(57)【要約】【課題】被測定物の測定対象が広範囲である場合における測定の所要時間を短縮できるとともに、製造コストを低減することを可能とする三次元形状測定システムを提供する。【解決手段】パルス光を生成するパルス光源３６と、生成されたパルス光を分配する光分配器６４と、分配された各パルス光に基づいて、色が規則的に経時変化するチャープ光パルスを生成する複数のチャープ導入装置８４と、生成された各チャープ光パルスをワーク３２の各照射領域９４に照射し、ワーク３２で反射された各チャープ光パルスの各反射光像を取得する複数の反射光像取得部１１４と、取得された前記各反射光像の二次元情報及び色情報を用いて、ワーク３２の三次元情報を取得するカラー二次元検出器１０６とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光を生成するパルス光源と、
前記パルス光源により生成された前記パルス光を分配する光分配器と、
前記光分配器により分配された各パルス光に基づいて、色が規則的に経時変化するチャープ光パルスを生成する複数のチャープ光パルス生成手段と、
前記複数のチャープ光パルス生成手段により生成された各チャープ光パルスを被測定物の各照射領域に照射し、該被測定物で反射された前記各チャープ光パルスの各反射光像を取得する複数の反射光像取得手段と、
前記複数の反射光像取得手段により取得された前記各反射光像の二次元情報及び色情報を用いて、前記被測定物の三次元情報を取得する三次元情報取得手段と、
を有することを特徴とする三次元形状測定システム。
【請求項２】
請求項１記載の三次元形状測定システムにおいて、
前記光分配器は、前記パルス光を分配する分配比の変更可能な光分配器である
ことを特徴とする三次元形状測定システム。
【請求項３】
請求項２記載の三次元形状測定システムにおいて、
前記各照射領域に関する測定情報に基づいて、前記パルス光の分配量を決定し、決定された前記分配量に基づいて前記分配比を算出して、算出された前記分配比により前記光分配器を制御するパルス光分配制御手段をさらに備える
ことを特徴とする三次元形状測定システム。
【請求項４】
請求項３記載の三次元形状測定システムにおいて、
前記パルス光分配制御手段は、前記測定情報と対応付けられた優先度に基づいて前記分配比を算出する
ことを特徴とする三次元形状測定システム。
【請求項５】
請求項４記載の三次元形状測定システムにおいて、
前記パルス光分配制御手段は、決定された前記分配量の合計値が所定の値を超えるときに前記優先度の高い前記照射領域から順にパルス光を分配するように前記分配比を算出する
ことを特徴とする三次元形状測定システム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の三次元形状測定システムにおいて、
前記複数の反射光像取得手段に関する各三次元位置情報を基準座標から取得する三次元位置取得手段と、
前記三次元位置取得手段により取得した前記各三次元位置情報に基づき前記被測定物の三次元情報を合成する三次元情報合成手段と、をさらに備え、
前記三次元位置取得手段は、前記各チャープ光パルスに対して非干渉性を備える波を用いて前記各三次元位置情報を取得する
ことを特徴とする三次元形状測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の三次元形状を測定する三次元形状測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物の三次元形状、例えばワークの塗装面等の表面欠陥やその平滑さを測定する方法の一つとして、パルス光を用いたＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）法が挙げられる。
【０００３】
パルス光を用いたＴＯＦ法とは、パルス光源から照射されたパルス光が、被測定物の表面の照射領域で反射され、検出器により検出されるまでの飛行時間（ＴＯＦ）と光速度とから、奥行き方向の距離差として換算し、被測定物の三次元形状を測定するものである。
【０００４】
例えば、特許文献１には、色が規則的に経時変化するパルス光（いわゆるチャープパルス光）を用い、三次元情報を二次元画像である色付き等高線マップに変換して検出する技術が開示されている。このように構成すれば、被測定物の三次元形状を高精度且つ高速で測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２５００３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された装置を用いることにより被測定物の三次元形状を高精度に測定できる反面、その測定精度を確保するために、パルス光の照射領域（面積）を狭小の空間内に設定する必要がある。かかる場合、１回の照射動作で測定可能な領域（測定領域）が限定されるので、被測定物の測定対象が広範囲である場合は測定の所要時間が増加するという問題がある。
【０００７】
この問題を解決する一つの手段として、同一構成を有する前記装置を複数台用意して、被測定物表面上の異なる測定箇所を同時に測定することも考えられる。
【０００８】
しかしながら、かかる構成では、他の実装部品と比較して高価なパルス光源を前記装置と同数だけ設ける必要があるので、製造コストが高騰するという不都合がある。
【０００９】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、被測定物の測定対象が広範囲である場合における測定の所要時間を短縮できるとともに、製造コストを低減することを可能とする三次元形状測定システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の請求項１に記載の発明に係る三次元形状測定システムは、パルス光を生成するパルス光源と、前記パルス光源により生成された前記パルス光を分配する光分配器と、前記光分配器により分配された各パルス光に基づいて、色が規則的に経時変化するチャープ光パルスを生成する複数のチャープ光パルス生成手段と、前記複数のチャープ光パルス生成手段により生成された各チャープ光パルスを被測定物の各照射領域に照射し、該被測定物で反射された前記各チャープ光パルスの各反射光像を取得する複数の反射光像取得手段と、前記複数の反射光像取得手段により取得された前記各反射光像の二次元情報及び色情報を用いて、前記被測定物の三次元情報を取得する三次元情報取得手段とを有することを特徴とする。
