JP2014202522A

JP2014202522A - 三次元測定システム

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Publication number: JP2014202522A
Application number: JP2013076890A
Authority: JP
Inventors: 大典長友; Daisuke Nagatomo; 一樹北川; Kazuki Kitagawa
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2014-10-27
Anticipated expiration: 2033-04-02
Also published as: JP6097123B2

Abstract

【課題】設計難易度の低下、コスト低減、測定範囲の拡大、スループットの向上、高精度化を実現できる三次元測定システムを提供。【解決手段】任意の位置に移動可能な測定用点光源と、前記測定用点光源からの光を受光し、該測定用点光源の位置を検出する位置検出装置とを備えた三次元測定システム。測定用点光源からの光をラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃに集光させる光学系２４Ａ〜２４Ｃが、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃと、この回転対称レンズと各ラインセンサとの間に配置され、該回転対称レンズの点像を前記回転対称レンズの光軸及び前記ラインセンサの画素配列方向に対して直交する方向へ屈曲させて前記ラインセンサに導光する集光光学部品６２Ａ〜６２Ｃとから構成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、ワークの位置や形状を光学的に測定するための三次元測定システムに関する。詳しくは、任意の位置に移動可能な測定用点光源と、この測定用点光源からの光を受光し、該測定用点光源の位置を検出する位置検出装置とを備えた三次元測定システムに関する。

従来、スポット光を被測定物（ワーク）に照射し、その照射位置からの反射光、あるいは、任意の位置に移動可能な測定用点光源からの光を受光し、スポット光の照射位置や測定用点光源の位置に関する情報を求める三次元測定システムが知られている。

例えば、特許文献１では、スポット光を被測定物に照射し、その照射位置からの反射光をＸ軸上の異なる領域に収束する第１及び第２の光学系と、これらの光学系によってＸ軸上の異なる領域に収束された反射光を受光しＸ軸上における輝度分布を表す検出信号を出力する第１及び第２のラインセンサと、スポット光の反射光をＹ軸上に収束する光学系と、この光学系によってＹ軸上に収束された反射光を受光し、Ｙ軸上における輝度分布を表す検出信号を出力する第３のラインセンサと、各ラインセンサからの検出信号に基づいて、検出対象におけるスポット光の照射位置に関する情報を求める演算処理部とを備えた三次元測定システムが提案されている。

このような測定システムによれば、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸といった三次元駆動軸を持たなくても、ワークに対してスポット光を照射するだけで、スポット光が照射された照射位置に関する情報を光学的に正確に検出できる。そのため、巨大構造物の測定や危険領域における測定などに利用されている。

特開２００５−２３３７５９号公報

ところで、上述した従来の測定システムにおいて、第１及び第２の光学系では、シリンドリカルレンズなどの回転非対称な光学系を用いて、スポット光や点光源からの光を線状に、かつ、ラインセンサに対して直交するように集光させる。これにより、ラインセンサは、スポット光や点光源からの光を、線像とラインセンサとの交差部分の光強度分布として捉えることができる。

ところが、回転非対称な光学系は、回転対称な光学系に比べ、設計の難易度が高いだけでなく、加工の難易度も高く、球面レンズなどと同等の加工精度を要求すると高価になる。従って、回転非対称な光学系の採用は、開発コストや製造コストの上昇を招く。
また、ラインセンサは線像との交差部分しか受光しないため、集光させた線像の殆どを使用できていない。動解析を考慮した場合、数メートル離れた点光源からの光は十分ではないため、測定可能範囲に限界がある。また、素子に十分な電荷を蓄えるためには露光時間を一定時間確保する必要があり、その結果、スループットや測定精度などに制限がかかってしまう。

本発明の目的は、従来の課題を解決し、設計難易度の低下、コスト低減、測定範囲の拡大、スループットの向上、高精度化を実現できる三次元測定システムを提供することにある。

