(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
推定された縞画像に基づいて被照射体の姿勢の変化を検出する姿勢検出器であって、
被照射体に形成された反射面に光を照射してその反射光に基づく干渉縞を生成する干渉計と、
受光面上に略９０度の交角をなして配置された２本の直線状の画素列、および、前記画素列周辺における画素の存在しない領域を有し、前記受光面に投射される前記干渉縞のうちの略９０度で交差する２方向の線状縞の像を取得するイメージセンサと、
前記画素列の各画素から読み出された信号を処理する信号処理手段と、を備え、
前記信号処理手段は、
前記画素列の各画素から読み出された信号から前記線状縞の明部または暗部の位置を算出するとともに、
所定時間前後の前記明部または暗部の位置の変化に基づき、前記２方向の線状縞の明部同士または暗部同士を繋げて、平面的な縞画像の推定を実行する接続処理部を有し、
推定された前記平面的な縞画像の変化に基づいて、前記被照射体の姿勢の変化を検出することを特徴とする姿勢検出器。
【請求項２】
推定された縞画像に基づいて被照射体の姿勢の変化を検出する姿勢検出器であって、
被照射体に形成された反射面に規則性のある縞パターンを投影するパターン投影手段と、
前記反射面を反射した前記規則性のある縞パターンを受光する受光面上に、略９０度の交角をなして配置された２本の直線状の画素列、および、前記画素列周囲における画素の存在しない領域を有し、前記受光面に投射される前記縞パターンのうちの略９０度で交差する２方向の線状縞の像を取得するイメージセンサと、
前記画素列の各画素から読み出された信号を処理する信号処理手段と、を備え、
前記パターン投影手段は、可干渉の光を出射する光源と、前記光源と前記被照射体との間の光路上に配置され、可干渉の光を受けて前記被照射体の反射面に前記縞パターンを投影する投影要素と、を有し、
前記信号処理手段は、
前記画素列の各画素から読み出された信号から前記線状縞の明部または暗部の位置を算出するとともに、
所定時間前後の前記明部または暗部の位置の変化に基づき、前記２方向の線状縞の明部同士または暗部同士を繋げて、平面的な縞画像の推定を実行する接続処理部を有し、
推定された前記平面的な縞画像の変化に基づいて、前記被照射体の姿勢の変化を検出することを特徴とする姿勢検出器。
【請求項３】
請求項１または２記載の姿勢検出器において、前記２本の画素列の交差する位置に共有の画素が配置されていることを特徴とする姿勢検出器。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の姿勢検出器において、
前記２本の直線状の画素列に加えて、さらに２本の直線状の画素列を備え、これら４本の画素列は、略矩形の形状の４辺に沿って配置されていることを特徴とする姿勢検出器。
【請求項５】
請求項１記載の姿勢検出器において、
前記干渉計は、
可干渉の光を出射する光源と、
前記光源からの光を分割するビームスプリッタと、
一方の分割光の照射を受ける参照鏡と、を有し、
前記被照射体の反射面を照射する光は、前記ビームスプリッタからの他方の分割光であり、
前記イメージセンサは、前記被照射体の反射面からの反射光と、前記参照鏡からの反射光との干渉により生じる干渉縞を撮像することを特徴とする姿勢検出器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の姿勢検出器と、
前記姿勢検出器を内蔵する筐体と、
前記被照射体、該被照射体と一体に動作するスタイラス、および、このスタイラスの先端に装着され被測定物表面に近接または当接する接触子を有して構成される可動部と、
前記筐体に設けられ、前記接触子の近接または当接に応じて前記可動部の姿勢が変化するように該可動部を支持する支持部と、を備え、
前記姿勢検出器が、前記可動部の姿勢の変化を検出することで、前記接触子が被測定物表面からの作用力を受けた際の該接触子の三次元座標上の変位を定量的に検出することを特徴とする接触プローブ。
【請求項７】
請求項６記載の接触プローブにおける前記可動部が前記筐体から着脱自在に設けられているマルチセンシングプローブであって、
前記可動部が筐体から取り外された状態では、取り外される前における前記可動部の前記反射面の位置に、別の検出対象物に設けられた反射面を配置して、該検出対象物の姿勢の変化を検出することを特徴とするマルチセンシングプローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、縞の撮像用のイメージセンサに関し、従来よりも簡単な構成にすることができ、かつ、高速に検出できるイメージセンサに関する。また、イメージセンサを用いて被照射体の姿勢を検出する姿勢検出器に関する。さらに、姿勢検出器を利用した接触プローブおよびマルチセンシングプローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被照射体の姿勢を光学的に検出する姿勢検出器としては、干渉計を用いて干渉縞を生じさせて、その縞画像を撮像素子（イメージセンサ）で検出するものが知られていた。
＜姿勢検出器＞
一般的なマイケルソン型干渉計を用いた姿勢検出器について説明する。レーザ光源からのレーザをビームスプリッタで参照光と測定光とに分割し、参照光を参照鏡に照射させ、測定光を被照射体に形成された反射面に照射する。そして、参照鏡からの反射光と、被照射体からの反射光とをビームスプリッタで干渉させ、生じる干渉縞をイメージセンサで取得する。被照射体の姿勢が変化すれば、これに応じて撮像される干渉縞画像も変化するので、縞画像の変化を検出することで、被照射体の姿勢の変化が分かる。