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、パルス光を分配する光分配器を設けたので、分配したパルス光を被測定物の各照射領域に照射することにより前記各照射領域を同時に測定可能となり、被測定物の測定対象が広範である場合での測定の所要時間を短縮できる。また、一つのパルス光源で構成してもよいので、システムの製造コストを低減できる。
【００１２】
請求項２に記載の発明に係る三次元形状測定システムは、請求項１記載の三次元形状測定システムにおいて、前記光分配器は、前記パルス光を分配する分配比の変更可能な光分配器であることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、パルス光の分配比を可変にしたので、各測定領域に対して照射するパルス光の光量の多少を変更可能となり、各照射領域を同時に測定可能である測定システムの拡張性を向上することができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明に係る三次元形状測定システムは、請求項２記載の三次元形状測定システムにおいて、前記各照射領域に関する測定情報に基づいて、前記パルス光の分配量を決定し、決定された前記分配量に基づいて前記分配比を算出して、算出された前記分配比により前記光分配器を制御するパルス光分配制御手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、各照射領域に関する測定情報に基づいて分配比を算出し、この分配比により光分配器を制御するパルス光分配制御装置を設けたので、各照射箇所の測定情報に基づいて適切な分配比を算出・設定可能となり、測定態様や測定部位の特性に応じた被測定物の三次元形状の測定をすることができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明に係る三次元形状測定システムは、請求項３記載の三次元形状測定システムにおいて、前記パルス光分配制御手段は、前記測定情報と対応付けられた優先度に基づいて前記分配比を算出することを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、測定情報と対応付けられた優先度に基づいて前記分配比を算出するようにしたので、測定スケジュールの管理が容易となる。
【００１８】
請求項５に記載の発明に係る三次元形状測定システムは、請求項４記載の三次元形状測定システムにおいて、前記パルス光分配制御手段は、決定された前記分配量の合計値が所定の値を超えるときに前記優先度の高い前記照射領域から順にパルス光を分配するように前記分配比を算出することを特徴とする。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、決定された分配量の合計値が所定の値を超えるときに優先度の高い前記照射領域から順にパルス光を分配するように分配比を算出したので、測定システム全体としての所要時間をさらに短縮することができる。
【００２０】
請求項６に記載の発明に係る三次元形状測定システムは、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の三次元形状測定システムにおいて、前記複数の反射光像取得手段に関する各三次元位置情報を基準座標から取得する三次元位置取得手段と、前記三次元位置取得手段により取得した前記各三次元位置情報に基づき前記被測定物の三次元情報を合成する三次元情報合成手段と、をさらに備え、前記三次元位置取得手段は、前記各チャープ光パルスに対して非干渉性を備える波を用いて前記各三次元位置情報を取得することを特徴とする。
【００２１】
請求項６に記載の発明によれば、各チャープ光パルスに対して非干渉性を備える波を用いて各三次元位置情報を取得する三次元位置取得手段と被測定物の三次元情報を合成する三次元情報合成手段とを設けたので、各照射領域の測定に対して光干渉による悪影響を及ぼすことなく三次元位置情報の取得及び合成が可能となり、被測定物の三次元形状の測定結果を迅速に得ることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る三次元形状測定システムによれば、パルス光を生成するパルス光源と、生成された前記パルス光を分光する分光器と、分光された前記パルス光から、波長が規則的に経時変化するチャープパルス光を生成するチャープパルス光生成手段と、生成された前記チャープパルス光を被測定物の照射箇所の表面に照射し、前記表面で反射された前記チャープパルス光を切り出し、前記チャープパルス光の反射光像を取得する反射光像取得手段と、取得された前記反射光像の二次元情報及び波長情報を用いて前記被測定物の三次元情報を取得する三次元情報取得手段とを設けるようにしたので、複数の測定箇所に対して分光したパルス光を照射することにより前記複数の測定箇所を略同時に測定可能となり、被測定物の測定対象が広範囲である場合における測定の所要時間を短縮できる。また、一つのパルス光源で構成してもよいので、システムの製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態に係る三次元形状測定システムの概略側面図である。
【図２】本実施形態に係るパルス光発生装置の構成ブロック図である。
【図３】本実施形態に係る三次元形状測定装置の構成ブロック図である。
