JP2008536146A - ３次元座標測定デバイス - Google Patents

Abstract

被測定対象とともに使用するための光学カメラ３次元座標測定システムが述べられている。このシステムは、被測定対象に沿った異なる点においてその被測定対象と接触して配置されることになる球表面を包含する既知の寸法の小型、移動容易、かつ回転可能な目標を含む。光放射源が、球表面の中心等の、目標内の既知の位置に配置される。異なる光学的な見方から、光放射源からの光を受光するための異なる既知の座標位置に配置された少なくとも２つのカメラが含まれている。被測定対象の３次元座標における位置は、それらのカメラによって撮られたイメージから計算される。
【選択図】図１

Description

数十メートルの範囲まで３次元座標を正確に測定するクラスの携帯型デバイスが存在する。その種のデバイスは、通常、携帯型大規模座標測定マシン（ＣＭＭ）と呼ばれている。携帯型ＣＭＭの１つのタイプは、レーザ・トラッカである。これは、対象表面の上を移動する球の中心に置かれたキューブ‐コーナ・リトロレフレクタを包含する球体マウント・リトロレフレクタ（ＳＭＲ）であるリトロレフレクタ目標にレーザ・ビームを送信する。なお、目標を、プローブ先端の仮想イメージを形成するべくミラーの近傍に配置されるキューブ−コーナ・リトロレフレクタを包含するリトロプローブに変えることもできる（米国特許第５，５３０，５４９号）。

携帯型ＣＭＭの第２のカテゴリは、カメラおよびマルチ−ライト・プローブ（米国特許第５，４４０，３９２号）である。このデバイスは、先端および３以上の点光源を含んだプローブと、当該点光源を見る１以上のカメラと、を包含する。カメラで得られたイメージ・パターンを使用することで、空間内のプローブ先端の位置が決定される。

携帯型ＣＭＭの第３のカテゴリは、別体であるが、近傍に設けられたカメラを有したレーザ・トラッカである（米国特許第５，９７３，７８８号）。このデバイスは、レーザ・トラッカ、当該レーザ・トラッカの近傍にマウントされたカメラ、およびプローブを包含する。プローブは、先端と、３以上の点光源、およびリトロレフレクタを包含する。レーザ・トラッカからのレーザ・ビームが、リトロレフレクタの３次元座標を測定する。同時にカメラが、プローブ上の光源の３次元座標を測定する。これらの測定からの情報によって、空間内のプローブ先端の座標を決定することができる。関連するアイデア（米国特許第５，９７３，７８８号）は、絶対距離メータも含むレーザ・トラッカ内へのカメラの埋め込みである。

携帯型ＣＭＭにおいては、（１）低価格、（２）高精度、（３）迅速なデータ収集、および（４）使用容易の四つの特性が望まれている。今日、これらのデバイスのうち最も安価な物でも、ほぼ１００，０００ドルに達する。いくつかのデバイスは３次元輪郭の座標の効率的な決定に使用するにはデータ収集が遅すぎる。ほかのデバイスは、精度が比較的劣っている。今現在、高速、正確、かつ現在の携帯型ＣＭＭよりはるかに安価な新しいタイプの計測器が必要とされている。

従来技術と比較して、本三次元座標測定デバイスのいくつかの利点を述べる。しかし、ここで述べられる利点は、権利範囲の限定や、利点の網羅的なリスティングであることを意図したものではない。カメラ−ベースの計測学システムを作成している会社はいくつかある。もっとも精度の高いものの１つであるメトロノール（Ｍｅｔｒｏｎｏｒ）システムは、２つのカメラを使用し、例えば、それらを工場の床上に配置することができる。この点に関して言えば、メトロノール（Ｍｅｔｒｏｎｏｒ）システムは、本デバイスに類似している。しかしながらメトロノール（Ｍｅｔｒｏｎｏｒ）システムは、照明されない先端を伴うプローブを基礎とする。この先端の位置を求めるために、メトロノール（Ｍｅｔｒｏｎｏｒ）システムは、プローブ上に配置された複数のＬＥＤのカメラ・イメージから、プローブのピッチ、ロール、およびヨー角を正確に決定できなければならない。要求精度を可能にするために、メトロノール（Ｍｅｔｒｏｎｏｒ）システムは、プローブを、カメラの視野の比較的大きな部分を覆うに充分な大きさにしている。その種の大型プローブは管理が扱いにくい。さらに、これらのプローブは、温度に関して硬直であり、かつ長さが固定である必要があり、そのことは、高価な複合材料の使用を意味する。

現在のところ、以下に述べる実施態様のような異なる種類のプローブは、いずれのカメラ−ベースのシステムによっても使用されておらず、メトロノール（Ｍｅｔｒｏｎｏｒ）等の拡大されたプローブより有用、かつ利便性があり、コスト効果的なものとなる。もっとも単純なその種のデバイス−−中心に置かれた光源を伴う球−−は、中心から球のエッジまでの距離が一定であるという事実を利用する。したがって、球本体が、測定されることになる対象と光源の間における既知の寸法のスペーサと類似に作用する。また球は、任意の方向に回転させることが可能である。この事実から球体マウントされた光源は、ほとんどすべての対象の輪郭の測定に使用することが可能である。ハンドルが使いやすくなる場合もある。対称性から導かれる類似のアイデアは、基準目標であり、それが通常は、あらかじめ確定済みのツーリング孔内に収められることになる。この場合においては光源が、目標の回転対称軸上に配置される。したがって、目標を測定することによって、ツール上のその孔の３次元座標を決定することが可能になる。

