(57)【要約】【課題】物体の形状を計測するのに要する時間を短縮させる。【解決手段】光を出射する発光部４と物体３により反射した光を受光する受光部５とが一体化され前記受光部５が受光した光に基づいて前記物体３の位置情報を三角測量法の原理を用いて取得する三次元位置センサ２を複数備える。複数の三次元位置センサ２が取得した物体３の位置情報に基づいて物体３の形状を計測する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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形状計測装置。
【請求項２】
複数の前記三次元位置センサを保持する保持部材を備える請求項１記載の形状計測装置。
【請求項３】
前記受光部は、当該受光部を含む前記三次元位置センサ以外の前記三次元位置センサに含まれる前記発光部から出射され前記物体により反射した光を受光する請求項１又は２記載の形状計測装置。
【請求項４】
前記受光部は、当該受光部を含む前記三次元位置センサに隣接する前記三次元位置センサに含まれる前記発光部から出射され前記物体により反射した光を受光する請求項３記載の形状計測装置。
【請求項５】
複数の前記三次元位置センサは、直線状に配置されている請求項１ないし４の何れか一記載の形状計測装置。
【請求項６】
複数の前記三次元位置センサは、直線状に配置され、
前記受光部は、当該受光部を含む前記三次元位置センサ及びこの三次元位置センサに隣接する前記三次元位置センサ以外の前記三次元位置センサに含まれる前記発光部から出射され前記物体により反射した光を受光する請求項３記載の形状計測装置。
【請求項７】
光を授受する前記発光部と前記受光部との組み合わせの内の少なくとも一つの組み合わせの前記発光部と前記受光部との配列方向は、走査方向に対して直角ではない請求項４記載の形状計測装置。
【請求項８】
複数の前記発光部に対してタイミングをずらして光を出射させるずらし手段を備える請求項１ないし７の何れか一記載の形状計測装置。
【請求項９】
前記発光部と前記受光部との組み合わせによる計測の計測領域は、他の前記発光部と他の前記受光部との組み合わせによる計測の計測領域に重なる請求項３ないし８の何れか一記載の形状計測装置。
【請求項１０】
前記発光部と前記受光部との組み合わせによる計測の計測面積は、それらの前記発光部と前記受光部との各組み合わせ毎に設定されている請求項３ないし９の何れか一記載の形状計測装置。
【請求項１１】
複数の前記三次元位置センサが取得した前記物体の三次元位置情報の内の一部を選択して前記物体の形状を認識する請求項１ないし１０の何れか一記載の形状計測装置。
【請求項１２】
前記発光部の光軸の角度と前記受光部の光軸の角度とは、各前記三次元位置センサ毎に設定されている請求項１ないし１１の何れか一記載の形状計測装置。
【請求項１３】
前記発光部の光軸の角度と前記受光部の光軸の角度との内の少なくとも一方を変更する角度変更部と、
外部信号に応じて前記角度変更部を駆動して前記発光部の光軸の角度と前記受光部の光軸の角度との内の少なくとも一方を変更させる光軸変更手段と、
を備える請求項１ないし１２の何れか一記載の形状計測装置。
【請求項１４】
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る三次元位置センサ。
【請求項１５】
前記発光部と前記受光部とを光学的に隔てる光学的隔離構造を備える請求項１４記載の三次元位置センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、形状計測装置及び三次元位置センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、三次元ＣＡＤの発展に伴い、非常に複雑な表面形状の物体を設計できるようになってきている。このような設計に基づいて製作された物体、例えば金型や成型品等では、設計した通りに正確に実際の形状が作られているかを検証している。このような物体の三次元形状を計測する技術としては、発光装置と受光装置とを備え三角測量法の原理を用いて三次元計測を行なう形状計測装置、大型の画像入力装置を用いたステレオ視による三次元計測を行う形状計測装置、針を物体に接触させて計測する触針式の形状計測装置等がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような三次元計測では、高精度で短時間での計測が望まれている。しかしながら、ステレオ視による形状計測装置では、原理上計測精度を高めることが難しく、計測精度を高めようとすると高コストとなってしまう。また、触針式の形状計測装置は、高精度を得ることは可能であるが、物体全体を計測するには計測に多大な時間を要してしまうので、物体の一部を計測しその結果により、物体の全体の形状の正確さを判断しなければならない。また、発光装置と受光装置とを備え三角測量法の原理を用いて三次元計測を行なう形状計測装置においても、広い領域を高精度に計測するには、やはり時間がかかってしまう。
【０００４】
また、発光装置と受光装置とを備え三角測量法の原理を用いて三次元計測を行なう形状計測装置では、発光装置は例えばストロボ装置等の大型のものであり、受光装置は例えばビデオカメラ等の大型のものであり、これにより、形状計測装置が大型化、高コスト化してしまう。
【０００５】
本発明の目的は、物体の形状を計測するのに要する時間を短縮させることである。
【０００６】
本発明の目的は、高い計測精度で物体の形状を計測する場合でも、短時間で物体の形状を計測できるようにすることである。
【０００７】
本発明の目的は、形状計測装置用の小型で低コストな三次元位置センサを得ることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の形状計測装置は、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。
