(57)【要約】  物体表面の三次元座標をラインスキャナで測定する方法であって、前記ラインスキャナがプロジェクタとカメラとを含み、前記プロジェクタは、前記物体表面に第１の時間に光の第１のライン、第２の時間に光の第２のラインを投射し、前記光の第２のラインの積分されたエネルギーが前記光の第１のラインとは異なり、前記カメラが前記光の第１のライン及び前記光の第２のラインの反射をキャプチャし、プロセッサが、飽和しているか又は電気ノイズによって支配されているイメージの部分を破棄した後に、収集されたデータを処理し、物体表面の三次元座標を、少なくとも部分的に、前記処理されたデータとベースライン距離とに基づいて決定する。
2016530485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の表面の三次元座標を測定する方法であって、
プロセッサとプロジェクタとカメラとを含むラインスキャナを設けるステップであって、前記ラインスキャニングは第１の参照フレームを有し、前記プロジェクタは光源とプロジェクタレンズとを含み、前記光源は光のラインを、前記光のラインの伝搬方向に垂直な平面に投射されると実質的に直線に発するように構成されており、前記プロジェクタはプロジェクタ視野中心を有し、前記カメラは感光アレイとカメラレンズとを含み、前記カメラはカメラ視野中心を有し、前記カメラレンズは前記感光アレイ上に前記表面の一部のイメージを形成するように構成され、前記感光アレイは画素のアレイを含み、前記画素のアレイはＭ行Ｎ列を有し、Ｍ及びＮは整数であり、前記画素のアレイにおける前記画素の各々は、前記画素の各々によってキャプチャされた光エネルギーをデジタル値に対応する電気的な値に変換するように構成されており、前記プロセッサは前記デジタル値を受領するように構成されており、前記ラインスキャナはベースラインを有し、前記ベースラインは前記プロジェクタ視野中心と前記カメラ視野中心との間の直線セグメントであり、前記プロジェクタは前記ベースラインに対するプロジェクタ方向を有しており、前記カメラは前記ベースラインに対するカメラ方向を有しており、前記プロセッサは前記光源を制御し且つ前記デジタル値を受領するように構成されている、ステップと、
第１の時間に光の第１のラインを生成するステップで、前記光の第１のラインが第１の光パワーを有する、ステップと、
前記光の第１のラインを前記表面上に投射するステップと、
前記光の第１のラインを前記表面からの第１の反射光として反射するステップと、
前記第１の反射光を前記カメラレンズで受領するステップと、
前記カメラレンズで第１の積分時間に渡って前記感光アレイ上に前記第１の反射光の第１のイメージを形成し、且つ応答として前記画素の各々に対する第１の光エネルギーを生成するステップであって、前記画素の各々に対する前記第１の光エネルギーが少なくとも部分的に第１の積分エネルギーに依存し、前記第１の積分エネルギーが第１の積分時間に渡る前記第１の光エネルギーの積分に等しい、ステップと、
前記画素の各々に対して第１のデジタル値を前記プロセッサに送って、第１のデジタル値の第１のＭ×Ｎアレイを得るステップと、
第２の時間に光の第２のラインを生成するステップで、前記光の第２のラインが第２の光パワーを有する、ステップと、
前記光の第２のラインを前記表面上に投射するステップと、
前記光の第２のラインを前記表面からの第２の反射光として反射するステップと、
前記第２の反射光を前記カメラレンズで受領するステップと、
前記カメラレンズで第２の積分時間に渡って前記感光アレイ上に前記第２の反射光の第２のイメージを形成し、且つ応答として前記画素の各々に対する第２の光エネルギーを生成するステップであって、前記画素の各々に対する前記第２の光エネルギーが少なくとも部分的に第２の積分エネルギーに依存し、前記第２の積分エネルギーが第２の積分時間に渡る前記第２の光エネルギーの積分に等しく、前記第２の積分エネルギーが前記第１の積分エネルギーとは異なる、ステップと、
前記画素の各々に対して第２のデジタル値を前記プロセッサに送って、第２のデジタル値の第２のＭ×Ｎアレイを得るステップと、
前記プロセッサで、前記第１のデジタル値の第１のＭ×ＮアレイのＭ行の各々に対して、第１の最大デジタル値及び第１の中央値を決定するステップであって、その行の前記最大デジタル値がその行のＮ個の第１のデジタル値の中の最大に等しく、前記中心デジタル値がその行のＮ個の第１のデジタル値の少なくとも一つに少なくとも依存する、ステップと、
前記プロセッサで、前記第２のデジタル値の第２のＭ×ＮアレイのＭ行の各々に対して、第２の最大デジタル値及び第２の中央値を決定するステップであって、その行の前記最大デジタル値がその行のＮ個の第２のデジタル値の中の最大に等しく、前記中心デジタル値がその行のＮ個の第２のデジタル値の少なくとも一つに少なくとも依存する、ステップと、
前記プロセッサで、第１の条件又は第２の条件が満たされる前記Ｍ行の各々に対する複合中央値を決定するステップであって、前記第１の条件は前記第１の最大デジタル値が飽和レベルより小さく且つノイズレベルを超えることであり、前記第２の条件は前記第２の最大デジタル値が飽和レベルより小さく且つノイズレベルを超えることであり、前記複合中央値は少なくとも部分的に前記第１の中心値及び前記第２の中心値に依存する、ステップと、
前記プロセッサで、複合中央値を有する前記Ｍ行の各々に対して、前記表面上の点の３次元座標を計算するステップであって、前記三次元座標は前記第１の参照フレームで計算され、前記三次元座標は少なくとも部分的に前記複合中央値と前記ベースラインの長さと前記カメラ方向とに依存する、ステップと、
複合中央値を有する前記Ｍ行の各々に対して、前記三次元座標を記憶するステップと、
を包含する、方法。
【請求項２】
前記第１の時間に光の第１のラインを生成するステップと前記第２の時間に光の第２のラインを生成するステップにおいて、前記第１の光パワーが前記第２の光パワーとは異なる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記カメラレンズで第１のイメージを形成するステップと前記カメラレンズで第２のイメージを形成するステップにおいて、前記第１の積分時間が前記第２の積分時間とは異なる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記光の第１のラインを生成するステップと前記カメラレンズで第１のイメージを形成するステップにおいて、前記第１の光パワーが前記第１の積分時間に渡って一定である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記光の第２のラインを生成するステップと前記カメラレンズで第２のイメージを形成するステップにおいて、前記第２の光パワー及び前記第２の積分時間の少なくとも一つが前記Ｍ個の最大デジタル値に少なくとも部分的に基づいている、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ラインスキャナを設けるステップにおいて、前記光源がレーザダイオード又はスーポールミネッセントダイオードであり、前記プロジェクタレンズがシリンドリカルレンズ又はパウエルレンズである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ラインスキャナを設けるステップにおいて、前記プロジェクタがさらに微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）要素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記光のラインが前記ベースラインに実質的に直交している、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の参照フレームにおける前記三次元座標の各々に対して、第２の参照フレームにおける三次元座標を計算するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ラインスキャナを多関節アームＣＭＭの一端に取り付けるステップをさらに含み、前記多関節アームＣＭＭが前記第２の参照フレームにあって、前記多関節アームＣＭＭが前記第２の参照フレームにおける前記ラインスキャナの位置及び方向を決定する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ラインスキャナの位置及び方向をレーザトラッカで測定するステップをさらに含み、前記レーザトラッカが前記第２の参照フレームにある、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記ラインスキャナの位置及び方向を２つのカメラで測定するステップをさらに含み、前記２つのカメラが異なる距離を有しており、前記２つのカメラが前記第２の参照フレームにある、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記プロセッサで前記Ｍ行Ｎ列のアレイのＭ行の各々に対して第１の最大デジタル値及び第１の中央値を決定するステップにおいて、前記第１の中央値がさらに、少なくとも部分的に、その行の前記第１の中央値の重心に基づいている、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記重心が画素以下の解像度で計算される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記プロセッサで前記Ｍ行Ｎ列のアレイのＭ行の各々に対して第１の最大デジタル値及び第１の中央値を決定するステップにおいて、前記第１の中央値がさらに、少なくとも部分的に、曲線あてはめを使用して得られた値に基づいている、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記曲線あてはめがガウス形状へのあてはめである、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記プロセッサで複合中心値を決定するステップにおいて、前記複合中心値が、前記第１の最大デジタル値が前記第２の最大デジタル値を越えていたら前記第１の中央値として選択され、前記第２の最大デジタル値が前記第１の最大デジタル値を越えていたら前記第２の中央値として選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記プロセッサで複合中心値を決定するステップにおいて、前記複合中心値が、前記第１の中央値及び前記第２の中央値の重み付けされた値として選択され、前記重み付けが前記第１の最大デジタル値及び前記第２の最大デジタル値の相対強度に基づいている、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザラインプローブに関しており、より具体的には、その画像キャプチャ能力に関して改善された高いダイナミックレンジを有するレーザラインプローブに関する。
【０００２】
本出願は、2013年7月15日付けで出願された米国予備特許出願第61/846,363号ならびに2013年7月31日付けで出願された米国予備特許出願第61/860,353号に基づく優先権を主張しており、両出願の内容全体が参照によってここに援用される。
【背景技術】
【０００３】
物体の表面の３次元的な（「３Ｄ」）物理的特徴は、様々な非接触技法及び装置を使用して測定され得る。そのような測定は、部品の検査、迅速なプロトタイプ化、実際の部品とその部品のＣＡＤモデルとの比較、リバースエンジニアリング、３Ｄモデル化などを含む様々な理由から実行され得る。最もよくあることは、これらの非接触装置は、物体の表面を描写するキャプチャされた生データを、結果として得られるその物体の表面の実際の測定値に処理するために、三角測距に基づく技法を利用する。
