JP2015059825A - 三次元測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操作性に優れた三次元測定装置を提供する。
【解決手段】三次元測定装置は、ワークに所定の平面に沿った照射光を照射する照射光学系１７２と、撮像面に配置された複数の撮像素子を有し、所定の平面上とは異なる位置からワークを撮像する撮像装置１７３２と、撮像装置１７３２の出力信号に応じて照射光学系を制御する制御部とを有する非接触式のプローブ１７を備える。制御部は、撮像面上の所定の撮像領域に配置された撮像素子が照射光学系からの照射光によってワークの表面に投射された投射光を検出したかどうかを判別し、撮像領域に配置された撮像素子が投射光を検出している場合には照射光学系１７２から照射される照射光を点灯させ、撮像領域内に配置された撮像素子が投射光を検出していない場合に照射光学系１７２から照射される照射光を所定の周期で点滅させる。
【選択図】図７

Description

本発明は、測定対象物に光を照射し、測定対象物を撮像する事によって測定対象物の形状を測定する三次元測定装置に関する。

従来、プローブによって測定対象物（以下「ワーク」と称する。）の表面を走査し、ワークの各部の位置座標等を取り込むことによってワークの表面形状を測定する形状測定装置が知られている。この様な形状測定装置として、ワーク表面に接触させる所謂測定子（スタイラス）を備えてワークの位置座標を測定するものや、光学系の手段によってワークの表面に測定子（スタイラス）を接触させずに測定を行う非接触型のものが知られている。

この様な非接触型表面形状測定装置は、所定の照射方向からワークに所定の平面に沿った照射光を照射する照射光学系と、ワークの表面に投射された投射光の形状を撮像する撮像装置からなる非接触式のプローブを備えている。前記照射光学系はワークに向けて直線状のレーザ光（ポイントレーザ）を照射する光源と、前記光源が出射したレーザ光を平面状（シート状）に調整する照射光調整手段を備える。この照射光学系により、ワーク表面に向けて所定の平面に沿った照射光（ラインレーザ、レーザシート、レーザライトシート等とも呼ばれる。）が照射され、前記照射光とワーク表面とが交差する位置には、その形状に応じた投射光、即ちワークの輪郭形状の光が投射されることとなる。前記撮像装置は、前記光源の照射方向と異なる所定の撮像方向からワーク（表面に投射された投射光）を撮像する。

以上のように構成することにより、照射光学系の照射方向、撮像装置の撮像方向、照射光学系と撮像装置との距離及び撮像された画像に基づいて、三角測量法を用いてワーク表面に投射された投射光、即ちワークの輪郭形状の空間座標を算出することが可能である。

この様な非接触式表面形状測定装置においては、上述の通り、照射光学系の照射方向と撮像方向とが異なっている。従って、例えばプローブとワークとの距離が近付き過ぎてしまったり、離れ過ぎてしまった場合、ワーク表面に投射された投射光が撮像装置の撮像範囲内に入射せず、撮像を行うことが出来ない。プローブとワークとの距離が適切であるか否かはディスプレイ上から確認することも可能であるが、その場合オペレータはディスプレイ及び試料台の両方を視認しなければならず、操作性の低下を招いていた。

従来は、このような問題を解決すべく、上記プローブの他にレーザの波長とは異なる波長の指示光を照射する指示光発光部を設け、レーザが測定可能な範囲を外れた場合には、指示光発光部を点灯させて指示光をワークに照射することによりレーザ光がワークの測定可能範囲内に位置しているかどうかを確認できるようにしている（特許文献１）。

特開２０１２−１２７８０５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法においてはレーザ光がワークの撮像範囲内に位置しているかどうかの確認のために、レーザ光とは波長が異なる指示光発光部を別途設ける必要があり、装置の製造コストが増加するという問題がある。また、レーザ光とは別に指示光発光部を点灯させるため、消費電力が増加し、照明光発光部の発熱による熱ドリフトや誤作動を引き起こす恐れがあり、もし冷却ファンを取り付けたとしても冷却ファンによる振動がプローブに伝わってしまうので、測定精度が低下してしまう恐れがある。更に、この様な場合には測定用プローブに冷却のための空気穴を設ける必要があり、耐環境性の低下にもつながっていた。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、低コストで、操作性及び耐環境性に優れた三次元測定装置を提供することを目的としている。

本発明に係る三次元測定装置は、ワークに所定の平面に沿った照射光を照射する照射光学系と、撮像面に配置された複数の撮像素子を有し、上記所定の平面とは異なる位置からワークを撮像する撮像装置と、撮像装置の出力信号に応じて照射光学系を制御する制御部とを有する非接触式のプローブを備える。また、この制御部は、撮像面上の所定の撮像領域に配置された撮像素子が照射光学系からの照射光によって前記ワークの表面に投射された投射光を検出したかどうかを判別し、撮像領域内に配置された撮像素子が投射光を検出している場合には照射光学系から照射される光を点灯させ、撮像領域内に配置された撮像素子が投射光を検出していない場合には照射光学系から照射される照射光を所定の周期で点滅させる。

