(57)【要約】【課題】３次元形状測定装置の撮像装置や接触子のように、３次元形状の測定に必要であり、かつ、その位置や姿勢が測定データに大きく影響する器具等の位置や姿勢を正確かつ簡便に測定できるようにする。【解決手段】位置姿勢測定装置は、例えば、互いに直角をなす線状の第１、第２の像１９Ａ、１９Ｂをそれぞれ結ぶレーザー光を利用するものであり、第１、第２の像１９Ａ、１９Ｂと交差することで、レーザー光を反射して特定の方向に向かわせる反射具１１を備える。また、反射具１１は、再帰性反射材により設けられた３つの反射部２３ａ〜２３ｃを有し、反射部２３ａ〜２３ｃは、３角形の頂点を占めるように、かつ、反射されるレーザー光の光量が互いに異なるように設けられている。これにより、球面座標系を利用して撮像装置等の位置および姿勢を正確に測定することができる。【選択図】図３
2012159436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
線状の像を結ぶ光を放射する放射手段と、
この放射手段による光の放射方向を制御して線状の像を結ぶ位置を可変する放射制御手段と、
この放射制御手段による光の放射方向の制御により線状の像と交差することで、前記放射手段から放射された光を反射して特定の方向に向かわせる反射具と、
この反射具により反射された光を受光するとともに、受光した光の情報に基づいて前記反射具の位置および姿勢を把握する反射具情報把握手段とを備え、
前記放射手段は、互いに非平行な第１の像および第２の像を結ぶことができるものであり、
前記反射具は、再帰性反射材により設けられた３つ以上の反射部を有し、
前記３つ以上の反射部は、多角形の頂点を占めるように、かつ、反射される光の光量が互いに異なるように設けられ、
前記放射制御手段は、
前記第１の像と非直角な第１の軸を回転中心軸として前記第１の像を回転させることで、前記第１の像を前記３つ以上の反射部に順次に交差させる第１放射制御手段と、
前記第２の像と非直角であって前記第１の軸と非平行な第２の軸を回転中心軸として前記第２の像を回転させることで、前記第２の像を前記３つ以上の反射部に順次に交差させる第２放射制御手段とを有し、
前記反射具情報把握手段は、前記第１放射制御手段および前記第２放射制御手段の実行により得られる前記光の情報に基づいて前記反射具の位置および姿勢を把握することを特徴とする位置姿勢測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の位置姿勢測定装置において、
前記３つ以上の反射部は、互いに異なる径を有する円形状に設けられていることを特徴とする位置姿勢測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の位置姿勢測定装置と、
３次元形状の測定対象物に係わる画像を撮像する撮像装置とを備え、
前記反射具は、前記撮像装置または前記撮像装置に対して相対的に静止している間接物に装着され、
前記撮像装置を用いた撮像により得られる画像データ、ならびに、前記位置姿勢測定装置により把握される前記反射具の位置および姿勢に基づき、前記測定対象物の３次元形状を測定することを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の位置姿勢測定装置と、
３次元形状の測定対象物に特定の部位が接触するように操作される接触子とを備え、
前記反射具は、前記接触子または前記接触子に対して相対的に静止している間接物に装着され、
前記測定対象物への前記接触子の接触、ならびに、前記位置姿勢測定装置により把握される前記反射具の位置および姿勢に基づき、前記測定対象物の３次元形状を測定することを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の位置姿勢測定装置を備え、
前記反射具は、３次元形状の測定対象物またはこの測定対象物に対して相対的に静止している間接物に装着され、
前記位置姿勢測定装置により把握される前記反射具の位置および姿勢に基づき、前記測定対象物の３次元形状を測定することを特徴とする３次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元空間における物体の位置および姿勢を測定する位置姿勢測定装置、ならびに、物体の３次元形状を測定する３次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特許文献１、２に示すように、３次元形状の測定対象物に格子パターンを投影して得られる格子像を撮像し、撮像により得られた画像データに基づいて測定対象物の３次元形状を測定する測定装置が公知となっている。すなわち、特許文献１、２の測定装置によれば、格子像には測定対象物表面の凹凸等に応じて湾曲が現れ、この湾曲を撮像して処理することにより数値的な画像データが得られる。
【０００３】