本発明の三次元測定システムは、任意の位置に移動可能な測定用点光源と、前記測定用点光源からの光を受光し、該測定用点光源の位置を検出する位置検出装置とを備え、前記位置検出装置は、互いに離間して配置され前記測定用点光源からの光を第１軸上に集光する一対の第１光学系と、この各第１光学系によって前記第１軸上に集光された光を受光し第１軸上における輝度分布を表す第１輝度分布信号を出力する一対の第１ラインセンサと、前記測定用点光源からの光を前記第１軸とは直交する第２軸上に集光する第２光学系と、この第２光学系によって前記第２軸上に集光された光を受光し第２軸上における輝度分布を表す第２輝度分布信号を出力する第２ラインセンサ、前記第１輝度分布信号および第２輝度分布信号に基づいて前記測定用点光源の座標を演算する位置演算部を含んで構成された三次元測定システムにおいて、前記第１光学系および第２光学系は、回転対称レンズと、この回転対称レンズと前記各ラインセンサとの間に配置され、該回転対称レンズの点像を前記回転対称レンズの光軸及び前記ラインセンサの画素配列方向に対して直交する方向へ屈曲させて前記ラインセンサに導光する集光光学部品とから構成されている、ことを特徴とする。

このような構成によれば、第１光学系および第２光学系が、回転対称レンズと、この回転対称レンズと各ラインセンサとの間に配置され、該回転対称レンズの点像を回転対称レンズの光軸及びラインセンサの画素配列方向に対して直交する方向へ屈曲させてラインセンサに導光する集光光学部品とから構成されているから、測定用点光源からの光は回転対称レンズおよび集光光学部品を介して、ラインセンサに導かれ、ラインセンサによって輝度分布信号として検出される。

このため、従来のように、シリンドリカルレンズなどの回転非対称な光学系を用いなくてもよいので、設計の難易度を低下させることができ、開発・製造コストの低減が図れる。
また、回転対称レンズに入射した光を、集光光学部品によって回転対称レンズの光軸及びラインセンサの画素配列方向に対して直交する方向へ屈曲させてラインセンサに集光する構成のため、回転対称レンズに入射した光はラインセンサの画素方向に分割され、強度分布を維持したままラインセンサで受光される。従って、回転対称レンズに入射した光のほとんどをラインセンサで受光できるため、測定範囲の拡大、スループットの向上、高精度化を実現できる。

本発明の三次元測定システムにおいて、前記集光光学部品は、前記ラインセンサを構成する画素の配列方向に沿って積層された複数の集光素子によって構成され、前記各集光素子は、前記回転対称レンズ側に矩形形状の光入射口を有し、前記ラインセンサ側に矩形形状の光射出口を有するとともに、これら光入射口から光射出口に向かって断面矩形の導光路を有し、前記導光路は、前記光入射口および光射出口を結ぶ四側外周壁が光反射面によって形成されるとともに、前記画素の配列方向寸法が前記画素の幅寸法以下で、かつ、前記回転対称レンズの光軸および前記画素の配列方向に対して直交する方向の寸法が、前記光入射口から光射出口に向かうに従って次第に小さくなる寸法に形成されている、ことが好ましい。

このような構成によれば、集光光学部品を、複数の集光素子をラインセンサを構成する画素の配列方向に沿って積層することによって構成することができる。
また、各集光素子は、矩形形状の光入射口から光射出口に向かって断面矩形の導光路を有し、この導光路の四側外周壁が光反射面によって形成されるから、隣接する集光素子とは光学的に分離された構造である。そのため、回転対称レンズに入射した光はラインセンサの画素方向に分割され、強度分布を維持したままラインセンサで受光される。
また、導光路は、画素の配列方向寸法が画素の幅寸法以下で、かつ、回転対称レンズの光軸および画素配列方向に対して直交する方向の寸法が、光入射口から光射出口に向かうに従って次第に小さくなる寸法に形成されているから、回転対称レンズに入射した光のほとんどが、導光路によって導かれてラインセンサに届くため、測定範囲の拡大、スループットの向上、高精度化を実現できる。