【０００４】
三角測距に基づく非接触装置の一つのタイプはレーザラインプローブ（「ＬＬＰ」）であり、これはプロジェクタ及びカメラを含む。このプロジェクタは光源を含み、これは光を、典型的にはラインとして発する。プロジェクタはまたレンズを含み、これは、発せられた光を物体上に、比較的に明瞭な（ぼやけていない）状態で投射する。発せられた光はレーザ光、部分的にコヒーレントな光、又は非コヒーレント光であり得る。カメラは、電荷結合素子（「ＣＣＤ」）又はＣＭＯＳ感光アレイのようなカメラ型のイメージング装置を含む。カメラはまた、物体表面上の光のパターンをキャプチャしてそれを感光アレイ上で比較的に明瞭な（ぼやけていない）状態に変換するカメラレンズも含む。カメラは、典型的にはＬＬＰ装置内のレーザ光源に隣接して配置される。プロジェクタは仮想発射点を含み、そこからライン又はストライプ光が、一方向にはある角度内で且つ直交する方向では平坦なシート状に「広がる（fan out）」ように見える。カメラはカメラ視野中心を有し、そこを通って、物体上のパターンからの光線が感光アレイまで進んでいるように見える。仮想発射点とカメラ視野中心との間のラインセグメントはベースラインと呼ばれ、このベースラインの長さはベースライン長と呼ばれる。
【０００５】
いくつかの場合では、ＬＬＰは携帯装置としての形状を有する。他の場合には、モータ駆動装置に取り付けられ得るか、又は製造ラインの所定の位置に固定され得る。物体の表面にあたる光の広がりは、物体表面上に比較的明るい光のストライプを形成する。カメラは、物体上に照射されたレーザストライプの３Ｄシルエット又はプロファイルをキャプチャする。携帯ＬＬＰの場合、光のラインで物体の全て又はある部分をカバーするために、ＬＬＰは、投射されたラインストライプがＬＬＰの視野内で物体の全て又は少なくとも所望の部分の上に延在するように、ユーザによって動かされる。そのようにして、ＬＬＰを物体上で動かすことによって、物体表面の何百もの断面が、生データの３Ｄポイントクラウドとしてキャプチャされる。いくつかの最新のＬＬＰは、毎秒６０フレーム又はストライプの３Ｄデータ、すなわち毎秒約４５０００ポイントのデータをキャプチャすることができる。信号処理電子回路（例えばコンピュータ又はプロセッサ）が設けられて，３Ｄ生ポイントクラウドデータを、ＬＬＰ及びそのレーザストライプならびに三角測距測定プロセスによって得られた寸法測定値を含む、結果として得られた物体の３Ｄイメージに処理する。
【０００６】
イメージング装置上の反射されたラインのイメージは、通常は、イメージング装置と物体表面との間の距離が変わるにつれて変化する。ベースラインの距離、ベースラインに対するプロジェクタ及びカメラの方向、及び光のイメージングされたパターンの感光アレイ上での座標が分かれば、既知の三角測距法を使用して、物体の表面上の点の３Ｄ座標を測定し得る。すなわち、ＬＬＰを動かすにつれて、イメージング装置は各々の投射されたラインストライプを見る。感光アレイ上の直線ラインパターンからのずれが、物体表面上の高さの変動に変換され得て、これによって物体表面が規定される。言い換えると、上述されたこの方法は、ＬＬＰの視野内の物体の形状及び位置をデジタル化する。このようにして、測定された物体は、同じ物体のＣＡＤ設計モデルに対してチェックされて、両者の間の相違を判定し得る。
【０００７】
携帯型の多関節アーム座標測定器（「ＡＡＣＭＭ」）は、物体表面の３Ｄ座標を決定するために物体に接触するように構成された触覚プローブを含み得る。ＡＡＣＭＭは、部品の製造又は製作（例えば加工）における様々な段階で部品の寸法を迅速且つ正確に確認する必要がある部品の製造又は製作において、幅広く使用されている、携帯型ＡＡＣＭＭは、既知の静止又は固定型でコストが高く且つ測定機能の使用が非常に難しく、特に比較的複雑な部品の寸法測定を実行するために必要とする時間に関して、広範な改善を示している。典型的には、携帯型ＡＡＣＭＭのユーザは「ハードな」接触タッチ測定プローブ（例えばボール）を測定対象の部品又は物体の表面に沿ってガイドする。測定データがそれから記録されて、ユーザに提供される。いくつかの場合には、データは、例えばコンピュータスクリーン上の３Ｄ形式のような視覚的な形式で、ユーザに提供される。他の場合には、データは、例えば孔の直径の測定時に「直径＝1.0034」というテキストがコンピュータスクリーン上に表示されるような数字形式で、ユーザに提供される。
【０００８】
先行技術における携帯型ＡＡＣＭＭの一例は、共通に譲渡された特許文献１に開示されており、これは参照によって全体的にここに援用される。特許文献１は、マニュアル操作されるＡＡＣＭＭからなる３Ｄ測定システムを開示しており、これは、一端に支持ベースを、他端に「ハードな」測定プローブを有する。参照によって全体的にここに援用される共通に譲渡された特許文献２は、同様のＡＡＣＭＭを開示している。特許文献２ではＡＡＣＭＭは数多くの特徴を有し、それはプローブ端における付加的な回転軸を含み、これによってアームに２−２−２又は２−２−３軸の構造が与えられる（後者の場合には７軸アーム）。
【０００９】
レーザラインプローブをＡＡＣＭＭのプローブ端に取り付けることが、一般的に既知で且つ受け入れられた慣習である。その結果は、完全に一体化された携帯型の接触式／非接触式測定装置である。すなわち、ＬＬＰが取り付けられたＡＡＣＭＭは、ＡＡＣＭＭの「ハードな」プローブの使用を通した物体の接触測定、及びＬＬＰのレーザ及びイメージング装置の使用を通した物体の非接触測定の両方を提供する。より具体的には、ＡＡＣＭＭ及びＬＬＰの組み合わせは、ユーザが、複雑で且つ有機的な形状をレーザスキャニングを介して素早く検査又はリバースエンジニアリングし、且つ、角柱状要素を接触法が提供する比較的高い精度でキャプチャすることを可能にする。
【００１０】
そのようにＡＡＣＭＭ及びＬＬＰが組み合わせられると、ＬＬＰは、３Ｄキャプチャされたポイントクラウドデータの処理のいくらか又は全てを、ＡＡＣＭＭ内の又はそれと関連付けられた（例えばそれから離れて位置された）信号処理電子回路（例えばコンピュータ又はプロセッサ）を使用して実行し得る。しかし、ＬＬＰは、必要な信号処理を実行するために、ＬＬＰ内に又はＬＬＰと関連付けられて（例えばスタンドアローンのコンピュータ）配置されたそれ自身の信号処理電子回路を有し得る。この場合、ＬＬＰは、物体を表すキャプチャされたデータを見るために、ディスプレー装置に接続される必要があり得る。また、この場合には、ＬＬＰは、ＡＡＣＭＭ又は同様の装置に接続される必要なしに、スタンドアローンの装置として動作し得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５，４０２，５８２号明細書
【特許文献２】米国特許第５，６１１，１４７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
任意のレーザラインプローブの一つの重要な特徴は、ＬＬＰ内のイメージング装置のダイナミックレンジである。単純には、イメージング装置のダイナミックレンジは、その一端はイメージング装置が正確にキャプチャすることができる比較的明るい物体表面の部分の量によって規定され、他端はイメージング装置が正確にキャプチャすることができる比較的暗い物体表面の部分の量によって規定された範囲である。別の言い方をすると、イメージング装置のダイナミックレンジは、最小の検出可能入力信号に対する最大の非飽和入力信号の比である。ダイナミックレンジは、本質的には、物体又はより大きなシーンのハイライト及び暗い影の両方を適切にイメージングするイメージングセンサの能力を示す指標である。イメージングされることが望まれる典型的な実世界の物体又はシーンは、ちょうどのタイミングで任意の点で物体を照射する周囲光に、部分的には依存して、物体表面（単数又は複数）に渡った広い範囲の明るさ値（又はコントラストの変動）を有し得る。例えば、物体又はシーンが１００デシベル又はそれ以上の明るさの変化を有することは、よくあることである。
【００１３】
表面の３Ｄ座標の最適な決定のためにＬＬＰに要求されるダイナミックレンジは、物体表面における最も反射しない部分に対する最も反射的な部分からの反射光パワーの比に等しい。ダイナミックレンジは、線形比で、又はより一般的には、デシベル（ｄＢ）単位の対数比で記述され得る。特定の測定に対して要求されるダイナミックレンジは、部分的には、物体表面の材質、色、及び表面仕上げに依存し、部分的には、表面の点からプロジェクタ及びカメラまでの距離に依存し、且つ部分的には、投射及び反射光の入射角及び反射角に、それぞれ依存する。
【００１４】
イメージセンサのダイナミックレンジは、画素によって受領される最小の光エネルギーに対する最大の光エネルギーの比である。有効な読みを与えるためには、画素によって受領されるダイナミックレンジは、その画素の線形範囲内であるべきであり、これは、エネルギーは飽和するほど大きくあってはならず、またノイズ制限されるほど小さくあってはならないということである。最適なレベルで実行するために、イメージング装置のダイナミックレンジは、特定の測定に要求されるダイナミックレンジに等しいか、又はそれ以上であるべきである。商業的に最も入手可能なイメージング装置、例えばＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージャは、１００デシベルよりも少ないダイナミックレンジを有する。
【００１５】
比較的低いダイナミックレンジを有するＬＬＰ（例えばＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳ感光アレイ）は、ある領域では暗すぎ且つ／又は他の領域では明るすぎることがある再生イメージをもたらす。これより、そのようなＬＬＰで３Ｄ座標を正確に決定することは、不可能ではないにしても困難であり得る。
【００１６】
結果として、イメージング装置のダイナミックレンジを拡張又は増加するために、多くの装置及び技法が、従来技術に存在する。しかし、これらの技法及び装置は、イメージング装置のダイナミックレンジの増加量が、いくらか足りない傾向にある。
【００１７】
