JP2008032727A - 測定プローブおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な構造化光を用いる測定機能に加え、およその距離測定機能を実行するマルチレンジの非接触プローブを提供する。
【解決手段】プローブは、限られた数の有線接続を提供するプローブヘッドシステムとともに用いられる進歩した測定能力及び機能を可能にするプローブ制御インタフェースに適合する。プローブのレーザビームは、第１の期間中は構造化光を用いる測定機能を提供するために第１の光路に沿って誘導され、第２の期間中は距離測定機能を提供するために第２の光路に沿って誘導される。光学的特性のタイプの異なる少なくとも第１の部分及び第２の部分を有する単一のビーム変調要素が駆動されて、レーザビームを第１の部分から第１の光路に沿って出力し、次いでレーザビームを第２の部分から第２の光路に沿って出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、精密測定用の測定プローブおよびその制御方法に関し、より具体的には座標測定機に用いられるマルチレンジの非接触プローブに関する。

座標測定機（ＣＭＭ、三次元測定器）では、測定プローブが測定物の表面を走査し、測定物の三次元プロファイルを提供する。このような測定プローブとしては、プローブヘッドの機械的接点を測定物表面のさまざまな点に接触させることにより、測定物を直接測定するものがよく知られている。このようなプローブヘッドの機械的接点は球体状のものが多用されている。

座標測定機では、測定物の表面に物理的に接触することなく測定物を測定する非接触型の光プローブも利用される。このような光プローブでは、光点（三角測量プローブ等）が利用される。また、他の光プローブ、いわゆるビデオプローブでは、測定物表面のより広い部分を検出するためビデオカメラが備えられている。いくつかのシステムでは、測定物の幾何学的要素の座標は、画像処理ソフトウェアによって求められる。

このような非接触プローブは、多くは測定物表面の正確な測定値を得るために設計される。例えば、いくつかのプローブによれば、マイクロメートル範囲の正確な測定値を得ることができる。

これらのプローブにおいては、測定光学素子の焦点深度又は被写界深度（ＤＯＦ）はかなり制限されることがある。換言すれば、プローブは測定物の表面に対して、比較的小さな特定の範囲内に位置している場合には良好に動作するが、この範囲から外れて近すぎるか又は遠すぎるかした場合、光学素子はその焦点が外れて、プローブに対する表面の位置を識別することが困難となる。このような状態では、プローブが、測定物表面に対し接近したにもかかわらず、その接近に関する警告がないまま与さらに測定物表面に対して接近してしまい、測定物表面に衝突する恐れがある。

非接触プローブについての別の問題として、測定プローブが、座標測定機の多様なプローブヘッドによって頻繁に交換されるということがある。現在、業界の特定の用途において、レニショー（商標）プローブヘッドが最も一般的に用いられている。これらのプローブヘッドは、英国グロスターシャー州所在のレニショー・メトロロジ社によって製造されている。レニショータイプのプローブヘッドシステムは、業界において最も一般的に用いられているが、或る種のマシンビジョンタイプの技術はレニショータイプのシステムには容易に組み込むことができない。レニショータイプのプローブヘッドシステムを用いる際の１つの特有の問題は、機械とプローブとの間の既存の接続が一つの規格に固定されており、限られた数の有線接続しか含まないことであり、この問題は、望ましい数の制御信号及びデータ信号を搬送する物理ワイヤがないことに起因し、付加的な技術及び／又は特徴を互換性のあるプローブに追加することを困難にしている。

本発明の主な目的は、上述した問題などを解消するために測定レンジを切り替えられる測定プローブおよびその制御方法を提供することである。

より具体的には、本発明では、座標測定機において、より正確な構造化光を用いる測定機能に加えて、特定の距離測定機能を実行可能とするマルチレンジの非接触プローブを提供する。加えて、本発明のマルチレンジの非接触プローブは、特に簡単且つコンパクトな設計のものであり、既存のプローブヘッドシステム（たとえば、レニショータイプのシステム）、又は限られた数の有線接続を提供するプローブヘッドシステムにおいて、より進歩した測定能力及び機能を可能にする非接触プローブ制御インタフェースに適合する。したがって、本発明のマルチレンジの非接触プローブは、既存のプローブヘッドシステムに用いられる他のタイプの測定プローブと自動交換することが可能である。

本発明においては、特定の距離測定機能を実行するために、構造化光を用いる測定機能を提供するために第１の光路に沿って誘導されるレーザビームを、測定物表面までのおおよその距離を求めるための三角測量基準点にも利用できるように、選択された時間期間だけ、第２の光路に沿っても誘導されるようにする。このために、光学的特性のタイプの異なる少なくとも２つの部分を有する単一のビーム変調要素を用い、レーザ等の測定用の光ビームを第１の光路及び第２の光路に沿って誘導する。

本発明において、光ビームは、第１の時間期間に、構造化光を用いる精密測定機能のために第１の経路に沿って誘導される例えばレーザビームである。より具体的には、第１の時間期間、レーザビームは回転ビーム変調要素の拡散部分を通じて誘導され、それによって第１のビーム経路に沿った相対的に拡散した照明を生成する。次いで、相対的に拡散した照明は空間光変調器によってパターニングされて進行し、構造化光パターンを構造化光の画像範囲に投影する。次いで、第２の時間期間、ビーム変調要素は例えば回転などの姿勢変更あるいは移動を行って、第２の部分である例えば偏向器部分をレーザビーム経路内に運び、このレーザビーム経路は偏向レーザビームを相対的に集中した照明として第２のビーム経路に沿って距離測定の画像範囲へ進行させる。
この構成では、第１の時間期間、カメラは、構造化光パターンを測定物表面上に撮像してプローブに対する第１の距離範囲内で表面測定データを提供するように動作可能である。次いで、第２の時間期間、カメラは相対的に集中した照明を測定物表面上に撮像して第２の距離範囲内で表面測定データを提供するように動作可能である。この第２の時間期間の測定は、第１の時間期間の精密測定とは異なる測定レンジとして利用することができ、例えば、構造化光の画像範囲を大きく越えて延在する範囲にわたって測定物の表面までのおおよその距離を求めるための「距離測定」機能として用いることができる。

