(57)【要約】【課題】  非接触方式でありながら高い測定精度を有し、非接触方式の特長である広い計測領域を保つと共に測定の高速化を両立させた低コストの形状計測装置を提供する。【解決手段】  複数の三次元位置センサを備え、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データをポイントデータ組に変換する変換手段と、変換手段からのポイントデータ組に基き、被計測物の形状を計測する処理装置とを有していることを特徴としている。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の三次元位置センサを備え、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データをポイントデータ組に変換する変換手段と、変換手段からのポイントデータ組に基き、被計測物の形状を計測する処理装置とを有していることを特徴とする形状計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の形状計測装置において、前記変換手段は、複数の三次元位置センサのそれぞれに設けられていることを特徴とする形状計測装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の形状計測装置において、前記変換手段は、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、ｘ，ｙ，ｚからなる３つの位置パラメータからなる３個のポイントデータ組に変換することを特徴とする形状計測装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２記載の形状計測装置において、前記変換手段は、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、ｘ，ｙ，ｚからなる３つの位置パラメータとオイラー角φ，θ，ψとからなる６個のポイントデータ組に変換することを特徴とする形状計測装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の形状計測装置において、複数の三次元位置センサのそれぞれに設けられている各変換手段は、前記処理装置に並列接続されており、各変換手段からのポイントデータ組は、前記処理装置に並列的に入力するようになっていることを特徴とする形状計測装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の形状計測装置において、複数の三次元位置センサのそれぞれに設けられている各変換手段からのポイントデータ組は、前記処理装置に直列信号として入力するようになっていることを特徴とする形状計測装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の形状計測装置において、被計測物に所定の標的を設け、各標的に対する三次元位置センサの撮像領域が標的面積よりも大きく設定されていることを特徴とする形状計測装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の形状計測装置において、被計測物にパターンニングされた所定の標的を設け、該標的に対する三次元位置センサの撮像領域が標的面積よりも小さく設定されていることを特徴とする形状計測装置。
【請求項９】
請求項８記載の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、計測座標に対してＸ方向とＹ方向の直線状パターンからなる構成となっていることを特徴とする形状計測装置。
【請求項１０】
請求項８記載の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、Ｘ方向，Ｙ方向の直線状パターンを複数組み合わせた構成となっていることを特徴とする形状計測装置。
【請求項１１】
請求項９または請求項１０記載の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、Ｘ方向，Ｙ方向の直線状パターンの間隔が異なるものを組み合わせた構成となっていることを特徴とする形状計測装置。
【請求項１２】
請求項８乃至請求項１１のいずれか一項に記載の形状計測装置において、前記標的にはスペクトラムの異なる色分けを施し、前記三次元位置センサの受光部は、これらの色のスペクトラム特性に合致する色フィルターを有していることを特徴とする形状計測装置。
【請求項１３】
請求項８乃至請求項１２のいずれか一項に記載の形状計測装置において、前記標的には、Ｚ軸方向の距離が既知量である凹凸形状物が設けられていることを特徴とする形状計測装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の形状計測装置において、前記標的には、複数の凹凸形状物が設けられ、各凹凸形状物は既知量であるＺ軸方向の距離がそれぞれ異なる値を採ることを特徴とする形状計測装置。
【請求項１５】
請求項１３または請求項１４記載の形状計測装置において、前記標的に設けられる複数の凹凸形状物は、配置において、標的上の凹凸形状物のＸ、Ｙ座標があらかじめ既知となっていることを特徴とする形状計測装置。
【請求項１６】
請求項１３または請求項１４記載の形状計測装置において、前記標的に設けられる凹凸形状物は、Ｚ軸方向の距離が既知量である段差形状を有していることを特徴とする形状計測装置。
【請求項１７】
複数の三次元位置センサを備え、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データをポイントデータ組に変換し、変換されたポイントデータ組に基き、被計測物の形状を計測することを特徴とする形状計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状計測装置および形状計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
所謂三次元計測システムにおいては、大型で高解像度を有する画像入力装置を用いるステレオ視法に基く三次元計測や、定盤上の被計測物に直接測定用の針を接触させ、一点毎に機械的に距離計測を行う触針式法と呼ばれる手法が用いられてきた。
【０００３】
前者は、精度を高めようとすると解像度の向上とそれに伴う処理量の増大から、必然的に高価なシステムとなり、またシステムの原理上からも精度を向上させるのが難しい。それに対して後者は、高精度を得るのは比較的容易であるが、ポイント毎の測定結果から全体形状を求めることから、連続した測定ができないだけではなく測定には多大な時間と労力を要することとなる。また接触式である事から、表面の柔らかいものを測定対象とはできないという欠点を有していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、非接触方式でありながら高い測定精度を有し、非接触方式の特長である広い計測領域を保つと共に測定の高速化を両立させた低コストの形状計測装置および形状計測方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、複数の三次元位置センサを備え、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データをポイントデータ組に変換する変換手段と、変換手段からのポイントデータ組に基き、被計測物の形状を計測する処理装置とを有していることを特徴としている。