現存するレーザラインプローブは、それらの所期の目的のためには適切であるが、必要とされているものは、改善された（すなわち増加した）高いダイナミックレンジを持つイメージング装置を有するレーザラインプローブである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の一つの実施形態によれば、物体の表面の三次元座標を測定する方法が与えられる。この方法は、プロセッサとプロジェクタとカメラとを含むラインスキャナを設けるステップであって、前記ラインスキャナは第１の参照フレームを有し、前記プロジェクタは光源とプロジェクタレンズとを含み、前記プロジェクタは光のラインを、前記光のラインの伝搬方向に垂直な平面に投射されると実質的に直線に発するように構成されており、前記プロジェクタはプロジェクタ視野中心を有し、前記カメラは感光アレイとカメラレンズとを含み、前記カメラはカメラ視野中心を有し、前記カメラレンズは前記感光アレイ上に前記表面の一部のイメージを形成するように構成され、前記感光アレイは画素のアレイを含み、前記画素のアレイはＭ行Ｎ列を有し、Ｍ及びＮは整数であり、前記画素のアレイにおける前記画素の各々は、前記画素の各々によってキャプチャされた光エネルギーをデジタル値に対応する電気的な値に変換するように構成されており、前記プロセッサは前記デジタル値を受領するように構成されており、前記ラインスキャナはベースラインを有し、前記ベースラインは前記プロジェクタ視野中心と前記カメラ視野中心との間の直線セグメントであり、前記プロジェクタは前記ベースラインに対するプロジェクタ方向を有しており、前記カメラは前記ベースラインに対するカメラ方向を有しており、前記プロセッサは前記光源を制御し且つ前記デジタル値を受領するように構成されている、ステップと、第１の時間に光の第１のラインを生成するステップで、前記光の第１のラインが第１の光パワーを有する、ステップと、前記光の第１のラインを前記表面上に投射するステップと、前記光の第１のラインを前記表面からの第１の反射光として反射するステップと、前記第１の反射光を前記カメラレンズで受領するステップと、前記カメラレンズで第１の積分時間に渡って前記感光アレイ上に前記第１の反射光の第１のイメージを形成し、且つ応答として前記画素の各々に対する第１の光エネルギーを生成するステップであって、前記画素の各々に対する前記第１の光エネルギーが少なくとも部分的に第１の積分エネルギーに依存し、前記第１の積分エネルギーが第１の積分時間に渡る前記第１の光エネルギーの積分に等しい、ステップと、前記画素の各々に対して第１のデジタル値を前記プロセッサに送って、第１のデジタル値の第１のＭ×Ｎアレイを得るステップと、第２の時間に光の第２のラインを生成するステップで、前記光の第２のラインが第２の光パワーを有する、ステップと、前記光の第２のラインを前記表面上に投射するステップと、前記光の第２のラインを前記表面からの第２の反射光として反射するステップと、前記第２の反射光を前記カメラレンズで受領するステップと、前記カメラレンズで第２の積分時間に渡って前記感光アレイ上に前記第２の反射光の第２のイメージを形成し、且つ応答として前記画素の各々に対する第２の光エネルギーを生成するステップであって、前記画素の各々に対する前記第２の光エネルギーが少なくとも部分的に第２の積分エネルギーに依存し、前記第２の積分エネルギーが第２の積分時間に渡る前記第２の光エネルギーの積分に等しく、前記前記第２の積分エ���ルギーが前記第１の積分エネルギーとは異なる、ステップと、前記画素の各々に対して第２のデジタル値を前記プロセッサに送って、第２のデジタル値の第２のＭ×Ｎアレイを得るステップと、前記プロセッサで、前記第１のデジタル値の第１のＭ×ＮアレイのＭ行の各々に対して、第１の最大デジタル値及び第１の中央値を決定するステップであって、その行の前記最大デジタル値がその行のＮ個の第１のデジタル値の中の最大に等しく、前記中心デジタル値がその行のＮ個の第１のデジタル値の少なくとも一つに少なくとも依存する、ステップと、前記プロセッサで、前記第２のデジタル値の第２のＭ×ＮアレイのＭ行の各々に対して、第２の最大デジタル値及び第２の中央値を決定するステップであって、その行の前記最大デジタル値がその行のＮ個の第２のデジタル値の中の最大に等しく、前記中心デジタル値がその行のＮ個の第２のデジタル値の少なくとも一つに少なくとも依存する、ステップと、前記プロセッサで、第１の条件又は第２の条件が満たされる前記Ｍ行の各々に対する複合中央値を決定するステップであって、前記第１の条件は前記第１の最大デジタル値が飽和レベルより小さく且つノイズレベルを超えることであり、前記第２の条件は前記第２の最大デジタル値が飽和レベルより小さく且つノイズレベルを超えることであり、前記複合中央値は少なくとも部分的に前記第１の中心値及び前記前記第２の中心値に依存する、ステップと、前記プロセッサで、複合中央値を有する前記Ｍ行の各々に対して、前記表面上の点の３次元座標を計算するステップであって、前記三次元座標は前記第１の参照フレームで計算され、前記三次元座標は少なくとも部分的に前記複合中央値と前記ベースラインの長さと前記カメラ方向とに依存する、ステップと、複合中央値を有する前記Ｍ行の各々に対して、前記三次元座標を記憶するステップと、を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】本発明の実施形態の携帯型多関節アーム座標測定器（ＡＡＣＭＭ）の斜視図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態の携帯型多関節アーム座標測定器（ＡＡＣＭＭ）の他の形態の斜視図である。
【図２】一緒に描かれた図２Ａ〜２Ｄを含む図１のＡＡＣＭＭの一部を利用した電子回路のブロック図である。
【図２Ａ】図２に示す電子回路のブロック図の部分詳細ブロック図である。
【図２Ｂ】図２に示す電子回路のブロック図の部分詳細ブロック図である。
【図２Ｃ】図２に示す電子回路のブロック図の部分詳細ブロック図である。
【図２Ｄ】図２に示す電子回路のブロック図の部分詳細ブロック図である。
【図３】一緒に描かれた図３Ａ及び３Ｂを含む図２の電子データ処理システムの詳細な特徴を記述するブロック図である。
【図３Ａ】図３に示す電子回路のブロック図の部分詳細ブロック図である。
【図３Ｂ】図３に示す電子回路のブロック図の部分詳細ブロック図である。
【図４】図１のＡＡＣＭＭのプローブ端の等大図である。
【図５】ハンドルが結合された図４のプローブ端の側面図である。
【図６】ハンドルが取り付けられた図４のプローブ端の側面図である。
【図７】図６のプローブ端のインターフェース部の拡大部分側面図である。
【図８】図５のプローブ端のインターフェース部の他の拡大部分側面図である。
【図９】図１のハンドルの部分的な断面の等大図である。
【図１０】単一のカメラが取り付けられているレーザラインプローブを有する図１のＡＡＣＭＭのプローブ端の等大図である。
【図１１】図１０のレーザラインプローブの部分的な断面の等大図である。
【図１２】取り付けられた２台のカメラを組み込んでいる他のレーザラインプローブを有する図１のＡＡＣＭＭのプローブ端の等大図である。
【図１３】レーザラインプローブ（ＬＬＰ）の構成要素の模式図である。
【図１４Ａ】光源及びレンズを使用して光のラインを投射する装置の模式図である。
【図１４Ｂ】光源、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）、及びレンズを使用して光のラインを投射する装置の模式図である。
【図１５Ａ】ある実施形態に従って感光アレイ上で観察された反射光のパターンを描いた図である。
【図１５Ｂ】ある実施形態に従って感光アレイ上で観察された反射光のパターンを描いた図である。
【図１５Ｃ】ある実施形態に従って感光アレイ上で観察された反射光のパターンを描いた図である。
【図１５Ｄ】ある実施形態に従って感光アレイ上で観察された反射光のパターンを描いた図である。
【図１６】ある実施形態に従って感光アレイのある行の中心値を決定する方法を描いた図である。
【図１７Ａ】第１のイメージに対して得られたデータアレイを描く図である。
【図１７Ｂ】第２のイメージに対して得られたデータアレイを描く図である。
【図１７Ｃ】複合中心値を含むデータアレイを描く図である。
【図１８】ある実施形態に従った実施形態に従って表面の３次元座標を得る方法を描いた図である。
【図１９】ある実施形態に従ってラインレーザ１９３０を配置するために使用された６ＤＯＦレーザトラッカの斜視図である。
【図２０】ある実施形態に従ってラインレーザを配置するために使用されたカメラバーの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図面を参照して例示的な実施形態が示されるが、これらは、開示の全体的な範囲に関する限定として解釈されるべきではない。構成要素は、いくつかの図面で同様の番号が付けられている。
【００２１】
図１Ａ及び図１Ｂは、斜視図として、本発明の様々な実施形態に従った多関節アーム座標測定器（「ＡＡＣＭＭ」）１００を描く。多関節アームは、座標測定器の一つのタイプである。図１Ａ及び１Ｂに示されるように、例示的なＡＡＣＭＭ１００は６軸又は７軸の多関節測定装置から構成され得て、これはプローブ端４０１を有し、これは、一端でＡＡＣＭＭ１００のアーム部１０４に結合された測定プローブハウジング１０２を含む。アーム部分１０４は第１のアームセグメント１０６を備えており、これは、第１のグループのベアリングカートリッジ１１０（例えば２つのベアリングカートリッジ）によって第２のアームセグメント１０８に結合されている。第２のグループのベアリングカートリッジ１１２（例えば２つのベアリングカートリッジ）が、第２のアームセグメント１０８を測定プローブハウジング１０２に結合している。第３のグループのベアリングカートリッジ１１４（例えば３つのベアリングカートリッジ）が、第１のアームセグメント１０６を、ＡＡＣＭＭ１００のアーム部１０４の他端に位置するベース１１６に結合している。各グループのベアリングカートリッジ１１０、１１２、１１４は、多関節運動の複数の軸を提供する。また、プローブ端４０１は測定プローブハウジング１０２を含み得て、これは、ＡＡＣＭＭ１００の７番目の軸部分のシャフトを備える（例えば、ＡＡＣＭＭ１００の７番目の軸における測定装置、例えばプローブ１１８の動きを決定するエンコーダシステムを含むカートリッジ）。この実施形態では、プローブ端４０１は、測定プローブハウジング１０２の中心を通って延在する軸の周囲を回転し得る。ＡＡＣＭＭ１００の使用時には、ベース１１６は、典型的には作業表面に取り付けられる。
【００２２】
各ベアリングカートリッジグループ１１０、１１２、１１４内の各ベアリングカートリッジは、典型的にはエンコーダシステム（例えば光学的角度エンコーダシステム）を含む。エンコーダシステム（すなわちトランスデューサ）は、それぞれのアームセグメント１０６、１０８及び対応するベアリングカートリッジグループ１１０、１１２、１１４の位置の指標を提供し、これらは一緒になって、ベース１１６に対するプローブ１１８の位置（及びこれより、ある参照フレーム、例えばローカル又はグローバル参照フレームでＡＡＣＭＭ１００によって測定された物体の位置）の指標を提供する。アームセグメント１０６、１０８は、例えばカーボン複合材料のような（これに限定されるものではない）適切に硬い材料から構成され得る。６軸又は７軸の多関節運動（すなわち自由度）を有する携帯型ＡＡＣＭＭ１００は、操作者がプローブ１１８をベース１１６の周囲の３６０度の範囲内の所望の位置に配置することを可能にしながら、操作者によって容易に動かされ得るアーム部１０４を提供するという利点を提供する。しかし、２つのアームセグメント１０６、１０８を有するアーム部１０４の描写は例示目的であり、特許請求される発明がそれに限定されないことが、理解されるべきである。ＡＡＣＭＭ１００は、ベアリングカートリッジによって一緒に結合された任意の数（及びこれより、６又は７軸よりも多いか又は少ない多関節運動又は自由度）のアームセグメントを有し得る。
【００２３】
プローブ１１８は、ベアリングカートリッジグループ１１２に接続された測定プローブハウジング１０２に取り外し可能に搭載されている。ハンドル１２６は測定プローブハウジング１０２に対して、例えば簡単接続インターフェースによって、除去可能である。以下で図１０及びそれ以降を参照してより詳細に論じられるように、ハンドル１２６は、レーザラインプローブ（「ＬＬＰ」）のような他の装置で置き換え又は交換され得る。この他の装置は、レーザ光のラインを物体に発し、且つ物体の表面の上のレーザ光をＬＬＰの一部であるイメージング装置（例えばカメラ）によってキャプチャ又はイメージングし、それによって３次元物体の寸法の非接触測定値を提供する。この交換可能という特徴及びＬＬＰの使用は、操作者が同じＡＡＣＭＭ１００で接触式及び非接触式の両方の測定を行うことを可能にするという利点を有する。しかし、ＬＬＰが、以下により詳細に記述されるようにスタンドアローンの装置であり得ることに留意されたい。すなわち、ＬＬＰは、ＡＡＣＭＭ１００又は同様の装置へのあらゆるタイプの接続無しに、それ自身で完全に機能性を有し且つ動作可能であり得る。
