用于接触-光学确定测量物体的几何形状的方法和装置

摘要

本发明涉及一种用于借助接触-光学测量法确定坐标测量仪中工件的结构和/或几何形状的方法和布置，其中借助于第一传感器利用光学侧向测量法沿至少一个方向来确定接触形成元件的位置以及利用至少一个距离传感器沿至少一个第二方向来确定接触形成元件的位置。为了利用传感器实现无错误地检测接触形成元件，提出使用至少一个柔性的连接元件以用于在支架中固定接触形成元件，所述连接元件由第一传感器的光路沿射束方向穿过，其中所述连接元件是透明的和/或布置为关于第一传感器强烈地散焦。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于借助接触-光学测量法确定测量物体的几何形状的方法。本发明还涉及一种用于借助接触-光学测量法确定物体、如工件的结构和/或几何形状的装置。

本发明尤其涉及一种用于在坐标测量仪中借助于接触-光学测量法确定物体、例如工件的结构和/或几何形状的方法，其中沿坐标测量仪的至少一个方向、如X方向和/或Y方向借助于第一传感器利用光学侧向测量法确定接触形成元件或至少一个配属于接触形成元件的标记的位置，以及沿坐标测量仪的至少一个第二方向、如Z方向利用至少一个距离传感器来确定接触形成元件或至少一个配属于接触形成元件的标记的位置，或者涉及一种用于借助接触-光学测量法确定在坐标测量仪中物体、如工件的结构和/或几何形状的装置，其中将沿坐标测量仪的至少一个方向、如X方向和/或Y方向借助于第一传感器检测接触形成元件或至少一个配属于接触形成元件的标记的位置的光学侧向测量法和沿坐标测量仪的至少一个第二方向、如Z方向检测接触形成元件或至少配属于接触形成元件的标记的位置的至少一个距离传感器联系起来。

背景技术

根据EP-B-1 082 581，借助于配属于坐标测量仪的接触形成元件来测量物体的结构，该物体的位置借助于光学传感器来检测。因此，涉及一种接触-光学测量法。在此，传感器和探针设计成可一起调节的单元。这能根据WO-A-02/025206基于旋转摆动接头。明确地涉及在这些文献中的公开内容。

在DE-U-298 08 683中借助两个光学传感器来确定探针的空间位置，其中一个传感器测量Z坐标而另一个测量X、Y坐标。同样由下述内容得出：DE.Z.: tm- Technisches Messen 66 (1999) 12, S. 1- 5, Schwenke et al.:“Opto-taktiler Senser zur 2D- und 3D-Messung kleiner Strukturen mit Koordinatenmessger?ten（用于利用坐标测量仪进行小结构的2维和3维测量的光学-接触传感器）”。

在目前为止已知的、在现有技术中已知为纤维探针的光学-触觉测量系统中，借助于一个或多个彼此近似垂直地布置的一维或二维光学测量系统实现了对接触形成元件的或配属于该接触形成元件的标记的3维检测，所述一维或二维光学测量系统例如为CCD-或CMOS图像检测装置，或者由二维图像检测装置和进行一维相对测量的距离传感器、如外差干涉仪（WO-A-2007/033811）或基于斑点图像分析（DE-A-10 2005 021 645）的组合。

一种在“National Physical Laboratory（国家物理实验室）（NPL）”处研发的3D探针具有接触力（Antastkraft）的近似各项同性的特性，然而仅用于刚性触针来说或者在使用压电式分析系统以确定触针的倾斜度和偏移的情况下。由薄的矩形的传感器元件的6个测得的曲率或膨胀率计算出沿三个空间方向的偏移和围绕其的倾斜（Richard Leech教授, NPL, 英国 -“Development of a 3D vibrating micro-CMM probe using an active triskelion flexure"（使用主动三曲枝图曲线的3维振动微型CMM探针的研发）在“Microparts”上, Interest Group Workshop, 2009年10月28.-29日, National Physical Laboratory（国家物理实验室）, Teddington, 英国）。

由“XPRESS Precision Engineering”公司销售的3维微型探针也具有类似的功能。在该微型探针中，刚性触针固定在硅芯片上，并借助于集成在硅芯片中的压阻元件测定偏移（Ernst Treffers, Director Business Development, Xpress Precision Engineering, The Netherlands -“Gannen series: 3D tactile probes for microparts”（用于微型部件的3维触及型探针）在“Microparts”上, Interest Group Workshop, 2009年10月28.-29日, National Physical Laboratory（国家物理实验室）, Teddington, 英国，以及在2009年12月16日的网页www.xpresspe.com和www.xpresspe.com/probe2.htm）。

由DE-A-101 08 774已知了一种用于触觉式探针头的局部透光的支架。该支架利用布置在探针头上方的观察相机穿过用于固定和分析触针的偏移所必须的支承组件实现了观察触针的尖端，以便进行触觉式测量，尤其是在其它情况下难以观察到的向工件表面的接近。观察相机不可用于测量探针尖的位置，因为不包含用于图像处理的器件。

已知的方法的缺点在于，不精确或仅不足够精确地或迅速地光学检测到待检测的元件、如接触形成元件或配属于该接触形成元件的标记的相对或绝对位置。

同时未解决的问题尤其在于，快速地分析：待检测的元件沿用于确定待检测的元件的横向偏移的光学图像检测系统的成像方向的相对或绝对位置；或者检测关于旋转自由度的运动。

此外，不存在下述解决方案：用于在待检测的元件、如接触形成元件或配属于其的标记的表面上产生干涉仪或距离传感器或根据聚焦法、如自动聚焦的传感器或图像处理传感器的测量射束的反射。

由US-A-5, 825,666已知了一种具有刚性探针的坐标测量仪，其具有两个测标/物体标记（Zielmarke），以便能推断出接触形成元件的空间位置。

WO- A-02/106765涉及一种用于测量物体的方法，其中借助于激光距离传感器测量接触-光学探针的接触形成元件的Z-位置。此外，还设置了图像处理传感器。

由WO-A-02/25206可以获悉一种用于借助坐标测量仪以光学-触觉的方式测量物体结构的装置和方法。第一光学传感器和具有接触形成元件的机械探针集成为一个单元。为了对接触形成元件进行三维测量，使用了同样结构类型的第二光学传感器，该第二光学传感器的光学轴垂直于第一光学传感器的光学轴延伸。