【０００６】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の形状計測装置において、前記変換手段は、複数の三次元位置センサのそれぞれに設けられていることを特徴としている。
【０００７】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の形状計測装置において、前記変換手段は、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、ｘ，ｙ，ｚからなる３つの位置パラメータからなる３個のポイントデータ組に変換することを特徴としている。
【０００８】
また、請求項４記載の発明は、請求項１または請求項２記載の形状計測装置において、前記変換手段は、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、ｘ，ｙ，ｚからなる３つの位置パラメータとオイラー角φ，θ，ψとからなる６個のポイントデータ組に変換することを特徴としている。
【０００９】
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の形状計測装置において、複数の三次元位置センサのそれぞれに設けられている各変換手段は、前記処理装置に並列接続されており、各変換手段からのポイントデータ組は、前記処理装置に並列的に入力するようになっていることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の形状計測装置において、複数の三次元位置センサのそれぞれに設けられている各変換手段からのポイントデータ組は、前記処理装置に直列信号として入力するようになっていることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の形状計測装置において、被計測物に所定の標的を設け、各標的に対する三次元位置センサの撮像領域が標的面積よりも大きく設定されていることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の形状計測装置において、被計測物にパターンニングされた所定の標的を設け、該標的に対する三次元位置センサの撮像領域が標的面積よりも小さく設定されていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項９記載の発明は、請求項８記載の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、計測座標に対してＸ方向とＹ方向の直線状パターンからなる構成となっていることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項１０記載の発明は、請求項８記載の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、Ｘ方向，Ｙ方向の直線状パターンを複数組み合わせた構成となっていることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項１１記載の発明は、請求項９または請求項１０記載の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、Ｘ方向，Ｙ方向の直線状パターンの間隔が異なるものを組み合わせた構成となっていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項１２記載の発明は、請求項８乃至請求項１１のいずれか一項に記載の形状計測装置において、前記標的にはスペクトラムの異なる色分けを施し、前記三次元位置センサの受光部は、これらの色のスペクトラム特性に合致する色フィルターを有していることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項１３記載の発明は、請求項８乃至請求項１２のいずれか一項に記載の形状計測装置において、前記標的には、Ｚ軸方向の距離が既知量である凹凸形状物が設けられていることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項１４記載の発明は、請求項１３記載の形状計測装置において、前記標的には、複数の凹凸形状物が設けられ、各凹凸形状物は既知量であるＺ軸方向の距離がそれぞれ異なる値を採ることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項１５記載の発明は、請求項１３または請求項１４記載の形状計測装置において、前記標的に設けられる複数の凹凸形状物は、配置において、標的上の凹凸形状物のＸ、Ｙ座標があらかじめ既知となっていることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項１６記載の発明は、請求項１３または請求項１４記載の形状計測装置において、前記標的に設けられる凹凸形状物は、Ｚ軸方向の距離が既知量である段差形状を有していることを特徴としている。
【００２１】
また、請求項１７記載の発明は、複数の三次元位置センサを備え、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データをポイントデータ組に変換し、変換されたポイントデータ組に基き、被計測物の形状を計測することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１乃至請求項１７記載の発明によれば、複数の三次元位置センサを備え、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを変換手段でポイントデータ組に変換し、変換されたポイントデータ組に基き、被計測物の形状を計測するので、このようなシステムにおいて発生する膨大な三次元データ量の問題を解決し、高速にデータ処理が行え、且つ高精度で、低コストの制御を行わせることができる。具体的には、変換処理手段での処理として、三次元位置センサからの画像データを基に平均値を求める等の処理を行なって、３〜６個のポイントデータとして出力するようにしたので、データ量を大幅に減らせる。
【００２３】
特に、請求項３記載の発明では、請求項１または請求項２記載の形状計測装置において、前記変換手段は、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、ｘ，ｙ，ｚからなる３つの位置パラメータからなる３個のポイントデータ組に変換するようにしており、被計測物から得た三次元画像データをそのまま用いるのではなく、夫々の三次元位置センサの計測域に関する代表値としてｘ，ｙ，ｚの３つの位置パラメータからなる３個のポイントデータ組として出力するようにしている。これにより、三次元画像データをそのまま取り扱う場合に比べ、大幅にデータの量を低減でき、後段の処理や通信量のようなシステムへの負担を軽減する事ができる。また、これらのポイントデータから三次元位置センサが離れて設置されているために計測できていない箇所のデータの補完を行い、連続した被計測物全体の形状を得るようにすることで、高速な計測が可能になると同時に、計測のみならずアクチュエータの動きを監視しコントロールを行うために必須である、高速動作が求められる制御系の帰還信号として用いることも可能となる。これを用いた動体の計測制御の例として、アクチュエータを有する面状の被計測物に本発明を適用して自由な曲面を得るような制御も行える。また、この場合、異なる有効測定距離を持つ三次元位置センサを組合せて用いる事により、被計測物が小さなものから大きなものであっても、高精度の計測を可能としている。
【００２４】