【０００９】
したがって、一度に物体の複数の領域を計測することが可能であり、各三次元位置センサの計測面積を微小にして高精度な計測をした場合でも、広い領域を短時間で計測することが可能となる。また、三次元位置センサの発光部と受光部とが一体化されているので、それらの間の位置ずれの発生が防止される。
【００１０】
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、複数の前記三次元位置センサを保持する保持部材を備える。
【００１１】
したがって、各三次元位置センサ間の位置ずれが起こることが防止される。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の形状計測装置において、前記受光部は、当該受光部を含む前記三次元位置センサ以外の前記三次元位置センサに含まれる前記発光部から出射され前記物体により反射した光を受光する。
【００１３】
したがって、光の授受を行なう発光部と受光部との間隔を自由に設定することが可能であり、ここで、三角測量法の原理から、発光部と受光部との組み合わせが計測できる計測面積は、それらの間の距離に依存することにより、三次元位置センサを適宜配置することによって、単一の三次元位置センサに制限されず、大きい物体における任意の部位を高精度に計測することが可能となる。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の形状計測装置において、前記受光部は、当該受光部を含む前記三次元位置センサに隣接する前記三次元位置センサに含まれる前記発光部から出射され前記物体により反射した光を受光する。
【００１５】
したがって、発光部と受光部との組み合わせ設定を簡単に行なうことが可能となる。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし４の何れか一記載の形状計測装置において、複数の前記三次元位置センサは、直線状に配置されている。
【００１７】
したがって、三次元位置センサ間の位置関係が簡素となるので、三次元位置センサ間の位置ずれの発生を抑えることが可能となる。また、これらの三次元位置センサの配列方向と異なる方向を三次元位置センサの走査方向とすることにより、その走査方向の傷を有する物体であっても、その傷を高精度に計測することが可能となる。
【００１８】
請求項６記載の発明は、請求項３記載の形状計測装置において、複数の前記三次元位置センサは、直線状に配置され、前記受光部は、当該受光部を含む前記三次元位置センサ及びこの三次元位置センサに隣接する前記三次元位置センサ以外の前記三次元位置センサに含まれる前記発光部から出射され前記物体により反射した光を受光する。
【００１９】
したがって、三次元位置センサ間の位置関係が簡素となるので、三次元位置センサ間の位置ずれの発生を抑えることが可能となる。また、発光部と受光部との各組み合わせの計測領域を重ね合わしたり、それらの計測領域を連続させるのが容易となる。
【００２０】
請求項７記載の発明は、請求項４記載の形状計測装置において、光を授受する前記発光部と前記受光部との組み合わせの内の少なくとも一つの組み合わせの前記発光部と前記受光部との配列方向は、走査方向に対して直角ではない。
【００２１】
したがって、走査方向での計測領域が広くなる。
【００２２】
請求項８記載の発明は、請求項１ないし７の何れか一記載の形状計測装置において、複数の前記発光部に対してタイミングをずらして光を出射させるずらし手段を備える。
【００２３】
したがって、発光部と受光部との組み合わせによる計測において他の発光部から出射された光の物体での乱反射による影響を受けることがない。
【００２４】
請求項９記載の発明は、請求項３ないし８の何れか一記載の形状計測装置において、前記発光部と前記受光部との組み合わせによる計測の計測領域は、他の前記発光部と他の前記受光部との組み合わせによる計測の計測領域に重なる。
【００２５】
したがって、重なった計測領域の情報によるキャリブレーションをとることが可能となり、発光部と受光部との各組み合わせによる計測のばらつきを補正することが可能となる。
【００２６】
請求項１０記載の発明は、請求項３ないし９の何れか一記載の形状計測装置において、前記発光部と前記受光部との組み合わせによる計測の計測面積は、それらの前記発光部と前記受光部との各組み合わせ毎に設定されている。
【００２７】
したがって、発光部と受光部との組み合わせ毎に計測精度が異なる。
【００２８】
請求項１１記載の発明は、請求項１ないし１０の何れか一記載の形状計測装置において、複数の前記三次元位置センサが取得した前記物体の三次元位置情報の内の一部を選択して前記物体の形状を認識する。
【００２９】
したがって、広い計測範囲における任意の位置での高精度な計測を短時間で行うことが可能となる。
【００３０】
請求項１２記載の発明は、請求項１ないし１１の何れか一記載の形状計測装置において、前記発光部の光軸の角度と前記受光部の光軸の角度とは、各前記三次元位置センサ毎に設定されている。
【００３１】
したがって、各発光部と各受光部との光学的な影響を軽減することが可能となる。また、計測領域を自由に設定することが可能となる。
【００３２】
請求項１３記載の発明は、請求項１ないし１２の何れか一記載の形状計測装置において、前記発光部の光軸の角度と前記受光部の光軸の角度との内の少なくとも一方を変更する角度変更部と、外部信号に応じて前記角度変更部を駆動して前記発光部の光軸の角度と前記受光部の光軸の角度との内の少なくとも一方を変更させる光軸変更手段と、を備える。
【００３３】
したがって、発光部や受光部の光軸の角度を変更することが可能であるので、自由度の高い計測を行なうことが可能となる。また、動的に計測条件を変更しながら計測を行なうことが可能となる。
【００３４】