由WO-A-03/008905也已知了这种类型的装置。选择性地，利用距离传感器来测量接触形成元件的位置或物体的表面特性。可选地，可借助于图像处理传感器来测量接触形成元件的位置，其中距离传感器随后用于接触形成元件的照明。

根据US-B-6,441,910，坐标测量仪具有机械探针和光学传感器，以便能以光学-触觉的方式来测量物体。机械探针和光学传感器可设置为一个单元。

为了借助于坐标测量仪来测量物体，根据DE-A-198 05 892借助于光学检测装置来测量探针的位置，该光学检测装置可与探针无关地进行调节。

根据EP-A-0 965 816，利用可彼此独立地移动的光学检测装置和探针来测量物体的几何结构。

因此，为了确保接触形成元件的精确的空间位置确定，之前已知的方法或坐标测量仪都仅涉及整个问题的部分解决方案。

根据WO-A-98/57121，为了对探针元件位置进行3维确定，使用了基于三角测量的摄影测量方法。

由DE-A-43 27 250可获悉具有机械探测传感器的坐标测量仪。其中可以借助于监视器对机械接触过程进行视觉控制，以便避免探针的损坏。

在US-A-4,972,597中描述了一种具有探针的坐标测量仪，其探针延长部借助于弹簧被预加载在其位置中。

根据WO-A-99/63301，借助配属于坐标测量仪的接触形成元件来测量物体的结构，借助于光学传感器检测其位置。在此，传感器和探针设计为可一起调节的单元。根据WO-A-02/025206，这能基于旋转摆动接头（Dreh－Schwenkgelenk）。

由DE-U-298 08 683已知，借助于两个光学传感器来确定探针的空间位置，其中一个传感器测量Z坐标而另一个测量X、Y坐标。同样由下述内容得出：DE.Z.: tm- Technisches Messen 66 (1999) 12, S. 1- 5, Schwenke et al.:“Opto-taktiler Senser zur 2D- und 3D-Messung kleiner Strukturen mit Koordinatenmessger?ten（用于利用坐标测量仪进行小结构的2维和3维测量的光学-接触传感器）”。

由EP-B-1 528 354已知了一种用于借助坐标测量仪来测量物体的方法和装置。为了在测量误差最小化的情况下实现接触形成元件的三维位置确定，使用了光学传感器装置，其包括具有共同的光学光路的图像处理传感器和距离传感器。两个传感器始终检测相同的标记或接触形成元件本身。尤其不可能的是，当由距离传感器测量的标记位于应在图像处理传感器之前被检测到的标记之上时，利用图像处理传感器检测标记或接触形成元件，因为为了使测量误差最小化，使用的纤维的固定部布置在距离传感器的标记附近，以便当接触形成元件偏移时使侧向位移最小化，由此该固定部覆盖了由图像处理传感器检测的标记或接触形成元件。此外，仍未解决的是，使由图像处理传感器检测的标记或接触形成元件用于自照明，因为激光反射器的标记不允许光相应必要地射入到纤维和位于激光反射器下方的标记或接触形成元件中。

发明内容

因此，本发明的目的在于，避免现有技术的缺点以及原则上实现对待检测元件、如接触形成元件或配属于该接触形成元件的标记的相对或绝对位置的迅速且精确的检测。

根据本方法，基本上以下述方式实现该目的，即接触形成元件和/或至少一个配属于该接触形成元件的标记的位置沿至少一个方向利用光学侧向测量法、如2维图像处理来确定，以及接触形成元件和/或至少一个配属于该接触形成元件的标记的位置沿至少一个第二方向利用至少一个距离传感器、如干涉仪、优选进行绝对测量的外差干涉仪，和/或借助于激光距离传感器或者根据聚焦原理的传感器、如自动聚焦传感器和/或图像处理传感器和/或通过分析在接触形成元件的支架中的机电传感器来确定，其中该方法优选应用于坐标测量仪中以及优选每个传感器可沿X方向、Y方向和/或Z方向相对于测量物体定位。

本发明通过使用进行绝对或相对测量的距离传感器、如干涉仪、激光距离传感器或聚焦传感器、如自动聚焦器来实现该目的。有利地，通过使用干涉仪可达到的精度位于几纳米或之下的范围内。同样地，利用干涉仪可以达到每秒数千个测量值的数据率。使用的距离传感器通过测量射束在接触形成元件上的或者配属的标记上由相应的反射层进行的反射确定了接触形成元件的或配属于该接触形成元件的标记的位置。

根据本发明，尤其提出一种用于在坐标测量仪中借助接触-光学测量法来确定物体、如工件的结构和/或几何形状的方法，其中沿坐标测量仪的至少一个方向、如X方向和/或Y方向借助于第一传感器利用光学侧向测量法来确定接触形成元件或至少一个配属于该接触形成元件的标记的位置，以及沿坐标测量仪的至少一个第二方向、如Z-方向利用至少一个距离传感器来确定接触形成元件的或至少配属于该接触形成元件的标记的位置，该方法的特征在于，使用至少一个柔性的连接元件以用于在支架中固定所述接触形成元件和必要时至少一个配属于所述接触形成元件的标记，所述连接元件由所述第一传感器的光路沿射束方向穿过；所述至少一个柔性的连接元件是透明的和/或布置为关于所述第一传感器强烈地散焦。

为此，优选应用了距离传感器或干涉仪或聚焦传感器，尤其是外差干涉仪，如从现有技术中可以得知的那样，其利用多个波长工作并由此进行绝对测量。

干涉仪的测量射束的输入优选通过由纤维探针的现有技术已知的、形式为光导纤维的探针延长部、例如光波导体实现，其中光学的有效连接优选在纤维端部处或者借助于Y耦合器或者通过布置在上部纤维端部之上的棱镜的光学的优选中性的分配或转向层或薄层实现。反射在待检测的元件处或附近进行，例如在安置在上部纤维端部处的、转向棱镜下方的反射层上实现，或者在接触形成元件的反射底面上实现。随后，测量射束再次经过沿相反方向的输入，以便利用干涉仪的参考光路进行干涉。