【００２４】
例示的な実施形態では、プローブハウジング１０２は除去可能プローブ１１８を収容しており、これは接触式測定装置であって、測定対象の物体に物理的に接触する異なる先端１１８を有し得る。これは、触覚的な湾曲且つ延在したタイプのプローブを含むが、これに限定されるものではない。他の実施形態では、測定は例えば、ＬＬＰのような非接触装置によって実行される。ある実施形態では、ハンドル１２６は、簡単接続インターフェースを使用してＬＬＰに交換される。他のタイプの測定装置で除去可能ハンドル１２６を置き換えて、付加的な機能性を提供し得る。そのような測定装置の例は、例えば、一つ又はそれ以上の照射光、温度センサ、熱スキャナ、バーコードスキャナ、プロジェクタ、塗料噴霧器、カメラなどを含むが、これらに限定されるものではない。
【００２５】
図１Ａ及び１Ｂに示されるように、ＡＡＣＭＭ１００は除去可能ハンドル１２６を含み、これは、測定プローブハウジング１０２をベアリングカートリッジグループ１１２から取り外すこと無く、アクセサリ又は機能を変えることを可能にするという効果を提供する。以下に図２Ｄを参照してより詳細に論じられるように、除去可能ハンドル１２６はまた、電力及びデータがハンドル１２６及びプローブ端４０１に位置する対応した電子回路とともに交換されることを可能にするという効果も提供し得る。
【００２６】
様々な実施形態において、ベアリングカートリッジの各グループ１１０、１１２、１１４は、ＡＡＣＭＭ１００のアーム部１０４を複数の回転軸の周囲で動かすことを可能にする。言及されたように、各ベアリングカートリッジグループ１１０、１１２、１１４は、例えば光学式角度エンコーダのような対応するエンコーダシステムを含み、それらは各々が、例えばアームセグメント１０６、１０８の対応する回転軸と同軸に配置されている。光学式エンコーダシステムは、以下により詳細に論じられるように、例えば対応する軸の周囲におけるアームセグメント１０６、１０８の各一つの回転（スゥイベル）又は並進（ヒンジ）運動を検出し、信号をＡＡＣＭＭ１００内の電子データ処理システムに送信する。各々の個々の生エンコーダカウントは、電子データ処理システムに別個に信号として送られて、そこでさらに測定データに処理される。共通に譲渡された特許文献１に開示されているように、ＡＡＣＭＭ１００それ自身からは別個の位置計算機（例えばシリアルボックス）は必要とされない。
【００２７】
ベース１１６は、取り付け装置又は搭載装置１２０を含み得る。搭載装置１２０は、ＡＡＣＭＭ１００を、例えば検査テーブル、マシニングセンタ、壁又は床のような所望の位置に除去可能に搭載することを可能にする。ある実施形態では、ベース１１６はハンドル部１２２を含み、これは、ＡＡＣＭＭ１００が動かされるときに操作者がベース１１６を保持するための便利な位置を提供する。ある実施形態では、ベース１１６はさらに可動カバー部１２４を含み、これは、ディスプレースクリーンのようなユーザインターフェースが現れるように下に折り畳まれる。
【００２８】
ある実施形態に従って、携帯型ＡＡＣＭＭ１００のベース１１６は電子データ処理システムを有する電子回路を含むか又は収納しており、これは、２つの主要な構成要素を含む。それらは、ＡＡＣＭＭ１００内部の様々なエンコーダシステムからのデータ、並びに三次元（「３Ｄ」）位置計算をサポートするための他のアームパラメータを表すデータを処理するベース処理システムと、外部コンピュータへの接続の必要無しにＡＡＣＭＭ１００内部で実行されるべき比較的完全な計測機能を可能にするオンボード処理システム、タッチスクリーンディスプレー、及び常駐アプリケーションソフトウエアを含むユーザインターフェース処理システムである。
【００２９】
ベース１１６内の電子データ処理システムは、エンコーダシステム、センサ、及びベース１１６から離れて位置するその他の周辺ハードウエア（例えば、ＡＡＣＭＭ１００上の除去可能ハンドル１２６の場所に搭載されることができるレーザラインプローブ）と、通信し得る。これらの周辺ハードウエア装置又は特徴をサポートする電子回路は、携帯型ＡＡＣＭＭ１００内部におかれたベアリングカートリッジグループ１１０、１１２、１１４の各々に位置され得る。
【００３０】
図２は、ある実施形態に従ってＡＡＣＭＭ１００で利用される電子回路のブロック図である。図２Ａに示される実施形態は、電子データ処理システム２１０を含み、これは、ベース処理システムを具現化するベースプロセッサボード２０４、ユーザインターフェースボード２０２、パワーを提供するためのベースパワーボード２０６、ブルートュースモジュール２３２、及びベース傾きボード２０８を含む。ユーザインターフェースボード２０２は、アプリケーションソフトウエアを実行してユーザインターフェースを実行するためのコンピュータプロセッサ、ディスプレー、及びここに記述されるその他の機能を含む。
【００３１】
図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、電子データ処理システム２１０は、一つ又はそれ以上のアームバス２１８を介して、前述した複数のエンコーダシステムを通信している。図２Ｂ及び図２Ｃに示される実施形態では、各エンコーダシステムはエンコーダデータを生成し、エンコーダアームバスインターフェース２１４、エンコーダデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）２１６、エンコーダリードヘッドインターフェース２３４、及び温度センサ２１２を含む。歪センサのような他の装置が、アームバス２１８に取り付けられ得る。
【００３２】
図２Ｄにはまた、プローブ端電子回路２３０が示されており、これは、アームバス２１８と通信している。プローブ端電子回路２３０は、プローブ端ＤＳＰ２２８、温度センサ２１２、ある実施形態では簡単接続インターフェースを介してハンドル１２６又はレーザラインプローブ（「ＬＬＰ」）２４２を接続するハンドル／装置インターフェースバス２４０、及びプローブインターフェース２２６を含む。簡単接続インターフェースは、ＬＬＰ２４２及びその他のアクセサリによって使用されるデータバス、制御線、及びパワーバスへのハンドル１２６によるアクセスを可能にする。ある実施形態では、プローブ端電子回路２３０は、ＡＡＣＭＭ１００上の測定プローブハウジング１０２に配置される。ある実施形態では、ハンドル１２６が簡単接続インターフェースから除去され得て、測定は、インターフェースバス２４０を介してＡＡＣＭＭ１００のプローブ端電子回路２３０と通信するＬＬＰ２４２によって実行され得る。ある実施形態では、電子データ処理システム２１０がＡＡＣＭＭ１００のベース１１６に配置され、プローブ端電子回路２３０がＡＡＣＭＭ１００の測定プローブハウジング１０２に配置され、且つエンコーダシステムがベアリングカートリッジグループ１１０、１１２、１１４に配置される。プローブインターフェース２２６は、1-wirw（登録商標）を実現するマキシム・インテグレーテッド・プロダクツ社からの商業的に利用可能な商品を含む任意の適切な通信プロトコルによって、プローブ端ＤＳＰ２２８と接続し得る。
【００３３】
図３は、ある実施形態に従ったＡＡＣＭＭ１００の電子データ処理システム２１０の詳細な特徴を記述するブロック図である。ある実施形態では、電子データ処理システム２１０はＡＡＣＭＭ１００のベース１１６に位置して、ベースプロセッサボード２０４、ユーザインターフェースボード２０２、ベースパワーボード２０６、ブルートュースモジュール２３２、及びベース傾きボード２０８を含む。
【００３４】
図３Ａに示される実施形態では、ベースプロセッサボード２０４は、そこに描かれている様々な機能ブロックを含む。例えば、ベースプロセッサ機能３０２は、ＡＡＣＭＭ１００からの測定データの収集をサポートするために利用されて、生アームデータ（例えばエンコーダシステムデータ）をアームバス２１８及びバス制御モジュール機能３０８を介して受領する。メモリ機能３０４は、プログラム及び静止アーム構成データを記憶する。ベースプロセッサボード２０４はまた、ＬＬＰ２４２のような任意の外部ハードウエア装置又はアクセサリと通信するための外部ハードウエアオプションポート機能３１０を含む。リアルタイムクロック（ＲＴＣ）及びログ３０６、バッテリパックインターフェース（ＩＦ）３１６、及び診断ポート３１８もまた、図３Ａに描かれたベースプロセッサボード２０４の実施形態の機能に含まれる。
【００３５】
ベースプロセッサボード２０４はまた、外部（ホストコンピュータ）及び内部（ディスプレープロセッサ２０２）装置との全ての有線又は無線データ通信を管理する。ベースプロセッサボード２０４は、イーサネット機能３２０を介して（例えば米国電気電子技術者協会(IEEE)1588のようなクロック同期基準を使用して）イーサネットネットワークと、ＬＡＮ機能３２２を介して無線ローカルアリアネットワーク（ＷＬＡＮ）と、及びパラレル・シリアル通信（ＰＳＣ）機能を介してブルートュースモジュール２３２と、通信する能力を有する。ベースプロセッサボード２０４はまた、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）装置３１２との接続を含む。
【００３６】
ベースプロセッサボード２０４は、前述の特許文献１のシリアルボックスに開示されたような任意の前処理の必要無しに測定データへ処理するために、生測定データ（例えば、エンコーダシステムカウント、温度の読み）を送信及び収集する。ベースプロセッサ２０４は、処理されたデータをユーザインターフェースボード２０２上のディスプレープロセッサ３２８にＲＳ４８５インターフェース（ＩＦ）３２６を介して送る。ある実施形態では、ベースプロセッサ２０４はまた、生の測定データを外部コンピュータにも送る。
【００３７】
ここで図３Ｂのユーザインターフェースボード２０２に着目すると、ベースプロセッサによって受領された角度及び位置データがディスプレープロセッサ３２８で実行しているアプリケーションによって利用されて、ＡＡＣＭＭ１００内の自律計測システムを提供する。アプリケーションは、形状の測定、ガイダンス及びトレーニンググラフィックス、遠隔診断、温度補正、様々な操作特徴の制御、様々なネットワークへの接続、及び測定された物体の表示のような機能をサポートするためにディスプレープロセッサ３２８で実行され得るが、これらの機能に限定されるものではない。ディスプレープロセッサ３２８及び液晶ディスプレー（ＬＣＤ）３３８（例えばタッチスクリーンＬＣＤ）ユーザインターフェースの他に、ユーザインターフェースボード２０２は、セキュアデジタル（ＳＤ）カードインターフェース３３０、メモリ３３２、ＵＳＢホストインターフェース３３４、診断ポート３３６、カメラポート３４０、オーディオ／ビデオインターフェース３４２、ダイアルアップ／セルモデム３４４、及び全地球位置把握システム（ＧＰＳ）ポート３４６を含むいくつかのインターフェースオプションを含む。
【００３８】
図３Ａに示される電子データ処理システム２１０はまた、環境データを記録するための環境レコーダ３６２を有するベースパワーボード２０６を含む。ベースパワーボード２０６はまた、ＡＣ／ＤＣコンバータ３５８及びバッテリ充電器制御３６０を使用して電子データ処理システム２１０にパワーを提供する。ベースパワーボード２０６は、集積回路内（Ｉ２Ｃ）シリアルシングル終端バス３５４を使用して、並びにＤＭＡシリアル周辺インターフェース（ＤＳＰＩ）３５７を介して、ベースプロセッサボード２０４を通信する。ベースパワーボード２０６は、傾きセンサ及び無線識別（ＲＦＩＤ）モジュール２０８に、ベースパワーボード２０６内に具現化された入力／出力（Ｉ／Ｏ）拡張機能３６４を介して接続されている。