請求項１４記載の発明の三次元位置センサは、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、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る。
【００３５】
したがって、基板（例えば、半導体基板等）上に発光部と受光部と処理部とを備えているので、三次元位置センサを小型化、低コスト化することが可能となる。
【００３６】
請求項１５記載の発明は、請求項１４記載の三次元位置センサにおいて、前記発光部と前記受光部とを光学的に隔てる光学的隔離構造を備える。
【００３７】
したがって、三次元位置センサ内において受光部が発光部から受ける光学的な影響を少なくすることが可能となる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
［第一の実施の形態］
本発明の第一の実施の形態を図１及び図３に基づいて説明する。ここで、図１は本実施の形態の形状計測装置を概略的に示す斜視図、図２は三次元位置センサを示す斜視図である。なお、図１では三次元位置センサを簡略化して示している（以下の実施の形態で用いる図面も同じ）。
【００３９】
図１に示すように、本実施の形態の形状計測装置１は、複数の三次元位置センサ２を備えている。これらの三次元位置センサ２は、計測対象物である物体３に対面して配置されている。これらの三次元位置センサ２は、固定的に配置しても良いし、ＸＹステージ等を有する移動装置に配置して移動可能としても良い。
【００４０】
三次元位置センサ２は、図２に示すように、発光部４と、受光部５と、処理部であり各種処理を実行する処理回路６とを備えている。これらの発光部４、受光部５、処理回路６は、単一の基板７上に実装されて一体化されている。
【００４１】
発光部４は、光を出射する発光素子８と、空間的インデックス素子９とを備えている。発光素子８としては、光を出射し基板７に実装可能なものであれば良く、例えば、ＬＥＤ、レーザ素子、プラズマ発光素子、ＥＬ等を例示することができる。また、タングステンランプや蛍光燈等も用いることはできるが、それらを用いる場合、発熱量が少ないものが望ましい。
【００４２】
空間的インデックス素子９は、発光素子８が出射した光に三次元計測を可能とするインデックスを発生させるものであり、本実施の形態の空間的インデックス素子９は、インデックスとして濃度傾斜パターンを発生させる。
【００４３】
受光部５は、光を受光する受光素子１０と、この受光素子１０の受光面１０ａ側に配置された受光レンズ１１とを備えている。受光素子１０としては、ＣＣＤ素子、ＣＭＯＳ素子等を例示することができる。
【００４４】
処理回路６は、発光素子８及び受光素子１０に接続され、これらの発光素子８及び受光素子１０を駆動制御するとともに、受光素子１０が受光した光に基づく情報を解析し、物体３の三次元位置情報を取得するものである。この処理回路６は、三次元位置センサ２の外部との間で情報の授受を行なう通信手段（図示せず）を備えている。この処理回路６としては、マイクロプロセッサ、専用演算器、ＤＳＰ等を例示することができる。
【００４５】
基板７としては、半導体基板を例示することができる。半導体基板に対する受光素子１０、空間的インデックス素子９、受光素子１０、処理回路６の実装は、ウエーハプロセスにより実現可能である。また、別の例として、基板７として、セラミック基板、ガラスエポキシ基板等を採用しても良い。セラミック基板やガラスエポキシ基板を採用する場合には、三次元位置センサ２をＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ  Ｃｈｉｐ  Ｍｏｄｕｌｅ）として構成すれば良い。
【００４６】
このような三次元位置センサ２が行なう物体３の三次元位置情報出力の処理を説明する。本実施の形態の三次元位置センサ２では、三角測量法の原理を用いた強度比法が用いられている。なお、この強度比法は公知の技術であるので詳しい説明は省略する。まず、発光素子８から物体３に対して光を出射する。出射された光は空間的インデックス素子９を通過して、濃度傾斜を有する濃度パターンを有した二次元画像として物体３に至り、物体３で反射して受光レンズ１１を通過して受光素子１０で受光（撮影）される。ここで、計測精度を向上させるため、濃度傾斜パターンは複数以上にすることが望ましい。このようにして受光素子１０が受光した光に基づく情報と、発光素子８と受光素子１０との位置関係とを用いて、処理回路６において、物体３の三次元位置情報が算出される。なお、本実施の形態では、このように強度比法を用いた例を説明したが、他の測距方法を用いても良い。
【００４７】
図３は形状計測装置１が備える各部の電気的な接続を示すブロック図である。図３に示すように、形状計測装置１には、各部の制御や各種演算を実行する制御部１２が設けられている。この制御部１２は、特に図示しないが各部を集中的に制御するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、コンピュータプログラムを格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＰＵのワークエリアとして機能するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成されている。この制御部１２には、複数の三次元位置センサ２が接続されるセンサインタフェース１３と、外部の電子機器（例えば、ホストコンピュータ）との間で情報通信を実行する通信インタフェース１４とがバスライン１５を介して接続されている。なお、図３ではインタフェースをＩ／Ｆと表す。
【００４８】
ここで、センサインタフェース１３を介して制御部１２に接続された三次元位置センサ２は、制御部１２による制御を受けて駆動されるとともに、取得した物体の三次元位置情報を制御部１２に入力する。
【００４９】