以下に、図面を参照して本発明の一実施形態について詳細に説明する。
図１は、座標測定システム１００を示す図である。
座標測定システム１００は、座標測定機コントローラ（ＣＭＭコントローラ）１２０と、コンピュータ・ユーザインタフェース１６０と、非接触プローブコントローラ１７０と、座標測定機２００とを備える。座標測定機コントローラ１２０は、プローブヘッドコントローラ１３０と、位置ラッチ１４０と、動作コントローラ１５０とを備える。座標測定機２００は構造化光を用いる非接触プローブ１１０を備える。

座標測定機２００は、データ伝送線１１５（たとえば、バス）を通じて他の構成要素の全てと通信可能であり、データ伝送線１１５は、コネクタ１７５（たとえば、「マイクロ−Ｄ」タイプのコネクタ）によって、非接触プローブ１１０と信号を送受信するプローブヘッドケーブル２１５に接続される。座標測定機２００は、座標測定機コントローラ１２０によって制御され、非接触プローブ１１０は非接触プローブコントローラ１７０によって制御される。座標測定システム１００のユーザは、コンピュータ・ユーザインタフェース１６０を通じて構成要素の全てを制御することが可能である。

図２は、図１の非接触プローブ１１０の具体的な構成であり、本発明に基づく構造化光を用いるマルチレンジの非接触プローブ１１０’の内部構成要素を示す図である。
非接触プローブ１１０’は、プローブハウジング２０５と、レーザ生成素子２３０（ビーム生成要素）と、ミラー２３２及び２３２’と、ビーム変調要素モータ２３５（ビーム変調要素駆動手段）と、回転ビーム変調要素２４０と、空間光変調器２５０と、投影光学素子２５５と、カメラ光学素子２６５と、カメラ２７０と、照明光学素子２７３と、プローブ制御インタフェース電子回路２９０とを備える。

プローブヘッド２２０は、プローブヘッドケーブル２１５を通じてプローブ信号を送受信する。プローブヘッド２２０は、座標測定機クイル２１７に固定される。プローブヘッド２２０は、プローブオートジョイント接続部２８０によって非接触プローブ１１０’に接続される。プローブヘッド２２０は、水平面に対し３６０度回転し、Ｕ字状のジョイントを含む。プローブオートジョイント接続部２８０は、１つのプローブから切り離されて別のプローブに取り付けることができるように、プローブヘッド２２０をプローブ１１０’に強固に且つ機械的に締結する電気機械的接続である。

非接触プローブ１１０’は、オートジョイント接続部２８０を通じてその制御信号を受信する。オートジョイント接続部２８０を通じて非接触プローブ１１０’に渡された信号は、接続線２８５を通じてプローブ制御インタフェース電子回路２９０に渡される。
プローブ制御インタフェース電子回路２９０は、詳細に後述する信号処理動作を提供するための既知の回路技術及び／又はソフトウェア技術を用いる復号器部分２２５を備える。
プローブ制御インタフェース電子回路２９０は、レーザ電力及び制御線２３３と、ビーム変調要素モータ電力及び制御線２３７と、受光素子電力及び信号線２３８と、空間光変調器電力及び制御線２３９と、カメラトリガ及び制御線２７５ａと、カメラ電力線２７５ｂと、アナログビデオ出力線２７５ｃとを含む、さまざまな信号線を通じて信号を送受信する。レーザ電力及び制御線２３３は、レーザ生成素子２３０のための制御及び電力線を提供するマイクロバスであってもよい。レーザ生成素子２３０は、固体レーザであり、例えば、レーザ生成素子２３０は約１００ミリワットの光出力を提供してもよい。

図４において、回転ビーム変調要素２４０は、拡散部分（第１の部分）と、相対的に小さい偏向器部分（第２の部分）とを備える。動作時に、モータ電力及び制御線２３７は、ビーム変調要素モータ２３５を制御してビーム変調要素２４０を回転させる。
通常時には、レーザ生成素子２３０からのビームは、ビーム変調要素２４０の拡散部分（第１の部分）を通過して、拡散レーザビーム２３１として、ビーム変調要素２４０から第１のビーム経路に沿って出力される。拡散レーザビーム２３１は、プローブに対する「Ｚ−プローブ」測定方向に沿って、比較的狭い測定範囲にわたり、構造化光を用いる測定動作に用いられる相対的に拡散した照明を提供する。
一方、偏向器部分がレーザ生成素子２３０の正面にある場合、レーザビームは偏向器部分（第２の部分）を通過して、Ｚ−プローブ方向に沿った相対的に広い範囲にわたる測定（「距離測定」）及び／又は衝突検出に用いられる相対的に集中した照明を提供する集中レーザビーム２３１’として、ビーム変調要素２４０から第２のビーム経路に沿って出力される。レーザビーム２３１及び２３１’のそれぞれの経路、並びに距離測定動作を、以下に詳述する。

通常の構造化光を用いる測定動作に関して、ビーム変調要素２４０の拡散部分は、レーザ生成素子２３０の正面に位置決めされ、拡散レーザビーム２３１が拡散部分から偏向ミラー２３２に向かって出力される。レーザビームを、回転するビーム変調要素２４０に入射する前に、平行な光束（コリメート）としてもよい。
ビーム変調要素２４０の拡散部分は、通常の測定物測定動作中にカメラ２７０によって取り込まれる構造化光を用いる測定物画像からの斑点（スペックル）をなくすために用いられる。拡散部分は、選択された値の実効開口数（ＮＡ）（たとえば、ＮＡ＝０．５）を提供することができる。回転するビーム変調要素２４０の拡散部分は、レーザビーム２３１を、提供されたＮＡに従って発散しミラー２３２から反射して照明光学素子２７３に入射する拡散光として出力する。