与在现有技术中描述的对待检测元件的侧向偏移的分析同时/并行地，借助于距离传感器的测量数据与此垂直地确定待检测的元件的绝对位置，根据本发明，为此该距离传感器和用于确定侧向偏移的测量系统几乎同时或同步地被驱动，并优选将测量数据或测量信号进一步传输至上级的分析系统。

上级的分析系统由距离传感器的测量数据或测量信号以及用于确定待检测元件的侧向偏移的测量系统的测量数据计算出待检测元件的三维位置。

通过在交换接口处布置探针延长部和必要时干涉测量的测量系统可以手动或自动地使接触形成元件离开其它的光学传感器的光路。由此实现了将图像处理传感器和其它光学传感器也用于直接测量物体、如工件的结构和/或几何形状。

为此，用于实施根据本发明的方法的相应的装置包括至少一个接触形成元件和优选额外的配属于该接触形成元件的标记、光学2维检测接触形成元件和/或标记的检测器件和三维检测位置的距离传感器。

干涉测量的距离传感器的测量射束优选通过探针杆、如光波导体输送给待测量的元件、如接触形成元件或配属于接触形成元件的标记，该探针杆将待测量的元件和进行光学2维检测的检测器件连接。

开头描述的现有技术，尤其是接触形成元件或配属于接触形成元件的标记的偏移的二维光学分析、接触形成元件在柔性探针延长部上的固定和在旋转摆动接头上的布置以及在交换接口上的可分离的固定，结合根据本发明的方法或根据本发明的装置同样是本发明的组成部分。

本发明设计了可光学检测的接触形成元件的各向同性的固定。这种固定类型实现了当接触形成元件偏移时由于沿所有方向的几乎相同的刚度而与方向无关的接触力。

此外，除了偏移还可以检测接触形成元件围绕三个空间方向中的每一个的旋转。因此，可以使用悬臂结构或星形探针结构。

根据本发明，可以通过入射光照明、如暗场-或明场入射光实现接触形成元件的或配属于接触形成元件的标记的照明，从而能避免使用透射照明或光入射到纤维中。

因此，本发明的特征还在于借助于接触-光学测量法确定物体、如工件的结构和/或几何形状的方法，其中沿至少一个方向利用光学侧向测量法、如2维图像处理确定接触形成元件的或至少一个配属于该接触形成元件的标记的位置，以及沿至少一个第二方向利用至少一个距离传感器、如干涉仪，优选绝对测量的外差干涉仪，和/或借助于激光距离传感器或根据聚焦原则的传感器、如自动聚焦传感器和/或图像处理传感器，尤其是侧向测量的图像处理传感器，和/或通过在接触形成元件的支架中的机电传感器的分析来确定接触形成元件的和/或至少一个配属于该接触形成元件的标记的位置。

在独立的实施方式中，为了侧向确定接触形成元件的位置以及为了利用距离传感器竖直地确定接触形成元件的位置，优选在不同的竖直距离处使用不同的标记。特别是优选在不同的竖直距离处使用不同的标记，以用于利用光学侧向测量法侧向确定接触形成元件的或至少配属于该接触形成元件的标记的位置以及沿第二方向、如竖直的方向利用距离传感器来确定接触形成元件的或至少配属于该接触形成元件的标记的位置。

根据本发明设计了，所述一个连接元件、优选多个柔性连接元件被相应地确定尺寸并设置，以用于在偏移时产生沿至少两个方向独立的力和/或几乎相同的机械刚性，其中柔性连接元件优选从环形的保持结构出发，且用于测量接触形成元件和/或配属于接触形成元件的标记的光学传感器的光路沿射束方向穿过柔性连接元件的布置。

此外，本发明的特征还在于，光学传感器和柔性的连接元件如此布置，使得连接元件强烈地散焦或是透明的，并由此实际上不影响光学测量功能。

柔性连接元件优选能与环形的保持结构连接。

尤其设计了，每个传感器装置可沿X方向、Y方向和/或Z方向相对于测量物体定位。

该方法也应该应用于坐标测量仪中。

根据本发明，沿两个方向利用光学侧向测量法、优选具有矩阵摄像机、如CCD-或CMOS摄像机的图像处理传感器并且沿第三方向利用距离传感器、如绝对或相对测量的干涉测量的传感器，和/或激光距离传感器和/或聚焦传感器、如自动聚焦传感器和/或图像处理传感器、优选借助于射束转向以侧向测量的方式来确定接触形成元件的或至少配属于该接触形成元件的标记的位置。

享受独立保护的构思的特征在于，沿至少一个方向通过检测接触形成元件的或配属的标记的、或者承载接触形成元件和优选配属的至少一个标记的杆的朝向传感器装置的侧面，来确定接触形成元件的或至少配属于该接触形成元件的标记的位置。

优选设计了，在朝向传感器装置的侧面上固定了一个层、如反射层，其中该层优选具有颜色选择特性，其如此设计，使得反射用于确定至少一个方向的传感器的测量射束的波长并且优选额外地传输不同波长的光源的射束。

尤其应该强调的是，接触形成元件和/或至少一个配属的标记的和/或朝向传感器装置的反射层的照明通过下述方式实现：

-由对置于传感器的方向为接触形成元件或标记进行透射照明，其中优选未覆盖接触形成元件或标记的边缘的反射层在图像处理传感器中引起阴影（Schattenwurf），该阴影用于分析二维侧向位置，

和/或

-通过光射入到接触形成元件和/或标记和/或杆引起的接触形成元件或标记的自照明，这优选侧向地借助于安置在反射层下方的、接合的光导纤维实现，其中未覆盖接触形成元件或标记的边缘的反射层在图像处理传感器中引起阴影，该阴影用于分析二维侧向位置，和/或

-通过光射入到接触形成元件或第一标记和/或杆引起的接触形成元件或第一标记的自照明，这优选侧向地借助于安置在反射层下方的、接合的光导纤维实现，其中照明的接触形成元件或第一标记之间的距离足够大，因此第二标记的位于上部的反射层至少未覆盖接触形成元件或第一标记的所述边缘，和/或

-通过光射入到接触形成元件或第一标记和/或杆引起的接触形成元件或标记的自照明，其中朝向传感器装置的入射侧面优选被涂敷了颜色选择层并且优选借助于布置在上部杆端部之上的光学的优选中性的分配或转向层，和/或