次に、制御部１２が行なう物体の三次元形状情報の取得処理を説明する。複数の三次元位置センサ２から物体３の三次元位置情報が入力された場合、それらの物体３の三次元位置情報は、空間的に離散化された情報であるので、まず、これらの情報から幾つかの特徴点を抽出する（サンプリング）。その後、物体３において三次元位置情報の存在しないところ（点）を補間法に基づいて埋めていくことにより、物体３の三次元形状情報を取得する。ここで、補間法としては、例えば、最も簡単で演算量が少なく高速である直線補間法を挙げることができる。また、他の方法としてはキュービック・コンボリューション法等を挙げることができる。これらの補間法は公知の技術であるので、詳しい説明は省略する。
【００５０】
このように本実施の形態では、一度に物体３の複数の領域を計測することができる。これにより、各三次元位置センサ２の計測面積を微小にして高精度な計測をした場合でも、広い領域を短時間で計測することができる。
【００５１】
また、複数の三次元位置センサ２が設けられているので、小さいサイズの物体３から大きいサイズの物体３にわたり高精度の計測を行なうことができる。
【００５２】
また、三次元位置センサ２の発光部４と受光部５とが基板７によって一体化されているので、それらの間の位置ずれの発生を防止することができる。
【００５３】
また、三次元位置センサ２は、基板７（例えば、半導体基板等）上に発光部４と受光部５と処理部とを備えているので、三次元位置センサ２を小型化、低コスト化することができる。また、このように小型化が実現されるので、従来の装置では物体３の影になり計測することができなかった領域を計測することができる。また、発光部４と受光部５との間隔を狭めることにより微小領域の計測を高精度で行なうことができる。
【００５４】
［第二の実施の形態］
次に、本発明の第二の実施の形態を図４及び図５に基づいて説明する。なお、上述した実施の形態と同じ部分は同一符号で示し説明も省略する（以下の実施の形態でも同じ）。ここで、図４は本実施の形態の形状計測装置を概略的に示す斜視図、図５は三次元位置センサを概略的に示す側面図である。
【００５５】
本実施の形態は、図４に示すように、任意の三次元位置センサ２に含まれる発光部４と、任意の三次元位置センサ２に含まれる受光部５とを組み合わせて物体３の計測を行ない、物体３の三次元位置情報を取得する点が第一の実施の形態に対して異なる。つまり、受光部５は、当該受光部５を含む三次元位置センサ２以外の三次元位置センサ２に含まれる発光部４から出射され物体３により反射した光を受光するように発光部４と組み合わされている。
【００５６】
発光部４と受光部５とは、図５に示すように、それらの光軸１８，１９が各発光部４と各受光部５毎に設定されている。これにより、任意の発光部４と任意の受光部５とを簡単に組み合わせることができる。
【００５７】
このような構成において、光の授受を行なう発光部４と受光部５との間隔を自由に設定することが可能であり、ここで、三角測量法の原理から、発光部４と受光部５との組み合わせが計測できる計測面積は、それらの間の距離に依存することにより、三次元位置センサ２を適宜配置することによって、単一の三次元位置センサ２に制限されず、大きい物体３における任意の部位を高精度に計測することができる。
【００５８】
［第三の実施の形態］
次に、本発明の第三の実施の形態を図６に基づいて説明する。ここで、図６は本実施の形態の形状計測装置を概略的に示す平面図である。
【００５９】
本実施の形態は、図６に示すように、隣接する三次元位置センサ２（２ａ，２ｂ，２ｃ，・・・２ｘ）の発光部４（４ａ，４ｂ，４ｃ，・・・２ｘ）と受光部５（５ａ，５ｂ，５ｃ，・・・５ｘ）とを組み合わせて物体３の計測を行ない、物体３の三次元位置情報を取得する。具体的には、三次元位置センサ２ａと三次元位置センサ２ｂとが隣接し、三次元位置センサ２ｂと三次元位置センサ２ｃとが隣接している場合、三次元位置センサ２ａの発光部４ａと三次元位置センサ２ｂの受光部５ｂとを組み合わせ、三次元位置センサ２ｂの発光部４ｂと三次元位置センサ２ｃの受光部５ｃとを組み合わせて、それらの組み合わせで物体３の計測を行なう。
【００６０】
このような構成により、発光部４と受光部５との組み合わせ設定を簡単に行なうことができる。
【００６１】
［第四の実施の形態］
次に、本発明の第四の実施の形態を図７に基づいて説明する。ここで、図７は本実施の形態の形状計測装置を概略的に示す斜視図、図８は三次元移動装置に保持されたセンサユニットを概略的に示す平面図である。
【００６２】
本実施の形態では、図７に示すように、三次元位置センサ２が保持部材である単一の基板１６上に設けられている。そして、これらの三次元位置センサ２と基板１６とによりセンユニット１７が構成されている。
【００６３】
このように基板１６上に設けられた三次元位置センサ２での発光部４と受光部５と組み合わせは、単一の三次元位置センサ２に含まれる発光部４と受光部５との組み合わせでも良いし、任意の発光部４と任意の受光部５との組み合わせでも良いし、隣接する三次元位置センサ２の受光部５と発光部４との組み合わせでも良い。
【００６４】
図８に示すように、センユニット１７は、三次元移動装置２１に保持されている。三次元移動装置２１は、互いに直行するＸＹＺ軸方向にセンユニット１７を移動させるものであり、Ｚ軸方向に移動自在なＺステージ２２と、ＸＹ軸方向に移動自在でありＺステージ２２を保持するＸＹステージ（図示せず）とを備えている。センユニット１７は、Ｚステージ２２の先端部に取り付けられている。
【００６５】
Ｚステージ２２は、図示しないＺ軸駆動機構を介して図示しない電動機により駆動される。ＸＹステージは、図示しないＸＹ軸駆動機構を介して図示しない電動機により駆動される。
【００６６】