照明光学素子２７３は、拡散光をおおよそ平行な光束として空間光変調器２５０を通じて伝送することができる。空間光変調器２５０からの光は、構造化光パターンを含み、投影光学素子２５５によって、投影部分である投影パターン面２６２およびここに配置された測定物の表面上に投影される（すなわち結像される）。
照明光学素子２７３は、空間光変調器２５０を通過するときに拡散光が完全に平行な光束とならない場合があるが、測定物の適切な構造化光照射のために、十分に拡散光が平行な光束になり得るケーラー照明を提供するように設計されている。投影光学素子２５５の第１のレンズは、構造化光照射を空間光変調器２５０から開口２６０における焦点まで運んでもよく、開口２６０は、投影パターン面２６２における構造化光パターン画像の被写界深度を制御するために用いられてもよい。空間光変調器２５０は、米国ニューヨーク州ニューヨーク所在のソニー・コーポレーション社から入手可能なＳｏｎｙ ＬＣＸ０１７ＡＬ等の市販の空間光変調器であってもよい。

インタフェース電子回路２９０は、（以下でより詳細に説明するように）アナログビデオ制御信号及び他の信号を含む入力信号を受信し得る。この入力信号を受信した後、プローブ制御インタフェース電子回路２９０は、アナログビデオ制御信号を、空間光変調器２５０を構成して適切なピクセルパターンを表示するデジタル制御信号に変換するための、（たとえばソニー・エレクトロニクス社から入手可能なもの等の）市販の互換チップセットを含んでもよい。次いで、投影光学素子２５５によって空間光変調器２５０からのパターンが投影される。
開口２６０は、許容可能な画像空間分解能を提供し、像収差を最小限に抑え、光学素子２５５のための許容可能なエネルギースループットを提供するサイズにすることができる開口絞りである。開口２６０は、公称投影パターン面２６２に近接する構造化光パターンの投影画像の被写界深度をも左右することがあり、公称投影パターン面２６２は、カメラ光学素子２６５の公称焦点面でもある。被写界深度は、図３に示される構造化光を用いる測定範囲Ｒ１とほぼ同じであってもよい。一実施形態では、投影構造化光画像及びカメラ光学素子２６５の両方の被写界深度は、約±６ミリメートルである。

構造化光パターンの公称投影軸に対するカメラ光学素子２６５の角度は、測定物表面上の構造化光画像がカメラ２７０の結像面上にマッピングされる際にＺ高さ情報を提供する三角測量角を提供する。
カメラ２７０からの画像は既知の三角測量法を用いて分析することができる。カメラ２７０は電子回路２９０内にあるか又は（それ自体の制御回路及び／又はソフトウェアを有する統合カメラシステムであり得る）カメラ２７０自体の中にある場合がある制御電子回路を有する。

カメラ２７０は一般的に積分時間、動作シーケンス等を制御する特定のタイミング機能等を含んでもよい。また、複数のワイヤを含んでもよい。カメラトリガ及び制御線２７５ａは、カメラ２７０をトリガして選択された機能を実行させ、また積分時間等を具体的に制御するより多くの制御信号を送信してもよい。電力線２７５ｂはカメラ２７０に電力を供給する。図示されるように、アナログビデオ出力線２７５ｃは、カメラ２７０からの画像データ出力が電子回路２９０の残りの部分をバイパスして外部処理装置（たとえば、非接触プローブコントローラ１７０に含まれるフレームグラッバ）に直接ルーティングされてもよいことを示す破線部分を含み、カメラ２７０の出力は必ずしもプローブ制御インタフェース電子回路２９０によって動作されなくてもよい。

構造化光による測定の原理を簡潔に要約すると、構造化光を用いるプローブ１１０’はレーザ生成素子２３０及び空間光変調器２５０を利用して測定物表面のパッチを覆う構造化光パターン（すなわち、ストライプ）を投影する。カメラ２７０の観点から、測定物の表面にわたって投影される各ストライプは測定物上の照明される特徴の表面のＺ高さを示すオフセット部分を有する。オフセット部分のＺ高さはカメラ２７０の角度方向及び公称投影パターン面２６２からの距離によって部分的に確定される三角測量式に従って計算することができる。
次いで、各等高線ストライプからの情報を再結合して測定物の測定された表面の三次元表面マップを生成することができる。本発明による上記のプローブ制御及び測定動作並びに他の動作を提供するのに使用可能なさまざまな構成要素、制御信号技法、及び信号処理技法が本発明者による米国特許出願１１／４９４９７２号に詳細に記載されており、これは参照によりその全体が本明細書に援用される。

通常の距離測定動作に関して、ビーム変調要素２４０の偏向器部分がレーザ生成素子２３０の正面に位置決めされ、集中レーザビーム２３１’が偏向器部分から偏向ミラー２３２’に向かって出力される。レーザビームは偏向器部分に入射する前におおよそコリメートすることができ、したがってさまざまな実施形態において、偏向される経路に従うことを除いて、ほとんど変調されなくてもよい。
集中レーザビーム２３１’はミラー２３２’によってカメラ２７０の視野に反射され、ここで測定物表面上に集中した照明のスポットを生成することができ、これはカメラによって撮像されて距離測定画像を形成する。距離測定画像は、構造化光を用いる測定画像に関して上記で概説したように取得及び出力されてもよい。
集中レーザビーム２３１’は集中スポット画像を提供するため、距離測定画像はカメラ光学素子２６５の被写界深度からずっと外側の表面から取得され得る。このような場合には、距離測定画像内のスポットは焦点から外れることがあるが、画像内のその公称「中心位置」は、依然として（たとえば、既知の画像処理方法を用いてスポットの中心を探すことによって）分析し、比較的正確な距離測定値を提供することができる。距離測定に関連する付加的な考慮事項及び関連する動作を以下に詳述する。