-配属于图像处理传感器的明场照明和/或暗场照明，和/或

-距离传感器或干涉仪的测量射束。

本发明优选提出了，用于沿第二方向或沿第三方向的测量和光学侧向测量法的分开的照明通过下述方式实现：使用不同的波长和/或对照明进行调制和/或时间上交替地进行照明，其中优选在分析光路中借助于机械的过滤器、如颜色选择层和/或干涉过滤器实现波长的分离。

沿第三方向的测量表示，利用光学侧向测量法测量两个位于一平面内的方向。就这点而言，第二和第三方向与测量方向是相同的。

本发明的要强调的构思在于，干涉测量的系统的测量射束射入到光导纤维或光波导体中，随后在接触形成元件或配属于接触形成元件的标记处或附近进行反射，接着至少部分地沿相反的方向穿透光导纤维或光波导体，然后干涉了干涉测量的测量系统的参考光路。

本发明的特征尤其在于，光学侧向测量法、如图像处理系统和至少一个距离传感器的测量值几乎同时地或同步地被记录，并优选将测量数据和/或测量信号传输给上级的分析系统，该分析系统从测量数据和/或测量信号计算出接触形成元件或配属于该接触形成元件的标记的三维位置。

本发明还提出，通过测量多个配属的标记的位置来确定接触形成元件以一个、两个或三个空间方向的旋转和/或倾斜，其中借助于光学侧向测量法和/或至少一个距离传感器来检测标记。

本发明的特征尤其在于，通过借助于至少一种光学侧向测量法进行的测量以下述方式确定接触形成元件围绕杆的轴线的旋转：确定在至少一个标记上安置的、定向的结构的位置或者确定配属于接触形成元件的、至少两个侧向错开的标记的位置。

需要强调的是，借助于光学侧向测量法以配属的变焦光学装置的两个不同的焦点距离和/或放大级别通过测量至少两个优选重叠地布置在所述杆上的标记，或者通过具有不同的焦点距离的、且可选地使用共同的摄影光学具组的两个摄像机来检测杆的弯曲度和/或倾斜度，其中优选通过自照明来照明下部标记或第一标记的或接触形成元件。上部标记或第二标记优选通过上部杆端部或者安置在其上的反射层形成并且通过明场照明和/或暗场照明进行照明。

根据本发明规定，光学侧向测量法和距离传感器至少部分地使用相同的光路，其中配属于两个传感器的测量射束的分开以下述方式实现：两个测量射束使用不同的波长并使用波长选择性的分配器；或者两个传感器的测量射束交替地射入循环相继的转向元件、如偏转镜；或者例如以50至100赫兹振动使用了循环地改变焦点距离的光学元件、如柔性透镜、例如液态透镜，以便使两个传感器的测量射束循环地交替地相继对准不同的焦点距离。

根据本发明，所述侧向测量的传感器和所述距离传感器至少部分地使用共同的光路，其中两个传感器的射束路线的分离通过波长选择性的元件或通过循环设置的转换元件、如偏转镜或通过循环地影响焦点距离的柔性透镜、如液态透镜、优选以50至100赫兹的振动实现。

射束路线的分离是必须的，因为可能通过两个传感器来检测不同的标记（大多以不同的焦点距离）且必须对返回的射束进行分开地分析。为了在至少部分相同的光路（光学装置结构）中实现这一点，射束路线的分离可以通过下述方式实现：

1.波长选择性的元件（例如分配器层或－立方体）。基于波长反射光或使光通过；或者

2.交替地可折拢和展开的偏转镜，该偏转镜在时间上在两个光路之间转换。传感器的分析必须与此相应地同步；或者

3.利用柔性透镜循环地转换焦点距离。在此传感器的分析也必须相应地同步。

优选设置了，通过两个不同的标记或所述接触形成元件的测量结果与两个侧向测量的传感器、如图像处理传感器和距离传感器联系在一起或在忽略在五个自由度中围绕杆轴线的旋转自由度的情况下，在给定的六个自由度中确定所述接触形成元件的运动或偏移。

三个旋转自由度的确定可以通过下述方式实现：

1.围绕水平线倾斜；也就是说，具有两个焦点距离的侧向传感器或者不同的焦点距离的两个侧向传感器检测两个重叠的标记（图11c）或者两个距离传感器检测两个并排的标记（图11a），

2.围绕杆轴线旋转；也就是说，横向传感器测量两个并排布置的标记（图11a）或者测量在标记上的结构位置。

通过测量两个重叠布置的标记实现了仅两个旋转自由度的确定，即限定为总共五个自由度，而没有侧向并排布置的标记或在上部标记上的结构。通过这些措施得到简单的结构。

本发明在设计方案中提出，通过手动或自动地使所述接触形成元件和必要时配属的标记和必要时所述干涉测量的测量系统从所述光学侧向测量法的光路离开，利用所述光学侧向测量法和/或距离传感器直接测量物体、如工件的结构和/或几何形状。

本发明的特征还在于，附加或替代于利用形式为光学横向测量传感器和距离传感器的传感器中的至少一个进行检测，借助于至少一个集成在所述接触形成元件的所述支架的至少一个连接元件中的机电传感器实现所述接触形成元件和/或配属于所述接触形成元件的标记的位置的至少一个方向，分析所述机电传感器的电信号，所述电信号根据变形、如至少一个柔性连接元件的弯曲和/或伸长和/或纵向压缩和/或扭曲而在值、如振幅、相位或频率方面进行变化。

已经由现有技术充分已知了机电传感器、如应变仪，其阻力在伸展时变化。信号分析大多借助于两个或四个或更多电阻的桥式电路实现。测量桥接信号、如振幅。在其它的分析方法中，补偿测量信号的偏转或者说波动或者说摆动（Ausschlag）并且测量补偿信号或者检测相应的相位-或频率阶跃。

优选提出，机电传感器具有至少两个测量元件、如应变仪和/或压阻传感器和/或感应传感器和/或电容传感器，其中优选其多个信号以计算的方式组合。

本发明还提出，所述光学侧向测量传感器用于沿两个方向确定所述接触形成元件和/或配属于所述接触形成元件的标记的位置，并且所述机电传感器用于沿第三方向进行确定，和/或用于确定所述接触形成元件和/或配属于所述接触形成元件的标记以一个、两个或三个方向的倾斜。