また、請求項４記載の発明では、請求項１または請求項２記載の形状計測装置において、前記変換手段は、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、ｘ，ｙ，ｚからなる３つの位置パラメータとオイラー角φ，θ，ψとからなる６個のポイントデータ組に変換するようにしている。すなわち、被計測物からの三次元位置データをサンプリングして、ｘ，ｙ，ｚの３つの位置パラメータとそれぞれの軸の回転角であるオイラー角φ，θ，ψとからなる６個のポイントデータ組として出力するようにしている。これにより、三次元画像データをそのまま取り扱う場合に比べ、請求項３の発明と同様に、大幅にデータの量を低減できる。さらに、請求項４記載の発明では、請求項３と比べ、ポイントデータが回転角をも有するデータとなっているため、これらポイントデータにより計測していない部分のデータを後のデータ処理により補完するに際し、位置だけのポイントデータの場合と比べ、高い精度を得ることができる。
【００２５】
また、請求項６記載の発明では、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の形状計測装置において、複数の三次元位置センサのそれぞれに設けられている各変換手段からのポイントデータ組は、前記処理装置に直列信号として入力するようになっており、各変換手段からのポイントデータをシリアル（直列）信号として処理装置に送り、形状計測を行わせるようにしているので、信号線の数を減少させることができて、配置の自由度の制約のみならず配線面積が増大し、大型化，動作の不安定化，コスト増等の問題を解決する事ができる。
【００２６】
すなわち、請求項５記載の発明では、変換手段からのポイントデータを処理手段に送るに際しては並列接続を用いていた。しかし、この場合、精度良く形状計測を行うためには三次元位置センサを多数設ける必要があることから、処理手段への接続線の数が膨大となり、配置の自由度の制約のみならず配線面積が増大し、大型化，動作の不安定化，コスト増等の問題があった。
【００２７】
これに対し、請求項６の発明は、各変換手段からのポイントデータをシリアル（直列）信号として処理手段に送ることから、信号線の数を減少させることができて、配置の自由度の制約のみならず配線面積が増大し、大型化，動作の不安定化，コスト増等の問題を解決する事ができる。
【００２８】
また、請求項７記載の発明では、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の形状計測装置において、被計測物に所定の標的を設け、各標的に対する三次元位置センサの撮像領域が標的面積よりも大きく設定されるようにしており、被計測物表面に設けた標的の変位のみをサンプリング計測するようにすることにより、画像データからポイントデータに変換する際の演算量を減らす事ができ、より高速な処理を安価に提供できる。また標的とその設置面（背景）とのコントラストを明瞭にする事で、三次元位置センサからの画像データにおける標的のエッジが明瞭になる事から、ＸＹの移動量を精度良く検知できる。この結果、時間的に連続した撮影を行う事で移動量の計測をより正確に行なうことができる。
【００２９】
すなわち、在来の形状計測では、直接、被計測物の形状の測定を行うのを常としており、この場合には、微妙なコントラストを基に計測しなければならず、また反射等の問題も有り、精度も良くなく、処理にも多大な時間や労力を費やしていたが、請求項７の発明においては、所定の標的を被計測物表面に設ける事で、間接的な手法で被計測物の形状を測定する事から、上記のような問題は発生しない。また、この場合の三次元位置センサの計測領域を標的よりも大きなものと設定することにより、標的と計測領域が同等の大きさである場合に比べ、被計測物の大きな変位（移動）に伴いセンサが標的を見失う欠点を緩和することができる。
【００３０】
また、請求項８記載の発明では、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の形状計測装置において、被計測物にパターンニングされた所定の標的を設け、該標的に対する三次元位置センサの撮像領域が標的面積よりも小さく設定されていることを特徴としている。すなわち、被計測物に設ける標的の大きさを三次元位置センサの計測領域よりも大きい面積で且つ人為的にパターンニングされたものとしている。これにより、被計測物が大きな変位を持った場合でも計測領域から標的がはずれることが少ない。また、請求項７の発明では、標的を逃さないためには三次元位置センサの計測領域を大きく設定しなければならず、このため解像度（精度）を向上させるためには多数の画素数が必要となり、大型でしかも高価となる欠点があったが、請求項８の発明では、計測領域を小さくする事ができ、同じ画素数でも標的に対し相対的に高解像度を有することから高精度の計測が行える。さらに、標的にパターニングを施すようにしたので、そのパターンの特徴を検知することで、標的の動きを得るに際し、移動量を明確にすることができて、高精度の三次元計測が行える。
【００３１】
また、請求項９記載の発明では、請求項８記載の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、計測座標に対してＸ方向とＹ方向の直線状パターンからなる構成となっていることを特徴としている。すなわち、標的は、パターンニングをＸ方向に並べたものとＹ方向に並べたものとのパターンの組合せとしている。被計測物及び標的の動きを検出するにあたり、三次元位置センサにより直前に撮影した画像との差分をとることにより、現在のＸＹ座標の移動量を求めるが、これに際してＸ方向とＹ方向に直線状パターンを有する事から、標的内に有る画像上のパターンのコントラストが明瞭となり、三次元位置センサに取り込まれた標的画像のパターンエッジが明瞭となる事から、微細な被計測物及び標的の動きをも確実に検出する事ができる。
【００３２】
また、請求項１０記載の発明では、請求項８記載の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、Ｘ方向，Ｙ方向の直線状パターンを複数組み合わせた構成となっていることを特徴としている。すなわち、請求項１０記載の発明では、請求項９のＸ，Ｙ方向の直線状パターンを複数組み合わせるようにしている。請求項９の発明では、被計測物が大きく動いた場合、Ｘ方向若しくはＹ方向一つだけのパターンを用いて計測せざるを得ないこととなる。この場合、Ｘ方向の線状パターンのみを用いた計測ではＸ方向の動き量（変位）を精度良く検出するのは困難となる。これに対して、請求項１０の発明においては、複数のＸＹパターンを有しており、この不具合を避ける事ができる事から、より高精度の計測が可能となる。
【００３３】
また、口型や田方のようなパターンは、請求項１０の発明の延長上にあるものとみなす事ができる。
【００３４】
また、波形のような曲線を有するパターンも同様に、請求項１０の発明の延長上にあるものとみなす事ができるが、三次元位置センサに取り込まれた標的画像の処理量において不利となり、処理時間の低下を招く。
【００３５】
また、請求項１１記載の発明では、請求項９または請求項１０記載の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、Ｘ方向，Ｙ方向の直線状パターンの間隔が異なるものを組み合わせた構成となっていることを特徴としている。すなわち、請求項１１記載の発明では、請求項９，請求項１０における発明における直線パターンの間隔を適宜変化を持たせたものとしている。請求項９，請求項１０の発明では、三次元位置センサの撮影周期と被計測物及び標的の移動量が標的のパターンの周期と一致した場合、検出が困難若しくは移動量を算出する演算に時間がかかる不具合がある。これに対し、請求項１１の発明では、例えば１／ｆの揺らぎや、乱数などを用いてパターンの周期性を無くする事により、この不具合を避ける事ができる事から、より信頼性の高い計測が可能となる。