ところで、特許文献１、２の測定装置によれば、格子像を撮像する撮像装置が必要となるが、得られる画像データは、測定対象物の同一部位を示すものであっても、撮像装置の位置や姿勢に応じて異なったものとなる。このため、測定対象物の形状が複雑であったり、測定対象物の大きさが格子パターンの投影範囲に比べて巨大であったりする場合、撮像装置の位置や姿勢を変更する必要があり、結果的に、撮像装置の位置や姿勢を画像データに反映させないと正確な画像データを得ることができない。
【０００４】
また、特許文献１、２のように格子像の撮像に基づく測定装置とは別に、測定対象物に接触子を接触させることで、接触させた部位の形状を測定する接触式の測定装置も公知となっている。そして、この測定装置によれば、形状を示す数値的なデータに接触子の位置や姿勢を反映させるため、接触子に発光素子が一体化されている。そして、この測定装置は、発光素子から得られる光の情報に基づいて接触子の位置や姿勢を把握する。
【０００５】
しかし、この測定装置によれば、発光素子を接触子に一体化しているため、接触子に電気配線を接続して接触子の移動に合わせて電気配線を取り回す必要があり、取り扱いが煩雑になってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２４６６１２号公報
【特許文献２】特開平６−２４９６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、３次元空間における物体の位置および姿勢を正確かつ簡便に測定することにあり、特に、３次元形状測定装置の撮像装置や接触子のように、３次元形状の測定に必要であり、かつ、その位置や姿勢が測定データに大きく影響する器具等の位置や姿勢を正確かつ簡便に測定できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
〔請求項１の手段〕
請求項１の手段によれば、位置姿勢測定装置は、線状の像を結ぶ光を放射する放射手段と、放射手段による光の放射方向を制御して線状の像を結ぶ位置を可変する放射制御手段と、放射制御手段による光の放射方向の制御により線状の像と交差することで、放射手段から放射された光を反射して特定の方向に向かわせる反射具と、反射具により反射された光を受光するとともに、受光した光の情報に基づいて反射具の位置および姿勢を把握する反射具情報把握手段とを備える。
【０００９】
放射手段は、互いに非平行な第１の像および第２の像を結ぶことができるものである。また、反射具は、再帰性反射材により設けられた３つ以上の反射部を有し、３つ以上の反射部は、多角形の頂点を占めるように、かつ、反射される光の光量が互いに異なるように設けられている。
【００１０】
さらに、放射制御手段は、第１の像と非直角な第１の軸を回転中心軸として第１の像を回転させることで、第１の像を３つ以上の反射部に順次に交差させる第１放射制御手段と、第２の像と非直角であって第１の軸と非平行な第２の軸を回転中心軸として第２の像を回転させることで、第２の像を３つ以上の反射部に順次に交差させる第２放射制御手段とを有する。そして、反射具情報把握手段は、第１放射制御手段および第２放射制御手段の実行により得られる光の情報に基づいて反射具の位置および姿勢を把握する。
【００１１】
これにより、第１、第２放射制御手段の実行により得られる光の情報に基づいて、少なくとも３つの反射部のそれぞれについて３次元空間座標に係わる２つの角度データ、つまり、合計６つの角度データを得ることができる。このため、光の情報に基づいて得られる６つの角度データと、少なくとも３つの反射部により形成される３角形の３辺の長さ（つまり、３つの反射部間距離）とを用いて、３つの反射部のそれぞれについて３次元空間座標を算出することができる。したがって、電気配線の取り回し等の煩雑さを伴わずに、３次元空間における物体の位置および姿勢を正確かつ簡便に測定することができる。
【００１２】
また、４つ以上の反射部を反射具に装着することで、さらに多くの角度データを得ることができるので、より高精度に３次元空間における物体の位置および姿勢を簡便に測定することができる。
【００１３】
〔請求項２の手段〕
請求項２の手段によれば、３つ以上の反射部は、互いに異なる径を有する円形状に設けられている。
これにより、第１、第２放射制御手段の実行により得られる光の情報は、個々の反射部の径に応じて変化するものとなる。このため、得られた光の情報が複数の反射部の内のいずれの反射部に対応するものであるかの識別を正確かつ容易に行うことができる。
【００１４】
〔請求項３の手段〕
請求項３の手段によれば、３次元形状測定装置は、３次元形状の測定対象物に係わる画像を撮像する撮像装置を備える。また、反射具は、撮像装置または撮像装置に対して相対的に静止している間接物に装着されている。そして、３次元形状測定装置は、撮像装置を用いた撮像により得られる画像データ、ならびに、位置姿勢測定装置により把握される反射具の位置および姿勢に基づき、測定対象物の３次元形状を測定する。
【００１５】
この手段は、撮像装置を備える３次元形状測定装置に位置姿勢測定装置を具備させたものである。