すべての目標−−球体、プローブ−マウント、基準、広角、またはリトロプローブ目標など−−に共通することは、空間内の単一の点から広い角度にわたって光を放射するということである。従来技術のカメラ−ベースのプローブは、いずれも複数の光点を使用する。したがって、このように有用かつ正確なプローブが単一の光源を基礎として案出できたことは当業者にとって自明ではなかった。この事実は、長年にわたって人々がカメラ−ベースの計測学システムを作ってきたこと、および、これは論証可能であるが、より安価に、等しいかまたはより高い精度を伴って作成できるこの種のシステムを実装した者が１人もいなかったことが物語っている。

被測定対象とともに使用するための光学カメラ３次元座標測定システムは、既知の寸法を備えた小型かつ移動回転可能な目標であって、前記被測定対象に沿った異なる点において前記被測定対象に直接接触して配置されることにより、目標から前記被測定対象まで延びる大きく拡大されたプローブ接触先端を使用する必要性を排除する球状表面を包含した目標と、前記目標内の既知の位置に配置された１以上の光放射源であって、球表面を有する前記目標の球の中心に配置された光放射源と、互いに光学的に異なる見方から前記光放射源からの光を受光する２以上のカメラであって、互いに異なる既知の座標位置に配置された２以上のカメラと、前記カメラ上の前記光放射源のイメージ、前記カメラの前記既知の位置、前記目標の前記既知の寸法、および、前記目標内の前記光放射源の前記既知の位置に基づいて前記被測定対象の３次元座標における位置を計算するプロセッサと、を包含する。

別の実施態様は、被測定対象とともに使用するための座標測定マシン（ＣＭＭ）を包含でき、当該マシンは、前記被測定対象に沿った異なる点において前記被測定対象に接触して配置される目標であって、既知の寸法を有した球または円柱形状の幾何学的目標と、前記球または円柱形状の幾何学的目標上の対称点に配置される１以上の発光ダイオード光源と、異なる光学的な見方から、前記発光ダイオード光源からの光を受光するべく、互いに異なる既知の座標位置に配置された２以上の感光カメラと、前記カメラ上に記録された前記発光ダイオード光源のイメージ、前記カメラの前記既知の位置、前記球または円柱の形状の幾何学的目標の前記既知の寸法、および、前記球または円柱の形状の幾何学的目標内に配置された前記光放射源の前記既知の位置に基づいて、前記被測定対象の３次元座標における位置を計算するためのプロセッサと、を包含し、前記少なくとも２つのカメラは、それぞれ少なくとも１以上の感光アレイを含み、前記感光アレイが、前記発光ダイオード光源から光が入射して当該感光アレイ上に記録された前記発光ダイオード光源のイメージに基づいて前記被測定対象の座標を決定するために使用される。

別の実施態様は、対象を測定するための光学カメラ３次元座標測定方法を包含でき、当該方法は：被測定対象に沿った異なる点においてその被測定対象と直接接触させて、球表面を包含する既知の寸法の小型、移動容易、かつ回転可能な目標を配置し、それによって目標から被測定対象まで延びる、より大きく拡大されたプローブ接触先端を使用する必要性を排除すること；目標内の既知の位置に配置された少なくとも１つまたは複数の光放射源からの光を目標から放射すること；異なる光学的な見方からそれらの光放射源からの光を受光するための異なる既知の座標位置に配置された少なくとも２つのカメラにそれらの光源のイメージを記録すること；およびカメラ上の光放射源のイメージから、カメラの既知の位置から、目標の既知の寸法から、および目標内の光放射源の既知の位置から被測定対象の３次元座標における位置を計算することを包含する。

別の実施態様は、被測定対象とともに使用するための光学カメラ３次元座標測定システムを包含でき、当該システムは：被測定対象内の少なくとも１つまたは複数の孔内に配置されることになる、それによって目標から被測定対象まで延びる、より大きく拡大されたプローブ接触先端を使用する必要性を排除する円柱表面を包含する既知の寸法の小型、移動容易、かつ回転可能な目標；少なくとも１つまたは複数の光放射源であって、円柱対称軸に沿った既知の位置に配置された光放射源；異なる光学的な見方から、光放射源からの光を受光するための異なる既知の座標位置に配置された少なくとも２つのカメラ；およびカメラ上の光放射源のイメージから、カメラの既知の位置から、目標の既知の寸法から、および目標内の光放射源の既知の位置から被測定対象の３次元座標における位置を計算するためのプロセッサを包含する。

以下、図面を参照して例示的な実施態様を示すが、それらは開示の全範囲に関する限定と考えられるべきでなく、また、いくつかの図面内においては要素に類似の番号が使用されている。

図１に示されている３次元座標測定デバイス１００は、２以上のカメラ４００Ａ，４００Ｂ、コンピューティング・インターフェース５００、放射器２００を包含する。放射器２００は、球体マウント放射器２１０、プローブ・マウント放射器２２０、基準放射器２３０、広角放射器２４０、または、リトロプローブ放射器２６０として実装できる。

［放射器］
図２に示されているとおり、放射器２００は、光源２０２、硬質プローブ構造２０４、およびワイヤ２０６を包含する。この光源は、空間内の小さいスポットから広い角度にわたって光を放射することが好ましい。光源の例に広角発光ダイオード（ＬＥＤ）があるが、任意の適切な光源が使用できることから、本発明がＬＥＤ光源に限定されることはない。