【図４】図４Ａは被測定物の表面の一部省略正面図、図４Ｂは図４ＡのＩＶＢ−ＩＶＢ線断面図である。
【図５】図５Ａは近距離モードにより取得された照射領域内の撮像信号のプロファイルである。図５Ｂは遠距離モードにより取得された照射領域内の撮像信号のプロファイルである。
【図６】本実施形態に係る三次元形状測定システムによる複数のタスクを実行する手順を説明するフローチャートである。
【図７】図７Ａは、三次元形状測定システムの上位制御装置に登録されたタスクの一覧図である。図７Ｂは、第１の規則に従って図７Ａに示すタスクを実行した場合のタスク実行スケジュールを表す図である。図７Ｃは、第２の規則に従って図７Ａに示すタスクを実行した場合のタスク実行スケジュールを表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係る三次元形状測定システムについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２５】
先ず、本実施形態に係る三次元形状測定システムについて図１を参照しながら説明する。三次元形状測定システム１０は、２台の三次元形状測定装置１２ａ、１２ｃと、パルス光発生装置１４と、２本のファイバケーブル１６ａ、１６ｃと、定点カメラ１８と、定点カメラ制御装置２０と、画像処理装置２２と、モニタ２４と、上位制御装置２６と、ロボット制御装置２８とを備える。
【００２６】
三次元形状測定装置１２ａ、１２ｃの撮像面３０ａ、３０ｃは、被測定物としてのワーク３２の表面３４側を指向する。また、各三次元形状測定装置１２ａ、１２ｃは、図示しないロボットのアームに装着されているので、前記ロボット制御装置２８による制御下に前記ロボットのアームを駆動することで、上下・左右方向に移動が自在である。
【００２７】
パルス光発生装置１４は、三次元形状測定装置１２ａ、１２ｃの上方部に固定設置されている。パルス光発生装置１４は、各三次元形状測定装置１２ａ、１２ｃとファイバケーブル１６ａ、１６ｃを介して光学的に接続されている。
【００２８】
三次元位置取得手段としての定点カメラ１８は、三次元形状測定装置１２ａ、１２ｃの左上方部に固定設置されており、各三次元形状測定装置１２ａ、１２ｃ側を指向する。
【００２９】
定点カメラ制御装置２０は、定点カメラ１８に電気的に接続されており、定点カメラ１８から供給される撮像信号を取得する。
【００３０】
画像処理装置２２は、各三次元形状測定装置１２ａ、１２ｃに電気的に接続されており、三次元形状測定装置１２から供給される撮像信号に対して種々の画像処理を行う。また、三次元情報合成手段としての画像処理装置２２は、定点カメラ制御装置２０に電気的に接続されており、定点カメラ制御装置２０から供給される撮像信号に対して種々の画像処理を行う。
【００３１】
モニタ２４は、画像処理装置２２に接続されており、画像処理装置２２により画像処理された画像や測定情報等を表示する。
【００３２】
上位制御装置２６は、例えばＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）で構成され、パルス光発生装置１４、定点カメラ制御装置２０、画像処理装置２２や図示しないロボットの駆動制御を行うロボット制御装置２８に対して各種の指令を送信する。また、上位制御装置２６が備える図示しない操作部から複数の測定モード、例えば、通常モード、近距離モード、又は遠距離モードのうちいずれかを設定可能である。
【００３３】
図２は、本実施形態に係るパルス光発生装置１４の構成ブロック図である。
【００３４】
このパルス光発生装置１４は、パルス光を射出するパルス光源３６と、該パルス光源３６により射出されたパルス光の偏光方向を所定の方向に傾ける第１波長板３８と、該第１波長板３８により偏光されたパルス光を偏光方向に応じて分割する第１偏光ビームスプリッタ４０と、該第１偏光ビームスプリッタ４０を透過されたパルス光の偏光方向を所定の方向に傾ける第２波長板４２と、該第２波長板４２により偏光されたパルス光を偏光方向に応じて分割する第２偏光ビームスプリッタ４４と、該第２偏光ビームスプリッタ４４を透過されたパルス光をファイバケーブル１６ａを介して三次元形状測定装置１２ａに伝送するファイバ結合用レンズ４６とを備える。
【００３５】
また、光路Ｌ1上に、第２偏光ビームスプリッタ４４からのパルス光を所定の角度方向に反射する反射ミラー４８と、該反射ミラー４８からの反射光をファイバケーブル１６ｂを介して三次元形状測定装置１２ｂに伝送するファイバ結合用レンズ５０とを備える。
【００３６】
さらに、光路Ｌ2上に、第１偏光ビームスプリッタ４０からのパルス光を所定の角度方向に反射する反射ミラー５２と、該反射ミラー５２からの反射光の偏光方向を所定の方向に傾ける第３波長板５４と、該第３波長板５４により偏光されたパルス光を偏光方向に応じて分割する第３偏光ビームスプリッタ５６と、該第３偏光ビームスプリッタ５６を透過されたパルス光をファイバケーブル１６ｃを介して三次元形状測定装置１２ｃに伝送するファイバ結合用レンズ５８とを備える。
【００３７】
さらに、光路Ｌ3上に、第３偏光ビームスプリッタ５６からのパルス光を所定の角度方向に反射する反射ミラー６０と、該反射ミラー６０からの反射光をファイバケーブル１６ｄを介して三次元形状測定装置１２ｄに伝送するファイバ結合用レンズ６２とを備える。
【００３８】
上述の第１波長板３８、第２波長板４２、又は第３波長板５４は、図示しない駆動機構により光軸（破線）を中心に矢印方向に回動が自在である。
【００３９】
なお、パルス光源３６を分配する光分配器６４は、第１波長板３８と、第１偏光ビームスプリッタ４０と、第２波長板４２と、第２偏光ビームスプリッタ４４と、反射ミラー４８と、反射ミラー５２と、第３波長板５４と、第３偏光ビームスプリッタ５６と、反射ミラー６０とから構成される。
【００４０】