【０００３】
＜イメージセンサ＞
従来の姿勢検出器に用いるイメージセンサには、干渉縞画像のような二次元画像を撮像するため、一般的にＰＳＤ（光位置センサ；ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｓｅｎｓｏｒ  ｄｅｖｉｃｅ）や、エリアイメージセンサなどが用いられた。
前者のＰＳＤは、高速検出が可能であるという利点があるが、ＰＳＤは光量の重心値を検出する方式のセンサである。つまり、スポット状の光検出には適するが、干渉縞のような縞の検出には向かない。そのため、被照射体の反射面の姿勢（変位や傾き）を検出するという機能性には問題があり、これを解決するために複雑な信号処理を行う必要があった。
【０００４】
後者のエリアイメージセンサは、受光面上に多くの画素（受光素子）を２次元的に並べたものであり、電荷結合素子（ＣＣＤ）や相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）などの回路素子で構成されている。画素毎に受光量を検出できるため、縞画像の検出に適し、被照射体の反射面の姿勢検出という機能性は十分と言える。ＣＭＯＳタイプはＣＣＤタイプと比較すると高速検出ができる。また、近年では高速対応カメラ用として、より高速に検出できるエリアイメージセンサも市販されてきた。しかしながら、いずれのエリアイメージセンサも前者のＰＳＤの検出速度と比較すると遥かに低速である。
【０００５】
特許文献１には、干渉縞の検出速度を改善するために、１本の直線状の画素列（ラインイメージセンサ）を用いて干渉縞を検出して、その検出値に基づいて可動体（スタイラス）の姿勢検出を実行する接触プローブが開示されている。
ラインイメージセンサは、一般的に数１０ｋＨｚのサンプリング周波数（フレームレート）での高速検出を実行できるため、これを用いることで姿勢検出器の応答性は改善される。エリアイメージセンサの代表例であるＣＣＤのサンプリング周波数と比較すると１０００倍程度速くなり、ＰＳＤと比較しても大幅に検出速度が増す。そのため、特許文献１のラインイメージセンサを利用した姿勢検出器は、高分解能、高安定性、高速応答などを備えた高機能検出器を実現し得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−９６２９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の接触プローブでは、高速応答などが可能になっているとは言え、干渉計からラインイメージセンサまでの光路上に複雑な光学系を構成しなければならない。その光学系は、干渉計で生じた干渉縞を分割し、一方の干渉縞を水平配置されたラインイメージセンサの右半分に入射させ、他方の干渉縞については光軸周りに９０度回転させてからラインイメージセンサの左半分に入射させるために必要となる。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するもので、従来のラインイメージセンサよりも簡単な光学系の構成となり、かつ、高速検出を可能とする干渉縞などの縞画像用のイメージセンサを提供することを第１の目的とする。
また、被照射体に形成された反射面からの反射光に基づく縞を前記イメージセンサで検出することにより、被照射体の姿勢を検出する姿勢検出器であって、高分解能、高安定性、高速応答などの高機能性を備えた姿勢検出器を提供することを第２の目的とする。
更には、前記姿勢検出器を内界センサとして内蔵する三次元測定機用の接触プローブおよびマルチセンシングプローブを提供することを第３の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明に係る姿勢検出器は、推定された縞画像に基づいて被照射体の姿勢の変化を検出する姿勢検出器であって、
被照射体に形成された反射面に光を照射してその反射光に基づく干渉縞を生成する干渉計と、
受光面上に略９０度の交角をなして配置された２本の直線状の画素列、および、前記画素列周辺における画素の存在しない領域を有し、前記受光面に投射される前記干渉縞のうちの略９０度で交差する２方向の線状縞の像を取得するイメージセンサと、
前記画素列の各画素から読み出された信号を処理する信号処理手段と、を備え、
前記信号処理手段は、
前記画素列の各画素から読み出された信号から前記線状縞の明部または暗部の位置を算出するとともに、
所定時間前後の前記明部または暗部の位置の変化に基づき、前記２方向の線状縞の明部同士または暗部同士を繋げて、平面的な縞画像の推定を実行する接続処理部を有し、
推定された前記平面的な縞画像の変化に基づいて、前記被照射体の姿勢の変化を検出することを特徴とする。
【００１０】
この構成において、イメージセンサ（撮像素子）の受光面に縞が投射される点では、従来のＣＣＤのようなエリアイメージセンサと共通するが、従来のエリアイメージセンサは縞を略完全な２次元の画像として捉えるが、本発明のイメージセンサは直交する２方向の線状縞という断片的な像のみを取得する。例えば、干渉縞の撮像や、規則的な縞パターンの撮像においては、縞全体の詳細な情報を取得しなくても、断片的な情報だけで、これらの縞の変化を推定することができ、そのような縞変化の推定に基づいて、被照射体の位置や姿勢の変化などを検出するという利用方法がある。すなわち、線状縞に含まれる明部（または暗部）の数やそれらの位置といった断片的な情報は、イメージセンサとしての有効な情報と成り得る。このようにイメージセンサの用途を規則性のある縞の撮像（実際には、縞の一部分の線状画像の取得である。）に特化させることで、従来のエリアイメージセンサよりも高速処理を可能とするイメージセンサを実現させた。