【００３６】
また、請求項１２記載の発明では、請求項８乃至請求項１１のいずれか一項に記載の形状計測装置において、前記標的にはスペクトラムの異なる色分けを施し、前記三次元位置センサの受光部は、これらの色のスペクトラム特性に合致する色フィルターを有していることを特徴としている。すなわち、請求項１２記載の発明では、標的内の座標（位置）を表すパターンをそれぞれスペクトラム（色）の異なるパターンとし、三次元位置センサの受光部にはこれら標的内パターンのスペクトラムを区別するための色フィルターを設けている。
【００３７】
標的が撮像領域より充分に大きな場合、標的と被計測物が例えば外乱等の影響で撮像周期より高速に撮像領域外まで移動してしまうと、三次元位置センサの画像からだけでは標的内の何処を計測しているかが判らなくなり、正しい座標情報を得られない事となる。請求項１２の発明においては、前述したように標的内の大まかな位置をスペクトラム情報として持つ事により、この不具合を避ける事ができる事から、より高信頼性を有する計測が可能となる。
【００３８】
また、請求項１３記載の発明では、標的内にＺ軸方向の距離が予め既知の凹凸形状物を設けており、この値をＺ軸方向の較正値として用いることにより、高精度の計測が行える。
【００３９】
また、これを用いてＺ軸方向の較正を随時行うことで、三次元入力素子，インデックス光源等のシステム構成要素の温度変化や経時変化等のシステム不安定要因が有っても、これの影響を逃れ、安定な計測を行うことが出来る。
【００４０】
また、この凹凸形状は被計測物自体に突起等を設けるようにすることで、被計測物に標的を追加添付する必要がなく、低コストのシステムが出来る。
【００４１】
また、請求項１４記載の発明では、請求項１３の発明において、更にＺ軸方向に異なる既知の値を持つ凹凸形状物を設けるようにしており、Ｚ軸方向の較正において中間値をも利用できる事から、Ｚ軸方向精度のリニアリティを確保でき、よりＺ軸方向の較正が正確となり、Ｚ軸方向の距離測定において高精度の計測が行える。
【００４２】
また、請求項１４記載の発明においても、請求項１３の発明と同様に随時較正を行うことで、三次元入力素子，インデックス光源等のシステム構成要素の温度変化や経時変化等のシステム不安定要因が有っても、これの影響を逃れ、安定な計測を行うことが出来る。
【００４３】
また、請求項１５記載の発明では、請求項１３または請求項１４の発明における凹凸形状物を、標的上の予め定めたＸ，Ｙ座標上に配置するようにしており、この組み合わせから請求項１２で示したと同様に、標的内の大まかな位置を凹凸形状物の配置として持つ。
【００４４】
これにより、請求項１２の発明でも述べた、「標的が撮像領域より充分に大きな場合、標的と被計測物が例えば外乱等の影響で撮像周期より高速に撮像領域外まで移動してしまうと、三次元位置センサの画像からだけでは標的内の何処を計測しているかが判らなくなり、正しい座標情報を得られない事となる」という不具合を避ける事ができ、より高信頼性を有する計測が可能となる。
【００４５】
また、請求項１６記載の発明では、請求項１３または請求項１４記載の形状計測装置において、前記標的に設けられる凹凸形状物は、Ｚ軸方向の距離が既知量である段差形状を有していることを特徴としている。すなわち、請求項１６記載の発明では、標的にＺ軸方向に複数の距離が既知である段差を有する凹凸形状物を設けている。これにより、この段差の値をＺ軸方向の較正値として用いることにより、高精度の三次元計測が行える。これにより、１つの凹凸形状物で請求項１４に述べた発明と同様の効果を得られることから、より小型，低価格での計測が可能となる。
【００４６】
また、随時較正を行うことで、三次元入力素子，インデックス光源等の温度や経時変化に対しても、安定な計測を行うことが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００４８】
従来、小型の光学デバイスとしては、フォトカプラやＰＳＤセンサ（例えばシャープ製：型名ＧＰ２Ｄ１２）があげられる。
【００４９】
これらは発光素子と受光素子を組み合わせた素子であるが、前者は単に物体の有無を検知するものであり、後者は距離のみを検知するもので、三次元物体の計測を意図したものではない。
【００５０】
また、このような小型の光学デバイスを用いて高精度の三次元計測が実現出来たとしても、このようなデバイスの場合、原理的にその測定領域は光学素子（レンズ）やデバイスに制限される極めて小さな範囲しか測定出来ないものとなってしまい、大きな被計測物を高精度で測定することが出来なかった。
【００５１】
このような微少領域を高精度で計測可能な三次元計測装置用の計測素子を実現させるためのものとして、平成１５年２月１９日に出願された本願出願人による先願（特願平１５−４１０７２号）がある。
【００５２】
この先願は、光を出射する発光部と物体により反射した光を受光する受光部とが一体化され前記受光部が受光した光に基づいて前記物体の位置情報を三角測量法のの原理を用いて取得する三次元位置センサを複数備え、複数の前記三次元位置センサが取得した前記物体の位置情報に基づいて前記物体の形状を計測するようになっている。
【００５３】
この先願によれば、微少領域を高精度で三次元計測が可能なだけでなく、測定領域を広く取ることが出来、且つ高精度で計測出来る。すなわち、被計測物が小さな形状から大きな形状であっても、高精度での計測が可能な三次元計測装置を低コストで実現出来る。
【００５４】
しかし、このような微少な三次元位置センサ素子を複数組み合わせて三次元計測を行わせる場合、各素子から大量の画像データ若しくは三次元データが発生するため、これらを高速に処理する場合には演算能力や通信帯域幅に問題が生じる。
【００５５】
即ち、これらのデータ量は膨大なものであり、三次元全体の画像を認識し、これによる制御システム構成しようとした場合には、高速なデータ処理が出来ず、システムを構成することが困難となるという問題を抱えていた。
【００５６】
例えばこのような三次元計測装置の応用例として、多関節、超多関節、若しくは筋肉型アクチュエータを有するロボットにおいて、三次元位置センサによってこれらの動きを計測し、ＮＦＢ（負帰還）制御を行うことが考えられる。しかし、この場合、膨大な量の三次元データが発生するため、このような従来用いられた構成において高速な制御は困難であった。
【００５７】
本発明は、更に、このようなシステムにおいて発生する膨大な三次元データ量の問題を解決し、高速にデータ処理が行え、且つ高精度で、低コストの制御を行わせる三次元位置計測装置を実現することを意図している。
【００５８】
そして、これにより、例えば、複数の三次元位置センサを組み合わせた高速の三次元動体計測、及びこれを用いた制御システムを可能にすることを意図している。
【００５９】
（第１の形態）
本発明の第１の形態は、複数の三次元位置センサを備え、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データをポイントデータ組に変換する変換手段と、変換手段からのポイントデータ組に基き、被計測物の形状を計測する処理装置とを有していることを特徴としている。
【００６０】
ここで、各三次元位置センサとしては、例えば、光を出射する発光部と、物体により反射した光を受光する受光部と、この受光部が受光した光に基づいて前記物体の三次元位置情報を三角測量法の原理を用いて取得する処理部とを単一の基板上に備えた構成のものを用いることができる。