このパルス光発生装置１４は、上位制御装置２６と電気的に接続され且つ上位制御装置２６からのパルス射出指示を受信可能であるＩ／Ｆ６６と、パルス光射出制御部６８とを備える。
【００４１】
また、三次元形状測定システム１０に関する測定情報（以下、単に「測定情報」という。）は、上位制御装置２６、Ｉ／Ｆ６６を介して、パルス光分配制御部７０に供給される。パルス光分配制御部７０は、上位制御装置２６から供給される測定情報に基づいてパルス光の分配量を決定し、この分配量に基づいて分配比を算出する分配比算出部７２と、該分配比算出部７２から供給された第１波長板３８への分配比により第１波長板３８の回動動作を制御する第１波長板制御部７４と、該分配比算出部７２から供給された第２波長板４２への分配比により第２波長板４２の回動動作を制御する第２波長板制御部７６と、該分配比算出部７２から供給された第３波長板５４への分配比により第３波長板５４の回動動作を制御する第３波長板制御部７８とを備える。
【００４２】
ここで、測定情報とは、測定モード、ワーク３２との距離、照射領域９４の大きさ等の測定条件のみならず、撮影数、測定部位、ワーク３２の種類も含まれる測定に関する情報をいう。
【００４３】
図３は、本実施形態に係る三次元形状測定装置１２の構成ブロック図である。ここでは、三次元形状測定装置１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは同一の構成を採るため、所定の構成要素を示す参照数字に付されたアルファベットを省略して説明する。
【００４４】
この三次元形状測定装置１２は、パルス光発生装置１４からのパルス光をファイバケーブル１６を介して受光するファイバ結合用レンズ８０と、該ファイバ結合用レンズ８０により受光されたパルス光を分割するビームスプリッタ８２と、該ビームスプリッタ８２を透過されたパルス光をチャープすることでチャープ光パルスを生成するチャープ導入装置８４と、該チャープ導入装置８４により生成されたチャープ光パルスのビーム径を拡大する拡大光学系８６と、拡大光学系８６によりビーム径が拡大されたチャープ光パルスを偏光方向に応じて分割する偏光ビームスプリッタ８８と、該偏光ビームスプリッタ８８を透過された前記チャープ光パルスを平行化するコリメートレンズ９０と、該コリメートレンズ９０により平行化されたチャープ光パルスの偏光方向を所定の方向に傾けるλ／４波長板９２と、該λ／４波長板９２により偏光されたチャープ光パルスの光束を集光してワーク３２の表面３４上に焦点像（以下、照射領域９４という。）を形成するとともに、図示しない駆動機構によってＡ方向（ワーク３２に対する鉛直方向）に沿って移動自在な対物レンズ９６と、を備える。
【００４５】
また、光路Ｌ4上に、ビームスプリッタ８２からのパルス光を所定の角度方向に反射する反射ミラー９８と、該反射ミラー９８からの反射光を励起光として受光し、その励起光をトリガとしてシャッタの開閉が自在であり、超高速非線形光学シャッタ等から構成されるシャッタ１００とを備える。
【００４６】
さらに、光路Ｌ5上に、偏光ビームスプリッタ８８からのチャープ光パルスを所定の角度方向に反射する反射ミラー１０２と、該反射ミラー１０２からの反射光を切り出し可能なシャッタ１００と、該シャッタ１００により切り出されたチャープ光パルスから適切な反射光像を形成する結像光学系１０４と、該結像光学系１０４により生成された反射光像を撮像信号に変換するカラー二次元検出器１０６と、該カラー二次元検出器１０６により変換された撮像信号を画像処理装置２２に送信するＩ／Ｆ１０８とを備える。
【００４７】
さらに、この三次元形状測定装置１２は、上位制御装置２６により入力された測定モードの設定を画像処理装置２２を介して取得するＩ／Ｆ１０８と、該Ｉ／Ｆ１０８により取得された測定モードの設定に基づき焦点位置（対物レンズ９６の位置）を補正する焦点位置補正部１１０と、該焦点位置補正部１１０により補正された焦点位置に基づいて対物レンズ９６をＡ方向（Ｚ軸方向）に駆動し焦点位置を制御する自動焦点制御部１１２とを備える。
【００４８】
なお、色が規則的に経時変化するチャープ光パルスを生成するチャープ光パルス生成手段は、チャープ導入装置８４から構成される。また、ワーク３２で反射された光路Ｌ5上のチャープ光パルスを所定のタイミングで所定の光量だけ切り出し、前記チャープ光パルスの反射光像を取得する反射光像取得手段としての反射光像取得部１１４は、偏光ビームスプリッタ８８と、コリメートレンズ９０と、λ／４波長板９２と、対物レンズ９６と、反射ミラー１０２と、シャッタ１００と、焦点位置補正部１１０と、自動焦点制御部１１２とから構成される。さらに、三次元情報取得手段は、カラー二次元検出器１０６から構成される。
【００４９】
この実施形態に係る三次元形状測定システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作について説明する。
【００５０】
先ず、ユーザである作業者は、三次元形状測定システム１０によるワーク３２の表面３４の三次元形状測定の準備を行う。
【００５１】
図１に示すように、作業者は、上位制御装置２６の図示しない操作部から通常モード、近距離モード、又は遠距離モードのうちいずれかの測定モードを設定する。ここで、通常モードとは、深さ方向（Ｚ軸方向）の空間分解能が高い測定が可能であり、詳細な三次元形状を把握する場合に設定する測定モードである。
【００５２】
また、近距離モードとは、撮像面３０からワーク３２の表面３４までの距離（以下、離間距離という。）を通常モードと比較して小さくする測定モードである。このモードは、通常モードと比較して照射領域９４（図３参照）は狭くなるが深さ方向（Ｚ軸方向）の空間分解能を向上させることが可能であり、Ｘ−Ｙ軸平面に対して微視的な領域についてその三次元形状を詳細に把握したい場合に適切である。
【００５３】