これにより、撮像装置の位置や姿勢を正確かつ簡便に測定できるので、撮像装置の位置や姿勢を変更しても、測定対象物の３次元形状を正確かつ簡便に測定することができる。
【００１６】
〔請求項４の手段〕
請求項４の手段によれば、３次元形状測定装置は、３次元形状の測定対象物に特定の部位が接触するように操作される接触子を備え、反射具は、接触子または接触子に対して相対的に静止している間接物に装着される。そして、３次元形状測定装置は、測定対象物への接触子の接触、ならびに、位置姿勢測定装置により把握される反射具の位置および姿勢に基づき、測定対象物の３次元形状を測定する。
【００１７】
この手段は、接触子を備える３次元形状測定装置に位置姿勢測定装置を具備させたものである。
これにより、接触子の位置や姿勢を正確かつ簡便に測定することができるので、接触子の位置や姿勢を変更することにより測定対象物の３次元形状を正確に測定することができる。このため、例えば、撮像装置による画像データの取得が困難である場合等に、画像データを取得しなくても測定対象物の３次元形状を正確に測定することができる。
【００１８】
〔請求項５の手段〕
請求項５の手段によれば、反射具は、３次元形状の測定対象物または測定対象物に対して相対的に静止している間接物に装着される。そして、３次元形状測定装置は、位置姿勢測定装置により把握される反射具の位置および姿勢に基づき、測定対象物の３次元形状を測定する。
【００１９】
この手段は、測定対象物やその間接物に直接的に反射具を装着して測定対象物の３次元形状を測定するものである。
これにより、例えば、橋梁、建築物の梁、または飛行機の翼等の巨大な物の撓み等の測定を正確かつ簡便に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】３次元形状測定装置の構成図である（実施例１）。
【図２】位置姿勢測定装置の装置ユニットの構成図である（実施例１）。
【図３】位置姿勢測定装置により結ばれる第１、第２の像と反射具との関係を斜視図的に示す説明図である（実施例１）。
【図４】（ａ）は位置姿勢測定装置の反射具の構成図であり、（ｂ）は位置姿勢測定装置の作用を示す説明図である（実施例１）。
【図５】位置姿勢測定装置による測定手順を示すフローチャートである（実施例１）。
【図６】３次元形状測定装置の要部構成図である（実施例２）。
【図７】反射具の装着態様を示す説明図である（実施例３）。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
実施形態１の３次元形状測定装置に具備される位置姿勢測定装置は、線状の像を結ぶ光を放射する放射手段と、放射手段による光の放射方向を制御して線状の像を結ぶ位置を可変する放射制御手段と、放射制御手段による光の放射方向の制御により線状の像と交差することで、放射手段から放射された光を反射して特定の方向に向かわせる反射具と、反射具により反射された光を受光するとともに、受光した光の情報に基づいて反射具の位置および姿勢を把握する反射具情報把握手段とを備える。
【００２２】
放射手段は、互いに非平行な第１の像および第２の像を結ぶことができるものである。また、反射具は、再帰性反射材により設けられた３つ以上の反射部を有し、３つ以上の反射部は、多角形の頂点を占めるように、かつ、反射される光の光量が互いに異なるように設けられている。
【００２３】
さらに、放射制御手段は、第１の像と非直角な第１の軸を回転中心軸として第１の像を回転させることで、第１の像を３つ以上の反射部に順次に交差させる第１放射制御手段と、第２の像と非直角であって第１の軸と非平行な第２の軸を回転中心軸として第２の像を回転させることで、第２の像を３つ以上の反射部に順次に交差させる第２放射制御手段とを有する。そして、反射具情報把握手段は、第１放射制御手段および第２放射制御手段の実行により得られる光の情報に基づいて反射具の位置および姿勢を把握する。
なお、３つ以上の反射部は、互いに異なる径を有する円形状に設けられている。
【００２４】
また、３次元形状測定装置は、３次元形状の測定対象物に係わる画像を撮像する撮像装置を備える。さらに、反射具は、撮像装置または撮像装置に対して相対的に静止している間接物に装着されている。そして、３次元形状測定装置は、撮像装置を用いた撮像により得られる画像データ、ならびに、位置姿勢測定装置により把握される反射具の位置および姿勢に基づき、測定対象物の３次元形状を測定する。
【００２５】
実施形態２の３次元形状測定装置は、３次元形状の測定対象物に特定の部位が接触するように操作される接触子を備え、反射具は、接触子または接触子に対して相対的に静止している間接物に装着される。そして、３次元形状測定装置は、測定対象物への接触子の接触、ならびに、位置姿勢測定装置により把握される反射具の位置および姿勢に基づき、測定対象物の３次元形状を測定する。
【００２６】
実施形態３の３次元形状測定装置によれば、反射具は、３次元形状の測定対象物または測定対象物に対して相対的に静止している間接物に装着される。そして、３次元形状測定装置は、位置姿勢測定装置により把握される反射具の位置および姿勢に基づき、測定対象物の３次元形状を測定する。