【００１１】
さらに、発明者らは、一つの縞に対して少なくとも２本の画素列を縦方向と横方向に配置することで、一方向の画素列だけで縞の変化を把握するよりも正確に縞の変化を把握できることを見出した。一方の画素列において線状縞を構成する明部と、これに略直交する他方の画素列の明部を繋げる処理を行って、縞の全体像を推定することで、縞の変化を正確に把握することができる。本発明では、２つの画素列が交差する場合は、交差する位置に共有する画素が存在する。２つの画素列が交差しない場合であっても、それぞれの画素列において相手側の画素列に接近する位置の画素が存在する。これらの２つの画素列に共有する位置の画素や、互いに接近する位置の画素が存在するので、これらの画素の情報に基づく画像処理によって、明部同士（または暗部同士）の接続を容易に、かつ、正確に実行することができる。
【００１２】
なお、特許文献１でもラインイメージセンサを用いて、干渉縞から直交する２方向の線状縞の情報を取得している。しかし、１本の画素列で２方向の線状縞を捉えるため、干渉縞を分割し、その一方をそのまま画素列の片側半分に投射し、分割した他方を光軸周りに９０度回転させてから画素列のもう一方の片側半分に投射している。１本の画素列で２方向の線状縞を撮像できるとは言え、干渉計とセンサとの間に複雑な光学的構成を配置しなければならない。一方、本発明のイメージセンサでは、縞を分割する必要がなく、１つのイメージセンサが１つの縞をそのまま受光して、縦方向に並ぶ画素列と横方向に並ぶ画素列とによって、同時に直交する２方向の線状縞を取得することができる。
【００１３】
また、本発明のイメージセンサにおいては、
前記画素列の各画素から受光量に応じた信号を読み出す信号読出手段と、
読み出された信号から前記線状縞の明部または暗部の位置を算出する信号処理手段と、を備え、
前記信号処理手段は、平面的な縞画像を推定するために、所定時間前後の前記明部または暗部の位置の変化に基づき、前記２方向の線状縞の明部同士または暗部同士を繋げる処理を実行する接続処理部を有することが好ましい。
【００１４】
また、前記２本の画素列の交差する位置に共有の画素が配置されていることが好ましい。または、前記共有の画素の周辺に、前記画素列の画素以外の複数の画素が配置されていることが好ましい。
前述のように、共有の画素の情報に基づく画像処理によって、明部（または暗部）同士の接続を容易に、かつ、正確に実行することができる。共有の画素の周辺に、さらに複数の画素が配置されていることによって、接続処理を容易にでき、信頼性を向上させることができる。
【００１５】
また、本発明の姿勢検出器においては、前記２本の直線状の画素列に加えて、さらに２本の直線状の画素列を備え、これら４本の画素列は、略矩形の形状の４辺に沿って配置されていることが好ましい。
この構成のように、４本の画素列を略矩形の形状の４辺に沿って配置すれば、前述の共有の画素を４つの隅に設けることができ、これらの共有画素の情報に基づく画像処理を実行することで、縞の接続処理を一層容易にすることができて、信頼性を向上させることができる。
【００１６】
＜姿勢検出器＞
本発明に係る姿勢検出器は、前述のイメージセンサと、被照射体に形成された反射面に光を照射してその反射光に基づく干渉縞を前記イメージセンサに投射する干渉計と、を備え、前記イメージセンサが取得する２方向の線状縞の像の変化に基づき、前記被照射体の姿勢の変化を検出することを特徴とする。
具体的には、前記干渉計は、マイケルソン型干渉計であってもよく、フィゾー型干渉計でもよく、その他の干渉計でも構わない。
【００１７】
マイケルソン型干渉計の場合、前記干渉計は、可干渉の光を出射する光源と、前記光源からの光を分割するビームスプリッタと、一方の分割光の照射を受ける参照鏡と、を有し、前記被照射体の反射面を照射する光は、前記ビームスプリッタからの他方の分割光であり、前記イメージセンサは、前記被照射体の反射面からの反射光と、前記参照鏡からの反射光との干渉により生じる干渉縞を撮像することが好ましい。
【００１８】
上記の干渉計を用いた姿勢検出器を構成すれば、被照射体の姿勢を光の波長のオーダーで検出することができる。例えば、Ｚ軸方向の変位、Ｘ軸周りの回転、および、Ｙ軸周りの回転の三自由度で、被照射体の姿勢が保持されている場合について説明する。まず、縞画像において、縦方向の線状縞の密度は変化しないが横方向の線状縞の密度が変化する場合は、被照射体がＸ軸周りに傾いたと判断する。また、横方向の線状縞の密度は変化しないが縦方向の線状縞の密度が変化する場合は、被照射体がＹ軸周りに傾いたと判断する。そして、縦横の両方向とも線状縞の密度は変化しないが、縞が流れる場合は、被照射体がＺ方向に変位したと判断する。このような判断基準により、照射光の光軸方向への被照射体の変位（一自由度）と、その光軸に直交する２つの軸周りの傾きの変化（二自由度）を高速検出することができる。
【００１９】
また、本発明に係る姿勢検出器は、推定された縞画像に基づいて被照射体の姿勢の変化を検出する姿勢検出器であって、
被照射体に形成された反射面に規則性のある縞パターンを投影するパターン投影手段と、
前記反射面を反射した前記規則性のある縞パターンを受光する受光面上に、略９０度の交角をなして配置された２本の直線状の画素列、および、前記画素列周囲における画素の存在しない領域を有し、前記受光面に投射される前記縞パターンのうちの略９０度で交差する２方向の線状縞の像を取得するイメージセンサと、
前記画素列の各画素から読み出された信号を処理する信号処理手段と、を備え、