この三次元移動装置２１は、Ｚステージ２２のＺ軸方向の移動量を読み取るＺ軸移動量読取器（図示せず）と、ＸＹステージのＸＹ軸方向の移動量を読み取るＸＹ軸移動量読取器（図示せず）とを備えている。Ｚ軸移動量読取器及びＸＹ軸移動量読取器の読取精度は、三次元位置センサ２のＺ軸方向及びＸＹ軸方向の計測精度を上回っている。ここで、Ｚ軸移動量読取器及びＸＹ軸移動量読取器の読取精度は、三次元位置センサ２のＺ軸方向及びＸＹ軸方向の計測精度の２倍以上の精度を有することが望ましい。
【００６７】
ここで、計測対象物である物体３は、Ｚステージ２２の先端部に対向して設けられたＸＹ軸平面である基準面２３に設置される。
【００６８】
このような構成において、三次元移動装置２１によってセンユニット１７をＸＹＺ軸方向に移動させながら三次元位置センサ２により物体３の三次元位置情報の計測を行なうことにより、物体３の任意の領域の計測を行なうことができる。
【００６９】
このように本実施の形態では、三次元位置センサ２が基板１６上に保持されていることにより、各三次元位置センサ２間の位置ずれが起こることを防止することができる。
【００７０】
［第五の実施の形態］
次に、本発明の第五の実施の形態を図９に基づいて説明する。ここで、図９は本実施の形態の形状計測装置を概略的に示す斜視図である。
【００７１】
本実施の形態は、図９に示すように、三次元位置センサ２が保持部材である単一の基板１６上に直線状に設けられている点が前述した第四の実施の形態とは異なる。
【００７２】
本実施の形態では、隣接する三次元位置センサ２（２ａ，２ｂ，２ｃ，・・・２ｘ）の発光部４（４ａ，４ｂ，４ｃ，・・・２ｘ）と受光部５（５ａ，５ｂ，５ｃ，・・・５ｘ）とを組み合わせて物体３の計測を行ない、物体３の三次元位置情報を取得する。具体的には、図９に示すように、三次元位置センサ２ａと三次元位置センサ２ｂとが隣接し、三次元位置センサ２ｂと三次元位置センサ２ｃとが隣接している場合、三次元位置センサ２ａの発光部４ａと三次元位置センサ２ｂの受光部５ｂとを組み合わせ、三次元位置センサ２ｂの発光部４ｂと三次元位置センサ２ｃの受光部５ｃとを組み合わせて、それらの組み合わせで物体３の計測を行なう。
【００７３】
このような構成において、三次元移動装置２１を駆動して、センユニット１７を三次元ユニットの配列方向に対して直交する方向に移動させる。これにより三次元位置センサ２の走査方向が三次元位置センサ２の配列方向と直交することとなる。これにより、走査方向の傷を有する物体３であっても、その傷を高精度に計測することができる。
【００７４】
また、三次元位置センサ２が直線状に配置されていることにより、三次元位置センサ２間の位置関係が簡素となるので、三次元位置センサ２間の位置ずれの発生を抑えることができる。
［第六の実施の形態］
次に、本発明の第六の実施の形態を図１０に基づいて説明する。ここで、図１０は本実施の形態の形状計測装置を概略的に示す平面図である。
【００７５】
本実施の形態は、図１０に示すように、計測を行なう発光部４と受光部５との組み合わせが前述した第五の実施の形態に対して異なる。
【００７６】
具体的には、各受光部５の相手となる発光部４は、その受光部５を含む三次元位置センサ２及びこの三次元位置センサ２に隣接する三次元位置センサ２以外の三次元位置センサ２に含まれる発光部４である。図１０では、三次元位置センサ２の一つ置きずつに発光部４と受光部５とを組み合わせた例を示しており、三次元位置センサ２ａの発光部４ａと三次元位置センサ２ｃの受光部５ｃとを組み合わせ、三次元位置センサ２ｂの発光部４ｂと三次元位置センサ２ｄの受光部５ｄとを組み合わせて、それらの組み合わせで物体３の計測を行なうようにしている。
【００７７】
このような構成により、発光部４と受光部５との各組み合わせの計測領域を容易に重ね合わせたり、それらの計測領域を容易に連続させることが可能となる。これにより、より高精度な計測を行なうことができる。
［第七の実施の形態］
次に、本発明の第七の実施の形態を図１１及び図１２に基づいて説明する。ここで、図１１は本実施の形態の形状計測装置を概略的に示す正面図である。
【００７８】
本実施の形態は、基本的には前述した第五の実施の形態と同じであるが、図１１に示すように、三次元位置センサ２の配列が第五の実施の形態に対して異なる。本実施の形態では、三次元位置センサ２が２列配置されており、かつ、それらの三次元位置センサ２が千鳥状になるように配置されている。
【００７９】
本実施の形態では、１列目の三次元位置センサ２の発光部４とその三次元位置センサ２に隣接する２列目の三次元位置センサ２の受光部５とを組み合わせ、２列目の三次元位置センサ２の発光部４とその三次元位置センサ２に隣接する１列目の受光部５とを組み合わせて物体３の三次元位置情報を取得する。
【００８０】
このような構成において、センユニット１７を三次元ユニットの配列方向に対して直交するする方向に移動させる。これにより、発光部４と受光部５との組み合わせの配列方向は、走査方向に対して直角ではない方向となり、これにより、走査方向での計測領域を広く取ることができ、高精度の計測を行なうことができる。
【００８１】
なお、三次元位置センサ２の配列として２列配置で千鳥状とした例を説明したが、三次元位置センサ２の配列はこれに限るものではなく、例えば、図１２に示すように、１列目の三次元位置センサ２の間隔と２列目の三次元位置センサ２の間隔が異なるものであっても良い。この場合には、発光部４と受光部５との組み合わせの一部は、一列目同士の組み合わせや２列目同士の組み合わせであってもよい。
【００８２】
［第八の実施の形態］
次に、本発明の第八の実施の形態を図１３に基づいて説明する。ここで、図１３は本実施の形態の形状計測装置を概略的に示す平面図である。
【００８３】
本実施の形態の制御部１２は、各発光部４と受光部５との組み合わせによる計測動作のタイミングが組み合わせ毎にずれるように、各発光部４ｂに対してタイミングをずらして光を出射させている。ここに、ずらし手段の機能が実行される。具体的には、例えば、三次元位置センサ２ａの発光部４ａが光を出射してから規定時間後に、三次元位置センサ２ｂの発光部４ｂを駆動して光を出射させ、さらにその規定時間後に三次元位置センサ２ｃの発光部４ｃを駆動して光を出射させる。なお、図１３では、三次元位置センサ２が基板１６上に一列に配列され、三次元位置センサ２の一つ置きずつに発光部４と受光部５とを組み合わせた例を示している。