【実施例】
【００２７】
〔実施例１の構成〕
実施例１の３次元形状測定装置１の構成を、図１〜図４を用いて説明する。
ここで、３次元形状測定装置１は、例えば、３次元形状の測定対象物２に格子パターンを投影して得られる格子像を撮像する撮像装置３を備え、撮像により得られた画像データに基づいて測定対象物２の３次元形状を測定するものである。また、撮像装置３は、例えば、周知のＣＣＤカメラであり、台車４と一体化された多関節の支持体５の先端に取り付けられ、台車４の移動や支持体５の屈折に応じて、３次元空間的な位置や姿勢を変更することができるものである。
【００２８】
また、３次元形状測定装置１は、撮像装置３の位置や姿勢を測定するための位置姿勢測定装置６を備える。
ここで、位置姿勢測定装置６は、撮像装置３の位置や姿勢を画像データに反映させて正確な画像データを得るために利用されるものであり、測定対象物２の形状が複雑であったり、測定対象物２の大きさが格子パターンの投影範囲に比べて巨大であったりする場合等に、撮像装置３の位置や姿勢を変更しても正確な画像データを得られるようにするものである。そして、位置姿勢測定装置６は、指向性や収束性に優れるレーザー光の放射および反射を利用して撮像装置３の位置や姿勢を測定するために必要な情報を得る。
【００２９】
以下、位置姿勢測定装置６を詳細に説明する。
位置姿勢測定装置６は、レーザー光を放射する放射手段９と、レーザー光の放射方向を可変する放射方向可変手段１０と、放射手段９から放射されたレーザー光を反射して特定の方向に向かわせる反射具１１と、反射具１１により反射されたレーザー光を受光する受光手段１２と、放射方向可変手段１０を制御したり、受光手段１２から受光したレーザー光の情報の入力を受けたりするマイコン１３とを備え、主に、反射具１１以外の機器等は移動可能な１つの装置ユニット１４として構成されている。
【００３０】
放射手段９は、例えば、周知のレーザー発振器１７と、円筒ミラー１８とを有するものであり、レーザー光を円筒状の鏡面に入射して反射する。これにより、レーザー光は、例えば、反射されたレーザー光の光軸に対し垂直な線状に伸びるように放射され、線状の像１９を結ぶ。
【００３１】
また、放射手段９は、レーザー発振器１７と円筒ミラー１８との組合せを２組有している。
以下の説明では、レーザー発振器１７と円筒ミラー１８との２組の組合せの内、一方の組合せからなる放射手段９を放射手段９Ａと呼び、他方の組合せからなる放射手段９を放射手段９Ｂと呼ぶことがある。また、放射手段９Ａにより結ばれる像１９を第１の像１９Ａと呼び、放射手段９Ｂにより結ばれる像１９を第２の像１９Ｂと呼ぶことがある。
なお、レーザー発振器１７は、例えば、マイコン１３からの指令に応じてレーザー光の発振をオンオフする。
【００３２】
放射方向可変手段１０は、例えば、周知の電動モータであり、放射手段９Ａ、９Ｂのそれぞれに対して装備され（以下、放射手段９Ａ、９Ｂのそれぞれに対して装備される放射方向可変手段１０を電動モータ１０Ａ、１０Ｂと呼ぶことがある。）、電動モータ１０Ａ、１０Ｂのそれぞれの出力軸２０に円筒ミラー１８が装着されている。
【００３３】
これにより、電動モータ１０Ａが動作して放射手段９Ａの円筒ミラー１８が回転すると、第１の像１９Ａは電動モータ１０Ａの出力軸２０を回転中心軸として回転する。また、電動モータ１０Ｂが動作して放射手段９Ｂの円筒ミラー１８が回転すると、第２の像１９は電動モータ１０Ｂの出力軸２０を回転中心軸として回転する。
【００３４】
ここで、電動モータ１０Ａ、１０Ｂの相対的な配置、電動モータ１０Ａ、１０Ｂのそれぞれに対する円筒ミラー１８の装着態様、および、レーザー光の円筒ミラー１８に対する入射態様等は、電動モータ１０Ａ、１０Ｂの出力軸２０がそれぞれ第１、第２の像１９Ａ、１９Ｂと平行であって互いに直角をなすように、かつ、第１、第２の像１９Ａ、１９Ｂが直角をなすように設定されている。
【００３５】
反射具１１は、撮像装置３に装着され、撮像装置３に対して相対的に静止しているものであり、撮像装置３の位置および姿勢に応じた位置および姿勢をとる。また、反射具１１は、レーザー光を受ける平坦な受光面２２を有し、受光面２２に、３つの反射部２３ａ、２３ｂ、２３ｃが３角形の頂点を占めるように設けられている。
【００３６】
そして、放射手段９Ａから放射されたレーザー光が受光面２２に交差するように放射方向が制御されると、受光面２２には第１の像１９Ａが結ばれ、放射手段９Ｂから放射されたレーザー光が受光面２２に交差するように放射方向が制御されると、受光面２２には第２の像１９Ｂが結ばれる。また、受光面２２に結ばれた第１、第２の像１９Ａ、１９Ｂが、それぞれ反射部２３ａ〜２３ｃに交差すると、反射部２３ａ〜２３ｃによりレーザー光が反射される。
【００３７】