さらに、遠距離モードとは、離間距離を通常モードと比較して大きくする測定モードである。このモードは、通常モードと比較して深さ方向（Ｚ軸方向）の空間分解能は低くなるが照射領域９４（図３参照）を広くすることが可能であり、Ｘ−Ｙ軸平面に対して巨視的な領域についてその三次元形状を大局的に把握したい場合に適切である。
【００５４】
このように、作業者による測定モードの設定に従って、照射領域９４の大きさの目標値（以下、単に「照射領域９４の大きさ」という。）が決定される。上位制御装置２６の図示しない操作部を利用して決定された照射領域９４の大きさは、画像処理装置２２、Ｉ／Ｆ１０８（図３参照）を介し、三次元形状測定装置１２ａ、１２ｂ側に供給され、図示しない記憶部に記憶される。
【００５５】
次いで、上位制御装置２６からの指令を受けたロボット制御装置２８は、三次元形状測定装置１２ａ、１２ｂが装着されている図示しないロボットのアームを所定の位置・姿勢になるように駆動する。これにより、三次元形状測定装置１２ａ、１２ｃの撮像面３０ａ、３０ｃがワーク３２の表面３４側に指向し、表面３４上の所定の測定箇所に照射領域９４（図３参照）が設定される。
【００５６】
このようにして、三次元形状測定システム１０によるワーク３２の表面３４の三次元形状測定の準備は完了する。
【００５７】
続いて、作業者が上位制御装置２６の図示しない操作部から測定開始指示を行うと、ワーク３２の表面３４上の三次元形状測定が開始される。
【００５８】
図２に示すように、上位制御装置２６、Ｉ／Ｆ６６、パルス光射出制御部６８を介して取得されたパルス射出指示に応じて、パルス光源３６からパルス光が射出されると、該パルス光は、第１波長板３８により偏光方向を所定の方向だけ傾けられ、第１偏光ビームスプリッタ４０を透過され、第２波長板４２により偏光方向を所定の方向だけ傾けられ、第２偏光ビームスプリッタ４４を透過され、ファイバ結合用レンズ４６によりパルス光の光束が集光され、ファイバケーブル１６ａ、三次元形状測定装置１２ａ側に供給される。
【００５９】
また、第２波長板４２により偏光方向を所定の方向だけ傾けられたパルス光は、第２偏光ビームスプリッタ４４により光路Ｌ1方向に反射され、反射ミラー４８により所定の角度方向に反射され、ファイバ結合用レンズ５０によりパルス光の光束が集光され、ファイバケーブル１６ｂ、三次元形状測定装置１２ｂ側に供給される。
【００６０】
さらに、第１波長板３８により偏光方向を所定の方向だけ傾けられたパルス光は、第１偏光ビームスプリッタ４０により光路Ｌ2方向に反射され、反射ミラー５２により所定の角度方向に反射され、第３波長板５４により偏光方向を所定の方向だけ傾けられ、第３偏光ビームスプリッタ５６を透過され、ファイバ結合用レンズ５８によりパルス光の光束が集光され、ファイバケーブル１６ｃ、三次元形状測定装置１２ｃ側に供給される。
【００６１】
さらに、第３波長板５４により偏光方向を所定の方向だけ傾けられたパルス光は、第３偏光ビームスプリッタ５６により光路Ｌ3方向に反射され、反射ミラー６０により所定の角度方向に反射され、ファイバ結合用レンズ６２によりパルス光の光束が集光され、ファイバケーブル１６ｄ、三次元形状測定装置１２ｄ側に供給される。
【００６２】
ここで、パルス光源３６からパルス光が射出される前に、三次元形状測定装置１２ａ側に供給されるパルス光を所望の光量になるように予め設定しておく。第１波長板３８を所定の角度だけ回動させ、パルス光の偏光方向を調整することにより、第１偏光ビームスプリッタ４０の透過率（又は反射率）を自在に制御可能である。同様に、第２波長板４２を所定の角度だけ回動させて第２偏光ビームスプリッタ４４の透過率（又は反射率）を自在に制御可能であり、第３波長板５４を所定の角度だけ回動させて第３偏光ビームスプリッタ５６の透過率（又は反射率）を自在に制御可能である。この第１偏光ビームスプリッタ４０、第２偏光ビームスプリッタ４４、及び第３偏光ビームスプリッタ５６の透過率（又は反射率）の組合せについて適切に設定することにより、三次元形状測定装置１２ａ〜１２ｄに供給するパルス光の分配比を任意に設定できる。
【００６３】
図３に示すように、パルス光発生装置１４から分配されたパルス光は、ファイバケーブル１６、ファイバ結合用レンズ８０を介して受光され、ビームスプリッタ８２により透過され、チャープ導入装置８４によりチャープされ、チャープ光パルスが生成される。該チャープ光パルスは、拡大光学系８６によりビーム径が拡大された後、偏光ビームスプリッタ８８を透過され、コリメートレンズ９０により平行化され、λ／４波長板９２により直線偏光から円偏光とされ、対物レンズ９６により前記チャープ光パルスの光束が集光され、ワーク３２の表面３４上の照射領域９４に照射される。
【００６４】
ここで、パルス光発生装置１４のパルス光源３６からパルス光が射出される前に、照射領域９４を所望の大きさになるように予め設定しておく。かかる場合、記憶された照射領域９４の大きさ及び離間距離は、図示しない記憶部から読み出され、焦点位置補正部１１０に供給される。供給された照射領域９４の大きさ及び離間距離に基づいて、焦点位置補正部１１０により対物レンズ９６の補正されたＺ軸座標、すなわちＺ軸変位量が算出される。算出された該Ｚ軸変位量は自動焦点制御部１１２に供給される。対物レンズ９６は、図示しない駆動機構により、Ａ方向（Ｚ軸方向）に沿って前記Ｚ軸変位量だけ移動させられる。
【００６５】
Ｚ軸変位量は、拡大光学系８６と、コリメートレンズ９０と、対物レンズ９６と、対物レンズ９６の中心位置からワーク３２の表面３４までの距離との組み合わせによって決定される。
【００６６】
このようにして、照射領域９４を所望の大きさになるように予め設定できる。
【００６７】
図３に示すように、ワーク３２の表面３４上の照射領域９４で反射したチャープ光パルスは、対物レンズ９６により集光され、λ／４波長板９２により円偏光から直線偏光とされ、コリメートレンズ９０により平行化され、偏光ビームスプリッタ８８により光路Ｌ5方向に反射され、反射ミラー１０２により所定の角度方向に反射され、シャッタ１００により所定のタイミングで所定の光量だけ切り出され、結像光学系１０４により適切な反射光像が形成され、カラー二次元検出器１０６により撮像信号に変換される。該撮像信号は、Ｉ／Ｆ１０８を介し、外部装置である画像処理装置２２に送信される。
