(57)【要約】      （修正有）【課題】構成を複雑することなく、変位センサの較正をできる三次元形状測定システムを提供する。【解決手段】任意姿勢の変位センサのセンサ基準点ｑｃにおける理論光面法線ベクトル方向又は逆方向、及び理論ライン方向ベクトル方向又は逆方向の一又は複数の探索位置Ｆにて、基準球２の表面Ｓに照射したラインレーザ光の表面円孤線上の２点の探索点Ｇ，Ｈを設定し、表面円孤線上のセンサ点ｑ０〜ｑｎの座標値に基づき各探索点Ｇ，Ｈの座標値ｘｇ，ｘｈを演算する。探索位置Ｆの探索点Ｇ，Ｈの座標値ｘｇ，ｘｈに基づき、センサ基準点ｑｃの基準球表面最高点を判別して探索する。【選択図】図１４
2016057151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準球と、
前記基準球の表面にライン光を照射して複数センサ点のセンサ座標値を取得し、前記ライン光の基準直線中央点をセンサ基準点とする変位センサと、
較正制御装置と、
を備え、
前記較正制御装置は、
一又は複数の探索位置にて、前記基準球の表面に照射した前記ライン光の表面円孤線上２点の探索点を設定し、前記表面円孤線上のセンサ点のセンサ座標値から前記各探索点の座標値を演算し、前記各探索点の座標値に基づき、前記センサ基準点及び前記基準球の表面最高点の一致を判別する
ことを特徴とする三次元形状測定システム。
【請求項２】
基準球と、
前記基準球の表面にライン光を照射して複数センサ点のセンサ座標値を取得し、前記ライン光の基準直線中央点をセンサ基準点とする変位センサと、
前記変位センサを一又は複数軸回りに旋回し、任意姿勢にするセンサ旋回装置と、
前記変位センサ及び前記センサ旋回装置を移動するセンサ駆動装置と、
前記センサ駆動装置を駆動し、及び旋回角度値に基づき、前記センサ旋回装置の一又は複数軸を回転駆動する較正制御装置と、
を備え、
前記較正制御装置は、
前記旋回角度値に基づき、前記任意姿勢の変位センサの前記センサ基準点における理論光面法線ベクトル及び理論ライン方向ベクトルを求める理論ベクトル演算処理と、
探索位置にて、前記基準球の表面に照射した前記ライン光の表面円孤線上２点の探索点を設定し、前記表面円孤線上のセンサ点のセンサ座標値から前記各探索点の座標値を演算し、前記各探索点の座標値に基づき、前記センサ基準点及び前記基準球の表面頂点の一致を判別する頂点判別処理と、
前記センサ基準点及び前記基準球の表面頂点の不一致であると、前記センサ駆動装置にて前記任意姿勢の変位センサを前記理論ライン方向ベクトル方向又は逆方向に移動し、前記センサ基準点を新たな探索位置に位置決めする理論ライン方向位置決め処理と、
前記センサ基準点及び前記基準球の表面頂点の一致するまで、前記頂点判別処理及び前記理論ライン方向位置決め処理を繰返す頂点探索処理と、
前記センサ基準点及び前記基準球の表面頂点の一致に続き、前記センサ基準点及び基準球の表面頂点の一致する際の前記各探索点の座標値に基づき、前記センサ基準点及び前記基準球の表面最高点の一致を判別する最高点判別処理と、
前記センサ基準点及び前記基準球の表面最高点の不一致であると、前記センサ駆動装置にて前記任意姿勢の変位センサを前記理論光面法線ベクトル方向又は逆方向に移動し、前記センサ基準点を新たな探索位置に位置決めする理論光面法線方向位置決め処理と、
前記センサ基準点及び前記基準球の表面最高点の一致するまで、前記頂点判別処理、前記理論ライン方向位置決め処理、前記頂点探索処理、前記最高点判別処理、及び前記理論光面法線方向位置決め処理を繰返す最高点探索処理と、
を実行することを特徴とする三次元形状測定システム。
【請求項３】
前記較正制御装置は、
前記頂点判別処理にて、前記表面円孤線上で最大値となるセンサ点の光方向のセンサ座標値から前記基準球の中心に向けて判定高距離値を隔てた判定高を設定し、前記表面円孤線及び前記判定高の交差する２点を探索点に設定する
ことを特徴とする請求項２に記載の三次元形状測定システム。
【請求項４】
前記較正制御装置は、
前記頂点判別処理にて、前記各探索点両隣のセンサ点のライン方向のセンサ座標値を内挿して、前記各探索点のライン方向座標値を演算する
ことを特徴とする請求項３に記載の三次元形状測定システム。
【請求項５】
前記較正制御装置は、
前記頂点判別処理にて、前記各探索点のライン方向座標値から中間座標値を演算し、前記センサ基準点の前記ライン方向のセンサ座標値及び前記中間座標値を減算して、座標差値を演算し、前記座標差値が座標許容値内であると、前記センサ基準点及び前記基準球の表面頂点の一致と判別し、前記座標差値が前記座標許容値外であると、前記センサ基準点及び前記基準球の表面頂点の不一致と判別する
ことを特徴とする請求項４に記載の三次元形状測定システム。
【請求項６】
前記較正制御装置は、
前記最高点判別処理にて、前記各探索点のライン方向座標値、及び前判定高距離値に基づき、前記基準球中心からの前記表面円孤線の半径値を演算し、前記半径値が半径許容値内であると、前記センサ基準点及び前記表面最高点の一致と判別し、前記半径値が前記半径許容値外であると、前記センサ基準点及び前記表面最高点の不一致と判別する
ことを特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載の三次元形状測定システム。
【請求項７】
前記較正制御装置は、
前記旋回角度値に基づき、前記任意姿勢の変位センサの前記センサ基準点における前記ライン光の理論光面法線ベクトル、理論ライン方向ベクトル及び理論光方向ベクトルを演算する理論ベクトル演算処理と、
前記任意姿勢の変位センサを前記表面最高点の最高点位置から前記理論光方向ベクトル方向に光方向値だけ移動し、前記センサ基準点を光方向探索位置に位置決めする理論光方向位置決め処理と、
前記光方向探索位置にて、前記基準球の表面に照射した前記ライン光の表面円孤線上で最大となる表面頂点のライン方向のセンサ座標値、及び前記センサ基準点のライン方向のセンサ座標値との座標差値を演算し、前記座標差値及び光方向許容値に基づき、前記センサ基準点における前記ライン光の実際の実光方向ベクトルを含むライン光面に垂直な面に載る一時実光方向ベクトルを求める一時実光方向ベクトル判別処理と、
を実行することを特徴とする請求項２又は６に記載の三次元形状測定システム。
【請求項８】
前記較正制御装置は、
前記一時実光方向ベクトル判別処理に続き、前記任意姿勢の変位センサを前記最高点位置から前記理論光面法線ベクトル方向に光面法線方向値だけ移動し、前記センサ基準点を光面法線方向判別位置に位置決めする理論光面法線方向位置決め処理と、
前記光面法線方向判別位置にて、前記基準球の表面に照射した前記ライン光の表面円孤線上で最大となる表面頂点のライン方向のセンサ座標値、及び前記センサ基準点のライン方向のセンサ座標値との座標差値を演算し、前記座標差値及び法線方向許容値に基づき、前記センサ基準点における前記ライン光の実光面法線ベクトルを含むライン光面に垂直な面に載る一時実光面法線ベクトルを求め、前記一時実光面法線ベクトルを新たな理論光面法線ベクトルとして更新する一時実光面法線ベクトル判別処理と、
を実行することを特徴とする請求項７に記載の三次元形状測定システム。
【請求項９】
前記較正制御装置は、
前記任意姿勢の変位センサを前記最高点位置から前記理論光面法線ベクトル方向に光面法線方向値だけ移動し、前記センサ基準点を光面法線方向探索位置に位置決めする理論光面法線方向位置決め処理と、
前記センサ基準点における前記ライン光の実際の実光面法線ベクトルを求める実光面法線ベクトル判別処理と、を実行し、
前記実光面法線ベクトル判別処理において、前記較正制御装置は、
前記最高点位置にて、前記基準球の表面に照射した前記ライン光の表面円孤線上の前記センサ基準点の光方向のセンサ座標値、及び前記光面法線方向探索位置にて、前記基準球の表面に照射した前記ライン光の円弧線上で最大となる表面頂点の光方向のセンサ座標値との座標ずれ値と、
前記光面法線方向探索位置にて、前記表面円孤線の半径値及び前記基準球の球半径との半径ずれ値との合計値でなるずれ量を演算し、前記ずれ量及びずれ許容値に基づき、前記実光面法線ベクトル及び実光方向ベクトルを求める
ことを特徴とする請求項７又は８に記載の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、被測定対象体の三次元形状測定に先立って、変位センサの位置変化の較正（キャリブレーション）を実行する三次元形状測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
変位センサの誤差を較正する技術として、特許文献１は、形状測定部及び空間座標測定部を備える形状測定装置を開示する。形状測定部は、多関節アーム部、プローブ及びマーカを備え、プローブは多関節ア−ム部先端に取付けられる。マーカはプローブに設けられる。プローブは、被測定対象物体にレーザ光を照射し、その反射光を受光することで被測定物体の形状を測定する。形状測定部は、多関節アーム部のエンコーダ等から回転量を取得し、回転量に基づきプローブの位置（空間座標）を算出する。
空間座標測定部は、複数の光学ユニット等を備え、各光学ユニットはレーザ光をプローブのマーカに照射し、その反射光を受光することでプローブの空間座標を測定する。
【０００３】
特許文献１の形状測定装置では、形状測定部で算出するプローブの位置（空間座標）と、空間座標測定部で測定するプローブの空間座標を比較し、その差に基づいて形状測定部で測定した測定値を補正する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１６９６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、プローブの誤差を較正（補正）するには、被測定物体を測定するプローブに加えて、複数の光学ユニットを必要とし、形状測定装置の全体構成が複雑になる。
【０００６】
本発明は、構成を複雑にすることなく、変位センサの位置変化を較正（キャリブレーション）できる三次元形状測定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る請求項１は、基準球と、前記基準球の表面にライン光を照射して複数センサ点のセンサ座標値を取得し、前記ライン光の基準直線中央点をセンサ基準点とする変位センサと、較正制御装置と、を備え、前記較正制御装置は、一又は複数の探索位置にて、前記基準球の表面に照射した前記ライン光の表面円孤線上２点の探索点を設定し、前記表面円孤線上のセンサ点のセンサ座標値から前記各探索点の座標値を演算し、前記各探索点の座標値に基づき、前記センサ基準点及び前記基準球の表面最高点の一致を判別することを特徴とする三次元形状測定システムである。
【０００８】
本発明に係る請求項２は、基準球と、前記基準球の表面にライン光を照射して複数センサ点のセンサ座標値を取得し、前記ライン光の基準直線中央点をセンサ基準とする変位センサと、前記変位センサを一又は複数軸回りに旋回し、任意姿勢にするセンサ旋回装置と、前記変位センサ及び前記センサ旋回装置を移動するセンサ駆動装置と、前記センサ駆動装置を駆動し、及び旋回角度値に基づき、前記センサ旋回装置の一又は複数軸を回転駆動する較正制御装置と、を備え、前記較正制御装置は、前記旋回角度値に基づき、前記任意姿勢の変位センサの前記センサ基準点における理論光面法線ベクトル及び理論ライン方向ベクトルを求める理論ベクトル演算処理と、探索位置にて、前記基準球の表面に照射した前記ライン光の表面円孤線上２点の探索点を設定し、前記表面円孤線上のセンサ点のセンサ座標値から前記各探索点の座標値を演算し、前記各探索点の座標値に基づき、前記センサ基準点及び前記基準球の表面頂点の一致を判別する頂点判別処理と、前記センサ基準点及び前記基準球の表面頂点の不一致であると、前記センサ駆動装置にて前記任意姿勢の変位センサを前記理論ライン方向ベクトル方向又は逆方向に移動し、前記センサ基準点を新たな探索位置に位置決めする理論ライン方向位置決め処理と、前記センサ基準点及び前記基準球の表面頂点の一致するまで、前記頂点判別処理及び前記理論ライン方向位置決め処理を繰返す頂点探索処理と、前記センサ基準点及び前記基準球の表面頂点の一致に続き、前記センサ基準点及び前記基準球の表面頂点の一致する際の前記各探索点の座標値に基づき、前記センサ基準点及び前記基準球の表面最高点の一致を判別する最高点判別処理と、前記センサ基準点及び前記基準球の表面最高点の不一致であると、前記センサ駆動装置にて前記任意姿勢の変位センサを前記理論光面法線ベクトル方向又は逆方向に移動し、前記センサ基準点を新たな探索位置に位置決めする理論光面法線方向位置決め処理と、前記センサ基準点及び前記基準球の表面最高点の一致するまで、前記頂点判定処理、前記理論ライン方向位置決め処理、前記頂点探索処理、前記最高点判別処理、及び前記理論光面法線方向位置決め処理を繰返す最高点探索処理と、を実行することを特徴とする三次元形状測定システムである。