また、上記制御部は、撮像領域内に配置された撮像素子のうち、受光量が閾値（撮像素子が受光と判定する最小の受光量のことを言う。以下、本明細書において、同じ。）を上回っている撮像素子が存在する場合には撮像領域に配置された撮像素子が投射光を検出していると判別し、撮像領域内に配置された撮像素子のうち、受光量が閾値を上回っている撮像素子が存在しない場合には撮像領域に配置された撮像素子が投射光を検出していないと判別しても良い。

即ち、本発明に係る三次元測定装置は、撮像領域内に配置された撮像素子が投射光を検出している場合には照射光学系から照射される照射光を点灯させ、撮像領域内に配置された撮像素子が投射光を検出していない場合には照射光学系から照射される照射光を所定の周期で点滅させる。従って、上記プローブとワークとの距離が所定の距離範囲外となり、投射光が撮像装置受光面の撮像領域に配置された撮像素子において撮像されなくなった場合には、照射光学系から照射させる照射光を点滅させる。従って、オペレータはプローブ及びワークを視認するだけでプローブとワークとの距離が適切であるか否かを確認することが可能であり、操作性にすぐれた三次元測定装置を提供することが可能である。また、撮像装置の受光面の撮像領域に配置された撮像素子において受光量が閾値を下回っている場合には、ワークの形状を測定することが出来ない為、照射光学系から照射される光を点滅させても測定には影響を及ぼすことが無い。

また、本発明によればプローブに指示光発光部を設ける必要が無いため、上記発熱によって生じる種々の問題を抑制することが可能であり、また、部品点数の削減によってプローブの小型化及び低コスト化を図ることが可能である。

本発明の一実施形態に係る三次元測定装置は、撮像面上の所定の撮像領域よりも広い所定の観察領域において投射光を検出した撮像素子の位置によって、プローブとワークとの距離を検出し、撮像領域に配置された撮像素子が投射光を検出していない場合には照射光学系から照射される照射光を検出された距離に応じた周期で点滅させる。このような実施形態に係る三次元測定装置においては、観察領域における撮像素子によってプローブとワークの距離を検出しているので、更に好適にプローブとワークとの距離を調整することが可能となる。

本発明の他の実施形態に係る三次元測定装置は、第１の操作モード及び第２の操作モードによって選択的に動作可能であり、上記制御部は、撮像領域に配置された各撮像素子の受光量を検出し、第１の操作モードにおいては、撮像領域内に配置された撮像素子のうち、受光量が閾値を上回っている撮像素子が存在する場合には照射光学系から照射される照射光を点灯させ、撮像領域内に配置された撮像素子のうち、受光量が閾値を上回っている撮像素子が存在しない場合には照射光学系から照射される照射光を所定の周期で点滅させる。また、上記制御部は、第２の操作モードにおいては、上記撮像領域中の各撮像素子の受光時に、受光量が飽和した撮像素子が存在する場合には、次の受光時における照射光学系から照射される照射光の光量を低下させ、受光量が飽和した撮像素子が存在しない場合には、次の受光時における照射光学系から照射される照射光の光量を増加させる。更に、この撮像素子の受光時に、照射光学系から照射される照射光の光量が最大光量に達し、且つ受光量が閾値を下回っている場合には、次の受光時における照射光学系から照射される照射光の光量を最小光量にする。

このような実施形態に係る三次元測定装置においては、上記第１の操作モードを、プローブを手動で操作して測定を行う手動操作測定モードとし、上記第２の操作モードを、プローブを自動で操作して測定を行う自動操作測定モードとすることも可能である。例えば三次元測定装置をＣＮＣ操作によって駆動する場合、まず三次元測定装置に対してティーチングを行い、次に三次元測定装置を自動で操作することが考えられる。ここで、ティーチングを行う際、オペレータはプローブ及びワークを視認する必要があり、第１の操作モードを適用することによって容易にティーチングを行う事が可能である。一方、三次元測定装置をＣＮＣ操作によって駆動する場合には、プローブはティーチングの結果に応じて自動的に駆動されるため、プローブとワークとの距離を逐一オペレータが視認する必要は無い。また、この場合に第２の操作モードを適用し、照射光学系から照射される照射光の光量を自動で調整することにより、好適な測定を行う事が可能となる。また、例えば上記ティーチング等、オペレータによるプローブの操作の際に上記第１の操作モードと第２の操作モードとを切り替えることも可能である。

尚、本発明はソフトウェアやファームウェア等によって安価に実現することも可能であり、既存の三次元測定装置に適用することも可能である。また、例えば本発明をソフトウェア等によって実現し、当該ソフトウェア等によって既存の装置に搭載された指示光発光部をＯＦＦにする様に構成した場合、既存の装置を用いた場合にも上記熱による問題を回避しつつ操作性を向上させることが可能である。