本発明の三次元測定システムにおいて、前記集光素子の導光路は、中心に配置された断面矩形状のコアと、このコアの外周面を覆うクラッドとを有し、前記コアの屈折率が前記クラッドに比べて高く形成されている、ことが好ましい。
このような構成によれば、コアとクラッドとの境界面において全反射面が構成されているから、光ファイバと同様に、集光素子に入射した光を効率よく全反射させてラインセンサへ導光することができる。

本発明の三次元測定システムにおいて、前記集光素子の導光路は、光入射口および光射出口を結ぶ四側外周壁が反射板によって形成されるとともに、内部が中空に形成されている、ことが好ましい。
このような構成によれば、反射板を矩形筒状に形成することにより集光素子の導光路を構成することができるので、安価に製造することができる。また、内部が中空に形成されているので、集光光学部品の全体の重量を軽量化することができ、ひいては、三次元測定システム全体の重量を軽量化できる。従って、携帯に便利である。

本発明の第１実施形態の全体構成を示す図。同上実施形態のブロック図。同上実施形態において、接触式のプローブを示す斜視図。同上実施形態において、検出部の構成を示す斜視図。同上実施形態において、集光光学部品の構成を示す図。同上実施形態において、集光光学部品の横断面図。同上実施形態において、集光光学部品の縦断面図。本発明において、非接触式のプローブを示す図。

＜第１実施形態＞
図１および図２に示すように、本実施形態の三次元測定システムは、プローブ１０と、撮像部２０と、プローブ１０および撮像部２０を制御するとともに、撮像部２０からの検出信号を基にプローブ１０の位置およびプローブ１０の接触子１７の位置を演算する演算制御装置３０と、表示装置４０とを備える。ここで、撮像部２０および演算制御装置３０によって位置検出装置が構成されている。

プローブ１０は、図３に詳細を示すように、測定者が手でもって任意の位置へ移動できる大きさのプローブ本体１１と、このプローブ本体１１に一体的に設けられたスタイラス１６とを含んで構成されている。
プローブ本体１１は、測定者が両手で掴めるように、一端が結合され、他端が次第に離れるように弓状に湾曲したのち再び結合した２本のアーム１２，１３を有する形状に形成されている。また、プローブ本体１１の正面において、アーム１２，１３の一端結合部１４と、アーム１２，１３の他端結合部１５を挟んだ両側部とには、測定用光源としての３個のＬＥＤ（発光ダイオード）１〜３，４〜６，７〜９がそれぞれ配置されている。つまり、プローブ本体１１には、合計９個のＬＥＤ１〜９が配置されている。これらのＬＥＤ１〜９は、演算制御装置３０からのパルス信号に同期して予め設定された順番で点灯されるように構成されている。
スタイラス１６は、プローブ本体１１のアーム１２，１３の他端結合部１５から一端結合部１４とは反対側に突出して設けられ、先端に球状の接触子１７を有する。従って、プローブ本体１１に対してＬＥＤ１〜９と接触子１７とが所定の位置関係で配置されているため、ＬＥＤ１〜９の座標を求めることにより、これらの座標から接触子１７の座標を求めることができる。

撮像部２０は、三脚２１と、この三脚２１によって略水平に支持された横長箱状のケース２２と、このケース２２の正面３箇所、つまり、左右および中央に配置された３つの検出部２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃと、ケース２２内に配置されたフレームグラバ２６および制御基板２７とから構成されている。
検出部２３Ａ〜２３Ｃは、集光領域から入射した光を１軸上に集光させる光学系２４Ａ〜２４Ｃと、この光学系２４Ａ〜２４Ｃによって集光された光を受光し、１軸上における輝度分布を表す輝度分布信号を出力するラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃとから構成されている。ラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃは、例えば、ＣＣＤ（charge coupled device）を一列に配列した構成である。