ここで、反射部２３ａ〜２３ｃは、再帰性反射材により設けられている。このため、放射手段９Ａから放射されて反射部２３ａ〜２３ｃに入射されたレーザー光は、入射方向と逆の方向に反射されて放射手段９Ａに向かう。同様に、放射手段９Ｂから放射されて反射部２３ａ〜２３ｃに入射されたレーザー光は放射手段９Ｂに向かって反射される。
【００３８】
また、反射部２３ａ〜２３ｃは、互いに異なる径を有する円形状に設けられているため、反射部２３ａ〜２３ｃから反射されたレーザー光は互いに光量が異なる。例えば、反射部２３ａ→反射部２３ｂ→反射部２３ｃの順に径が小さくなるように反射部２３ａ〜２３ｃが設けられている場合、反射部２３ａ〜２３ｃから反射されたレーザー光の光量は、反射部２３ａによる反射レーザー光→反射部２３ｂによる反射レーザー光→反射部２３ｃによる反射レーザー光の順に光量が小さくなる。
【００３９】
受光手段１２は、受光したレーザー光の光量に応じた電気信号をマイコン１３に出力するものであって周知の受光素子である。また、受光手段１２は、放射手段９Ａ、９Ｂのそれぞれに対して装備され（以下、放射手段９Ａ、９Ｂのそれぞれに対して装備される受光手段１２を受光素子１２Ａ、１２Ｂと呼ぶことがある。）、受光素子１２Ａ、１２Ｂは、それぞれ、反射部２３ａ〜２３ｃから反射されたレーザー光を受光できるように放射手段９Ａ、９Ｂそれぞれの円筒ミラー１８の近傍に配置される。
【００４０】
マイコン１３は、例えば、制御機能および演算機能を具備するＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭ等の記憶装置、入力装置や出力装置を有するマイクロコンピュータとして構成され、以下に説明する放射制御手段や反射具情報把握手段を構成する（なお、以下の説明では、制御手段１３をマイコン１３と呼ぶ。）。
【００４１】
放射制御手段は、主に、マイコン１３と電動モータ１０Ａ、１０Ｂとにより構成されるものであり、放射手段９Ａ、９Ｂによるレーザー光の放射方向を制御して線状の像１９Ａ、１９Ｂを結ぶ位置を可変する機能である。ここで、マイコン１３は、放射手段９Ａ、９Ｂそれぞれの円筒ミラー１８の回転数が一定となるように電動モータ１０Ａ、１０Ｂを定速制御して電動モータ１０Ａ、１０Ｂそれぞれの出力軸２０をそれぞれ３６０°回転させる。
【００４２】
これにより、第１、第２の像１９Ａ、１９Ｂは、それぞれ、電動モータ１０Ａ、１０Ｂの出力軸２０の周囲を一定の角速度で一周する。このため、第１、第２の像１９Ａ、１９Ｂは、それぞれ、反射部２３ａ〜２３ｃに反射具１１の位置および姿勢に応じた順序で順次に交差する。
【００４３】
以上により、放射制御手段の機能は、電動モータ１０Ａの出力軸２０を回転中心軸として第１の像１９Ａを回転させることで、第１の像１９Ａを反射部２３ａ〜２３ｃに順次に交差させる第１放射制御手段と、電動モータ１０Ｂの出力軸２０を回転中心軸として第２の像１９Ｂを回転させることで、第２の像１９Ｂを反射部２３ａ〜２３ｃに順次に交差させる第２放射制御手段とに分けることができる（この場合、第１放射制御手段は、主に、マイコン１３と電動モータ１０Ａとにより構成され、第２放射制御手段は、主に、マイコン１３と電動モータ１０Ｂとにより構成される。）。
【００４４】
反射具情報把握手段は、主に、マイコン１３と受光素子１２Ａ、１２Ｂとにより構成されるものであり、反射具１１により反射されたレーザー光を受光するとともに、受光したレーザー光の情報に基づいて反射具１１の位置および姿勢を把握する機能である。そして、マイコン１３は、第１、第２放射制御手段の実行により得られるレーザー光の情報に基づいて反射具１１の位置および姿勢を把握する。
【００４５】
より具体的には、球面座標系（ｒ、θ、φ）において、反射部２３ａ〜２３ｃそれぞれの球面座標を（ｒａ、θａ、φａ）、（ｒｂ、θｂ、φｂ）、（ｒｃ、θｃ、φｃ）とすると、マイコン１３は、例えば、第１放射制御手段の実行により得られるレーザー光の情報に基づき球面座標の各成分の内、θａ〜θｃを求め、第２放射制御手段の実行により得られるレーザー光の情報に基づき球面座標の各成分の内、φａ〜φｃを求める。
【００４６】
次に、マイコン１３は、求めたθａ〜θｃおよびφａ〜φｃ、ならびに既知の反射部間距離（すなわち、反射部２３ａ、２３ｂ間の距離ｒａｂ、反射部２３ｂ、２３ｃ間の距離ｒｂｃおよび反射部２３ｃ、２３ａ間の距離ｒｃａ）を用いて、残りの球面座標の成分ｒａ〜ｒｃを求める。
以上により、マイコン１３は、反射部２３ａ〜２３ｃのそれぞれの球面座標（ｒａ、θａ、φａ）〜（ｒｃ、θｃ、φｃ）を求めることができるので、反射具１１の位置および姿勢を把握することができる。
【００４７】
〔実施例１の作用〕
実施例１の３次元形状測定装置１の作用を、図３〜図５を用いて位置姿勢測定装置６の作用を中心に説明する。
なお、図５のフローチャートは、例えば、撮像装置３の位置および姿勢の少なくとも一方に有意の変更が生じたときに実行される。
【００４８】
まず、ステップＳ１で、電動モータ１０Ａの出力軸２０を回転中心軸として第１の像１９Ａを回転させることで、第１の像１９Ａを反射部２３ａ〜２３ｃに順次に交差させる。
