(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを所定の測定領域に投光し、その反射および散乱光を位置検出素子上に集光または結像して光スポットを形成し、その位置情報から三角測量方式により前記測定領域の変位を計測する光計測装置において、測定領域に所定の中心部が拡散面形状を有し、前記中心部以外の周辺部が反射面形状を有するマーカを少なくとも一つ設置し、少なくとも一つの概略平行な前記投光用光ビームを前記マーカ中心部が前記光ビーム内に包含されるように既知の角度から照射し、前記マーカ中心部からの散乱光と周辺部からの反射光をそれぞれ角度検出用光学系を有する傾き検出部により受光して、それら集光スポットの位置情報を基に前記マーカの位置および傾き情報を検出することを特徴とする三次元位置及び姿勢検出センサ。
【請求項２】
既知の角度を有する方向から概略平行な光ビームを前記マーカに照射し、所定の既知の２つの異なる場所に、前記マーカ中心部からの拡散光を角度検出用光学系により集光してその光スポット位置を検出する位置検出素子を設置してマーカ中心部の位置情報を検出するとともに、前記マーカ周辺部からの反射戻り光をもとに前記角度検出用光学系を有する傾き検出部によりマーカの傾き角情報を検出し、三次元位置および姿勢を算出することを特徴とする請求項１記載の三次元位置及び姿勢検出センサ。
【請求項３】
前記マーカの設置してある平面との角度関係が既知の鏡面状の表面を有する平面に概略平行な光ビームを照射し、反射戻り光を前記角度検出用光学系を有する傾き検出部により前記マーカの垂直方向回りの傾きを計測して計測対象物の３軸６自由度の三次元位置および姿勢を算出することを特徴とする請求項２記載の三次元位置及び姿勢検出センサ。
【請求項４】
前記角度検出用光学系が低収差レンズからなり、該レンズの光軸に位置検出素子の受光面が垂直で、かつその中心が前記レンズの焦点位置にあるように設置してなる角度検出部であることを特徴とする請求項１，２または３記載の三次元位置及び姿勢検出センサ。
【請求項５】
前記位置検出素子として、入射スポット光により発生するキャリアが空間的に分離されて検出される受光素子を用い、受光された光スポット位置の重心を検出する際に、所定の受光光量レベル以上のスポット像を検出し、その強度情報および幾何学形状から得られる重心位置を前記光スポット位置情報として測定領域の位置情報を検出することを特徴とする請求項１記載の三次元位置及び姿勢検出センサ。
【請求項６】
姿勢角度検出用照明光ビームと位置検出用照射光ビームに所定の異なる波長の光源を用い、合波およびコリメートして前記マーカ部に照射し、少なくとも一方の波長を透過させる光学フィルタを少なくとも一つの傾き検出部に挿入するとともに、前記波長の光出力をもう一方の光出力に対して小さくしたことを特徴とする請求項１記載の三次元位置及び姿勢検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元位置及び姿勢検出センサすなわち、物体の変位および傾斜を同時に計測する光センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
変位センサに傾き測定用光学系を付加し、変位と同時に傾きを測定できるようにした、物体の変位・傾き検出用の光センサとして、特開平８−２４０４０８号公報に開示されたものがある。この光センサは、図９に示すように変位測定用光学系と、傾き測定用光学系とを備えており、上記変位測定用光学系は検出領域に向けて変位測定用光を出射する変位測定用光源部と、検出領域で反射された変位測定用光を受光する変位測定用受光部とからなり、上記傾き測定用光学系は検出領域にある物体の傾きを検出できるように構成されている。
【０００３】
すなわち図９において、変位測定用投光素子５８からの変位測定用光５５をダイクロイックミラー５７に透過させた後、投光レンズ６０で集光させて検出物体７１の表面に照射する。検出物体７１で反射した変位測定用光５５を受光レンズ６３で集光し、ダイクロイックミラー６４に選択的に通過させて変位測定用受光素子６１に結像させる。傾き測定用投光素子５９からの傾き測定用光５６をダイクロイックミラー５７で反射させた後、投光レンズ６０でコリメートして検出物体７１の表面に照射する。検出物体７１で反射した傾き測定用光５６を受光レンズ６３で集光し、ダイクロイックミラー６４で選択的に反射させて傾き測定用受光素子６２に集光させる。