ここで、検出部２３Ａ，２３Ｃにおいて、ラインセンサ２５Ａ，２５Ｃは、集光領域２８のＸ軸（第１軸）と直交するＹ軸に対して直交し、かつ、Ｘ軸に対して僅か内向きに傾斜して配置されている。つまり、ラインセンサ２５Ａ，２５Ｃの向きが中央のラインセンサ２５Ｂに僅か向くように内向きに傾斜して配置されている。光学系２４Ａ，２４Ｃは、集光領域２８から入射した光をＸ軸上に集光させる。従って、集光領域２８から入射した光は、ラインセンサ２５Ａ，２５ＣによってＸ軸上の輝度分布として検出される。また、検出部２３Ｂにおいて、ラインセンサ２５Ｂは、集光領域２８のＹ軸と平行に配置されている。光学系２４Ｂは、集光領域２８から入射した光をＹ軸上に集光させる。従って、集光領域２８から入射した光は、ラインセンサ２５ＢによってＹ軸上の輝度分布として検出される。
制御基板２７は、演算制御装置３０からのパルス信号に同期して、フレームグラバ２６を介して各検出部２３Ａ〜２３Ｃのラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃの画像を取り込み、輝度分布信号として演算制御装置３０へ送る。

演算制御装置３０は、タイミング制御部３１と、撮像部２０からの信号を処理してプローブ１０の位置を演算するプローブ演算部３２と、ワークの測定点を演算する測定点演算部３３とを含んで構成されている。
タイミング制御部３１は、プローブ１０のＬＥＤ１〜９を順番に点灯させるパルス信号を常時発信すると同時に、これに同期して、撮像部２０に対してもラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃの輝度分布信号の取り込みを制御するパルス信号を常時発信する。
プローブ演算部３２は、撮像部２０からの輝度分布信号を取り込んだのち、この輝度分布信号の輝度重心位置を求め、この輝度重心位置からプローブ１０の位置を演算する。つまり、各ＬＥＤ１〜９の座標を演算する。
測定点演算部３３は、プローブ演算部３２によって演算されたプローブ１０の位置（ＬＥＤ１〜９の座標）と、プローブ１０のＬＥＤ１〜９に対する接触子１７の位置とから、三次元測定システムにおける接触子１７の座標を算出する。

以上の構成において、本実施形態の光学系２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃでは、図４に示すように、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃと、この回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃと各ラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃとの間に配置され、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃの点像を、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃの光軸及びラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃの画素配列方向に対して直交する方向へ屈曲させてラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃに導光する集光光学部品６２Ａ〜６２Ｃとから構成されている。

回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃは、光軸のまわりに回転対称な面で構成されたレンズで、例えば、凸レンズ、凹レンズ、これらの組み合わせによって構成されている。
集光光学部品６２Ａ〜６２Ｃは、図５に詳細を示すように、ラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃの画素配列方向に沿って積層された複数の集光素子６３によって構成されている。各集光素子６３は、図６および図７に示すように、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃ側に矩形形状の光入射口６４を有し、ラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃ側に矩形形状の光射出口６５を有するとともに、これら光入射口６４から光射出口６５に向かって断面矩形の導光路６６を有する。

導光路６６は、光入射口６４および光射出口６５を結ぶ四側外周壁が光反射面６７によって形成されている。具体的には、中心に配置された断面矩形状のコア６８と、このコア６８の四側外周壁を覆うクラッド６９とから構成されている。コア６８およびクラッド６９は石英ガラスやプラスチックスなどによって構成されるが、コア６８の屈折率はクラッド６９に比べて高く形成されている。従って、コア６８とクラッド６９との境界面に全反射面が形成されている。
なお、測定用点光源であるＬＥＤ１〜９からの光が特定の波長である場合、その波長以外の内部透過率を低下させるようなコア６８を選択することにより、仮に外乱光が入射したとしても減衰させることで、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

また、導光路６６は、画素配列方向寸法が画素の幅寸法以下で、かつ、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃの光軸および画素配列方向に対して直交する方向の寸法が、光入射口６４から光射出口６５に向かうに従って次第に小さくなる寸法に形成されている。つまり、側面から見て、光入射口６４から光射出口６５に向かうに従って次第に小さくなるテーパ形状に形成されている。
ここで、導光路６６を構成する四側外周壁のうち、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃの光軸に対して傾斜した傾斜面６６Ａ，６６Ｂについては、平面で構成することもできるが、取り込んだ光を効率よく全反射させて光の漏れを極力抑えるために、自由曲面を採用することもできる。その形状は、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃのレンズバック、開口数、テレセントリシティ、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃとラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃまでの間隔、ラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃの素子高さなどを考慮して設計する。