本発明によれば、低コストで、操作性及び耐環境性に優れた三次元測定装置を提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る三次元測定装置を構成するシステムの全体図である。 同装置における光学式プローブ１７の構成を示す図である。 同装置の光学式プローブ１７及びそれを用いて照射された照射光を示す概略図である。 同装置の照射光学系１７２及び撮像装置１７３の光学式プローブ１７内の配置を示す概略図である。 同装置のＣＭＯＳイメージセンサ１７３２を示す模式図である。 同ＣＭＯＳイメージセンサ１７３２の撮像領域３２１及び観察領域３２２を説明するための模式図である。 同装置の光学式プローブ１７の制御系統を表すブロック図である。 同装置の三次元測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る三次元測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。 同装置の動作を説明するための模式図である。 同装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る三次元測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第４の実施形態に係る三次元測定装置の照射光学系１７２′及び撮像装置１７３′の光学式プローブ１７内の配置を示す概略図である。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態に係る三次元測定装置について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本施形態に係る三次元測定装置を構成するシステムの全体図である。この三次元測定装置は、三次元測定装置１の測定プローブとして本実施形態に係る非接触式の光学式プローブ１７を装着する事により構成されている。この三次元測定装置には、三次元測定装置１を駆動制御すると共にこの三次元測定装置１から必要な測定座標値を取り込むための駆動制御装置２と、この駆動制御装置２を介してこの三次元測定装置１を手動操作するための操作盤３と、駆動制御装置２での測定手順を指示するパートプログラムを編集・実行すると共に、駆動制御装置２を介して取り込まれた測定座標値に幾何形状を当てはめるための計算を行ったり、パートプログラムを記録、送信したりする機能を備えたホストシステム４とから構成されている。

三次元測定装置１は、次のように構成されている。即ち、除振台１０の上には、定盤１１がその上面をベース面として水平面と一致するように載置され、この定盤１１の両側端から立設されたアーム支持体１２ａ，１２ｂの上端でＸ軸ガイド１３を支持している。アーム支持体１２ａは、その下端がＹ軸駆動機構１４によってＹ軸方向に駆動され、アーム支持体１２ｂは、その下端がエアーベアリングによって定盤１１上にＹ軸方向に移動可能に支持されている。Ｘ軸ガイド１３は、垂直方向に延びるＺ軸ガイド１５をＸ軸方向に駆動する。Ｚ軸ガイド１５には、Ｚ軸アーム１６がＺ軸ガイド１５に沿って駆動されるように設けられ、Ｚ軸アーム１６の下端に非接触式の光学式プローブ１７が装着されている。尚、光学式プローブ１７は、水平面内で回転可能であっても良いし、当該水平面に対して垂直な面内で回転可能であっても良い。

図２は、本施形態に係る三次元測定装置の光学式プローブ１７の構成を示す概略図、図３は同じく斜視図である。光学式プローブ１７は、筐体１７１と、筐体１７１内に配置された照射光学系１７２と、ワークを撮像する撮像装置１７３と、撮像装置１７３の出力に応じて照射光学系１７２の発光量を調整する制御回路１７４とを備えて構成されている。

照射光学系１７２は、所定の平面（照射面）Ｓ３に沿った照射光をワーク５に向けて照射する。照射光学系１７２は、レーザ光源１７２１及びビームエキスパンダ１７２３を備えて構成される。レーザ光源１７２１から発せられたレーザは、ビームエキスパンダ１７２３にて紙面に直交する方向に拡幅されて上記所定の平面Ｓ３に沿った照射光となる。なお、ビームエキスパンダ１７２３は、例えばロッドレンズ、又はシリンドリカルレンズである。尚、本明細書において「照射光」と言った場合には、照射光学系１７２から照射された後、ワーク５表面に到達する前の光を意味することとする。尚、本実施形態においては、点光源にシリンドリカルレンズ等を組合せて所定の平面に沿った照射光を発生させているが、ＬＥＤを直線状に並べ、フロスト等の光学系と組み合わせることによって直線状の光を作り出したもの等、他の方法を用いても良い。

ワーク５の表面に投射された投射光は、所定の平面Ｓ３とワーク５表面との交点の集合からなる直線又は曲線に沿って直線状又は曲線状に広がる。換言すれば、所定の平面Ｓ３によってワーク５を切断した場合の切断面の輪郭に、投射光が投射される。本明細書において「投射光」と言った場合には、照射光がワーク５の表面に到達し、当該表面で反射された撮像可能な線状の光を意味することとする。

撮像装置１７３は、投射光の波長を通過させるバンドパスフィルタ１７３１ａとレンズ１７３１ｂとを備えた光学系１７３１及び当該光学系１７３１を介してワーク５の画像を撮像するＣＭＯＳセンサ１７３２を備え、上記照射面Ｓ３とは異なる位置からワーク５を撮像する。即ち、ワーク５表面に投射され、ワーク５表面の形状に沿って反射された投射光を、撮像装置１７３によって所定の角度から受光する。尚、バンドパスフィルタ１７３１ａは、投射光以外のノイズ光を遮蔽し、投射光のみを透過させて、測定精度を向上させるという点で有効であるが、必須のものではなく、省略することも可能である。