【０００９】
本発明に係る請求項３は、前記較正制御装置は、前記頂点判別処理にて、前記表面円孤線上で最大値となるセンサ点の光方向のセンサ座標値から前記基準球の中心に向けて判定高距離を隔てた判定高を設定し、前記表面円孤線及び前記判定高の交差する２点を探索点に設定することを特徴とする請求項２に記載の三次元形状測定システムである。
【００１０】
本発明に係る請求項４は、前記較正制御装置は、前記頂点判別処理にて、前記各探索点両隣のセンサ点のライン方向のセンサ座標値を内挿して、前記各探索点のライン方向座標値を演算することを特徴とする請求項３に記載の三次元形状測定システムである。
【００１１】
本発明に係る請求項５は、前記較正制御装置は、前記頂点判別処理にて、前記各探索点のライン方向座標値から中間座標値を演算し、前記センサ基準点の前記ライン方向のセンサ座標値及び前記中間座標値を減算して、座標差値を演算し、前記座標差値が座標許容値内であると、前記センサ基準点及び前記基準球の表面頂点の一致と判別し、前記座標差値が座標許容値外であると、前記センサ基準点及び前記基準球の表面頂点の不一致と判別することを特徴とする請求項４に記載の三次元形状測定システムである。
【００１２】
本発明に係る請求項６は、前記較正制御装置は、前記最高点判別処理にて、前記各探索点のライン方向座標値、及び前記判定高距離値に基づき、前記基準球の中心からの前記表面円孤線の半径値を演算し、前記半径値が半径許容値内であると、前記センサ基準点及び前記基準球の表面最高点の一致と判別し、前記半径値が前記半径許容値外であると、前記センサ基準点及び前記基準球の表面最高点の不一致と判別することを特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載の三次元形状測定システムである。
【００１３】
本発明に係る請求項７は、前記較正制御装置は、前記旋回角度値に基づき、前記任意姿勢の変位センサの前記センサ基準点における前記ライン光の理論光面法線ベクトル、理論ライン方向ベクトル及び理論光方向ベクトルを求める理論ベクトル演算処理と、前記任意姿勢の変位センサを前記表面最高点の最高点位置から前記理論光方向ベクトル方向に光方向値だけ移動し、前記センサ基準点を光方向探索位置に位置決めする理論光方向位置決め処理と、前記光方向探索位置にて、前記基準球の表面に照射した前記ライン光の表面円孤線上で最大となる表面頂点のライン方向のセンサ座標値、及び前記センサ基準点のライン方向のセンサ座標値との座標差値を演算し、前記座標差値及び光方向許容値に基づき、前記センサ基準点における前記ライン光の実際の実光方向ベクトルを含むライン光面に垂直な面に載る一時実光方向ベクトルを求める一時実光方向ベクトル判別処理と、を実行することを特徴とする請求項２又は６の何れかに記載の三次元形状測定システムである。
【００１４】
本発明に係る請求項８は、前記一時実光方向ベクトル判別処理に続き、前記任意姿勢の変位センサを前記最高点位置から前記理論光面法線ベクトル方向に光面法線方向値だけ移動し、前記センサ基準点を光面法線方向判別位置に位置決めする理論光面法線方向位置決め処理と、前記光面法線方向判別位置にて、前記基準球の表面に照射した前記ライン光の表面円孤線上で最大となる表面頂点のライン方向のセンサ座標値、及び前記センサ基準点のライン方向のセンサ座標値との座標差値を演算し、前記座標差値及び前記光面法線方向許容値に基づき、前記センサ基準点における前記ライン方向の実際の実光面法線ベクトルを含むライン光面に垂直な面に載る一時実光面法線ベクトルを求め、前記一時実光面法線ベクトルを新たな理論光面法線ベクトルとして更新する一時実光面法線ベクトル判別処理と、を実行することを特徴とする請求項７に記載の三次元形状測定システムである。
【００１５】
本発明に係る請求項９は、前記較正制御装置は、前記任意姿勢の変位センサを前記最高点位置から前記理論光面法線ベクトル方向に光面法線方向値だけ移動し、前記センサ基準点を光面法線方向探索位置に位置決めする理論光面法線方向位置決め処理と、前記センサ基準点における前記ライン光の実際の実光面法線ベクトルを求める実光面法線ベクトル判別処理と、を実行し、前記実光面法線ベクトル判別処理において、前記較正制御装置は、前記最高点位置にて、前記基準球の表面に照射した前記ライン光の表面円孤線上の前記センサ基準点の光方向のセンサ座標値、及び前記光面法線方向探索位置にて、前記基準球の表面に照射した前記ライン光の円弧線上で最大となる表面頂点の光方向のセンサ座標値との座標ずれ値と、前記光面法線方向探索位置にて、前記表面円孤線の半径値及び前記基準球の球半径との半径ずれ値との合計値でなるずれ量を演算し、前記ずれ量及びずれ許容値に基づき、前記実光面法線ベクトル及び前記実光方向ベクトルを求めることを特徴とする請求項７又は８に記載の三次元形状測定システムである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る請求項１では、任意姿勢の変位センサ及び基準球を使用し、被測定体の三次元測定に先立って、一又は複数の探索位置にて、ライン光を基準球の表面に照射するだけで、センサ基準点及び基準球の表面最高点の一致を判別でき、変位センサに加えて、別途、光学ユニット、光学素子等を設置する必要がない。
これにより、変位センサのセンサ基準点を基準球の表面最高点に一致することで、変位センサの位置変化を較正（キャリブレーション）できる。
【００１７】
本発明に係る請求項２では、任意姿勢の変位センサ及び基準球を使用し、被測定体の三次元測定に先立って、理論ライン方向ベクトル方向又は逆方向及び理論光面法線ベクトル方向又は逆方向の一又は複数の探索位置にて、ライン光を基準球の表面に照射するだけで、センサ基準点及び基準球の表面最高点の一致を判別でき、変位センサに加えて、別途、光学ユニット、光学素子等を設置する必要がない。
理論ライン方向ベクトルは、任意姿勢の変位センサの旋回角度への誤差の無い旋回を想定し、取付け誤差無しの変位センサの理論センサ基準点におけるライン光のライン方向を規定するベクトルである。ライン方向とは、各センサ点の連続するライン光の幅方向である。理論光面法線ベクトルは、理論センサ基準におけるライン光の光面に直交する方向を規定するベクトルである。
本発明に係る請求項２では、較正制御装置は、任意姿勢の変位センサの旋回角度値に基づいて、センサ基準点における理論ライン方向ベクトル及び理論光面法線ベクトルを求めるので、異なる多数姿勢の変位センサについて理論ライン方向ベクトル及び理論光面法線ベクトルを求めることができ、異なる多数姿勢の変位センサのセンサ基準点における理論ライン方向ベクトル方向又は逆方向、理論光面法線ベクトル方向又は逆方向の一又は複数の探索位置にて、ライン光を基準球の表面に照射することで、異なる多数姿勢の変位センサについてもセンサ基準点及び基準球の表面最高点の一致を判別できる。
これにより、異なる多数姿勢の変位センサについても、センサ基準点を基準球の表面最高点に一致させることで、センサ駆動装置及びセンサ旋回装置に移動による変位センサの位置変化を較正（キャリブレーション）できる。
【００１８】
本発明に係る請求項３では、請求項２の効果に加えて、頂点判別処理にて、基準球の表面に照射したライン光の表面円弧線上で最大となる光方向のセンサ座標値から基準球中心に向けて判定高距離を隔てた判定高を設定し、判定高及び表面円弧線の交差する２点を探索点に設定するので、任意姿勢の変位センサの測定誤差の影響を少なくして、各探索点両隣のセンサ点のセンサ座標値を表面円孤線上のセンサ点のセンサ座標値から取得できる。
【００１９】
本発明に係る請求項４では、請求項３の効果に加えて、頂点判別処理にて、各探索点の座標値は、各探索点両隣のセンサ点のライン方向のセンサ座標値を内挿して、ライン方向座標値を演算できる。ライン方向は、各センサ点の連続するライン光の幅方向である。
【００２０】
本発明に係る請求項５では、請求項４の効果に加えて、頂点判別処理にて、座標差値及び座標許容値を比較することで、センサ基準点及び基準球の表面頂点の一致を判別できる。座標許容値の精度を上げることで、センサ基準点及び基準球の表面頂点の一致を精度良く探索できる。
【００２１】
本発明に係る請求項６では、請求項２乃至４の効果に加えて、最高点判別処理にて、表面円孤線の半径値及び半径許容値を比較することで、センサ基準点及び基準球の表面最高点の一致を判別できる。
【００２２】
本発明に係る請求項７では、請求項２又は６の効果に加えて、較正制御装置は、旋回角度値に基づき、理論光面法線ベクトル及び理論ライン方向ベクトルに加え、任意姿勢の変位センサのセンサ基準点における理論光方向ベクトルを求める。較正制御装置は、任意姿勢の変位センサを最高点位置から理論光方向ベクトル方向に移動し、センサ基準点を光方向探索位置に位置決めする。較正制御装置は、任意姿勢の変位センサを光方向値だけ移動する（理論光方向位置決め処理）。理論光方向ベクトルは、任意姿勢の変位センサの旋回角度への誤差の無い旋回を想定したライン光方向（ライン光軸方向）のベクトルである。
続いて、較正制御装置は、光方向探索位置にて、表面円孤線上で最大となる表面頂点のライン方向のセンサ座標値、及びセンサ基準点のライン光方向のセンサ座標値との座標差値を演算し、座標差値及び光方向許容値に基づき、実光方向ベクトルを含むライン光面に垂直な面に載る一時実光方向ベクトルを求める。これにより、求められた一時実光方向ベクトルを理論光方向ベクトルの代わりに使用することで、センサ基準点におけるライン光の実光方向を含むライン光面に垂直な面に載った理論光方向ベクトルが得られる。
【００２３】
本発明に係る請求項８では、請求項７の効果に加えて、較正制御装置は、ライン光面に垂直な面に載る一時実光面法線ベクトルを求めて、一時実光面法線ベクトルを理論光面法線ベクトルとして更新する。これにより、理論光面法線ベクトルをセンサ基準点におけるライン光の実際の実光面法線ベクトルに近づけることができる。
【００２４】
本発明に係る請求項９では、請求項７及び８の効果に加えて、較正制御装置は、任意姿勢の変位センサを最高点位置から理論光面法線ベクトル方向に移動し、センサ基準点を光面法線方向探索位置に位置決めする。較正制御装置は、任意姿勢の変位センサを光面法線方向値だけ移動する（理論光面法線方向位置決め処理）。較正制御装置は、実光面法線ベクトル判別処理において、最高点位置における表面円孤線上でのセンサ基準点の光方向のセンサ座標値、及び光面法線方向探索位置における表面円孤線上での表面頂点の光方向のセンサ座標値との座標ずれ値と、光面法線方向探索位置における表面円孤線の半径値、及び基準球の球半径との半径ずれ量でなる、ずれ量（＝座標ずれ値＋半径ずれ値）を演算する。較正制御装置は、ずれ量及びずれ許容値に基づき、実光面法線ベクトルを求める。また、同時に実光方向ベクトルを求める。これにより、実光面法線方向ベクトルを理論光面法線方向ベクトルの代わりに、及び実光方向ベクトルを理論光方向ベクトルの代わりに使用することで、センサ基準点におけるライン光の実光面法線方向及び実光方向を較正（キャリブレーション）できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】三次元形状測定システムを示す全体図である。
【図２】変位センサを示す斜視図である。
【図３】変位センサのラインレーザ光を示す拡大平面図である。
【図４】センサ旋回装置を示す模式斜視図である。
【図５】理論ベクトル演算処理において、基本姿勢の変位センサと理論ベクトルの関係を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。
【図６】理論ベクトル演算処理において、理論光面法線ベクトルを求める図であって、（ａ）は変位センサをＢ軸回りに旋回したベクトル座標図、（ｂ）は図６（ａ）の旋回後に変位センサをＡ軸回りに旋回したベクトル座標図である。
【図７】理論ベクトル演算処理において、理論光方向ベクトルを求める図であって、（ａ）は変位センサをＡ軸回りに旋回したベクトル座標図、（ｂ）は図７（ａ）の旋回後に変位センサをＣ軸回りに旋回したベクトル座標図である。
【図８】理論ベクトル演算処理において、理論ライン方向ベクトル、理論光面法線ベクトル及び理論光方向ベクトルの関係を示すベクトル座標図である。
【図９】任意姿勢の変位センサを探索位置に位置決めする図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は拡大上面図である。
【図１０】図９（ｂ）のＢ−Ｂ矢視図である。