【００３９】
別個の構成要素として示されているが、他の実施形態では、全構成要素、又は構成要素のサブセットが、図３Ａ及び図３Ｂに示されたものとは異なる方法で結合された異なる位置に、及び／又は機能内に、物理的に配置され得る。例えば、ある実施形態では、ベースプロセッサボード２０４及びユーザインターフェースボード２０２は、一つの物理的ボードに結合される。
【００４０】
ここで図４〜９を参照して、プローブ端４０１の例示的な実施形態が描かれる。これは、除去可能及び交換可能装置４００がＡＡＣＭＭ１００と結合することを可能にする簡単接続機械及び電気インターフェースを持つ測定プローブハウジング１０２を有している。例示的な実施形態では、この装置４００はエンクロージャ４０２を含み、これは、例えばピストルのグリップにおけるように操作者の手に保持されるようなサイズ及び形状を有するハンドル部４０４を含む。エンクロージャ４０２は、キャビティ４０６（図９）を有する薄壁構造である。キャビティ４０６は、コントローラ４０８を受領するようなサイズ及び形状にされている。コントローラ４０８は、例えばマイクロプロセッサを有するデジタル回路、又はアナログ回路であり得る。ある実施形態では、コントローラ４０８は、電子データ処理システム２１０（図２及び３）と非同期双方向通信を行っている。コントローラ４０８と電子データ処理システム２１０との間の通信接続は、有線（例えばコントローラ４２０を介して）であっても、あるいは直接又は関節無線接続（例えばブルートュース又はIEEE802.11）であっても、あるいは有線及び無線接続の組み合わせであってもよい。例示的な実施形態では、エンクロージャ４０２は、例えば射出成型プラスチック材料からのように２つの半体部４１０、４１２に形成される。半体部４１０、４１２は、例えばねじ４１４のような締め具によって一緒に固定され得る。他の実施形態では、エンクロージャ半体部４１０、４１２は、例えば接着剤又は超音波溶接によって一緒に固定され得る。
【００４１】
ハンドル部４０４はまた、操作者によってマニュアルで起動され得るボタン又はアクチュエータ４１６、４１８を含む。アクチュエータ４１６、４１８はコントローラ４０８に結合され、これが信号をプローブハウジング１０２内部のコントローラ４２０に送信する。例示的な実施形態では、アクチュエータ４１６、４１８は、装置４００の反対側でプローブハウジング１０２内部に配置されたアクチュエータ４２２、４２４の機能を実行する。装置４００が、装置４００、ＡＡＣＭＭ１００、あるいはその逆の制御を行うためにまた使用され得る追加のスイッチ、ボタン、又は他のアクチュエータを有し得ることに留意されたい。また、装置４００は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、音声生成器、メータ、ディスプレー、又はゲージのようなインジケータを有し得る。ある実施形態では、装置４００は、測定点で音声コメントとの同期を可能にするデジタル音声記録器を含み得る。さらに他の実施形態では、装置４００は、操作者が音声起動命令を電子データ処理システムに送信することを可能にするマイクロフォンを含み得る。
【００４２】
ある実施形態では、ハンドル部４０４は、操作者の両手で使用されるように、又は特定の手（例えば左利き用又は右利き用）のために使用されるように、構成され得る。ハンドル部４０４はまた、障害を有する操作者（例えば、複数の指を失っている操作者、又は義手を有する操作者）を容易にするように構成され得る。さらに、ハンドル部４０４はまた、クリアランス空間が限定されるときには取り外され得て、それ自身によって使用されるプローブハウジング１０２。上述のように、プローブ端４０１はまた、ＡＡＣＭＭ１００の７番目の軸のシャフトを備え得る。この実施形態では、装置４００は、ＡＡＣＭＭの７番目の軸の周囲を回転するように構成され得る。
【００４３】
プローブ端４０１は機械電気インターフェース４２６を含み、これは装置４００上に第１のコネクタ４２９（図８）を有して、これがプローブハウジング１０２上の第２のコネクタ４２８と協働する。コネクタ４２８、４２９は、装置４００のプローブハウジング１０２への結合を可能にする電気機械形状を含み得る。ある実施形態では、インターフェース４２６は第１の表面４３０を含み、その上に機械カプラ４３２及び電気コネクタ４３４を有する。エンクロージャ４０２はまた、第１の表面４３０に隣接して且つそこからオフセットして位置する第２の表面４３６を含む。例示的な実施形態では、第２の表面４３６は、第１の表面４３０から約0.5インチの距離だけオフセットした平坦表面である。このオフセットが、カラー４３８のようなファスナを締めたり緩めたりするときに、操作者の指に対するクリアランスを提供する。インターフェース４２６は、装置４００とプローブハウジング１０２との間の比較的迅速で且つ確実な電子的接続を、コネクタピンを位置合わせする必要なく、且つ別個のケーブル又はコネクタを使うことなく、提供する。
【００４４】
電気コネクタ４３４は第１の表面４３０から延在し、一つ又はそれ以上のコネクタピン４４０を含み、これが電子データ処理システム２１０（図２及び３）と、例えば一つ又はそれ以上のアームバス２１８を介してのように、非同期双方向通信で電気的に結合される。双方向通信接続は、有線（例えばアームバス２１８を介して）、無線（例えばブルートュース又はIEEE802.11）、又は有線及び無線接続の組み合わせであり得る。一つの実施形態では、電気コネクタ４３４は、コントローラ４２０と電気的に結合される。コントローラ４２０は、例えば一つ又はそれ以上のアームバス２１８を介してのように、電子データ処理システム２１０と非同期双方向通信し得る。電気コネクタ４３４は、プローブハウジング１０２上の電気コネクタ４４２との比較的迅速で且つ確実な電子的接続を提供する。電気コネクタ４３４、４４２は、装置４００がプローブハウジング１０２に取り付けられると、お互いに接続する。電気コネクタ４３４、４４２は各々が金属ケース入りのコネクタハウジングを備え得て、これが、電磁気的干渉からのシールド、並びにコネクタピンの保護、及び装置４００のプローブハウジング１０２への取り付けプロセスの間のピンの位置合わせの援助を提供する。
【００４５】
機械カプラ４３２は、装置４００とプローブハウジング１０２との間の比較的堅固な機械的結合を提供し、ＡＡＣＭＭ１００のアーム部１０４の端における装置４００の位置が好ましくはシフト又は動かない比較的正確なアプリケーションをサポートする。任意のそのような動きは、典型的には測定結果の正確さにおける望まれない劣化を引き起こし得る。これらの所望な結果は、本発明の実施形態の簡単接続機械電気インターフェースの機械的取り付け形状部の様々な構造的特徴を使用して達成される。
【００４６】
ある実施形態では、機械カプラ４３２は、一端４４８（装置４００の先頭エッジ又は「正面」）に位置する第１の突起４４４を含む。第１の突起４４４は、第１の突起４４４から延在するリップ４４６を形成するキー状、ノッチ状、又は傾斜状のインターフェースを含み得る。リップ４４６は、プローブハウジング１０２（図８）から延在している突起４５２によって規定されるスロット４５０に受領されるサイズを有している。第１の突起４４４及びスロット４５０は、カラー４３８とともにカプラ構造を形成し、リップ４４６がスロット４５０内に位置すると、スロット４５０は、プローブハウジング１０２に取り付けられたときの装置４００の長手方向及び横方向の動きの両方を制約するために使用され得る。以下により詳細に論じられるように、カラー４３８は、スロット４５０内のリップ４４６を固定するために使用され得る。
【００４７】
第１の突起４４４の反対側に、機械カプラ４３２は第２の突起４５４を含み得る。第２の突起４５４は、キー状、ノッチ状、又は傾斜状のインターフェース表面４５６（図５）を含み得る。第２の突起４５４は、例えばカラー４３８のような、プローブハウジング１０２と連関したファスナと係合するように位置されている。以下により詳細に論じられるように、機械カプラ４３２は、電気コネクタ４３４に隣接して又はその周囲に設けられた表面４３０から突出している嵩上げ表面を含み、これがインターフェース４２６（図７及び８）に対するピボット点を提供する。これは、装置４００とプローブハウジング１０２との間で、装置４００が取り付けられたときの機械接触における三つの点のうちの第３の点として機能する。
【００４８】
プローブハウジング１０２は、一端に同軸に設けられたカラー４３８を含む。カラー４３８は、第１の位置（図５）及び第２の位置（図７）の間で移動可能なねじ付き部を含む。カラー４３８を回転することによって、カラー４３８は、外部ツールの必要無しに装置４００を固定又は取り外すために使用され得る。カラー４３８の回転は、比較的粗い方形ねじ付きシリンダ４７４に沿ってカラー４３８を動かす。そのような比較的大きなサイズの方形ねじ付きで輪郭を有する表面は、最小の回転トルクで顕著なクランプ力を可能にする。シリンダ４７４のねじの粗いピッチは、カラー４３８が最小の回転で締め付け又は緩められることを可能にする。
【００４９】
装置４００をプローブハウジング１０２に結合するために、リップ４４６はスロット４５０に挿入され、装置はピボットして、矢印４６４（図５）によって示されるように、表面４５８に向かって第２の突起４５４を回転させる。カラー４３８の回転は、カラー４３８を矢印４６２によって示される方向に移動又は並進させて、表面４５６と係合させる。角度付き表面４５６に対するカラー４３８の動きは、機械カプラ４３２を嵩上げ表面４６０に対して駆動する。これは、装置４００のプローブハウジング１０２への堅固な据え付けに干渉することがあるインターフェースの表面におけるインターフェースのゆがみ又は異物に関する潜在的な問題を克服する援助となる。第２の突起４５４上のカラー４３８による力の印加は、機械カプラ４３２を前方に動かし、リップ４４６をプローブハウジング１０２上のシートに押し込む。カラー４３８が締め付けられ続けると、第２の突起４５４は、プローブハウジング１０２に向かって上方に押されて、ピボット点に圧力を印加する。これがシーソータイプの構成を提供し、プローブハウジング１０２、リップ４４６及び中心ピボット点に圧力を印加し、装置４００のシフト又はロックを低減又は除去する。ピボット点は、プローブハウジング１０２上の底に対して直接的に押し付け、リップ４４６がプローブハウジング１０２の端に下向きの力を印加する。図５は、装置４００及びカラー４３８の動きの方向を示すために矢印４６２、４６４を含む。図７は、カラー４３８が締め付けられるときのインターフェース４２６内の印加圧力の方向を示すために矢印４６６、４６８、４７０を含む。装置４００の表面４３６のオフセット距離は、カラー４３８と表面４３６との間のギャップ４７２を提供する（図６）。このギャップ４７２は、カラー４３８が回転するときに指を挟むリスクを低減しながら、操作者がカラー４３８上でよりしっかりしたグリップを得ることを可能にする。ある実施形態では、プローブハウジング１０２は、カラー４３８が締め付けられたときの歪みを低減又は防ぐために十分なスティフネスを有する。
【００５０】