＜ワーク測定作業＞
（ａ）ワーク測定作業を行うには、プローブ１０の接触子１７をワークの測定部位に接触させた状態において、プローブ１０に設けられた図示省略の測定スイッチを押す。すると、その信号をトリガとして、タイミング制御部３１から発信されているパルス信号に同期して、プローブ１０に設けられたＬＥＤ１〜９が順番に点灯していくとともに、各ＬＥＤ１〜９からの光が各検出部２３Ａ〜２３Ｃにおいて検出される。
つまり、ＬＥＤ１〜９からの光は、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃを通して集光光学系６２Ａ〜６２Ｃの導光路６６に入射される。すると、導光路６６の光反射面６７で全反射されてラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃに達するので、各ＬＥＤ１〜９からの光がラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃにおいて輝度分布信号として検出される。
各検出部２３Ａ〜２３Ｃにおいて検出された輝度分布信号はプローブ演算部３２に送られる。プローブ演算部３２では、輝度分布信号から輝度重心位置Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3を算出する。

（ｂ）続いて、これら輝度重心位置Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3から三角測量法を用いて、各ＬＥＤ１〜９の座標をそれぞれ演算する。ちなみに、各ＬＥＤ１〜９の座標を求めるには、特開２００５−２３３７５９号公報（特許文献１）に開示された公知の方法によって求めることができる。

（ｃ）次に、測定点演算部３３において、輝度重心位置Ｇ1，Ｇ2，Ｇ3から三角測量法を用いて演算した各ＬＥＤ１〜９の座標と、接触子１７との関係から、接触子１７の座標を求め、これを表示装置４０に表示させる。これにより、プローブ１０の接触子１７が接触したワークの測定部位の座標を求めることができる。

＜実施形態の効果＞
本実施形態によれば、検出部２３Ａ〜２３Ｃを構成する光学系２４Ａ〜２４Ｃが、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃと、この回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃと各ラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃとの間に配置され、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃの点像を回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃの光軸及びラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃの画素配列方向に対して直交する方向へ屈曲させてラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃに導光する集光光学部品６２Ａ〜６２Ｃとから構成されているから、ＬＥＤ１〜９からの光は回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃおよび集光光学部品６２Ａ〜６２Ｃを介して、ラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃに導かれ、ラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃによって輝度分布信号として検出される。
このため、従来のように、シリンドリカルレンズなどの回転非対称な光学系を用いなくてもよいので、設計の難易度を低下させることができ、開発・製造コストの低減が図れる。

また、集光光学部品６２Ａ〜６２Ｃは、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃに入射した光を、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃの光軸及びラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃの画素配列方向に対して直交する方向へ屈曲させてラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃに集光する構成のため、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃに入射した光はラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃの画素方向に分割され、強度分布を維持したままラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃで受光される。従って、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃに入射した光のほとんどをラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃで受光できるため、測定範囲の拡大、スループットの向上、高精度化を実現できる。

また、集光光学部品６２Ａ〜６２Ｃについては、複数の集光素子６３をラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃを構成する画素配列方向に沿って積層することによって構成することができる。
また、各集光素子６２Ａ〜６２Ｃは、矩形形状の光入射口６４から光射出口６５に向かって断面矩形の導光路６６を有し、この導光路６６の四側外周壁が光反射面６７によって形成されるから、隣接する集光素子６２Ａ〜６２Ｃとは光学的に分離された構造である。そのため、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃに入射した光はラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃの画素方向に分割され、強度分布を維持したままラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃで受光される。

