的方式，坐标测量机10可在测量对象上取样测量点，为此，测量对象布置在xy台12上。触觉传感器20借助xy台12和套管14相对于测量对象移动，以取样测量点。借助xy台和套管的各自位置，取样的测量点的空间坐标则那么可以已知的方式确定。
在优选的示例中，坐标测量机10是多传感器坐标测量机，其中，除了光学传感器18，触觉传感器20可用于测量测量对象。作为替代，在其它示例性实施例中，新的坐标测量机可仅具有一个或多个光学传感器。
而且，本发明不仅可用在具有图1所示机器结构的坐标测量机中。原则上，新的坐标测量机可以桥设计(bridge design)、门设计(portal design)、水平臂设计或任何其它期望机器设计构造。
参考标号22表示评估和控制单元，其一方面控制坐标测量机10的驱动器(在此未示出)以相对于测量对象移动测量头16。另一方面，评估和控制单元22读取光学和/或触觉传感器18、20的传感器数据，并根据这些传感器数据以及根据测量头和xy台的相应位置确定测量对象上的一个或多个测量点空间坐标。这种坐标测量机的基本操作模式对本领域技术人员来说是已知的，因此不再详细说明。
图2示出光学传感器18的优选示例性实施例，严格来讲，在该示例性实施例中，光学传感器18包括可选择性地设置和使用的多个光学传感器。新的物镜还可与另外的光学传感器组合，例如与偏转测量传感器组合。
传感器18包括具有物镜体26的物镜24。在典型的示例性实施例中，物镜体26是具有入光开口28和出光开口30的管，入光开口和出光开口布置在管的相对两端。然而，原则上，物镜体26还可具有与管不同的形状。
形成在出光开口30处的是接口32，其用于将相机34连接到图像传感器36。在优选的示例性实施例中，接口32是用于连接相机和物镜的标准化或商用接口，比如所谓的F安装件或所谓的C安装件。在其它示例性实施例中，接口32是专用接口，其尤其使得可将相机34的壳体37永久且直接地连接(例如旋拧和/或附着地粘合)到物镜体26，以形成结构单元。原则上，其它标准化或专用接口也可用于将相机34连接到物镜体26。
在入光开口28的区域(限定出物镜24的远端)中，玻璃盖38布置在物镜体26中或物镜体26上。在一些示例性实施例中，玻璃盖38可以是螺纹玻璃，其旋拧进物镜体26远端的螺纹框架中。在其它示例性实施例中，玻璃盖38可以滑动、夹住或附着地粘合进物镜体26上的合适凹槽，或者以固定方式连接到物镜体26。在优选的示例性实施例中，玻璃盖38连接到物镜体26，使得坐标测量机10的使用者可在不损坏物镜24的情况下更换玻璃盖38。
在所示示例性实施例中，玻璃盖38是楔形玻璃板，其厚度从一个边缘向另一个边缘增加，如图2的简化截面图所示。在该情况下，玻璃盖38具有楔角，楔角选择成使得从玻璃盖38的前侧(朝向物镜24的远端)或后侧的反射不会到达相机34的图像传感器36。在所示示例性实施例中，玻璃盖38布置成使得其前侧平面平行于入光开口28，而后侧稍微倾斜于入光开口而布置。然而，在优选的示例性实施例中，玻璃盖38布置成使得其前侧相对于入光开口28稍微倾斜(在此未示出)。
在其它示例性实施例中，具有平面平行前后两侧的玻璃盖可相对于图像传感器36或物镜24的(将下面详细说明的)光轴稍微倾斜地布置。在一些示例性实施例中，玻璃盖38可具有位置标记，例如凹口、凹槽、配件等形式，使得其仅可紧固在限定的旋转位置，并放置在物镜体26上。
在其它示例性实施例中，玻璃盖38可以薄片的形式实施，其夹在物镜24的入光开口28的区域中。在一些示例性实施例中，玻璃盖可以偏振化，使得穿过的光偏振，和/或玻璃盖可包含滤色器以抑制环境光。
在所示示例性实施例中，具有第一透镜组40、第二透镜组42、第三透镜组44和第四透镜组46的透镜***布置在玻璃盖38和物镜24的出光开口30之间。在一些示例性实施例中，第五透镜组(在此由虚线示出)还布置在第四透镜组46和出光开口30之间。透镜组40-48限定出光轴50，在所示示例性实施例中，它们各相对于光轴50居中地布置。