インターフェース４２６の実施形態は、機械カプラ４３２及び電気コネクタ４３４の適当な位置合わせを可能にし、且つまた、電子インターフェースが、カラー４３８のクランプ動作のために発生し得る応力を印加することを防ぐ。これは、はんだ付けされた端子を有し得る電気コネクタ４３４、４４２が搭載されたプリント板４７６への応力ダメージを低減又は除去するという利点を提供する。また、実施形態は、ユーザが装置４００をプローブハウジング１０２に接続又はそこから切り離すために工具を必要としないという、既知のアプローチに対する利点を提供する。これは、操作者が装置４００をマニュアルで、比較的容易にプローブハウジング１０２に接続し且つそこから切り離すことを可能にする。
【００５１】
インターフェース４２６との比較的多数のシールドされた電気接続が可能であることにより、比較的多数の機能が、ＡＡＣＭＭ１００と装置４００との間で共有され得る。例えば、ＡＡＣＭＭ１００に位置するスイッチ、ボタン、又はその他のアクチュエータが装置４００を制御するために、又はその逆のために、使用され得る。さらに、命令及びデータが、電子データ処理システム２１０から装置４００に送信され得る。ある実施形態では、装置４００はビデオカメラであって、記録されたイメージのデータを送信してベースプロセッサ２０４のメモリに記録させるか又はディスプレー３２８に表示させる。他の実施形態では、装置はイメージプロジェクタであって、電子データ処理システム２１０からデータを受領する。加えて、ＡＡＣＭＭ１００又は装置４００のいずれかに位置する温度センサが、他方で共有され得る。本発明の実施形態が、広範囲のアクセサリ装置４００が迅速に、容易に、且つ信頼性良くＡＡＣＭＭ１００に結合されることを可能にするフレキシブルなインターフェースを提供する利点を有することに留意されたい。さらに、ＡＡＣＭＭ１００と装置４００との間で機能を共有する能力は、重複を排除することによって、サイズ、パワー消費、及びＡＡＣＭＭ１００の複雑さの低減を可能にし得る。
【００５２】
ある実施形態では、コントローラ４０８が、ＡＡＣＭＭ１００のプローブ端４０１の動作又は機能性を変え得る。例えば、コントローラ４０８は、プローブハウジング１０２上のインジケータ光を変え得て、プローブハウジング１０２が単独で使用されているときに対して装置４００が取り付けられているときに、異なる色の光、異なる強度の光を発するか、又は異なるタイミングでオン／オフし得る。ある実施形態では、装置４００は測距センサ（図示せず）を含み、物体までの距離を測定する。この実施形態では、コントローラ４０８は、物体がプローブ先端１１８からどれくらい離れているかを操作者に示す指標を提供するために、プローブハウジング１０２上のインジケータ光を変え得る。他の実施形態では、コントローラ４０８は、インジケータ光の色を、ＬＬＰ２４２によって獲得されたイメージの質に基づいて変え得る。これは、コントローラ４２０の要件を単純化するという利点を提供し、アクセサリ装置の追加を通してアップグレードされた又は増加した機能性を可能にする。
【００５３】
図１０〜１１を参照すると、本発明の実施形態が、レーザラインプローブ（ＬＬＰ）５００に対するカメラ、信号処理、制御、及びインジケータインターフェースに関する利点を提供する。ＬＬＰ５００は、図１〜９に関して上記で参照されたＬＬＰ２４２と同じであり得る。ＬＬＰ５００は、物体の非接触測定を、典型的には、上述されたようにＡＡＣＭＭ１００のハードプローブ１１８のものと同じ参照フレームにて提供する。さらに、ＬＬＰ５００によって提供された表面点の計算された三次元座標は、以下により詳細に説明されるように、三角測距の既知の原理に基づいている。ＬＬＰ５００は、ハンドル部５０４を有するエンクロージャ５０２を含み得る。ＬＬＰ５００はさらに、一端において、上述したようにＬＬＰ５００をプローブハウジング１０２に機械的且つ電気的に結合するインターフェース４２６を含む。このインターフェース４２６は、ＬＬＰ５００を、追加の工具を必要とすること無しに、ＡＡＣＭＭ１００に迅速且つ容易に結合させ且つそこから取り外すことを可能にする。
【００５４】
インターフェース４２６に隣接して、エンクロージャ５０２は、プロジェクタ５０８及びカメラ５１０を含む部分５０６を有する。例示的な実施形態では、プロジェクタ５０８は光源を使用して、物体表面上に投射される直線を生成する。光源は、例えばレーザ、スーポールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、白熱光、発光ダイオード（ＬＥＤ）であり得る。投射された光は可視でも不可視でもよいが、いくつかの場合には可視光がより便利であり得る。カメラ５１０はレンズ及びイメージングセンサを含む。イメージングセンサは感光アレイであって、これは例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）２次元（「２Ｄ」）アレイセンサ、又は相補型金属−酸化物−半導体（ＣＭＯＳ）２Ｄセンサであり得るか、あるいは、いくつかの他のタイプの装置であり得る。各イメージングセンサは、複数の光センシングピクチャ要素（「画素」）の２Ｄアレイ（すなわち、行、列）を備え得る。各画素は、典型的には少なくとも一つの光検出器を含み、これが光を画素のウェル内に蓄えられた電荷に変換し、電圧値として読みだされる。電圧値は、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）によってデジタル値に変換される。ＣＭＯＳセンサチップに関して典型的には、ＡＤＣはセンサチップ内に含まれている。ＣＣＤセンサチップに関して典型的には、ＡＤＣは、回路基板の上のセンサチップ外に含まれている。
【００５５】
例示的な実施形態では、プロジェクタ５０８及びカメラ５１０は、反射光が感光アレイによってイメージングされることができるように方向付けられている。ある実施形態では、ＬＬＰ５００はプローブ先端１１８からオフセットされていて、ＬＬＰ５００がプローブ先端１１８からの干渉無しに動作されることを可能にする。言い換えると、ＬＬＰ５００は、所定の位置にあるプローブ先端１１８で操作され得る。さらに、ハンドル部５０４への力がプローブ先端１１８に対するＬＬＰ５００の位置合わせに影響しないように、ＬＬＰ５００はプローブ先端１１８に対して実質的に固定されることに留意されたい。ある実施形態では、ＬＬＰ５００は追加のアクチュエータ（図示せず）を有し得て、これが、操作者が、ＬＬＰ５００及びプローブ先端１１８からのデータの獲得の間で切り替えることを可能にする。
【００５６】
プロジェクタ５０８及びカメラ５１０は、エンクロージャ５０２内に設けられたコントローラ５１２に電気的に結合される。コントローラ５１２は、一つ又はそれ以上のマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、メモリ、及び他のタイプの信号コンディショニング及び／又は記憶回路を含み得る。ＬＬＰ５００によって生成された大きなデータ容量のために、コントローラ５１２は、ハンドル部５０４の内部に形成され得る。コントローラ５１２は、電気コネクタ４３４を介してアームバス２１８に電気的に結合される。ＬＬＰ５００はさらにアクチュエータ５１４、５１６を含み、これらは、操作者によってマニュアルで起動され得て、ＬＬＰ５００によってキャプチャされた方向及びデータを初期化する。
【００５７】
図１２は、光プロジェクタ５０８及び２つのカメラ５１０を含むＬＬＰ５２０の実施形態を示す。カメラ５１０は、プロジェクタ５０８によって表面上に投射されたラインを別個にイメージングする。２つのカメラ５１０によって提供されるイメージの重複は、測定の精度を改善し得て、且つカメラ５１０の一つでは見ることができない物体表面の領域を見る方法を提供する。
【００５８】
図１３は、プロジェクタ４５２０及びカメラ４５４０を含むＬＬＰ４５００の要素を示す。プロジェクタ４５２０は、光のソースパターン４５２１及びプロジェクタレンズ４５２２を含む。光のソースパターンは、ラインの形態の照射パターンを含む。プロジェクタレンズは、プロジェクタ視野中心と、そのプロジェクタ視野中心を通るプロジェクタ光軸とを含む。図１３の例では、光ビームの中心光線４５２４がプロジェクタ光軸に位置合わせされている。カメラ４５４０はカメラレンズ４５４２及び感光アレイ４５４１を含む。レンズはカメラ光軸４５４３を有し、これはカメラレンズ視野中心４５４４を通る。例示的なシステム４５００では、光ビーム４５２４及びカメラレンズ光軸４５４４に位置合わせされたプロジェクタ光軸が、光のソースパターン４５２１によって投射された光のライン４５２３に直交している。言い換えると、ライン４５２３は、図１３の紙面に垂直な方向にある。ラインは物体表面に当たるが、プロジェクタから第１の距離にあるのが物体表面４５１０Ａであり、プロジェクタから第２の距離にあるのが物体表面４５１０Ｂである。図１３の紙面の平面の上方又は下方の異なる高さでは、物体表面はプロジェクタから異なる高さにあり得ることを理解されたい。光のラインは点４５２６で表面４５１０Ａ（紙面の平面にある）と交差し、点４５２７で表面４５１０Ｂ（紙面の平面にある）と交差している。交差点４５２６の場合、光線は点４５２６からカメラレンズ視野中心４５４４を通って進み、イメージ点４５４６で感光アレイ４５４１と交差する。交差点４５２７の場合、光線は点４５２７からカメラレンズ視野中心を通って進み、イメージ点４５４７で感光アレイ４５４１と交差する。カメラレンズ光軸４５４４の位置に対する交差点の位置を記すことで、プロジェクタ（及びカメラ）から物体表面までの距離が、三角測距の原理を使用して決定されることができる。プロジェクタから光のライン４５２６上の他の点、すなわち図１３の紙面の平面にない光のライン上の点までの距離は、同様に見出され得る。
【００５９】
ある実施形態では、感光アレイ４５４１は、アレイの行又は列のいずれかを、反射されたレーザストライプの方向に配置するように位置合わせされる。この場合、アレイの一方向に沿った光スポットの位置が、図１３のスポット４５４６及び４５４７の位置の差によって示されるように、物体までの距離を決定するために必要とされる情報を提供する。アレイの直交方向における光スポットの位置は、レーザラインの長さに沿って光の平面が物体と交差する場所を決定するために必要とされる情報を提供する。
【００６０】
この明細書では、列及び行という用語は、感光アレイに沿った第１の方向、及び第１の方向に直交する第２の方向を単純に指すことを理解されたい。そのため、ここで使用される行及び列という用語は、感光アレイ４５４１の製造者によって提供される文書に従った行及び列を必ずしも指してはいない。以下の議論では、行は、感光アレイの表面において紙面の平面にあるとする。列は、感光アレイの表面において行に直交しているとする。しかし、他の配置が可能である。
【００６１】
図１０〜１２のプロジェクタ５０８は、様々な様式で構成され得る。図１４Ａ、１４Ｂに示される２つのプロジェクタの実施形態が、ここでは論じられる。これらの実施形態は、図１０〜１２に示されたプロジェクタ５０８を提供する。図１４Ａに示されたラインプロジェクタ１４００の第１の実施形態では、例えばレーザダイオード又はスーポールミネッセントダイオードであり得るラインソース１４０５が、シリンドリカルレンズ１４１０に光を投射する。側方から見ることができるように、シリンドリカルレンズは、少なくともエッジで湾曲している。正面から見ることができるように、シリンドリカルレンズは方形の輪郭を有している。光源１４０５がレンズ１４１０に対して、光をレンズの側方から見た方向にコリメートするように配置される。レンズの正面からは、光は光源１４０５から初期発射角Ａで広がり続ける。結果として得られるプロジェクタ１４００から出てくる光のパターンは、ある方向には比較的狭く且つ平坦であり、他の方向では比較的より広く、図１４に示されるように角度Ａで発散している光である。
【００６２】