構造化光画像の取得は、ビーム変調要素２４０の拡散部分によって提供される相対的に拡散したレーザビーム２３１の存在と同期して行われなければならず、距離測定画像の取得は、ビーム変調要素２４０の偏向器部分によって提供される相対的に集中したレーザビーム２３１’の存在と同期して行われなければならない。
図２及び図３に示されるプローブの実施形態は、受光素子電力及び信号線２３８を介して電子回路２９０に同期化信号を出力することができる受光素子２３６を備える。図２及び図３に示されるように、受光素子は、拡散レーザビーム２３１の、構造化光パターンを提供するのに必要でない部分を受け取るように位置付けられてもよく、拡散レーザビーム２３１が存在する場合に高い値の信号を出力する。集中レーザビーム２３１’が存在する場合、受光素子２３６は低い値の信号を出力する。
受光素子２３６からの信号出力の遷移は、電子回路２９０によって、さまざまな画像化動作を同期化するための基準時間信号及び／又はトリガ信号を提供するために用いられてもよい。それらはまた、さまざまな実施形態において、ビーム変調要素モータ２３５の速度を制御するためのフィードバック信号として用いられてもよい。

図３は、距離測定機能を提供するためのプローブ１１０’の構成及びビーム２３１’の利用の態様を示す図である。
図３に示されるように、カメラ２７０のおおよその中心は、カメラ光学素子２６５の公称面から距離ｂのところに位置決めされてもよく、カメラはカメラ光学素子２６５の光軸に対して垂直な面に対して角度βだけ回転してもよい。角度βは、構造化光画像を取得するための公称対物面でもある公称投影面２６２に関してシャインプルーフ構成を提供するように選択されてもよい。カメラの中心からその撮像アレイの端までの寸法はほぼｘ_１であってもよい。したがって、画像内に含まれてもよい光軸と最も外側の光ビーム２７１（図３の下端付近に示す）との間の角度εはおおよそ次の式１に示す通りとなる。

カメラ光学素子２６５の光軸は、拡散レーザビーム２３１の光軸に対して角度α１にあるように示され、この場合構造化光パターンのための公称投影軸及びＺ−プローブ方向と同じである。カメラ光学素子２６５の光軸が平面２６２と交差する中心点２６３は、所与の設計のカメラ光学素子２６５の公称面から光軸に沿って所与の距離に固定される主要な基準点である。したがって、最も外側の光ビーム２７１が平面２６２と交差する点２６４は、プローブ１１０’の要素に関連して確定され得る。

上記の幾何学的要素の全ては、主として、その主要な、且つ最も正確な測定モードをサポートするために、プローブの構造化光を用いる画像化機能に関する設計上の考慮事項によって決定されてもよい。それらはこれ以降、プローブ１１０’の１つの例示的な設計方法の以降の説明において、意図的に固定されて所望の距離測定範囲「Ｒ２ｆａｒ」を提供するものとする。

比較的柔軟なプローブ１１０’の設計の一態様は、偏向ミラー２３２’の配置及び角度である。図３に示されるように、ミラー２３２’上の相対的に集中したレーザビーム２３１’の偏向点は、構造化光投影方向（Ｚ−プローブ方向）に垂直な寸法△ｗ及びＺ−プローブ方向と平行な寸法△ｈだけ既知の点２６４（ここで最も外側の画像化光ビーム２７１が公称面２６２と交差する）からずれている。角度α２は、相対的に集中したレーザビーム２３１’の投影方向と、Ｚ−プローブ方向との間の角度として示される。図３において、Ｒ２ｆａｒの距離測定範囲を提供するために、範囲Ｒ２ｆａｒの下限Ｒ２ＬＬにおいて表面上に結像されるスポットは、既知の点２６４からＺ−プローブ方向に垂直な方向に沿って距離ｗのところに、又はその左に位置決めされなければならないことが分かるであろう。観測によって次の式２，式３のようになる。式中、角度φ＝（α１−ε）である。

式２及び式３から、表面Ｒ２ＬＬにおいて結像される距離測定スポット、所望の距離測定範囲Ｒ２ｆａｒのために、ミラー２３２’は、△ｗ、△ｈ、及びα２が次の式４の条件を満たすように位置決め及び配向されなければならない：

所望の構造化光を用いる画像化の仕様の一例には、設計値α１＝３５度、β＝１９度、ｘ_１＝５ｍｍ、ｂ＝６０ｍｍ、したがってε＝４．５度、及びφ＝３０．５度がある。公称面２６２を越える所望の距離測定範囲は、Ｒ２ｆａｒ＝１００ｍｍとして選択されてもよい。プローブ１１０’’の一般的なサイズは、高さ及び幅において約１００ｍｍである。したがって、図３におおよそ示されるプローブ構成要素のレイアウトについて、一例では、ミラー２３２’を△ｗ＝１０ｍｍ及び△ｈ＝１１０ｍｍとなるように位置付けることが適切であり得る。したがって、式４及び上記の値から、ミラー２３２’がα２＝１８．２度を提供するように角度付けられる場合、おおよそＲ２ｆａｒ＝１００ｍｍに相当する距離測定範囲が提供される。

尚、上記の設計値は例示に過ぎず、これらに限定するものではないため、他の種々の構成が可能である。また、上記の分析は明確にするためにさまざまな単純化を含んでいる。たとえば、Ｒ２ＬＬにおける表面上の距離測定スポットの画像が著しく不鮮明になり、不鮮明なスポットの一部はカメラ２７０の撮像面の外側に延在する場合がある。したがって、画像処理技法によってスポットの中心を正確に位置決めすることが可能でない場合がある。したがって、プローブ１１０’の実際の距離測定範囲は上記に示されるよりもいくらか狭い場合がある。本発明による特定のプローブ設計の実際の距離測定範囲は、より包括的な分析及び／又は実験によって確認することができる。

図３に示される距離測定範囲Ｒ２ｎｅａｒに関して、図３においてプローブ１１０’の全距離測定範囲は実際にはＲ２＝Ｒ２ｆａｒ＋Ｒ２ｎｅａｒであり、Ｒ２ｎｅａｒは相対的に集中したレーザビーム２３１’の経路と他方の「最も外側の」画像化光ビーム２７２との点２６０における交差に対応している。一般的に、Ｒ２ｎｅａｒは重要な設計パラメータではなく、その配置においてプローブ１１０’を構造化光を用いる画像化の範囲Ｒ１よりも測定物に近くすることは、衝突の危険を招く恐れがあり、多くの用途において避けられる。したがって、距離測定範囲Ｒ２ｎｅａｒについては、本明細書において詳述しない。しかしながら、より一般的には、範囲Ｒ２ｎｅａｒはさまざまな用途において、特に構造化光を用いる測定範囲Ｒ１がプローブ１１０’から相対的に離れて位置決めされる場合に有用な距離測定範囲である。このような場合には、範囲Ｒ２ｎｅａｒは、所望であれば、範囲Ｒ２ｆａｒを参照して上記で概説したものと類似の幾何学的原理に従って確定してもよい。