应该强调这样的教导，在测量期间，使包括所使用的传感器的传感器装置关于待测量的物体运动以用于确定所述接触形成元件和/或配属于所述接触形成元件的标记的位置，其中优选借助于控制单元实现同步，所述控制单元通过触发线路与所述传感器装置和用于使所述传感器装置关于物体运动的坐标测量仪的运行轴和至少一个照明设备或配属于作为传感器装置的传感器之一的图像处理传感器的快门连接，在下述情况之间：

-用于侧向测量的第一传感器的测量值记录，优选图像处理传感器的图像记录，以及

-用于距离测量的、传感器装置的至少一个第二传感器的测量值记录，优选第一或第二图像处理传感器的第二摄像机的图像记录或者激光距离传感器或聚焦传感器或干涉测量的传感器的测量值记录，以及

-确定用于使传感器装置关于物体的运动的运行轴的位置，以及

-通过所述照明设备或配属于所述图像处理传感器的快门的闪光式照明的触发。

本发明的特征尤其在于，在测量期间，用于确定接触形成元件和/或配属于该接触形成元件的标记的位置所使用的传感器装置关于待测量的物体运动，以及当粗略实现待测量的位置时，优选利用图像处理传感器进行测量。

还提出了，在测量期间，用于确定接触形成元件和/或配属于该接触形成元件的标记的位置所使用的传感器装置关于待测量的物体运动，以及利用接触形成元件扫描性地测量物体，即工件几乎连续地被接触。

优选地，至少所述接触形成元件振动。

尤其提出了，用于确定接触形成元件或配属的标记的三维位置而进行的传感器的校准以及利用传感器的测量，通过外差值（Extrapolation）为接触力=0牛以下述方式实现：优选对于所述接触形成元件的至少一个偏移方向来说对至少两个彼此偏离的偏移值来说，测定通过所述传感器确定的偏移，以及由此测定特征曲线，所述特征曲线描述了在所述偏移和所述接触力或与所述接触力成比例的值之间的相互关系。

在本发明的设计方案中，根据本发明的方法用于确定物体的粗度，其中接触形成元件优选具有逐渐变尖的形状、如针，并且利用所述距离传感器确定的粗度根据所述横向测量法的测量值来修正或者配属在其横向位置中。与现有技术相反，可以由接触形成元件的通过光学无效的固定元件的根据本发明的固定，这直接或几乎直接地利用光学侧向测量的传感器来检测。

一种用于在坐标测量仪中借助接触-光学测量法确定物体、如工件的结构和/或几何形状的装置，其中光学侧向测量法和至少一个距离传感器联系起来，所述光学侧向测量法借助于第一传感器沿所述坐标测量仪的至少一个方向、如X方向和/或Y方向来检测接触形成元件或至少一个配属于所述接触形成元件的标记的位置，并且至少一个距离传感器沿至少一个第二方向、如坐标测量仪的Z方向来检测所述接触形成元件的或至少配属于所述接触形成元件的标记的位置，其特征在于，所述接触形成元件和必要时至少一个配属于所述接触形成元件的标记通过至少一个柔性连接元件来固定；所述连接元件能由设置用于执行光学侧向测量法的第一传感器的光路沿射束方向穿过；以及所述至少一个连接元件是透明的和/或布置为关于第一传感器强烈地散焦，或者特征在于，沿至少一个方向检测接触形成元件和/或至少一个配属于该接触形成元件的标记的位置的光学侧向测量法、如2维图像处理，和沿至少一个第二方向检测接触形成元件和/或至少一个配属于该接触形成元件的标记的位置的至少一个距离传感器、如干涉仪，优选绝对测量的外差干涉仪，和/或激光距离传感器和/或根据聚焦原理的传感器、如自动聚焦传感器和/或图像处理传感器，尤其借助于射束转向来侧向测量的图像处理传感器，和/或集成在接触形成元件的支架中的机电传感器彼此联系起来。

优选提出了，为了在偏移时产生沿至少两个方向独立的力和/或几乎相同的机械刚性，布置了至少两个相应确定尺寸的柔性连接元件，其中柔性连接元件优选从环形的保持结构出发，且用于测量接触形成元件和/或配属于接触形成元件的标记的光学传感器的光路沿射束方向穿过柔性连接元件的布置。

如此布置光学传感器和柔性的连接元件，使得柔性连接元件强烈地散焦或是透明的，并由此实际上不影响光学测量功能。

尤其提出了，每个传感器装置可沿X方向、Y方向和/或Z方向相对于测量物体定位。

此外，接触形成元件和/或配属于接触形成元件的标记应该从杆出发，该杆优选通过在至少一个自由度中柔性的探针延长部、如光导纤维或光波导体形成。

还可以提出，用于光学的2维传感器的标记和用于第三方向用的传感器的标记彼此不同或相同。尤其提出，可由光学的2维图像处理传感器和由形式为距离传感器或机电传感器的、测量第三方向的传感器检测相同的标记或不同的标记。

在一种设计方案中提出，杆优选在杆的端部处和/或借助Y耦合器或者在杆端部处通过光学的优选中性的分配或转向层、如棱镜布置在杆端部之上而光学地有效连接至干涉测量的测量系统或光源，其优选是可调节的。

此外，可以在接触形成元件处或在接触形成元件或配属于接触形成元件的标记的附近或在朝向传感器装置的杆端部处设置反射层，其优选通过利用反射的层进行的涂层和/或通过引入材料限定（Materialgrenze）、由探针延长部的材料的变化形成。

与此无关地，接触形成元件或配属的标记或杆可以承载反射层，该反射层优选安置在朝向传感器装置的侧面上，并且优选为圆形和/或圆环形的，且优选未覆盖接触形成元件和/或标记的边缘，并且优选具有颜色选择特性。

此外存在一种可能性，接触形成元件或配属的标记可以大致为球形或滴状且优选在朝向传感器装置的侧面上至少部分地变平。

本发明还提出了，接触形成元件和必要时配属的标记和杆沿至少一个方向可偏移地优选通过粘合和/或接合固定在至少一个在至少一个自由度中柔性的连接元件上，并且连接元件优选包含集成的或安置的机电传感器。

