JP2020187097A - 三次元座標測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】煩雑な校正作業を要することなく高い精度で信頼性の高い形状測定を行うことを可能にする三次元座標測定装置を提供する。【解決手段】形状測定時に、可動カメラにより測定対象物が撮像され、測定画像データが生成される。可動カメラに固定された複数のマーカが基準カメラにより撮像され、基準画像データが生成される。基準画像データと本体メモリに記憶された参照マーカ情報およびカメラパラメータとに基づいて可動カメラの位置姿勢情報が算出される。位置姿勢情報および測定画像データにより測定点の座標が算出される。校正時に、可動カメラが位置および姿勢の互いに異なる複数の状態に移行する。各状態で参照部材の複数のマーカが撮像される。複数の基準画像データと複数のマーカの配置を示す参照マーカ情報とに基づいて新たなカメラパラメータが算出され、本体メモリ内のカメラパラメータが新たなカメラパラメータで更新される。【選択図】図１４

Description

本発明は、測定対象物の形状等を測定可能な三次元座標測定装置に関する。

従来より、測定対象物の形状等を測定するために三次元座標測定装置が用いられる。三次元座標測定装置においては、測定対象物の表面における複数の測定点の位置が順次算出される。算出される各測定点の位置は三次元座標系で表される。算出された複数の測定点の位置に基づいて、測定対象物の所望の部分の寸法が測定される。

特許文献１に記載された三次元座標測定装置（三次元形状測定機）においては、θステージ上に測定対象物が載置される。θステージは、鉛直方向に延びる回転軸の周りで回転可能に構成されている。θステージの上方には、回転軸を含む鉛直面内で移動可能に光プローブが設けられている。

測定対象物の形状測定時には、光プローブから出射される光が測定対象物の表面に入射するように、光プローブの鉛直方向の位置が調整される。また、光プローブが鉛直面内を水平方向に移動し、θステージが回転する。それにより、光プローブが測定対象物の上面全体に対して走査される。光プローブから出射される光が測定対象物上の複数の測定点の各々に入射するときの光プローブの位置が、複数のレーザ測長器およびロータリエンコーダ等の複数の検出手段により検出される。複数の検出結果に基づいて各測定点の位置（三次元座標）が算出される。

特開２０００−２６６５２４号公報 Z. Zhang, "A flexible new technique for camera calibration",IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,Vol.22,No.11,pp.1330-1334, 2000.

上記のように、光学式座標測定装置においては、測定対象物上の複数の測定点の位置が、複数の検出手段を用いて算出される。そのため、各検出手段の検出精度が低下すると、高い精度で測定対象物の形状測定を行うことができない。検出手段の検出精度は、例えば当該検出手段を構成する各種部品の変形および複数の部品間の位置関係に発生するずれ等に起因して低下する。したがって、光学式座標測定装置においては、測定精度が高い状態で維持されるように、適切なタイミングで検出手段の校正が行われることが望ましい。

一般に、レーザ測長器およびロータリエンコーダ等の検出手段の使用者は、検出手段に応じて予め定められた校正具を用意し、その校正具を用いて校正作業を行う。したがって、上記の三次元座標測定装置について複数の検出手段をそれぞれ校正するためには、使用者は、検出手段ごとに校正具を用意して校正作業を行う必要がある。このような校正作業は、使用者にとって面倒である。

本発明の目的は、煩雑な校正作業を要することなく高い精度で信頼性の高い形状測定を行うことを可能にする三次元座標測定装置を提供することである。

（１）本発明に係る三次元座標測定装置は、測定対象物の形状測定時に、測定対象物上の測定点の位置に関する情報を測定点情報として取得する測定点情報取得部と、測定点情報取得部を取付可能または測定対象物を載置可能に構成され、第１の回転軸の周りで回転可能に構成された回転電動部材と、回転電動部材に設けられる複数の参照マーカと、基準ベースに固定されかつ複数の参照マーカを撮像する基準撮像部と、複数の参照マーカの配置に関する情報を参照マーカ情報として記憶するとともに、基準撮像部の撮像パラメータを記憶する記憶部と、測定対象物の形状測定時に、基準撮像部により撮像された複数の参照マーカの画像を示す基準画像データと記憶部に記憶された参照マーカ情報および撮像パラメータとに基づいて基準撮像部に対する回転電動部材の位置および姿勢を示す位置姿勢情報を算出し、算出された位置姿勢情報と測定点情報取得部により取得された測定点情報とに基づいて測定点の座標を算出する座標算出部と、基準撮像部の校正時に、回転電動部材を第１の回転軸の周りで回転させることにより回転電動部材の位置および姿勢を互いに異なる複数の状態に移行させつつ、複数の状態で基準撮像部が複数の参照マーカを撮像することにより得られる複数の基準画像データと記憶部に記憶された参照マーカ情報とに基づいて新たな撮像パラメータを算出し、校正前に記憶部に記憶された撮像パラメータを算出された新たな撮像パラメータで更新する校正更新部とを備える。

その三次元座標測定装置においては、測定点情報取得部が回転電動部材に取り付けられるかまたは測定対象物が回転電動部材に載置される。測定点情報取得部が回転電動部材に取り付けられた状態で回転電動部材が回転すると、その回転に伴って基準ベースに対する測定点情報取得部の位置および姿勢が変更される。または、測定対象物が回転電動部材に載置された状態で回転電動部材が回転すると、その回転に伴って基準ベースに対する測定対象物の位置および姿勢が変更される。

測定対象物の形状測定時には、測定点情報取得部により測定対象物上の測定点の位置に関する情報が測定点情報として取得される。また、回転電動部材に設けられる複数の参照マーカが基準撮像部により撮像され、基準画像データが生成される。その後、基準画像データ、参照マーカ情報および撮像パラメータに基づいて位置姿勢情報が算出され、算出された位置姿勢情報と測定点情報とに基づいて測定点の座標が算出される。

基準撮像部の校正時には、回転電動部材が位置および姿勢の互いに異なる複数の状態に移行する。複数の状態の各々で、基準撮像部により複数の参照マーカが撮像される。これにより得られる複数の基準画像データと参照マーカ情報とに基づいて新たな撮像パラメータが算出され、記憶部に記憶された撮像パラメータが新たな撮像パラメータで更新される。この場合、基準撮像部を構成する複数の部品に変形が生じたり、複数の部品間の位置関係にずれが生じる場合でも、使用者による煩雑な校正作業を要することなく記憶部に記憶される撮像パラメータが適切な撮像パラメータに更新される。

これらの結果、煩雑な校正作業を要することなく高い精度で信頼性の高い形状測定を行うことが可能となる。

（２）三次元座標測定装置は、記憶部に記憶された参照マーカ情報および撮像パラメータとに基づいて基準撮像部における受光面上の複数の参照マーカの投影像の位置を算出するとともに、基準撮像部が複数の参照マーカを撮像することにより得られる基準画像データに基づいて受光面上の複数の参照マーカの実際の投影像の位置を検出し、算出された投影像の位置と検出された実際の投影像の位置との関係が予め定められた許容条件を満たすか否かに基づいて基準撮像部の校正の要否を判定し、判定結果を出力する校正判定部をさらに備えてもよい。

この場合、使用者は、校正判定部から出力される判定結果に基づいて基準撮像部の校正の要否を把握することができる。

（３）三次元座標測定装置は、校正判定部により出力される判定結果を使用者に提示する提示部をさらに備えてもよい。

この場合、判定結果が提示部に提示される。それにより、使用者は、基準撮像部の校正の要否を容易に把握することができる。

（４）三次元座標測定装置は、複数の測定マーカを有するとともに測定対象物上の測定点を指示するためのプローブをさらに備え、測定点情報取得部は、回転電動部材に取り付けられかつプローブの複数の測定マーカを撮像可能に構成され、測定点情報は、測定点情報取得部により撮像された複数の測定マーカの画像を示す測定画像データを含んでもよい。

この場合、測定対象物の形状測定時には、測定点情報取得部によりプローブの複数の測定マーカが撮像され、測定画像データが生成される。それにより、測定画像データが示す複数の測定マーカの画像に基づいて、プローブにより指示される測定点の測定点情報取得部に対する座標を算出することが可能になる。

（５）第１の回転軸は、上下方向または水平方向に延びる回転軸であってもよい。

この場合、回転電動部材に載置された測定対象物または測定点情報取得部は、回転電動部材とともに上下方向または水平方向に延びる回転軸の周りで回転する。

（６）回転電動部材は、第２の回転軸の周りでさらに回転可能に構成され、第１の回転軸は、上下方向に延びる回転軸であり、第２の回転軸は、水平方向に延びる回転軸であってもよい。

この場合、回転電動部材に載置された測定対象物または測定点情報取得部は、回転電動部材とともに上下方向および水平方向に延びる回転軸の周りで回転する。

（７）回転電動部材は、予め定められた面内で移動可能に構成されてもよい。

この場合、回転電動部材に取り付けられた測定点情報取得部または回転電動部材に載置された測定対象物は、回転電動部材とともに予め定められた面内で移動する。

本発明によれば、煩雑な校正作業を要することなく高い精度で信頼性の高い形状測定を行うことが可能になる。

本発明の一実施の形態に係る三次元座標測定装置の使用例を示す模式図である。 撮像ヘッドおよび処理装置の基本構成を示すブロック図である。 撮像ヘッドの外観斜視図である。 ケーシングが取り除かれた状態を示す撮像ヘッドの外観斜視図である。 図３の仮想面における撮像ヘッドの模式的断面図である。 （ａ）は図５の参照部材の模式的縦断面図であり、（ｂ）は参照部材の下面図である。 基準カメラが参照部材を撮像することにより得られる複数のマーカの画像例を示す図である。 プローブの構成を示すブロック図である。 プローブの外観斜視図である。 本体制御回路の機能的な構成を示すブロック図である。 図２の本体制御回路による測定処理の流れを示すフローチャートである。 測定点座標算出処理の流れを示すフローチャートである。 図２の本体制御回路による追跡処理の流れを示すフローチャートである。 図２の本体制御回路による校正処理の流れを示すフローチャートである。 図２の本体制御回路による校正判定処理の流れを示すフローチャートである。 校正判定機能による判定結果の表示例を示す図である。 他の実施の形態に係る三次元座標測定装置の構成の一例を示す図である。 他の実施の形態に係る三次元座標測定装置の構成の他の例を示す図である。