これにより、ステップＳ２で、受光素子１２Ａからマイコン１３に電気信号Ｓθ１〜Ｓθ３が入力される。
【００４９】
すなわち、ステップＳ１の実行により、例えば、球面座標成分のθに関して、受光素子１２Ａは、まず、θ１にてレーザー光の受光を開始するとともにΔθ１の期間が経過した後にレーザー光の受光を終了し、次に、θ２にてレーザー光の受光を開始するとともにΔθ２の期間が経過した後にレーザー光の受光を終了し、最後に、θ３にてレーザー光の受光を開始するとともにΔθ３の期間が経過した後にレーザー光の受光を終了したものとする。
【００５０】
このため、受光素子１２Ａからマイコン１３に、まず、θ１からθ１＋Δθ１の期間においてパルス状に電気信号Ｓθ１が入力され、次に、θ２からθ２＋Δθ２の期間においてパルス状に電気信号Ｓθ２が入力され、最後に、θ３からθ３＋Δθ３の期間においてパルス状に電気信号Ｓθ３が入力される（ステップＳ２）。このとき、マイコン１３に入力された電気信号Ｓθ１〜Ｓθ３のそれぞれのパルス幅に相当するΔθ１〜Δθ３は、Δθ１→Δθ３→Δθ２の順に小さいものとする。
【００５１】
次に、ステップＳ３で、電気信号Ｓθ１〜Ｓθ３に基づきθａ〜θｃを求める。
まず、マイコン１３は、電気信号Ｓθ１〜Ｓθ３のパルス幅の大小関係により、電気信号Ｓθ１〜Ｓθ３が反射部２３ａ〜２３ｃのいずれにより反射されたレーザー光の情報であるかを把握する。
【００５２】
具体的には、パルス幅に相当するΔθ１〜Δθ３がΔθ１→Δθ３→Δθ２の順に小さいことから、マイコン１３は、電気信号Ｓθ１が反射部２３ａにより反射されたレーザー光の情報であり、電気信号Ｓθ２が反射部２３ｃにより反射されたレーザー光の情報であり、電気信号Ｓθ３が反射部２３ｂにより反射されたレーザー光の情報であることを把握する。
【００５３】
そして、マイコン１３は、把握した電気信号Ｓθ１〜Ｓθ３と反射部２３ａ〜２３ｃとの対応関係、および、電気信号Ｓθ１〜Ｓθ３のそれぞれの入力開始時期に相当するθ１〜θ３に基づき、θａ〜θｃを求める。
つまり、マイコン１３は、電気信号Ｓθ１に係わる情報としてのθ１およびΔθ１を用いてθａを求め、電気信号Ｓθ２に係わる情報としてのθ２およびΔθ２を用いてθｃを求め、電気信号Ｓθ３に係わる情報としてのθ３およびΔθ３を用いてθｂを求める。
【００５４】
次に、ステップＳ４で、電動モータ１０Ｂの出力軸２０を回転中心軸として第２の像１９Ｂを回転させることで、第２の像１９Ｂを反射部２３ａ〜２３ｃに順次に交差させる。
これにより、ステップＳ５で、受光素子１２Ｂからマイコン１３に電気信号Ｓφ１〜Ｓφ３が入力される。
【００５５】
すなわち、ステップＳ４の実行により、例えば、球面座標成分のφに関して、受光素子１２Ｂは、まず、φ１にてレーザー光の受光を開始するとともにΔφ１の期間が経過した後にレーザー光の受光を終了し、次に、φ２にてレーザー光の受光を開始するとともにΔφ２の期間が経過した後にレーザー光の受光を終了し、最後に、φ３にてレーザー光の受光を開始するとともにΔφ３の期間が経過した後にレーザー光の受光を終了したものとする。
【００５６】
このため、受光素子１２Ｂからマイコン１３に、まず、φ１からφ１＋Δφ１の期間においてパルス状に電気信号Ｓφ１が入力され、次に、φ２からφ２＋Δφ２の期間においてパルス状に電気信号Ｓφ２が入力され、最後に、φ３からφ３＋Δφ３の期間においてパルス状に電気信号Ｓφ３が入力される（ステップＳ５）。このとき、マイコン１３に入力された電気信号Ｓφ１〜Ｓφ３のそれぞれのパルス幅に相当するΔφ１〜Δφ３は、Δφ１→Δφ２→Δφ３の順に小さいものとする。
【００５７】
次に、ステップＳ６で、電気信号Ｓφ１〜Ｓφ３に基づきφａ〜φｃを求める。
まず、マイコン１３は、電気信号Ｓφ１〜Ｓφ３のパルス幅の大小関係により、電気信号Ｓφ１〜Ｓφ３が反射部２３ａ〜２３ｃのいずれにより反射されたレーザー光の情報であるかを把握する。
【００５８】
具体的には、パルス幅に相当するΔφ１〜Δφ３がΔφ１→Δφ２→Δφ３の順に小さいことから、マイコン１３は、電気信号Ｓφ１が反射部２３ａにより反射されたレーザー光の情報であり、電気信号Ｓφ２が反射部２３ｂにより反射されたレーザー光の情報であり、電気信号Ｓφ３が反射部２３ｃにより反射されたレーザー光の情報であることを把握する。
【００５９】
そして、マイコン１３は、把握した電気信号Ｓφ１〜Ｓφ３と反射部２３ａ〜２３ｃとの対応関係、および、電気信号Ｓφ１〜Ｓφ３のそれぞれの入力開始時期に相当するφ１〜φ３に基づき、φａ〜φｃを求める。
つまり、マイコン１３は、電気信号Ｓφ１に係わる情報としてのφ１およびΔφ１を用いてφａを求め、電気信号Ｓφ２に係わる情報としてのφ２およびΔφ２を用いてφｂを求め、電気信号Ｓφ３に係わる情報としてのφ３およびΔφ３を用いてφｃを求める。
【００６０】
次に、ステップＳ７でｒａ〜ｒｃを求める。
すなわち、マイコン１３は、電気信号Ｓθ１〜Ｓθ３に基づき求めたθａ〜θｃ、電気信号Ｓφ１〜Ｓφ３に基づき求めたφａ〜φｃ、ならびに、既知の距離ｒａｂ、ｒｂｃ、ｒｃａを用いてｒａ〜ｒｃを求める。