此外，应该强调的是，柔性的连接元件具有矩形的、优选细长的且平坦的或圆形的截面，和优选小的直径，以及优选至少未完全覆盖接触形成元件和/或用于图像处理传感器的光路的至少一个配属的标记和/或距离传感器和/或聚焦传感器的边缘。

本发明的特征还在于，为了在偏移时产生沿至少两个方向独立的力和/或几乎相同的机械刚性，柔性连接元件被确定尺寸并布置，其中柔性连接元件优选从环形的保持结构出发。

根据本发明，三个或更多的柔性连接元件环形地、优选以相同的角度距离围绕杆轴线布置，或者至少一个连接元件侧向地、优选以90°或45°的角相对于沿传感器装置的方向指向的杆轴线从杆轴线或接触形成元件或配属的标记出发。

根据另一种设计方案，所述柔性的连接元件布置在所述接触形成元件或第一标记之上的平面中，并且至少另一个标记布置在所述柔性的连接元件之上，其包括反射层，和/或所述柔性的连接元件布置在所述标记和所述接触形成元件之间的平面中，并且所述标记包括反射层。

优选提出了，配属于接触形成元件的多个标记侧向地布置在接触形成元件旁边或者沿杆方向布置在接触形成元件之上，可通过图像处理传感器和/或距离传感器和/或聚焦传感器和/或干涉测量的传感器依次或同时检测所述多个标记，其中图像处理传感器与具有可变的焦点距离的和/或可变的放大率的透镜连接或者与具有不同的焦点距离的两个摄像机连接，其选择性地使用共同的摄影光学具组。

本发明的特征还在于，接触形成元件和优选配属于接触形成元件的标记可优选与干涉测量的测量系统一起分开地固定在交换接口处和/或旋转接头或旋转摆动接头处，并且进而可手动或自动地从光学侧向测量的传感器的光路离开。

根据本发明提出，与杆连接的接触形成元件和优选至少一个配属于接触形成元件的标记和至少一个从杆或接触形成元件或标记出发的在至少一个自由度中柔性的连接元件布置在传感器装置之前，其中传感器装置包括：