電子信号手段１８０は、電源１８２、パルサ１８４、トランシーバ１８５、アンテナ１８６、およびオペレータ・コントロール・ユニット１８８を包含する。電源１８２は、バッテリまたはＡＣ電力用のプラグとすることができる。パルサ１８４は、ワイヤ２０６を介して電子信号を送出し、それが光源２０２をフラッシュさせる。パルサ１８４によって生成されるパルスのタイミング、持続時間、および強度は、次の３つの方法のうちの１つにおいてコントロールできる。すなわち（１）アンテナ１８６を介して受信される信号による方法、（２）オペレータ・コントロール・ユニット１８８上のボタンをオペレータが押したときに起動される信号による方法、または（３）あらかじめ決定済みの信号パターンによる方法である。電子信号手段１８０は、オペレータによって運ばれる硬質プローブ構造２０４内に埋め込まれるか、フロア上に置くことができる。アンテナ１８６は、無線周波数（ＲＦ）または赤外線エネルギ等の電磁エネルギを捕らえる。代替実施態様として、アンテナ１８６を、コンピューティング・デバイスまたはリモート・コントロール・ユニットに接続されるワイヤに置き換えてもよい。

図３は、放射器２００の３つの実施態様、すなわち、球体マウント放射器２１０、プローブ・マウント放射器２２０、および基準放射器２３０を示している。球体マウント放射器２１０は、部分球２１２、光源２１４、およびワイヤ２１６を包含する。部分球２１２は、セグメントが取り除かれた球である。これは、磁気ネストによって適当な位置に保持されることが可能となるように鋼から作られることが好ましい。光源２１４は、部分球２１２の中心に配置される。ワイヤ２１６は、光源２１４を電子信号手段１８０（図２に示されている）に接続する。

プローブ・マウント放射器２２０は、小部分球２２２、光源２２３、ワイヤ２２４、プローブ本体２２５、回転シャフト２２６、およびロック・メカニズム２２７を包含する。光源２２３は、小部分球２２２の中心に配置される。ワイヤ２２４は、光源２２３を電子信号手段１８０（図２に示されている）に接続するが、好ましくは、電子信号手段１８０はプローブ本体２２５内に収められる。電源１８２は好適にバッテリとなり、オペレータ・コントロール・ユニット１８８は好適にプローブ本体２２５内に組み込まれる。回転シャフト２２６は、ある角度範囲にわたって回転可能であり、ロック・メカニズム２２７を用いて適当な位置にロックできる。

基準放射器２３０は、光源２３２、クラウン２３４、シャンク２３６、およびワイヤ２３８を包含する。光源２３２は、シャンク２３６およびクラウン２３４の円柱対称軸に沿って配置される。シャンク２３６は、対象１４０内に形成される基準ツーリング孔の内側に収まる。クラウン２３４の底は、対象１４０の表面と接触する。光源２３２は、対象１４０の表面の上方の固定距離に位置するように配置される。ワイヤ２３８は、光源２３２を電子信号手段１８０に接続する。

携帯型大規模ＣＭＭは、しばしば空気全体にわたって粒状物質が散乱されているような、汚れの多い産業環境内において使用される。粒子が図３の放射器内の光源の１つの上に付くと、当該粒子が部分的に、または完全に光源からの光を遮断する。この問題を回避するため、光源を覆って対称な透明カバーを光源と同心に配置できる。球体マウント放射器２１０に対するオプションのアタッチメントは、図４に示されている透明の球状シェル・セグメント２１９である。球状シェル・セグメント２１９は、定位および逆位で図示されており、シェルの内部構造が示されている。球状シェル・セグメント２１９の球表面は、図３に示されている球表面２１２の中心上に中心が置かれる。その場合に光源２１４によって放射される光は、直線光線として球状シェル・セグメント２１９を通過する。球状シェル・セグメント２２９がオプションとして球体マウント・プローブ２２０に取り付けられ、球状シェル・セグメント２３９がオプションとして基準放射器２３０に取り付けられる。

放射器２００の第４の実施態様は広角放射器２４０であり、斜視図が図１および図５に、また、放射器の中心を通る断面図が図５に示されている。広角放射器２４０は、放射器ボール２５０、シャフト２４２、エレクトロニクス・キャビティ２４４、球形ベース・セグメント２４６、およびオプションのハンドル２４８を包含する。広角放射器２４０からの光の強度は、全方向においてほぼ同じである。放射器ボール２５０は、球形ベース・セグメント２４６の下側表面と中心が一致している。言い換えると、放射器ボール２５０の中心から球形ベース・セグメント２４６の外側表面までの距離が、球形ベース・セグメント２４６の半径に等しい。

放射器ボール２５０は、図６Ａ（ａ）の中心断面図に示されているが、上側透明半球シェル２５１、下側透明半球シェル２５２、および広角光源２５５を包含する。上側および下側半球シェル２５１，２５２は、屈折率整合セメントを用いて互いに接合されて、中空の球状キャビティ２５３を形成する。球状キャビティ２５３は、複数の薄い、固い誘電体材料の層を構成するコーティング２５４によって覆われているが、これは光源からの光をわずかな割合で、すなわち１または２パーセント透過し、残りの光を非常にわずかな損失しか伴わずに反射する。広角光源２５５は、球状キャビティ２５３の底の近傍にマウントされる。光源に取り付けられる電気ワイヤは、下側半球シェル２５２内に穿設された開口２５９を通ってルーティングされる。