また、導光路６６は、画素配列方向寸法が画素の幅寸法以下で、かつ、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃの光軸および画素配列方向に対して直交する方向の寸法が、光入射口６４から光射出口６５に向かうに従って次第に小さくなる寸法に形成されているから、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃに入射した光のほとんどが、導光路６６によって導かれてラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃに届くため、測定範囲の拡大、スループットの向上、高精度化を実現できる。

なお、第１実施形態において、回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃは、集光光学部品６２Ａ〜６２Ｃへ入射する光の主光線角度が一様になるように、像側テレセントリックで設計することが望ましい。ラインセンサ２５Ａ〜２５Ｃで取得した輝度分布信号から重心位置を求める過程を考慮すると、集光光学部品６２Ａ〜６２Ｃへ入射する点像スポットサイズは、集光させ過ぎずにある程度の大きさをもたせ、複数のコア６８へ分割して入射させる方がよい。回転対称レンズ６１Ａ〜６１Ｃの開口数と集光光学部品６２Ａ〜６２Ｃの開口数の関係によっては、入射光の一部は全反射の臨界角を超え、クラッド６９へ入射してしまう可能性をあるが、クラッド６９がその光を吸収するため、隣接するコア６８へ透過することはない。

＜第１実施形態の変形例＞
第１実施形態では、導光路６６を、中心に配置された断面矩形状のコア６８と、このコア６８の四側外周壁を覆うクラッド６９とから構成したが、これに限らず、他の構成であってもよい。
例えば、光入射口６４および光射出口６５を結ぶ四側外周壁が金属などの反射板によって形成し、内部を中空構造としてよい。具体的には、図５〜図７に示す集光素子６２において、クラッド６９の部分を金属などの反射板によって形成するようにしてもよい。
このような構成とすれば、反射板を矩形筒状に形成することにより集光素子６３の導光路６６を構成することができるので、安価に製造することができる。また、内部が中空に形成されているので、集光光学部品６２Ａ〜６２Ｃの全体の重量を軽量化することができ、ひいては、三次元測定システム全体の重量を軽量化できる。従って、携帯に便利である。

また、第１実施形態では、接触子１７を先端に有する接触式のプローブ１０を例に説明したが、これに限らず、非接触式のプローブであってもよい。
例えば、図８に示すように、プローブ本体１１に、光をワークに向けて射出する発光器１８Ａと、ワークからの反射光を受光する受光器１８Ｂと、この受光器１８Ｂにおいて光を受光した位置からプローブ本体１１に対するワークの位置情報を演算する演算器（図示省略）とを備えた非接触測定器１８を内蔵させた構成のプローブ１０を用いてもよい。
この場合、測定点演算部３３は、プローブ演算部３２によって求められたプローブ１０の位置と、非接触測定器１８によって求められた測定点の位置とから、三次元測定システムに対する非接触測定器１８の光照射位置の座標を求める。
なお、非接触式のプローブでは、ワークに接触させる必要がないため、より複雑な形状をもつワークを測定することが可能となるが、そのためにプローブの様々な姿勢を検出できるように、より多くのＬＥＤ、例えば、４０個のＬＥＤ１，２，３…が搭載されている。ただ、プローブの姿勢を検出するためには、必ずしも全てのＬＥＤが検出できなくてもよく、少なくとも３個のＬＥＤが検出できればプローブの姿勢を求めることができる。

＜第２実施形態＞
第１実施形態の三次元測定システムにおいては、遮蔽物のない開放空間で使用されることが多いため、外乱光対策が必須である。外乱光対策として、第１実施形態では、測定用点光源であるＬＥＤ１〜９からの光が特定の波長である場合、その波長以外の内部透過率を低下させるようなコア６８を選択することにより、仮に外乱光が入射したとしても減衰させることで、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

第２実施形態では、測定用点光源であるＬＥＤ１〜９を多波長の光を発光する多波長ＬＥＤとし、撮像部２０においても、受光波長を選択できる機能を搭載するように構成した例である。
ここで、多波長ＬＥＤとは、複数の単波長を発光するタイプ、あるいは、連続した波長を発光するタイプのいずれでも用いることができる。
撮像部２０の受光波長選択機能としては、例えば、複数の単波長フィルタを機械的駆動によって切り換える構成が採用できる。
このような構成にすれば、測定環境（外乱光状況）に応じて最もＳ／Ｎ比の高い波長を選択することができるので、外乱光による測定エラーを回避することができる。