図１４Ｂに示されたラインプロジェクタ１４５０の第２の実施形態では、光源１４５５は光を微小機械電気システム（ＭＥＭＳ）ミラー装置１４６０に投射する。このタイプの既知の装置の例は、テキサス・インスツルメンツ社によって様々なモデルとして製造されるデジタル光プロジェクタ（ＤＬＰ）である。ＭＥＭＳミラー装置は、半導体チップに製造された小さいミラー要素及びアクチュエータの集合体を含み、ミラー要素は電気的に駆動されることができる。ミラー要素を指定された方向に揃えることによって、ミラー要素は、光を所望の方向に投射するか又は光を抑制するように調整され得る。ミラーはまた、比較的高い振動レートで動かされ得て、光の一部を投射することができ、それによって、所与の方向に投射される光パワーを変える。このようにして、レーザ光のラインのような所望のパターンが投射され得る。ＭＥＭＳミラー装置からの光はレンズ１４７０を通過し、これが光のライン１４６５をテスト中の物体上にイメージングさせる。
【００６３】
プロジェクタ１４００、１４５０の各々は視野中心を有する。プロジェクタ１４００の視野中心は点１４１５であり、プロジェクタ１４５０の視野中心は点１４７５である。各々の場合に、視野中心は、補正（補償としても知られる）の後に光線がそこから現れて、照射される表面まで進む点である。シリンドリカルレンズ１４１０の場合には、第１次には、光は光源１４１５の中心から現れる。シリンドリカルレンズ１４１０を通る光の屈折を考慮するためにいくらかの補正が必要とされるが、この影響は小さい。ＭＥＭＳ装置１４６０及び球面レンズ１４７０の場合、視野中心は、収差補正の後に光線がそこから現れて、照射される表面まで進む点である。
【００６４】
実際には、しばしばドットプレートを使用した補正手続きが、レンズ１４７０のようなレンズシステムに対する補正パラメータを決定するために使用される。補正パラメータは、レンズ収差、レンズ焦点距離、及びアレイ上でのセンタリング、ベースライン長ならびに及びベースラインに対するカメラ及びプロジェクタの傾きに関する情報を提供する。補正パラメータの目的の一つは、レンズシステムが視野中心１４７５を有する単純なモデルを使用することを可能にすることである。同様の補正手続きが、図１４Ａのシリンドリカルレンズ１４１０に対しても使用され得る。図１４Ａ及び１４Ｂのシステムにおける相違は、図１４Ａのシステムが、その目的として、光のライン１４６５の物体の表面上へのイメージングを有することである。対照的に、シリンドリカルレンズ１４００は、その目的として、第１の方向への光のコリメーション、及び直交する方向では発散するビームの連続した投射を有する。しかし、レンズ１４１０又はレンズ１４７０のいずれにおいても重要なことは、光が単一の視野中心から現れるとみなされ得ることである。
【００６５】
図１３の点４５４７は、点４５４６よりも視野中心４５４４から遠いので、理想的な焦点合わせを達成するための視野中心から点４５４７までの距離は、視野中心から点４５４６までの距離よりも小さい。ラインスキャナからの距離の範囲に渡って物体４５１０上へ投射される光の焦点合わせを改善するために、感光アレイは、ちょうど論じられたような効果を達成すように傾けられ得る。これは、点４５４７を、点４５４６よりも視野中心に近付けるように動かすことになる。このように感光アレイを傾けることは、シャインプルーフの原理に従ってカメラを配置する一例である。この原理は当該技術ではよく知られているので、さらには論じない。
【００６６】
図１５Ａ〜Ｄは、図１３のアレイ４５４１のような感光アレイ１５０５上でみられるイメージを表す。図１５Ａにおいて、感光アレイによって見られるパターン１５０７は、各カメラ画素における照射率（単位面積当たりの光パワー）がストライプに沿った位置に関わらず実質的に一定である場合に対して、特定の物体表面に対して観察される。この場合、反射されたストライプパターン１５０７の中心に近い画素は、ほぼ同量の電子で満たされた画素ウェルを有する。これらの電子がＡＤＣによってデジタル信号に変換されると、そのデジタル信号のレベルは、これらの画素の各々について、ほぼ同じである。
【００６７】
同様の形状を有するが異なる反射パターンを有する他の例では、図１５Ｂのパターン１５２７に対して描かれているように、感光アレイによって受領されるストライプの形状は同じであるが、ウェル内の画素の数は実質的に変わる。この場合、領域１５２５Ａ、１５２５Ｃ、１５２５Ｅ、及び１５２５Ｇは比較的多量の光を反射し、これが画素を飽和させる。極端な場合には、多量の電子がウェルから溢れ出して、ブルーミングとして知られる効果をもたらす。より一般的な場合には、飽和とは、ウェルに所与の光レベルに応じて電子が比例して生成されない状態を指す。対照的に、領域１５２５Ｂ、１５２５Ｄ、及び１５２５Ｆはほとんど光を反射しないので、ウェル内の電子は、入射光からというよりもむしろ電気的ノイズから、考慮すべき程度まで発生する。この低光領域でもまた、電気的な反応は入射光レベルに比例しない。図１５Ｂのセンサによって得られたイメージに対しては、線形性を欠いているために、物体表面までの距離が正しく決定されない。
【００６８】
この問題を回避するために、ある実施形態に従った方法がここでは記述される。光のラインが異なる光パワーレベルで複数回投射され、感光アレイの線形領域内の画素が、それから選択される。このようにして、比較的大量の光を反射している物体の部分及び比較的少量の光を反射している部分に対して、有効なデータが得られる。図１５の例では、光は、図１５Ｃの第１のステップでは比較的低いパワーレベルで投射され、図１５の第２ステップでは比較的高いパワーレベルで投射される。図１５Ｃの第１のステップでは、領域１５２５Ａ、１５２５Ｃ、１５２５Ｅ、及び１５２５Ｇにおける光は感光アレイの線形領域内であり、それによって有効な結果を作り出す。領域１５２５Ｂ、１５２５Ｄ、及び１５２５Ｆにおける光は、線形応答を生成するためには光パワーが低すぎる。その代わりに、これらの領域における画素の電気信号は、電気ノイズによって支配される。図１５Ｄの第２のステップでは、領域１５２５Ｂ、１５２５Ｄ、及び１５２５Ｆにおける光は感光アレイの線形領域内であり、それによって有効な結果を作り出す。領域１５２５Ａ、１５２５Ｃ、１５２５Ｅ、及び１５２５Ｇにおける光は光パワーが強すぎて、飽和をもたらす。これにより、これらの領域の画素に対して得られた値は信用できない。領域１５２５Ａ、１５２５Ｃ、１５２５Ｅ、及び１５２５Ｇから得られたデジタル値と領域１５２５Ｂ、１５２５Ｄ、及び１５２５Ｆから得られたデジタル値とを組み合わせることによって、有効な結果がアレイ全体に渡って得られ得る。
【００６９】
いくつかの場合には、表面上の全ての点までの距離を正確に決定するために、２つより多くの光パワーレベルが必要とされ得る。任意の数のレベルが使用され得る。例えば、ひ３つのレベルの光パワーが使用されたら、それらは、低、中、及び高レベルの光パワーと呼ばれ得る。
【００７０】
物体表面のある部分から反射された光のレベルは、光（その物質の平坦なサンプルに投射された）の所与の波長に対する物質の反射率に依存する。所与のタイプの物質の反射率は、物質のテクスチャに依存し得る。例えば、その物質が非常に滑らかであると、一般的に推定されるように、光を拡散的に散乱させる表面よりも、むしろミラーとして作用し得る。反射率はまた、物体上に投射される光の入射角及びカメラへ反射する光の反射角にも依存する。非常に傾斜が急な表面は、比較的少量の光を反射する。
【００７１】
測定が最初に開始されるとき、物体表面の全体的な反射率が分かっていないことがあって、選択される初期の光パワーが低すぎたり高すぎたりすることがある。光パワーの引き続く照射のために選択される初期の光パワーは、感光アレイの観察された反応に従って、調整され得る。
【００７２】
上記の議論は、画素ウェル内の電子の数を変えるために光パワーが調整されることを仮定している。しかし、光パワーの代わりに露光時間（積分時間）を調整することも、等しく可能である。光パワー及び積分時間の組み合わせ効果を含む一つの方法は、積分されたエネルギーの使用によるものである。光のラインの積分されたエネルギーのことを、特定の積分時間（秒単位）における光のラインの光パワー（例えばワット単位）の積分とすることができ、そのラインに対する積分されたエネルギー（例えばジュール単位）が得られる。光のラインの光パワー又は画素の積分時間のいずれが変わっても（物体表面に対するラインスキャナの特定の位置関係に関して）、画素ウェルは反応して、より多く又はより少なく満たされる。
【００７３】
我々はまた、アレイ内の画素の各々に対する光エネルギーを論じることもできる。画素に対する光エネルギーは、その画素の積分時間に渡ってその画素に入射した光パワーの積分に等しい。光のラインの積分されたエネルギーが変わったら、画素の各々の光エネルギーは、線形範囲内で動作している画素については比例した量だけ変わる。例えば、図１５Ｃに関して、光のラインの積分されたエネルギーが図１５Ｄに対してよりも少ないと、図１５Ｃ〜Ｄの画素（線形領域内にある）は、積分されたエネルギーに比例して反応する。
【００７４】
上記で説明されたように、スキャナから表面点までの距離を決定するために三角測距が実行される。これは、投射されたライン４５２３（図１３）上の点を感光アレイ上の対応する点にマッチングすることによって行われる。この一致を行うために、ストライプ長に沿った各位置におけるレーザストライプの中心値を決定する必要がある。例えば、図１６に示されるように、アレイの行１６１０の一つがデジタル値１６２０のパターンを生成する。値１〜Ｐが、ＡＤＣから得られた値である。例えば、１０ビットＡＤＣに対して、Ｐの値は２１０＝１０２４である。図１５の照射に対応して、アレイ１６１０はＮ列を有するとする。デジタル値の中心は、異なる方法によって決定され得る。例えば、単純な方法は、最大のデジタル値を有する画素の列番号を選択することである。この値は、図１６の例では６０に等しく、マーカー１６３２によって示される。他の方法はデジタル値の重心を取るものであり、これは、この場合には59.7966であって、マーカー１６３６によって示されている。第３の方法は、デジタル値をexp(-(x-x0)2/w2)という公式を有する曲線であるガウス曲線に当てはめるものであり、ここで、expは指数関数、ｘは列の位置、x0は中心値、ｗはガウス曲線の幅である。この場合、中心値は、マーカー１６３４によって示されるように59.8697に等しくなる。多くの他の方法が、中心値を決定するために可能である。
【００７５】
ある実施形態では、２つまたはそれ以上のイメージ、例えば図１５Ｃ及び１５Ｄのイメージが感光アレイでキャプチャされて、ＡＤＣによってデジタル値に変換される。デジタル値は処理されて、他の方法でも可能であり得る物体表面のより大きな部分に渡った正確な３Ｄ座標を提供する。図１７に描かれた実施形態では、複数のイメージが処理されて、要約データが得られる。図１７Ａのイメージ１及び図１７Ｂのイメージ２に対して、最大値がイメージの各行について見出される。図１７Ａ、１７Ｂの行は、各々１〜Ｍの範囲である。これらの行の各々は、（図１５及び１６に示されるように）Ｎ列を含み、これらの列内のデジタル値の最大が各行に対して選択される。行の各々に対する最大値が、図１７Ａのアレイ１７１０のセル及び図１７Ｂのセル１７３０に入れられる。最大値が、応答が飽和しているか又は電気ノイズによって支配されているというよりもほぼ線形であるとみなされる値の好適な範囲内に最大値がある１７１０、１７３０の行に対して、図１６に関して説明された方法又は任意の他の方法に従って、セルの中心値の計算が行われる。この計算された値は、アレイ１７１５、１７３５のセルに置かれる。ある行の最大値が好適な範囲内に無い場合には、計算は実行されず、１７１５、１７３５の対応するセルは何らかの方法で、例えばセルをブランクのままにしておくか、あるいはセルに負の値を入力することによって、特定される。