【図１１】レーザライン光が基準表面に円弧線に表れた図であって、（ａ）は図９（ｂ）における表面円孤線に沿った断面図、（ｂ）は図１１（ａ）の断面拡大図である。
【図１２】頂点判別処理において、（ａ）は図９（ｂ）における表面円孤線に沿った断面図であって各探索点及び各探索点両隣のセンサ点の関係を示す図、（ｂ）は図９（ｂ）における表面円孤線に沿った断面図であって各探索点及びセンサ基準点のライン方向座標値の関係を示す図である。
【図１３】理論ライン方向位置決め処理において、（ａ）は任意姿勢の変位センサを新たな探索位置に移動した上面図、（ｂ）は図１３（ａ）における断面拡大図である。
【図１４】最高点判別処理において、図１３（ａ）における表面円孤線に沿った断面拡大図であって判定高距離値、直線長さ値、及び半径値の関係を示す図である。
【図１５】理論光面法線方向位置決め処理において、（ａ）は任意姿勢の変位センサを新たな探索位置に移動した上面拡大図、（ｂ）は図１５（ａ）における表面円孤線に沿った断面拡大図である。
【図１６】各探索点両隣のセンサ点の状態を示す拡大図である。
【図１７】基準位置決め処理において、（ａ）は任意姿勢の変位センサを最高点位置に移動した上面拡大図、（ｂ）は図１７（ａ）における表面円孤線に沿った断面拡大図である。
【図１８】図１７（ａ）のＪ−Ｊ矢視図である。
【図１９】垂直面に載る一時実光方向ベクトル（理論光方向ベクトル）の探索において、任意姿勢の変位センサを理論光方向ベクトル方向に光方向値だけ移動した図である。
【図２０】垂直面に載る一時実光方向ベクトル（理論光方向ベクトル）の探索において、（ａ）は図１９の要部拡大図、（ｂ）は実光方向ベクトル及び理論光方向ベクトルの一致する要部拡大図である。
【図２１】垂直面に載る一時実光方向ベクトル（理論光方向ベクトル）の探索において、図１９における表面円孤線上に沿った断面図であって各探索点、各探索点両隣のセンサ点、各探索点及びセンサ基準点のライン方向座標値の関係を示す図である。
【図２２】垂直面に載る一時実光方向ベクトル（理論光方向ベクトル）の探索において、（ａ）はＶＴ‐ＶＬ‐ＶＮ座標系を構成する理論光方向ベクトル、理論ライン方向ベクトル及び理論光面法線ベクトルを示すベクトル図、（ｂ）はＶＴａ‐ＶＬａ‐ＶＮ座標系を構成する理論光方向ベクトル、理論ライン方向ベクトル及び理論光面法線ベクトルを示すベクトル図である。
【図２３】垂直面に載る一時実光方向ベクトル（理論光方向ベクトル）の探索において、図１９のＫ−Ｋ矢視図である。
【図２４】垂直面に載る一時実光面法線ベクトル（理論光面法線ベクトル）の探索において、任意姿勢の変位センサを理論光面法線方向判別位置に移動した斜視図である。
【図２５】垂直面に載る一時実光面法線ベクトル（理論光面法線ベクトル）の探索において、（ａ）は図２４のＬ−Ｌ矢視図（上面図）、（ｂ）は理論光面法線ベクトルが垂直面に載った状態を示す上面図である。
【図２６】垂直面に載る一時実光面法線ベクトル（理論光面法線ベクトル）の探索において、図２５（ａ）における表面円孤線上に沿った断面図であって各探索点、各探索点両隣のセンサ点、各探索点及びセンサ基準点のライン方向座標値の関係を示す図である。
【図２７】垂直面の載る一時実光面法線ベクトル（理論光面法線ベクトル）の探索において、（ａ）はＶＴ‐ＶＬ‐ＶＮ座標系を構成する理論光方向ベクトル、理論ライン方向ベクトル及び理論光面法線ベクトルを示すベクトル図、（ｂ）はＶＴ‐ＶＬ１‐ＶＮ１を構成する理論光方向ベクトル、理論ライン方向ベクトル及び理論光面法線ベクトルを示すベクトル図である。
【図２８】実光面法線ベクトルの探索において、任意姿勢の変位センサを理論光面法線ベクトル方向に光面法線方向値だけ移動した図である。
【図２９】実光面法線ベクトルの探索において、図２８における表面円孤線に沿った断面拡大図であって判定高距離値、直線長さ値、及び半径値の関係を示す図である。
【図３０】実光面法線ベクトルの探索において、（ａ）はＶＴ‐Ｖｌ‐ＶＮ座標系を構成する理論光方向ベクトル、実ライン方向ベクトル及び理論光面法線ベクトルを示すベクトル図、（ｂ）はＶＴα‐Ｖｌｒ‐ＶＮα座標系を構成する理論光方向ベクトル、実ライン方向ベクトル及び理論光面法線ベクトルを示すベクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の三次元形状測定システムについて、図１乃至図３０を参照して説明する。
【００２７】
図１乃至図３０において、三次元形状測定システム１は、基準球２、変位センサ３、センサ旋回装置５、センサ駆動装置６及び較正制御装置７を備える。
三次元形状測定システム１は、被測定対象体（図示しない）の三次元形状測定に先立ち、センサ旋回装置５及びセンサ駆動装置６の移動による変位センサ３の位置変化を較正（キャリブレーション）する（図５乃至図３０参照）。
【００２８】
基準球２は、図１に示すように、球半径Ｒの真球に形成される。基準球２は、変位センサ３の較正に使用される。
【００２９】
変位センサ３は、図１乃至図３、及び図４に示すように、ラインレーザ変位センサで構成され、発光ユニット１１及び撮像ユニット１２等を備える。
【００３０】
発光ユニット１１は、発光素子１３及びラインレンズ１４等を備え、発光素子１３はＬＤ（Laser  Diode）で構成される。発光素子１３はレーザ光を発光する。ラインレンズ１４はレーザ光をｘ方向に引伸ばし、ラインレーザ光ＬＬを基準球２の表面Ｓ（以下、「基準球表面Ｓ」という）に照射する。ｘ方向はラインレーザ光ＬＬのライン方向（ライン幅方向）である。
【００３１】
撮像ユニット１２は、撮像素子１５及び撮像レンズ１６等を備え、撮像素子１５はＣＣＤ（Charge  Coupled  Device）等で構成される。撮像素子１５は、撮像レンズ１６を通して基準球表面Ｓに照射したラインレーザ光ＬＬを撮像する。
【００３２】
変位センサ３は、図２及び図３に示すように、ラインレーザ光ＬＬに基準検出距離ＷＤ（基準ワークディスタンス）を設定する。基準検出距離ＷＤは、発光ユニット１１等の基準面３Ａからｚ方向に設定される。ｚ方向はラインレーザ光ＬＬを照射するレーザ光方向（レーザ光軸方向）である。
基準検出距離ＷＤには、ライン方向の基準直線ＳＬ上に複数センサ点ｑ０，ｑ１，…ｑｎ（ｎ＝０，１，…：自然数）を有し、複数センサ点ｑｓ，ｑｓ＋１，…ｑｔ−１，ｑｔで基準ライン幅ＬＨを構成する。基準直線ＳＬ上の各センサ点ｑ０，…，ｑｓ−１及びｑｔ＋１，…，ｑｎは無効データとなる。基準検出距離ＷＤにおいて、変位センサ３は、基準直線ＳＬ中央点をセンサ基準点ｑｃとする。センサ基準点ｑｃは、センサ点ｑ０とｑｎの中点である。
【００３３】
変位センサ３は、基準検出距離ＷＤを中心として、光方向に距離±Ｅの最小検出距離ＷＤ１及び最大検出距離ＷＤ２を設定し、各検出距離ＷＤ１，ＷＤ２間を検出距離範囲とする。最小検出距離ＷＤ１は、基準直線ＳＬから基準面３Ａに向けて距離：＋Ｅ、最大検出距離ＷＤ２は、基準直線ＳＬから基準面３Ａに対して離れる距離：−Ｅである（図３参照）。
【００３４】
最小検出距離ＷＤ１には、ライン方向の最小直線ＳＬ１上に基準直線ＳＬと同数の複数センサ点ｑ０，ｑ１，…ｑｎを有し、複数センサ点ｑｕ，ｑｕ＋１，…，ｑｖ−１，ｑｖで最小ライン幅ＬＨ１を構成する。最小直線ＳＬ１上の各センサｑ０，…，ｑｕ−１及びｑｖ，…，ｑｎは無効データとなる。
【００３５】
最大検出距離ＷＤ２には、ライン方向の最大直線ＳＬ２上に基準直線ＳＬと同数の複数センサ点ｑ０，ｑ１，…ｑｎを有し、複数センサ点ｑ０，ｑ１，…ｑｎで最大ライン幅ＬＨ２を構成する。基準直線ＳＬ上、最小直線ＳＬ１上及び最大直線ＳＬ２上の複数センサ点ｑ０，ｑ１，…ｑｎはライン方向にセンサ点間隔ｇを隔てて並列する。センサ点間隔ｇは、ｇ＝（最大ライン幅ＬＨ２）／（センサ点数ｎ）となる。
【００３６】
変位センサ３は、ラインレーザ光ＬＬを基準球表面Ｓに照射し、各センサ点ｑ０，ｑ１，…ｑｎのセンサ座標値（ｘ０，ｚ０），（ｘ１，ｚ１），…（ｘｎ，ｚｎ）を取得する。センサｘ座標値ｘ０，ｘ１，…ｘｎは、ライン方向の座標値、センサｚ座標値ｚ０，ｚ１，…ｚｎは光方向（レーザ光軸方向）の座標値である。
センサ基準点ｑｃのセンサｘ座標値はｘ０を原点とし、（最大ライン幅ＬＨ２）／２とする。基準直線ＳＬ上の各センサ点ｑｓ，ｑｓ＋１，…ｑｔ−１，ｑｔは、センサｚ座標値ｚ０，ｚ１，…ｚｎ＝０とする。
【００３７】
センサ旋回装置５は、図１及び図４、図５（ａ）に示すように、変位センサ３をＡ軸、Ｂ軸及びＣ軸の各旋回軸２１，２２，２３回りに旋回し、基本姿勢を含む任意姿勢に維持する。
変位センサ３を旋回させる旋回軸２２（Ｂ軸）は、Ｂ軸旋回装置５０２に軸支され、Ｂ軸旋回装置５０２を旋回させる旋回軸２１（Ａ軸）は、旋回軸２２と直交して、Ａ軸旋回装置５０１に軸支される。Ａ軸旋回装置５０１を旋回させる旋回軸２３（Ｃ軸）は、旋回軸２１と直交して、Ｃ軸旋回装置５０３に軸支される。
各旋回軸２１，２２，２３は、旋回モータ（図示しない）に連結される。
センサ旋回装置５を構成する、Ａ軸旋回装置５０１、Ｂ軸旋回装置５０２、Ｃ軸旋回装置５０３は、各旋回モータにて各旋回軸２１，２２，２３を回転して、変位センサ３を各旋回軸２１，２２，２３回りに旋回する。
【００３８】
センサ駆動装置６は、図１に示すように、Ｃ軸旋回装置５０３を装架する。センサ駆動装置６は、センサ旋回装置５をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に移動する。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は相互に直交する。Ｃ軸（旋回軸２３）はＺ軸に平行な旋回軸であり、Ａ軸（旋回軸２１）はＣ軸「零」のときＸ軸に平行な旋回軸である。
センサ駆動装置６は、例えばロボットアーム３０で構成される。ロボットアーム３０は、複数の機械軸３１〜３４を有し、各機械軸３１〜３４は駆動モータ（図示しない）に連結される。ロボットアーム３０は、一端にＣ軸旋回装置５０３を装架する。
センサ駆動装置６は、各駆動モータ（図示しない）にてロボットアーム３０を旋回して、センサ旋回装置５をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に移動する。
【００３９】
較正制御装置７は、図１に示すように、センサ旋回装置５及びセンサ駆動装置６の駆動／停止を制御する。
較正制御装置７は、センサ旋回装置５及びセンサ駆動装置６の移動による変位センサ３の位置変化を較正（キャリブレーション）する。
較正制御装置７は、較正制御部５１、データ記憶部５２及びデータ入力部５３を備える。
較正制御部５１は、図１に示すように、例えばＣＰＵ（Central  Processing  Unit）で構成される。較正制御部５１は、機械座標値（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）に基づきセンサ駆動装置６を駆動し、センサ旋回装置５を移動する。
【００４０】
較正制御部５１は、各旋回軸２１〜２３の旋回角度値（θａ，θｂ，θｃ）に基づきセンサ旋回装置５を駆動し、変位センサ３を各旋回軸２１〜２３回りに旋回して、基本姿勢を含む任意姿勢（以下、「任意姿勢」ともいう）にする。基本姿勢は、各旋回軸２１〜２３の旋回角度値（θａ，θｂ，θｃ）＝（０，０，０）の変位センサ３の姿勢である。任意姿勢は、１又は複数の旋回軸２１〜２３（Ａ〜Ｃ軸）の任意の旋回角度値（θa，θｂ，θｃ）で変位センサ３を旋回した任意の姿勢である。
【００４１】
較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、理論ベクトル演算処理、頂点判別処理、理論ライン方向位置決め処理、頂点探索処理、最高点判別処理、理論光面法線方向位置決め処理、及び最高点探索処理を実行する。
【００４２】
較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、基準位置決め処理、理論光方向位置決め処理、頂点判別処理、一時実光方向ベクトル判別処理、理論光方向ベクトル再演算処理及び一時実光方向ベクトル探索処理を実行する。
【００４３】
較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、基準位置決め処理、理論光面法線方向位置決め処理、頂点判別処理、一時実光面法線ベクトル判別処理、理論光面法線ベクトル再演算処理及び一時実光面法線ベクトル探索処理を実行する。
【００４４】
較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、基準位置決め処理、理論光面法線方向位置決め処理、半径用探索点処理、実光面法線ベクトル判別処理、理論光面法線ベクトル再演算処理及び実光面法線ベクトル探索処理及び実光方向ベクトル演算処理を実行する。