＜変形例＞
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は、本発明に含まれる。
前記各実施形態において、プローブ１０に測定用光源として９個のＬＥＤ１〜９を配置したが、必ずしも複数でなくてもよく、少なくとも１個あればよい。例えば、プローブ１０にＬＥＤ１〜９を設けることなく、測定用点光源をワークの測定位置に移動させて測定するようにすれば、測定用点光源としては１個でもよい。

本発明は、巨大構造物の測定や危険領域における測定などに利用できる。

１〜９…ＬＥＤ（測定用点光源）、
２０…撮像部（位置検出装置）、
２４Ａ，２４Ｃ…光学系（第１光学系）、
２４Ｂ…光学系（第２光学系）、
２５Ａ，２５Ｃ…ラインセンサ（第１ラインセンサ）、
２５Ｂ…ラインセンサ（第２ラインセンサ）、
３０…演算制御装置（位置検出装置）、
３２…プローブ演算部（位置演算部）、
６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ…回転対称レンズ、
６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ…集光光学部品、
６３…集光素子、
６４…光入射口、
６５…光出射口、
６６…導光路、
６７…光反射面、
６８…コア、
６９…クラッド。

Claims

任意の位置に移動可能な測定用点光源と、前記測定用点光源からの光を受光し、該測定用点光源の位置を検出する位置検出装置とを備え、
前記位置検出装置は、互いに離間して配置され前記測定用点光源からの光を第１軸上に集光する一対の第１光学系と、この各第１光学系によって前記第１軸上に集光された光を受光し第１軸上における輝度分布を表す第１輝度分布信号を出力する一対の第１ラインセンサと、前記測定用点光源からの光を前記第１軸とは直交する第２軸上に集光する第２光学系と、この第２光学系によって前記第２軸上に集光された光を受光し第２軸上における輝度分布を表す第２輝度分布信号を出力する第２ラインセンサ、前記第１輝度分布信号および第２輝度分布信号に基づいて前記測定用点光源の座標を演算する位置演算部を含んで構成された三次元測定システムにおいて、
前記第１光学系および第２光学系は、回転対称レンズと、この回転対称レンズと前記各ラインセンサとの間に配置され、該回転対称レンズの点像を前記回転対称レンズの光軸及び前記ラインセンサの画素配列方向に対して直交する方向へ屈曲させて前記ラインセンサに導光する集光光学部品とから構成されている、
ことを特徴とする三次元測定システム。
請求項１に記載の三次元測定システムにおいて、
前記集光光学部品は、前記ラインセンサを構成する画素の配列方向に沿って積層された複数の集光素子によって構成され、
前記各集光素子は、前記回転対称レンズ側に矩形形状の光入射口を有し、前記ラインセンサ側に矩形形状の光射出口を有するとともに、これら光入射口から光射出口に向かって断面矩形の導光路を有し、
前記導光路は、前記光入射口および光射出口を結ぶ四側外周壁が光反射面によって形成されるとともに、前記画素の配列方向寸法が前記画素の幅寸法以下で、かつ、前記回転対称レンズの光軸および前記画素の配列方向に対して直交する方向の寸法が、前記光入射口から光射出口に向かうに従って次第に小さくなる寸法に形成されている、
ことを特徴とする三次元測定システム。
請求項２に記載の三次元測定システムにおいて、
前記集光素子の導光路は、中心に配置された断面矩形状のコアと、このコアの外周面を覆うクラッドとを有し、前記コアの屈折率が前記クラッドに比べて高く形成されている、
ことを特徴とする三次元測定システム。
請求項２に記載の三次元測定システムにおいて、
前記集光素子の導光路は、光入射口および光射出口を結ぶ四側外周壁が反射板によって形成されるとともに、内部が中空に形成されている、
ことを特徴とする三次元測定システム。