図６Ａ（ｂ）は、広角光源２５５から出る光線２５６を図示している。発光ダイオード（ＬＥＤ）の形式の広角光源の場合には、放射された光が、通常、約１２０度のフル出力半値角を有する。光源２５５からの光の広角拡散が図６Ａ（ｂ）に示されている。キャビティ２５３の表面が高い反射性となるようにコーティングされていることから、わずかな量の光が透明半球シェル２５１および２５２を透過する。残りの光のほとんどは、吸収されるわずかな量を除いて反射される。図６Ａ（ｃ）は、特定の光線２５７Ａがキャビティ２５３の表面から光線として反射される態様を次の順序、すなわち２５７Ｂ、２５７Ｃ、および２５７Ｄで示している。この反射は、すべての光が半球シェル２５１および２５２を透過するか、またはガラスまたはコーティングによって吸収されるまで継続する。光線２５７Ａ、２５７Ｂ、２５７Ｃ、２５７Ｄ等々は、球状キャビティ２５３の表面上の広く間隔が開けられた点を覆う。反射の後に光線２５６は、球状キャビティ２５３の表面全体にわたって消散する。光源２５５からの光の広角分散および誘電体コーティング２５４からの高い光の反射率の結果として、光源の単位面積当たりの光の出力が球状キャビティ２５３の表面全体にわたってほぼ一定になる。さらに、概して光線は垂直入射角でキャビティ２５３の表面に当たらない。その結果、キャビティ２５３の表面を通って透過される光は、入射ビームに関してあらゆる異なる方向に屈折され、さらに半球シェル２５１および２５２の外側表面によって再びあらゆる異なる方向に屈折される。カメラ４００Ａおよび４００Ｂに対しては、放射器ボール２５１が、球状キャビティ２５３の直径と等しい直径を有する満遍なく照明された円として現れる。いずれのカメラの位置から見たときにも、照明されたキャビティ２５３のセントロイドがキャビティの幾何学中心とほぼ同一の位置になる。カメラに関して放射器ボール２５０が傾けられるときは、セントロイドの位置にいくらかの微変動が生じることがある。

広角放射器２４０を用いてもっとも正確な測定を得るためには、実際的である限りにおいてキャビティ２５３の直径を小さく、例えば、１ｍｍの直径とすることが必要である。それに加えて、誘電体コーティング２５４が、光源の波長において低い損失とともに高い反射率を有するべく設計される必要がある。光路当たりの透過率が１％であり、反射率がほぼ９９％であれば、キャビティの表面全体にわたる単位面積当たりの光学出力内における変動は小さい。これらのテクニックを使用すれば、セントロイドの位置における誤差が角度範囲全体にわたって約１０マイクロメートルを超えない、２３０または２４０度の視野角にわたって機能する広角放射器を作ることが可能になるであろう。広角放射器２４０は、複数のカメラが多様な角度にわたって目標を見るべく配置されるときに有利である。この測定状況については後述する。広角放射器２４０のためのエレクトロニクスおよびバッテリは、エレクトロニクス・キャビティ２４４内またはハンドル２４８内に収納されるようにできる。それに代えて、エレクトロニクスおよび電力が、離れた場所からワイヤによって提供されるようにしてもよい。

放射器２００の第５の実施態様は、図１および７の斜視図に示されたリトロプローブ放射器２６０である。このリトロプローブ放射器２６０は、光源２６１、バッフル２６２、光源支持物２６３、ミラー２６４、プローブ・シャフト２６５、およびプローブ先端２６６を包含する。光源２６１から出る光ビーム２７０は、ミラー２６４で反射され、光ビーム２７１としてカメラ４００Ａに伝わる。光源２６１から出る光ビーム２７２は、ミラー２６４で反射され、光ビーム２７３としてカメラ４００Ｂに伝わる。プローブ先端２６６は、ミラー２６４によって形成される光源２６１の仮想イメージの位置に配置されている。言い換えると、プローブ先端２６６と光源２６１の間に引かれた直線が、ミラー２６４の反射面と直角に交差する。バッフル２６２は、カメラ４００Ａまたは４００Ｂに直接到達する光源２６１からの光を遮断する。したがって、これらのカメラは、点２６６から出ているものとして光源を見ることになる。この構成は、両方のカメラ４００Ａ、４００Ｂから光源を見ることができない点にプローブ先端２６６が到達可能であることから有利である。

［カメラ］
カメラ４００Ａのブロック図を図８に示すが、これはカメラ４００Ｂとまったく同じである。カメラ４００Ａは、イメージング・ブロック４１０および電気ブロック４３０を包含する。イメージング・ブロック４１０には２つの実施態様がある。第１の実施態様は、図９に示されている線形イメージング・ブロック８００である。線形イメージング・ブロック８００は、光学バンドパス・フィルタ８１４、ビーム・スプリッタ８１６、第１および第２の絞り８２０Ａ，８２０Ｂ、第１および第２の円柱レンズ・アッセンブリ８３０Ａ，８３０Ｂ、および第１および第２の線形感光アレイ８４０Ａ，８４０Ｂを包含する。光学バンドパス・フィルタ８１４の目的は、光源２０２の波長範囲外の背景光を排除することである。これは、感光アレイ８４０Ａ，８４０Ｂの信号対ノイズ比を改善する。光学バンドパス・フィルタ８１４に対する代替は、第１および第２のレンズ・アッセンブリ８３０Ａ，８３０Ｂの表面のコーティングによって望ましくない波長をフィルタ・アウトすることである。

光軸３１０は、ビーム・スプリッタ８１６、第１の絞り８２０Ａ、第１の円柱レンズ・アッセンブリ８３０Ａ、および第１の線形感光アレイ８４０Ａの中心を通る。ビーム・スプリッタ８１６からの光軸３１０の反射は、第２の絞り８２０Ｂ、第２の円柱レンズ・アッセンブリ８３０Ｂ、および第２の線形感光アレイ８４０Ｂの中心を通る。光線３１４は、図９に示されるとおりに光源２０２から出て線形イメージング・ブロック８００まで伝わる。第１の絞り８２０Ａは、この光の一部だけが第１の円柱レンズ・アッセンブリ８４０Ａに入ることを許可する。第１の円柱レンズ・アッセンブリ８３０Ａは、１つまたは剛体構造内において組み合わされた複数の個別のレンズ・エレメントから構成することができる。レンズ・アッセンブリ８３０Ａは、完全に省略することさえ可能であり、その場合は結果としてピンホール・カメラのタイプになる。絞り８２０Ａは、円柱レンズ・アッセンブリ８４０Ａ内のレンズ・エレメントの間、またはその外側に配置することができる。第１の円柱レンズ・アッセンブリ８３０Ａは、ｙ方向において焦点強度を有するが、ｘ方向においては有していない。言い換えると、第１の円柱レンズ・アッセンブリは、光をｙ方向に集束させる傾向を持つが、ｘ方向においては影響を与えずに残すことになる。結果として第１の円柱レンズ・アッセンブリ８３０Ａを出た光は、ｘ方向に延びるライン８５４Ａを形成することになる。