上記で示したように、集中レーザビーム２３１’は、さまざまな実施形態において、たとえば直径約７５０マイクロメートルの、表面上の集中照明スポットを提供してもよい。スポットの不鮮明な画像を含む距離測定画像は、カメラ光学素子２６５の被写界深度のずっと外側（たとえば、範囲Ｒ１の外側）の表面から取得され得る。距離測定画像内の不鮮明なスポットの中心は通常、依然としていくつかのピクセル、少数のピクセル、又はそれよりも少ないピクセルの中で求められ、広い範囲にわたって有用な距離測定値を提供することができる。さまざまな用途において、このような距離測定値を、おおよその寸法測定のために、又はプローブ１００’を誘導して測定物表面を公称構造化光を用いる測定の範囲Ｒ１内に位置付けるのに用いられてもよいフィードバック信号として、又は予想外の測定物特徴若しくは他の障害を伴うプローブ衝突を予想及び防止するためにかなり高速で提供及び分析することができる測定値として用いてもよい。カメラ上の距離測定スポット画像の位置は一般的に、Ｚ−プローブ方向に沿った対応する表面の位置座標に対して直線性を有しない。しかしながら、距離測定スポット画像位置とＺ―プローブ方向に沿った表面座標との間の関係は、包括的な分析及び／又は実験によって確定され、ルックアップテーブル、又は較正曲線による表現等として記憶されてもよい。

図４は、図２及び図３に示されるように偏向した、相対的に集中したレーザビーム２３１’を提供することができる第１の偏向器部分２４０Ａと、任意選択の第２の偏向器部分２４０Ｂとを含む回転ビーム変調要素２４０の一実施形態の図である。ビーム変調要素２４０の残りの部分は、図２及び図３に示されるように、発散する相対的に拡散したレーザビーム２３１を提供することができる拡散部分２４０Ｄを含んでもよい。一実施形態では、回転ビーム変調要素の偏向器部分２４０Ａ及び２４０Ｂが軽量であるか、又は動的に均衡を保っており、それによって要素２４０が高速回転に適することが望ましい。

上記で示したように、拡散部分２４０Ｄの目的は、カメラ２７０によって取り込まれる構造化光を用いる測定物画像からのスペックルをなくすために用いてもよいレーザ照明を部分的に拡散することである。加えて、一実施形態では、拡散部分２４０Ｄは、おおよそ選択された値の開口数（ＮＡ）（たとえば、ＮＡ＝０．５）を提供して、後に空間光変調器２５０の面積のほとんど又は全てを照明する、発散する照明を提供してもよい。
回転ディフューザをこのように製造及び使用するさまざまな技法が、米国特許出願公開第２００５／０２０７１６０号、及び米国特許第６，０８１，３８１号、及び同第６，６４３，０２４号に開示されており、これらの特許文献のそれぞれは、参照によりその全体が本明細書に援用される。

偏向器部分２４０Ａ及び２４０Ｂは、回転ビーム変調要素２４０の一部として（たとえば、既知の回折光学素子製造技法又はマイクロモールディング等によって）製造してもよいか、又はそうでなければ、接着剤を用いて、若しくは他の製造工程によって（たとえば、微小プリズム等として）回転ビーム変調要素２４０に追加してもよい。カリフォルニア州トランス所在のフィジカル・オプティクス・コーポレーション社（ＰＯＣ）等の商用光学素子製造業者が、図４に示す回転ビーム変調要素２４０のさまざまな実施形態、及びそれらの変形形態を製造するのに適した製品及び／又はサービスを提供することができる。

回転ビーム変調要素２４０は、公称的に、動作中にレーザ生成素子２３０からの入力ビームが回転ビーム変調要素２４０に沿ってなぞる経路であるビーム経路ＢＰとともに示される。一実施形態では、ビーム経路ＢＰは約１３ミリメートルの半径を有してもよく、要素２４０は約１５ミリメートル〜約１７ミリメートルの半径を有してもよい。一実施形態では、偏向器部分２４０Ａ及び２４０Ｂのそれぞれは、回転の約１５度をカバーする。しかしながら、偏向器部分２４０Ａの前端及び後端に隣接して示されるレーザビーム入力スポットＬＳ１及びＬＳ２によって示されるように、正確な測定のためにレーザビーム全体が偏向器部分の中に位置付けられる必要があることに起因して、それらの動作角度の範囲はいくらか狭くなる（たとえば、約１２度）。

以下でより詳細に説明されるように、ビーム変調要素２４０が回転すると、レーザがレーザスポットＬＳ１とレーザスポットＬＳ２との間を移動するのにかかる時間によって、レーザビームが偏向器部分２４０Ａによって偏向される時間量が求められ、距離測定画像を照明するのに適した、相対的に集中したレーザビーム２３１’が提供される。さまざまな実施形態において、カメラ２７０は約３３Ｈｚのフレームレートで出力画像を提供することができる。したがって、１つの例示的な実施形態では、ビーム変調要素２４０は約３６００ｒｐｍ（＝１Ｈｚ）で回転してもよく、偏向器部分２４０Ａは、１つの距離測定画像を３３Ｈｚのフレームレートで露光するのに十分な約１／３０秒の距離測定照明を提供する１２度の回転範囲を提供するのに用いることができる。オプションの偏向器部分２４０Ｂが含まれる場合、距離測定値は２Ｈｚのレートで提供することができる。次いで、拡散部分２４０Ｄは、構造化光画像が対応する画像積分時間中に十分に露光され得ると仮定すると、１秒当たり最大で約３０個の構造化光画像のための、相対的に拡散した照明２３１を提供することができる。