-优选中性的分配层，和

-连接到其上的第一分支，该分支包括或由第一波长的照明和优选成像的模型组成，以及

-连接到其上的第二分支，该分支包括或由通过颜色选择层分开的：

     --第一波长的成像光路，如具有第一焦点距离和第一摄像机的图像处理光路，以及

     --第二波长的成像光路和/或照明光路，优选设计成具有第二焦点距离和优选第二摄像机的第一或第二图像处理传感器，或激光传感器或干涉测量的传感器或聚焦传感器。

根据本发明的另一方面，下述部件彼此连接以及优选可在使用的传感器装置之前通过手动或自动的交换接口更换：

-与杆连接的接触形成元件和优选至少一个配属于接触形成元件的标记，

-至少一个由杆或接触形成元件或标记出发的在至少一个自由度中柔性的连接元件，并且优选地

-布置在接触形成元件或配属的标记或杆之上的光学的优选中性的分配或转向层，并且优选地

-布置在接触形成元件或配属的标记或朝向传感器装置的杆端部上的优选颜色选择层，并且优选

-至少一个透镜、如附件透镜。

还设计了，接触形成元件直接或间接地与机械振动元件、如压电晶体振荡器连接。

传感器装置包括用于光学侧向测量法的传感器和距离传感器。

该装置尤其集成在坐标测量仪中。

附图说明

不仅由权利要求、要从权利要求获悉的特征本身和/或特征组合中，而且还由要从下面的附图描述获悉的优选实施例中得到本发明的其它细节、优点和特征。

附图中示出了：

图1示出了接触-光学测量系统的布置的第一种实施方式；

图2示出了接触-光学测量系统的布置的第二种实施方式；

图3示出了具有柔性连接元件的接触-光学测量系统的布置的另一种实施方式；

图3a示出了具有柔性连接元件和球形的标记的接触-光学测量系统的布置的另一种实施方式；

图4示出了具有交换接口和压电晶体振荡器的接触-光学测量系统的布置的另一种实施方式；

图5示出了具有暗场照明和图像处理传感器的两个焦点距离的接触-光学测量系统的布置的另一种实施方式；

图6示出了接触形成元件、标记和柔性连接元件的布置的不同的实施方式；

图7示出了固定和用于光入射至配属于接触形成元件的标记中的另一种实施方式；

图8示出了柔性连接元件和保持结构的第一种实施方式；

图9示出了柔性连接元件和保持结构的第二种实施方式；

图10示出了柔性连接元件和保持结构的第三种实施方式；

图11a）-c）示出了多个待检测的标记的布置的不同的实施方式，以及

图12示出了坐标测量仪的原理图示。

在下面对多个根据本发明的实施方式的描述中，原则上相同的附图标记用于相同的元件，从而元件和附图标记的配属如下实现：

1 接触-光学测量系统

2 探针延长部

3 接触形成元件

4 图像处理传感器

5 干涉测量的测量系统

6 探针延长部的支架

7 联接件

8 交换接口

9 干涉测量的测量系统5的测量射束

10 光波导体

11 反射层

12 干涉测量的测量系统5的参考射束

13 标记

13a 标记

13b 标记

14 反射层

15 距离传感器

15a 距离传感器

16 照明

17 中性的转向和分配层

18 杆

18a 表示杆18的轴线的方向的箭头

19 柔性的连接元件

19a 柔性的连接元件

20 保持结构

21 颜色选择层

21a 棱镜33与杆18或标记13或接触形成元件3的连接位置

22 距离传感器15的测量射束

23 压电晶体振荡器

24 交换接口

25 传感器装置和照明单元

26 接触单元

27 第二射束或第二光路的焦点距离

28 第一射束或第一光路的焦点距离

29 暗场照明

30 杆18的表面

31 用于暗场照明的光源

32 标记13或接触形成元件3的变平的表面

33 棱镜

34 机电的传感器元件。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的接触-光学测量系统1，其包括：探针延长部2、如光导纤维或光波导体；固定在该探针延长部上的接触形成元件（Antastformelement）3；图像处理传感器4和干涉测量的测量系统5。探针延长部2的支架6通过联接件7与干涉测量的测量系统5连接，并且可分开地通过交换接口8间接地与图像处理传感器4连接。图像处理传感器4光学地沿两个方向检测接触形成元件3的位置，更确切地说，在该实施例中在与绘图平面垂直相交的且水平地延伸的平面中。干涉测量的测量系统的测量射束9射入到形成探针延长部2的光波导体10的端部上，并在接触形成元件3上反射。为此，接触形成元件3在底面11上具有反射层。在反射后，测量射束沿相反的方向通过光波导体10延伸返回到干涉测量的测量系统5中并且对干涉仪5的参考射束12进行干涉。通过将干涉测量的测量系统5设计成外差干涉仪，来确定沿干涉仪的测量方向的绝对位置、即在图示中的垂直线。因此在触及测量物体、如工件时确定接触形成元件3的偏移。

在图2中原则上示出了根据本发明的接触-光学测量系统1，该接触-光学测量系统附加地具有配属于接触形成元件3的标记13。替代接触形成元件3的位置，现在还利用两个测量系统4和5中的至少一个来确定标记13的位置。利用干涉测量的测量系统5确定标记位置通过测量射束9在反射层14上的反射实现，该反射层布置在光波导体10中标记的附近。反射层14通过单独设置的反射的层或者与另一种材料的过渡部形成。

图3以另一个实施例示出了接触-光学测量系统1，该测量系统包括图像处理传感器4，至少由摄影光学具组和摄像机、如CCD-或CMOS摄像机组成，其具有集成的距离传感器15或干涉测量的测量系统5、照明设备16、中性的转向和分配层17、杆18、颜色选择层21、接触形成元件3、标记13、柔性的连接元件19和保持结构20。杆18的轴线在绘图平面中沿箭头18a延伸，并大致相应于光学传感器装置—即图像处理传感器4、干涉测量的测量系统5和距离传感器15的主轴线。距离传感器15与图像处理传感器4具有部分共同的光路。接触形成元件3和标记13与杆18连接，该杆通过粘合或接合而固定在柔性的连接元件19上，该柔性的连接元件从保持结构20出发。此外，颜色选择层21位于杆18的上部端部处，该颜色选择层可以传输来自光源16的光份额，该光份额在中性的转向和分配层17上被反射，以及该颜色选择层反射了距离传感器15的测量射束22的射束的一部分，其透过分配器17。

颜色选择层21的特征在于波长选择性的反射-和传输特性。因此，例如反射具有在约550nm至600nm之上的波长的射束以及使具有在约550nm至600nm之下的波长的射束通过。光源16的入射至杆18中的光在标记13的底面上的反射层11上反射，并通过图像处理传感器4来检测。为此，柔性的连接元件19设计为如此细长或具有凹部，使得足够的光到达图像处理传感器4，如在图8和图9中示出的那样。当接触形成元件3与待测量的物体接触时，则图像处理传感器4检测标记13沿两个近似与杆18的轴线18a成直角的方向的偏移，而距离传感器15检测颜色选择层21沿杆18的轴线18a的方向的偏移，该偏移大致相应于接触形成元件3沿杆18的方向的偏移。为了在层11和21上的反射后分开图像处理传感器4和距离传感器15的光路以用于评估，使用了另一个颜色选择层，该颜色选择层位于图像处理传感器4和距离传感器15的共同的光路内部且在图中未示出。

图3a以一种实施方式示出了接触-光学测量系统1，其中距离传感器15通过图像处理传感器4的测量射束的一部分形成或通过另一个图像处理传感器形成。为了利用图像处理进行测量而设计成球形的标记13的位置沿杆13的方向并且必要时与之垂直地借助于在镜子17上的射束转向来测定。附加地，另一个光路还可以借助于另一个偏转镜通过图像处理传感器4的进一步分离（Abspaltung）或通过另一个图像处理传感器使用，利用该光路还确定了标记13的错误的位置信息，该标记在图3a中沿着绘图平面的水平线延伸。为此，转向实现为垂直于杆18的方向并且垂直于在偏转镜17之后延伸的射束的方向，即标记13垂直于图3a的绘图表面。

图4示出接触-光学测量系统1的布置的另一种实施方式，其中接触形成元件3和颜色选择层21位于杆18上。为了至少使接触形成元件3置于机械振动，例如在保持结构20上设置压电晶体振荡器23。然而，压电晶体振荡器也可以固定在另一个位置处，例如在交换接口24附近。

交换接口24实现了，接触单元26构造为可与传感器装置和照明单元25分开，该接触单元例如由固定在柔性的连接元件19上的杆18和保持结构20和压电晶体振荡器23和可能待使用的未示出的、例如可直接布置在颜色选择层21之上的转换器或者说附件透镜（Vorsatzlinse）组成，所述杆具有颜色选择层21的和接触形成元件3，而传感器装置和照明单元例如由照明设备16、中性的转向和分配层17以及具有集成的距离传感器15的图像处理传感器4组成。

在图5中示出了接触-光学测量系统的布置的另一种实施方式，其中图像处理以射束的两个不同的焦点距离27、28实施。第一光路以焦点距离28检测与杆18的轴线18a成直角的标记13的位置变化。第二光路以焦点距离27检测与杆18的轴线18a成直角的第二标记的位置变化，该第二标记由颜色选择层21或杆18的表面30或其边缘形成。该第二标记、如层21的照明通过暗场照明29实现，该暗场照明从多个光源31出发，或者集成在图像处理传感器4的光路中的明场照明，如通过照明设备16和中性的转向和分配层17产生，或者通过暗场-和明场照明。

为了分析用于焦点距离27和28的两个光路，图像处理传感器4包含可变焦点距离的透镜或在两个焦点距离27、28上聚焦的两个摄像机，其中优选使用了至少部分共有的摄影光学具组。由确定标记13和30或21的两个位置变化来确定了杆18围绕两个垂直于杆18的轴线18a延伸的轴的倾斜。

可选地，可使用图像处理传感器装置的不同的焦点距离，以便一方面检测标记13的位置变化，另一方面仅观察杆18的表面30，以便例如进行距离传感器与杆18的表面30的对准。