［１］三次元座標測定装置の基本構成および使用例
図１は、本発明の一実施の形態に係る三次元座標測定装置の使用例を示す模式図である。図１に示すように、本実施の形態に係る三次元座標測定装置１は、主として撮像ヘッド１００、プローブ２００および処理装置３００から構成され、例えば大型の測定対象物Ｓの各部の寸法等の物理量を測定するために用いられる。図１の例では、測定対象物Ｓとして大型の配管が示される。測定対象物Ｓは、床面上に置かれている。

プローブ２００は、使用者Ｕにより携行される。プローブ２００には、接触部２１１ａが設けられている。使用者Ｕは、測定対象物Ｓの所望の部分にプローブ２００の接触部２１１ａを接触させる。測定対象物Ｓにおける接触部２１１ａとの接触部分が測定点となる。

撮像ヘッド１００は、基準スタンド１０により例えば設置面としての床面上に固定される。撮像ヘッド１００の内部には、可動カメラ１２０が設けられている。可動カメラ１２０によりプローブ２００に設けられた後述する複数のマーカｅｑ（図９）が撮像される。基準スタンド１０は、三脚であり、固定部１１および脚部１２からなる。固定部１１は、平坦な上面を有する。基準スタンド１０は、固定部１１の上面が水平な状態で固定されるように、固定部１１と脚部１２との間で姿勢調整が可能に構成されている。以下の説明において、固定部１１の上面は水平に固定されているものとする。

また、撮像ヘッド１００は、ケーブルＣＡを介して処理装置３００に接続されている。処理装置３００は、例えばパーソナルコンピュータであり、本体表示部３１０および本体操作部３２０が接続されている。処理装置３００においては、可動カメラ１２０がプローブ２００を撮像することにより得られる画像データ（以下、測定画像データと呼ぶ。）と後述する位置姿勢情報とに基づいて測定対象物Ｓ上の測定点の位置が算出される。測定対象物Ｓにおける１または複数の測定点の座標が算出されることにより、それらの算出結果に基づいて測定対象物Ｓの物理量が測定される。

使用者Ｕがプローブ２００を携行して移動する場合には、図１に白抜きの点線矢印で示すように、可動カメラ１２０の撮像視野の向きはプローブ２００の移動に追従する。すなわち、可動カメラ１２０の向きは、プローブ２００が移動するときに、プローブ２００が可動カメラ１２０の撮像視野内に位置するように変化する。それにより、三次元座標測定装置１は、広い測定可能領域を有する。以下、三次元座標測定装置１の各部の構成について詳細を説明する。

［２］撮像ヘッド１００および処理装置３００の構成
図２は、撮像ヘッド１００および処理装置３００の基本構成を示すブロック図である。図３は撮像ヘッド１００の外観斜視図であり、図４はケーシング９０が取り除かれた状態を示す撮像ヘッド１００の外観斜視図であり、図５は図３の仮想面ＶＰにおける撮像ヘッド１００の模式的断面図である。

まず、撮像ヘッド１００の構成について説明する。図２に示すように、撮像ヘッド１００は、電気的な構成として基準カメラ１１０、可動カメラ１２０、マーカ駆動回路１３０、回転駆動回路１４０、ヘッド制御回路１５０、無線通信回路１６０、通信回路１７０、俯瞰カメラ１８０および参照部材１９０を含む。これらの構成は、図２に二点鎖線で示される固定連結部２０、支持部材３０および可動部材４０のいずれかにより支持された状態で、図３に示すケーシング９０内に収容される。

図３に示すように、ケーシング９０は、下部ケーシング９１および上部ケーシング９２から構成される。図３および図５に示すように、下部ケーシング９１は略円筒形状を有し、撮像ヘッド１００の下端部から一定距離上方に延びる。下部ケーシング９１の上方の位置に上部ケーシング９２が設けられている。上部ケーシング９２は、略釣鐘形状を有し、後述する支持部材３０（図４）とともに水平面内で回転可能に設けられている。

図３に示すように、上部ケーシング９２の一部には、上下方向に延びるスリット９３が形成されている。スリット９３は、可動カメラ１２０の撮像視野をケーシング９０の外部へ導く。また、上部ケーシング９２には、俯瞰カメラ用窓９４が形成されている。俯瞰カメラ用窓９４は、俯瞰カメラ１８０の撮像視野をケーシング９０の外部へ導く。

図４および図５に示すように、固定連結部２０は、下固定板２１、上固定板２２、複数（例えば４本）の支柱２３および中空支持軸２４を含む。下固定板２１は、円板形状を有し、基準スタンド１０の固定部１１の上面上に、ねじを用いて固定されている。下固定板２１の上方には、複数の支柱２３を介して上固定板２２が設けられている。上固定板２２は、下固定板２１と同様に円板形状を有する。上固定板２２の中央部には、円形の開口が形成されている。上固定板２２の上面上には、上固定板２２の中央部の開口を取り囲むように中空支持軸２４がねじを用いて固定されている。図３の下部ケーシング９１は、固定連結部２０を構成するいずれかの部材に取り付けられている。

固定連結部２０においては、下固定板２１と上固定板２２との間の空間に、図２の回転駆動回路１４０、ヘッド制御回路１５０、無線通信回路１６０および通信回路１７０が実装された各種基板が設けられる。また、下固定板２１上には、図５に示すように、下固定板２１から上固定板２２の開口を通して中空支持軸２４の内部まで延びるように基準カメラ１１０が設けられている。この状態で、基準カメラ１１０の撮像視野は上方を向いている。本実施の形態では、基準カメラ１１０の光学系の光軸１１０ｃは、中空支持軸２４の中心軸に一致している。

下固定板２１上および上固定板２２上には、上記の各種基板および基準カメラ１１０に加えて、後述する支持部材３０を中空支持軸２４の中心軸の周りで回転させるため（基準スタンド１０の上面に平行な面内で回転させるため）の水平回転機構１４１が設けられている。水平回転機構１４１は、例えばモータおよび各種動力伝達部材を含む。

図４に示すように、固定連結部２０の中空支持軸２４上には、支持部材３０が設けられている。支持部材３０は、回転台座３１および一対の支持フレーム３２，３３を含む。回転台座３１は、中央部に開口を有し、支持部材３０が中空支持軸２４の中心軸の周りで回転可能となるように、クロスローラベアリングＣＢ（図５）を介して中空支持軸２４の上端部に取り付けられている。図３の上部ケーシング９２は、支持部材３０を構成するいずれかの部材に取り付けられている。中空支持軸２４に対する支持部材３０の回転時には、上部ケーシング９２は支持部材３０とともに下部ケーシング９１に対して相対的に回転する。

一対の支持フレーム３２，３３は、回転台座３１の一側部および他側部から互いに対向しつつ上方に延びるように形成されている。一対の支持フレーム３２，３３の間には、回転台座３１から所定距離離間した位置に可動部材４０が設けられている。

可動部材４０は、一対の支持フレーム３２，３３の互いに対向する部分を通る回転軸３０ｃの周りで回転可能（水平面に対してチルト可能）となるように、支持フレーム３２，３３により支持されている。本実施の形態では、回転軸３０ｃは、基準カメラ１１０（図５）の光軸１１０ｃおよび中空支持軸２４の中心軸に直交する。

一方の支持フレーム３２の上端部近傍には、可動部材４０とは反対側で回転軸３０ｃ上に位置する部分に俯瞰カメラ１８０が取り付けられている。他方の支持フレーム３３の上端部近傍には、可動部材４０とは反対側で回転軸３０ｃ上に位置する部分にチルト回転機構１４３が取り付けられている。チルト回転機構１４３は、例えばモータおよび各種動力伝達部材を含む。チルト回転機構１４３は、可動部材４０を回転軸３０ｃの周りで回転させる。なお、チルト回転機構１４３により可動部材４０を回転可能な範囲は、例えば６０°程度に制限されている。

可動部材４０は、略正方形の扁平な筒状に形成され、上面４１および下面４２を有する。可動部材４０上には、可動カメラ１２０およびその可動カメラ１２０に付随する各種基板が固定される。この状態で、可動カメラ１２０の光学系の光軸１２０ｃ（図５）は可動部材４０の上面４１に平行となっている。

可動部材４０の上端部には、その中央部の開口を塞ぐように図２のマーカ駆動回路１３０が実装された基板４３が設けられている。

図５に示すように、可動部材４０の内部には、複数のマーカｅｐ（図２）を有する参照部材１９０が設けられている。図６（ａ）は図５の参照部材１９０の模式的縦断面図であり、図６（ｂ）は参照部材１９０の下面図である。

図６（ａ），（ｂ）に示すように、参照部材１９０は、発光基板１９１、拡散板１９２、ガラス板１９３および拡散反射シート１９５を含む。発光基板１９１、拡散板１９２およびガラス板１９３は、この順で上方から下方に向かって並ぶように積層されている。その積層体の外周部を取り囲むように拡散反射シート１９５が設けられている。

発光基板１９１の下面には、全体に渡って複数の発光素子Ｌが実装されている。各発光素子Ｌは、例えば赤外ＬＥＤ（発光ダイオード）である。発光素子Ｌとしては、赤外ＬＥＤの代わりに他の波長の光を発するＬＥＤが用いられてもよいし、フィラメント等の他の発光素子が用いられてもよい。マーカ駆動回路１３０が発光基板１９１上の複数の発光素子Ｌを駆動する。それにより、複数の発光素子Ｌが発光する。

拡散板１９２は、例えば樹脂からなる板部材であり、複数の発光素子Ｌから発生される光を拡散させつつ下方へ透過する。拡散反射シート１９５は、例えば樹脂からなる帯状のシート部材であり、複数の発光素子Ｌから参照部材１９０の側方（外方）に向かう光を拡散させつつその内方に反射する。

ガラス板１９３は、例えば石英ガラスまたはソーダガラスにより形成された板部材である。ガラス板１９３の下面には、複数の円形開口を有するマスク１９４が設けられている。マスク１９４は、例えばスパッタ法または蒸着法によりガラス板１９３の下面に形成されるクロムマスクである。