布置在第二透镜组42和第三透镜组44之间的是光阑52。在优选的示例性实施例中，光阑52是可变光阑，即光阑的内径可变化。
第二、第三和第四透镜组42、44、46以及光阑52各连接到它们各自的支架54，支架可沿两个导轨56移动，而且，在该示例性实施例中，三个透镜组和光学光阑52各连接到电驱动器58。借助驱动器58，第二、第三和第四透镜组以及光阑52可平行于光轴50移动，如借助箭头60所示。与之相比，在优选的示例性实施例中，第一透镜组40和可选的第五透镜组48布置成在物镜体26中固定。
如从图2可看出，在一些示例性实施例中，在第一透镜组40和第二透镜组42之间有自由空间62，即使当第二透镜组42定位成与第一透镜组40相距最小距离时也是如此。在优选的示例性实施例中，分束器64在光轴50上布置在自由空间62中，以选择性地输入或输出来自物镜24的另外的接口66的光。在优选的示例性实施例中，第二接口66在物镜体26的横向圆周上大致布置在分束器64的高度处。
类似地，在物镜24的一些示例性实施例中，在第四透镜组46和出光开口30之间有另外的自由空间68，分束器70同样地布置在另外的自由空间中。在分束器70的水平处，有另外的接口72，通过另外的接口，光可输入和/或输出。在所示示例性实施例中，分束器70布置在第五透镜组48和出光开口30之间。作为替代或除此之外，分束器70可布置在第四透镜组46和第五透镜组48之间，当然，这需要对应的自由空间。
在优选的示例性实施例中，在入光开口28的区域中，物镜24具有保持器74，各光源76、78布置在保持器上。在所示示例性实施例中，保持器74支承环形照明器(ring light)，环形照明器具有多个光源78a、78b，它们以不同径向距离布置在物镜体24的周围。在一些示例性实施例中，光源78a、78b能够产生不同颜色的光，例如白光、红光、绿光和蓝光以及它们的混合。光源78a、78b可用于在入光开口28前方的不同距离处产生不同照明场景。例如，参考标号80示意性地示出测量对象80，其定位成与物镜24的入光开口28相距距离d。距离d表示物镜24和测量对象80之间的工作距离，该工作距离可借助物镜24的聚焦而可变地调节。
在当前示例性实施例中，光源76是结合进物镜体26中的光源。在一些示例性实施例中，光源76在透镜***外部结合进物镜体26中，如图2所示。在其它示例性实施例中，作为替代或附加，光源76可结合进物镜体26中，使得由光源76产生的光至少穿过一些透镜组，并可选地穿过物镜体26外部的玻璃盖38。在该情况下，入光开口28同时也是出光开口。
利用光源76、78，可以可变地照明测量对象80，以选择性地产生亮场和/或暗场照明。两种情况涉及直射光，其从物镜24的方向撞击测量对象80。
而且，在优选的示例性实施例中，坐标测量机10具有另外的光源82，其允许对测量对象80的透射光照明。相应地，光源82布置在测量对象80下方，或者坐标测量机10的工件保持器下方。在优选的示例性实施例中，坐标测量机10因此具有工件保持器12，其具有玻璃板，以允许透射光照明。
最后，在这些示例性实施例中，光学传感器18具有光源84，其在该情况下经由另外的分束器与接口72连接。光源84可经由接口72和分束器74将光输入到物镜24的整个光束路径中。在该情况下进入的光被发送通过第一至第四(第五)透镜组的透镜***，到达测量对象80上。在一些示例性实施例中，光源84可以是激光指示器，利用激光指示器，可以可控方式照明测量对象80上的单独测量点。在其它示例性实施例中，光源84可产生结构光图案，例如条纹图案或光栅图案，其投射通过物镜24的透镜***到达测量对象80。
以相同方式，不同照明可经由接口66输入(原则上还可经由出光开口30输入)到物镜24的光束路径中。举例来说，光栅投射器由参考标号86表示。光栅投射器产生结构光图案，在该示例性实施例中，结构光图案经由两个分束器和接口72输入到物镜24的光束路径中。
如图2所示，物镜24可以各种方式与光学传感器组合，作为对相机34的替代或附加，光学传感器可用于光学测量测量对象80。在所示示例性实施例中，第一共焦的白光传感器88a连接到接口66。作为替代或附加，另外的共焦的白光传感器88b可例如经由分束器输入到透射光照明82的照明路径中。