光源２０２は、図１の測定環境内におけるいずれかの基準のグローバル・フレームに関する座標（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）にある。光線３１４は、ビーム・スプリッタ８１６によって分割される。ビーム・イメージを求めるために、円柱レンズ・アッセンブリ８３０Ａ、８３０Ｂの光学中心を通る光線を考える。光のライン８５４Ａ、８５４Ｂのセントロイドは、概略でｆａ_ｙ、ｆａ_ｘに生じるが、これにおいてｆは、円柱レンズ・アッセンブリ８３０Ａの焦点距離であり、ａ_ｙ、ａ_ｘは、光軸３１０に関して光線３１４がなすｙ、ｘ方向における角度である。実際のセントロイドは、レンズ・システムの収差に起因してｆａ_ｙ、ｆａ_ｘとはわずかに異なる位置になる。これらの収差を補償するために、各点において補正値が適用される。この補正値は、工場において一度行われる測定を通じて決定される。

線形感光アレイ８４０Ａ、８４０Ｂを照明する背景光の量を最小化することは重要である。背景光を減じる１つの方法についてはすでに論じたとおりである−−光学バンドパス・フィルタ８１４を追加するか、または円柱光学レンズ・アッセンブリ８３０Ａ、８３０Ｂをコーティングして不要波長を排除する。背景光を減じる別の方法は、線形感光アレイ８４０Ａ、８４０Ｂの積分時間を同期させて光源２０２のフラッシングに対応させることである。

イメージング・ブロック４１０の第２の実施態様は、図１０に示されている面イメージング・ブロック９００である。エリア・イメージング・ブロック９００は、光学バンドパス・フィルタ９１４、絞り９２０、球面レンズ・アッセンブリ９３０、および面感光アレイ９４０を包含する。光学バンドパス・フィルタ９１４の目的は、光源２０２の波長範囲外の背景光を排除することである。これは、感光アレイ９４０の信号対ノイズ比を改善する。光学バンドパス・フィルタ９１４に対する代替は、レンズ・アッセンブリ９３０の表面のコーティングによって望ましくない波長をフィルタ・アウトすることである。

光軸３１０は、光学バンドパス・フィルタ９１４、絞り９２０、球面レンズ・アッセンブリ９３０、および面感光アレイ９４０の中心を通る。光線３１４は、図１０に示されるとおりに光源２０２から出て面イメージング・ブロック９００まで伝わる。絞り９２０は、この光の一部だけが球面レンズ・アッセンブリ９３０に入ることを許可する。球面レンズ・アッセンブリ９３０は、１つまたは剛体構造内において組み合わされた複数の個別のレンズ・エレメントから構成することができる。球面レンズ・アッセンブリ９３０は、完全に省略することさえ可能であり、その場合は結果としてピンホール・カメラのタイプになる。絞り９２０は、球面レンズ・アッセンブリ９４０内のレンズ・エレメントの間、またはその外側に配置することができる。

球面レンズ・アッセンブリ９３０は、ｘおよびｙ方向において等しい焦点強度を有する。その結果、球面レンズ・アッセンブリ９３０に入る光は、面感光アレイ９４０上の点９５３に小さいスポットを形成する。点９５３の位置を求めるために、光源２０２からの光線３１４が、球面レンズ・アッセンブリ９３０の光学中心を通って引かれている。通常カメラ４００Ａ、４００Ｂからの距離は、カメラ内のレンズ・システムの焦点距離よりはるかに大きい。この場合においては、光点９５３が、円柱レンズ・システム９３０の有効中心から概略で焦点距離ｆだけ離れて形成される。感光アレイ９４０の中心が位置（ｘ，ｙ）＝（０，０）にある場合には、点９５３が概略でアレイ９３０上の座標（ｆａ_ｘ，ｆａ_ｙ）に位置し、それにおいてａ_ｘ、ａ_ｙは、光軸３１４に関して光線３１０がなす角度である。絞り９２０の直径は、充分に小さく設定され、光学出力を過度に減じることなく収差を最小化する。

光点９５３のセントロイドの位置は、面感光アレイ９４０のピクセル応答から計算される。概していえば、光学収差の効果を相殺するべくこの位置を補正することが必要になる。この補正値は、工場において一度行われる測定を通じて決定される。

面感光アレイ９４０を照明する背景光の量を最小化することは重要である。背景光を減じる１つの方法についてはすでに論じたとおりである−−光学バンドパス・フィルタ９１４を追加するか、または球面光学レンズ・アッセンブリ９３０をコーティングして不要波長を排除する。背景光を減じる別の方法は、面感光アレイ９４０の積分時間を同期させて光源２０２のフラッシングに対応させることである。