【００６８】
ファイバ結合用レンズ８０を透過されたパルス光は、ビームスプリッタ８２により光路Ｌ5方向に反射され、反射ミラー９８により所定の角度方向に反射され、シャッタ１００に照射される。このとき、超高速非線形光学シャッタ等から構成されるシャッタ１００は、励起光であるパルス光が到達したときのみ開かれ、ピコ秒〜フェムト秒程度の応答時間を実現できるものである。また、光路Ｌ5の光路長を設定することより、シャッタ１００の開閉動作は適切なタイミングに制御される。
【００６９】
Ｉ／Ｆ１０８を介して送信された撮像信号は、画像処理装置２２により所望の画像処理が施され、図１に示すモニタ２４により可視画像として表示される。この可視画像によって、ワーク３２の表面３４上の照射領域９４内において三次元形状を解析し、把握することができる。
【００７０】
このようにして取得した三次元形状に関する撮像画像の階調特性について説明する。図１で定義されるＸ−Ｙ軸平面上の各位置におけるＺ軸方向の奥行きの差は、シャッタ１００に到達するチャープ光パルスの飛行時間の差として変換される。この飛行時間の差は、シャッタ１００の開閉動作により同時に切り出された光色（波長）の差によって検出され、撮像画像の階調特性（信号値）として表現される。具体的には、前縁である長波長側（赤色）から後縁である短波長側（紫色）まで色が連続的に変化するチャープ光パルスを用いる場合、Ｚ方向の奥行きが大きいＸ−Ｙ軸平面上の位置において、チャープ光パルスがシャッタ１００に到達する時間が遅延する。したがって、カラー二次元検出器１０６では、チャープ光パルスの先頭の方である長波長側の光色が検出される傾向がある。
【００７１】
また、このようにして取得した三次元形状に関する撮像画像の空間分解能について図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ及び図５Ｂを参照しながら説明する。
【００７２】
図４Ａはワーク３２の表面３４の一部省略正面図、図４Ｂは図４ＡのＩＶＢ−ＩＶＢ線断面図である。
【００７３】
図４Ａに示すように、ワーク３２の表面３４上には、平坦部１２０の略中央部に半球状の凹部１２２が設けられている（図４Ｂ参照）。ここで、遠距離モードによる照射領域は９４ａ、近距離モードによる照射領域は９４ｂとする。照射領域９４ａの面積は、照射領域９４ｂの面積に対して約９倍に相当する。
【００７４】
図５Ａは近距離モードにより取得された照射領域９４ａ内の撮像信号のプロファイル、図５Ｂは遠距離モードにより取得された照射領域９４ｂ内の撮像信号のプロファイルである。ここでは、撮像信号が有する画素値が大きいほど表面３４は撮像面３０に近く、画素値が小さいほど表面３４は撮像面３０に遠いことを示すものとする。
【００７５】
図５Ａに示すように、近距離モードは、遠距離モードと比較して照射領域９４ａは狭くなるが、深さ方向（Ｚ軸方向）の空間分解能が高いため、凹部１２２の半球形状をほぼ再現している（図４Ｂ参照）。したがって、近距離モードは、Ｘ−Ｙ軸平面（図４Ａ参照）に対して微視的な領域（照射領域９４ａ）についてその三次元形状を詳細に把握したい場合に適切である。
【００７６】
図５Ｂに示すように、遠距離モードは、近距離モードと比較して深さ方向（Ｚ軸方向）の空間分解能は低いので凹部１２２の半球形状を再現できないが（図４Ｂ参照）、照射領域９４ｂを広くできるため、平坦部１２０と凹部１２２との三次元形状の比較が容易である。したがって、遠距離モードは、Ｘ−Ｙ軸平面（図４Ａ参照）に対して巨視的な領域（照射領域９４ｂ）についてその三次元形状を大局的に把握したい場合に適切である。
【００７７】
以上のように、三次元形状測定装置１２による１回の撮影によって、上述の階調特性や空間分解能を有する撮像信号を取得する。
【００７８】
三次元形状測定装置１２により１回の撮影が終了した後、上位制御装置２６の指令を受けたロボット制御装置２８は、三次元形状測定装置１２が装着されている図示しないロボットのアームを所定の位置・姿勢になるように駆動する。これにより、三次元形状測定装置１２の撮像面３０がワーク３２の表面３４側に指向し、表面３４上の次の測定箇所に照射領域９４（図３参照）が設定される。このようにして、三次元形状測定装置１２による撮影動作とロボット制御装置２８による測定箇所の設定動作とを交互に所定回数（以下、撮影数という。）だけ繰り返すことにより、ワーク３２の表面３４上の測定部位について全範囲内の測定（以下、タスクという。）が行われる。
【００７９】
続いて、上位制御装置２６によるタスク管理に従って、４台の三次元形状測定装置１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによる三次元形状測定が並列的に行われる。三次元形状測定システム１０による複数のタスクを実行する手順について図６のフローチャートを参照しながら詳細に説明する。
【００８０】
先ず、三次元形状測定システム１０の測定情報を取得する（ステップＳ１）。ここでいう測定情報とは、三次元形状測定装置１２による測定のタスク数ＴＮ（図３ではＴＮ＝４）、各測定モード（通常・近距離・遠距離）、撮影数（ショット数）をいう。説明の便宜のため、１台の三次元形状測定装置１２につき１つのタスクが与えられ、測定開始以降、残りタスク数ＴＮは増加しないものとする。
【００８１】
次いで、各三次元形状測定装置１２に対するパルス光の分配比を算出し、光分配器６４に対しその値を設定する（ステップＳ２）。ここで、パルス光の分配比とは、パルス光源３６により生成可能なパルス光の最大光量を１００％とするときの分配されるパルス光の割合である。
【００８２】