距離測定スポット画像が、全カメラ積分時間中にスポット照明を提供することによって露光過多になると、レーザビームは、距離測定画像の露光時間を制御するために、偏向器部分を通過するときにストローブのような様式でオン及びオフに切り換えることができ、その場合に、偏向器部分（複数可）は、より狭い角度範囲をカバーすることができる。より一般的には、距離測定画像又は構造化光画像のいずれかの適切な露光を確保するために、要素２４０の回転速度、レーザ電力及び／又はレーザオン／オフのタイミング、カメラ積分時間等を含むさまざまな要因を調整することができる。一実施形態では、レーザの制御はカメラの積分時間と同期してもよく、それによって構造化光画像が非常に長い積分時間を必要とする場合に、露光中の、そうでなければ偏向器部分を通過する任意の時点において、レーザがオフに切り換えられる。したがって、所望の通りに、画像露光全体を通じて構造化光照明のみが提供される。

図５は、本発明による構造化光を用いるマルチレンジのプローブの動作の１つの例示的な手順６００を示す流れ図である。
図５に示されるように、ブロック６１０において、ビーム変調要素の第１の部分がレーザビーム内に位置付けられる。これは、ビーム変調要素が回転している間にレーザからのビームの経路内に位置付けられているビーム変調要素の拡散部分に相当する。
ブロック６１５において、レーザビームが第１の部分から出力され、第１のビーム経路に沿って相対的に拡散した照明として進行する。換言すれば、レーザビームがビーム変調要素の拡散部分を通過した後に、ビームは部分的に拡散して、それによって構造化光画像のための照明を提供するときにスペックルを抑制するのに用いることができる。一般に、第１の部分は部分的に拡散した照明を所定の開口数に従っておおよそ発散させることもできる。第１のビーム経路は１つ又は複数の偏向ミラーを含んでもよい。

ブロック６２０において、相対的に（部分的に）拡散したレーザビーム照明が、第１のビーム経路に沿って位置付けられた空間光変調器によってパターニングされる。
ブロック６２５において、パターニングされた拡散照明が投影されて、プローブに対する第１の距離範囲である構造化光の画像範囲（たとえば、図３に示される構造化光の画像範囲Ｒ１）に対して構造化光パターンが提供される。
ブロック６３０において、構造化光の画像範囲内に測定物表面が存在する場合、測定物表面上の構造化光パターンに関して画像が撮像され、プローブに対する第１の距離範囲内で表面測定データが提供される。換言すれば、プローブカメラによって撮像される三角測量画像の観点から、構造化光パターン（たとえば、光ストライプ）が、測定物表面の各部分の高さによって決まる等高線を形成する。結果として得られるデータを分析して測定物の、プローブに対する第１の距離範囲内の（たとえば、カメラ光学素子及び構造化光投影光学素子の被写界深度内の）正確な三次元表面マップを確定することができる。

次いで、ブロック６４０において、ビーム変調要素の第２の部分がレーザビーム内に位置付けられる。これは、ビーム変調要素が回転している間にレーザからのビームの経路内に位置付けられているビーム変調要素のビーム偏向部分に相当する。
ブロック６４３において、レーザビームが第２の部分から出力され、プローブに対する第２の距離範囲である距離測定の画像範囲を通って延在する第２のビーム経路に沿って相対的に集中した照明として進行する。換言すれば、レーザビームはコンパクトな、相対的に集中したビーム（たとえば、コリメートされた集中ビーム）であり、これはビーム変調要素の偏向部分を通過して、偏向部分によって第２のビーム経路に沿って偏向される集中ビームを残し、距離測定画像内の集中照明の領域（たとえば、スポット）を提供する。ここで、第２のビーム経路は１つ又は複数の偏向ミラーを含んでもよい。

ブロック６４５において、距離測定の画像範囲内に測定物表面が存在する場合、測定物表面上のコンパクトな照明領域に関して画像が撮像され、プローブに対する第２の距離範囲内で表面測定データが提供される。プローブに対する第２の距離範囲は、第１の距離範囲よりもさらにプローブから離れた距離を含む。換言すれば、プローブカメラによって撮像される三角測量画像の観点から、画像内の偏向した集中レーザビームの位置が、測定物表面のビームが照明する部分の高さによって決まる。結果として得られる画像データによって、測定物表面のプローブからの距離を、構造化光を用いる画像化の範囲を大きく越えて延在する距離測定の画像範囲にわたっておおよそ求めることができる。
したがって、本発明によって構成されるプローブは、ごく少数の部品を用いて、簡単で、高速で、且つ多用途の様式で、複数の測定範囲にわたって複数のタイプの三角測量を提供することができる。

上記で示したように、本発明による上記のプローブ制御及び測定動作並びに他の動作を提供するのに使用可能なさまざまな構成要素、制御信号技法、及び信号処理技法が、本発明者による米国特許出願１１／４９４９７２号により詳細に記載されている。本発明による距離測定画像の取得は、この特許文献に記載される方法と容易に組み合わせられる。
たとえば、１つの単純な実施形態では、非接触プローブコントローラ１７０及び／又はコンピュータ・ユーザインタフェース１６０は、距離測定画像を取得するのに適切な１組のプローブ構成要素制御信号を、プローブ制御インタフェース電子回路２９０に単に周期的に送信してもよい。これは、さまざまな構造化光を用いる画像プローブの構成要素の制御信号をプローブに送信するための、その特許文献に記載される方法と同じ方法を用いて為されてもよい。このような１つの実施形態では、プローブ制御インタフェース電子回路２９０は、周期的に送信される１組の距離測定画像制御信号に含まれるコード又は信号によってイネーブルされる単純な「抑制」論理回路又は手順を含んでもよい。このような信号がプローブ制御インタフェース電子回路２９０内で受信されると、抑制論理回路は、たとえば、上記で説明したように、受光素子２３６の出力から導出される「拡散照明なし」同期化信号を受信しない限り、カメラトリガ信号を抑制することができる。したがって、相対的に集中した照明がその対応する光路に沿って存在する場合に距離測定画像が取得されることが保証され得る。