【００８４】
このような構成により、発光部４と受光部５との組み合わせによる計測において他の発光部４から出射された光の物体３での乱反射による影響を受けることがないので、Ｓ／Ｎの高い、高精度の計測を行なうことができる。
【００８５】
［第九の実施の形態］
次に、本発明の第九の実施の形態を図１４に基づいて説明する。ここで、図１４は本実施の形態の形状計測装置の各発光部と受光部との組み合わせによる計測領域を示す模式図である。
【００８６】
本実施の形態は、図１４に示すように、発光部４と受光部５との各組み合わせによる計測領域９１（９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，・・・）の一部が互いに重なるように設定されている。具体的には、ある発光部４と受光部５との組み合わせによる計測領域９１ａと、別の発光部４と受光部５との組み合わせによる計測領域９１ｂとの一部を重ねて重畳領域９２ａｂを形成する。同じように、計測領域９１ｂと、さらに別の発光部４と受光部５との組み合わせによる計測領域９１ｃとの一部を重ねて重畳領域９２ｂｃを形成する。
【００８７】
このような構成により、三次元位置センサ２による物体３の計測において、重なった計測領域（重畳領域９１ａｂ，９１ｂｃ）の情報によるキャリブレーションをとることができ、これにより、発光部４と受光部５との各組み合わせによる計測のばらつきを補正することができるので、安定かつ高精度な計測を行なうことができる。
【００８８】
［第十の実施の形態］
次に、本発明の第十の実施の形態を図１５及び図１６に基づいて説明する。ここで、図１５は本実施の形態の形状計測装置の発光部と受光部との組み合わせによる計測領域を示す模式図、図１６は三次元位置センサの配置を概略的に示す平面図である。
【００８９】
本実施の形態は、図１５に示すように、発光部４と受光部５との各組み合わせによる計測領域９１（図１５では９１ａ，９１ｘ）が各組み合わせ毎に設定されている。具体的には、物体３の計測領域９１ｘを計測する受光部５と発光部４との組み合わせによる計測面積は、物体３の計測領域９１ａを計測する受光部５と発光部４との組み合わせによる計測面積よりも小さく設定されている。なお、図１５では、計測領域９１ｘは計測領域９１ａ内に位置付けられている例を示している。
【００９０】
このように計測面積を発光部４と受光部５との各組み合わせ毎に設定するには、図１６に示すように、発光部４と受光部５との各組み合わせの物体３までの距離を異なるものとして、その距離に合わせて発光部４と受光部５とのそれぞれの光軸１８，１９を設定することにより実現される。
【００９１】
このような構成により、発光部４と受光部５との組み合わせ毎に計測精度が異なるので、物体３の高精度の計測が必要な領域を計測面積の小さい発光部４と受光部５と組み合わせにより計測することにより、その部位を高精度に計測することができる。
【００９２】
［第十一の実施の形態］
次に、本発明の第十一の実施の形態を図１７に基づいて説明する。ここで、図１７は本実施の形態の形状計測装置を概略的に示す斜視図である。
【００９３】
本実施の形態では、図１７に示すように、単一の基板１６上に複数の三次元位置センサ２が格子状に配置されている。
【００９４】
また、本実施の形態の制御部１２には、合成処理回路１１１が設けられている。この合成処理回路１１１が主体となって行なう物体３の全体形状認識処理を以下に説明する。まず、三次元位置センサ２は、例えば、Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・・等のグループに分けられて認識される。各グループの三次元位置センサ２の各処理回路６からの位置情報出力をそれぞれ、Ａｍｎ、Ｂｍｎ、Ｃｍｎ、Ｄｍｎ等とした場合、物体３の形状等に応じて、必要となる情報をサンプリング検知し（図１５では、Ｃａｂ、Ｄｃｄ、Ｅｅｆ、Ｆｇｈ）、その後、サンプリングしたそれらの情報を合成処理して物体３の全体形状を把握する。
【００９５】
このような構成により、三次元位置センサ２をグループに分けて、それらのグループから必要となる情報だけをサンプリングして物体３の全体形状を把握するので、広い計測範囲における任意の位置での高精度な計測を短時間で行うことができる。
【００９６】
［第十二の実施の形態］
次に、本発明の第十二の実施の形態を図１８に基づいて説明する。ここで、図１８は本実施の形態の三次元位置センサを概略的に示す側面図である。
【００９７】
本実施の形態は、図１８に示すように、三次元位置センサ２の発光部４と、受光部５とが、基板７に対して角度調整自在に設けられており、これにより、発光部の光軸１８と、受光部の光軸１９とが可変となっている。具体的には、発光部４と受光部５との角度を調整する角度変更部である角度変更機構が各発光部４及び各受光部５に設けられている（図示せず）。これらの角度変更機構は、例えば、圧電素子や公知の技術であるＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）方式等を例示することができる。ここで、図１８において、実線で示す発光部４と受光部５とは、光軸１８，１９の角度が基板７に対して比較的に寝た角度となる状態に角度調整された状態を示し、仮想線で示す発光部４と受光部５とは、光軸１８，１９の角度が基板７に対して比較的に立った角度となる状態に角度調整された状態を示している。この角度変更機構は、制御部１２に接続されており、制御部１２により駆動制御される。
【００９８】
このような構成において、制御部１２は、外部のホストコンピュータ等からの外部信号に応じて、角度変更機構を駆動して発光部４の光軸１８の角度と受光部５の光軸１９の角度とを変更する。ここに、光軸変更手段の機能が実行される。