【００４５】
較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、実ライン方向ベクトル演算処理を実行する。
【００４６】
較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに加えて、機械座標値（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）、旋回角度値（θａ，θｂ，θｃ）、判定高距離値α、座標許容値β、半径許容値η、頂点高さ範囲値ｈｍ１，ｈｍ２、光方向値γ、光面法線方向値δ、光方向許容値μ、光面法線方向許容値ρ、ずれ許容値λ及び球半径Ｒ等の各種データをデータ記憶部５２に記憶する。
【００４７】
データ記憶部５２は、図１に示すように、機械座標値（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）、旋回角度値（θａ，θｂ，θｃ）、判定高距離値α、座標許容値β、半径許容値η、頂点高さ範囲値ｈｍ１，ｈｍ２、光方向値γ、光面法線方向値δ、光方向許容値μ、光面法線方向許容値ρ、ずれ許容値λ及び球半径Ｒ等の各種データを記憶する。データ記憶部５２は、キャリブレーションプログラムを記憶する。
【００４８】
判定高距離値αは、距離Ｅに所定範囲の係数値を乗算し、例えば０．３＊Ｅ〜０．５＊Ｅの範囲に設定する。なお、「＊」は乗算を意味し、以下同様である。
【００４９】
座標許容値βは、例えば、センサ点間隔ｇに所定範囲の係数値を乗算し、例えば、０．１＊ｇ〜０．５＊ｇの範囲に設定する。
【００５０】
半径許容値ηは、基準球２の球半径Ｒに所定範囲の係数値を乗算し、例えば０．９９０＊Ｒ〜１．０＊Ｒの範囲に設定する。
【００５１】
光方向許容値μは、μ≒０．０、例えば０．０〜０．０３の範囲に設定する。
光面法線方向許容値ρは、ρ≒０．０、例えば０．０〜０．０３の範囲に設定する。
ずれ許容値λは、λ≒０．０、例えば０．０〜０．０３の範囲に設定する。
【００５２】
データ入力部５３は、図１に示すように、較正制御部５１に接続される。データ入力部５３は、測定者の操作に基づき、キャリブレーションプログラム、機械座標値（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）、旋回角度値（θａ，θｂ，θｃ）、判定高距離値α、座標許容値β、半径許容値η、頂点高さ範囲値ｈｍ１，ｈｍ２、光方向値γ、光面法線方向値δ、光方向許容値μ、光面法線方向許容値ρ、ずれ許容値λ及び球半径Ｒ等の各種データを入力する。
【００５３】
以下、三次元形状測定システム１の較正（キャリブレーション）について、図５乃至図３０等を参照して説明する。
【００５４】
三次元形状測定システム１は、被測定対象体（図示しない）の三次元形状測定に先立って、変位センサ３の位置変化を較正（キャリブレーション）する。
【００５５】
変位センサ３の較正（キャリブレーション）は、第一に、基準直線ＳＬ上のセンサ基準点ｑｃ及び基準球２の表面最高点ｍ（以下、「基準球表面最高点ｍ」という）の一致を判別し、センサ基準点ｑｃの基準球表面最高点ｍを探索する（以下、「基準球表面最高点ｍの探索」という）。
【００５６】
変位センサ３の較正（キャリブレーション）は、第二に、較正する変位センサ３のセンサ基準点ｑｃにおいて、ラインレーザ光ＬＬの実際の方向を規定する実ベクトルＶｒを探索して求める（以下、「実ベクトルＶｒの探索」という）。
実ベクトルＶｒは、実光方向ベクトルＶｔｒ、実ライン方向ベクトルＶｌｒ及び実光面法線ベクトルＶｎｒである。
なお、実光方向ベクトルＶｔｒは、ラインレーザ光ＬＬを照射する光方向（レーザ光軸方向）のベクトルである。実ライン方向ベクトルＶｌｒは、ライン幅方向のベクトルである。実光面法線ベクトルＶｎｒは、レーザ光面に直交するベクトルである。
【００５７】
先ず、基準球表面最高点ｍの探索について、図５乃至図１６を参照して説明する。
なお、測定者は、データ入力部５３を操作し、判定高距離値α、座標許容値β、半径許容値η、頂点高さ範囲値ｈｍ１，ｈｍ２、光方向値γ、光面法線方向値δ、光方向許容値μ、光面法線方向許容値ρ、ずれ許容値λ、球半径Ｒ及びキャリブレーションプログラムを入力し、較正制御部５１は判定高距離値α、座標許容値β、半径許容値η、頂点高さ範囲値ｈｍ１，ｈｍ２、光方向値γ、光面法線方向値δ、光方向許容値μ、光面法線方向許容値ρ、ずれ許容値λ、球半径Ｒ及びキャリブレーションプログラムをデータ記憶部５２に記憶する。
【００５８】
測定者は、図１に示すように、データ入力部５３を操作し、旋回角度値（θａ，θｂ，θｃ）を入力する。
較正制御部５１は、旋回角度値（θａ，θｂ，θｃ）に基づき、センサ旋回装置５を駆動する。センサ旋回装置５は、変位センサ３を各旋回軸２１〜２３（Ａ〜Ｃ軸）回りに旋回して、任意姿勢にする。
較正制御部５１は、旋回角度値（θａ，θｂ，θｃ）をデータ記憶部５２に記憶する。
【００５９】
続いて、測定者は、図９乃至図１１に示すように、センサ駆動装置６を手動操作し、任意姿勢の変位センサ３を探索位置Ｆに位置決めする。
探索位置Ｆにおいて、任意姿勢の変位センサ３は、ラインレーザ光ＬＬを基準球表面Ｓに照射する。ラインレーザ光ＬＬは、各センサ点ｑ０，ｑ１，…，ｑｎの連続する表面円孤線ＣＬ（表面円孤光線）として基準球表面Ｓに照射される。
また、測定者は、図１１に示すように、基準直線ＳＬを表面円孤線ＣＬ上の基準球２の表面頂点ｍ１（以下、「基準球表面頂点ｍ１」という）に一致又は接近して位置決めする。
基準球表面頂点ｍ１は、探索位置Ｆにて、基準球表面Ｓに照射したラインレーザ光ＬＬの表面円孤線ＣＬ上で最大となるセンサ点である。
このとき、測定者は、各センサ点ｑ０，ｑ１，…，ｑｎのセンサｚ座標値ｚ０，ｚ１，…，ｚｎを確認し、基準直線ＳＬを位置決めする。測定者は、例えば、各センサｚ座標値ｚ０，ｚ１，…，ｚｎの最大値ｚｍａｘを目視しながらセンサ駆動装置６を手動操作し、最大値ｚｍａｘが指定範囲に入るようにすれば、基準直線ＳＬは基準球表面頂点ｍ１に一致又は接近する。
【００６０】
測定者は、データ入力部５３を操作し、較正開始を入力する。
較正制御部５１は、較正開始を入力すると、キャリブレーションプログラムをデータ記憶部５２から読出し、キャリブレーションプログラムに従って、理論ベクトル演算処理を実行する。
【００６１】
＜理論ベクトル演算処理＞
較正制御部５１は、図５乃至図８に示すように、理論ベクトルＶを演算する。
理論ベクトルＶは、変位センサ３の旋回角度（θａ，θｂ，θｃ）への誤差の無い旋回を想定し、誤差無しの変位センサ３の理論センサ基準点ｑｃにおけるラインレーザ光ＬＬの理論上の方向を規定する。理論ベクトルＶは、理論光面法線ベクトルＶＮ、理論光方向ベクトルＶＴ及び理論ライン方向ベクトルＶＬである。
なお、理論光面法線ベクトルＶＮは、ラインレーザ光ＬＬ面に直交するベクトルである。理論光方向ベクトルＶＴは、ラインレーザ光ＬＬを照射する光方向（レーザ光軸方向）のベクトルである。理論ライン方向ベクトルＶＬは、ラインレーザ光ＬＬのライン幅方向のベクトルである。
【００６２】
理論ベクトルＶ（ＶＮ，ＶＴ，ＶＬ）の演算では、図５乃至図８に示すように、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を規定し、各ベクトルＶＴ、ＶＮ、ＶＬをＸ，Ｙ，Ｚ直交座標系（以下、「Ｘ，Ｙ，Ｚ座標系」という。）で示す。センサ旋回装置５のＣ軸（旋回軸２３）はＺ軸に平行な旋回軸であり、Ｃ軸「零」の場合のＡ軸（旋回軸２１）はＸ軸に平行な旋回軸である。
【００６３】
＜１＞理論光面法線ベクトルＶＮ
理論光面法線ベクトルＶＮは、変位センサ３の発光ユニット１１から撮像ユニット１２への方向と逆向きの単位ベクトルである。
【００６４】
基準姿勢の変位センサ３は、図５に示すように、各旋回角度値（θａ，θｂ，θｃ）＝（０，０，０）である。従って、基準姿勢の理論センサ基準点ｑｃにおいて、理論光面法線ベクトルＶＮは、ＶＮ＝（０，１，０）となる［図６（ａ）参照］。
【００６５】
続いて、変位センサ３を基本姿勢からＢ軸（旋回軸２２）回りに旋回する。旋回角度値θｂはθｂ＝Ｂである。これにより、ベクトルＶＮは、Ｂ軸（Ｚ軸）回りで、理論センサ基準点ｑｃを中心に旋回する［図６（ａ）参照］。
Ｂ軸回りの旋回は、図６（ａ）に示すように、Ｘ−Ｙ平面で考えれば良く、Ｂが正の場合は、理論光面法線ベクトルＶＮはＸ−Ｙ平面でＺ軸の正から負を見て左回り（反時計方向）に旋回する。
従って、Ｂ軸旋回後のベクトルＶｂ１は、式（１）で示される。
【００６６】
【数１】
2016057151.tif 000003
【００６７】
続いて、変位センサ３をＡ軸（旋回軸２１）回りに旋回する。旋回角度値θａはθａ＝Ａである。これにより、ベクトルＶｂ１は、Ａ軸（Ｘ軸）回りで、理論センサ基準点ｑｃを中心に旋回すると見做される。また、Ａが正の場合は、ベクトルＶｂ１は、Ｙ−Ｚ平面でＸ軸の正から負を見て左回り（反時計方向）に旋回する［図６（ｂ）参照］。
Ａ軸の旋回では、ベクトルＶｂ１のＹ，Ｚ座標成分は変化し、Ｘ座標成分は変化しない。
従って、Ｂ軸及びＡ軸旋回後のベクトルＶａ１は、式（２）で示される。
【００６８】
【数２】
2016057151.tif 000004
【００６９】
続いて、変位センサ３をＣ軸（旋回軸２３）回りに旋回する。旋回角度値θｃはθｃ＝Ｃである。これにより、ベクトルＶａ１は、Ｃ軸（Ｚ軸）回りで、理論センサ基準点ｑｃを中心に旋回すると見做される。また、Ｃが正の場合は、ベクトルＶａ１は、Ｘ−Ｙ平面（図示しない）でＺ軸の正から負を見て左回りに旋回する。
Ｃ軸の旋回では、ベクトルＶａ１のＸ，Ｙ座標成分は変化し、Ｚ座標成分は変化しない。
従って、Ａ〜Ｃ軸旋回後の理論光面法線ベクトルＶＮは、式（３）で示される。
【００７０】
【数３】
2016057151.tif 000005
【００７１】
＜２＞理論光方向ベクトルＶＴ
理論光方向ベクトルＶＴは、ラインレーザ光ＬＬを照射する方向の単位ベクトルである。
【００７２】
基本姿勢の変位センサ３は、図５に示すように、各旋回角度値（θａ，θｂ，θｃ）＝（０，０，０）である。従って、基本姿勢の理論センサ基準点ｑｃにおいて、理論光方向ベクトルＶＴは、ＶＴ＝（０，０，−１）となる［図７（ａ）参照］。
なお、理論光方向ベクトルＶＴは、Ｂ軸（旋回軸２２）回りに旋回しても変化しないので、Ａ軸及びＣ軸（旋回軸２１，２３）回りの旋回を考慮すれば良い。
【００７３】
続いて、変位センサ３を基準姿勢からＡ軸（旋回軸２１）回りに旋回する。旋回角度値θａはθａ＝Ａである。これにより、理論光方向ベクトルＶＴは、Ａ軸（Ｘ軸）回りに、理論センサ基準点ｑｃを中心に旋回すると見做される。また、Ａが正の場合は、理論光方向ベクトルＶＴは、Ｙ−Ｚ平面でＸ軸の負から正を見て右回り（時計方向）に旋回する［図７（ａ）参照］。
Ａ軸の旋回では、理論光方向ベクトルＶＴのＹ，Ｚ座標成分は変化し、Ｘ座標成分は変化しない。
従って、Ａ軸旋回後のベクトルＶａ２は、式（４）で示される。
【００７４】
【数４】
2016057151.tif 000006
【００７５】
続いて、変位センサ３をＣ軸（旋回軸２３）回りに旋回する。旋回角度値θｃはθｃ＝Ｃである。これにより、ベクトルＶａ２は、Ｃ軸（Ｚ軸）回りに、理論センサ基準点ｑｃを中心に旋回すると見做される。また、Ｃが正の場合は、ベクトルＶａ２は、Ｘ−Ｙ平面でＺ軸の正から負を見て左回りに旋回する［図７（ｂ）参照］。
Ｃ軸の旋回では、ベクトルＶａ２のＸ，Ｙ座標成分は変化し、ベクトルＶａ２のＺ座標成分は変化しない。
従って、A〜Ｃ軸旋回後の理論光方向ベクトルＶＴは、式（５）で示される。
【００７６】
【数５】
2016057151.tif 000007
【００７７】
＜３＞理論ライン方向ベクトルＶＬ
先ず、理論光面法線ベクトルＶＮ及び理論光方向ベクトルＶＴを内積計算する。
上記式（１）及び上記式（２）から、内積値（ＶＮ，ＶＴ）は、式（６）で示される。
【００７８】
【数６】
2016057151.tif 000008
【００７９】
従って、理論光面法線ベクトルＶＮ及び理論光方向ベクトルＶＴは直交する。
【００８０】
理論ライン方向ベクトルＶＬは、理論光面法線ベクトルＶＮに理論光方向ベクトルＶＴを外積計算して求められ、式（７）で示される。
なお、式（７）中の「×」は外積を示す（以下、同様）。
【００８１】
【数７】
2016057151.tif 000009
【００８２】
理論ライン方向ベクトルＶＬは、図８に示すように、理論光面法線ベクトルＶＮ及び理論光方向ベクトルＶＴに直交する。
図８において、理論ライン方向ベクトルＶＬの長さは、理論光面法線ベクトルＶＮ及び理論光方向ベクトルＶＴを二辺とする平行四辺形の面積Ｓｒ（図８の斜線部分）で定義される。