上記の構成により、複数の発光素子Ｌから発生されて拡散板１９２および拡散反射シート１９５により拡散された光が、ガラス板１９３およびマスク１９４の複数の円形開口を通して参照部材１９０の下方に放出される。このようにして、複数の円形開口にそれぞれ対応する自発光型の複数のマーカｅｐが形成される。

本実施の形態においては、図６（ｂ）に示すように、複数のマーカｅｐは、参照部材１９０の下面（平面）上でマトリクス状に等間隔で並んでいる。複数のマーカｅｐのうち、中央部に位置するマーカｅｐおよびその中央部のマーカｅｐから所定距離離間した位置にある一のマーカｅｐには、他のマーカｅｐから識別するための識別マーク（本例では点）が付されている。これらの識別マークは、マスク１９４の一部により形成される。以下の説明では、識別マークが付された２つのマーカｅｐを他の複数のマーカｅｐから区別する場合に、識別マークを含む中央部のマーカｅｐを第１のマーカｅｐ１と呼ぶ。また、識別マークを含む他方のマーカｅｐを第２のマーカｅｐ２と呼ぶ。

上記の構成においては、参照部材１９０は、下方に向く複数のマーカｅｐが基準カメラ１１０の撮像視野の範囲内に位置するように可動部材４０に取り付けられている。さらに、参照部材１９０は、可動部材４０の上面４１および下面４２が基準カメラ１１０の光軸１１０ｃの方向に対して垂直となるときに、第１のマーカｅｐ１が光軸１１０ｃ上に位置するように可動部材４０に取り付けられている。なお、参照部材１９０は、複数のマーカｅｐの大部分が基準カメラ１１０の撮像視野の全体に渡って分散するように配置されることが望ましい。

支持部材３０が固定連結部２０上で回転する際、および可動部材４０が回転軸３０ｃの周りで回転する際には、基準カメラ１１０が参照部材１９０を撮像することにより得られる複数のマーカｅｐの画像が変化する。

図７は、基準カメラ１１０が参照部材１９０を撮像することにより得られる複数のマーカｅｐの画像例を示す図である。図６（ｂ）の複数のマーカｅｐから光が放出されることにより、撮像ヘッド１００により撮像される参照部材１９０の画像においては、複数のマーカｅｐに対応する画像が現れる。

例えば支持部材３０および可動部材４０の各々が予め定められた基準姿勢で保持されている場合に、図７（ａ）に示す画像１１０ｉが得られるものとする。基準姿勢においては、参照部材１９０の下面は、基準カメラ１１０の光軸１１０ｃに直交し、水平に保持される。図７（ａ）の画像１１０ｉにおいては、複数のマーカｅｐにそれぞれ対応するマーカ画像ｉｅｐが、図６（ｂ）の実際の複数のマーカｅｐと同様に、マトリクス状に並んでいる。また、基準カメラ１１０の視野中心に対応する画像中央部には、図６（ｂ）の第１のマーカｅｐ１に対応するマーカ画像ｉｅｐ１が示される。さらに、マーカ画像ｉｅｐ１から所定距離離間した位置に図６（ｂ）の第２のマーカｅｐ２に対応するマーカ画像ｉｅｐ２が示される。

支持部材３０が基準姿勢から光軸１１０ｃを中心として回転する場合には、複数のマーカｅｐと基準カメラ１１０との間の距離は大きく変動しない。この回転によれば、図７（ｂ）に示すように、複数のマーカ画像ｉｅｐが画像中央部を中心として回転する。この場合、２つのマーカ画像ｉｅｐ１，ｉｅｐ２の位置関係に基づいて、支持部材３０が基準姿勢からどれだけ回転しているのかを求めることができる。

可動部材４０が基準姿勢から回転軸３０ｃを中心として回転する場合には、複数のマーカｅｐと基準カメラ１１０との間の距離がそれぞれ変化する。例えば、複数のマーカｅｐの一部と基準カメラ１１０との間の距離が短くなり、複数のマーカｅｐの他の部分と基準カメラ１１０との間の距離が長くなる。それにより、例えば支持部材３０が図７（ｂ）の画像１１０ｉに対応する回転位置に保持された状態で、可動部材４０が基準姿勢から回転すると、図７（ｃ）に示すように、複数のマーカ画像ｉｅｐの配列状態に変化が生じる。この場合、２つのマーカ画像ｉｅｐ１，ｉｅｐ２を含む全体のマーカ画像ｉｅｐの位置関係に基づいて、可動部材４０が基準姿勢からどれだけ回転しているのかを求めることができる。

上記のように、可動部材４０には、可動カメラ１２０および参照部材１９０が一体的に固定されている。それにより、基準カメラ１１０が参照部材１９０の複数のマーカｅｐを撮像することにより得られる撮像データ（以下、基準画像データと呼ぶ。）に基づいて、基準カメラ１１０に対する可動カメラ１２０の位置および姿勢を算出することが可能である。可動カメラ１２０の位置および姿勢を算出することについての詳細は後述する。

可動部材４０と回転台座３１との間には、基準カメラ１１０から参照部材１９０までの基準カメラ１１０の撮像視野を含む撮像空間ｒｓ（図５）を当該撮像空間ｒｓの外部から光学的かつ空間的に遮断する蛇腹５０が設けられている。

本例の蛇腹５０の上端部は可動部材４０の下面４２に接合され、蛇腹５０の下端部は回転台座３１の上面に接合されている。それにより、支持部材３０が水平面内で回転する際には、支持部材３０とともに蛇腹５０も回転する。

また、本例の蛇腹５０は、略正方形の筒形状を有し、チルト回転機構１４３による可動部材４０の回転時にその回転に追従して変形することにより撮像空間ｒｓの光学的かつ空間的な遮断状態を維持可能に構成される。さらに、蛇腹５０は、可動部材４０の回転に追従して変形する際に、その蛇腹５０が基準カメラ１１０の撮像視野に干渉しないように設けられる。

このような構成により、撮像空間ｒｓ内に、撮像空間ｒｓの外部から光が進入することが防止される。また、撮像空間ｒｓの周囲でモータ等が発熱する場合でも、発生された熱が撮像空間ｒｓ内に進入することが防止される。それにより、撮像空間ｒｓの雰囲気に揺らぎが生じることが防止される。したがって、高い精度で複数のマーカｅｐが撮像されるので、基準カメラ１１０に対する可動カメラ１２０の位置および姿勢を高い精度で算出することができる。

また、上記の構成によれば、蛇腹５０の内部空間が外部空間から空間的に遮断されることにより蛇腹５０の内部空間の雰囲気が安定する。したがって、蛇腹５０の外部に設けられる熱源に対してファン等を用いて強制空冷することも可能になる。

なお、撮像空間ｒｓに向く蛇腹５０の内面は、光の反射率が低く光を吸収するような色または素材で構成されることが好ましい。例えば、蛇腹５０の内面の色は黒色であってもよい。または、蛇腹５０の内面は、光を反射しない無反射素材で構成されてもよい。あるいは、蛇腹５０の内面に、光を反射しない無反射素材のコーティングが施されていてもよい。それにより、複数のマーカｅｐから放出される光が、蛇腹５０の内面で乱反射することが防止される。したがって、高い精度で複数のマーカｅｐが撮像される。

撮像ヘッド１００においては、図４に示すように、可動カメラ１２０の重心が基準カメラ１１０の光軸１１０ｃと回転軸３０ｃとの交点ＧＣに近づくように可動カメラ１２０を設けることが望ましい。この場合、可動カメラ１２０の重心が交点ＧＣに近いほど、光軸１１０ｃを中心とする支持部材３０の回転が安定化し、回転軸３０ｃを中心とする可動部材４０の回転が安定化する。また、支持部材３０および可動部材４０を回転させるために必要となる駆動力を低減することができる。それにより、モータ等の駆動部に加わる負担が低減される。

俯瞰カメラ１８０は、図４に示すように、その撮像視野が可動カメラ１２０の撮像視野と同じかまたはほぼ同じ方向を向くように支持フレーム３２に設けられる。俯瞰カメラ１８０の画角は、基準カメラ１１０および可動カメラ１２０の画角に比べて大きい。そのため、俯瞰カメラ１８０の撮像視野は、基準カメラ１１０および可動カメラ１２０の撮像視野に比べて大きい。なお、可動カメラ１２０の画角は、例えば可動カメラ１２０から１．５ｍ離間した位置で直径１５ｃｍ程度の円形領域をカバーできるように設定される。

後述する追跡処理において、俯瞰カメラ１８０は、広い範囲に渡ってプローブ２００を撮像するために用いられる。この場合、例えばプローブ２００が移動することにより可動カメラ１２０の撮像視野からプローブ２００が外れる場合でも、当該プローブ２００が俯瞰カメラ１８０で撮像されることにより、撮像により得られる画像データ（以下、俯瞰画像データと呼ぶ。）に基づいてプローブ２００の大まかな位置を特定することができる。特定された位置に基づいて、可動カメラ１２０の撮像視野内にプローブ２００が位置するように、可動カメラ１２０の位置および姿勢が調整される。

図２に示すように、基準カメラ１１０、可動カメラ１２０、マーカ駆動回路１３０、回転駆動回路１４０、無線通信回路１６０および通信回路１７０は、ヘッド制御回路１５０に接続されている。ヘッド制御回路１５０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）およびメモリ、またはマイクロコンピュータを含み、基準カメラ１１０、可動カメラ１２０、マーカ駆動回路１３０および回転駆動回路１４０を制御する。

基準カメラ１１０、可動カメラ１２０および俯瞰カメラ１８０の各々は、撮像素子として、赤外線を検出可能なＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサを含む。また、基準カメラ１１０、可動カメラ１２０および俯瞰カメラ１８０の各々は、図示しない複数のレンズ（光学系）を含む。

上記のように、基準カメラ１１０、可動カメラ１２０および俯瞰カメラ１８０の各画素からは、検出量に対応するアナログの電気信号（以下、受光信号と呼ぶ）がヘッド制御回路１５０に出力される。

ヘッド制御回路１５０には、図示しないＡ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）およびＦＩＦＯ（First In First Out）メモリが実装されている。基準カメラ１１０、可動カメラ１２０および俯瞰カメラ１８０からそれぞれ出力される受光信号は、ヘッド制御回路１５０のＡ／Ｄ変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされるとともにデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号は、ＦＩＦＯメモリに順次蓄積される。ＦＩＦＯメモリに蓄積されたデジタル信号は、画素データとして順次処理装置３００に転送される。