【００９９】
このように、本実施の形態では、発光部４と受光部５とのそれぞれの光軸１８，１９を変更することが可能であるので、自由度の高い計測を行なうことができる。また、動的に計測条件を変更しながら計測を行なうことができる。
【０１００】
［第十三の実施の形態］
次に、本発明の第十三の実施の形態を図１９に基づいて説明する。ここで、図１９は本実施の形態の三次元位置センサを概略的に示す側面図である。
【０１０１】
本実施の形態の三次元位置センサ２は、発光部４と受光部５とを光学的に隔てる光学的隔離構造である台座１３１と、光学的隔離構造である隔壁１３２とを備えている。
【０１０２】
台座１３１は、基板７上に設けられ、上面で受光部５を保持している。この台座１３１は、発光部４と受光部５とを異なる高さの位置に位置付け、これにより、発光部４から受光部５への光学的な影響を少なくしている。
【０１０３】
隔壁１３２は、発光部４と受光部５との間にそれらを隔てるように基板７上に立設されており、発光部４から受光部５への光学的な影響を少なくしている。
【０１０４】
このような構成により、三次元位置センサ２内において受光部５が発光部４から受ける光学的な影響を少なくなるので、これにより、受光部５が発光部４から受けるノイズが低減され、Ｓ／Ｎの高い高精度の計測を行なうことができる。
【０１０５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の形状計測装置によれば、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ことにより、一度に物体の複数の領域を計測することができ、各三次元位置センサの計測面積を微小にして高精度な計測をした場合でも、広い領域を短時間で計測することができる。また、複数の三次元位置センサを備えているので、小さいサイズの物体から大きいサイズの物体にわたり高精度の計測を行なうことができる。また、三次元位置センサの発光部と受光部とが一体化されているので、それらの間の位置ずれの発生を防止することができる。
【０１０６】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の形状計測装置において、複数の前記三次元位置センサを保持する保持部材を備えることにより、各三次元位置センサ間の位置ずれが起こることを防止することができる。
【０１０７】
請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２記載の形状計測装置において、前記受光部は、当該受光部を含む前記三次元位置センサ以外の前記三次元位置センサに含まれる前記発光部から出射され前記物体により反射した光を受光することにより、光の授受を行なう発光部と受光部との間隔を自由に設定することが可能であり、ここで、三角測量法の原理から、発光部と受光部との組み合わせが計測できる計測面積は、それらの間の距離に依存することにより、三次元位置センサを適宜配置することによって、単一の三次元位置センサに制限されず、大きい物体における任意の部位を高精度に計測することができる。
【０１０８】
請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の形状計測装置において、前記受光部は、当該受光部を含む前記三次元位置センサに隣接する前記三次元位置センサに含まれる前記発光部から出射され前記物体により反射した光を受光することにより、発光部と受光部との組み合わせ設定を簡単に行なうことができる。
【０１０９】
請求項５記載の発明によれば、請求項１ないし４の何れか一記載の形状計測装置において、複数の前記三次元位置センサは、直線状に配置されていることにより、三次元位置センサ間の位置関係が簡素となるので、三次元位置センサ間の位置ずれの発生を抑えることができ、また、これらの三次元位置センサの配列方向と異なる方向を三次元位置センサの走査方向とすることにより、その走査方向の傷を有する物体であっても、その傷を高精度に計測することができる。
【０１１０】
請求項６記載の発明によれば、請求項３記載の形状計測装置において、複数の前記三次元位置センサは、直線状に配置され、前記受光部は、当該受光部を含む前記三次元位置センサ及びこの三次元位置センサに隣接する前記三次元位置センサ以外の前記三次元位置センサに含まれる前記発光部から出射され前記物体により反射した光を受光することにより、三次元位置センサ間の位置関係が簡素となるので、三次元位置センサ間の位置ずれの発生を抑えることができ、また、発光部と受光部との各組み合わせの計測領域を容易に重ね合わせたり、それらの計測領域を容易に連続させることができる。これにより、より高精度な計測を行なうことができる。
【０１１１】
請求項７記載の発明によれば、請求項４記載の形状計測装置において、光を授受する前記発光部と前記受光部との組み合わせの内の少なくとも一つの組み合わせの前記発光部と前記受光部との配列方向は、走査方向に対して直角ではないことにより、走査方向での計測領域を広く取ることができ、これにより、高精度の計測を行なうことができる。
【０１１２】
請求項８記載の発明によれば、請求項１ないし７の何れか一記載の形状計測装置において、複数の前記発光部に対してタイミングをずらして光を出射させるずらし手段を備えることにより、発光部と受光部との組み合わせによる計測において他の発光部から出射された光の物体での乱反射による影響を受けることがないので、Ｓ／Ｎの高い、高精度の計測を行なうことができる。
【０１１３】
請求項９記載の発明によれば、請求項３ないし８の何れか一記載の形状計測装置において、前記発光部と前記受光部との組み合わせによる計測の計測領域は、他の前記発光部と他の前記受光部との組み合わせによる計測の計測領域に重なることにより、重なった計測領域の情報によるキャリブレーションをとることができ、これにより、発光部と受光部との各組み合わせによる計測のばらつきを補正することができるので、安定かつ高精度な計測を行なうことができる。