【００６１】
第１の形態によれば、複数の三次元位置センサを備え、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データをポイントデータ組に変換し、変換されたポイントデータ組に基き、被計測物の形状を計測するので、このようなシステムにおいて発生する膨大な三次元データ量の問題を解決し、高速にデータ処理が行え、且つ高精度で、低コストの制御を行わせることができる。
【００６２】
（第２の形態）
本発明の第２の形態は、第１の形態の形状計測装置において、前記変換手段は、複数の三次元位置センサのそれぞれに設けられていることを特徴としている。
【００６３】
この場合、変換手段としての機能は、三次元位置センサの処理部にもたせることができる。
【００６４】
（第３の形態）
本発明の第３の形態は、第１または第２の形態の形状計測装置において、前記変換手段は、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、ｘ，ｙ，ｚからなる３つの位置パラメータからなる３個のポイントデータ組に変換することを特徴としている。
【００６５】
第３の形態では、第１または第２の形態の形状計測装置において、前記変換手段は、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、ｘ，ｙ，ｚからなる３つの位置パラメータからなる３個のポイントデータ組に変換するようにしており、被計測物から得た三次元画像データをそのまま用いるのではなく、夫々の三次元位置センサの計測域に関する代表値としてｘ，ｙ，ｚの３つの位置パラメータからなる３個のポイントデータ組として出力するようにしている。これにより、三次元画像データをそのまま取り扱う場合に比べ、大幅にデータの量を低減でき、後段の処理や通信量のようなシステムへの負担を軽減する事ができる。また、これらのポイントデータから三次元位置センサが離れて設置されているために計測できていない箇所のデータの補完を行い、連続した被計測物全体の形状を得るようにすることで、高速な計測が可能になると同時に、計測のみならずアクチュエータの動きを監視しコントロールを行うために必須である、高速動作が求められる制御系の帰還信号として用いることも可能となる。これを用いた動体の計測制御の例として、アクチュエータを有する面状の被計測物に本発明を適用して自由な曲面を得るような制御も行える。また、この場合、異なる有効測定距離を持つ三次元位置センサを組合せて用いる事により、被計測物が小さなものから大きなものであっても、高精度の計測を可能としている。
【００６６】
（第４の形態）
本発明の第４の形態は、第１または第２の形態の形状計測装置において、前記変換手段は、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、ｘ，ｙ，ｚからなる３つの位置パラメータとオイラー角φ，θ，ψとからなる６個のポイントデータ組に変換することを特徴としている。
【００６７】
すなわち、被計測物からの三次元位置データをサンプリングして、ｘ，ｙ，ｚの３つの位置パラメータとそれぞれの軸の回転角であるオイラー角φ，θ，ψとからなる６個のポイントデータ組として出力するようにしている。これにより、三次元画像データをそのまま取り扱う場合に比べ、請求項３の発明と同様に、大幅にデータの量を低減できる。さらに、請求項４記載の発明では、請求項３と比べ、ポイントデータが回転角をも有するデータとなっているため、これらポイントデータにより計測していない部分のデータを後のデータ処理により補完するに際し、位置だけのポイントデータの場合と比べ、高い精度を得ることができる。
【００６８】
（第５の形態）
本発明の第５の形態は、第１乃至第４のいずれかの形態の形状計測装置において、複数の三次元位置センサのそれぞれに設けられている各変換手段は、前記処理装置に並列接続されており、各変換手段からのポイントデータ組は、前記処理装置に並列的に入力するようになっていることを特徴としている。
【００６９】
（第６の形態）
本発明の第６の形態は、第１乃至第４のいずれかの形態の形状計測装置において、複数の三次元位置センサのそれぞれに設けられている各変換手段からのポイントデータ組は、前記処理装置に直列信号として入力するようになっていることを特徴としている。
【００７０】
すなわち、第６の形態では、第１乃至第４のいずれかの形態の形状計測装置において、複数の三次元位置センサのそれぞれに設けられている各変換手段からのポイントデータ組は、前記処理装置に直列信号として入力するようになっており、各変換手段からのポイントデータをシリアル（直列）信号として処理装置に送り、形状計測を行わせるようにしている。
【００７１】
前述した第５の形態では、変換手段からのポイントデータを処理手段に送るに際しては並列接続を用いていた。しかし、この場合、精度良く形状計測を行うためには三次元位置センサを多数設ける必要があることから、処理手段への接続線の数が膨大となり、配置の自由度の制約のみならず配線面積が増大し、大型化，動作の不安定化，コスト増等の問題があった。
【００７２】
これに対し、第６の形態では、各変換手段からのポイントデータをシリアル（直列）信号として処理手段に送ることから、信号線の数を減少させることができて、配置の自由度の制約のみならず配線面積が増大し、大型化，動作の不安定化，コスト増等の問題を解決する事ができる。
【００７３】
（第７の形態）
本発明の第７の形態は、第１乃至第６のいずれかの形態の形状計測装置において、被計測物に所定の標的を設け、各標的に対する三次元位置センサの撮像領域が標的面積よりも大きく設定されていることを特徴としている。
【００７４】
第７の形態では、第１乃至第６のいずれかの形態の形状計測装置において、被計測物に所定の標的を設け、各標的に対する三次元位置センサの撮像領域が標的面積よりも大きく設定されるようにしており、被計測物表面に設けた標的の変位のみをサンプリング計測するようにすることにより、画像データからポイントデータに変換する際の演算量を減らす事ができ、より高速な処理を安価に提供できる。また標的とその設置面（背景）とのコントラストを明瞭にする事で、三次元位置センサからの画像データにおける標的のエッジが明瞭になる事から、ＸＹの移動量を精度良く検知できる。この結果、時間的に連続した撮影を行う事で移動量の計測をより正確に行なうことができる。
【００７５】
すなわち、在来の形状計測では、直接、被計測物の形状の測定を行うのを常としており、この場合には、微妙なコントラストを基に計測しなければならず、また反射等の問題も有り、精度も良くなく、処理にも多大な時間や労力を費やしていたが、第７の形態では、所定の標的を被計測物表面に設ける事で、間接的な手法で被計測物の形状を測定する事から、上記のような問題は発生しない。また、この場合の三次元位置センサの計測領域を標的よりも大きなものと設定することにより、標的と計測領域が同等の大きさである場合に比べ、被計測物の大きな変位（移動）に伴いセンサが標的を見失う欠点を緩和することができる。
【００７６】
（第８の形態）
本発明の第８の形態は、第１乃至第６のいずれかの形態の形状計測装置において、被計測物にパターンニングされた所定の標的を設け、該標的に対する三次元位置センサの撮像領域が標的面積よりも小さく設定されていることを特徴としている。
【００７７】