図３には、光学式プローブ１７を用いて照射された照射光及び投射光が示されている。図３（ａ）に示す通り、照射光学系１７２によってワーク５に投射光Ｌを投射すると、ワーク５表面の凹凸形状に沿って投射光が変形し、ワーク５を照射面Ｓ３で切断した時の輪郭が照らし出される。撮像装置１７３は、図３（ｂ）に示すように、上記所定の照射面Ｓ３とは異なる位置からワーク５を撮像し、当該位置から見た投射光Ｌの画像を、Ｌ′として取得する。

図４は、照射光学系１７２及び撮像装置１７３の光学式プローブ１７内の配置を示す概略図である。なお、図４において、バンドパスフィルタ１７３１ａは省略している。

本実施の形態に係る光学式プローブ１７にはシャインプルーフの原理が利用されており、図４に示すように、ＣＭＯＳセンサ１７３２の撮像面を含む面（以下、「撮像面Ｓ１」と呼ぶ。）、レンズ１７３１ｂの主点を含む主平面Ｓ２、ワーク５に照射される照射光の照射面Ｓ３は、点Ｐに位置し、紙面に直交する１本の線で交わる。本実施形態においては、このような配置によって、ＣＭＯＳセンサ１７３２の撮像面Ｓ１上全体が照射面Ｓ３に対して合焦状態となる。ここで、照射光学系１７２と撮像装置１７３との距離は既知であり、撮像面Ｓ１と照射面Ｓ３との角度も既知である。更に、投射光が投射されたワーク５の表面の位置と照射光学系１７２との距離は、ワーク５の表面において反射された投射光を受光した撮像素子の位置から特定される。従って、上記照射光学系１７２と撮像装置１７３との距離、撮像面Ｓ１と照射面Ｓ３との角度及び照射光が照射されたワーク５の表面の位置と照射光学系１７２との距離から、光学式プローブ１７とワーク５の投射光が投射された部分との位置関係を演算可能である。更に、光学式プローブ１７と定盤１１との位置関係はＸ軸ガイド１３、Ｙ軸駆動機構１４及びＺ軸ガイド１５等の内部に搭載されたエンコーダ等によって特定される。従って、定盤１１上における、ワーク５の投射光が投射された部分の位置を演算可能である。

図５は、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ１７３２を示す模式図である。ＣＭＯＳイメージセンサ１７３２は受光面に行列状に配置された複数の撮像素子を備えており、本実施形態においては照射光の広がる方向（図４における上記照射面Ｓ３と撮像面Ｓ１との交線が延びる方向）に、例えば１０２４個、これと直交する方向に、例えば１２８０個の撮像素子（ＣＭＯＳセル）を有している。また、ＣＭＯＳイメージセンサ１７３２は、ローリングシャッター機能を有している。ローリングシャッター機能とは、１つないし複数の行（または列）に配置されている撮像素子のみを同時に受光させ、この行単位（または列単位）の受光を列方向（または行方向）に順次行う方法である。例えば、図５においては、１列目に配置された撮像素子（太枠で強調されている撮像素子）の受光は、同時に行われる。この受光動作が終了すると、２列目、３列目と順次受光が行われる。

図６は、ＣＭＯＳイメージセンサ１７３２の撮像領域３２１及び観察領域３２２について説明するための模式図である。本実施形態に係る三次元測定装置においては、ＣＭＯＳイメージセンサ１７３２中、主としてワーク５の撮像に使用される所定の領域を撮像領域３２１、撮像領域３２１を含むＣＭＯＳイメージセンサ１７３２の全領域を観察領域３２２とし、詳細な測定を行う場合には撮像領域３２１に配置された撮像素子のみを用いて三次元測定を行う。これにより、ＣＭＯＳイメージセンサ１７３２のフレームレートを高くする事が可能である。尚、これら撮像領域３２１及び観察領域３２２はＣＭＯＳイメージセンサ１７３２の撮像面上の領域である。

図７は、本実施形態に係る光学式プローブ１７の制御系統を表すブロック図である。制御回路１７４は、ＣＰＵ１７４１と、ＣＰＵ１７４１に接続されたプログラム記憶部１７４２、ワークメモリ１７４３、及び多値画像メモリ１７４４とを備えて構成されている。ＣＭＯＳイメージセンサ１７３２で取得された画像情報は、多値画像メモリ１７４４に記憶される。ＣＰＵ１７４１は、多値画像メモリ１７４４に記憶された画像情報を参照して、光量制御部１７２４を介して照射光学系１７２の光量を調整する。

次に、この様に構成された三次元測定装置の動作について説明する。図４に示す通り、本実施形態においては撮像装置１７３が上記照射面Ｓ３とは異なる位置に配置されている。従って、ワーク５表面のある部分へ向かう照射光の方向と、当該部分において反射された投射光のうち、撮像装置１７３に向かう部分との方向とが異なっている。従って、例えば光学式プローブ１７とワーク５との距離が近付き過ぎてしまったり、離れ過ぎてしまった場合、ワーク５表面に照射された投射光が撮像装置１７３の撮像範囲外となってしまい、撮像を行うことが出来ない。投射光が撮像装置１７３の撮像領域３２１内において受光されているかどうかをホストシステム４のディスプレイ上から確認する場合、オペレータはディスプレイ及び定盤１１上のワーク５の両方を視認しなければならず、操作性の低下を招いてしまう。