図８の電気ブロック４３０は、コンディショナ４３２およびコンピューティング手段４３４を包含する。コンディショナ４３２の主要な目的は、コンピューティング手段４３４による処理に適したディジタル信号を生成することである。感光アレイ４２０がＣＣＤアレイの場合には、コンディショナ４３２が、アナログ−ディジタル・コンバータおよびサポート回路をおそらくは含むことになろう。感光アレイ４２０がＣＭＯＳアレイの場合には、コンディショナ４３２がおそらくはアナログ−ディジタル・コンバータを必要とせず、バッファ／ライン−ドライバだけを含むことになろう。データは、コンディショナ４３２からコンピューティング手段４３４に転送されるが、当該手段は、ディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、フィールド−プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、マイクロプロセッサ、または類似のコンピューティング・デバイスを含むことができる。コンピューティング手段４３４の目的は、上記の処方に従って感光アレイ上のイメージを処理することである−−すなわち、セントロイドを求め、適切な補正係数を適用し、最良当て嵌め計算を実行する。

コンピューティング・インターフェース５００は、コンピューティング手段５１０、ユーザ・インターフェース５２０、トランシーバ５３０、およびアンテナ５４０を包含する。データは、コンピューティング手段４３４からコンピューティング手段５１０に送られる。同時に、データがカメラ４００Ｂ内の対応するコンピューティング手段から送られる。これら２つのカメラは、光源２０２に対する角度についての情報を提供する。

光源２０２のパルシング、感光アレイ８４０Ａ、８４０Ｂ、または９４０の露出およびそれからのデータの読み取り、およびコンピューティング手段４３４および５１０による計算の間には、調和が必要とされる。この調和のためのタイミング信号は、次の３つの方法のうちの１つに従ってトリガされるようにできる：すなわち（１）アンテナ１８６またはアンテナ１８６に代わるワイヤを介して受信される信号による方法、（２）オペレータ・コントロール・ユニット１８８上のボタンをオペレータが押したときに起動される信号による方法、または（３）あらかじめ決定済みの信号パターンによる方法である。

［計算］
３次元座標測定デバイス１００の目的は、移動する放射器２００の位置を決定することである。これは、２つの段階で行われる−−すなわち、後方交会法段階および交差法段階である。後方交会法段階においては、カメラの位置および方位が決定される。２つのカメラのうちの１つが、原点（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，０）にあり、方位角（ピッチ、ロール、およびヨー）がゼロに等しいと考える。第２のカメラの位置および方位は、間の距離が既知の光点を測定することによって求められる。これは、それらのカメラに関して異なる距離および位置にある点を用いて数回行われる。カメラの縮尺を確立するためには、この後方交会法段階において、既知の距離によって離隔された点を測定する必要がある。これは、複合材料またはインバール（Ｉｎｖａｒ）等の低ＣＴＥ材料からなるアーティファクトを用いて好適に行われる。そのアーティファクト上に２またはそれを超える数の光源がマウントされる。交差法段階においては、放射器が点から点に移動するとき、カメラのフレーム・レートにおいて放射器の座標が決定される。

後方交会法および交差法測定両方において、最良当て嵌め数学が使用されて、必要な座標および方位が決定される。これらの数学的テクニックは、写真測量および調査の関係者には周知である。この問題について、多くの書籍および論文が書かれており、したがってこれ以上ここでは論じない。

［測定]
対象１４０の重要な寸法的特性のほとんどは、座標測定デバイス１００を用いて測定可能である。対象１４０の表面の輪郭は、規則的な間隔で光源２１４をすばやくフラッシュさせつつ対象１４０の表面にわたって球体マウント光源２１０を移動することによって決定できる。光源２１４が部分球２１２の中心に位置することから、光源２１４から対象１４０の表面までの距離は、球体マウント光源２１０のピッチ、ヨー、またはロール角とは無関係に一定である。その表面の座標は、座標の読みからこの一定距離を除いて決定される。平坦な対象の表面の輪郭を測定することによって、その対象の平面度を−−言い換えると、その表面が理想的な平面からどの程度逸脱しているかを決定することが可能になる。２つの平坦な対象を測定することによって、それらの表面の間の角度を決定できる。球状の表面を測定することによって、その球の中心および直径を決定することが可能である。プローブ・マウント放射器２２０は、小さい対象または細かい詳細を伴う対象の表面の輪郭の測定に使用できる。

大きなフットプリント（たとえば、辺が１５メートル）にわたって測定を行う好都合な方法は、それぞれが広い視野を有する複数の固定カメラとともに広角放射器２４０を使用することである。広角放射器２４０を、連続的にカメラによってそれが観察されている間に移動する。オペレータは、カメラを再配置すること、または追加の後方交会法手順を実行することを必要とせずに、その対象のすべての辺を測定する。

自動車、航空機、科学的構造物、およびそれらに類似した対象の組み立ておよび特性記述に使用されるツール上に基準点を配置することは一般的に行われている。基準点の１つの用途は、対象の寸法が経時的に変化しているか否かの監視である。その種の寸法的な変化が、機械的な衝撃から、または周囲温度の変化からもたらされることがある。基準点を設定する１つの方法は、対象の適切な場所に孔を穿設することである。ツーリング・ボール１６０または基準放射器２３０等のプローブがその孔の中に配置される。図１および１１に示されている１６０は、球１６２、クラウン１６４、およびシャンク１６６を包含する。シャンク１６６が基準ツーリング孔内に配置され、球１６２の中心が、その孔の上端から上方に一定距離になる。球１６２の輪郭は、球体マウント光源２１０またはプローブ・マウント光源２２０を使用して測定可能である。これからツーリング孔の中心が決定できる。基準放射器２３０についてはすでに述べた。光源２３２が球１６２の中心に対応する位置に配置されている。このことからツーリング孔の場所を決定することが可能になり、それがツーリング孔内における基準放射器２３０の向きによって影響されることはない。