マーカ駆動回路１３０は、ヘッド制御回路１５０の制御に基づいて、図６（ａ）の発光基板１９１を駆動する。それにより、発光基板１９１上の複数の発光素子Ｌが発光し、参照部材１９０の複数のマーカｅｐから光が放出される。なお、この発光タイミングと基準カメラ１１０の撮像タイミングとは同期される。

回転駆動回路１４０は、ヘッド制御回路１５０の制御に基づいて図４の水平回転機構１４１を駆動する。それにより、図４の支持部材３０が固定連結部２０上で回転し、可動部材４０および上部ケーシング９２（図３）が回転する。このとき、可動部材４０が回転することにより、スリット９３（図３）を通って上部ケーシング９２の内部から外部に導かれる可動カメラ１２０の撮像視野が図１の基準スタンド１０上で水平方向に回転する。

また、回転駆動回路１４０は、ヘッド制御回路１５０の制御に基づいて図４のチルト回転機構１４３を駆動する。それにより、図４の可動部材４０が一対の支持フレーム３２，３３間で回転軸３０ｃを中心として回転する。このとき、スリット９３（図３）を通る可動カメラ１２０の撮像視野が図１の基準スタンド１０上でスリット９３に沿って上下方向に回転する。これらの回転駆動回路１４０による可動カメラ１２０の撮像視野の回転は、処理装置３００における後述する追跡処理に基づいて行われる。

ヘッド制御回路１５０は、無線通信回路１６０を介してプローブ２００との間で無線通信を行う。また、ヘッド制御回路１５０は、通信回路１７０およびケーブルＣＡ（図１）を介して処理装置３００との間で有線通信を行う。

図２に示すように、処理装置３００は、通信回路３０１、本体制御回路３０２および本体メモリ３０３を含む。通信回路３０１および本体メモリ３０３は、本体制御回路３０２に接続されている。また、本体制御回路３０２には、本体操作部３２０および本体表示部３１０が接続されている。

本体メモリ３０３は、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）およびハードディスクを含む。本体メモリ３０３には、システムプログラムとともに、後述する測定処理プログラム、追跡処理プログラム、校正プログラムおよび校正判定プログラムが記憶される。また、本体メモリ３０３には、基準カメラ１１０のカメラパラメータが記憶される。基準カメラ１１０のカメラパラメータは、レンズに起因して基準画像データに含まれる歪成分に関する値、およびレンズと撮像素子との間の相対的な位置関係に関する値を含む。また、本体メモリ３０３には、参照部材１９０における複数のマーカｅｐの設計上の相対的な位置関係を示す情報が参照マーカ情報として記憶される。カメラパラメータおよび参照マーカ情報の具体例については後述する。さらに、本体メモリ３０３は、種々のデータの処理および撮像ヘッド１００から与えられる画素データ等の種々のデータを保存するために用いられる。

本体制御回路３０２は、ＣＰＵを含む。本実施の形態においては、本体制御回路３０２および本体メモリ３０３は、パーソナルコンピュータにより実現される。本体制御回路３０２は、撮像ヘッド１００からケーブルＣＡ（図１）および通信回路３０１を介して与えられる画素データに基づいて画像データを生成する。画像データは複数の画素データの集合である。

本実施の形態では、撮像ヘッド１００に設けられる基準カメラ１１０、可動カメラ１２０および俯瞰カメラ１８０にそれぞれ対応する基準画像データ、測定画像データおよび俯瞰画像データが生成される。また、プローブ２００に設けられる後述するプローブカメラ２０８に対応する画像データが生成される。本体制御回路３０２は、測定対象物Ｓの形状測定時に、基準カメラ１１０のカメラパラメータ、基準画像データおよび測定画像データに基づいて、プローブ２００の接触部２１１ａ（図１）の位置を算出する。また、本体制御回路３０２は、基準カメラ１１０について適切なカメラパラメータを新たなカメラパラメータとして算出する。さらに、本体制御回路３０２は、本体メモリ３０３に記憶された基準カメラ１１０のカメラパラメータを新たなカメラパラメータで更新する。これにより基準カメラ１１０の校正が行われる。本体制御回路３０２が有する各種機能の詳細については後述する。

本体表示部３１０は、例えば液晶ディスプレイパネルまたは有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルにより構成される。本体表示部３１０には、本体制御回路３０２による制御に基づいて、測定対象物Ｓ上の測定点の位置および測定対象物Ｓの各部の測定結果等が表示される。また、本体表示部３１０には、測定に関する種々の設定を行うための設定画面が表示される。

本体操作部３２０は、キーボードおよびポインティングデバイスを含む。ポインティングデバイスは、マウスまたはジョイスティック等を含む。本体操作部３２０は、使用者Ｕにより操作される。

［３］プローブ２００の構成
図８は、プローブ２００の構成を示すブロック図である。図９はプローブ２００の外観斜視図である。図８に示すように、プローブ２００は、電気的な構成としてプローブ制御部２０１、表示灯２０２、バッテリ２０３、マーカ駆動回路２０４、プローブメモリ２０５、無線通信回路２０６、モーションセンサ２０７、プローブカメラ２０８、プローブ操作部２２１、タッチパネルディスプレイ２３０および複数（本例では３つ）の目標部材２９０を含む。

バッテリ２０３は、プローブ２００に設けられた他の構成要素に電力を供給する。プローブ制御部２０１は、ＣＰＵおよびメモリ、またはマイクロコンピュータを含み、表示灯２０２、マーカ駆動回路２０４、プローブカメラ２０８およびタッチパネルディスプレイ２３０を制御する。また、プローブ制御部２０１は、使用者Ｕによるプローブ操作部２２１およびタッチパネルディスプレイ２３０の操作に応答して、各種処理を行う。

図８に二点鎖線で示すように、プローブ２００は、上記の各構成要素を収容または支持するプローブケーシング２１０および把持部２２０を有する。プローブ制御部２０１、表示灯２０２、バッテリ２０３、マーカ駆動回路２０４、プローブメモリ２０５、無線通信回路２０６、モーションセンサ２０７およびプローブカメラ２０８は、プローブケーシング２１０内に収容される。複数の目標部材２９０は、プローブケーシング２１０の後述する上面部２１０ｃ（図９）に設けられる。プローブ操作部２２１は、押下操作が可能に構成されたボタンであり、把持部２２０に設けられる。

タッチパネルディスプレイ２３０は、プローブ表示部２３１およびタッチパネル２３２を含む。プローブ表示部２３１は、例えば液晶ディスプレイパネルまたは有機ＥＬパネルにより構成される。

表示灯２０２は、例えば１または複数のＬＥＤを含み、その発光部がプローブケーシング２１０の外部に露出するように設けられている。表示灯２０２は、プローブ制御部２０１の制御に基づいてプローブ２００の状態に応じた発光動作を行う。

３つの目標部材２９０の各々は、基本的に図６（ａ），（ｂ）の参照部材１９０と同じ構成を有する。マーカ駆動回路２０４は、複数の目標部材２９０に接続され、プローブ制御部２０１の制御に基づいて各目標部材２９０が含む複数の発光素子を駆動する。

プローブメモリ２０５は、不揮発性メモリまたはハードディスク等の記録媒体を含む。プローブメモリ２０５は、種々のデータの処理および撮像ヘッド１００から与えられる画像データ等の種々のデータを保存するために用いられる。

モーションセンサ２０７は、例えば使用者Ｕがプローブ２００を携行して移動する際に、そのプローブ２００の動きを検出する。例えば、モーションセンサ２０７は、プローブ２００の移動時に、その移動方向、加速度および姿勢等を検出する。プローブカメラ２０８は、例えばＣＣＤ（電荷結合素子）カメラである。

プローブ制御部２０１には、上記のＣＰＵおよびメモリ、またはマイクロコンピュータに加えて、図示しないＡ／Ｄ変換器およびＦＩＦＯメモリが実装されている。それにより、プローブ制御部２０１においては、モーションセンサ２０７により検出されたプローブ２００の動きを示す信号がデジタル信号形式のデータ（以下、動きデータと呼ぶ。）に変換される。また、プローブ制御部２０１においては、プローブカメラ２０８の各画素から出力される受光信号がデジタル信号形式の複数の画素データに変換される。プローブ制御部２０１は、デジタル形式の動きデータおよび複数の画素データを、無線通信回路２０６を通して図２の撮像ヘッド１００に無線通信により送信する。この場合、動きデータおよび複数の画素データは、さらに撮像ヘッド１００から処理装置３００に転送される。

図９に示すように、プローブケーシング２１０は、一方向に延びるように形成され、前端部２１０ａ、後端部２１０ｂ、上面部２１０ｃおよび底面部２１０ｄを有する。底面部２１０ｄには、把持部２２０が設けられている。把持部２２０は、プローブケーシング２１０に平行に延びるように形成されている。プローブ操作部２２１は、把持部２２０のうちプローブケーシング２１０の後端部２１０ｂに近い部分に設けられている。

プローブケーシング２１０の後端部２１０ｂには、タッチパネルディスプレイ２３０が設けられている。前端部２１０ａには、スタイラス２１１が設けられている。スタイラス２１１は、先端部に接触部２１１ａを有する棒状の部材である。前端部２１０ａには、さらにプローブカメラ２０８が設けられている。

プローブケーシング２１０の上面部２１０ｃには、前端部２１０ａから後端部２１０ｂにかけて並ぶように３つの目標部材２９０が設けられている。本例の３つの目標部材２９０のうち前端部２１０ａに最も近い目標部材２９０は、３つのマーカｅｑを有する。残りの２つの目標部材２９０の各々は、２つのマーカｅｑを有する。各マーカｅｑは、赤外光を放出する自発光型のマーカである。なお、これらの複数のマーカｅｑの発光タイミングと撮像ヘッド１００の可動カメラ１２０の撮像タイミングとは同期される。

使用者Ｕは、プローブケーシング２１０の上面部２１０ｃが撮像ヘッド１００に向くように把持部２２０を把持する。その上で、使用者Ｕは、測定対象物Ｓの所望の部分に接触部２１１ａを接触させる。また、使用者Ｕは、タッチパネルディスプレイ２３０に表示される画像を視認しつつ、プローブ操作部２２１およびタッチパネルディスプレイ２３０を操作する。