参考标号90表示自动聚焦传感器，借助自动聚焦传感器，可通过确定聚焦位置来确定平行于光轴50的测量对象80的高度位置。借助相机34和合适的图像评估还可光学测量测量对象80，如本领域技术人员所知的。
在优选的示例性实施例中，由于可移动的透镜组42、44、46和可调节的光阑52，物镜24具有大工作范围。在优选的示例性实施例中，多个控制曲线92存储在评估和控制单元22的存储器中，或者另一合适的存储器中。在优选的示例性实施例中，多个控制曲线92形成2D曲线族，借助2D曲线族，可以许多自由选择的组合调节物镜24的放大率和聚焦。在所示示例性实施例中，使用者可将期望的放大率94和期望的聚焦96输入评估和控制单元22中。借助控制曲线92，根据期望的放大率94和期望的聚焦96，评估和控制单元22确定第二、第三和第四透镜组沿光轴50的单独位置以及光阑52的单独位置和孔径。在新方法的一些示例性实施例中，通过改变聚焦，使用者可在不用借助套管14相对于测量对象移动传感器18的情况下改变到测量对象的工作距离d。例如，如此，可测量测量对象80表面上的结构以及测量对象80的孔(在此未示出)的底部处的结构，因为在(几乎)恒定的放大率的情况下，仅物镜24的聚焦改变，使得在一个情况下的测量对象80的表面上的结构和在另一情况下的孔的底部的结构位于物镜24的焦平面中。
在其它变型例中，在恒定或交替变化的工作距离d的情况下，使用者可改变物镜24的放大率，以例如再次测量先前从“俯视图”测量的测量对象80的细节。
而且，在一些示例性实施例中，使用者可通过打开或关闭光阑52来改变物镜24的数值孔径，以在不同工作距离d下获得恒定的分辨率。而且，使用者可单独地或彼此组合地改变放大率、聚焦、数值孔径，以使物镜24最优地适配于各传感器36、88、90的特性。
图3至6示出对于不同工作距离d和不同放大率，透镜组40、42、44、46的位置以及光阑52的位置。D1表示在第一透镜组40和被聚焦的物平面之间沿光轴的工作距离。D2表示在第一透镜组40和第二透镜组42之间沿光轴的距离。D3表示在第二透镜组42和光阑52之间沿光轴的距离。D4表示在光阑52和第三透镜组54之间沿光轴的距离。D5表示在第三透镜组44和第四透镜组46之间沿光轴的距离，D6表示在第四透镜组46和为了测量而评估的像形成的位置之间沿光轴的距离。
如从截面图可看出，在该情况下，每个透镜组具有多个透镜100、102，在该示例性实施例中，至少一个胶合部件由用在每个透镜组中所用的至少两个透镜100、102形成。在一个示例性实施例中，第一透镜组的透镜100、102可借助压电致动器(在此未示出)推开，以产生限定的纵向色差。
一些透镜组具有另外的透镜元件。在优选的示例性实施例中，第二和第三透镜组彼此靠近，以用于高放大率，第二和第三透镜组之间的实际距离附加地取决于工作距离d。如图3和图6的表可看出，与大工作距离相比，对于小工作距离，第二和第三透镜组更靠近在一起。在减小的放大率的情况下，第二和第三透镜组移开，第二透镜组更靠近第一透镜组。而且，在优选的示例性实施例中，光阑在减小的放大率的情况下移动远离第二透镜组。在优选的示例性实施例中，光阑和第二透镜组总是彼此相反地移动。而且，光阑和第三透镜组之间的距离随着期望的放大率和聚焦而变化。同样地，第三和第四透镜组之间的距离变化。在优选的示例性实施例中，单独的控制曲线永久性地存储在坐标测量机的存储器中，以用于第二、第三和第四透镜组和光阑，单独的控制曲线表示可移位元件沿光轴的相应位置对期望放大率和聚焦的依赖性。第一和第二透镜组在光阑52前方聚焦由测量对象形成的(虚)像，在此，它们一起产生第一放大率。第三和第四透镜组产生另外的放大率。第一放大率和另外的放大率的乘积是物镜的总放大率。