すなわち、第８の形態では、被計測物に設ける標的の大きさを三次元位置センサの計測領域よりも大きい面積で且つ人為的にパターンニングされたものとしている。これにより、被計測物が大きな変位を持った場合でも計測領域から標的がはずれることが少ない。また、第７の形態では、標的を逃さないためには三次元位置センサの計測領域を大きく設定しなければならず、このため解像度（精度）を向上させるためには多数の画素数が必要となり、大型でしかも高価となる欠点があったが、第８の形態では、計測領域を小さくする事ができ、同じ画素数でも標的に対し相対的に高解像度を有することから高精度の計測が行える。さらに、標的にパターニングを施すようにしたので、そのパターンの特徴を検知することで、標的の動きを得るに際し、移動量を明確にすることができて、高精度の三次元計測が行える。
【００７８】
（第９の形態）
本発明の第９の形態は、第８の形態の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、計測座標に対してＸ方向とＹ方向の直線状パターンからなる構成となっていることを特徴としている。
【００７９】
すなわち、第９の形態では、標的は、パターンニングをＸ方向に並べたものとＹ方向に並べたものとのパターンの組合せとしている。被計測物及び標的の動きを検出するにあたり、三次元位置センサにより直前に撮影した画像との差分をとることにより、現在のＸＹ座標の移動量を求めるが、これに際してＸ方向とＹ方向に直線状パターンを有する事から、標的内に有る画像上のパターンのコントラストが明瞭となり、三次元位置センサに取り込まれた標的画像のパターンエッジが明瞭となる事から、微細な被計測物及び標的の動きを確実に検出する事ができる。
【００８０】
（第１０の形態）
本発明の第１０の形態は、第８の形態の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、Ｘ方向，Ｙ方向の直線状パターンを複数組み合わせた構成となっていることを特徴としている。
【００８１】
すなわち、第１０の形態では、第９の形態のＸ，Ｙ方向の直線状パターンを複数組み合わせるようにしている。第９の形態では、被計測物が大きく動いた場合、Ｘ方向若しくはＹ方向一つだけのパターンを用いて計測せざるを得ないこととなる。この場合、Ｘ方向の線状パターンのみを用いた計測ではＸ方向の動き量（変位）を精度良く検出するのは困難となる。これに対して、第１０の形態においては、複数のＸＹパターンを有しており、この不具合を避ける事ができる事から、より高精度の計測が可能となる。
【００８２】
また、口型や田方のようなパターンは、第１０の形態の延長上にあるものとみなす事ができる。
【００８３】
また、波形のような曲線を有するパターンも同様に、第１０の形態の延長上にあるものとみなす事ができるが、三次元位置センサに取り込まれた標的画像の処理量において不利となり、処理時間の低下を招く。
【００８４】
（第１１の形態）
本発明の第１１の形態は、第９または第１０の形態の形状計測装置において、前記標的のパターンニングは、Ｘ方向，Ｙ方向の直線状パターンの間隔が異なるものを組み合わせた構成となっていることを特徴としている。
【００８５】
すなわち、第１１の形態では、第９，第１０の形態における発明における直線パターンの間隔を適宜変化を持たせたものとしている。第９，第１０の形態では、三次元位置センサの撮影周期と被計測物及び標的の移動量が標的のパターンの周期と一致した場合、検出が困難若しくは移動量を算出する演算に時間がかかる不具合がある。これに対し、第１１の形態では、例えば１／ｆの揺らぎや、乱数などを用いてパターンの周期性を無くする事により、この不具合を避ける事ができる事から、より信頼性の高い計測が可能となる。
【００８６】
（第１２の形態）
本発明の第１２の形態は、第８乃至第１１のいずれかの形態の形状計測装置において、前記標的にはスペクトラムの異なる色分けを施し、前記三次元位置センサの受光部は、これらの色のスペクトラム特性に合致する色フィルターを有していることを特徴としている。
【００８７】
すなわち、第１２の形態では、標的内の座標（位置）を表すパターンをそれぞれスペクトラム（色）の異なるパターンとし、三次元位置センサの受光部にはこれら標的内パターンのスペクトラムを区別するための色フィルターを設けている。
【００８８】
標的が撮像領域より充分に大きな場合、標的と被計測物が例えば外乱等の影響で撮像周期より高速に撮像領域外まで移動してしまうと、三次元位置センサの画像からだけでは標的内の何処を計測しているかが判らなくなり、正しい座標情報を得られない事となる。第１２の形態では、前述したように標的内の大まかな位置をスペクトラム情報として持つ事により、この不具合を避ける事ができる事から、より高信頼性を有する計測が可能となる。
【００８９】
（第１３の形態）
本発明の第１３の形態は、第８乃至第１２のいずれかの形態の形状計測装置において、前記標的には、Ｚ軸方向の距離が既知量である凹凸形状物が設けられていることを特徴としている。
【００９０】
第１３の形態では、標的内にＺ軸方向の距離が予め既知の凹凸形状物を設けており、この値をＺ軸方向の較正値として用いることにより、高精度の計測が行える。
【００９１】
また、これを用いてＺ軸方向の較正を随時行うことで、三次元入力素子，インデックス光源等のシステム構成要素の温度変化や経時変化等のシステム不安定要因が有っても、これの影響を逃れ、安定な計測を行うことが出来る。
【００９２】
また、この凹凸形状は被計測物自体に突起等を設けるようにすることで、被計測物に標的を追加添付する必要がなく、低コストのシステムが出来る。
【００９３】
（第１４の形態）
本発明の第１４の形態は、第１３の形態の形状計測装置において、前記標的には、複数の凹凸形状物が設けられ、各凹凸形状物は既知量であるＺ軸方向の距離がそれぞれ異なる値を採ることを特徴としている。
【００９４】
第１４の形態では、第１３の形態において、更にＺ軸方向に異なる既知の値を持つ凹凸形状物を設けるようにしており、Ｚ軸方向の較正において中間値をも利用できる事から、Ｚ軸方向精度のリニアリティを確保でき、よりＺ軸方向の較正が正確となり、Ｚ軸方向の距離測定において高精度の計測が行える。
【００９５】
また、第１３の形態と同様に随時較正を行うことで、三次元入力素子，インデックス光源等のシステム構成要素の温度変化や経時変化等のシステム不安定要因が有っても、これの影響を逃れ、安定な計測を行うことが出来る。
【００９６】
（第１５の形態）
本発明の第１５の形態は、第１３または第１４の形態の形状計測装置において、前記標的に設けられる複数の凹凸形状物は、配置において、標的上の凹凸形状物のＸ、Ｙ座標があらかじめ既知となっていることを特徴としている。
【００９７】
すなわち、第１５の形態では、第１３または第１４の形態における凹凸形状物を、標的上の予め定めたＸ，Ｙ座標上に配置するようにしており、この組み合わせから第１２の形態で示したと同様に、標的内の大まかな位置を凹凸形状物の配置として持つ。
【００９８】
これにより、第１２の形態でも述べた、「標的が撮像領域より充分に大きな場合、標的と被計測物が例えば外乱等の影響で撮像周期より高速に撮像領域外まで移動してしまうと、三次元位置センサの画像からだけでは標的内の何処を計測しているかが判らなくなり、正しい座標情報を得られない事となる」という不具合を避ける事ができ、より高信頼性を有する計測が可能となる。
【００９９】
（第１６の形態）
本発明の第１６の形態は、第１３または第１４の形態の形状計測装置において、前記標的に設けられる凹凸形状物は、Ｚ軸方向の距離が既知量である段差形状を有していることを特徴としている。
【０１００】
すなわち、第１６の形態では、標的にＺ軸方向に複数の距離が既知である段差を有する凹凸形状物を設けている。これにより、この段差の値をＺ軸方向の較正値として用いることにより、高精度の三次元計測が行える。これにより、１つの凹凸形状物で第１４の形態で述べたと同様の効果を得られることから、より小型，低価格での計測が可能となる。