図８は、本実施形態に係る三次元測定装置の動作を示すためのフローチャートである。本実施形態においては、投射光が撮像装置１７３の撮像領域３２１内において受光されているかどうかを、投射光の点滅状態によって示すことが可能である。即ち、本実施形態に係る三次元測定装置は、測定に際してワーク５に照射光を照射し、ＣＭＯＳイメージセンサ１７３２の撮像面中、撮像領域３２１内において投射光が撮像されているか、例えば撮像領域３２１内に配置された撮像素子の受光量が閾値を上回っているか否かを確認し（ステップＳ１０１）、撮像領域３２１内に配置された撮像素子のうち、受光量が閾値を上回っている撮像素子が存在する場合には照射光学系１７２から照射される光を点灯させ（ステップＳ１０２）、撮像領域内３２１に配置された撮像素子のうち、受光量が閾値を上回っている撮像素子が存在しない場合には照射光学系１７２から照射される光を所定の周期で、オペレータが視認可能な光量（例えば０近傍の光量及び所定の光量）にて点滅させる（ステップＳ１０３）。なお、ステップＳ１０１では、撮像領域３２１内の全ての撮像素子のうち、受光量が閾値を上回っているものが占める割合によって判定しても良い。

このような態様においては、光学式プローブ１７とワーク５との距離が、撮像装置１７３によってワーク５表面に投射された投射光を撮像することが可能な距離範囲内である場合に投射光が点灯し、光学式プローブ１７とワーク５との距離が、当該距離範囲を超えた場合には投射光が点滅する。従って、オペレータはワーク５表面に照射された投射光の状態を視認するだけで光学式プローブ１７とワーク５との距離が適切であるか否かを確認することが可能であり、操作性にすぐれた三次元測定装置を提供することが可能である。また、光学式プローブ１７とワーク５との距離が適切でない場合にはワーク５の形状を測定することが出来ない為、このようなタイミングで照射光学系１７２から照射される光を点滅させても測定には影響を及ぼすことが無い。

尚、上記「点灯」とは、オペレータ等から見て照射光ないし投射光が連続的に発光している状態であり、上記「点滅」とは、オペレータ等から見て点滅している、と認められる状態である。従って、例えばＰＷＭ制御等によって照射光学系１７２が制御されている場合であっても、オペレータ等から見て連続的に発光していると判断可能である場合には、「点滅」では無く「点灯」しているものとする。

また、本発明によれば光学式プローブ１７にレーザポインタや他の照明光源を設ける必要が無いため、上述した発熱によって生じる種々の問題を抑制することが可能であり、また、部品点数の削減によって光学式プローブ１７の小型化及び低コスト化を図ることも可能である。更に、測定不能な状況で照射光学系が点滅するので、消費電力も抑えられる。

更に、本実施形態に係る方法はソフトウェアやファームウェア等によって安価に実現することが可能であり、既存の三次元測定装置に適用することも可能である。また、例えば本発明をソフトウェア等によって実現し、当該ソフトウェア等によって既存の装置に搭載された指示光発光部をＯＦＦにする様に構成した場合、既存の装置を用いた場合にも上記熱による問題を回避しつつ操作性を向上させることが可能である。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る三次元測定装置について図面を参照して詳細に説明する。図９は、本実施形態に係る三次元測定方法を説明するためのフローチャートである。本実施形態に係る三次元測定方法においては、まず操作モードの選択処理を行い（ステップＳ１）、選択操作に応じて第１の操作モード（ステップＳ２）又は第２の操作モード（ステップＳ３）を選択して上記照射光学系１７２の光量を調整する点において異なっている。第１の操作モードは、例えば、プローブを手動で操作して測定を行う手動操作測定モードであり、第２の操作モードは、例えば、プローブを自動で操作して測定を行う自動操作測定モードである。第１の操作モードにおいては、図８を用いて説明した照射光の光量の調整を行う。

次に、第２の操作モードについて説明する。図１０は、第２の操作モードを説明するための模式図である。図１０の上図は、撮像装置１７３によって撮像された画像を、下図は照射光学系１７２の出力と、ＣＭＯＳイメージセンサ１７３２の１フレーム分の撮像サイクルにおける時間との関係を図示している。また、当該上図及び下図は対応しており、上図内における一列分の画像は、下図に示した時間に、下図に示した照射光学系１７２の出力を用いて撮像されたことを示している。

三角測量法を用いた三次元測定装置においては、例えばワーク５表面の場所によって反射率等が異なる場合に、受光量の変動に伴う種々の問題を生じる場合がある。例えば、ワーク５表面の一部の反射率が極端に高い様な場合には、ＣＭＯＳイメージセンサ１７３２に入射されるワーク５表面からの投射光の光量が、好適な撮像が可能な最大の光量を超えてしまい、サチレーションが生じて測定精度を損なう事がある。また、ワーク５表面の一部の反射率が極端に低い様な場合には、ＣＭＯＳイメージセンサ１７３２に入射される投射光の受光量が閾値に達さず、受光が行われない事がある。しかしながら、第２の測定モードにおいては、図１０右部分に示す通り、制御回路１７４が、ＣＭＯＳイメージセンサ１７３２における受光量に応じて照射光学系１７２の出力を調整する。これにより、上記受光量の変動に伴う種々の問題を解消する。