理論光面法線ベクトルＶＮ及び理論光方向ベクトルＶＴは単位ベクトルであり、相互に直交するので、面積Ｓｒ＝１となる。従って、理論ライン方向ベクトルＶＬは単位ベクトルとなる。
【００８３】
較正制御装置７において、較正制御部５１は、データ記憶部５２から各旋回角度値（θａ，θｂ，θｃ）、を読出し、各旋回角度値（θａ，θｂ，θｃ）及び上記式（３），（５）に基づき、任意姿勢の変位センサ３の理論センサ基準点ｑｃにおける理論光面法線ベクトルＶＮ及び理論光方向ベクトルＶＴを求める。
また、較正制御部５１は、理論光面法線ベクトルＶＮに理論光方向ベクトルＶＴを外積演算して、任意姿勢の変位センサ３の理論センサ基準点ｑｃにおける理論ライン方向ベクトルＶＬを求める。
較正制御部５１は、任意姿勢の変位センサ３のセンサ基準点ｑｃにおける理論光方向ベクトルＶＴ、理論光面法線ベクトルＶＮ及び理論ライン方向ベクトルＶＬをデータとしてデータ記憶部５２に記憶する。
【００８４】
較正制御部５１は、理論ベクトルＶ（ＶＮ，ＶＴ，ＶＬ）を求めると、キャリブレーションプログラムに従って、頂点判別処理を実行する。
【００８５】
＜頂点判別処理＞
較正制御部５１は、データ記憶部５２から判定高距離値αを読出し、図１２（ａ）に示すように、判定高ＨＤを設定する。
較正制御部５１は、ラインレーザ光ＬＬの最大値ｂから基準球２の中心ａ（以下、「基準球中心ａ」という）に向けて判定高距離値αを隔てた判定高ＨＤを設定する。判定高ＨＤはラインレーザ光ＬＬの最大値ｂから判定高距離値αを隔てて基準球中心ａ側に位置する。
較正制御部５１は、基準球表面Ｓに照射した表面円孤線ＣＬ上の各センサ点ｑ０，ｑ１，…，ｑｎのセンサｚ座標値ｚ０，ｚ１，…，ｚｎに基づき、表面円孤線ＣＬ上のセンサｚ座標値の最大値ｂを検索し、最大値ｂから判定高距離値αを隔てた位置に判定高ＨＤを設定する。最大値ｂは、基準球表面Ｓに照射したラインレーザ光ＬＬの表面円孤線ＣＬ上で最大となる光方向のセンサｚ座標値である。
これにより、判定高ＨＤはラインレーザ光ＬＬの最大値ｂを有して基準直線ＳＬと平行な直線及び最大直線ＳＬ２間に設定される。センサｚ座標値は、光方向（レーザ光軸方向）の座標値である。
【００８６】
続いて、較正制御部５１は、図１２（ａ）に示すように、基準球表面Ｓに照射したラインレーザ光ＬＬの表面円孤線ＣＬ、及び判定高ＨＤの交差する２点を探索点Ｇ，Ｈに設定する。各探索点Ｇ，Ｈは、ラインレーザ光ＬＬのライン方向において、センサ基準点ｑｃを境にする両側の表面円孤線ＣＬ上に位置する。
【００８７】
較正制御部５１は、判定高ＨＤ（判定高距離値α）、及び表面円孤線ＣＬ上の各センサ点ｑ０，ｑ１，…，ｑｎのセンサｚ座標値ｚ０，ｚ１，…，ｚｎに基づき、探索点Ｇ両隣のセンサ点ｑｉ，ｑｉ＋１、及び探索点Ｈ両隣のセンサ点ｑｊ，ｑｊ＋１を検索し、各センサ点ｑｉ，ｑｉ＋１のセンサｘ座標値ｘｉ，ｘｉ＋１、及び各センサ点ｑｊ，ｑｊ＋１のセンサｘ座標値ｘｊ，ｘｊ＋１を取得する。
【００８８】
較正制御部５１は、図１２（ｂ）に示すように、探索点Ｇ両隣の各センサ点ｑｉ，ｑｉ＋１のセンサ座標値（ｘｉ，ｚｉ）、（ｘｉ＋１，ｚｉ＋１）を結ぶ直線上の点で、センサｚ座標値ＨＤ（最大値ｂ−判別高距離値α）を持つ点を内挿法により演算し、探索点ＧのＸ座標値ｘｇを求める。
較正制御部５１は、探索点Ｈ両隣の各センサ点ｑｊ，ｑｊ＋１のセンサ座標値（ｘｊ，ｚｊ）、（ｘｊ＋１，ｚｊ＋１）を結ぶ直線上の点で、センサｚ座標値ＨＤ（最大値ｂ−判別高距離値α）を持つ点を内挿法により演算し、探索点Ｈのｘ座標値ｘｈを求める。
各探索点Ｇ，Ｈのｘ座標値ｘｇ，ｘｈは、図１２（ｂ）に示すように、ラインレーザ光ＬＬのライン方向（ライン幅方向）の座標値である（以下、「ライン方向座標値ｘｇ，ｘｈ」という）。
各探索点Ｇ，Ｈのライン方向座標値ｘｇ，ｘｈは、図１２（ｂ）に示すように、センサ点ｑ０のセンサｘ座標値ｘ０を基準とする座標値である。
【００８９】
続いて、較正制御部５１は、表面円孤線ＣＬ上のセンサ基準点ｑｃのセンサｘ座標値ｘｃを取得する。センサ基準点ｑｃのセンサｘ座標値ｘｃは、図１２（ｂ）に示すように、センサ点ｑ０のセンサｘ座標値ｘ０を基準とするセンサ点ｑ０とｑｎの中点の座標値である。
較正制御部５１は、各探索点Ｇ，Ｈのライン方向座標値ｘｇ，ｘｈに基づき、各ライン方向座標値ｘｇ，ｘｈの中間座標値ｘｗを求める。
中間座標値ｘｗは、ライン方向座標値ｘｇとｘｈの中点であり、
ｘｗ＝（ｘｇ＋ｘｈ）／２となる。
【００９０】
較正制御部５１は、中間座標値ｘｗからセンサ基準点ｑｃのセンサｘ座標値ｘｃを減算して、座標差値Δσｎを求める。
座標差値Δσｎは、Δσｎ＝ｘｗ−ｘｃである。
【００９１】
続いて、較正制御部５１は、データ記憶部５２から座標許容値βを読出し、座標許容値β及び座標差値Δσｎを比較する。
較正制御部５１は、座標差値Δσｎの絶対値が座標許容値β内であると、表面円孤線ＣＬ上のセンサ基準点ｑｃ及び基準球表面頂点ｍ１のセンサｘ座標値での一致と判別し、センサ駆動装置６における機械座標値を（Ｘｍ１，Ｙｍ１，Ｚｍ１）としてデータ記憶部５２に記憶する。また、較正制御部５１は、センサ基準点ｑｃ及び基準球表面頂点ｍ１の一致する際の各探索点Ｇ，Ｈのセンサ方向座標値ｘｇ，ｘｈをデータ記憶部５２に記憶する。
続いて、較正制御部５１は、センサ基準点ｑｃ及び基準球表面頂点ｍ１のセンサｘ座標値での一致と判別すると、キャリブレーションプログラムに従って、最高点判定処理を実行する。
【００９２】
一方、較正制御部５１は、座標差値Δσｎの絶対値が座標許容値β外であると、センサ基準点ｑｃ及び基準球表面頂点ｍ１の不一致と判別し、キャリブレーションプログラムに従って、理論ライン方向位置決め処理を実行する。
較正制御部５１は、センサ駆動装置６における機械座標値（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）及び座標差値Δσｎをデータ記憶部５２に記憶する。
【００９３】
＜理論ライン方向位置決め処理＞
較正制御部５１は、データ記憶部５２から理論ライン方向ベクトルＶＬ、座標差値Δσｎ及び機械座標値（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）を読出し、センサ駆動装置６を駆動する。
較正制御部５１は、図１３に示すように、センサ駆動装置６にて任意姿勢の変位センサ３を理論ライン方向ベクトルＶＬ方向又は逆方向（図１３では理論ライン方向ベクトルＶＬ方向）に移動し、センサ基準点ｑｃを新たな探索位置Ｆに位置決めする。
このとき、較正制御部５１は、センサ駆動装置６を機械座標値（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）から理論ライン方向ベクトルＶＬ方向又は逆方向に駆動し、任意姿勢の変位センサ３のセンサ基準点ｑｃを基準球表面頂点ｍ１に接近する方向に移動する。
また、較正制御部５１は、機械座標値（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）及び座標差値Δσｎに基づき、センサ駆動装置６を駆動して、任意姿勢の変位センサ３を機械座標値（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）から座標差値Δσｎだけ理論ライン方向ベクトルＶＬ方向に移動する。
【００９４】
新たな探索位置Ｆにおいて、較正制御部５１は、図１３（ｂ）に示すように、センサ駆動装置６を駆動し、任意姿勢の変位センサ３のラインレーザ光ＬＬを基準球表面Ｓに照射し、基準直線ＳＬを表面円孤線ＣＬの基準球表面頂点ｍ１に一致又は接近して位置決めする。
較正制御部５１は、各センサ点ｑ０，ｑ１，…，ｑｎのセンサｚ座標値ｚ０，ｚ１，…，ｚｎに基づき、基準直線ＳＬを位置決めする。較正制御部５１は、例えば、センサｚ座標値ｚ０，ｚ１，…，ｚｎの最大値ｚｍａｘが基準球表面頂点ｍ１の位置を表しているので、データ記憶部５２から頂点高さ範囲値ｈｍ１，ｈｍ２を読出し、ｈｍ１＜ｚｍａｘ＜ｈｍ２となるところで、一致又は接近と判別し、センサ駆動装置６を停止する。
これにより、任意姿勢の変位センサ３は、センサ基準点ｑｃを新たな探索位置Ｆに位置決めする（図１３参照）。
【００９５】
＜頂点探索処理＞
較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、頂点探索処理を実行し、センサ基準点ｑｃ及び基準球表面頂点ｍ１のセンサｘ座標値での一致を判定するまで、頂点判別処理及び理論ライン方向位置決め処理を繰返す（図１２及び図１３参照）。
頂点探索処理にて、頂点判別処理及び理論ライン方向位置決め処理を繰返すと、任意姿勢の変位センサ３のセンサ基準点ｑｃは、理論ライン方向ベクトルＶＬ方向又は逆方向において、基準球表面頂点ｍ１に接近し、座標差値Δσｎ（Δσｎ＝ｘｗ−ｘｃ）も小さくなり、座標差値Δσｎの絶対値は座標許容値β内になる。
較正制御部５１は、頂点探索処理にて、センサ基準点ｑｃ及び基準球表面頂点ｍ１のセンサｘ座標値での一致を判別すると、センサ駆動装置６における機械座標値を（Ｘｍ１，Ｙｍ１，Ｚｍ１）としてデータ記憶部５２に記憶する。
続いて、較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、最高点判定処理を実行する。
【００９６】
＜最高点判別処理＞
最高点判別処理において、較正制御部５１は、図１４に示すように、センサ基準点ｑｃ及び基準球表面頂点ｍ１のセンサｘ座標値が一致する際の各探索点Ｇ，Ｈのライン方向座標値ｘｇ，ｘｈ、及び判定高距離αに基づき、基準球中心ａからの表面円孤線ＣＬの半径値ＲＬを演算する。
【００９７】
較正制御部５１は、各探索点Ｇ，Ｈのセンサ方向座標値ｘｇ，ｘｈをデータ記憶部５２から読出し、各ライン方向座標値ｘｇ，ｘｈから各探索点Ｇ，Ｈを結ぶ直線の半分の直線長さ値ＬＣ（各探索点Ｇ，Ｈを結ぶ表面円孤線ＣＬの弦長の半分）を求める。
直線長さ値ＬＣは、ＬＣ＝（ｘｈ−ｘｇ）／２となる。
【００９８】
続いて、較正制御部５１は、判定高距離値αをデータ記憶部５２から読み出し、直線長さ値ＬＣ及び判定高距離αから表面円孤線ＣＬの半径値ＲＬを演算する。
表面円孤線ＣＬの半径値ＲＬは、式（８）となる。
【００９９】
【数８】
2016057151.tif 000010
【０１００】
較正制御部５１は、表面円孤線ＣＬの半径値ＲＬをデータ記憶部５２に記憶する。
【０１０１】
続いて、較正制御部５１は、球半径Ｒ及び半径値ＲＬをデータ記憶部５２から読出し、半径差値ΔＲ（ΔＲ＝Ｒ−ＲＬ）を演算してデータ記憶部５２に記憶する。
較正制御部５１は、半径差値ΔＲ及び半径許容値ηをデータ記憶部５２から読出し、半径差値ΔＲと半径許容値ηを比較する。
較正制御部５１は、半径差値ΔＲが半径許容値η内であると、センサ基準点ｑｃ及び基準球表面最高点ｍのセンサｘ座標値が一致と判別する。較正制御部５１は、センサ駆動装置６における機械座標値を（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）としてセンサ記憶部５２に記憶する。このときの機械座標値（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）は、センサ基準点ｑｃ及び基準球表面最高点ｍのセンサｘ座標値が一致する機械座標値となる。
【０１０２】
較正制御部５１は、半径差値ΔＲが半径許容値η外であると、センサ基準点ｑｃ及び基準球表面最高点ｍのセンサｘ座標値が不一致と判別し、キャリブレーションプログラムに従って、理論光面法線方向位置決め処理を実行する。
【０１０３】
＜理論光面法線方向位置決め処理＞
較正制御部５１は、理論光面法線ベクトルＶＮ及び機械座標値（Ｘｍ１，Ｙｍ１，Ｚｍ１）をデータ記憶部５２から読出し、センサ駆動装置６を駆動する。
較正制御部５１は、図１５に示すように、センサ駆動装置６にて任意姿勢の変位センサ３を理論光面法線ベクトル方向又は逆方向（図１５では理論光面法線ベクトル方向ＶＮ）に移動し、センサ基準点ｑｃを新たな探索位置Ｆに位置決めする。
このとき、較正制御部５１は、センサ駆動装置６を機械座標値（Ｘｍ１，Ｙｍ１，Ｚｍ１）から理論光面法線ベクトルＶＮ方向又は逆方向に移動し、任意姿勢の変位センサｑｃを基準球表面最高点ｍに接近する方向に移動する。
【０１０４】
新たな探索位置Ｆにおいて、較正制御部５１は、図１５（ｂ）に示すように、センサ駆動装置６を駆動し、任意姿勢の変位センサ３のラインレーザ光ＬＬを基準球表面Ｓに照射し、基準直線ＳＬを表面円孤線ＣＬの基準球表面頂点ｍ２に一致又は接近して位置決めする。