前記パターン投影手段は、可干渉の光を出射する光源と、前記光源と前記被照射体との間の光路上に配置され、可干渉の光を受けて前記被照射体の反射面に前記縞パターンを投影する投影要素と、を有し、
前記信号処理手段は、
前記画素列の各画素から読み出された信号から前記線状縞の明部または暗部の位置を算出するとともに、
所定時間前後の前記明部または暗部の位置の変化に基づき、前記２方向の線状縞の明部同士または暗部同士を繋げて、平面的な縞画像の推定を実行する接続処理部を有し、
推定された前記平面的な縞画像の変化に基づき、前記被照射体の姿勢の変化を検出することを特徴とする。
このように、前述のイメージセンサは、干渉計による姿勢検出器に限られず、パターン投影手段によって投影された縞パターンを撮像して、被照射体の姿勢を検出する場合にも利用できる。
【００２０】
＜接触プローブおよびマルチセンシングプローブ＞
本発明に係る接触プローブは、前述の姿勢検出器と、前記姿勢検出器を内蔵する筐体と、
前記被照射体、該被照射体と一体に動作するスタイラス、および、このスタイラスの先端に装着され被測定物表面に近接または当接する接触子を有して構成される可動部と、
前記筐体に設けられ、前記接触子の近接または当接に応じて前記可動部の姿勢が変化するように該可動部を支持する支持部と、を備え、
前記姿勢検出器が、前記可動部の姿勢の変化を検出することで、前記接触子が被測定物表面からの作用力を受けた際の該接触子の三次元座標上の変位を定量的に検出することを特徴とする。
【００２１】
また、本発明のマルチセンシングプローブは、上記の接触プローブにおける前記可動部が前記筐体から着脱自在に設けられているマルチセンシングプローブであって、
前記可動部が筐体から取り外された状態では、取り外される前における前記可動部の前記反射面の位置に、別の検出対象物に設けられた反射面を配置して、該検出対象物の姿勢の変化を検出することを特徴とする。
【００２２】
上記のマルチセンシングプローブにおいては、接触プローブの可動部を着脱自在に設けることによって、接触プローブとしての機能と、姿勢検出センサとしての機能との両方を実現することができる。
このように、前述の姿勢検出器を、三次元測定機に装着される接触プローブの内界センサとして、または、クリティカルなアライメントが施されている光学部品の姿勢変化を準リアルタイムで検出してその姿勢の自動調整を行うマルチセンシングプローブの外界センサとして使用することによって、接触プローブおよびマルチセンシングプローブに高分解能、高安定性、高速応答などの高機能性を具備させることができる。
【００２３】
以上のように、本発明によれば、従来のラインイメージセンサよりも簡単な光学系の構成となり、かつ、高速検出を可能とする干渉縞などの縞画像用のイメージセンサを提供することができる。
また、被照射体に形成された反射面からの反射光に基づく縞を前記イメージセンサで検出することにより、被照射体の姿勢を検出する姿勢検出器であって、高分解能、高安定性、高速応答などの高機能性を備えた姿勢検出器を提供することができる。
更には、前記姿勢検出器を内界センサとして内蔵する三次元測定機用の接触プローブおよびマルチセンシングプローブを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】（Ａ）は本発明の第一実施形態に係るイメージセンサの画素配置を示す図であり、（Ｂ）は比較のために従来センサの画素配置を示す図である。
【図２】（Ａ），（Ｂ）は前記イメージセンサの画素配置の変形例を示す図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は前記イメージセンサの画素配置の他の変形例を示す図である。
【図４】本発明の第二実施形態に係る姿勢検出器の光学的構成を示す図である。
【図５】被照射体をＹ軸周りに回転させる場合の干渉縞の変化を示す図である。
【図６】前記姿勢検出器でＹ軸周りの回転前後の２つの線状縞の変化を示す図。
【図７】被照射体をＺ軸方向に変位させる場合の干渉縞の変化を示す図である。
【図８】前記姿勢検出器でＺ軸方向の変位前後の２つの線状縞の変化を示す図。
【図９】本発明の第三実施形態に係る姿勢検出器の光学的構成を示す図である。
【図１０】本発明の第四実施形態に係る接触プローブの光学的構成を示す図である。
【図１１】本発明の第五実施形態に係るマルチセンシングプローブの光学的構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
＜リクタンギュラーラインイメージセンサ＞
本発明の第一実施形態に係るイメージセンサについて図面に基づいて説明する。
図１（Ａ）は本発明に係るイメージセンサ（撮像素子）１０を構成する画素２の配列を示す図である。比較のため、図１（Ｂ）に従来のＣＭＯＳタイプやＣＣＤタイプなどのエリアイメージセンサ９０を示す。
【００２６】
図１（Ａ）のイメージセンサは、フォトダイオード（ＰＤ）などの画素２を複数用いて、これらを十字線状に配置したものである。正確に表現すると、複数の画素２を直線状に配列した画素列（ラインイメージセンサ）を１単位として、これら複数の画素列（ライン１、２）を互いに略直角に配置したものである。イメージセンサ１０の受光面に投影される１つの縞を２つの略直交する画素列（ライン１、２）で断片的に捉え、２方向の線状縞の画像を取得する。以降、本発明のイメージセンサをリクタンギュラーラインイメージセンサとも呼ぶ。
【００２７】