在所有优选的示例性实施例中，光阑52相应地定位在由第一和第二透镜组形成的子***的焦点处。这通过第三和第四透镜组而允许有利的远心度以及良好的场校正。用于第一和第二透镜组以及光阑的控制曲线由此确保上面全部的有利物侧远心度(telecentricity)和总放大率的一部分。用于第三和第四透镜组的控制曲线确保聚焦在期望工作距离处以及对总放大率的另外贡献。
在一个优选的示例性实施例中，透镜组的任务分配成第二透镜组主要根据期望工作距离d确定光阑52的光阑位置，尤其分配成实现物侧远心度。光阑52相应地移入由第一和第二透镜组构成的透镜***的焦平面。第三和第四透镜组产生期望的放大率和相机的图像传感器上的图像位置。如从图3至图6可看出，光阑和第三透镜组之间的距离D4随着期望放大率和期望聚焦而变化。第二透镜组和光阑根据期望放大率和期望聚焦彼此相反地移动。相比之下，当放大率变化时，第三透镜组可朝向光阑或远离光阑移动，如从图6的表2中看出。总体上，第一、第二、第三和第四透镜组以及光阑之间的相应相对距离根据期望放大率和期望聚焦而变化。在调节放大率或聚焦期间，没有可移位元件对维持恒定相对距离。
有利地，在该情况下，第三和第四透镜组还在新的物镜的工作范围的主要部分上导致像侧远心度。新的物镜的整个工作范围上的整个像侧远心度可有利地通过可选的第五透镜组来实现。
在一个优选的示例性实施例中，测量对象布置在透镜组1的焦距的0.8和2倍之间的距离处。第一透镜组具有正折射力。第二透镜组具有负折射力。第三透镜组具有正折射力，第四透镜组具有负折射力。第二、第三和第四透镜组分别进行色差校正，而第一透镜组产生限定的纵向色差。在另一示例性实施例中，第一和第二透镜组一起形成色差校正对，第三和第四透镜组一起形成色差校正对。在另一示例性实施例中，透镜组分别进行色差校正或者色差校正仅在所有透镜组一起上获得。
在该情况下，光阑52相应地位于由第一和第二透镜组形成的子***的像侧焦点处。用于光阑52的轴向位置的对应的控制曲线确保物侧远心度。光阑直径的变化允许物侧孔径适配于相应放大率和对象结构。由第一和第二透镜组形成的像通过第三和第四透镜组成像在限定位置处，该限定位置布置在距和第一透镜组限定的固定距离处。在优选的示例性实施例中，图像传感器36位于该限定位置。
可选的第五透镜组以具有总放大率的数量分量的恒定量转换像。在优选的示例性实施例中，在没有中间像的情况下，总放大率是真实的。在总放大率范围上，***的布局确保在第四透镜组之后相对于像介于距测量对象的距离的1.5倍和2倍之间的出瞳位置。这是有利的，以能够以低损失经由接口72和/或接口32将照明光输入物镜24中，即使没有严格的像侧远心度也如此。
由第一和第二透镜组形成的子***的焦距朝向更大的物场增加，光阑52跟随在图像传感器36的方向上移动的透镜组。在该情况下，由于光阑，第三和第四透镜组处的光束高度是有限的，这允许良好地整体校正成像。整个***由放大率、聚焦、远心度和数值孔径的近轴基本数据大致说明。然而，借助用于光阑轴向位置的控制曲线，可在放大率的大调节范围上获得图像效应的平衡校正。在一些示例性实施例中，最大放大率和最小放大率之间的比值大于10、优选地大于15。
在优选的示例性实施例中，物镜24可具有横向色差，以允许更简单和更经济的结构。这种的效应是不同颜色的光和像可相对于光轴50横向地微小偏移，并可具有稍微不同的成像比例。在优选的示例性实施例中，横向色差和/或成像比例由数学校正计算校正，数学校正计算在优选的示例性实施例中是可能的，因为缺陷像本身是恒定的。
具有四个透镜组的新的物镜的优选的示例性实施例的数值数据表如下：
R D N V
1 U
D1
2 U
1.50 1.52 58.3
3 U
0.50
4 88.48
5.00 1.74 32.0
5 40.09
8.00 1.62 63.0
6 -147.48
D2
7 -93.05
3.80 1.49 66.8
8 53.08
11.10 1.81 25.2
9 79.72
D3
10 U
D4
11 508.47
4.50 1.59 68.0
12 -172.77
0.10
13 262.26
10.00 1.49 81.1
14 -47.31
3.50 1.75 35.1
15 -147.48