［４］測定点の座標の算出方法
本実施の形態に係る三次元座標測定装置１においては、例えば基準スタンド１０に対して予め定められた関係を有する三次元座標系（以下、世界座標系と呼ぶ。）が定義されている。また、基準カメラ１１０に対して予め定められた関係を有する三次元座標系（以下、基準カメラ座標系と呼ぶ。）が定義されている。さらに、可動カメラ１２０に対して予め定められた関係を有する三次元座標系（以下、可動カメラ座標系と呼ぶ。）が定義されている。

測定対象物Ｓの形状測定時には、可動カメラ１２０によりプローブ２００が撮像され、測定画像データが生成される。測定画像データによれば、複数のマーカｅｑの位置を示す可動カメラ座標系の座標を算出することができる。プローブ２００においては、複数のマーカｅｑおよび接触部２１１ａが一定の位置関係を有する。それにより、算出された複数のマーカｅｑの座標に基づいて、測定対象物Ｓ上の測定点の位置を示す可動カメラ座標系の座標を算出することができる。

ここで、可動カメラ１２０の位置および姿勢は、支持部材３０および可動部材４０の少なくとも一方が回転することにより変化する。それにより、可動カメラ座標系と世界座標系との関係は、可動カメラ１２０の位置および姿勢の変化とともに変化する。測定対象物Ｓの形状を測定するためには、測定点の位置を世界座標系で表した座標が必要となる。そのため、可動カメラ座標系で表される測定点の座標は、可動カメラ１２０の位置および姿勢に応じて世界座標系で表されるように座標変換される必要がある。

この座標変換は、基準スタンド１０に固定された基準カメラ１１０に対する可動部材４０の位置および姿勢を示す情報（以下、位置姿勢情報と呼ぶ。）を用いることにより実現される。

位置姿勢情報の算出方法について説明する。位置姿勢情報は、回転行列および並進行列を含み、回転行列の成分をｒ１１，ｒ１２，ｒ１３，ｒ２１，ｒ２２，ｒ２３，ｒ３１，ｒ３２，ｒ３３とし、並進行列の成分をｔｘ，ｔｙ，ｔｚとして、下記式（１）で表すことができる。

一のマーカｅｐの位置を世界座標系で表した座標を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とし、一のマーカｅｐの位置を基準カメラ座標系で表した座標を（Ｘｃ，Ｙｃ，Ｚｃ）とする。この場合、上記式（１）に記載された行列の各成分を用いて、下記式（２），（３），（４）が成立する。

Ｘｃ＝ｒ１１Ｘ＋ｒ１２Ｙ＋ｒ１３Ｚ＋ｔｘ…（２）
Ｙｃ＝ｒ２１Ｘ＋ｒ２２Ｙ＋ｒ２３Ｚ＋ｔｙ…（３）
Ｚｃ＝ｒ３１Ｘ＋ｒ３２Ｙ＋ｒ３３Ｚ＋ｔｚ…（４）
ここで、基準カメラ１１０をピンホールカメラと仮定し、撮像素子の受光面上の一のマーカｅｐの投影像の基準カメラ座標系に従う座標を（ｕ，ｖ）とする。この場合、基準カメラ１１０内の受光面から光学中心（レンズの主点位置）までの距離（焦点距離）をｆとすると、相似の関係により下記式（５），（６）が成立する。

ｕ／ｆ＝Ｘｃ／Ｚｃ…（５）
ｖ／ｆ＝Ｙｃ／Ｚｃ…（６）
式（５），（６）は、式（２），（３），（４）を用いて下記式（７），（８）にそれぞれ変形することができる。

ｕ／ｆ−（ｒ１１Ｘ＋ｒ１２Ｙ＋ｒ１３Ｚ＋ｔｘ）／（ｒ３１Ｘ＋ｒ３２Ｙ＋ｒ３３Ｚ＋ｔｚ）＝０…（７）
ｖ／ｆ−（ｒ２１Ｘ＋ｒ２２Ｙ＋ｒ２３Ｚ＋ｔｙ）／（ｒ３１Ｘ＋ｒ３２Ｙ＋ｒ３３Ｚ＋ｔｚ）＝０…（８）
上記の２つの式（７），（８）は、一のマーカｅｐに対応して生成される。したがって、参照部材１９０の複数のマーカｅｐの全ての数をＮとすると、（Ｎ×２）個の式を生成することができる。

ｕ，ｖは基準カメラ１１０内の受光面上の各マーカｅｐの投影像に基づいて取得することができる。複数のマーカｅｐの位置関係は、参照マーカ情報として本体メモリ３０３に記憶されている。それにより、上記のＸ，Ｙ，Ｚの値は、参照マーカ情報を用いることにより、第１および第２のマーカｅｐ１，ｅｐ２に対する位置関係に基づいて導くことができる既知の値である。

したがって、基準カメラ１１０の焦点距離ｆが既知でありかつＮが所定数以上である場合には、（Ｎ×２）個の式（連立方程式）に基づいて回転行列および並進行列の全ての成分（位置姿勢情報）を最小二乗法的に求めることが可能になる。

この場合、マーカｅｐの数Ｎが大きいほど、算出される回転行列および並進行列の信頼性が高くなる。この点を考慮して、本実施の形態に係る参照部材１９０は、例えば４００個程度のマーカｅｐを有する。

［５］基準カメラ１１０のカメラパラメータおよび校正
基準カメラ１１０内の撮像素子の受光面上に実際に投影される複数のマーカｅｐの像には、レンズに起因する歪成分およびレンズと撮像素子との位置関係に起因するずれ成分が含まれる。これに対して、上記の式（５）〜（８）で用いられる投影像の座標（ｕ，ｖ）は、基準カメラ１１０内の受光面上の投影像に歪成分およびずれ成分が存在しないピンホールカメラモデルを前提とした座標である。そのため、位置姿勢情報を算出するための投影像の座標（ｕ，ｖ）を正確に取得するためには、一のマーカｅｐから受光面に実際に投影される投影像の座標を補正する必要がある。

ここで、一のマーカｅｐの位置を基準カメラ座標系で表した座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とし、正規化された平面上に投影される一のマーカｅｐの投影像の座標（ｘ／ｚ，ｙ／ｚ）を（ｘ’，ｙ’）とする。

この場合、正規化された平面上に投影される一のマーカｅｐの投影像のレンズに起因するずれ量ｘ’’，ｙ’’は、下記式（９），（１０）で表すことができる。

ｘ’’＝ｘ’（１＋ｋ１ｒ^２＋ｋ２ｒ^４＋ｋ３ｒ^６）＋２ｐ１ｘ’ｙ’＋ｐ２（ｒ^２＋２ｘ’^２）…（９）
ｙ’’＝ｙ’（１＋ｋ１ｒ^２＋ｋ２ｒ^４＋ｋ３ｒ^６）＋ｐ１（ｒ^２＋２ｙ’^２）＋２ｐ２ｘ’ｙ’…（１０）
これらの式（９），（１０）において、ｒ^２＝ｘ’^２＋ｙ’^２である。また、式（９），（１０）のうち、ｋ１，ｋ２，ｋ３はレンズの放射方向の歪成分を補正するための補正係数であり、ｐ１，ｐ２はレンズの接線方向の歪成分を補正するための補正係数である。

上記のずれ量ｘ’’，ｙ’’を求めることができれば、位置姿勢情報を算出するための投影像の座標（ｕ，ｖ）は、焦点距離ｆを用いて下記式（１１），（１２）により算出することができる。

ｕ＝ｆ×ｘ’’＋ｕ０…（１１）
ｖ＝ｆ×ｙ’’＋ｖ０…（１２）
これらの式（１１），（１２）において、ｕ０，ｖ０は、レンズの光軸が交差する撮像素子の受光面上の位置（以下、光軸交差点と呼ぶ。）の座標を表す。したがって、光軸交差点が受光面上の原点（例えば受光面の中心）に位置する場合、ｕ０，ｖ０はともに０となる。

上記のように、式（５）〜（８）で用いられる投影像の座標（ｕ，ｖ）を算出するためには、焦点距離ｆ、光軸交差点の座標（ｕ０，ｖ０）、レンズに起因して発生する歪成分に対応する補正係数ｋ１，ｋ２，ｋ３，ｐ１，ｐ２が既知である必要がある。したがって、本実施の形態に係る三次元座標測定装置１においては、上記の符号ｆ，ｕ０，ｖ０，ｋ１，ｋ２，ｋ３，ｐ１，ｐ２で示される予め定められた値がカメラパラメータとして本体メモリ３０３に記憶される。

ところで、基準カメラ１１０においては、その設置空間の温度変化および経年的な使用等に起因してレンズが変形したり、レンズと撮像素子との位置関係にずれが生じる場合がある。この場合、基準カメラ１１０における適切なカメラパラメータの値は、レンズの変形およびレンズと撮像素子との位置関係の変化に伴って変化する。

上記のように、参照部材１９０は、複数のマーカｅｐの大部分が基準カメラ１１０の撮像視野の全体に渡って分散するように配置されることが望ましい。より多数のマーカｅｐが基準カメラ１１０の撮像視野のより広い範囲に渡って分散するように配置された画像を示す基準画像データを用いることにより、より高い精度で位置姿勢情報を算出することができる。しかしながら、基準画像データのうち撮像視野の中心部以外の領域に対応する部分のデータは、上記のカメラパラメータの影響を受けやすい。

そこで、本実施の形態に係る三次元座標測定装置１は、本体メモリ３０３に過去に記憶されたカメラパラメータを、現時点で適切とされる新たなカメラパラメータで更新する基準カメラ１１０の校正機能を有する。

カメラの校正手法として、いわゆるＺｈａｎｇの手法（非特許文献１参照）が知られている。本例の校正機能においては、Ｚｈａｎｇの手法を用いて基準カメラ１１０の校正が行われる。この校正機能の詳細を説明する。

実際の受光面上の一のマーカｅｐの投影像の座標を（ｕ’，ｖ’）とすると、その座標と上記の座標（ｕ，ｖ）との誤差ｅｘ，ｅｙは、下記式（１３），（１４）で表すことができる。