同様に、プローブ制御インタフェース電子回路２９０は、構造化光画像制御信号に含まれるコード又は信号によってイネーブルされる他の「抑制」論理回路又は手順を含んでもよい。このような信号がプローブ制御インタフェース電子回路２９０内で受信されると、関連する抑制論理回路は、たとえば、受光素子２３６の出力から導出される「拡散照明あり」同期化信号を受信しない限り、又は受信するまで、カメラトリガ信号を抑制することができる。したがって、構造化光照明がその対応する光路に沿って存在する場合に構造化光画像が取得されることが保証され得る。上記の開示に基づいて、他のさまざまな制御方法及び同期化方法が当業者には明らかであろう。

本開示に基づいて、図示及び説明された特徴の構成及び動作シーケンスの多数の変形形態が、当業者には明らかであろう。たとえば、実施形態によっては、ビーム変調要素の、相対的に集中したレーザビームを出力する部分をストライプ、又は既知の関係における３つのスポット等を出力するように構成してもよい。したがって、おおよその距離測定値を、たとえばおおよその表面配向等を求めるために、表面上の限られた数のスポットについて求めることができる。さらに、上記の実施形態は偏向ビームを相対的に集中したビームとして説明してきたが、実施形態によっては、ビーム変調要素及びプローブのレイアウトは、相対的に集中したビームがビーム変調要素によって偏向されず、発散する部分的に拡散したビームが適切な光路に偏向されるビームであるように構成してもよい。このような実施形態では、ビーム変調要素の、相対的に集中したビームを出力する部分は、単純な透明な部分、又は開いた部分（たとえば、ビーム変調要素を貫通する穴）等を含んでもよい。さらに、実施形態によっては、本明細書で説明した回転ビーム変調要素に対する代替形態として、適切に構成された「線形」ビーム変調要素を直線往復運動とともに用いることができる。したがって、本発明の好ましい実施形態が図示及び説明してきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明にさまざまな変更を加えることができる。

本発明は、精密測定用の測定プローブおよびその制御方法に関し、より具体的には座標測定機に用いられるマルチレンジの非接触プローブに関する。

座標測定機、プローブ、コントローラ及びユーザインタフェースを有する座標測定システムのブロック図である。 本発明によるマルチレンジのプローブの第１の例示的な実施形態の内部構成要素を示す図である。 図２の構造化光を用いる測定プローブのレイアウトを示す図である。 図２及び図３の測定プローブの回転ビーム変調要素の図である。 本発明による、構造化光を用いるマルチレンジのプローブの動作の手順を示す流れ図である。

符号の説明

１００…座標測定システム
１１０…非接触プローブ
１１５…データ伝送線
１２０…座標測定機コントローラ
１３０…プローブヘッドコントローラ
１４０…位置ラッチ
１５０…動作コントローラ
１６０…コンピュータ・ユーザインタフェース
１７０…非接触プローブコントローラ
１７５…コネクタ
２００…座標測定機
２０５…プローブハウジング
２１５…プローブヘッドケーブル
２１７…座標測定機クイル
２２０…プローブヘッド
２２５…復号器部分
２３０…レーザ生成素子
２３１…レーザビーム
２３２…偏向ミラー
２３３…制御線
２３５…ビーム変調要素モータ
２３６…受光素子
２３７…制御線
２３８…信号線
２３９…制御線
２４０…回転ビーム変調要素
２４０Ａ…偏向器部分
２４０Ｂ…偏向器部分
２４０Ｄ…拡散部分
２５０…空間光変調器
２５５…投影光学素子
２６０…開口
２６２…公称投影パターン面
２６５…カメラ光学素子
２７０…カメラ
２７１…画像化光ビーム
２７２…画像化光ビーム
２７３…照明光学素子
２７５ｃ…アナログビデオ出力線
２７５ｂ…カメラ電力線
２７５ａ…制御線
２８０…プローブオートジョイント接続部
２８５…接続線
２９０…プローブ制御インタフェース電子回路
ｂ…距離
ＢＰ…ビーム経路
ＬＳ１…レーザスポット
ＬＳ２…レーザスポット
Ｒ１…画像範囲
Ｒ２ｆａｒ…距離測定範囲
Ｒ２ＬＬ…下限
Ｒ２ｎｅａｒ…距離測定範囲
ｗ…距離

Claims (19)