【０１０１】
また、随時較正を行うことで、三次元入力素子，インデックス光源等の温度や経時変化に対しても、安定な計測を行うことが出来る。
【０１０２】
在来の画像による三次元入力システムでは、被計測物を見たままの自然画像として扱ってきた。本発明においては画像による三次元入力の手法を採りながらも、敢えて直接画像をデータとしては用いず、被計測物の一部を計測した画像を基にｘ，ｙ，ｚからなる座標（位置）の３パラメータ、若しくはそれにｘ，ｙ，ｚ夫々の軸の回転角であるφ，θ，ψを加えた６パラメータとして変換する事で、データ量を著しく減少させている。それにより、システムの通信量及び後段の処理量を減らせる事から、計測の高速化、小型化、低コスト化を果たせる。また、被計測物の全体像は、これらｘ，ｙ，ｚ，φ，θ，ψの離散化されたデータより再び画像データに戻す事ができ、これを用いた計測を可能としている。
【０１０３】
また、想定している被計測物は、主として機械制御が目的であり、人工的環境で用いられる事から、画像入力装置の対象として自然画像として被計測物を扱うのではなく、システムの一部として被計測物に人工的にデザインした標的を設け、この標的を画像入力装置を用いて計測することにより、安定で高精度の計測を可能としている。
【０１０４】
上述の例では、変換手段としての機能は、三次元位置センサの処理部にもたせるとしたが、変換手段の機能を処理部とは別体に設けることもできる。但し、変換手段の機能が処理部内に設けられている方が、小型化等にとって好ましい。
【０１０５】
また、上述の例では、各三次元位置センサとして、光を出射する発光部と、物体により反射した光を受光する受光部と、この受光部が受光した光に基づいて前記物体の三次元位置情報を三角測量法の原理を用いて取得する処理部とを単一の基板上に備えた構成のものを用いることができるとしたが、これ以外の構成のものを用いることもできる。例えば、処理部が発光部，受光部とは別の基板上に構成されていても良く、各三次元位置センサが任意の構成になっていても、本発明を同様に適用できる。
【０１０６】
以下に本発明の基本的な構成例に関して説明する。
【０１０７】
先ず、本発明の基本的な構成例は、図１に示すように、動体であることも考慮した被計測物に対し、三次元位置センサを設けた三次元位置検出装置を想定している。
【０１０８】
図２には、三次元位置センサの基本構成例が示されている。図２を参照すると、三次元位置センサは、被計測物に対し、光源（発光部）から濃度傾斜を有する濃度パターンを被計測物に照射し、それからの反射光を画像入力装置（受光部）で受け、この画像入力装置（受光部）からの出力を用い、図３に示すような位置データ算出器（処理部内のＸＹ方向演算器，Ｚ方向演算器）で処理を行う事により、画像入力装置（受光部）と被計測物との距離（Ｚ）を計測する事が出来る。これは、強度比法として広く知られている。強度比法は、被測定物を含む対象空間に濃度分布を有する２次元画像を投影し、そのパターンが照射された空間を画像入力装置（受光部）を用いて撮影し、それを基に、三次元情報を得る方式である。強度比法は良く知られた方式でもあり、これ以上の説明は行わない。もちろん本方式は本発明の１つの例であり、その他の測距方式を用いても本発明の基本的効果を損なうものではない。
【０１０９】
本発明をより具体的に説明する。
【０１１０】
本発明における三次元位置センサとしては、前述した先願におけるものと同様のものを用いることができる。
【０１１１】
また、本発明では、図１に示したように、被計測物が動体である場合も想定している。
【０１１２】
被計測物の面を自由な形状に制御しようとした場合や、或いは、多関節，超多関節，若しくは筋肉型のロボットなどにおいて、三次元位置センサによってこれらの形状を把握し、この三次元データを基に、これら被計測物のＮＦＢ（負帰還）制御を行おうとした場合、従来方式のセンサでは、処理に時間がかかりすぎたり、大型過ぎて手足の中に入らない等の問題があり、適当な解決策が見当らない。
【０１１３】
例えば接触型においては、大型で非常に多くの素子数を必要とし機械的な装置である事から信頼性にも問題がある。また、静電容量型で行おうとした場合には、計測速度が遅く、また雑音環境に弱い等の問題が多い。
【０１１４】
ここで先願のような三次元位置センサを使い、これからの計測データによる三次元データをもとにしたＮＦＢ制御を行えば上記の問題をクリアできるだけでなく、集積化が可能なのでインテリジェントなアクチュエータを作れる。
【０１１５】
しかし、このようなシステムにおいて、被計測物の面を自由な形状に制御する場合や、動体の制御を行うために三次元データを用いようとすると、在来の三次元計測方式ではそのデータ量は膨大なものとなり、データ処理が困難であり、高速に三次元の画像を認識することが出来ないという問題があった。
【０１１６】
図４には、本発明の第１の具体例が示されている。なお、この第１の具体例は、第１，第２，第３，第４，第５の実施形態に対応している。
【０１１７】
本発明の第１の具体例では、図４に示すように、被計測物の三次元形状を測定するシステムにおいて、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、例えば、３つの位置パラメータｘ，ｙ，ｚに変換する事で、これまで大量の画像データや面データを直接扱わねばならなかったシステムの負担を軽減する事ができる。面データから３つの位置パラメータ（ポイントデータ）への変換例としては、面データの平均値を用いたり、あるいは、面データの最大値を用いたり、あるいは、面データの画像中心部のみを用いたり、あるいは、面データをブロック化し重み付けを行った値による平均値を用いたりすることができる。
【０１１８】
本発明の第１の具体例では、各三次元位置センサからのポイントデータを処理装置に並列信号として入力し、処理装置の中で合成処理を行い、三次元の全体画像を認識出来るデータとして出力させるようになっている。
【０１１９】
なお、図４の例においては、各三次元位置センサが単体で被計測物を計測するような場合を示したが、先願に記載されているように、センサ単体ではなく隣接若しくは近接する異なる三次元位置センサ（例えば、図４におけるセンサＡＴ、ＢＲ等の組合せ）との組合せで計測するようにしても良い。
【０１２０】
なお、上述の例では、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、例えば、３つの位置パラメータｘ，ｙ，ｚに変換したが、各三次元位置センサからの面データである三次元位置データを、３つの位置パラメータｘ，ｙ，ｚ、及びそれらの傾き（回転角）を示すオイラー角データφ，θ，ψの６ポイントデータ（６ＤＯＦデータ）に変換演算し出力させるようにしても良い。
【０１２１】
この場合、これらのデータは回転角をも有するデータとなっているため、三次元位置センサにより計測されていない（サンプリングされていない）空白部のデータを後のデータ処理により推定補間するに際し、位置データ（３つの位置パラメータ）だけを用いる場合と比べ、より高精度に行うことができる。
【０１２２】
図５には、本発明の第２の具体例が示されている。なお、この第２の具体例は、第１，第２，第３，第４，第６の実施形態に対応している。
【０１２３】
図５の例が図４と異なる点は、各三次元位置センサからの入力を並列ではなく、シリアルな信号として処理装置に入力するような構成となっていることである。
【０１２４】