【０００４】
図９の光センサでは、変位測定用投光素子５８、投光レンズ６０、受光レンズ６３および変位測定用受光素子６１によって変位測定用光学系が構成されている。また、傾き測定用投光素子５９、投光レンズ６０、受光レンズ６３および傾き測定用受光素子６２によって傾き測定用光学系が構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記光センサでは変位方向が一方向のみの場合について検出することはできるものの、三次元での計測を行うことはできない。このため、三次元計測を可能とするには、これらの光センサを互いに直交する３軸上に設置する必要があり、装置が大型化してしまう問題があった。また、測定対象物の設置には空間的な制約が加わってしまう。さらに、測定対象部分は原理的に照射ビームスポットが基準になるため、並進運動により対象点が変化してしまい、対象とする計測物の三次元的な動きを正確に計測することは困難であった。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、その目的は、三次元の位置情報を精度良く得ることができ、しかも小型化が可能な光計測装置を安価に提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る三次元位置及び姿勢検出センサは、光ビームを所定の測定領域に投光して、その反射および散乱光を位置検出素子上に集光または結像して光スポットを形成し、その位置情報から三角測量方式により前記測定領域の変位を計測する光計測装置において、測定領域に所定の中心部が拡散面形状を有し、前記中心部以外の周辺部が反射面形状を有するマーカを少なくとも一つ設置し、少なくとも一つの概略平行な前記投光用光ビームを前記マーカ中心部が前記光ビーム内に包含されるように既知の角度から照射し、前記マーカ中心部からの散乱光と周辺部からの反射光をそれぞれ角度検出用光学系を有する傾き検出部により受光して、それら集光スポットの位置情報を基に前記マーカの位置および傾き情報を検出することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に係る三次元位置及び姿勢検出センサは、請求項１のセンサにおいて、既知の角度を有する方向から概略平行な光ビームを前記マーカに照射し、所定の既知の２つの異なる場所に、前記マーカ中心部からの拡散光を角度検出用光学系により集光してその光スポット位置を検出する位置検出素子を設置してマーカ中心部の位置情報を検出するとともに、前記マーカ周辺部からの反射戻り光をもとに前記角度検出用光学系を有する傾き検出部によりマーカの傾き角情報を検出し、三次元位置および姿勢を算出することを特徴とする。
【０００９】
さらに、請求項３に係る三次元位置及び姿勢検出センサは、請求項２のセンサにおいて、前記マーカの設置してある平面との角度関係が既知の鏡面状の表面を有する平面に概略平行な光ビームを照射し、反射戻り光を前記角度検出用光学系を有する傾き検出部により前記マーカの垂直方向回りの傾きを計測して計測対象物の３軸６自由度の三次元位置および姿勢を算出することを特徴とする。
【００１０】
さらに、請求項４に係る三次元位置及び姿勢検出センサは、請求項１，２または３のセンサにおいて、前記角度検出用光学系が低収差レンズからなり、該レンズの光軸に位置検出素子の受光面が垂直で、かつその中心が前記レンズの焦点位置にあるように設置してなる角度検出部であることを特徴とする。
【００１１】
さらに、請求項５に係る三次元位置及び姿勢検出センサは、請求項１のセンサにおいて、前記位置検出素子として、入射スポット光により発生するキャリアが空間的に分離されて検出される受光素子を用い、受光された光スポット位置の重心を検出する際に、所定の受光光量レベル以上のスポット像を検出し、その強度情報および幾何学形状から得られる重心位置を前記光スポット位置情報として測定領域の位置情報を検出することを特徴とする。
【００１２】