較正制御部５１は、各センサ点ｑ０，ｑ１，…，ｑｎのセンサｚ座標値ｚ０，ｚ１，…，ｚｎに基づき、基準直線ＳＬを位置決めする。較正制御部５１は、例えば、センサｚ座標値ｚ０，ｚ１，…，ｚｎの最大値ｚｍａｘが基準球表面頂点ｍ２の位置を表しているので、データ記憶部５２から頂点高さ範囲値ｈｍ１，ｈｍ２を読出し、ｈｍ１＜ｚｍａx＜ｈｍ２となるところで、一致又は接近と判別し、センサ駆動装置６を停止する。
これにより、任意姿勢の変位センサ３は、センサ基準点ｑｃを新たな探索位置Ｆに位置決めする。
【０１０５】
＜最高点探索処理＞
続いて、較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、最高点探索処理を実行し、センサ基準点ｑｃ及び基準球表面最高点ｍのセンサｘ座標値が一致するまで、頂点判別処理、理論ライン方向位置決め処理、頂点探索処理、最高点判別処理及び理論光面法線方向位置決め処理を繰返す（図１２乃至図１５参照）。
【０１０６】
このように、三次元形状測定システム１は、一又は複数の探索位置Ｆにて、基準球表面Ｓに照射したラインレーザ光ＬＬの表面円孤線ＣＬ上２点の探索点Ｇ，Ｈを設定し、表面円孤線ＣＬ上のセンサ点ｑ０，ｑ１，…，ｑｎのセンサｘ座標値ｘ０，ｘ１，…，ｘｎから各探索点Ｇ，Ｈのライン方向座標値ｘｇ，ｘｈを演算し、各探索点Ｇ，Ｈのライン方向座標値ｘｇ，ｘｈに基づき、センサ基準点ｑｃ及び基準球表面最高点ｍのセンサｘ座標値の一致を判別する。
【０１０７】
本発明に係る三次元形状測定システム１は、判定高ＨＤ及び表面円孤線ＣＬの交差する２点を探索点Ｇ，Ｈに設定し、探索点Ｇ両隣のセンサ点ｑｉ，ｑｉ＋１のライン方向のセンサｘ座標値ｘｉ，ｘｉ＋１を内挿法により、探索点Ｇのライン方向座標値ｘｇを演算する。また、探索点Ｈ両隣のセンサ点ｑｊ，ｑｊ＋１のライン方向のセンサｘ座標値ｘｊ，ｘｊ＋１を内挿法により、探索点Ｈのセンサ点ｑｊ，ｑｊ＋１のライン方向座標値ｘｈを演算する構成を採用する。
【０１０８】
理論ライン方向ＶＬにおいて、センサ基準点ｑｃの基準球表面頂点ｍ１への探索は、ラインレーザ光ＬＬの各センサ点ｑ０，ｑ１，…，ｑｎのセンサｚ座標最大値を持つ点ｑｍをセンサ基準点ｑｃに一致させることで、理論上は探索できる。
【０１０９】
実際上は、ラインレーザ光ＬＬのセンサ点ｑ０，ｑ１，…，ｑｎのセンサｚ座標値には誤差が発生し、表面円孤線ＣＬ上のセンサｚ座標最大値を持つセンサ点ｑｍがずれることになる。
具体的に説明すると、基準球２の直径φ：２０ｍｍ、変位センサ３の最小ライン幅ＬＨ１：２０ｍｍ、変位センサ３の最大ライン幅ＬＨ２：２５ｍｍ、センサ点数ｎ：８００、センサ点間隔ｇ：０．０３１３ｍｍ（ｇ＝２５ｍｍ／８００）、変位センサ３の測定誤差：２０ｍｍ（距離Ｅ×２）×０．１％（直線性）＝０．０２ｍｍとする（以下、「具体条件」という）。
変位センサ３の測定誤差（＝０．０２ｍｍ）が基準球２の中心方向に作用すると、基準球表面頂点ｍ１の円孤方向のバラツキＢＡは、式（９）となる。
【０１１０】
【数９】
2016057151.tif 000011
【０１１１】
バラツキＢＡは、センサ点ｑ０，ｑ１，…，ｑｎのセンサ点間隔ｇ（ｇ＝０．０３１３ｍｍ）の２０点に匹敵する誤差になる。
【０１１２】
そこで、本発明の三次元形状測定システム１は、ラインレーザ光ＬＬのセンサｚ座標最大値を持つセンサ点ｑｍを直接求めないで、そのセンサｚ座標最大値ｂから判定高距離値αだけ基準球２の中心ａに向けて位置する判定高ＨＤを考え、表面円孤線ＣＬ及び判定高ＨＤの交差する２点を探索点Ｇ，Ｈに設定する。
例えば、図１６に示すように、上記具体条件（基準球２の直径Φ：２０ｍｍ，センサ点間隔ｇ：０．０３１３ｍｍ）、及び判定高距離値α＝４．０ｍｍとすると、各探索点Ｇ，Ｈ間の距離は１６．０ｍｍとなる。各探索点Ｇ，Ｈ間の距離（１６．０ｍｍ）は、センサ点数：５１１の間隔に相当する。
これにより、探索点Ｇ両隣のセンサ点ｑｉ，ｑｉ＋１のセンサｚ座標値ｚｉ，ｚｉ＋１、及び探索点Ｈ両隣のセンサ点ｑｊ，ｑｊ＋１のセンサｚ座標値ｚｊ，ｚｊ＋１の誤差が互いに接近する方向に作用しても、センサｚ座標値ｚｉ，ｚｉ＋１又はｚｊ，ｚｊ＋１の理論差が測定誤差の２倍以上であれば、各探索点Ｇ，Ｈ両隣のセンサ点ｑｉ，ｑｉ＋１又はｑｊ，ｑｊ＋１、及びセンサｚ座標値ｚｉ，ｚｉ＋１又はｚｊ，ｚｊ＋１の増減関係は変化しないので、各探索点Ｇ，Ｈを挟んでセンサ点ｑｉ，ｑｉ＋１又はｑｊ，ｑｊ＋１を配置できる。
例えば、上記具体条件、及び判定距離値α＝４ｍｍとすると、探索点Ｇ（又は探索点Ｈ）での基準球面Ｓの接線ＴＬ及び各探索点Ｇ，Ｈを結ぶ直線ＳＰ間の傾斜角度θｐは、θｐ＝５３°になる。各探索点Ｇ，Ｈ両隣のセンサ点ｑｉ，ｑｉ＋１又はｑｊ，ｑｊ＋１のｚ方向の理論差Ｑは、式（１０）となる。
【０１１３】
【数１０】
2016057151.tif 000012
【０１１４】
式（１０）の理論差Ｑは、測定誤差＝０．０２の２倍より大きいので、センサ点のｘｉ，ｘｉ＋１あるいはｘｊ，ｘｊ＋１の増加に対し、ｚ座標値ｚｉ，ｚｉ＋１は増加し、ｚｊ，ｚｊ＋１は減少するので、判定高ＨＤで交差する点はＧ，Ｈ側で各１点のみとなる。
このようにして、各探索点Ｇ，Ｈの位置が確定し、その中点として得られる表面頂点ｍ１のｘ座標値を正確に得ることをできる。
【０１１５】
次に、実ベクトルＶｒの探索について、図１７乃至図３０を参照して説明する。
【０１１６】
較正制御部５１は、先ず、実光方向ベクトルＶｔｒを含むラインレーザ光ＬＬ面に垂直な面（以下、「垂直面Ｓｑ」という）に載る一時実光方向ベクトルVｔｍを探索して求める（図１７乃至図２３参照）。
【０１１７】
較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、基準位置決め処理を実行する。
【０１１８】
＜基準位置決め処理＞
較正制御部５１は、データ記憶部５２から機械座標値（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）を読出し、センサ駆動装置６を駆動する。機械座標値（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）は、センサ基準点ｑｃが基準球表面最高点ｍのセンサｘ座標値に一致する機械座標値である。較正制御部５１は、センサ駆動装置６を駆動し、機械座標値（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）に位置する。これにより、任意姿勢の変位センサ３は、図１７及び図１８に示すように、基準球表面最高点に移動され、センサ基準点ｑｃのセンサｘ座標位置を最高点位置Ｆｍに合わせて位置決めする。
任意姿勢の変位センサ３は、ラインレーザ光ＬＬを基準球表面Ｓに照射する。ラインレーザ光ＬＬは、各センサ点ｑ０，ｑ１，…，ｑｎの連続する表面円孤線ＣＬｍ１（表面円孤光線）として基準球表面Ｓに照射される。
【０１１９】
続いて、較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、理論光方向位置決め処理を実行する。
【０１２０】
＜理論光方向位置決め処理＞
較正制御部５１は、図１９及び図２０（ａ）に示すように、データ記憶部５２から理論光方向ベクトルＶＴ及び光方向値γを読出し、光方向値γに基づき、センサ駆動装置６を機械座標値（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）から理論光方向ベクトルＶＴ方向に光方向値γだけ駆動する。
これにより、任意姿勢の変位センサ３は、図１９及び図２０（ａ）に示すように、理論光方向ベクトルＶＴ方向に移動され、センサ基準点ｑｃを光方向探索位置ＦＴに位置決めする。任意姿勢の変位センサ３は、ラインレーザ光ＬＬを基準球表面Ｓに照射する。ラインレーザ光ＬＬは、各センサ点ｑ０，ｑ１，…，ｑｎの連続する表面円孤線ＣＬｍ２（表面円孤光線）として基準球表面Ｓに照射される。
【０１２１】
続いて、較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、頂点判別処理を実行する。
【０１２２】
＜頂点判別処理＞
較正制御部５１は、図１２で説明した頂点判定処理と同様な演算方法（演算手順）であって、光方向探索位置ＦＴにて表面円孤線ＣＬｍ２上で最大となる基準球表面頂点ｍ３のセンサｘ座標値ｘｆを求める。具体的に説明すると、較正制御部５１は、図２１に示すように、ラインレーザ光ＬＬのセンサｚ座標最大値ｅから基準球中心ａに向けて判定高ＨＤ（判定高距離値α）を設定し、基準球表面Ｓに照射したラインレーザ光ＬＬの表面円孤線ＣＬｍ２及び判定高ＨＤの交差する２点を探索点Ｄ，Ｋに設定する。続いて、較正制御部５１は、表面円孤線ＣＬｍ２上の各センサ点ｑ０，ｑ１，…，ｑｎのセンサｚ座標値から探索点Ｄ両隣の各センサ点ｑｉ，ｑｉ＋１及び探索点Ｋ両隣の各センサ点ｑｊ，ｑｊ＋１を検索し、各センサ点ｑｉ，ｑｉ＋１のセンサ座標値（ｘｉ，ｚｉ）と（ｘｉ＋１，ｚｉ＋１）及び各センサ点ｑｊ，ｑｊ＋１のセンサ座標値（ｘｊ，ｚｊ）と（ｘｊ＋１，ｚｊ＋１）を取得する。較正制御部５１は、探索点Ｄ両隣の各センサ点ｑｉ，ｑｉ＋１の２点を結ぶ直線と判定高ＨＤの直線との交点を内挿法で演算し、探索点Ｄのライン方向座標値ｘｄを求める。また、較正制御部５１は、探索点Ｋ両隣の各センサ点ｑｊ，ｑｊ＋１の２点を結ぶ線と判定高ＨＤの直線との交点を内挿法で演算し、探索点Ｋのライン方向座標値ｘｋを求める。続いて、較正制御部５１は、各探索点Ｄ，Ｋの中点をセンサｘ座標値ｘｆ［ｘｆ＝（ｘｄ＋ｘｋ）／２］とする。なお、センサｘ座標値ｘｆは、ライン方向（ライン幅方向）の座標値である。
較正制御部５１は、基準球表面頂点ｍ３のセンサｘ座標値ｘｆをデータ記憶部５２に記憶する。
【０１２３】
続いて、較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、一時実光方向ベクトル判別処理を実行する。
【０１２４】
＜一時実光方向ベクトル判別処理＞
較正制御部５１は、光方向探索位置ＦＴにおけるセンサ基準点ｑｃのセンサｘ座標値ｘｃ及び基準球表面頂点ｍ３のセンサｘ座標値ｘｆをデータ記憶部５２から読出して、座標差値Δσｕを演算する。
座標差値Δσｕは、Δσｕ＝ｘｆ−ｘｃとなる。
較正制御部５１は、座標差値Δσｕをデータ記憶部５２に記憶する。
なお、座標差値Δσｕは、長さγ（光方向値）を持つ理論光方向ベクトルを、ラインレーザ光ＬＬ面に垂直で基準球最高点ｍ（最高点位置ｍ）及び光方向探索位置ＦＴにおける基準球表面頂点ｍ３を通る面に下した垂線長さに＋あるいは−の符号を付けた値となる。例えば、座標差値Δσｕが負であると、理論光方向ベクトルＶＴは、実ライン方向ベクトルＶｌｒと反対方向に向くことを意味する。
【０１２５】
較正制御部５１は、座標差値Δσｕ及び光方向許容値μに基づき、垂直面Ｓｑに載る一時実光方向ベクトルＶｔｍを求める。
較正制御部５１は、座標差値Δσｕ及び光方向許容値μをデータ記憶部５２から読出し、座標差値Δσｕ及び光方向許容値μを比較する。
較正制御部５１は、座標差値Δσｕの絶対値が光方向許容値μ以内であると、理論光方向ベクトルＶＴは垂直面Ｓｑに載っていると判別し［図２０（ｂ）参照］、垂直面Ｓｑに載る理論光方向ベクトルＶＴを一時実光方向ベクトルＶｔｍとして求める。
続いて、較正制御部５１は、一時実光方向ベクトルＶｔｍを新たな理論光方向ベクトルＶＴとして更新し、及びデータ記憶部５２に記憶する。
【０１２６】
一方、較正制御部５１は、座標差値Δσｕの絶対値が光方向許容値μより大であると、理論光方向ベクトルＶＴは垂直面Ｓｑに載っていないと判別し、キャリブレーションプログラムに従って、理論光方向ベクトル再演算処理を実行する。
【０１２７】
＜理論光方向ベクトル再演算処理＞
較正制御部５１は、図２２に示すように、ＶＴ‐ＶＬ‐ＶＮ座標系を構成する理論光方向ベクトルＶＴ及び理論ライン方向ベクトルＶＬを理論光面法線ベクトルＶＮ回りに角度θｆ回転して、ＶＴａ−ＶＬａ−ＶＮ座標系を構成する理論光方向ベクトルＶＴａ及び理論ライン方向ベクトルＶＬａを演算する。
角度θｆは、理論光方向ベクトルＶＴを垂直面Ｓｑに向けて回転する角度である。
【０１２８】
先ず、較正制御部５１は、光方向値γ及び座標差値Δσｕをデータ記憶部５２から読出し、図２２に示すように、理論光方向ベクトルＶＴを垂直面Ｓｑに載せる方向に理論光面法線ベクトルＶＮ回りに回転させる角度θｆの正弦値及び余弦値を求める。理論光方向ベクトルＶＴ方向に光方向値γ進めたことにより、垂直面Ｓｑからの距離が｜Δσｕ｜だけ離されたということになる。
図２２において、角度θｆは、右手系座標系で正となり、図２３において、Δσｕの値は基準球表面頂点ｍ３がセンサ基準点ｑｃより負側にあることにより負となるので、角度θｆの正弦値及び余弦値は、式（１１）となる。
【０１２９】
【数１１】
2016057151.tif 000013
【０１３０】