0.10
16 254.82
7.10 1.57 70.9
17 -105.93
D5
18 -81.75
4.00 1.67 32.0
19 -40.09
2.30 1.51 61.0
20 98.57
D6
21 U
100.00
22 U
表1
在物镜24的一些示例性实施例中，分束器70和玻璃盖38构造成实现对杂散光的偏振光学抑制。为此，分束器70构造为偏振分束器，玻璃盖38为λ/4板。如此，例如由于物镜体中的内部反射而发生的光通过分束器64而偏离。仅以往复路径穿过λ/4板的光相应地在偏振方向上旋转45°，并且现在由于整体90°旋转偏振方向而可沿相机34的方向穿过分束器70。
在优选的示例性实施例中，透镜组的框架部分黑化，透镜接口具有抗反射涂层。邻接透镜的界面尽可能胶合。单独模块进行重量优化，以允许快速移动可移动透镜组和光阑。

Claims (14)

1.一种确定测量对象上的空间坐标的坐标测量机，包括支撑所述测量对象(80)的工件保持器(12)，包括相对于所述工件保持器(12)能够移动并承载光学传感器(18)的测量头(16)，并且包括评估和控制单元(22)，所述评估和控制单元构造成根据所述测量头(16)相对于所述工件保持器的位置以及根据所述光学传感器(18)的传感器数据来确定所述测量对象(80)的空间坐标，其中，所述光学传感器(18)包括物镜(24)和相机(34)，所述相机构造成通过所述物镜(24)记录所述测量对象(80)的像，其中，所述物镜(24)包括物镜体(26)，所述物镜体具有入光开口(28)和出光开口(30)，所述出光开口具有连接到所述相机(34)的接口(32)，其中，所述物镜(24)还包括光阑(52)和多个透镜，所述多个透镜布置在所述物镜体(26)中，其中，所述透镜形成至少四个分离的透镜组(40-48)，所述至少四个分离的透镜组一起限定光轴(50)，以及其中，所述四个透镜组中的至少两个能够沿所述光轴(50)移动，其特征在于，所述至少四个透镜组的第一透镜组(40)固定地布置在所述入光开口(28)的区域中，所述光阑(52)以及所述至少四个透镜组的第二透镜组(42)、第三透镜组(44)和第四透镜组(46)各能够沿所述光轴(50)相对于所述第一透镜组(40)单独地移动，其中，所述第二透镜组(42)布置在所述第一透镜组(40)和所述光阑(52)之间，以及其中，所述第三和第四透镜组(44，46)布置在所述光阑(52)和所述出光开口(30)之间。
2.如权利要求1所述的坐标测量机，其特征在于存储器，所述第二、第三和第四透镜组(42，44，46)以及所述光阑(52)的预定的单独控制曲线(92)存储在所述存储器中，其中，所述第二、第三和第四透镜组(42，44，46)以及所述光阑(52)各能够沿所述光轴(50)根据所述预定的单独控制曲线(92)移动。
3.如权利要求2所述的坐标测量机，其特征在于，所述预定的单独控制曲线(92)构造成在恒定聚焦到限定工作距离(d)上的情况下选择性地产生可变放大率(94)，或者在恒定放大率的情况下选择性地产生到不同工作距离(d)的可变聚焦(96)。
4.如权利要求2或3所述的坐标测量机，其特征在于，所述第一和第二透镜组(40，42)一起限定位于所述第二和第三透镜组(42，44)之间的焦点，其中，所述光阑(52)和所述第二透镜组(42)的限定的单独控制曲线(92)彼此适配，使得所述光阑(52)总是布置在所述焦点处。
5.如权利要求1至4任一项所述的坐标测量机，其特征在于，所述光阑(52)具有可变光阑孔径，所述可变光阑孔径优选地根据所述光阑(52)沿所述光轴(50)的位置而变化。
6.如权利要求1至5任一项所述的坐标测量机，其特征在于，所述物镜(24)包括多个支架(54)和电机驱动器(58)，其中，所述第二、第三和第四透镜组(42，44，46)以及所述光阑(52)各连接到它们各自的支架(54)，所述支架能够沿所述光轴(50)移动，以及其中，所述支架(54)能够借助所述电机驱动器(58)单独地移动。