次いで、パルス光が分配された各タスクを実行し（ステップＳ３）、少なくとも一つのタスクが実行完了となるまで継続する（ステップＳ４）。各三次元形状測定装置１２はそれぞれ反射光像取得部１１４を備えているので、複数のタスクを実行可能である。また、単一のタスクのみならず、ｎ個（ｎは自然数）のタスクが同時に完了する場合も含まれる。
【００８３】
残りのタスク数ＴＮ（ＴＮ＝ＴＮ−ｎ）をカウントし（ステップＳ５）、残りのタスク数ＴＮが０でない場合は、パルス光の分配比の再算出・再設定を行う（ステップＳ３）。以下、残りのタスク数ＴＮが０になるまでステップＳ２〜Ｓ６繰り返す。
【００８４】
続いて、三次元形状測定システム１０によるタスク実行スケジュール、特に図６に示すステップＳ２の具体例について図７Ａ〜図７Ｃを参照しながら説明する。
【００８５】
図７Ａは、三次元形状測定システム１０の上位制御装置２６に登録されたタスクの一覧図である。４つのタスクＭ1〜Ｍ4が登録されている事例に沿って以下説明する。
【００８６】
測定に必要なパルス光量とは、パルス光源３６により生成可能なパルス光の最大光量を基準（１００％）とするときの各測定に必要なパルス光量をいう。本具体例では、近距離モードでは２０％、通常モードでは４０、遠距離モードでは６０％の光量が推奨値として設定されている。
【００８７】
図７Ａに示す４つのタスクＭ1〜Ｍ4におけるパルス光量の分配量の合計値は１６０％であり１００％を超えるため、そのまま分配できない。例えば、この分配比を一定にしつつパルス光量を調整する方法が考えられる。具体的には、タスクＭ1を１４％、タスクＭ2を２５％、タスクＭ3を３６％、タスクＭ4を２５％となるように設定できる。
【００８８】
しかし、測定に用いるパルス光の光量を減らすと、カラー二次元検出器１０６が検出する光量が不足するため、撮像信号のＳ／Ｎ比が低下し、電気ノイズ等の影響を受け、測定精度が低下する可能性がある。かかる場合は、各タスクに優先度を予め設け、その優先度に従ってタスクを順次実行する方法が好ましい。
【００８９】
図７Ｂは、第１の規則に従って図７Ａに示すタスクを実行した場合のタスク実行スケジュールを表す図である。この第１の規則とは、タスクの登録順によってタスク実行の優先度を決定するものである。初期状態において、タスク実行の優先度が高い順は、図７Ａの上から順に、タスクＭ1、タスクＭ2、タスクＭ3、タスクＭ4である。
【００９０】
先ず、１回目の分配比算出時Ｃ1において、タスク実行の優先度が高い順は、タスクＭ1、タスクＭ2、タスクＭ3、タスクＭ4である。残りの４つのタスクにおけるパルス光量の分配量の合計値は１６０％であり１００％を超えるので、タスクＭ1、タスクＭ2の２つのタスクが並列に実行される。その後、撮影数５０を計上するとタスクＭ1及びタスクＭ2の実行が同時に完了する。
【００９１】
次いで、２回目の分配比算出時Ｃ2において、タスク実行の優先度が高い順は、タスクＭ3、タスクＭ4である。残りの２つのタスクにおけるパルス光量の分配量の合計値は１００％であり１００％を超えないので、タスクＭ3、タスクＭ4の２つのタスクが並列に実行される。その後、撮影数１００を計上するとタスクＭ3の実行が完了する。
【００９２】
次いで、３回目の分配比算出時Ｃ3において、残りの１つのタスクであるタスクＭ4が実行される。その後、撮影数１００を計上するとタスクＭ4の実行が完了する。
【００９３】
このようにして、第１の規則に従って分配比を算出すれば、撮影数２５０でタスクＭ1〜タスクＭ4の全タスクが終了する。
【００９４】
図７Ｃは、第２の規則に従って図７Ａに示すタスクを実行した場合のタスク実行スケジュールを表す図である。ここで、第２の規則とは、測定に必要なパルス光量が少ないタスクを優先的に実行し、測定に必要なパルス光量が同じ場合はタスクの登録順によってタスク実行の優先度を決定するものである。初期状態において、タスク実行の優先度が高い順は、図７Ａの上から順に、タスクＭ1、タスクＭ2、タスクＭ4、タスクＭ3である。
【００９５】
先ず、１回目の分配比算出時Ｃ1において、タスク実行の優先度が高い順は、タスクＭ1、タスクＭ2、タスクＭ4、タスクＭ3である。残りの４つのタスクにおけるパルス光量の分配量の合計値は１６０％であり１００％を超えるので、タスクＭ1、タスクＭ2、タスクＭ4の３つのタスクが並列に実行される。その後、撮影数５０を計上するとタスクＭ1及びタスクＭ2の実行が同時に完了する。
【００９６】
次いで、２回目の分配比算出時Ｃ2において、タスク実行の優先度が高い順は、タスクＭ4、タスクＭ3である。残りの２つのタスクにおけるパルス光量の分配量の合計値は１００％であり１００％を超えないので、タスクＭ3、タスクＭ4の２つのタスクが並列に実行される。その後、撮影数１００を計上するとタスクＭ3の実行が完了する。
【００９７】
次いで、３回目の分配比算出時Ｃ3において、残りの１つのタスクＭ4が実行される。その後、撮影数５０を計上するとタスクＭ4の実行が完了する。
【００９８】
このようにして、第１の規則に従って分配比を算出すれば、撮影数２００でタスクＭ1〜タスクＭ4の全タスクが終了する。
【００９９】
以上のように、予め決められた規則に従って、測定時間を短縮することができる。特に、第２の規則のように、測定モード、撮影数等の測定情報と対応付けられた優先度に基づいてパルス光の分配比を算出すれば、測定スケジュールの管理が容易となる。また、決定された分配量の合計値が所定の値（例えば、パルス光源３６により生成可能なパルス光の最大光量である１００％）を超えるときに優先度の高い照射領域９４から順にパルス光を分配するように分配比を算出すれば、三次元形状測定システム１０全体としての測定時間をさらに短縮することができる。
【０１００】
最後に、複数の三次元形状測定装置１２ａ〜１２ｄを用いて複数のタスクを実行し得られた撮像信号を合成する。そうすれば、ワーク３２の測定時間を大幅に短縮しつつも、単一の三次元形状測定装置１２を用いた場合と比較して同等の測定結果（画像表示能）を迅速に得ることができる。
【０１０１】