なお、理論光方向ベクトルＶＴが、図２３で右下に向いていると、角度θｆ１は右手系座標系で負となり、Δσｕの値は正となるので、正弦値及び余弦値は、式（１２）となり、式（１１）と同一である。
【０１３１】
【数１２】
2016057151.tif 000014
【０１３２】
続いて、較正制御部５１は、図２２（ｂ）に示すように、ＶＴａ−ＶＬａ−ＶＮ座標系を構成する理論光方向ベクトルＶＴａ、及び理論ライン方向ベクトルＶＬａを式（１３）から求める。
なお、式（１３）において、（ｉｔ，ｊｔ，ｋｔ）は、理論光方向ベクトルＶＴのＸ，Ｙ，Ｚ座標系の成分、（ｉl，ｊｌ，ｋｌ）は、理論ライン方向ベクトルＶＬのＸ，Ｙ，Ｚ座標系の成分及び（ｉｎ，ｊｎ，ｋｎ）は、理論光面法線ベクトルＶＮのＸ，Ｙ，Ｚ座標系の成分である。ＶＴ‐ＶＬ‐ＶＮ座標系を構成する理論光方向ベクトルＶＴ、理論ライン方向ベクトルＶＬ及び理論光面法線ベクトルＶＮは、相互に直交する単位ベクトルである。
式（１３）において、（ｉｔａ，ｊｔａ，ｋｔａ）は、理論光方向ベクトルＶＴａのＸ、Ｙ、Ｚ座標系の成分、及び（ｉｌａ，ｊｌａ，ｋｌａ）は、理論ライン方向ベクトルＶＬａのＸ，Ｙ，Ｚ座標系の成分である。
【０１３３】
【数１３】
2016057151.tif 000015
【０１３４】
較正制御部５１は、ＶＴａ−ＶＬａ−ＶＮ座標系を構成する理論光方向ベクトルＶＴａ＝（ｉｔａ，ｊｔａ，ｋｔａ）、及び理論ライン方向ベクトルＶＬａ＝（ｉｌａ，ｊｌａ，ｋｌａ）を、新たなＶＴ‐ＶＬ‐ＶＮ座標系を構成する理論光方向ベクトルＶＴ、及び理論レーザ方向ベクトルＶＬとしてデータ記憶部５２に記憶する。
【０１３５】
＜一時実光方向ベクトル探索処理＞
較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、一時実光方向ベクトル探索処理を実行し、一時実光方向ベクトルＶｔｍを得る、即ち理論光方向ベクトルＶＴが垂直面Ｓｑに載るまで、一時実光方向ベクトル探索処理を実行し、基準位置決め処理、理論光方向位置決め処理、頂点判別処理、一時実光方向ベクトル判別処理、及び理論光方向ベクトル再演算処理を繰り返す（図１９乃至図２３参照）。なお、較正制御部５１は、理論光方向位置決め処理にて、任意姿勢の変位センサ３を最高点位置Ｆｍから新たな理論光方向ベクトルＶＴ方向に光方向値γだけ移動し、センサ基準点ｑｃを新たな光方向探索位置ＦＴに位置決めする。
一時実光方向ベクトル探索処理にて、ＶＴ‐ＶＬ‐ＶＮ座標系を構成する理論光方向ベクトルＶＴ及び理論ライン方向ベクトルＶＬを理論光面法線ベクトルＶＮの回りに角度θｆ回転して、新たなＶＴ‐ＶＬ‐ＶＮ座標系を構成する理論光方向ベクトルＶＴ及び理論ライン方向ベクトルＶＬを演算（再演算）することで、理論光方向ベクトルＶＴ（一時実光方向ベクトルＶｔｍ）は垂直面Ｓｑに載る実光方向ベクトルＶｔｒに接近し、座標差値Δσｕも小さくなり、座標差値Δσｕの絶対値は光方向許容値μ内になる。
較正制御部５１は、一時実光方向ベクトル探索処理にて、垂直面Ｓｑに載る一時実光方向ベクトルＶｔｍを求めると、一時実光方向ベクトルＶｔｍを理論光方向ベクトルＶＴとして更新し、及びデータ記憶部５２に記憶する。
【０１３６】
次に、較正制御部５１は、一時実光方向ベクトルＶｔｍを求めると、一時実光方向ベクトル判別処理に続き、実光方向ベクトルＶｔｒ及び実光面法線ベクトルＶｎｒを含む垂直面Ｓｑに載る一時実光面法線ベクトルＶｎｍを探索して求める（図２４乃至図２７参照）。
また、較正制御部５１は、実光面法線ベクトルＶｎｒの探索に先立ち、一時実光面法線ベクトルＶｎｍを探索する。
【０１３７】
較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、基準位置決め処理を実行する。
【０１３８】
＜基準位置決め処理＞
較正制御部５１は、機械座標値（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）をデータ記憶部５２から読出し、図１７及び図１８で説明したと同様、センサ駆動装置６を駆動して、任意姿勢の変位センサ３を基準球表面最高点ｍに移動し、センサ基準点ｑｃのセンサｘ座標値を最高点位置Ｆｍに位置決めする。
最高点位置Ｆｍにおいて、理論光方向ベクトルＶＴは、ラインレーザ光ＬＬ面に垂直な垂直面Ｓｑに載っている。このとき、理論光面法線ベクトルＶＮは、垂直面Ｓｑに載っている保証はない。このため、較正制御部５１は、理論光面法線ベクトルＶＮが垂直面Ｓｑに載っているか否かを一時実光面法線ベクトル判別処理にて判別し、及び理論光面法線ベクトルＶＮを垂直面Ｓｑに載せるべく理論光面法線ベクトル再演算処理、一時実光面法線ベクトル探索処理等を実行する。
【０１３９】
較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、理論光面法線方向位置決め処理を実行する。
【０１４０】
＜理論光面法線方向位置決め処理＞
較正制御部５１は、図２４及び図２５（ａ）に示すように、光面法線方向値δ及び理論光面法線ベクトルＶＮをデータ記憶部５２から読出し、センサ駆動装置６を機械座標値（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）から理論光面法線ベクトルＶＮ方向に光面法線方向値δだけ移動する。
これにより、任意姿勢の変位センサ３は、図２４及び図２５（ａ）に示すように、理論光面法線ベクトルＶＮ方向に移動され、センサ基準点ｑｃを光面法線方向判別位置ＦＳに位置決めする。任意姿勢の変位センサ３は、ラインレーザ光ＬＬを基準球表面Ｓに照射する。ラインレーザ光ＬＬは、各センサ点ｑ０，ｑ１，…，ｑｎの連続する表面円孤線ＣＬｍ４として基準球表面Ｓに照射される。
【０１４１】
続いて、較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、頂点判別処理を実行する。
【０１４２】
＜頂点判別処理＞
較正制御部５１は、図１２で説明した頂点判別処理と同様な演算方法（演算手順）であって、光面法線方向判別位置ＦＳにて表面円孤線ＣＬｍ４上で最大となる基準球表面頂点ｍ５のセンサｘ座標値ｘｖを求める。具体的に説明すると、較正制御部５１は、図２６に示すように、ラインレーザ光ＬＬのセンサｚ座標最大値ｆから基準球中心ａに向けて判定高ＨＤ（判定高距離値α）を設定し、基準球表面Ｓに照射したラインレーザ光ＬＬの表面円孤線ＣＬｍ４及び判定高ＨＤの交差する２点を探索点Ｏ，Ｐに設定する。続いて、較正制御部５１は、表面円孤線ＣＬｍ４上の各センサ点ｑ０，ｑ１，…，ｑｎのセンサｚ座標値から探索点Ｏ両隣の各センサ点ｑｉ，ｑｉ＋１及び探索点Ｐ両隣の各センサ点ｑｊ，ｑｊ＋１を検索し、各センサ点ｑｉ，ｑｉ＋１のセンサ座標値（ｘｉ，ｚｉ）と（ｘｉ＋１，ｚｉ＋１）及び各センサ点ｑｊ，ｑｊ＋１のセンサ座標値（ｘｊ，ｚｊ）と（ｘｊ＋１，ｚｊ＋１）を取得する。較正制御部５１は、探索点Ｏ両隣の各センサ点ｑｉ，ｑｉ＋１の２点を結ぶ直線と判定高ＨＤの直線との交点を内挿法で演算し、探索点Ｏのライン方向座標値ｘｏを求める。また、較正制御部５１は、探索点Ｐ両隣の各センサ点ｑｊ，ｑｊ＋１の２点を結ぶ直線と判定高ＨＤの直線との交点を内挿法で演算し、探索点Ｐのライン方向座標値ｘｐを求める。続いて、較正制御部５１は、各探索点Ｏ，Ｐの中点をセンサｘ座標値ｘｖ［ｘｖ＝（ｘｏ＋ｘｐ）／２］とする。なお、センサｘ座標値ｘｖは、ライン方向（ライン幅方向）の座標値である。
較正制御部５１は、基準球表面頂点ｍ５のセンサｘ座標値ｘｖをデータ記憶部５２に記憶する。
【０１４３】
続いて、較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、一時実光面法線ベクトル判別処理を実行する。
【０１４４】
＜一時実光面法線ベクトル判別処理＞
較正制御部５１は、光面法線方向判別位置ＦＳにおける各センサｘ座標値ｘｃ，ｘｖをデータ記憶部５２から読出して、座標差値Δεを演算する。
座標差値Δεは、Δε＝ｘｖ−ｘｃとなる。
較正記憶部５１は、座標差値Δεをデータ記憶部５２に記憶する。
【０１４５】
較正制御部５１は、座標差値Δε及び光面法線方向許容値ρに基づき、垂直面Ｓｑに載る理論光面法線ベクトルＶＮである一時実光面法線ベクトルＶｎｍを求める。
較正制御部５１は、座標差値Δε及び光面法線方向許容値ρをデータ記憶部５２から読出し、座標差値Δε及び光面法線方向許容値ρを比較する。
較正制御部５１は、座標差値Δεの絶対値が光面法線方向許容値ρ内であると、理論光面法線ベクトルＶＮは垂直面Ｓｑに載っていると判別し［図２５（ｂ）参照］、垂直面Ｓｑに載る理論光面法線ベクトルＶＮを一時実光面法線ベクトルＶｎｍとして求める。
続いて、較正制御部５１は、一時実光面法線ベクトルＶｎｍを新たな理論光面法線ベクトルＶＮとして更新し、及びデータ記憶部５２に記憶する。
【０１４６】
一方、較正制御部５１は、座標差値Δεが光面法線方向許容値ρ外であると、理論光面法線ベクトルＶＮが垂直面Ｓｑに載っていないと判別し、キャリブレーションプログラムに従って、理論光面法線ベクトル再演算処理を実行する。
【０１４７】
＜理論光面法線ベクトル再演算処理＞
較正制御部５１は、図２７に示すように、ＶＴ‐ＶＬ‐ＶＮ座標系を構成する理論ライン方向ベクトルＶＬ及び理論光面法線ベクトルＶＮを理論光方向ベクトルＶＴの回りに角度θｎ回転し、ＶＴ‐ＶＬ１‐ＶＮ１座標系を構成する理論ライン方向ベクトルＶＬ１及び理論光面法線ベクトルＶＮ１を演算する。
角度θｎは、理論光面法線ベクトルＶＮを垂直面Ｓｑに向けて回転する角度である。
【０１４８】
先ず、較正制御部５１は、光面法線方向値δ及び座標差値Δεをデータ記憶部５２から読出し、理論光面法線ベクトルＶＮを回転する角度θｎの正弦値、及び余弦値を求める。
【０１４９】
【数１４】
2016057151.tif 000016
【０１５０】
なお、図２５（ａ）では、座標差値Δεは負となり、式（１４）より角度θｎも負となり、右手系座標系により理論光面法線ベクトルＶＮは垂直面Ｓｑに近づくことになる。また、図２５（ａ）において、理論光面法線ベクトルＶＮが右下に向くときは、座標差値Δεは正となり、角度θｎも正となり、理論光面法線ベクトルＶＮは垂直面Ｓｑに近づくことになる。
【０１５１】
続いて、較正制御部５１は、図２７（ｂ）に示すように、ＶＴ−ＶＬ１−ＶＮ１座標系を構成する理論ライン方向ベクトルＶＬ１及び理論光面法線ベクトルＶＮ１を式（１５）から求める。
なお、式（１５）において、（ｉｔ，ｊｔ，ｋｔ）は、理論光方向ベクトルＶＴのＸ，Ｙ，Ｚ座標系の成分、（ｉｌ，ｊｌ，ｋｌ）は、理論ライン方向ベクトルＶＬのＸ，Ｙ，Ｚ座標系の成分、及び（ｉｎ，ｊｎ，ｋｎ）は、理論光面法線ベクトルＶＮのＸ、Ｙ、Ｚ座標系の成分である。
式（１５）において、（ｉｌ１，ｊｌ１，ｋｌ１）は、理論ライン方向ベクトルＶＬ１のＸ、Ｙ、Ｚ座標系の成分、及び（ｉｎ１，ｊｎ１，ｋｎ１）は、理論光面法線ベクトルＶＮ１のＸ、Ｙ、Ｚ座標系の成分である。
【０１５２】
【数１５】
2016057151.tif 000017
【０１５３】
較正制御部５１は、ＶＴ−ＶＬ１−ＶＮ１座標系を構成する理論ライン方向ベクトルＶＬ１＝（ｉｌ１，ｊｌ１，ｋｌ１）及び理論光面法線ベクトルＶＮ１＝（ｉｎ１，ｊｎ１，ｋｎ１）を、新たなＶＴ‐ＶＬ‐ＶＮ座標系を構成する理論ライン方向ベクトルＶＬ及び理論光面法線ベクトルＶＮとしてデータ記憶部５２に記憶する。
【０１５４】
＜一時実光面法線ベクトル探索処理＞
較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、一時実光面法線ベクトル探索処理を実行し、一時実光面法線ベクトルＶｎｍを得る、即ち理論光面法線ベクトルＶＮが垂直面Ｓｑに載るまで、基準位置決め処理、理論光面法線方向位置決め処理、頂点判別処理、一時実光面法線ベクトル判別処理、理論光面法線ベクトル再演算処理を繰返す（図２４乃至図２７参照）。なお、較正制御部５１は、理論光面法線方向位置決め処理にて、任意姿勢の変位センサ３を最高点位置Ｆｍから新たな理論法線ベクトルＶＮ方向に移動し、センサ基準点ｑｃを新たな光面法線方向判別位置ＦＳに位置決めする。
一時実光面法線ベクトル探索処理にて、ＶＴ‐ＶＬ‐ＶＮ座標系を構成する理論光面法線ベクトルＶＮ及び理論ライン方向ベクトルＶＬを理論光方向ベクトルＶＴの回りに角度θｎ回転して、新たなＶＴ‐ＶＬ‐ＶＮ座標系を構成する理論光面法線ベクトルＶＮ及び理論ライン方向ベクトルＶＬを演算（再演算）することで、理論光面法線ベクトルＶＮ（一時実光面法線ベクトルＶｎｍ）は垂直面Ｓｑに載る実光面法線ベクトルＶｎｒ接近し、座標差値Δεも小さくなり、座標差値Δεの絶対値は光面法線方向許容値ρ内になる。
較正制御部５１は、一時実光面法線ベクトル探索処理にて、一時実光面法線ベクトルＶｎｍを求めると、一時実光面法線ベクトルＶｎｍを理論光面法線ベクトルＶＮとして更新し、及びデータ記憶部５２に記憶する。