ｅｘ＝ｕ−ｕ’…（１３）
ｅｙ＝ｖ−ｖ’…（１４）
基準カメラ１１０の校正時には、支持部材３０および可動部材４０がそれぞれ所定ピッチで順次回転することにより、参照部材１９０が互いに異なる複数の位置姿勢状態に移行される。具体的には、支持部材３０は例えば３０°ピッチで光軸１１０ｃを中心として順次回転し、可動部材４０は例えば１０°ピッチで回転軸３０ｃを中心として順次回転する。

また、複数の位置姿勢状態の各々で基準カメラ１１０により複数のマーカｅｐが撮像される。これにより得られる画像データから、複数のマーカｅｐの複数の投影像の座標が上記の（ｕ’，ｖ’）として取得される。

複数のマーカｅｐの位置関係は、参照マーカ情報として本体メモリ３０３に記憶されている。それにより、上記のｘ，ｙ，ｚの値は、参照マーカ情報を用いることにより、第１および第２のマーカｅｐ１，ｅｐ２に対する位置関係に基づいて導くことができる既知の値である。

そこで、参照部材１９０の複数の位置姿勢状態で複数のマーカｅｐに対応して得られる全ての誤差ｅｘ，ｅｙの積算値が最小となるように、全ての画像データに対して一意的に定まる新たなカメラパラメータの値（符号ｆ，ｕ０，ｖ０，ｋ１，ｋ２，ｋ３，ｐ１，ｐ２で示される値）が決定される。このとき、決定されたカメラパラメータに対応する誤差ｅｘ，ｅｙの積算値は、本体メモリ３０３に記憶される。

その後、校正前に本体メモリ３０３に記憶されたカメラパラメータが、上記のようにして決定された新たなカメラパラメータで更新される。それにより、三次元座標測定装置１の周囲の温度環境が変化したり、三次元座標測定装置１が長期に渡って使用される場合でも、位置姿勢情報の算出精度の低下が防止される。

なお、三次元座標測定装置１において、初期のカメラパラメータは、工場出荷前または工場出荷後の三次元座標測定装置１の最初の使用時に、上記の校正機能により決定される。このとき決定されたカメラパラメータは、本体メモリ３０３に記憶される。

［６］校正判定機能
本実施の形態に係る三次元座標測定装置１は、基準カメラ１１０の校正の要否を判定しかつ判定結果を使用者Ｕに提示する校正判定機能をさらに有する。

校正判定は、本体メモリ３０３に記憶されている参照マーカ情報およびカメラパラメータに基づいて算出される複数のマーカｅｐの受光面上の投影像の位置と、基準画像データに基づいて検出される複数のマーカｅｐの受光面上の実際の投影像の位置との関係が予め定められた許容条件を満たすか否かに基づいて行われる。

具体的な校正判定の一例を説明する。例えば、校正時と同様に、まず支持部材３０および可動部材４０がそれぞれ所定ピッチで順次回転することにより、参照部材１９０が位置および姿勢の互いに異なる複数の状態に移行され、各状態に対応する基準画像データが取得される。そこで、参照マーカ情報およびカメラパラメータと複数の基準画像データとを用いて参照部材１９０の複数の状態で複数のマーカｅｐに対応して得られる全ての誤差ｅｘ，ｅｙの積算値（以下、判定時積算誤差と呼ぶ。）が算出される。

その後、直前に行われた校正時に算出された誤差ｅｘ，ｅｙの積算値（以下、校正時積算誤差と呼ぶ。）に対する判定時積算誤差の比率が、許容条件として予め定められた許容比率（例えば、１．５）以上となったか否かが判定される。この許容条件は、例えば本体メモリ３０３に予め記憶されているものとする。

これにより、比率が許容比率以上である場合には、その判定結果として、基準カメラ１１０の校正を行うべきメッセージが本体表示部３１０に表示される。一方、比率が許容比率よりも小さい場合には、その判定結果として、基準カメラ１１０の校正を行わなくてよいメッセージが本体表示部３１０に表示される。

なお、校正判定は、上記の例に限らず、例えば判定時積算誤差が許容条件として予め定められたしきい値以上であるか否かを判定することにより行われてもよい。この場合、判定時積算誤差が予め定められたしきい値以上である場合に、基準カメラ１１０の校正を行うべきことが判定される。一方、判定時積算誤差が予め定められたしきい値よりも小さい場合に、基準カメラ１１０の校正を行なわなくてよいことが判定される。

[７]測定例
図９のプローブ操作部２２１は、測定点の座標を算出するために使用者Ｕにより押下操作される。例えば、使用者Ｕは、測定対象物Ｓの所望の部分に接触部２１１ａが接触された状態で、プローブ操作部２２１を押下操作する。この場合、この場合、測定対象物Ｓにおける接触部２１１ａとの接触部分の座標が、測定点の座標として算出される。算出された測定点の座標は、測定結果として本体メモリ３０３に記憶されるとともに、プローブ表示部２３１および本体表示部３１０に表示される。

三次元座標測定装置１においては、使用者Ｕは、図２の本体操作部３２０または図８のタッチパネルディスプレイ２３０を操作することにより、測定対象物Ｓに対して所望の測定条件を設定することができる。

具体的には、使用者Ｕは、測定対象物Ｓについて、幾何要素および測定項目の選択を行う。幾何要素は、測定対象物Ｓにおいて測定すべき部分の形状を示す幾何学形状の種類である。幾何学形状の種類には、点、直線、平面、円、円筒および球等が含まれる。また、測定項目は、測定対象物Ｓに対して何を測定すべきかを示すものであり、距離、角度および平面度等の種々の物理量が含まれる。

幾何要素および測定項目の選択後、使用者Ｕは、選択された幾何要素についてプローブ２００を用いた１または複数の測定点の指示を行う。それにより、選択された幾何要素であって、測定対象物Ｓ上で１または複数の測定点により特定される幾何要素を世界座標系で示す情報（以下、要素特定情報と呼ぶ。）が生成される。その後、生成された要素特定情報に関して選択された測定項目の値が算出される。

例えば、使用者Ｕは、互いに平行かつ反対側の第１および第２の面を有する測定対象物Ｓの第１の面と第２の面との間の距離を測定したい場合には、幾何要素「平面１」および「平面２」を選択する。また、使用者Ｕは、測定項目「距離」を選択する。

この場合、使用者Ｕは、幾何要素「平面１」に対応する測定対象物Ｓ上の平面（第１の面）を特定するために、プローブ２００を用いて測定対象物Ｓの第１の面の複数（本例では３点以上）の部分を測定点として指示する。これにより、幾何要素「平面１」に対応する要素特定情報が生成される。

さらに、使用者Ｕは、幾何要素「平面２」に対応する測定対象物Ｓ上の平面（第２の面）を特定するために、プローブ２００を用いて測定対象物Ｓの第２の面の複数（本例では３点以上）の部分を測定点として指示する。これにより、幾何要素「平面２」に対応する要素特定情報が生成される。

その後、幾何要素「平面１」および「平面２」にそれぞれ対応する２つの要素特定情報に基づいて、測定項目「距離」に対応する測定対象物Ｓの第１の面と第２の面との間の距離が算出される。

算出された測定結果は、本体メモリ３０３に記憶されるとともに、プローブ表示部２３１および本体表示部３１０に表示される。

［８］本体制御回路３０２の機能的な構成
図１０は、本体制御回路３０２の機能的な構成を示すブロック図である。図１０に示すように、本体制御回路３０２は、座標算出部３９１、受付部３９２、測定部３９３、校正更新部３９４、校正判定部３９５および表示制御部３９６を含む。これらの機能部は、本体制御回路３０２のＣＰＵが本体メモリ３０３に記憶された測定処理プログラム、校正プログラムおよび校正判定プログラム等を実行することにより実現される。なお、上記の複数の機能部のうち一部または全てが電子回路等のハードウェアにより実現されてもよい。

座標算出部３９１は、測定対象物Ｓの形状測定時に、基準画像データと本体メモリ３０３に記憶された参照マーカ情報およびカメラパラメータとに基づいて基準カメラ１１０に対する可動カメラ１２０の位置および姿勢を示す位置姿勢情報を生成する。また、座標算出部３９１は、生成された位置姿勢情報と測定画像データとに基づいて測定対象物Ｓ上の測定点の座標を算出する。

受付部３９２は、予め定められた複数の幾何要素および予め定められた複数の測定項目から使用者Ｕにより選択された幾何要素および測定項目を受け付ける。測定部３９３は、受付部３９２により受け付けられた幾何要素および測定項目と座標算出部３９１により算出された測定点の座標とに基づいて、測定対象物Ｓにおいて測定点により特定される選択された幾何要素に関する選択された測定項目の値を算出する。また、測定部３９３は、算出された値を測定結果として本体メモリ３０３に記憶させる。

校正更新部３９４は、基準カメラ１１０の校正時に、可動部材４０を光軸１１０ｃおよび回転軸３０ｃのうち少なくとも一方の軸の周りで回転させる。これにより、可動カメラ１２０および参照部材１９０が可動部材４０とともに回転する。それにより、校正更新部３９４は、可動カメラ１２０を位置および姿勢の互いに異なる複数の状態に移行させつつ、複数の状態の各々で基準カメラ１１０により参照部材１９０の複数のマーカｅｐを撮像させる。また、校正更新部３９４は、この撮像により得られる複数の基準画像データと参照マーカ情報とに基づいて新たなカメラパラメータを算出する。さらに、校正更新部３９４は、校正前に本体メモリ３０３に記憶されたカメラパラメータを算出された新たなカメラパラメータで更新する。

校正判定部３９５は、本体メモリ３０３に記憶された参照マーカ情報およびカメラパラメータに基づいて基準カメラ１１０の受光面上の複数のマーカｅｐの投影像の位置を算出する。また、校正判定部３９５は、基準カメラ１１０が複数のマーカｅｐを撮像することにより得られる基準画像データに基づいて受光面上の複数のマーカｅｐの実際の投影像の位置を検出する。その上で、校正判定部３９５は、算出された投影像の位置と検出された実際の投影像の位置との関係が予め定められた許容条件を満たすか否かに基づいて校正の要否を判定し、判定結果を出力する。表示制御部３９６は、校正判定部３９５により出力される判定結果を本体表示部３１０に表示させる。