さらに、請求項６に係る三次元位置及び姿勢検出センサは、請求項１のセンサにおいて、姿勢角度検出用照明光ビームと位置検出用照射光ビームに所定の異なる波長の光源を用い、合波およびコリメートして前記マーカ部に照射し、少なくとも一方の波長を透過させる光学フィルタを少なくとも一つの傾き検出部に挿入するとともに、前記波長の光出力をもう一方の光出力に対して小さくしたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
第１の実施の形態
図１は三次元位置及び姿勢検出センサの構成を示す概略斜視図である。図２はこのセンサに配備されたマーカを示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。図３はこのセンサにより測定対象物の空間位置および角度の情報を得るシステムの構成説明図である。図４はこのセンサによる三次元位置および姿勢検出の原理説明図、図５はこのセンサによる角度検出の原理説明図である。
【００１４】
上記センサでは、図１に示すような光源（レーザダイオード、発光ダイオードなど）７と、その出射光をコリメートするレンズ６からなる光源部を有し、所定のビーム径（これは測定対象物の測定範囲に関係して決められる）の平行光を既知の角度（本実施の形態では鉛直方向上向き）で、測定対象物２の所定部位１に照射する。この測定部位１には、図２に示すようなマーカ１０を設置する。このマーカ１０では、光源光が入射する側の表面中心部に拡散反射部（マーカ中心部）１０ａが形成され、前記中心部の周りの周辺部表面１０ｂは、光源光に対し正反射面となるように表面加工が施されている。
【００１５】
また、図１に示すように上記光源部（６，７）からの照射光ビームＬａ内にマーカ１０が存在するときのマーカ１０の中心部１０ａからの拡散光１０Ａに対し、図５に示すように低収差なレンズ３ａ（４ａ）と、位置検出素子３ｂ（４ｂ）とを既知の位置に設置することにより角度検出部３（４）を構成する。この場合、低収差レンズ３ａ（４ａ）は、位置検出素子３ｂ（４ｂ）の受光面から前記レンズの焦点距離分だけ離れた光軸上に設置する。図１において８，９はハーフプリズムであり、Ｘ，Ｙ，Ｚは三次元の直交座標軸を示している。
【００１６】
いま、角度検出部３（角度検出部４の場合についても同様である）と拡散反射部１０ａとの距離が、この拡散反射部１０ａの直径に比べて十分に大きい場合、拡散反射部１０ａからの拡散光１０Ａは、低収差レンズ３ａに対し、マーカ中心部１０ａからの平行光とほぼ等価となり、位置検出素子３ｂ上の、レンズ焦点距離と入射角にのみ依存する位置にスポット像を結像することになる。
【００１７】
本実施の形態では直交する上記二つのスポット位置情報と、上記角度検出部の配置位置情報とからマーカ中心部１０ａの三次元位置情報を算出する。また、マーカ周辺部１０ｂからの反射戻り光をハーフプリズム９を介して、図５に示した角度検出部（傾き検出部）３，４と構成が同じである姿勢角度検出用の傾き検出部５（５ａは低収差レンズ、５ｂは位置検出素子）を用いてマーカ１０部分の傾き（姿勢）を前記原理で検出することにより、マーカ部つまり測定対象物２の姿勢角状態を、位置と同時に検出する。すなわち、図３に示すように位置検出素子３ｂ，４ｂからのスポット位置情報１１，１２をもとに、マーカ中心部の方向ベクトルを算出し、これと傾き検出部３，４の配置位置情報とから三次元位置を算出すると同時に、上記位置検出素子５ｂからのスポット位置情報１３に基づいて姿勢角を算出する（図３の符号１４〜１６）ことにより、マーカの三次元位置および姿勢を検出する（符号１７）。
【００１８】
つぎに、三次元位置（空間位置）および姿勢（角度）の算出原理を、図４を参照して説明する。なお説明を簡単にするため、ここでは（１）レンズ３ａ，４ａの中心部Ｌ１，Ｌ２はＸＹ平面上に存在し、（２）傾き検出部５を構成するレンズ５ａの光軸はＺ軸と一致し、（３）傾き検出部５の位置検出素子５ｂの中心は原点Ｏと一致し、（４）照射ビームの光軸はＺ軸と一致しているものとする。
【００１９】
いま、受光素子５ｂ上の反射光のスポット位置をＤ（Ｘａ，Ｙａ）とすると、レンズの焦点距離ｆにより、マーカ１０の中心における法線ベクトルｎは、マーカ中心部１０ａから傾き検出部の光学中心への方向ベクトルＲ（図略）と、照射ビームの方向ベクトルＢ（図略）とにより、光の反射の法則などの関係から下記［数１］以下の数式より求めることができる。ただし、上記方向ベクトルＲとＺ軸とのなす角をθとし、この方向ベクトルＲのＸＹ平面への正射影像とＸ軸とのなす角をφとする。