一時実光方向ベクトルＶｔｍ及び一時実光面法線ベクトルＶｎｍを算出すると、実ライン方向ベクトルＶｌｒも自動的に求まり、較正制御部５１は、実ライン方向ベクトルＶｌｒをデータ記憶部５２に記憶する。
実ライン方向ベクトルＶｌｒのＸ，Ｙ，Ｚ座標系の成分は、式（１５）に示すように、（ｉｌ１，ｊｌ１，ｋｌ１）となる。
【０１５５】
次に、較正制御部５１は、実光面法線ベクトルＶｎｒを探索して求める。
【０１５６】
較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、基準位置決め処理を実行する（図２８乃至図３０参照）。
【０１５７】
＜基準位置決め処理＞
較正制御部５１は、図１７及び図１８で説明したと同様、任意姿勢の変位センサ３を基準球表面頂点ｍのセンサｘ座標値に移動し、センサ基準点ｑｃを最高点位置Ｆｍに位置する。任意姿勢の変位センサ３は、ラインレーザ光ＬＬを基準球表面Ｓに照射する。ラインレーザ光ＬＬはセンサ点ｑ０，ｑ１，…，ｑｎの連続する表面円孤線ＣＬｍ１（表面円孤光線）として基準球表面Ｓに照射される。
較正制御部５１は、最高点位置Ｆｍにおけるセンサ基準点ｑｃのセンサｚ座標値ｚｃをデータ記憶部５２に記憶する。センサｚ座標値ｚｃは、表面円孤線ＣＬｍ１上のセンサ基準点ｑｃにおけるレーザ光方向のセンサｚ座標値である。
なお、センサ基準点ｑｃを最高点位置Ｆｍに位置決めすることから、表面円孤線ＣＬｍ１の半径値は、基準球２の球半径Ｒとなる。
【０１５８】
続いて、較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、理論光面法線方向位置決め処理を実行する。
【０１５９】
＜理論光面法線方向位置決め処理＞
較正制御部５１は、図２８に示すように、理論光面法線ベクトルＶＮ及び光面法線方向値δをデータ記憶部５２から読出し、センサ駆動装置６を機械座標値（Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ）から理論光面法線ベクトルＶＮ方向に光面法線方向値δだけ移動する。
これにより、任意姿勢の変位センサ３は、図２８に示すように、理論光面法線ベクトルＶＮ方向に移動され、センサ基準点ｑｃを光面法線方向探索位置ＦＮに位置決めする。任意姿勢の変位センサ３は、ラインレーザ光ＬＬを基準球表面Ｓに照射する。ラインレーザ光ＬＬは、各センサ点ｑ０，ｑ１，…，ｑｎの連続する表面円孤線ＣＬｍ５として基準表面Ｓに照射される。
【０１６０】
続いて、較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、半径用探索点処理を実行する。
【０１６１】
＜半径用探索点処理＞
較正制御部５１は、図１２で説明した頂点判別処理と同様な演算方法（演算手順）にて、光面法線方向探索位置ＦＮにおける基準球断面円の半径を求めるための探索点を決定する。具体的に説明すると、較正制御部５１は、図２９に示すように、ラインレーザ光ＬＬのセンサｚ座標最大値ｐから基準球中心ａに向けて判定高ＨＤ（判定高距離値α）を設定し、基準球表面Ｓに照射したラインレーザ光ＬＬの表面円孤線ＣＬｍ５及び判定高ＨＤの交差する２点を探索点Ｔ，Ｕに設定する。続いて、較正制御部５１は、表面円孤線ＣＬｍ５上の各センサ点ｑ０，ｑ１，…，ｑｎのセンサｚ座標値から探索点Ｔ両隣の各センサ点ｑｉ，ｑｉ＋１及び探索点Ｕ両隣のセンサ点ｑｊ，ｑｊ＋１を検索し、各センサ点ｑｉ，ｑｉ＋１のセンサ座標値（ｘｉ，ｚｉ）と（ｘｉ＋１，ｚｉ＋１）及び各センサ点ｑｊ，ｑｊ＋１のセンサ座標値（ｘｊ，ｚｊ）と（ｘｊ＋１，ｚｊ＋１）を取得する。較正制御部５１は、探索点Ｔ両隣の各センサ点ｑｉ，ｑｉ＋１の２点を結ぶ直線と判定高ＨＤの直線との交点を内挿法で演算し、探索点Ｔのセンサｘ座標値ｘｔを求める。また、較正制御部５１は、探索点Ｕ両隣のセンサ点ｑｊ，ｑｊ＋１の２点を結ぶ直線と判定高ＨＤの直線との交点を内挿法で演算し、探索点Ｕのセンサｘ座標値ｘｕを求める。
【０１６２】
続いて、較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、実光面法線ベクトル判別処理を実行する。
【０１６３】
＜実光面法線ベクトル判別処理＞
較正制御部５１は、センサ基準点ｑｃのｚ座標値ｚｙを基準球表面頂点ｍ６のセンサｚ座標値としてデータ記憶部５２に記憶する。
【０１６４】
続いて、較正制御部５１は、図２９に示すように、各探索点Ｔ，Ｕのセンサ方向座標値ｘｔ，ｘｕを読出し、各ライン方向座標値ｘｔ，ｘｕから各探索点Ｔ，Ｕを結ぶ直線の半分の直線長さＬＤ（各探索点Ｔ，Ｕを結ぶ表面円孤線ＣＬｍ５の弦長の半分）を求める。
直線長さＬＤは、ＬＤ＝（ｘｕ−ｘｔ）／２となる。
【０１６５】
続いて、較正制御部５１は、図２９に示すように、判定高距離値αをデータ記憶部５２から読出し、直線長さＬＤ及び判定高距離値αから表面円孤線ＣＬｍ５の半径値ＲＭを演算して、データ記憶部５２に記憶する。
表面円孤線ＣＬｍ５の半径値ＲＭは、式（１６）となる。
【０１６６】
【数１６】
2016057151.tif 000018
【０１６７】
続いて、較正制御部５１は、基準球２（表面円孤線ＣＬｍ１）の半径Ｒ、半径値ＲＭ、最高点位置Ｆｍのセンサｚ座標値ｚｃ及び基準球表面頂点ｍ６のセンサｚ座標値ｚｙをデータ記憶部５２から読出し、ずれ量τを演算する。
ずれ量τは、図２８に示すように、各センサｚ座標値ｚｃ，ｚｙの座標ずれ値τ１（τ１＝ｚｃ−ｚｙ）と、基準球２の球半径Ｒ及び半径値ＲＭの半径ずれ値τ２（τ２＝ＲＭ−Ｒ）の合計でなる。なお、ずれ値τ１は、図２８に示すように、各センサｚ座標値ｚｃ，ｚｙにおける基準直線ＳＬｃとＳＬｙの位置差となる。
ずれ量τは、τ＝τ１＋τ２＝ｚｃ−ｚｙ＋ＲＭ−Ｒで求める。
較正制御部５１は、ずれ量τをデータ記憶部５２に記憶する。
なお、センサ基準点ｑｃを含む各センサ点ｑ０，ｑ１，…，ｑｎのセンサｚ座標値ｚ０，ｚ１，…，ｚｎは、基準球中心ａに向う方向を負として表現され、ずれ量τも、基準球中心ａに向う方向を負とする。
【０１６８】
続いて、較正制御部５１は、ずれ量τ及びずれ許容値λをデータ記憶部５２から読出し、ずれ量τの絶対値及びずれ許容値λを比較する。
較正制御部５１は、ずれ量τの絶対値がずれ許容値λ内であると、理論光面法線ベクトルＶＮを実光面法線ベクトルＶｎｒとして求め、データ記憶５２に記憶する。
【０１６９】
一方、較正制御部５１は、ずれ量τの絶対値がずれ許容値λ外であると、理論光面法線ベクトル再演算処理を実行する。
【０１７０】
＜理論光面法線ベクトル再演算処理＞
較正制御部５１は、図３０に示すように、ＶＴ‐Ｖｌｒ−ＶＮ座標系を構成する理論光面法線ベクトルＶＮ及び理論光方向ベクトルＶＴを実ライン方向ベクトルＶｌｒの回りに角度θｍ回転し、ＶＴα‐Ｖｌｒ‐ＶＮα座標系を構成する理論光面法線ベクトルＶＮα及び理論光方向ベクトルＶＴαを演算する。
角度θｍは、理論光面法線ベクトルＶＮを実光面法線ベクトルＶｎｒに向けて回転する角度である。
【０１７１】
先ず、較正制御部５１は、光面法線方向値δ及びずれ量τをデータ記憶部５２から読出し、理論光面法線ベクトルＶＮを回転する角度θｍの正弦値、及び余弦値を求める。
図２８において、ずれ量τを減少させる方向は右手系座標系で正回転であり、正弦値及び余弦値は、式（１７）で求める。
【０１７２】
【数１７】
2016057151.tif 000019
【０１７３】
なお、ずれ量τが負であると、正弦値は負となり、角度θｍが−９０°から９０°の範囲内でならば、角度θｍも負となる。このことは、理論光面法線ベクトルＶＮを図２８の紙面に向って時計回りに回転することなので、実光面法線ベクトルＶｎｒに近づく方向となり、ずれ量τが負の場合でも、式（１７）は成立する。
【０１７４】
続いて、較正制御部５１は、ＶＴα‐Ｖｌｒ‐ＶＮα座標系を構成する理論光面法線ベクトルＶＮα及び理論光方向ベクトルＶＴαを式（１８）から求める。
なお、式（１８）において、（ｉｔ，ｊｔ，ｋｔ）は、理論光方向ベクトルＶＴのＸ，Ｙ，Ｚ座標系の成分、（ｉｌ，ｊｌ，ｋｌ）は、実ライン方向ベクトルＶｌｒのＸ，Ｙ，Ｚ座標系の成分、及び（ｉｎ，ｊｎ，ｋｎ）は、理論光面法線ベクトルＶＮのＸ、Ｙ、Ｚ座標系の成分である。
式（１８）において、（ｉｎα，ｊｎα，ｋｎα）は、理論光面法線ベクトルＶＮαのＸ，Ｙ，Ｚ座標系の成分、及び（ｉｔα，ｊｔα，ｋｔα）は、理論光方向ベクトルＶＴαのＸ，Ｙ，Ｚ座標系の成分である。
【０１７５】
【数１８】
2016057151.tif 000020
【０１７６】
較正制御部５１は、ＶＴα‐Ｖｌｒ‐ＶＮα座標系を構成する理論光面法線ベクトルＶＮα＝（ｉｎα，ｊｎα，ｋｎα）及び理論光方向ベクトルＶＴα＝（ｉｔα，ｊｔα，ｋｔα）を、新たなＶＴ‐Ｖｌｒ‐ＶＮ座標系を構成する理論光面法線ベクトルＶＮ及び理論光方向ベクトルＶＴとしてデータ記憶部５２に記憶する。
【０１７７】
＜実光面法線ベクトル探索処理＞
較正制御部５１は、キャリブレーションプログラムに従って、実光面法線ベクトル探索処理を実行し、理論光面法線ベクトルＶＮ及び実光面法線ベクトルＶｎｒの一致を判別するまで、基準位置決め処理、理論光面法線方向位置決め処理、半径用探索点処理、実光面法線ベクトル判別処理、理論光面法線ベクトル再演算処理を繰返す（図２８乃至図３０参照）。なお、較正制御部５１は、理論光面法線方向位置決め処理にて、任意姿勢の変位センサ３を最高点位置Ｆｍから新たな理論光面法線ベクトルＶＮ方向に光面法線方向値δだけ移動し、センサ基準点ｑｃを新たな光面法線方向探索位置ＦＮに位置決めする。
実光面法線ベクトル探索処理にて、ＶＴ‐Ｖｌｒ‐ＶＮ座標系を構成する理論光面法線ベクトルＶＮ及び理論光方向ベクトルＶＴを実ライン方向ベクトルＶｌｒ回りに角度θｍ回転して、新たなＶＴ‐Ｖｌｒ‐ＶＮ座標系を構成する理論光面法線ベクトルＶＮ及び理論光方向ベクトルＶＴを演算（再演算）することで、理論光面法線ベクトルＶＮは実光面法線ベクトルＶｎｒに接近し、ずれ量τも小さくなり、ずれ量τの絶対値はずれ許容値λ内になる。
較正制御部５１は、実光面法線ベクトル探索処理にて、理論光面法線ベクトルＶＮ及び実光面法線ベクトルＶｎｒの一致と判別すると、理論光面法線ベクトルＶＮを実光面法線ベクトルＶｎｒとして、また、理論光方向ベクトルＶＴを実光方向ベクトルＶｔｒとしてデータ記憶部５２に記憶する。
較正制御部５１は、式（１８）にて理論光方向ベクトルＶＴ及び理論光面法線ベクトルＶＮを演算し、ずれ量τの絶対値がずれ許容値λ内であれば、式（１８）で演算した理論光方向ベクトルＶＴを実光方向ベクトルＶｔｒとして求め、及び式（１８）で演算した理論光面法線ベクトルＶＮを実光面法線ベクトルＶｎｒとして求める実光方向演算処理を実行する。
【０１７８】
三次元形状測定システム１では、任意姿勢の変位センサ３のセンサ基準点ｑｃを基準球表面最高点ｍに探索位置決めしたときの機械座標値（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）を予め記憶しておき、形状測定時にセンサ旋回装置５の移動による姿勢に対応した機械座標値（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）を呼び出し、基準姿勢での機械座標値（Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂ）との差を求め、センサ駆動装置６によるＸ、Ｙ、Ｚ移動量を加味して、変位センサ３の位置変化の較正（キャリブレーション）を実行できる。
また、三次元形状測定システム１では、実光方向ベクトルＶｔｒを理論光方向ベクトルＶＴの代わりに使用し、実ライン方向ベクトルＶｌｒを理論ライン方向ベクトルＶＬの代わりに使用し、及び実光面法線ベクトルＶｎｒを理論光面法線ベクトルＶＮの代わりに使用することで、センサ基準点ｑｃにおけるラインレーザ光ＬＬの方向を較正（キャリブレーション）できる。
【産業上の利用可能性】
【０１７９】
三次元形状測定システムにおいて、変位センサの位置変化を較正（キャリブレーション）するのに最適である。
【符号の説明】
【０１８０】
１  三次元形状測定システム
２  基準球
３  変位センサ
５  センサ旋回装置
６  センサ駆動装置
７  較正制御装置
ＬＬ  ラインレーザ光
ｑｃ  センサ基準点
Ｆ  探索位置
Ｇ，Ｈ  探索点
ＣＬ  表面円孤線
ｍ  基準球の表面最高点（基準球表面最高点）
ｍ１  基準球の表面頂点（基準球表面頂点）
【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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