[９]測定処理
図１１は、図２の本体制御回路３０２による測定処理の流れを示すフローチャートである。図１１の測定処理は、図２の本体制御回路３０２のＣＰＵが本体メモリ３０３に記憶された測定処理プログラムを実行することにより所定周期で繰り返して行われる。また、測定処理の開始時には、本体制御回路３０２に内蔵されたタイマがリセットされるとともにスタートされる。

まず、本体制御回路３０２の受付部３９２は、使用者Ｕによる図２の本体操作部３２０または図８のタッチパネルディスプレイ２３０の操作の有無に基づいて、幾何要素および測定項目の選択が行われたか否かを判定する（ステップＳ１１）。

幾何要素および測定項目の選択が行われた場合、本体制御回路３０２の受付部３９２は、選択された幾何要素および測定項目を図２の本体メモリ３０３に記憶させることにより測定条件として幾何要素および測定項目の設定を行う（ステップＳ１２）。その後、本体制御回路３０２の受付部３９２は、ステップＳ１１の処理に戻る。

ステップＳ１１において、幾何要素および測定項目の選択が行われない場合、本体制御回路３０２の測定部３９３は、幾何要素および測定項目が設定されているか否かを判定する（ステップＳ１３）。幾何要素および測定項目が設定されている場合、本体制御回路３０２の測定部３９３は、測定対象物Ｓの測定を開始すべき指令を受けたか否かを判定する（ステップＳ１４）。この判定は、例えば使用者Ｕによる本体操作部３２０またはタッチパネルディスプレイ２３０の操作の有無に基づいて行われる。

測定対象物Ｓの測定を開始すべき指令を受けた場合、本体制御回路３０２の座標算出部３９１は、測定点座標算出処理を行う（ステップＳ１５）。測定点座標算出処理の詳細は後述する。この処理により、本体制御回路３０２の座標算出部３９１は、使用者Ｕによるプローブ２００の操作に基づいて、選択された幾何要素を特定するための測定点の座標を算出する。

また、本体制御回路３０２の座標算出部３９１は、ステップＳ１５の測定点座標算出処理により算出される１または複数の測定点の座標を本体メモリ３０３に記憶させる（ステップＳ１６）。

次に、本体制御回路３０２の測定部３９３は、測定対象物Ｓの測定を終了すべき指令を受けたか否かを判定する（ステップＳ１７）。この判定は、例えば使用者Ｕによる本体操作部３２０またはタッチパネルディスプレイ２３０の操作の有無に基づいて行われる。

測定の終了指令を受けない場合、本体制御回路３０２の座標算出部３９１は、上記のステップＳ１５の処理に戻る。一方、測定の終了指令を受けると、本体制御回路３０２の測定部３９３は、直前のステップＳ１６の処理で本体メモリ３０３に記憶された１または複数の測定点の座標から設定された幾何要素について要素特定情報を生成する（ステップＳ１８）。

その後、本体制御回路３０２の測定部３９３は、ステップＳ１８の処理で生成された要素特定情報に基づいて設定された測定項目の値を算出し（ステップＳ１９）、測定処理を終了する。なお、ステップＳ１３の判定時において、複数の幾何要素（例えば、２つの平面等）が設定されている場合には、設定された幾何要素ごとに上記のステップＳ１４〜Ｓ１８の処理が行われる。

ステップＳ１３において幾何要素および測定項目が設定されていない場合およびステップＳ１４において測定対象物Ｓの測定を開始すべき指令を受けない場合、本体制御回路３０２の測定部３９３は、内蔵のタイマによる計測時間に基づいて、当該測定処理が開始された後予め定められた時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ２０）。

予め定められた時間が経過していない場合、本体制御回路３０２の受付部３９２は、ステップＳ１１の処理に戻る。一方、予め定められた時間が経過した場合、本体制御回路３０２の座標算出部３９１は、ステップＳ１５の処理と同様に、後述する測定点座標算出処理を行う（ステップＳ２１）。その後、本体制御回路３０２の座標算出部３９１は、測定処理を終了する。

なお、ステップＳ２１の処理は、例えば後述する追跡処理においてプローブ２００が可動カメラ１２０または俯瞰カメラ１８０の撮像視野内にあるか否かを判定するために行われる。

図１２は、測定点座標算出処理の流れを示すフローチャートである。まず、座標算出部３９１は、プローブ２００のプローブ制御部２０１に対して複数のマーカｅｑ(図９）の発光を指令するとともに、撮像ヘッド１００のヘッド制御回路１５０に対して参照部材１９０の複数のマーカｅｐ(図６（ｂ））の発光を指令する（ステップＳ１０１）。

次に、座標算出部３９１は、ヘッド制御回路１５０により基準カメラ１１０を用いて参照部材１９０の複数のマーカｅｐを撮像させることにより基準画像データを生成する（ステップＳ１０２）。また、座標算出部３９１は、生成された基準画像データと本体メモリ３０３に記憶された参照マーカ情報およびカメラパラメータとに基づいて、可動カメラ１２０の位置および姿勢を示す位置姿勢情報を算出する（ステップＳ１０３）。

次に、座標算出部３９１は、可動カメラ１２０を用いてプローブ２００の複数のマーカｅｑを撮像することにより測定画像データを生成する（ステップＳ１０４）。また、座標算出部３９１は、生成された測定画像データに基づいて、測定対象物Ｓ上の測定点の可動カメラ座標系の座標を算出する（ステップＳ１０５）。

その後、座標算出部３９１は、算出された位置姿勢情報に基づいて、ステップＳ１０５で算出された座標について可動カメラ座標系から世界座標系への座標変換を行う（ステップＳ１０６）。これにより、測定点座標算出処理が終了する。

なお、上記のステップＳ１０２，Ｓ１０３の処理とステップＳ１０４，Ｓ１０５の処理とは、逆の順に行われてもよい。

上記の測定処理によれば、使用者Ｕは、予め定められた複数の幾何要素および予め定められた複数の測定項目から所望の幾何要素および測定項目を選択することにより、測定対象物Ｓにおける所望の物理量を容易に測定することができる。

[１０]追跡処理
図１３は、図２の本体制御回路３０２による追跡処理の流れを示すフローチャートである。図１３の追跡処理は、図２の本体制御回路３０２のＣＰＵが本体メモリ３０３に記憶された追跡処理プログラムを実行することにより所定周期で繰り返して行われる。

まず、本体制御回路３０２は、プローブ２００が可動カメラ１２０の撮像視野内にあるか否かを判定する（ステップＳ３１）。この判定は、測定処理におけるステップＳ１５，Ｓ２１の処理中に生成される測定画像データに、複数のマーカｅｑに対応する画像データが含まれているか否かを判定することにより行われる。

プローブ２００が可動カメラ１２０の撮像視野内にある場合、本体制御回路３０２は、後述するステップＳ３８の処理に進む。一方、プローブ２００が可動カメラ１２０の撮像視野内にない場合、本体制御回路３０２は、プローブ２００が俯瞰カメラ１８０の撮像視野内にあるか否かを判定する（ステップＳ３２）。この判定は、上記の測定処理におけるステップＳ１５，Ｓ２１の処理中に生成される俯瞰画像データに、複数のマーカｅｑに対応する画像データが含まれているか否かを判定することにより行われる。

プローブ２００が俯瞰カメラ１８０の撮像視野内にある場合、本体制御回路３０２は、後述するステップＳ３７の処理に進む。一方、プローブ２００が可動カメラ１２０の撮像視野内にない場合、本体制御回路３０２は、プローブ２００から転送される動きデータに基づいてプローブ２００の座標推定を行うことが可能か否かを判定する（ステップＳ３３）。この判定は、例えば動きデータが異常な値を示しているか否かまたは動きデータの示す値が０であるか否か等に基づいて行われる。動きデータが異常な値を示す場合、または動きデータが０である場合、プローブ２００の座標推定は不可能である。

プローブ２００の座標推定が可能である場合、本体制御回路３０２は、動きデータに基づいてプローブ２００の位置を推定する。また、本体制御回路３０２は、プローブ２００が可動カメラ１２０の撮像視野内に位置するように、可動カメラ１２０の位置および姿勢の調整を指令する（ステップＳ３４）。その後、本体制御回路３０２は、ステップＳ３１の処理に戻る。

ここで、使用者Ｕは、図２の本体操作部３２０または図８のタッチパネルディスプレイ２３０を操作することにより、本体制御回路３０２にプローブ２００の探索を指令することができる。

そこで、ステップＳ３３において、プローブ２００の座標推定が不可能である場合、本体制御回路３０２は、プローブ２００の探索指令を受けたか否かを判定する（ステップＳ３５）。プローブ２００の探索指令を受けない場合、本体制御回路３０２は、ステップＳ３１の処理に戻る。一方、プローブ２００の探索指令を受けた場合、本体制御回路３０２は、撮像ヘッド１００の支持部材３０を回転するように、ヘッド制御回路１５０に指令する。このようにして、本体制御回路３０２は、俯瞰カメラ１８０によるプローブ２００の探索を行う（ステップＳ３６）。

その後、本体制御回路３０２は、プローブ２００が俯瞰カメラ１８０の撮像視野内に位置することになると、俯瞰画像データに基づいてプローブ２００の位置を算出する。また、本体制御回路３０２は、プローブ２００が可動カメラ１２０の撮像視野内に位置するように可動カメラ１２０の位置および姿勢の調整をヘッド制御回路１５０に指令する（ステップＳ３７）。

次に、本体制御回路３０２は、プローブ２００が可動カメラ１２０の撮像視野内に位置することになると、プローブ２００の複数のマーカｅｑの重心が可動カメラ１２０の撮像視野の中心に位置するように可動カメラ１２０の位置および姿勢の調整をヘッド制御回路１５０に指令する（ステップＳ３８）。その後、本体制御回路３０２は、追跡処理を終了する。

上記の追跡処理によれば、プローブ２００が移動する場合でも、可動カメラ１２０の撮像視野がプローブ２００の複数のマーカｅｑに追従する。それにより、使用者Ｕは、可動カメラ１２０の撮像視野を手動で調整する必要がない。したがって、煩雑な調整作業を要することなく広い範囲で測定対象物Ｓの所望の測定点の座標を測定することが可能になる。