定点カメラ１８により複数の三次元形状測定装置１２ａ〜１２ｄの位置・姿勢を撮像し、その撮像信号を定点カメラ制御装置２０を介して画像処理装置２２に送信する。
【０１０２】
なお、定点カメラ１８は、複数の三次元形状測定装置１２ａ〜１２ｄに用いるチャープ光パルスに対して非干渉性を備える波を用いて三次元位置情報を取得することが好ましい。前記波には、例えば、チャープ光パルスの発光波長範囲外の波長を有する電磁波（赤外線、紫外線、マイクロ波、ミリ波等）や超音波を用いることができる。超音波を使用するときは、定点カメラ１８を超音波測長器に代替する。
【０１０３】
複数の三次元形状測定装置１２ａ〜１２ｄからの撮像信号と、定点カメラ１８からの撮像信号と、を受信した画像処理装置２２は、公知の画像処理技術を用いて、それぞれの撮像座標系で座標表現された三次元形状測定装置１２ａ〜１２ｄからの撮像信号をワールド座標系で座標表現された撮像信号にそれぞれ変換し、ワールド座標系上に各三次元画像を合成することができる。
【０１０４】
例えば、特開平６−３０７８１２号公報に開示される技術のように、物体座標系、撮影座標系、及びワールド座標系を予め設定し、物体座標系において被測定物の表面形状を近似式による第１の曲面として表し、近似された該曲面を撮影座標系に座標変換し第２の曲面を得、撮影座標系において該第２の曲面と所定の直線（被測定物の表面上の注目点と撮影座標系の基準点とを通る直線）との交点を求め、該交点をワールド座標系に座標変換することにより、被測定物の表面上の三次元座標位置を簡単且つ正確に特定することができる。
【０１０５】
以上のようにして、三次元形状測定システム１０によってワーク３２の表面３４上における三次元形状を測定することができる。本実施形態によれば、光分配器６４により分配したパルス光をワーク３２の各照射領域９４に照射することにより各照射領域９４を同時に測定可能となり、ワーク３２の測定対象が広範である場合での測定の所要時間を短縮できる。また、一つのパルス光源３６で構成してもよいので、三次元形状測定システム１０の製造コストを低減できる。
【０１０６】
なお、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。
【０１０７】
例えば、本実施形態ではパルス光発生装置１４に接続可能な三次元形状測定装置１２は最大４台であるが、この接続台数の多少は問わない。
【０１０８】
また、本実施形態ではパルス光分配制御部７０はパルス光発生装置１４に組み込まれているが、別の装置（パルス光分配制御装置）として設けてもよい。
【０１０９】
さらに、本実施形態では投光部としての光学機構（ビームスプリッタ８８、コリメートレンズ９０、λ／４波長板９２、及び対物レンズ９６）と、検出部としてのカラー二次元検出器１０６と、が三次元形状測定装置１２に一体的に組み込まれている構成を採っているが、投光部と検出部を別々の装置として構成してもよい。
【０１１０】
さらに、本実施形態では同一の構成である三次元形状測定装置１２を用いているが、測定性能等の異なる複数の三次元形状測定装置１２の組合せを用いてもよい。かかる場合には、上述した測定モードの差異に応じて測定に必要なパルス光量が異なる場合（図７Ａ参照）と同様に、本発明を適用することができる。
【０１１１】
さらに、三次元形状の測定に用いられるチャープ光パルスは、可視領域の光波長に限定されることなく、紫外線や赤外線等を用いてもよい。
【符号の説明】
【０１１２】
１０…三次元形状測定システム              １４…パルス光発生装置
１２、１２ａ〜１２ｄ…三次元形状測定装置
１６、１６ａ〜１６ｄ…ファイバケーブル
１８…定点カメラ                          ２０…定点カメラ制御装置
２２…画像処理装置                        ２６…上位制御装置
３０、３０ａ、３０ｃ…撮像面              ３２…ワーク
３４…表面                                ３６…パルス光源
３８…第１波長板                          ４０…第１偏光ビームスプリッタ
４２…第２波長板                          ４４…第２偏光ビームスプリッタ
４６、５０、５８、６２、８０…ファイバ結合用レンズ
４８、５２、６０、９８、１０２…反射ミラー
５４…第３波長板                          ５６…第３偏光ビームスプリッタ
６４…光分配器                            ６６、１０８…Ｉ／Ｆ
６８…パルス光射出制御部                  ７０…パルス光分配制御部
７２…分配比算出部                        ７４…第１波長板制御部
７６…第２波長板制御部                    ７８…第３波長板制御部
８２…ビームスプリッタ                    ８４…チャープ導入装置
８６…拡大光学系                          ８８…偏光ビームスプリッタ
９０…コリメートレンズ                    ９２…λ／４波長板
９４、９４ａ、９４ｂ…照射領域            ９６…対物レンズ
１００…シャッタ                          １０４…結像光学系
１０６…カラー二次元検出器                １１０…焦点位置補正部
１１２…自動焦点制御部                    １１４…反射光像取得部
１２０…平坦部                            １２２…凹部
【図１】
2011007616.tif 000003
【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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