【００２０】
【数１】
0003876097.tif 000002
【００２１】
また、レンズが理想的なものであるとすると、フーリエ変換光学系においてθおよびφは、次の［数２］により求まる。これによって、マーカ部の傾き（姿勢）を算出する。
【００２２】
【数２】
0003876097.tif 000003
【００２３】
さらに、上記法線ベクトルｎを単位ベクトルとすると、
【００２４】
【数３】
0003876097.tif 000004
【００２５】
また、上記フーリエ変換光学系の性質から、傾き検出部３，４で検出および算出されるマーカ中心部への方向ベクトルａi （ｉ＝１，２）により、それぞれのレンズ中心位置Ｌi （ｉ＝１，２）と、マーカ中心部とを通る直線の式は次の［数４］のように表される。
【００２６】
【数４】
0003876097.tif 000005
【００２７】
よって、ｉ＝１の直線とｉ＝２の直線との交点が、測定するべきマーカ１０の三次元位置となる。実際にはＰＳＤなどの位置検出素子によりスポットの光量分布の重心位置を検出して方向ベクトルとするため、完全に一点で交わるとは限らないが、その際は二つの直線が最も接近する各直線上の２点の一方を測定点とするか、またはその二点間の中点を観測点としても大きな誤差は生じない。
【００２８】
第２の実施の形態
図６は、三次元位置及び姿勢検出センサの構成を示す概略斜視図である。この図において、マーカ１０が設置されている平面との角度関係が既知の測定対象物の鏡面状平面３０を有する概略平面となる部位、または上記既知の部位に平面反射鏡３１を設置して、これに平行光ビームＬｂを照射し、その反射戻り光を上記角度検出用光学系を有する同様の傾き検出部（レンズ２８と位置検出素子２９）により角度変化を上記原理で検出し、その計測面とマーカ１０との幾何学的関係から、マーカ１０の法線方向回りの傾き角を検出することにより、マーカ部の３軸６自由度の変化を検出することが可能となる。なお、図６において２５は光源、２６はレンズ、２７はハーフプリズムである。
【００２９】
第３の実施の形態
図７は、三次元位置及び姿勢検出センサの要部構成説明図であって、このセンサは検出位置精度を向上させることができる受光素子を配備したものである。図７において、位置検出素子としてＣＣＤのような、入射スポットにより発生するキャリアが空間的に分離されて検出される受光素子３４を用い、受光された光スポット３３の重心位置を検出するときに、所定の受光光量レベル以上のスポット像３５を計算し、このスポット像３５の光量分布およびその幾何学形状から算出される重心位置を、上記光スポット３３の受光面上の位置情報とする。これにより、斜め入射時のレンズ収差などによる重心位置の検出誤差に起因する検出位置精度の劣化を低減することが可能となる。
【００３０】
第４の実施の形態
図８は三次元位置及び姿勢検出センサの構成を示す概略斜視図であり、本実施の形態は、姿勢角検出部では比較的広範囲の光ビームを集光することから、マーカ中心部からの拡散光に比べ受光光量で有利であることを利用したものである。すなわち、光源４１による姿勢角度検出用光ビームと、光源４２による、波長が上記姿勢角度検出用光ビームと異なる位置検出用光ビームとを得るとともに、これらの光ビームを合波して、測定対象物２の所定部位１に照射し、それぞれの位置検出素子上、たとえば本実施の形態では姿勢角度検出用光学系に一方の波長光のみを透過させる光学フィルタ４５を挿入し、対応する波長の照射光ビーム４１の光出力を抑え、他方の照射光ビームの光出力を増大させることにより、姿勢角検出部５での受光量を確保しつつ、位置検出用傾き角検出部３，４の受光光量を増加させ、Ｓ／Ｎ比を向上させることが可能である。図８において４０はレンズ、４３および４４はハーフプリズムである。
【００３１】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記した計測用の光ビームおよび検出部の配置は、それらの空間的関係が既知であれば種々の配置が可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば以下の効果が得られる。
（１）請求項１，２，３に係る発明の効果