また、三角測量法を用いた三次元測定装置においては、例えばワーク５表面に所定以上の凹凸がある場合等、投射光の一部がそもそもＣＭＯＳイメージセンサ１７３２に入射しておらず、当該部分を受光できない場合がある。このような場合、制御回路１７４は、照射光学系１７２の出力不足によって受光が行われないものであると判定し、照射光学系１７２の出力を最大値まで上げ、この状態を保持し続ける恐れがあり、光源の劣化や消費電力の増大を招く恐れがある。しかしながら、第２の測定モードにおいては、照射光学系１７２の出力が最大であるのにもかかわらずＣＭＯＳイメージセンサ１７３２による受光が行われない場合には、図１０左部分（上図の反射光の画像がない部分、下図のレーザ出力が“０”の部分）に示す通り、照射光学系１７２の出力を最小値にして、光源の長寿命化や低消費電力化等を実現する。

図１１は、当該操作モードを説明するためのフローチャートである。第２の操作モードにおいては、まずＣＭＯＳイメージセンサ１７３２の１列分（もしくは１行分）の受光を行い、一次元画像情報を取得し（Ｓ２０１）、サチレーションを生じた撮像素子があるのかどうかを確認する（Ｓ２０２）。サチレーションを生じた撮像素子がある場合には照射光学系１７２の出力を減少させる（Ｓ２０３）。ステップＳ２０２においてサチレーションが検出されなかった場合には照射光学系１７２の出力を確認し（Ｓ２０５）、照射光学系１７２の出力が最大でも最小でも無かった場合には、次回のスキャン時における該当位置での照射光学系１７２の出力を増加させる（Ｓ２０４）。照射光学系１７２の出力が最大だった場合には、更にＣＭＯＳイメージセンサ１７３２による受光量が閾値以下であるかどうかを確認する（Ｓ２０６）。ここで、閾値としては測定可能な最小受光量を設定しても良い。ＣＭＯＳイメージセンサ１７３２による受光量が閾値以下である場合は次回のスキャン時における該当位置での照射光学系１７２の出力を最小にし（Ｓ２０７）、閾値以下でなかった場合には照射光学系１７２の出力を最大のままにしておく。以上の処理によって、ワーク５の非検出部の測定を行った際に照射光学系１７２の出力を最小値にすることが可能となり、発熱の抑制、低消費電力化、及び光源の長寿命化を図ることが可能である。また、ステップＳ２０５において照射光学系１７２の出力が最小だった場合には、次回のスキャン時における該当位置での照射光学系１７２の出力を最大にする（Ｓ２０８）。

以上の動作を、図５に示したＣＭＯＳイメージセンサ１７３２の各列に対して順次行う。尚、第２の動作モードにおいても主として撮像領域３２１に配置された撮像素子を使用することが考えられるが、観察領域３２２に配置された撮像素子を使用することも可能である。

なお、非検出部における照射光学系１７２の出力は、上記のようにスキャン毎に最大値と最小値を繰り返しても良いが、例えば照射光学系１７２の出力が最小のままｎ回分のスキャンが行われたような場合（ｎは任意の整数）に最大値に切り替えても良い。また、照射光学系１７２の出力最小値からの切り替えは、最大値とせずに最小値と最大値の間の中間値としても良い。

更に、ＣＡＤデータ等を予め入力しておき、これによって測定開始位置、測定終了位置を設定しておく様にしても良い。この場合、ＣＡＤデータを予めホストシステム４に入力しておき、駆動制御回路２を通じてプログラム記憶部１７４２等に記憶しても良いし、予めプログラム記憶部１７４２に記憶されている設定を呼び出しても良い。

本実施形態に係る三次元測定装置は、第１の操作モード及び第２の操作モードによって選択的に動作可能である。従って、例えば三次元測定装置をＣＮＣ操作によって駆動する場合、まず三次元測定装置に対してティーチングを行い、次に三次元測定装置を自動で操作することが考えられる。ここで、ティーチングを行う際、オペレータは光学式プローブ１７及びワーク５を視認する必要があるが、第１の操作モードの適用によってホストシステム４のディスプレイを視認する必要が無くなる。従って、オペレータは光学式プローブ１７及びワーク５のみを視認すれば良く、容易にティーチングを行う事が可能となる。一方、三次元測定装置をＣＮＣ操作によって駆動する場合には、光学式プローブ１７はティーチングの結果に応じて自動的に駆動されるため、光学式プローブ１７やワーク５等を逐一オペレータが視認する必要は無い。また、この場合に照射光の光量を自動で調整することにより、好適な測定を行う事が可能となる。また、例えば上記ティーチング等、オペレータによる光学式プローブ１７の操作の際に上記第１の操作モードと第２の操作モードとを切り替えて選択的に使用することも可能である。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る三次元測定装置について図面を参照して説明する。本発明に係る三次元測定装置は、基本的には第１の実施形態に係る三次元測定装置と同様に構成されているが、照射光学系１７２の光量の調整方法が異なっている。