基準点を設定する別の方法は、対象またはその周囲にネストを取り付けることである。磁気ネスト１５０が図１および１１に示されている。これは、ネスト本体（図１１に示す）、ネスト本体内の３つの球状点接触（図示せず）、およびネスト本体内の磁石（図示せず）を包含する。球表面は、３つの球状点接触上に置かれているとき、その球の中心周りに任意の所望のピッチ、ヨー、およびロール角に回転が可能である。鋼から作られた球体マウント光源２１０が磁気ネスト１５０内に置かれると、ネスト内の磁石が、光源２１０を３つの球状点接触と接触させて堅固に保持する一方、光源２１０が任意の所望の位置に回転されることを可能にする。ネスト１５０は、ねじまたは熱接着等によって対象またはその周囲に取り付けることができる。

しばしば、１つまたは複数のカメラ４００Ａ、４００Ｂの直接視野から覆い隠された特徴の測定が必要になる。リトロプローブ放射器２６０は、その種の隠された特徴のプロービングを可能にする。

［速度、精度、およびコスト］
イメージング・ブロック８００は、高速および高精度を低コストで提供する。５０００ピクセルおよび１００％のフィル・ファクタのＣＣＤ線形アレイおよび５０度＝０．８７ラジアンの視野を有するカメラについて考える。システムのサブピクセル精度が１００：１であり、かつカメラのジオメトリが角度測定に関する３次元精度において２の修正をもたらすとすれば、期待される３次元精度は０．８７×２／（５０００×１００）＝３．５ｐｐｍとなり、今日入手可能なほかのいずれの３次元測定システムから得られるより良好であるか、またはそれに等しい。測定速度は１０，０００Ｈｚであり、今日入手可能なほとんどの測定システムよりも高い。

面イメージング・ブロック９００もまた、高速および高精度を低コストで提供する。１０００ピクセルおよび１００％のフィル・ファクタのＣＣＤ線形アレイおよび５０度＝０．８７ラジアンの視野を有するカメラについて考える。システムのサブピクセル精度が２００：１であり、かつカメラのジオメトリが角度測定に関する３次元精度において２の修正をもたらすとすれば、期待される３次元精度は０．８７×２／（１０００×２００）＝８．７ｐｐｍとなり、今日入手可能な最良の携帯型３次元座標測定システムに匹敵する。測定速度は約１００Ｈｚであり、これは、移動する放射器の動きの固定のためにライトがフラッシュされる限り、ほとんどすべての応用に充分である。

当然のことながら、ここで教示されている原理を使用する請求の範囲に記載された表示を構成するための多くの方法が存在する。ここで述べた特定の実施態様は、請求の範囲内に入るすべての可能な構成のセットの中のごくわずかでしかない。

本発明について、例示的な実施態様を参照して説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに多様な変更を行うことができ、また等価物がその要素を置換できることを理解するであろう。それに加えて、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるべく、その本質的な範囲から逸脱することなしに多くの修正を行うことができる。したがって、本発明を実施するために企図された最良の形態として開示されている特定の実施態様に本発明が限定されることはなく、むしろその逆に本発明が付随する請求の範囲内に入るすべての実施態様を含むことが意図されている。さらに、第１の、第２の、等々の用語の使用は、いかなる順序または重要度も示さず、むしろその逆に第１の、第２の、等々の用語は、１つの要素をほかと区別するために使用されている。それに加えて、数量の明示がないことは単一であるとの限定を示してなく、むしろその逆に、引用されているアイテムの少なくとも１つが存在することを示す。

例示的な３次元測定デバイスの斜視図である。 図１の例示的な放射器内の主要な要素のいくつかのブロック図である。 図２の例示的な放射器の実施態様の斜視図である。 図２の例示的な放射器の他の実施態様の斜視図である。 図２の例示的な放射器の他の実施態様の斜視図である。 図３に示されている３つの放射器実施態様に取り付けることができる、光源を塵埃から保護するための透明球状シェル・セグメントの斜視図である。 図３に示されている３つの放射器実施態様に取り付けることができる、光源を塵埃から保護するための他の透明球状シェル・セグメントの斜視図である。 図３に示されている３つの放射器実施態様に取り付けることができる、光源を塵埃から保護するための他の透明球状シェル・セグメントの斜視図である。 例示的な球体マウント広角放射器の側面図および断面図である。 広角放射器内の放射器ボール、および放射器ボールの球状キャビティ内の光線の光路を示した断面図である。 例示的なリトロプローブ放射器の斜視図である。 システム内のカメラの主要な要素のいくつかのブロック図である。 イメージが、ビーム・スプリッタ、円柱レンズ、および線形感光アレイを用いて形成されるカメラ内のイメージング・ブロックの第１の実施態様の斜視図である。 イメージが、球面光学系および面感光アレイを用いて形成されるカメラ内のイメージング・ブロックの第２の実施態様の斜視図である。 ツーリング・ボールおよびネストの斜視図である。

Claims (20)