【００７６】
セル１７１５、１７３５の値は、図１７Ｃの複合アレイの行に対する複合値を決定するために使用される。所与の行に対してセル１７１５、１７３５の両方に値が入っていれば、これらの値が様々な方法で組み合され得て、図１７Ｃの対応するセルに対する単一の複合値を得る。例えば、２つの値のうちで最大のものが選択され得る。他の例としては、２つの値が、１７１０、１７３０の対応するセルの最大値に関する特定の方法に従った重み付けスケールに従って、重み付けされ得る。セル１７１５、１７３５の一方のみに値が入っていれば、そのときには、その値が対応する複合値になる。セル１７１５、１７３５のどちらにも値が入っていなければ、そのときには、図１７Ｃの１７７０のセルはブランクのまま残されるか、負の値を入れられるか、又は何らかの他の方法でマークされ得る。
【００７７】
図１７に与えられた例は、２つのイメージ（イメージ１及びイメージ２）の場合であるが、イメージ２に続く楕円で示されるように、より多くのイメージが、図１７Ｃの複合アレイを決定するために含まれ得る。
【００７８】
ラインスキャナから物体表面上の点までの距離は、複合アレイの値から見出され得る。図１３に見られ得るように、スキャナから表面までの距離の変化は、照射された表面点が感光アレイ１５４１上でイメージングされている列の位置のシフトに対応する。さらに、感光アレイ１５４１上での各々の行の位置は、ラインが表面を照射している位置における光のライン４５２３の特定の位置に対応する。光線はカメラ視野中心４５４４を通過するので、ラインスキャナから物体までの距離が増えるにつれて、行の位置は、感光アレイ４５４１の行の中心に近付く傾向にある。感光アレイ４５４１上のストライプの行及び列の両方を観察することによって、照射された点の３Ｄ座標が、スキャナの参照フレーム内で（すなわちスキャナ座標系内で）決定される。
【００７９】
３Ｄ座標の決定は、三角測距の計算に基づく。この計算を実行するためには、カメラ視野中心とプロジェクタ視野中心との間の距離であるベースライン距離を知る必要がある。また、カメラ及びプロジェクタの相対方向も知る必要がある。三角測距を実行する方法は当該分野ではよく知られており、ここではさらには論じない。
【００８０】
いくつかの場合には、診断手順が、セル内の特定の値が無効であることを示し得る。例えば、行内の光の一般的な分布が、さらなる検討を必要とする反射光パターン内の異常を示し得る。測定された物体の観察された形状に基づく光の反射パターンの分析は、テストされている物体の一つの点に、光がプロジェクタからだけではなく物体自身からの二次反射からも到達しているという複数経路の干渉を示し得る。診断手続きが、ある点が有効ではない（あるいは有効ではないかもしれない）ことを示す場合については、図１７Ｃのアレイ１７７０における対応するセルから複合中心値を除去するために、付加的なステップが行われ得る。
【００８１】
図１８は、ある実施形態に従ったラインスキャナを使用して物体表面の３Ｄ座標を測定する方法１８００のステップを述べている。ステップ１８０５は、プロセッサとプロジェクタとカメラとを含むラインスキャナを設けるステップであり、ラインスキャニングは第１の参照フレームを有し、プロジェクタは光源とプロジェクタレンズとを含み、プロジェクタは光のラインを、その光のラインの伝搬方向に垂直な平面に投射されると実質的に直線に発するように構成されており、プロジェクタはプロジェクタ視野中心を有し、カメラは感光アレイとカメラレンズとを含み、カメラはカメラ視野中心を有し、カメラレンズは感光アレイ上に表面の一部のイメージを形成するように構成され、感光アレイは画素のアレイを含み、画素のアレイはＭ行Ｎ列を有し、Ｍ及びＮは整数であって、画素のアレイにおける画素の各々は、画素の各々によってキャプチャされた光エネルギーをデジタル値に対応する電気的な値に変換するように構成されており、プロセッサはデジタル値を受領するように構成されており、ラインスキャナはベースラインを有し、そのベースラインはプロジェクタ視野中心とカメラ視野中心との間の直線セグメントであり、プロジェクタはベースラインに対するプロジェクタ方向を有しており、カメラはベースラインに対するカメラ方向を有しており、プロセッサは光源を制御し且つデジタル値を受領するように構成されている。この準備ステップの局面は、図１０〜１７及び上記の文章に関連して、論じられてきた。
【００８２】
ステップ１８１０は、第１の時間に光の第１のラインを生成するステップであり、光の第１のラインが第１の光パワーを有する。ステップ１８１５は、光の第１のラインを表面上に投射し、且つ光の第１のラインを表面からの第１の反射光として反射するステップである。ステップ１８２０は、第１の反射光をカメラレンズで受領するステップである。ステップ１８２５は、カメラレンズで第２の積分時間に渡って感光アレイ上に第２の反射光の第２のイメージを形成し、且つ応答として画素の各々に対する第２の光エネルギーを生成するステップであって、画素の各々に対する第２の光エネルギーが少なくとも部分的に第２の積分エネルギーに依存し、第２の積分エネルギーが第２の積分時間に渡る第２の光エネルギーの積分に等しく、第２の積分エネルギーが第１の積分エネルギーとは異なる。ステップ１８３０は、画素の各々に対して第１のデジタル値をプロセッサに送って、第１のデジタル値の第１のＭ×Ｎアレイを得るステップである。ステップ１８３５〜１８５５は、「第１」という語が「第２」という語で置き換えられている点を除いて、ステップ１８１０〜１８３０と同じである。
【００８３】
ステップ１８６０は、プロセッサで、第１のデジタル値の第１のＭ×ＮアレイのＭ行の各々に対して、第１の最大デジタル値及び第１の中央値を決定するステップであって、その行の最大デジタル値がその行のＮ個の第１のデジタル値の中の最大に等しく、中心デジタル値がその行のＮ個の第１のデジタル値の少なくとも一つに少なくとも依存する。ステップ１８６５は、「第１」という語が「第２」という語で置き換えられている点を除いて、ステップ１８６０と同じである。
【００８４】
ステップ１８７０は、プロセッサで、第１の条件又は第２の条件が満たされるＭ行の各々に対する複合中央値を決定するステップであって、第１の条件は第１の最大デジタル値が飽和レベルより小さく且つノイズレベルを超えることであり、第２の条件は第２の最大デジタル値が飽和レベルより小さく且つノイズレベルを超えることであり、複合中央値は少なくとも部分的に第１の中心値及び第２の中心値に依存する。ステップ１８７５は、プロセッサで、複合中央値を有するＭ行の各々に対して、表面上の点の３次元座標を計算するステップであって、三次元座標は第１の参照フレームで計算され、三次元座標は少なくとも部分的に複合中央値とベースラインの長さとカメラ方向とに依存し、且つ、複合中央値を有するＭ行の各々に対して、三次元座標を記憶するステップである。ステップ１８０５〜１８７５の全ては、上記に含まれる図面及びテキストによって、さらに説明される。
【００８５】
物体表面のある範囲に渡る点を決定するために、スキャナは、表面に渡って動かされ得る。スキャナが図１０におけるように多関節アームＣＭＭに取り付けられると、そのときにはアームは、スキャナ測定が行われるたびに、ラインスキャナの位置及び方向に関する情報を提供し得る。当該技術においてよく知られた方法を使用して行列計算を実行することによって、物体表面の３Ｄ座標が、スキャナ参照フレームから多関節アームＣＭＭの参照フレームに変換され得る。同様の変換が、あらゆる任意の参照フレームにおけるスキャンされた表面の座標を得るために使用され得る。
【００８６】
ラインスキャナは、図１９に示されるように、６自由度（６ＤＯＦ）レーザトラッカとともに使用され得る。ラインスキャナ１９３０は、プロジェクタ１９３５及びカメラ１９４０を含む。レーザトラッカ１９１０からのラインは、ラインスキャナ１９３０に取り付けられた逆反射器に送られる。図１９の斜視図において、逆反射器はラインスキャナ１９３０の背後にあり、視野からは隠されている。通常のレーザトラッカは３つの位置の自由度、例えば、旧座標系における一つの距離と２つの角度を測定する。６ＤＯＦレーザトラッカは、加えて、ラインスキャナの３つの方向角を測定し、それによって、スキャナによって測定された物体表面の３Ｄ座標をトラッカの参照フレームに変換することを可能にする。６ＤＯＦを測定できるレーザトラッカは当該分野ではよく知られており、ここではさらには論じない。全体システムは、オプションとして、アクセサリ電源／プロセッサボックス１９５０及び外部コンピュータ１９６０を含み得る。
【００８７】
ラインスキャナは、図２０のシステム２０００に示されるように、既知の距離だけ離れた２つ又はそれ以上のカメラとともに使用され得る。カメラバー２０１０は固いバーを含み、そこにカメラ２０２０及び２０２４が取り付けられて、ラインスキャナ装置２０４０上の照射点２０４４のステレオビューを提供する。オプションのカメラ２０２２が、色情報を提供するか又は付加的なカメラ測定値を提供して３Ｄ測定の精度を改善するために使用され得る。プロセッサ２０５０は、カメラによって提供されたデジタルイメージデータを処理して表面２０６０の３Ｄ座標を決定するために使用され得る。このラインスキャナは、光のライン２０６６を物体に投射するプロジェクタ２０５２と、カメラ内の感光アレイ上の光のラインをイメージングするカメラ２０５４とを含む。
【００８８】
上記で教示された本発明に従ったラインスキャナは製造ラインの定点に含まれ得て、スキャナの下方を、検査対象の部品がコンベヤベルト上を動かされる。
【００８９】
ラインスキャナは、コード接続無しで、検査対象の物体表面の上を手で動かされ得る。この場合、複数の連続したイメージの登録は、様々な方法で得られ得る。複数のイメージを登録するために、自然の特徴が使用され得る。物体上の又は物体から離れた登録ステップは、照射光（例えばＬＥＤ）によってか、あるいは光がフラッシュされた反射スポットによってのいずれかで、提供され得る。加速度メータ、ジャイロスコープ、マグネトメータ、ＧＰＳユニット、及び高度計がさらに、スキャナの位置及び方向のモニタリングの援助のために使用され得る。
【００９０】
本発明が例示的な実施形態を参照して記述されてきたが、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変更が行われ得て且つ等価物がその要素を置き換え得ることが、当業者には理解されるであろう。加えて、本発明の教示に対して、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を適合するために多くの改変がなされ得る。したがって、本発明は、本発明を実行するために企図されたベストモードとして開示された実施形態に限定されるものではなく、むしろ本発明は、添付の請求項の範囲内に含まれるすべての実施形態を含むと解釈されるべきである。さらに、第１、第２、などの語句の使用は順序又は重要さを示すものではなく、第１、第２、などの語句はある要素を他のものから区別するために使用されている。さらに、一つの（ａ、anなど）の語句は量の限定を示すものではなく、言及された物が少なくとも一つ存在することを示している。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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