イメージセンサ１０の縦方向と横方向の画素数が、図１（Ｂ）に示す従来のエリアイメージセンサ９０と同じ場合には、従来のエリアイメージセンサ９０よりも画素数が大幅に少なくなるため、素子全体の検出を高速に実行することができる。例えば、従来の１００万画素のエリアイメージセンサと比較すると、本発明のイメージセンサは２０００画素程度になるから、検出速度が約５００倍高速になる。従来のエリアイメージセンサ９０の一般的なフレームレートは３０ｆｐｓ（サンプリング周波数３０Ｈｚと同じ）であるから、本発明のイメージセンサ１０のフレームレートは単純に１５０００ｆｐｓ（或いは１５イメージ／秒）となる。一般的なラインイメージセンサでは数万ライン／秒（数十ｋＨｚ）の検出速度を実現していることから、同じオーダ（１５０００ｆｐｓ）のフレームレートを本発明のイメージセンサ１０でも十分に実現することができる。
【００２８】
従来のエリアイメージセンサ９０の目的が被照射体の形状や像を認識することであったのに対して、本発明のリクタンギュラーラインイメージセンサ１０の目的は、被照射体の姿勢変化（変位や傾きの変化）の認識であり、そのために干渉縞など規則性のある縞の撮像に特化している。用途を特化したことにより、検出速度の高速化を実現することができたのである。
【００２９】
一方、従来のＰＳＤと比較した場合、ＰＳＤは、分割面数に応じて二つ或いは四つの情報しか得られない。各分割面内での受光位置の検出速度は速いが、検出される位置は各分割面内での受光分布に対する重心位置に等しいので、干渉縞の移動といった明部と暗部の変位を正確に検出するためのセンサには不適当である。これに対し、本発明のイメージセンサ１０は、通常でも２０００程度の画素数であり、干渉縞の移動に対して明部と暗部の境界の移動を正確に検出することができる。さらに、毎秒１５０００フレームの情報が得られるため、その情報量の多さから、例えば姿勢検出を行う際に平均化効果が生じて、ノイズが低減され、姿勢情報をより正確に把握することが可能となる。
【００３０】
イメージセンサ１０は、図１（Ａ）の構成に限定されず、図２（Ａ），（Ｂ）のような応用も可能である。図１（Ａ）では、２本の画素列（ライン１，２）が交差する位置に共有の画素４が配置されているが、図２（Ａ）の構成では、共有画素４の位置およびこれに隣接する位置に、画素が配置されていない。言い換えれば、４本の画素列（ライン１−１〜２−２）を略９０度ピッチで放射状に配置したものと言える。このイメージセンサ１１０は各々の画素列を独立して使用する例であり、共有画素４およびその隣接画素が無いため、図１（Ａ）のイメージセンサ１０よりも画像処理時間を短くすることができる。
【００３１】
また、図２（Ｂ）のイメージセンサ２１０の構成では、図１（Ａ）の共有画素４の周辺箇所にも画素８が増設されている。つまり、２本の画素列（ライン１、２）の配置場所以外で、共有画素４に近接する位置（４箇所）に画素８を配置し、共有情報の正確性を向上させたものである。
【００３２】
また、図３（Ａ）のイメージセンサ３１０の構成は、図１（Ａ）のように直交する２本の画素列（ライン１，２）を受光面の略中央で交差させることが、本発明のイメージセンサの必須条件ではないことを示す例である。このイメージセンサ３１０は、４本の画素列が正方形の４辺に沿って配置されている。この構成の特徴は、４つの画素列を正方形の周辺上に配置したことで、共有画素４がその四隅に配置されることにある。そして、４つの共有画素４の情報に基づく画像処理によって、共有画素がセンサ中央の１箇所にしか配置されていない図１（Ａ）の構成よりも、縞画像を高分解能に把握することができる。
【００３３】
図３（Ｂ）のイメージセンサ４１０の構成例は、図１（Ａ）の十字線状の２本の画素列と、図３（Ａ）の正方形状の４本の画素列とを組み合わせた構成であり、両方の利点を合わせ持っている。さらに、この構成では、十字線状の縦横の各画素列の両端の画素と、正方形状の各画素列の中央に位置する画素とが、共有画素４を形成する。従って、合計９つの共有画素４が等間隔で配置された状態となっており、縞画像をより高い分解能で効率的に把握することができる。
【００３４】
以上のように、本発明のイメージセンサによれば、特許文献１のラインイメージセンサのような、干渉計とセンサとの間の複雑な光学的構成を必要とせず、１つの縞をそのまま受光して、横方向に並ぶ画素列（ライン１等）と縦方向に並ぶ画素列（ライン２等）とによって、同時に直交する２方向の線状縞を取得することができる。
【００３５】
また、干渉縞の撮像や、規則的な縞パターンの撮像などでは、縞全体の詳細な情報を取得しなくても、縞の断片的な情報だけで、縞の変化を推定することができるので、そのような縞の変化の推定によって、被照射体の位置や姿勢の変化を検出するといった利用方法がある。すなわち、本発明のイメージセンサによって高速検出される線状縞の情報は、姿勢検出などに有効な情報と成り得る。
【００３６】
なお、発明のイメージセンサは、上述の実施形態で説明した画素列の組み合せに限定されない。すなわち、発明のイメージセンサは、複数の画素列を有するもので、そのうちの少なくとも２本の画素列が略９０度の交角をなして配置され、イメージセンサの受光面に投射される縞のうちの略９０度で交差する２方向の線状縞の像がそれぞれの画素列で捉えられるように構成されたものであればよい。
【００３７】
＜姿勢検出器＞
次に、本発明の第二実施形態に係る姿勢検出器２０について図面に基づいて説明する。
図４は、マイケルソン型干渉計１２を利用して被照射体１４の姿勢を検出する姿勢検出器２０の構成図であり、干渉縞の撮像素子として前述のリクタンギュラーラインイメージセンサ１０を用いている。マイケルソン型干渉計１２は、レーザ光源１６と、ビームスプリッタ（ＢＳ）と、参照鏡１８とを有する。ＢＳは、レーザ光源１６からの可干渉光を分割する。すなわち、ＢＳの半透膜２２を反射した可干渉光は参照鏡１８を照射し、半透膜２２を透過した可干渉光は被照射体１４を照射する。同図に示すように、ＢＳから被照射体１４への測定光の光軸をＺ軸とする。