1. 被測定対象とともに使用するための光学カメラ３次元座標測定システムであって、
   既知の寸法を備えた小型かつ移動回転可能な目標であって、前記被測定対象に沿った異なる点において前記被測定対象に直接接触して配置されることにより、目標から前記被測定対象まで延びる大きく拡大されたプローブ接触先端を使用する必要性を排除する球状表面を包含した目標と、
   前記目標内の既知の位置に配置された１以上の光放射源であって、球表面を有する前記目標の球の中心に配置された光放射源と、
   互いに光学的に異なる見方から前記光放射源からの光を受光する２以上のカメラであって、互いに異なる既知の座標位置に配置された２以上のカメラと、
   前記カメラ上の前記光放射源のイメージ、前記カメラの前記既知の位置、前記目標の前記既知の寸法、および、前記目標内の前記光放射源の前記既知の位置に基づいて前記被測定対象の３次元座標における位置を計算するプロセッサと、
   を包含するシステム。
2. 前記目標は、第２の光透過性の球の内側に配置される球であって、前記光源によって照明されるとともに半反射コーティングを伴う光透過性の球を包含する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記目標は、前記目標に取り付けられたハンドルを有する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記球表面は、被測定対象と接触して配置され、
   さらに、ミラーに関連して配置される光源であって、前記球表面の中心が前記目標内の前記光源の仮想イメージ位置に配置されるように配置される光源を含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記目標は、少なくとも１つの側面上で開いた部分球である、請求項１に記載のシステム。
6. 前記目標は、ハンドルに取り付けられる、請求項１に記載のシステム。
7. 前記少なくとも２つのカメラは、それぞれ１以上の感光アレイを含み、
   前記感光アレイが、前記光放射源から光が入射して当該感光アレイ上に記録された前記光放射源のイメージから前記被測定対象の３次元座標を決定するために使用される、請求項１に記載のシステム。
8. 被測定対象とともに使用するための座標測定マシン（ＣＭＭ）であって、
   前記被測定対象に沿った異なる点において前記被測定対象に接触して配置される目標であって、既知の寸法を有した球または円柱形状の幾何学的目標と、
   前記球または円柱形状の幾何学的目標上の対称点に配置される１以上の発光ダイオード光源と、
   異なる光学的な見方から、前記発光ダイオード光源からの光を受光するべく、互いに異なる既知の座標位置に配置された２以上の感光カメラと、
   前記カメラ上に記録された前記発光ダイオード光源のイメージ、前記カメラの前記既知の位置、前記球または円柱の形状の幾何学的目標の前記既知の寸法、および、前記球または円柱の形状の幾何学的目標内に配置された前記光放射源の前記既知の位置に基づいて、前記被測定対象の３次元座標における位置を計算するためのプロセッサと、
   を包含し、
   前記少なくとも２つのカメラは、それぞれ少なくとも１以上の感光アレイを含み、
   前記感光アレイが、前記発光ダイオード光源から光が入射して当該感光アレイ上に記録された前記発光ダイオード光源のイメージに基づいて前記被測定対象の座標を決定するために使用される座標測定マシン。
9. 前記発光ダイオード光源は、円柱対称性を有する目標の軸に沿って配置され、
   前記目標の一部が、前記被測定対象内の指定された直径の孔内に嵌るべく構成される、請求項８に記載のマシン。
10. 前記発光ダイオード光源は、球表面を有する前記目標の球の中心に配置される、請求項８に記載のマシン。
11. 前記目標は、第２の光透過性の球内に配置される球であって、前記発光ダイオード光源によって照明されるとともに半反射コーティングを伴う半光透過性の球を包含する、請求項８に記載のマシン。
12. 前記目標は、前記目標に取り付けられたハンドルを有する、請求項８に記載のマシン。
13. 球表面が、被測定対象と接触して配置され、
    さらに、ミラーに関連して配置される光源であって、前記球表面の中心が前記目標内の前記光源の仮想イメージ位置に配置された光源を含む、請求項８に記載のマシン。
14. 前記目標は、少なくとも１つの側面上で開いた部分球である、請求項８に記載のマシン。
15. 対象を測定するための光学カメラ３次元座標測定方法であって、
    既知の寸法を備えた小型かつ移動回転可能な目標であって、前記被測定対象に沿った異なる点において前記被測定対象に直接接触して配置されることにより、目標から前記被測定対象まで延びる大きく拡大されたプローブ接触先端を使用する必要性を排除する球状表面を包含した目標を配置することと、
    前記目標内の既知の位置に配置された１以上の光放射源からの光を前記目標から放射することと、
    異なる光学的な見方から、前記光放射源からの光を受光するべく、互いに異なる既知の座標位置に配置された２以上のカメラに前記光源のイメージを記録することと、
    前記カメラ上の前記光放射源のイメージ、前記カメラの前記既知の位置、前記目標の前記既知の寸法、および、前記目標内の前記光放射源の前記既知の位置に基づいて、前記被測定対象の３次元座標における位置を計算することと、
    を包含する方法。
16. 前記光放射源は、球表面を有する前記目標の球の中心に配置される、請求項１７に記載の方法。
17. 前記目標は、第２の光透過性の球の内側に配置された球であって、前記光源によって照明されるとともに半反射コーティングを伴う光透過性の球を包含する、請求項１６に記載の方法。
18. 前記球表面は、被測定対象と接触して配置され、
    さらに、ミラーに関して配置される光源であって、前記球表面の中心が前記目標内の前記光源の仮想イメージ位置に配置されるように配置される光源を含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記目標は、少なくとも１つの側面上で開いた部分球である、請求項１６に記載の方法。
20. 被測定対象とともに使用するための光学カメラ３次元座標測定システムであって、
    既知の寸法を備えた小型かつ移動回転可能な目標であって、前記被測定対象内の少なくとも１つまたは複数の孔内に配置されることにより、目標から前記被測定対象まで延びる大きく拡大されたプローブ接触先端を使用する必要性を排除する球状表面を包含した目標と、
    １以上の光放射源であって、円柱対称軸に沿った既知の位置に配置された光放射源と、
    異なる光学的な見方から、前記光放射源からの光を受光するべく、互いに異なる既知の座標位置に配置された２以上のカメラと、
    前記カメラ上の前記光放射源のイメージ、前記カメラの前記既知の位置、前記目標の前記既知の寸法、および、前記目標内の前記光放射源の前記既知の位置に基づいて、前記被測定対象の３次元座標における位置を計算するためのプロセッサと、
    を包含するシステム。

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