1. 構造化光を用いて測定物の寸法を測定する非接触式の測定プローブであって、
   前記測定物の表面を撮影可能な少なくとも１つのカメラと、
   入力された光ビームを相対的に拡散した照明として出力する第１の部分及び前記光ビームを相対的に集中した照明として出力する第２の部分を含むビーム変調要素と、
   前記光ビームを生成するビーム生成要素と、
   前記ビーム生成要素で生成された光ビームが前記第１の部分および前記第２の部分に入力されるように前記ビーム変調要素を駆動するビーム変調要素駆動手段と
   前記第１の部分からの相対的に拡散した照明をパターニングして構造化光パターンを生成する空間光変調器と、
   前記第１の部分から前記空間光変調器を経て前記測定物に至るとともに、前記測定物が第１の距離範囲内にあるときに前記測定物の表面上に前記構造化光パターンを投影する第１のビーム経路と、
   前記第２の部分から前記測定物に至るとともに、前記測定物が前記第１の距離範囲より大きな第２の距離範囲内にあるときに前記測定物の表面上に前記集中した照明を投影する第２のビーム経路と、
   を備え、 前記光ビームを前記第１のビーム経路に沿って出力した際に、前記測定物の表面上に形成される構造化光パターンを前記カメラで撮像して前記第１の距離範囲内での表面測定データを提供するとともに、
   前記光ビームを前記第２のビーム経路に沿って出力した際に、前記測定物の表面上に形成される前記相対的に集中した照明を前記カメラで撮像して前記第２の距離範囲内での表面測定データを提供する
   ことを特徴とする測定プローブ。
2. 請求項１に記載の測定プローブにおいて、
   前記第１の部分は、部分的に拡散した照明を出力するディフューザ部分を含むことを特徴とする測定プローブ。
3. 請求項１に記載の測定プローブにおいて、
   前記第１の部分は、全体として発散しかつ部分的に拡散した照明を出力することを特徴とする測定プローブ。
4. 請求項２に記載の測定プローブにおいて、
   前記第２の部分は偏向器部分を含むことを特徴とする測定プローブ。
5. 請求項４に記載の測定プローブにおいて、
   前記ビーム変調要素は回転ビーム変調要素を含み、前記偏向器部分は前記回転ビーム変調要素の公称ビーム経路を中心として最大で３０度の角度範囲をカバーすることを特徴とする測定プローブ。
6. 請求項５に記載の測定プローブにおいて、
   前記偏向器部分は最大で１５度の角度範囲をカバーすることを特徴とする測定プローブ。
7. 請求項１から請求項６の何れかに記載の測定プローブにおいて、
   前記少なくとも１つのカメラは、前記構造化光の画像範囲内の測定物表面上の前記構造化光パターンを撮像するように姿勢制御可能であり、かつ前記距離測定の画像範囲内の表面上の前記相対的に集中した照明を撮像するように姿勢制御可能である単一のカメラであることを特徴とする測定プローブ。
8. 請求項１から請求項７の何れかに記載の測定プローブにおいて、
   前記測定物の表面上の前記相対的に集中した照明の前記画像は不鮮明なスポットを含むことを特徴とする測定プローブ。
9. 請求項８に記載の測定プローブにおいて、
   前記画像内の前記不鮮明なスポットの位置が座標測定系内で分析されて、前記プローブに対する前記第２の距離範囲内で前記表面の照明される部分のおおよその配置が確定されることを特徴とする測定プローブ。
10. 請求項１から請求項９の何れかに記載の測定プローブにおいて、
    前記構造化光の公称画像範囲は最大で１０ｍｍに及び、前記距離測定の公称画像範囲は少なくとも５０ｍｍに及ぶことを特徴とする測定プローブ。
11. 請求項１０に記載の測定プローブにおいて、
    前記距離測定の公称画像範囲は少なくとも７５ｍｍに及び、前記構造化光の公称画像範囲を含むことを特徴とする測定プローブ。
12. 請求項１１に記載の測定プローブにおいて、
    前記第２の距離範囲は、前記第１の距離範囲に含まれる前記プローブからの最大距離よりもさらに少なくとも７５ｍｍだけ前記プローブから離れた距離を含むことを特徴とする測定プローブ。
13. 請求項１に記載の測定プローブにおいて、
    前記第１の経路及び前記第２の経路の少なくとも一方に沿って配置される少なくとも１つの反射表面を備え、前記構造化光パターンが前記プローブから前記カメラの光学系の光軸に対して第１の角度で投影され、かつ前記相対的に集中した照明が前記プローブからその光学系の前記光軸に対して第２の角度で投影されるように構成されることを特徴とする測定プローブ。
14. 請求項１３に記載の測定プローブにおいて、
    前記第２の角度は前記第１の角度よりも小さいことを特徴とする測定プローブ。
15. 請求項１に記載の測定プローブにおいて、
    前記測定プローブは座標測定機オートジョイント接続を備え、前記構造化光を用いる測定プローブへの、及び該構造化光を用いる測定プローブからの全ての絶縁導体電力接続、絶縁導体接地接続、及び絶縁導体信号接続は、前記座標測定機オートジョイント接続に含まれるコネクタピンによって形成されることを特徴とする測定プローブ。
16. 請求項１５に記載の測定プローブにおいて、
    前記座標測定機オートジョイント接続はレニショー（商標）タイプの機械の標準的な構成であることを特徴とする測定プローブ。
17. 請求項１５または請求項１６に記載の測定プローブにおいて、
    前記プローブはプローブインタフェース回路を備え、前記構造化光の投影部分は制御可能なアレイタイプの空間光変調器を含むことを特徴とする測定プローブ。
18. 請求項１に記載の測定プローブにおいて、
    前記光ビーム生成要素は半導体レーザを含むことを特徴とする測定プローブ。
19. 構造化光を用いて測定物の寸法を測定するための非接触式の測定プローブの制御方法であって、
    前記測定物の表面を撮影可能な少なくとも１つのカメラと、
    入力された光ビームを相対的に拡散した照明として出力する第１の部分及び前記光ビームを相対的に集中した照明として出力する第２の部分を含むビーム変調要素と、
    前記光ビームを生成するビーム生成要素と、
    前記ビーム生成要素で生成された光ビームが前記第１の部分および前記第２の部分に入力されるように前記ビーム変調要素を駆動するビーム変調要素駆動手段と
    前記第１の部分からの相対的に拡散した照明をパターニングして構造化光パターンを生成する空間光変調器と、
    前記第１の部分から前記空間光変調器を経て前記測定物に至るとともに、前記測定物が第１の距離範囲内にあるときに前記測定物の表面上に前記構造化光パターンを投影する第１のビーム経路と、
    前記第２の部分から前記測定物に至るとともに、前記測定物が前記第１の距離範囲より大きな第２の距離範囲内にあるときに前記測定物の表面上に前記集中した照明を投影する第２のビーム経路と、
    を備えた測定プローブを用い、
    前記第１の時間期間には、前記ビーム変調要素の前記第１の部分を選択し、前記光ビームを前記第１のビーム経路に沿って出力し、前記測定物の表面上に形成される構造化光パターンを前記カメラで撮像して前記第１の距離範囲内での表面測定データを提供するとともに、
    前記第２の時間期間には、前記ビーム変調要素の前記第２の部分を選択し、前記光ビームを前記第２のビーム経路に沿って出力し、前記測定物の表面上に形成される前記相対的に集中した照明を前記カメラで撮像して前記第２の距離範囲内での表面測定データを提供する
    ことを特徴とする測定プローブの制御方法。

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