【００３８】
被照射体１４にはＺ軸に略直交する反射面２４が形成されており、ＢＳからの可干渉光を反射してＢＳへ返す。この被照射体１４の姿勢は、Ｚ軸方向の変位、Ｘ軸周りの回転、および、Ｙ軸周りの回転の三自由度で変化できるものとする。
参照鏡１８も同様に、ＢＳからの可干渉光を反射してＢＳへ返す。
ＢＳでは、半透膜２２を反射する被照射体１４からの反射光（測定光）と、半透膜２２を透過する参照鏡１８からの反射光（参照光）とが干渉して、これらの光軸上に配置されたイメージセンサ１０の受光面２６に干渉縞が投影されるようになっている。
【００３９】
以上の構成の姿勢検出器２０によれば、レーザ光源１６、ＢＳ、参照鏡１８、イメージセンサ１０を主な構成要素とする単純な光学的配置の検出器を形成することができる。
なお、ＢＳをＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）として、ＰＢＳと参照鏡１８の間、および、ＰＢＳと被照射体１４の間に、それぞれ二分の一波長板（λ／２）を設置する構成にすれば、光の回収効率を高めることができ、かつ、ゴーストフリンジの発生を抑えることが可能となる。
また、干渉縞の撮像素子として、直交する２方向の線状縞を高速検出できる前記実施形態のリクタンギュラーラインイメージセンサ１０を用いているため、姿勢情報の取得指令から実際の姿勢情報を取得するまでの応答性が高く、被照射体１４の三自由度の姿勢を高速検出することができる。本発明の姿勢検出器は三自由度センサとも呼ばれる。
【００４０】
なお、姿勢検出器２０に用いるイメージセンサ１０は、複数の画素列（ライン１，２）の各画素２からの受光量に応じた照度信号を読み出す信号読出手段と、読み出された照度信号から線状縞の明部（または暗部）の位置を算出する信号処理手段と、を備えている。信号読出手段には、既存のＣＣＤやＣＭＯＳ等の回路を採用できる。また、信号処理手段には、信号読出手段と一体または別体で構成したＣＰＵなどの演算回路を採用できる。
そして、信号処理手段は、平面的な縞画像を推定するために、所定時間前後の明部（または暗部）の位置の変化に基づき、２方向の線状縞の明部同士（または暗部同士）を繋げる処理を実行する接続処理部を有している。イメージセンサ１０における１本の画素列の画素数は、線状縞の周期的変化をフーリエ変換によって算出するのに十分な情報量が得られるように設定されている。その最小画素数は４つである。
【００４１】
＜検出方法の一例＞
直交する２方向の線状縞の画像に基づく被照射体１４の姿勢検出方法について、その一例を図５〜図８に基づいて説明する。まず、図５を用いて被照射体１４の姿勢変化と発生する干渉縞の変化との関係を説明する。同図は、被照射体１４をＹ軸周りに回転させた場合に、イメージセンサ１０の受光面に投影される干渉縞の変化を示す。
【００４２】
被照射体１４の初期状態では、図５の左側に示す干渉縞の明帯３２（または暗帯３４）が４５度方向に延びるように、参照鏡１８の姿勢が調整されている。このような干渉縞の初期形態は特に限定されるものではないが、被照射体１４の姿勢変化を効率よく検出するには、図５の左側のような初期形態が好ましい。また、受光面２６に投影される干渉縞の明帯３２の数については、できるだけ少ない方が１本の明帯３２についての解像度が高くなり、姿勢検出精度が向上する。実際には、イメージセンサ１０の画素数との関係、および、三自由度の姿勢の検出範囲との関係に応じて、最も適当な明帯３２の数になるように参照鏡１８の姿勢を調整する。そして、被照射体１４がＹ軸周りに回転して姿勢が変化した場合、図５の右側のように、干渉縞の明帯３２の傾斜は緩やかになり、かつ、明帯３２同士の間隔は狭くなって投影される明帯３２の数が増える。
【００４３】
次に、図６を用いて、本発明のイメージセンサ１０が撮像する線状縞の変化について説明する。同図は、図５に対応するものであり、姿勢変化前後でイメージセンサ１０が捉える線状縞の像を示す。図６の左側に示すように、初期状態では、縦方向の画素列（ライン２）の情報から、そこに含まれる暗部３６（または明部３８）の位置と数が検知される。同様に、横方向の画素列（ライン１）の情報から、そこに含まれる暗部３６の位置と数が検知される。ここで、縦横の各画素列（ライン１，２）に含まれる暗部３６（または明部３８）の数を、その画素列における「線状縞の密度」とも呼ぶ。
【００４４】
図６の右側に示すように、姿勢変化後の２つの線状縞の像は、変化前と比べると、横方向の暗部３６のピッチＰＹは同一で、縦方向の暗部３６のピッチはＰＺからＰＺ’へと小さくなっている。すなわち、横の線状縞の密度は変化せず、縦の線状縞の密度が大きくなっていることが検知される。
同図には、説明の簡素化のため各画素を白黒のみで区別するが、フォトダイオードのような画素であれば、１の画素の信号が照度情報を含んでいる。従って、各画素の照度の変化に基づく画像処理により、線状縞の位置や、線状縞の密度をより正確に取得することができる。また、同図のようにはっきりと暗部３６と明部３８が区別できなくても、照度情報に基づいてこれらの位置情報を正確に取得することができる。
【００４５】
以上のことより、縦の線状縞の密度（ピッチＰＺ）だけが変化した場合は、被照射体１４がＹ軸周りに回転したと判断することができる。そして、密度の変化割合をその回転角度として取得することができる。同様に、横の線状縞の密度（ピッチＰＹ）だけが変化した場合は、被照射体１４がＸ軸周りに回転して姿勢が変化したと判断することができる。
【００４６】