三次元位置情報を高精度に検出することが可能な計測装置（センサ）を提供することができる。また、本発明の計測装置は小型化が容易であるうえ、安価に製作することができる。
（２）請求項４に係る発明の効果
高精度な角度検出部を、簡単な構成で提供することができる。
（３）請求項５に係る発明の効果
斜め入射やレンズ収差による光スポット像の光量分布変化に起因する位置検出精度の劣化が低減でき、安価で高精度の計測装置を提供することができる。
（４）請求項６に係る発明の効果
姿勢角検出部での受光量を確保しつつ、位置検出部のＳ／Ｎ比を向上させることができ、高精度な計測装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る三次元位置及び姿勢検出センサの構成を示す概略斜視図である。
【図２】図１のセンサに配備されたマーカを示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。
【図３】図１のセンサにより測定対象物の空間位置および角度の情報を得るシステムの構成説明図である。
【図４】図１のセンサによる三次元位置および姿勢検出の原理説明図である。
【図５】図１のセンサによる角度検出の原理説明図である。
【図６】第２の実施の形態に係る三次元位置及び姿勢検出センサの構成を示す概略斜視図である。
【図７】第３の実施の形態に係る三次元位置及び姿勢検出センサの要部構成説明図である。
【図８】第４の実施の形態に係る三次元位置及び姿勢検出センサの構成を示す概略斜視図である。
【図９】物体の変位・傾き検出用光センサの従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
１            所定部位
２            測定対象物
３，４        角度検出部（傾き検出部）
３ａ，４ａ    低収差レンズ
３ｂ，４ｂ    位置検出素子
５            傾き検出部（姿勢角検出部）
５ａ          低収差レンズ
５ｂ          位置検出素子（受光素子）
６            レンズ
７            光源
８，９        ハーフプリズム
１０          マーカ
１０Ａ        拡散光
１０ａ        拡散反射部
（マーカ中心部）
１０ｂ        周辺部表面
１１，１２    スポット位置情報
１３          スポット位置情報
２５          光源
２６          レンズ
２７          ハーフプリズム
２８          レンズ
２９          位置検出素子
３０          鏡面状平面
３１          平面反射鏡
３３          光スポット
３４          受光素子
３５          スポット像
４０          レンズ
４１，４２    光源
４３，４４    ハーフプリズム
４５          光学フィルタ
５５          変位測定用光
５６          傾き測定用光
５７          ダイクロイックミラー
５８          変位測定用投光素
５９          傾き測定用投光素子
６０          投光レンズ
６１          変位測定用受光素子
６２          傾き測定用受光素子
６３          受光レンズ
６４          ダイクロイックミラー
７１          検出物体
Ｌ１          レンズ３ａの中心部
Ｌ２          レンズ４ａの中心部
Ｌａ          照射光ビーム
Ｌｂ          平行光ビーム
【図１】
0003876097.tif 000006
【図２】
0003876097.tif 000007
【図３】
0003876097.tif 000008
【図４】
0003876097.tif 000009
【図５】
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【図６】
0003876097.tif 000011
【図７】
0003876097.tif 000012
【図８】
0003876097.tif 000013
【図９】
0003876097.tif 000014