【００６１】
以上により、マイコン１３は、反射部２３ａ〜２３ｃのそれぞれの球面座標（ｒａ、θａ、φａ）〜（ｒｃ、θｃ、φｃ）を求めて反射具１１の位置および姿勢を正確かつ迅速に把握する。このため、３次元形状測定装置１は、撮像装置３の位置や姿勢が変更されても、位置姿勢測定装置６により得られる反射具１１の位置および姿勢に基づき、撮像装置３の位置および姿勢を迅速かつ正確に把握することができるので、撮像装置３の位置や姿勢を画像データに反映させて正確な画像データを得ることができる。
【００６２】
なお、図５のフローチャートにおいて、ステップＳ１が第１放射制御手段に相当し、ステップＳ４が第２放射制御手段に相当する。また、ステップＳ２、Ｓ３、Ｓ５〜Ｓ７が反射具情報把握手段に相当する。
【００６３】
〔実施例１の効果〕
実施例１の３次元形状測定装置１によれば、位置姿勢測定装置６は、互いに直角をなす線状の第１、第２の像１９Ａ、１９Ｂをそれぞれ結ぶレーザー光を放射する放射手段９Ａ、９Ｂと、放射手段９Ａ、９Ｂによるレーザー光の放射方向を制御して第１、第２の像１９Ａ、１９Ｂを結ぶ位置を可変する放射制御手段と、撮像装置３に装着され、放射制御手段によるレーザー光の放射方向の制御により第１、第２の像１９Ａ、１９Ｂと交差することで、レーザー光を反射して特定の方向に向かわせる反射具１１と、反射具１１により反射されたレーザー光を受光するとともに、受光したレーザー光の情報に基づいて反射具１１の位置および姿勢を把握する反射具情報把握手段とを備える。
【００６４】
また、反射具１１は、再帰性反射材により設けられた３つの反射部２３ａ〜２３ｃを有し、反射部２３ａ〜２３ｃは、３角形の頂点を占めるように、かつ、反射されるレーザー光の光量が互いに異なるように設けられている。
【００６５】
さらに、放射制御手段は、第１の像１９Ａと平行な電動モータ１０Ａの出力軸２０を回転中心軸として第１の像１９Ａを回転させることで、第１の像１９Ａを反射部２３ａ〜２３ｃに順次に交差させる第１放射制御手段と、第２の像１９Ｂと平行な電動モータ１０Ｂの出力軸２０を回転中心軸として第２の像１９Ｂを回転させることで、第２の像１９Ｂを反射部２３ａ〜２３ｃに順次に交差させる第２放射制御手段とを有する。
【００６６】
そして、反射具情報把握手段は、第１、第２放射制御手段それぞれの実行により得られるレーザー光の情報を示す電気信号Ｓθ１〜Ｓθ３、Ｓφ１〜Ｓφ３に基づき、反射具１１の位置および姿勢を把握する。
【００６７】
これにより、マイコン１３は、第１放射制御手段の実行により、反射部２３ａ〜２３ｃのそれぞれについて３次元空間座標の一表示形式である球面座標（ｒ、θ、φ）の成分の内、θに関してθａ〜θｃを得ることができ、第２放射制御手段の実行により、φに関してφａ〜φｃを得ることができる。
【００６８】
このため、マイコン１３は、さらに、θａ〜θｃ、φａ〜φｃ、および距離ｒａｂ、ｒｂｃ、ｒｃａを用いて、残りの成分ｒに関してｒａ〜ｒｃを正確に算出することができる。したがって、撮像装置３の位置や姿勢を正確かつ簡便に測定できるので、撮像装置３の位置や姿勢を変更しても、測定対象物２の３次元形状を正確かつ簡便に測定することができる。
【００６９】
また、反射部２３ａ〜２３ｃは、互いに異なる径を有する円形状に設けられている。
これにより、第１、第２放射制御手段のそれぞれの実行により得られる電気信号Ｓθ１〜Ｓθ３、Ｓφ１〜Ｓφ３は、反射部２３ａ〜２３ｃの径に応じて変化するものとなる。このため、電気信号Ｓθ１〜Ｓθ３、Ｓφ１〜Ｓφ３が反射部２３ａ〜２３ｃのいずれに対応するものであるかの識別を容易に行うことができる。
【００７０】
〔実施例２〕
実施例２の３次元形状測定装置１は、図６に示すように、３次元形状の測定対象物２に特定の部位（例えば、先端）が接触するように操作される接触子２５を備え、反射具１１は、接触子２５の背後に固定されて接触子２５に対して相対的に静止している間接物２６に装着される。そして、３次元形状測定装置１は、測定対象物２への接触子２５の接触、ならびに、位置姿勢測定装置６により把握される反射具１１の位置および姿勢に基づき、測定対象物２の３次元形状を測定する。
【００７１】
これにより、接触子２５の位置や姿勢を簡便かつ正確に測定できるので、接触子２５の位置や姿勢を変更することにより測定対象物２の３次元形状を正確に測定することができる。このため、撮像装置３による画像データの取得が困難である場合等に、画像データを取得しなくても測定対象物２の３次元形状を正確に測定することができる。
【００７２】
〔実施例３〕
実施例３の３次元形状測定装置１によれば、図７に示すように、反射具１１は、３次元形状の測定対象物２に装着される。そして、３次元形状測定装置１は、位置姿勢測定装置６により把握される反射具１１の位置および姿勢に基づき、測定対象物２の３次元形状を測定する。
これにより、例えば、橋梁、建築物の梁、または飛行機の翼等の巨大な物を測定対象物２として、このように巨大な測定対象物２の撓み等の測定を簡便かつ正確に行うことができる。