図１２は、本実施形態に係る三次元測定装置について説明するためのフローチャートである。本実施形態においては、測定に際してワーク５に照射光を照射し、撮像領域３２１に配置された撮像素子において投射光が受光されているか否かを確認し（ステップＳ３０１）、投射光が受光されている場合には、撮像装置１７３を測定モードに設定し（ステップＳ３０２）、照射光学系１７２から照射される投射光を点灯状態とする（ステップＳ３０３）。尚、測定モードにおいては、撮像装置１７３のＲＯＩ（イメージセンサから画像を読み出す領域）のサイズが撮像領域３２１に制限され、フレームレートが高速に設定される。

撮像領域３２１に配置された撮像素子において投射光が受光されていない場合には、撮像装置１７３を観察モードに設定する。（ステップＳ３０４）。観察モードにおいては、撮像装置１７３のＲＯＩのサイズが最大（観察領域３２２）に設定され、フレームレートが測定モードにおけるフレームレートと比較して遅く設定される。

次に、観察領域３２２に配置された撮像素子において投射光が受光されているか否かを確認し（ステップＳ３０５）、観察領域３２２に配置されたいずれかの撮像素子において投射光が受光されている場合には、撮像領域３２１と投射光が受光された撮像素子との距離（撮像装置１７３の受光面上の距離）に応じた周期で投射光を点滅状態とする（ステップＳ３０６）。例えば、投射光が撮像領域３２１に近いほど点滅の周期を短く、投射光を受光した撮像素子が撮像領域３２１から遠ざかる程点滅の周期を長くすることも可能であるし、その逆も可能であり、オペレータが視認し得る種々の態様に設定することが可能である。

観察領域３２２においても投射光が受光されていない場合には、照射光学系１７２から照射される投射光を一定の周期で点滅させる（ステップＳ３０７）。

即ち、本実施形態に係る三次元測定装置においては、撮像領域３２１と投射光を受光した撮像素子との撮像面における距離によって、投射光の点滅の周期を調整する。従って、オペレータは投射光の点滅の周期に応じて、より容易に光学式プローブ１７とワーク５との距離を調整することが可能となる。

尚、上記撮像範囲３２１に投射光が受光されている場合には、ＣＭＯＳによる撮像を高速のフレームレートで行うことにより、好適な測定を行う事が可能である。また、通常、撮像範囲３２１外の撮像素子を測定に使用しない場合には、上記撮像範囲３２１に投射光が受光されておらず、観察範囲３２２に投射光が受光されている場合にフレームレートを低くしても測定に影響を及ぼさない。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る三次元測定装置について説明する。上記各実施形態に係る三次元測定装置には、シャインプルーフ光学系が採用されていた。しかしながら、必ずしもシャインプルーフ光学系を採用する必要は無い。本実施形態においては、テレセントリック光学系を用いている。例えば図１３に示す通り、ＣＭＯＳイメージセンサ１７３２又はＣＣＤイメージセンサの撮像面Ｓ１′及びレンズ１７３１ｂ′の主点を含む主平面Ｓ２′を平行に配置してなる撮像装置１７３′と、撮像装置１７３′の視野範囲（より好ましくは、撮像領域３２１に配置された受光素子の視野範囲）であって、且つレンズ１７３ｂ′の合焦範囲である領域を通る平面Ｓ３′に沿って照射光を照射する様な照射光学系１７２′を採用することも可能である。尚、当該光学系を採用する場合、ワーク５表面に投射された投射光に焦点を合わせるために、図１３におけるレンズ１７３１ｂ′の焦点深度は、図４におけるレンズ１７３１ｂの焦点深度よりも大きくする事が考えられる。当該構成を用いた場合にも、三角測量の原理によって好適に三次元測定を行う事が可能である。

［その他の実施形態］
上記各実施形態において、撮像装置１７３はＣＭＯＳイメージセンサを使用していたが、ＣＣＤイメージセンサ等、他の撮像装置を採用することも可能である。また、第２実施形態における第２の操作モードと第１の操作モードとを併用することも可能である。この場合には、例えば照射光学系１７２の出力が最大であり、且つ全ての撮像素子について受光量が閾値以下であった場合に光学式プローブ１７とワーク５の距離が不適切であると判定して照射光を点滅させることも考えられる。更に、例えば三次元測定装置が光学式プローブ１７の位置を認識し得る他の構成（カメラ、センサ等）を有する場合には、当該他の構成によって光学式プローブ１７とワーク５との距離を認識させることも可能である。

更に、上記各実施形態においては、定盤１１上にワーク５を配置し、アーム支持体１２ａ，１２ｂ、Ｘ軸ガイド１３、Ｙ軸駆動機構１４、Ｚ軸ガイド１５及びＺ軸アーム１６等によって光学式プローブ１７の位置制御行っている。しかしながら、本発明はこのような態様に限られるものではなく、例えば多関節アームやロボットアーム等の先端に光学式プローブ１７を取り付けてなる三次元測定装置や、光学式プローブ１７の位置をカメラ等の他の構成によって取得する様な三次元測定装置等、三角測量法を用いて光学式プローブ１７とワーク５との位置を取得する三次元沿測定装置であれば、種々の態様に適用可能である。