一方、被照射体１４がＺ軸方向に変位した場合には、図７の干渉縞のように投影される干渉縞の明帯３２（または暗帯３４）の数は変化しないで、全ての明帯３２が同じ方向に平行移動する。このような縞の変化を、「縞が流れる」とも呼ぶ。図８は、図７に対応するものであり、姿勢変化前後でイメージセンサ１０が捉える線状縞の像を示す。Ｚ軸方向の変位だけの場合、縦横の各線状縞の密度は変化しない。すなわち、各線状縞の明部（または暗部）のピッチＰＺ，ＰＹは変わらずに、明部（または暗部）の位置のみが移動する。図８に縦方向における特定の暗部４２（または明部４４）の位置の変化を示すと、暗部４２（または明部４４）が縦方向にδＺの寸法だけ移動することが分かる。このような暗部４２の位置の変化量を線状縞の位相の変化量と呼ぶ。
【００４７】
なお、横方向における特定の暗部４６の位置も、横方向にδＺの寸法だけ移動することが分かる。また、縦方向の特定の暗部４２と横方向の特定の暗部４６は、姿勢変化に伴って移動し、同図の右側に示すように共有画素４において一致するので、このような共有画素４の情報から２つの暗部４２，４６は同じ暗帯として接続されることが明確に分かる。
【００４８】
以上の姿勢検出の例のように、被照射体１４の姿勢の３自由度における任意の挙動は、縦横の線状縞の密度と位置（位相）の変化の組み合わせで示される。つまり、イメージセンサ１０のライン１の線状縞の密度がＸ軸周りの傾きに対応し、この線状縞の位相がＺ軸方向の変位に対応する。同様に、ライン２の線状縞の密度がＹ軸周りの傾きに対応し、この線状縞の位相がＺ軸方向の変位に対応する。従って、被照射体のＺ軸変位（一自由度）と、Ｘ軸周りの傾きおよびＹ軸周りの傾き（二自由度）との三自由度の姿勢変化を算出することができる。
なお、ライン１の位相も、ライン２の位相も、共にＺ軸方向の変位に対応するため、Ｚ軸方向の変位はこれらのいずれか又は平均値として求めてもよい。
【００４９】
本実施形態の姿勢検出器２０によれば、一つの干渉縞に対して少なくとも２本の画素列（ライン１，２）を縦方向と横方向に配置することで、一方向の画素列だけで干渉縞の変化を把握するよりも、より正確に縞の変化を把握することができる。
２本以上の画素列（ライン１，２）を用いる場合には、一方の画素列（ライン１）における任意の次数の明部（または暗部）と、他方の画素列（ライン２）における同じ次数の明部（または暗部）とを繋げて、縞の全体像を推定することで、縞の変化を正確に把握することができる。具体的には、本実施形態のイメージセンサ１０のように、２つの画素列が交差する場合は、交差する位置に共有画素４が存在する。または、図２（Ａ）のイメージセンサ１１０のように、互いの画素列が交差しない場合であっても、それぞれの画素列（ライン１−１〜２−２）において他の画素列に接近する位置の画素６が必ず存在する。このような２つの画素列に共有する位置の画素４、または接近する位置の画素６からの情報に基づく画像処理によって、明部同士（または暗部同士）の接続を容易に、かつ、正確に実行することができる。
【００５０】
なお、本実施形態ではマイケルソン型干渉計１２による三自由度の姿勢検出器２０について説明したが、干渉方式はこれに限定されるものではなく、フィゾー型干渉計など他の干渉方式を用いた姿勢検出器でも良い。また、光源１６はレーザ光のような１波長の光を発生するものに限定されるものではなく、複数波長からなる光や白色光を発生する光源でも良く、この場合はＺ軸方向の変位を絶対値として検出することができる。
【００５１】
＜姿勢検出器＞
本発明の第三実施形態に係る姿勢検出器について図面に基づいて説明する。
図９は、格子投影手段５２（光源５４および格子の原版５６）を利用して、被照射体１４の三自由度の姿勢の検出を行う姿勢検出器１２０の光学的構成を示す図である。
【００５２】
光源５４からの光を、格子の原版５６に当てることにより、被照射体１４に形成された反射面２４に格子パターン（縞パターン）を投影する。そして、投影された縞パターンをリクタンギュラーラインイメージセンサ１０にて撮像するようになっている。
【００５３】
本実施形態の姿勢検出器１２０によれば、光源５４、格子の原版５６、イメージセンサ１０という単純な構成で検出器を形成することができる。また、第二の実施形態と同様にリクタンギュラーラインイメージセンサ１０を用いているため応答性も高い。
なお、この姿勢検出器１２０は、いわゆるパターン投影法による被測定物の三次元形状測定の技術をベースとしている。しかし、本発明のリクタンギュラーラインイメージセンサ１０を用いて、これを被照射体１４の姿勢検出という用途に特化させることによって、前述の実施形態と同様に高速応答の姿勢検出器１２０を実現させることができた。
【００５４】
本実施形態の姿勢検出器１２０の検出方法について簡単に説明する。
光源５４または格子の原版５６と被照射体の反射面２４との間隔が増加すると、反射面２４に投影される格子パターンの明帯の幅が広くなる。逆に、その間隔が減少すると、格子パターンの明帯の幅が狭くなる。例えば、撮像素子として、図２（Ａ）に示す４本の画素列（ライン１−１〜２−２）を配置したイメージセンサ１１０を用いた場合、各画素列をセグメント１−１、１−２、２−１、２−２と呼び、セグメント１−１〜２−２に含まれる線状縞の明部（または暗部）の数をＮ１−１、Ｎ１−２、Ｎ２−１、Ｎ２−２として、セグメント１−１と１−２の中心間の距離をＬ１として、セグメント２−１と２−２の中心間の距離をＬ２とする。この場合、Ｘ軸周りの傾きは、［（Ｎ１−１）−（Ｎ１−２）］／Ｌ１に対応し、Ｙ軸周りの傾きは、［（Ｎ２−１）−（Ｎ２−２）］／Ｌ２に対応する。Ｚ軸方向の変位は（Ｎ１−１）＋（Ｎ１−２）＋（Ｎ２−１）＋（Ｎ２−２）に対応する。第二実施形態と同様に、本実施形態においても、被照射体１４の変位（一自由度）と傾き（二自由度）の三自由度の姿勢変化を算出することができる。