【００７３】
〔変形例〕
３次元形状測定装置１の態様は、実施例１〜３に限定されず種々の変形例を考えることができる。
例えば、実施例１〜３の３次元形状測定装置１の位置姿勢測定装置６によれば、反射具１１は３つの反射部２３ａ〜２３ｃを有し、反射部２３ａ〜２３ｃは３角形の頂点を占めるように設けられていたが、反射具１１の受光面２２に４つ以上の反射部を設けてこれらの反射部により４つ以上の頂点を有する多角形を形成するようにしてもよい。この場合、さらに多くの角度データを得ることで、より高精度に反射具１１の位置および姿勢を測定することができる。
【００７４】
また、実施例１〜３の位置姿勢測定装置６によれば、電動モータ１０Ａ、１０Ｂの相対的な配置、電動モータ１０Ａ、１０Ｂのそれぞれに対する円筒ミラー１８の装着態様、および、レーザー光の円筒ミラー１８に対する入射態様等は、電動モータ１０Ａ、１０Ｂの出力軸２０がそれぞれ第１、第２の像１９Ａ、１９Ｂと平行であって互いに直角をなすように、かつ、第１、第２の像１９Ａ、１９Ｂが直角をなすように設定されていたが、球面座標成分の内、θおよびφの算出が可能となる範囲で変更してもよい。
【００７５】
また、実施例１〜３の位置姿勢測定装置６は、レーザー光の放射および反射を利用して反射具１１の位置や姿勢を測定するために必要な情報を得ていたが、反射具１１の位置や姿勢の測定が可能となる範囲で、レーザー光以外の光線を利用してもよい。
【００７６】
また、実施例１〜３の位置姿勢測定装置６は、第１の像１９Ａを結んでθに関する情報を得るために放射手段９Ａ、受光素子１２Ａおよび電動モータ１０Ａを備え、第２の像１９Ｂを結んでφに関する情報を得るために放射手段９Ｂ、受光素子１２Ｂおよび電動モータ１０Ｂを備えていたが、放射手段９、放射方向可変手段１０および受光手段１２を１系統のみ位置姿勢測定装置６に装備し、第１の像１９Ａを結んでθに関する情報を得るときと、第２の像１９Ｂを結んでφに関する情報を得るときとで放射手段９、放射方向可変手段１０および受光手段１２の位置および姿勢を変更するようにしてもよい。
【００７７】
また、実施例１〜３の位置姿勢測定装置６によれば、反射部２３ａ〜２３ｃは、互いに異なる径を有する円形状に設けられていたが、受光手段１２からマイコン１３に入力される情報により反射部２３ａ〜２３ｃの識別が可能となる範囲で、反射部２３ａ〜２３ｃの形状を自在に設定してもよい。
【００７８】
また、実施例１の位置姿勢測定装置６によれば、反射具１１は撮像装置３に装着されていたが、撮像装置３とは別体であって撮像装置３に対して相対的に静止している間接物に反射具１１を装着してもよい。
また、実施例２の位置姿勢測定装置６によれば、反射具１１は間接物２６に装着されていたが、接触子２５に反射具１１を直接装着してもよい。
【００７９】
また、実施例３の位置姿勢測定装置６によれば、反射具１１は測定対象物２に装着されていたが、測定対象物２とは別体であって測定対象物２に対して相対的に静止している間接物に反射具１１を装着してもよい。
【００８０】
また、実施例１の３次元形状測定装置１において、台車４や支持体５に電動モータ等のアクチュエータを装備してこれらのアクチュエータを動作制御することにより、撮像装置３の位置および姿勢を自動制御するとともに、撮像装置３による画像データの取得を自動制御するようにしてもよい。この場合、撮像装置３による画像データの取得に合わせて、位置姿勢測定装置６による測定を行うようにしてもよい。
【００８１】
さらに、実施例１の３次元形状測定装置１によれば、撮像装置３は、多関節の支持体５の先端に取り付けられて保持されていたが、撮像装置３を保持する態様は多関節の支持体５による保持に限定されるものではなく、撮像時に撮像装置３の姿勢を保持できるものであればよい。例えば、カメラ三脚に撮像装置３を取り付けて人手により移動するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００８２】
１  ３次元形状測定装置
２  測定対象物
３  撮像装置
６  位置姿勢測定装置
９、９Ａ、９Ｂ  放射手段
１０  放射方向可変手段（放射制御手段）
１０Ａ  電動モータ（放射制御手段、第１放射制御手段）
１０Ｂ  電動モータ（放射制御手段、第２放射制御手段）
１１  反射具
１２  受光手段（反射具情報把握手段）
１２Ａ、１２Ｂ  受光素子（反射具情報把握手段）
１３  制御手段、マイコン（放射制御手段、反射具情報把握手段、第１放射制御手段、第２放射制御手段）
１９  像（線状の像）
１９Ａ  第１の像
１９Ｂ  第２の像
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ  反射部
２５  接触子
２６  間接物
【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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