【０１１４】
請求項１０記載の発明によれば、請求項３ないし９の何れか一記載の形状計測装置において、前記発光部と前記受光部との組み合わせによる計測の計測面積は、それらの前記発光部と前記受光部との各組み合わせ毎に設定されていることにより、発光部と受光部との組み合わせ毎に計測精度が異なり、物体の高精度の計測が必要な領域のみを高精度に計測することができる。
【０１１５】
請求項１１記載の発明によれば、請求項１ないし１０の何れか一記載の形状計測装置において、複数の前記三次元位置センサが取得した前記物体の三次元位置情報の内の一部を選択して前記物体の形状を認識することにより、広い計測範囲における任意の位置での高精度な計測を短時間で行うことができる。
【０１１６】
請求項１２記載の発明によれば、請求項１ないし１１の何れか一記載の形状計測装置において、前記発光部の光軸の角度と前記受光部の光軸の角度とは、各前記三次元位置センサ毎に設定されていることにより、各発光部と各受光部との光学的な影響を軽減することができる。また、計測領域を自由に設定することが可能となるので、自由度の高い、高精度の計測を行なうことができる。
【０１１７】
請求項１３記載の発明によれば、請求項１ないし１２の何れか一記載の形状計測装置において、前記発光部の光軸の角度と前記受光部の光軸の角度との内の少なくとも一方を変更する角度変更部と、外部信号に応じて前記角度変更部を駆動して前記発光部の光軸の角度と前記受光部の光軸の角度との内の少なくとも一方を変更させる光軸変更手段と、を備えることにより、発光部や受光部の光軸の角度を変更することが可能であるので、自由度の高い計測を行なうことができる。また、動的に計測条件を変更しながら計測を行なうことができる。
【０１１８】
請求項１４記載の発明の三次元位置センサによれば、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ることにより、三次元位置センサを小型化、低コスト化することができる。また、このように小型化が実現されるので、従来の装置では物体の影になり計測することができなかった領域を計測することができる。また、発光部と受光部との間隔を狭めることにより、微小領域の計測を高精度で行なうことができる。
【０１１９】
請求項１５記載の発明によれば、請求項１４記載の三次元位置センサにおいて、前記発光部と前記受光部とを光学的に隔てる光学的隔離構造を備えることにより、三次元位置センサ内において受光部が発光部から受ける光学的な影響を少なくすることができ、これにより、受光部が発光部から受けるノイズが低減され、Ｓ／Ｎの高い高精度の計測を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態の形状計測装置を概略的に示す斜視図である。
【図２】三次元位置センサを示す斜視図である。
【図３】形状計測装置が備える各部の電気的接続を示すブロックである。
【図４】本発明の第二の実施の形態の形状計測装置を概略的に示す斜視図である。
【図５】三次元位置センサを概略的に示す側面図である。
【図６】本発明の第三の実施の形態の形状計測装置を概略的に示す平面図である。
【図７】本発明の第四の実施の形態の形状計測装置を概略的に示す斜視図である。
【図８】三次元移動装置に保持されたセンサユニットを概略的に示す平面図である。
【図９】本発明の第五の実施の形態の形状計測装置を概略的に示す斜視図である。
【図１０】本発明の第六の実施の形態の形状計測装置を概略的に示す平面図である。
【図１１】本発明の第七の実施の形態の形状計測装置を概略的に示す正面図である。
【図１２】その変形例の形状計測装置を概略的に示す正面図である。
【図１３】本発明の第八の実施の形態の形状計測装置を概略的に示す平面図である。
【図１４】本発明の第九の実施の形態の形状計測装置の各発光部と受光部との組み合わせによる計測領域を示す模式図である。
【図１５】本発明の第十の実施の形態の形状計測装置の発光部と受光部との組み合わせによる計測領域を示す模式図である。
【図１６】三次元位置センサの配置を概略的に示す平面図である。
【図１７】本発明の第十一の実施の形態の形状計測装置を概略的に示す斜視図である。
【図１８】本発明の第十二の実施の形態の三次元位置センサを概略的に示す側面図である。
【図１９】本発明の第十三の実施の形態の三次元位置センサを概略的に示す側面図である。
【符号の説明】
１      形状計測装置
２      三次元位置センサ
３      物体
４      発光部
５      受光部
１６    基板（保持部材）
１８    光軸
１９    光軸
１３１  台座（光学的隔離構造）
１３２  隔壁（光学的隔離構造）
【図１】
2004251699.tif 000003
【図２】
2004251699.tif 000004
【図３】
2004251699.tif 000005
【図４】
2004251699.tif 000006
【図５】
2004251699.tif 000007
【図６】
2004251699.tif 000008
【図７】
2004251699.tif 000009
【図８】
2004251699.tif 000010
【図９】
2004251699.tif 000011
【図１０】
2004251699.tif 000012
【図１１】
2004251699.tif 000013
【図１２】
2004251699.tif 000014
【図１３】
2004251699.tif 000015
【図１４】
2004251699.tif 000016
【図１５】
2004251699.tif 000017
【図１６】
2004251699.tif 000018
【図１７】
2004251699.tif 000019
【図１８】
2004251699.tif 000020
【図１９】
2004251699.tif 000021