図６，図７には、本発明の第３の具体例が示されている。ここで、図７は図６における標的と計測領域との関係を示す図である。なお、この第３の具体例は、第７の実施形態に対応している。
【０１２５】
本発明の第３の具体例では、図６に示すように、被計測物に複数の標的を設け、これらの標的に対して図４，図５で示した三次元位置センサの発光部（インデックス光源）からの光を照射し、その標的部のみを計測するようにし、標的の変移を前述したポイントデータとして出力するようにしている。この場合の計測領域は、標的よりも広い範囲での計測を行うよう設定している。
【０１２６】
なお、図７の例では、標的の形状は矩形となっているが、標的の形状としては、円形状等、他の形状を用いる事もできる。
【０１２７】
また、標的としては、被計測物自体に直接ペイントする等の手段により、これらを表示させたものであっても構わない。
【０１２８】
また、図８には、本発明の第４の具体例が示されている。なお、この第４の具体例は、第８の実施形態に対応している。
【０１２９】
第４の具体例では、図８に示すように、第３の具体例とは逆に、三次元位置センサの計測領域を標的の面積よりも十分小さい面積のものとしている。且つ、この場合の被計測物に設ける標的は、人為的にパターニングされた標的としている。
【０１３０】
計測の際はこれらの標的のパターンを計測することで、三次元位置センサと標的との相対的位置関係の動きを計測し、標的と被計測物との初期の位置関係との差分を求める事により、被計測物の動きを知る事ができる。
【０１３１】
また、図９には、本発明の第５の具体例が示されている。なお、この第５の具体例は、第９の実施形態に対応している。
【０１３２】
第５の具体例では、図９に示すように、第４の具体例における標的のパターンニングを、被計測物の位置座標に対して、Ｘ方向とＹ方向に直線状パターンを配置したものとしている。
【０１３３】
このパターンはコントラストが強く、エッジが明瞭に検出できるものが望ましい。また、強度比法を用いる場合は、Ｚ軸の計測に対する影響を減らすために、パターンの密度を疎にするなどの配慮が必要である。
【０１３４】
また、図１０には、本発明の第６の具体例が示されている。なお、この第６の具体例は、第１０の実施形態に対応している。
【０１３５】
第６の具体例では、図１０に示すように、第５の具体例におけるＸ、Ｙ方向の直線状パターンの組合せを複数組、設けるようにしている。
【０１３６】
図１１乃至図１４には、本発明の第７の具体例が示されている。なお、第７の具体例は、第１１の実施形態に対応している。
【０１３７】
第７の具体例では、図１１に示すように、第５または第６の具体例における直線状のパターンにおいて、例えば１／ｆ揺らぎや乱数を用いる事で、その線間の間隔が異なるようなものとして、パターンの周期性を失わせている。これら直線状パターンの例として、図１２乃至図１４に示すように、それぞれの線間間隔が異なり、周期性を持たない直線状パターンとし、これらを組み合わせるような構成としている。
【０１３８】
図１５には、本発明の第８の具体例が示されている。なお、この第８の具体例は、第１２の実施形態に対応している。
【０１３９】
第８の具体例では、図１５に示すように、標的内の座標（位置）を表すパターンをそれぞれスペクトラム（色）の異なるパターンとし、三次元位置センサの受光部にはこれらのスペクトラムを電気信号として区別するための色フィルターが設けられている。
【０１４０】
標的と色フィルターの組は夫々、位置情報を与えるための異なる多数のスペクトラムを有するように設定しても良いが、処理時間，コスト上からも現実的ではなく、一般に広く用いられるＲＧＢ（赤、緑、青）を使うのが適当である。
【０１４１】
また、位置情報は、例えば標的上の隣接する色の組合わせで与えても良い。
【０１４２】
図１６には、本発明の第９の具体例が示されている。なお、この第９の具体例は、第１３の実施形態に対応している。
【０１４３】
第９の実施例では、図１６に示すように、あらかじめＺ軸方向の距離が分かっている凹凸を有する形状のものを標的上に配置した構成となっている。計測に際して、これらの凹凸形状物は、Ｚ軸方向の較正用として用いられる。図１６の例では、凹凸形状物を円柱状で表したが、これらは角柱状でも、あるいはその他のＺ軸方向の距離が分かるような凹凸形状のものであれば、どのようなものであっても良い。また、被計測物自身が凹凸形状を有するように加工しても良い。
【０１４４】
図１７には、本発明の第１０の具体例が示されている。なお、この第１０の具体例は、第１４の実施形態に対応している。
【０１４５】
第１０の具体例では、図１７に示すように、標的上にＺ軸方向の距離がそれぞれ異なる凹凸形状物を複数設ける構成となっている。計測時には、これら複数の凹凸形状物のＺ軸方向距離をＺ軸方向の較正値として用いる。
【０１４６】
このように、第１０の具体例では、それぞれ異なるＺ軸方向の距離を有する凹凸形状物を有しているので、Ｚ軸方向の中間値の較正が可能となる。
【０１４７】
図１８には、本発明の第１１の具体例が示されている。なお、この第１１の具体例は、第１５の実施形態に対応している。
【０１４８】
第１１の具体例では、図１８に示すように、パターニングされた標的上のあらかじめ定めたＸＹ座標に、第９または第１０の具体例で述べた凹凸形状物を配置する構成となっている。
【０１４９】
図１９には、本発明の第１２の具体例が示されている。なお、この第１２の具体例は、第１６の実施形態に対応している。
【０１５０】
第１２の具体例では、図１９に示すように、標的上に凹凸形状物として、Ｚ軸方向における距離が予め判っている段差を設けている。
【０１５１】
このような構成では、この複数の段差からＺ軸方向の較正値を読み取り、較正を行うようにすることができる。これにより、１つの凹凸形状物で第１０の具体例に述べたのと同様の効果を得られる。
【０１５２】
なお、このような段差は、Ｚ軸方向に滑らかに変化する、形状の予め判った曲面状のもので構成されるものであっても構わない。
【産業上の利用可能性】
【０１５３】
本発明は、ＸＹＺの３軸方向の移動量を同時に計測する必要の有るアプリケーション、具体的には、三次元振動センサ，三次元加速度計，人工筋肉制御，面計測装置などの三次元位置計測，三次元表面計測，三次元動体計測等に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】動体であることも考慮した被計測物に対し、三次元位置センサを設けた三次元位置検出装置を示す図である。
【図２】三次元位置センサの基本構成例を示す図である。
【図３】位置データ算出器の構成例を示す図である。
【図４】本発明の第１の具体例を示す図である。
【図５】本発明の第２の具体例を示す図である。
【図６】本発明の第３の具体例を示す図である。
【図７】本発明の第３の具体例を示す図である。
【図８】本発明の第４の具体例を示す図である。
【図９】本発明の第５の具体例を示す図である。
【図１０】本発明の第６の具体例を示す図である。
【図１１】本発明の第７の具体例を示す図である。
【図１２】本発明の第７の具体例を示す図である。
【図１３】本発明の第７の具体例を示す図である。
【図１４】本発明の第７の具体例を示す図である。
【図１５】本発明の第８の具体例を示す図である。
【図１６】本発明の第９の具体例を示す図である。
【図１７】本発明の第１０の具体例を示す図である。
【図１８】本発明の第１１の具体例を示す図である。
【図１９】本発明の第１２の具体例を示す図である。
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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