7.如权利要求1至6任一项所述的坐标测量机，其特征在于，所述第一透镜组(40)具有正折射力，其中，所述第二透镜组(42)优选地具有负折射力，所述第三透镜组(44)优选地具有正折射力，所述第四透镜组(46)优选地具有负折射力。
8.如权利要求1至7任一项所述的坐标测量机，其特征在于分束器(64)，所述分束器在所述第一和第二透镜组(40，42)之间布置在所述物镜体(26)中，以选择性地输入和/或输出来自所述物镜体(26)上的另外的接口(66)的光。
9.如权利要求1至8任一项所述的坐标测量机，其特征在于，所述物镜(24)具有分离的玻璃盖(38)，所述玻璃盖在所述入光开口(28)的区域中布置在所述第一透镜组(40)的前方。
10.如权利要求1至9任一项所述的坐标测量机，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四透镜组(40-46)各包括至少两个透镜(100，102)。
11.如权利要求1至10任一项所述的坐标测量机，其特征在于，所述至少四个分离的透镜组正好形成四个分离的透镜组。
12.如权利要求1至10任一项所述的坐标测量机，其特征在于，所述第一透镜组(40)产生限定的纵向色差，所述限定的纵向色差由至少一个另外的透镜组(42，44，46)校正。
13.一种光学坐标测量机的物镜，所述光学坐标测量机用于确定测量对象(80)上的空间坐标，所述物镜包括物镜体(26)，所述物镜体具有入光开口(28)和出光开口(30)，所述出光开口具有连接到相机(34)的接口(32)，所述物镜包括多个透镜并包括布置在所述物镜体(26)中的光阑(52)，其中，所述透镜形成至少四个分离的透镜组(40-48)，所述至少四个分离的透镜组一起限定光轴(50)，其中，所述至少四个透镜组的第一透镜组(40)固定地布置在所述入光开口(28)的区域中，以及其中，所述光阑(52)和所述至少四个透镜组的第二透镜组(42)、第三透镜组(44)和第四透镜组(46)均能够沿所述光轴(50)相对于所述第一透镜组(40)移动，其中，所述第二透镜组(42)布置在所述第一透镜组(40)和所述光阑(52)之间，并且其中，所述第三透镜组(44)和所述第四透镜组(46)布置在所述光阑(52)和所述出光开口(30)之间，其特征在于，所述光阑(52)以及所述第二透镜组(42)、所述第三透镜组(44)和所述第四透镜组(46)各能够沿所述光轴单独地移动。
14.一种确定测量对象上的空间坐标的方法，包括以下步骤：
-将所述测量对象(80)布置在工件保持器(12)上；
-提供测量头(16)，所述测量头包括物镜(24)和相机(34)，其中，所述物镜(24)包括物镜体(26)，所述物镜体具有入光开口(28)和出光开口(30)，所述出光开口具有连接到所述相机(34)的接口(32)；
-相对于所述工件保持器(12)定位所述测量头(16)；
-通过所述物镜(24)记录所述测量对象(80)的至少一个像；以及
-根据所述测量头(16)相对于所述工件保持器(12)的位置以及根据所述像确定所述测量对象(80)上的空间坐标，
其中，所述物镜(24)包括光阑(52)和多个透镜，所述多个透镜布置在所述物镜体(26)中，
其中，所述透镜形成至少四个分离的透镜组(40-48)，所述至少四个分离的透镜组一起限定光轴(50)，以及
其中，所述四个透镜组中的至少两个能够沿所述光轴(50)移动，
其特征在于，所述至少四个透镜组的第一透镜组(40)固定地布置在所述入光开口(28)的区域中，所述光阑(52)以及所述至少四个透镜组的第二透镜组(42)、第三透镜组(44)和第四透镜组(46)各能够沿所述光轴(50)相对于所述第一透镜组(40)移动，以实现所述测量对象(8)在所述像中的预定放大率(94)和预定聚焦(96)两者，其中，所述第二透镜组(42)布置在所述第一透镜组(40)和所述光阑(52)之间，并且其中，所述第三和第四透镜组(44，46)布置在所述光阑(52)和所述出光开口(30)之间。
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