【００５５】
なお、本実施形態では格子パターンを投影しているが、投影されるパターンはこれに限定されるものではい。また、光源５４と被照射体１４の間、又は、被照射体１４とイメージセンサ１０の間に、他のパターンの原版を配置して、２つのパターンの干渉により生じるモアレパターンを本発明のリクタンギュラーラインイメージセンサ１０で撮像するように姿勢検出器を構成しても良い。いずれにしても、明部と暗部とがある規則性をもって交互に並ぶような格子パターンであることが、本発明のイメージセンサによる２方向の線状縞を撮像する上で好ましい。
前述の第二実施形態の姿勢検出器２０（図４）は、高い感度での姿勢検出が求められる場合に有用であり、一方、本実施形態の姿勢検出器１２０（図９）は、姿勢の変化が大きい場合や被照射体の反射面２４が粗面である場合に有用である。
【００５６】
＜接触プローブ、および、マルチセンシングプローブ＞
本発明の第四実施形態に係る接触プローブ２２０、および、マルチセンシングプローブ３２０について図面に基づいて説明する。図１０は、図４に示した姿勢検出器２０を接触プローブ２２０の内界センサとして使用した場合の実施例である。
【００５７】
接触プローブ２２０は、前述の姿勢検出器２０をプローブ本体の筐体６２に内蔵している。姿勢検出器２０の具体的な構成については第二実施形態に共通する。一方、姿勢検出器２０のセンシング対象は、予め姿勢検出器２０の下部に設置された可動部６４であり、この可動部６４は、姿勢検出器２０に対し相対的に移動可能となるように、筐体６２に設けられた図示しない支持体によって支持されている。
【００５８】
可動部６４は、被照射体６６、該被照射体６６と一体に動作するスタイラス６８、および、このスタイラス６８の先端に装着され被測定物Ｗの表面に近接または当接する接触子７２を有して構成されている。そして、図示しない支持体は、被測定物Ｗの表面への接触子７２の近接または当接に応じて、可動部６４の姿勢が自在に変化するように、該可動部６４を支持している。ただし、可動部６４は、図４の姿勢検出器の検出方法と同様に、Ｘ軸，Ｙ軸のローテーション、Ｚ方向の併進運動の３自由度のみが運動可能な機構となっている。
【００５９】
この接触プローブ２２０は、内蔵する姿勢検出器２０が可動部６４の姿勢の変化を検出することで、スタイラスの接触子７２が被測定物Ｗの表面からの作用力を受けた際の該接触子７２の三次元座標上の変位を定量的に検出することができる。
【００６０】
なお、姿勢検出器２０は、可動部６４の一部であるスタイラス６８の接触子７２が被測定物Ｗに近接または当接することで変化する可動部６４の姿勢或いは姿勢変化を検出するものであり、このような姿勢検出機能を有するプローブ全体を接触プローブと呼ぶ。スタイラス６８の長さや接触子７２の形状が既知であれば、この接触プローブ２２０は、可動部６４の姿勢から接触子７２の３次元的な位置を同定することが可能となる。本実施形態によると、高速高精度な接触プローブ２２０の実現が非常にシンプルな構造で可能となる。
【００６１】
図１０は接触プローブ２２０の一実施例に過ぎず、例えば、可動部６４の上面を多面体とすることで、可動部６４の６自由度の姿勢検出も可能となる。さらに、図１０に示す可動部６４を姿勢検出器２０から着脱可能とすれば、姿勢検出器２０を外界センサ、内界センサの両方で使用することが可能なマルチセンシングプローブを実現することができる。
図１１にマルチセンシングプローブ３２０の一例を示す。接触プローブの筐体６２の下部に、着脱自在の支持部７４が設けられている。可動部６４はこの支持部７４によって三自由度の姿勢変化が自在になるように支持されている。同図の左側に示すように、支持部７４によって可動部６４が取り付けられた状態では、図１０の接触プローブの機能を発揮することができる。
【００６２】
同図の中央に示すように、可動部６４を支持部７４ごと筐体６２から取り外すことにより、同図の右側に示すように、別の検出対象物８０の姿勢を検出する機能を発揮させることもできる。検出対象物８０は、ベース８６に対して三自由度の姿勢変化が自在になるように支持された可動部８２を有し、この可動部８２の上部に反射面８４が形成されている。反射面８４を、可動部６４の反射面２４と同じ位置に配置することにより、高速高精度に可動部８２の姿勢を検出することができる。
【符号の説明】
【００６３】
２          画素
４          共有の画素
１０，１１０，２１０，３１０，４１０  イメージセンサ
１２        干渉計（マイケルソン干渉計）
１４        被照射体
１６        レーザ光源
１８        参照鏡
２０，１２０  姿勢検出器
２４        反射面
３６        線状縞の暗部
３８        線状縞の明部
５２        パターン投影手段
５４        光源
５６        格子の原版（投影要素）
６２        筐体
６４        可動部
６６        被照射体
６８        スタイラス
７２        接触子
７４        支持部
８０        検出対象物
８４        反射面
２２０      接触プローブ
３２０      マルチセンシングプローブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0005936357.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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