图6示出接触形成元件3、标记13和柔性的连接元件19的布置的不同的实施方式，杆18通过柔性的连接元件与支架或保持结构20连接。因此，连接元件19始终位于接触形成元件3上方，例如图6a）中示出，选择性地，也可以位于标记13的上方或下方，例如图6b）和图6c）中示出。

柔性的连接元件19与杆18的表面30的距离以优选的方式选择为非常小、例如5mm或2mm或1mm或者尤其优选为0mm，以便当接触形成元件3偏移时使作为用于距离传感器的反射层的层21的侧向偏移保持为尽可能地小。

图6d）示出了在标记13的变平的表面32上的颜色选择层21的可选的布置。作为替换，颜色选择层21在接触形成元件3的变平的表面上的布置是可能的。

由图6e）和f）可获悉中性的转向和分配层在棱镜33上的可选的布置，棱镜与杆18或与标记13连接。颜色选择层21位于相应的连接位置21a上，该颜色选择层施加在杆18的上部端部上或棱镜33的底面上。

在图7中示出了杆18的可选的固定。为此，柔性的连接元件19a侧向固定、例如粘合或接合在标记13上，或者形成具有标记13的单元。可选地，柔性的连接元件19a也能以相同的方式固定在杆18上或接触形成元件3上。接触形成元件3或者如在图中示出标记13具有变平的带有颜色选择层21的表面32。可选地，光源16固定在柔性的连接元件19a上，光射入到标记13或接触形成元件3或杆18中，由此可利用图像处理传感器分析标记13或接触形成元件3的位置。在这种情况下，层21也可以设计为非颜色选择性的，即反射所有的光。

由图8以俯视图、即沿杆18的轴线方向可获悉柔性的连接元件19和保持结构20的优选的实施方式。通过柔性的连接元件19的细长的实施方式和其在图像处理传感器4的聚焦平面的外部的布置，可以使利用图像处理传感器4的测量以光学地穿过柔性的连接元件19的平面并几乎不受柔性的连接元件19影响地实现。此外，柔性的连接元件19的布置和尺寸实现了：当接触形成元件3沿至少两个或三个轴线的偏移时几乎相同的机械刚性。此外选择性地附加地，优选6个机电传感器元件34、例如应变仪（Dehnmessstreifen）或压阻传感器元件布置在柔性的连接元件19上或集成到其中，以便除了利用图像处理传感器4的测量外还实现了确定接触形成元件以一个或多个自由度进行的运动。

在图9中示出了柔性的连接元件19和保持结构20的第二种实施方式。机电的传感器元件34同样可以选择性地布置在柔性的连接元件19上或集成到其中。

由图10可看到柔性的连接元件19和保持结构20的另一种实施方式，其中柔性的连接元件19重叠地布置在两个平面中并且与杆18连接。通过相应的平行弹簧引导保证了，当接触形成元件3沿杆18的轴线18a偏移时几乎不发生接触形成元件3和杆18沿横向于杆18的轴线18a的方向的移位。通过相应地确定柔性的连接元件19的尺寸，还可以阻止整个旋转自由度。如图10a）示出，柔性的连接元件19的布置完全在必要时存在的标记13的上方实现，或者如图10b）示出，部分地在标记13和接触形成元件3之间实现。可选地，柔性的连接元件19还可以完全布置在标记13的下方。

图11示出多个待检测的标记13a的布置的实施方式。通过具有大的视野的图像处理传感器4的第一光路28同时检测标记，如从图11a）、b）和c）中能看出。由此可测定，除了横向于杆18的轴线的侧向移位外，接触形成元件3围绕杆18的轴线18a的旋转。附加地，如在图11a）中示出，可以使用距离传感器15，该距离传感器测定标记13沿杆18的轴线18a的方向的偏移。横向于杆的轴18a的偏移还可以通过图像处理传感器4利用偏离于第二光路27的焦点距离通过标记13b的聚焦来确定（参见图11c）。

还可以利用一个或多个另外的集成在图像处理传感器4中的距离传感器15a来确定标记13a的偏移（参见图11a），距离传感器例如为自动聚焦传感器，该自动聚焦传感器使用和图像处理传感器4一样的光路且优选使用了图像处理传感器4的摄像机的传感器表面的至少一个或多个部分的测量值。由此，确定了轴18和接触形成元件3围绕与杆18的轴线18a成直角的轴线的倾斜。如在图11a）中示出，接触形成元件3侧向地布置，以便实现沉切部或水平的几何形状的测量。可选地，可以在所有标记13a上设置相应的侧向的延长部。

在图12中纯原理地示出了多传感器-坐标测量仪130的实施方式。传感器可以选择性地安装或拆卸或者也在工作期间通过相应的传感器更换系统自动地撤换或更换传感器。当然，当相应数量的选出的传感器固定地安装在仪器上以测量在该结构中的物体时，也不背离本发明。

与此无关地，传感器装置具有至少一个也称为第一传感器的传感器，以便执行光学侧向测量法，即尤其是2维图像处理传感器。因此，当测量工件116时应检测接触形成元件或配属于接触形成元件的标记的侧向偏移、如之前已经描述过的那样。此外，传感器装置具有尤其是形式为绝对测量的外差干涉仪的距离传感器，以便沿坐标测量仪的Z方向来测量接触形成元件或配属于其的标记，也就是说测量其位置。

充分已知的且在图12中仍再次描述的、坐标测量仪130的原理包括例如由花岗岩制成的具有测量台114的基本框架112，待测量的物体（工件116）定位在该测量台上，以便测量其表面特性。

门座119可沿Y方向沿着基本框架112调节。为此，柱或支柱120、122滑动地支承在基本框架112上。横梁124从柱120、122出发，滑架可沿着该横梁运行，该滑架本身接纳可沿Z方向移动的轴套或柱126。接触传感器130从轴套126或从必要时与轴套126连接的交换接口128出发，以便在包含图像处理传感器的情况下进行接触-光学地测量。然而在这一点上，参考已经充分已知的现有技术。此外，距离传感器位于轴套126中。

在图12的原理图中，未示出包括柔性的连接元件的、用于接触传感器130的支架，该传感器可以通过支架与交换接口128连接。