また、上記各実施形態においては、光源から照射された光を、シリンドリカルレンズ等によって広げ、これによって所定の平面Ｓ３に沿った照射光を発生させているが、所定の平面Ｓ３に沿った照射光は、例えば光源からの光を走査ミラー（ガルバノミラー、ポリゴンミラー等）によって走査することによって生成することも可能である。尚、走査ミラーによって所定の平面Ｓ３に沿った照射光を生成する場合であって、且つ撮像装置１７３としてＣＭＯＳイメージセンサを採用する場合には、照射光の走査の周期とＣＭＯＳイメージセンサの撮像の周期とを同期させることが考えられる。

１…三次元測定装置、２…駆動制御装置、３…操作盤、４…ホストシステム、１０…除振台、１１…定盤、１２ａ，ｂ…アーム支持体、１３…Ｘ軸ガイド、１４…Ｙ軸駆動機構、１５…Ｚ軸ガイド、１６…Ｚ軸アーム、１７…光学式プローブ、１７１…筐体、１７２…照射光学系、１７３…撮像装置、１７４…制御回路、３２１…撮像領域、３２２…観察領域、１７２１…レーザ光源、１７２３…ビームエキスパンダ、１７２４…光量制御部、１７３１…光学系、１７３２…ＣＭＯＳイメージセンサ、１７４１…ＣＰＵ、１７４２…プログラム記憶部、１７４３…ワークメモリ、１７４４…多値画像メモリ、１７３１ａ…バンドパスフィルタ、１７３１ｂ…レンズ。

Claims (5)

1. ワークに所定の平面に沿った照射光を照射する照射光学系と、
   撮像面に配置された複数の撮像素子を有し、前記所定の平面上とは異なる位置から前記ワークを撮像する撮像装置と、
   前記撮像装置の出力信号に応じて前記照射光学系を制御する制御部と
   を有する非接触式のプローブを備え、
   前記制御部は、
   前記撮像面上の所定の撮像領域に配置された撮像素子が前記照射光学系からの照射光によって前記ワークの表面に投射された投射光を検出したかどうかを判別し、
   前記撮像領域に配置された撮像素子が前記投射光を検出している場合には前記照射光学系から照射される照射光を点灯させ、
   前記撮像領域に配置された撮像素子が前記投射光を検出していない場合には前記照射光学系から照射される照射光を所定の周期で点滅させる
   ことを特徴とする三次元測定装置。
2. 前記制御部は、
   前記撮像領域内に配置された撮像素子のうち、受光量が閾値を上回っている撮像素子が存在する場合には前記撮像領域に配置された撮像素子が前記投射光を検出していると判別し、
   前記撮像領域内に配置された撮像素子のうち、受光量が閾値を上回っている撮像素子が存在しない場合には前記撮像領域に配置された撮像素子が前記投射光を検出していないと判別する
   ことを特徴とする請求項１記載の三次元測定装置。
3. 前記制御部は、
   前記撮像面上の所定の撮像領域よりも広い所定の観察領域において前記投射光を検出した撮像素子の位置によって、前記プローブと前記ワークとの距離を検出し、
   前記撮像領域に配置された撮像素子が前記投射光を検出していない場合には前記照射光学系から照射される照射光を前記検出された距離に応じた周期で点滅させる
   ことを特徴とする請求項１記載の三次元測定装置。
4. 第１の操作モード及び第２の操作モードによって選択的に動作可能であり、
   前記制御部は、
   前記撮像領域に配置された各撮像素子の受光量を検出し、
   前記第１の操作モードにおいては、
   前記撮像領域内に配置された撮像素子のうち、受光量が閾値を上回っている撮像素子が存在する場合には前記照射光学系から照射される照射光を点灯させ、
   前記撮像領域内に配置された撮像素子のうち、受光量が閾値を上回っている撮像素子が存在しない場合には前記照射光学系から照射される照射光を所定の周期で点滅させ、
   前記第２の操作モードにおいては、
   前記撮像領域中の各撮像素子の受光時に、受光量が飽和した撮像素子が存在する場合には、次の受光時における前記照射光学系から照射される照射光の光量を低下させ、受光量が飽和した撮像素子が存在しない場合には、次の受光時における前記照射光学系から照射される照射光の光量を増加させ、
   更に、前記撮像素子の受光時に、前記照射光学系から照射される照射光の光量が最大光量に達し、且つ受光量が閾値を下回っている場合には、次の受光時における前記照射光学系から照射される照射光の光量を最小光量にする
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の三次元測定装置。
5. 前記第１の操作モードは、前記プローブを手動で操作して測定を行う手動操作測定モードであり、第２の操作モードは、前記プローブを自動で操作して測定を行う自動操作測定モードである
   ことを特徴とする請求項４記載の三次元測定装置。

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