［１１］校正処理
図１４は、図２の本体制御回路３０２による校正処理の流れを示すフローチャートである。図１４の校正処理は、図２の本体制御回路３０２のＣＰＵが本体メモリ３０３に記憶された校正プログラムを実行することにより実現され、使用者Ｕが図２の本体操作部３２０を操作することにより与えられる校正処理の指令に応答して開始される。

校正処理が開始されると、本体制御回路３０２の校正更新部３９４は、本体メモリ３０３に予め記憶されている参照マーカ情報を読み込む（ステップＳ４１）。

次に、校正更新部３９４は、予め定められた複数の状態のうち一の状態となるように可動カメラ１２０の位置および姿勢の調整を撮像ヘッド１００に指令する（ステップＳ４２）。これにより、撮像ヘッド１００において、回転駆動回路１４０が図４の水平回転機構１４１およびチルト回転機構１４３のうち少なくとも一方を駆動することにより、可動カメラ１２０の位置および姿勢が一の状態に調整される。

次に、校正更新部３９４は、基準カメラ１１０を用いて参照部材１９０の複数のマーカｅｐを撮像させることにより基準画像データを生成し、その基準画像データを本体メモリ３０３に記憶させる（ステップＳ４３）。

次に、校正更新部３９４は、現時点で実行されている校正処理が開始された後、可動カメラ１２０が予め定められた複数の状態の全てに移行したか否かを判定する（ステップＳ４４）。

ステップＳ４４において、可動カメラ１２０が予め定められた複数の状態の全てに移行していない場合、校正更新部３９４は、予め定められた複数の状態のうち移行されていない他の状態となるように可動カメラ１２０の位置および姿勢の調整を撮像ヘッド１００に指令する（ステップＳ４５）。これにより、撮像ヘッド１００において、回転駆動回路１４０が図４の水平回転機構１４１およびチルト回転機構１４３のうち少なくとも一方を駆動することにより、可動カメラ１２０の位置および姿勢が他の状態に調整される。その後、校正更新部３９４は、ステップＳ４１の処理に戻る。

ステップＳ４４において、可動カメラ１２０が予め定められた複数の状態の全てに移行している場合、校正更新部３９４は、ステップＳ４３の処理で本体メモリ３０３に記憶された複数の基準画像データおよび参照マーカ情報に基づいて、新たなカメラパラメータを算出する（ステップＳ４６）。

その後、校正更新部３９４は、算出された新たなカメラパラメータで本体メモリ３０３に記憶されたカメラパラメータを更新する（ステップＳ４７）。これにより、校正処理が終了する。

上記の例では、校正処理は、使用者Ｕが本体操作部３２０を操作することによる校正処理の開始指令に応答して開始されている。この例に限らず、校正処理は、例えば三次元座標測定装置１の電源がオンされたことに応答して自動的に開始されてもよい。あるいは、校正処理は、例えば温度検出器を用いて三次元座標測定装置１の周辺の温度を監視しつつ、検出される温度が所定の温度範囲から外れた場合に、自動的に開始されてもよい。また、校正処理は、三次元座標測定装置１の使用時間が所定時間を経過するごとに自動的に行われてもよい。

［１２］校正判定処理
図１５は、図２の本体制御回路３０２による校正判定処理の流れを示すフローチャートである。図１５の校正判定処理は、図２の本体制御回路３０２のＣＰＵが本体メモリ３０３に記憶された校正判定プログラムを実行することにより実現され、使用者Ｕが図２の本体操作部３２０を操作することにより与えられる校正判定処理の指示に応答して開始される。ここで、初期状態において、本体メモリ３０３には、予め校正時積算誤差および許容条件が記憶されているものとする。

校正判定処理が開始されると、本体制御回路３０２の校正判定部３９５は、本体メモリ３０３に予め記憶されている参照マーカ情報、カメラパラメータ、校正時積算誤差および許容条件を読み込む（ステップＳ５１）。

次に、校正判定部３９５は、予め定められた複数の状態のうち一の状態となるように可動カメラ１２０の位置および姿勢の調整を撮像ヘッド１００に指令する（ステップＳ５２）。また、校正判定部３９５は、ヘッド制御回路１５０により基準カメラ１１０を用いて参照部材１９０の複数のマーカｅｐを撮像させることにより基準画像データを生成し、その基準画像データを本体メモリ３０３に記憶させる（ステップＳ５３）。

次に、校正判定部３９５は、現時点で実行されている校正判定処理が開始された後、可動カメラ１２０が予め定められた複数の状態の全てに移行したか否かを判定する（ステップＳ５４）。

ステップＳ５４において、可動カメラ１２０が予め定められた複数の状態の全てに移行していない場合、校正判定部３９５は、予め定められた複数の状態のうち移行されていない他の状態となるように可動カメラ１２０の位置および姿勢の調整を撮像ヘッド１００に指令する（ステップＳ５５）。その後、校正判定部３９５は、ステップＳ５１の処理に戻る。

ステップＳ５４において、可動カメラ１２０が予め定められた複数の状態の全てに移行している場合、校正判定部３９５は、ステップＳ５３の処理で本体メモリ３０３に記憶された複数の基準画像データと参照マーカ情報およびカメラパラメータとに基づいて、判定時積算誤差を算出する（ステップＳ５６）。

その後、校正判定部３９５は、算出された判定時積算誤差と読み込まれた校正時積算誤差および許容条件とに基づいて、校正の要否を判定し、判定結果を出力する（ステップＳ５７）。これにより、校正判定処理が終了する。

上記の例では、校正判定処理は、使用者Ｕが本体操作部３２０を操作することによる校正判定処理の開始指令に応答して開始されている。この例に限らず、校正判定処理は、例えば三次元座標測定装置１の電源がオンされたことに応答して自動的に開始されてもよい。あるいは、校正判定処理は、例えば温度検出器を用いて三次元座標測定装置１の周辺の温度を監視しつつ、検出される温度が所定の温度範囲から外れた場合に、自動的に開始されてもよい。また、校正判定処理は、三次元座標測定装置１の使用時間が所定時間を経過するごとに自動的に行われてもよい。

ここで、校正判定部３９５から出力される判定結果は、本体制御回路３０２の表示制御部３９６により、図２の本体表示部３１０に表示される。図１６は、校正判定機能による判定結果の表示例を示す図である。

校正判定により基準カメラ１１０の校正を行うべきことが判定された場合には、図１６（ａ）に太い点線で示すように、本体表示部３１０の画面上に、使用者Ｕに対して校正の操作を促すメッセージが提示される。一方、校正判定により基準カメラ１１０の校正を行う必要がないと判定された場合には、図１６（ｂ）に太い点線で示すように、本体表示部３１０の画面上に、使用者Ｕに対して校正を行う必要がない旨のメッセージが提示される。これにより、使用者Ｕは、基準カメラ１１０の校正の要否を容易に把握することができる。

［１３］プローブカメラ２０８の使用例
図８のプローブカメラ２０８によって測定対象物Ｓを撮像することにより、測定対象物Ｓの画像を図２の本体表示部３１０に表示させることができる。以下、プローブカメラ２０８により得られる画像を撮像画像と呼ぶ。

プローブ２００の複数のマーカｅｑとプローブカメラ２０８との位置関係、およびプローブカメラ２０８の特性（画角およびディストーション等）は、例えば図２の本体メモリ３０３に撮像情報として予め記憶される。そのため、複数のマーカｅｑが可動カメラ１２０の撮像視野内にある場合、プローブカメラ２０８により撮像される領域が図２の本体制御回路３０２により認識される。すなわち、撮像画像に対応する３次元空間が本体制御回路３０２により認識される。この場合、本体表示部３１０に撮像画像を表示させつつ、測定対象物Ｓの測定時に設定された幾何要素および測定項目を重畳表示させることができる。

なお、撮像画像は、プローブ２００のタッチパネルディスプレイ２３０に表示されてもよい。例えば、ある測定対象物Ｓについて、測定すべき部分をプローブカメラ２０８で予め撮像することにより得られた撮像画像をタッチパネルディスプレイ２３０に表示させる。この場合、使用者Ｕは、当該撮像画像を視認しつつプローブ２００を操作することにより、他の測定対象物Ｓについてもその測定すべき部分を容易に識別することが可能になる。

［１４］効果
上記の三次元座標測定装置１においては、測定対象物Ｓの形状測定時に、可動カメラ１２０により測定対象物Ｓが撮像され、測定画像データが生成される。また、可動カメラ１２０と一体的に設けられる参照部材１９０の複数のマーカｅｐが基準カメラ１１０により撮像され、基準画像データが生成される。その後、基準画像データ、参照マーカ情報およびカメラパラメータに基づいて位置姿勢情報が算出され、算出された位置姿勢情報と測定画像データとに基づいて測定点の世界座標系の座標が算出される。

基準カメラ１１０の校正時には、可動カメラ１２０が位置および姿勢の互いに異なる複数の状態に移行する。複数の状態の各々で、基準カメラ１１０により参照部材１９０の複数のマーカｅｐが撮像される。これにより得られる複数の基準画像データと参照マーカ情報とに基づいて新たなカメラパラメータが算出され、本体メモリ３０３に記憶されたカメラパラメータが新たなカメラパラメータで更新される。したがって、校正具の用意等の使用者Ｕによる煩雑な校正作業を要することなく本体メモリ３０３に記憶されるカメラパラメータが適切なカメラパラメータに更新される。

これらの結果、煩雑な校正作業を要することなく高い精度で信頼性の高い形状測定を行うことが可能となる。

［１５］他の実施の形態
（１）上記実施の形態では、参照部材１９０の複数のマーカｅｐの各々は、平面円形状を有するが、本発明はこれに限定されない。参照部材１９０においては、基準カメラ１１０の撮像により得られる画像データに基づいて可動カメラ１２０の位置および姿勢を算出することができればよい。

各マーカｅｐの形状は平面円形状に限らず、平面多角形状を有してもよいし、平面楕円形状を有してもよいし、平面星形状を有してもよいし、球形状を有してもよい。あるいは、参照部材１９０には、例えば格子状に形成された複数の直線状のマーカが設けられてもよいし、円環状のマーカが設けられてもよいし、コード化されたマーカが設けられてもよい。

また、上記実施の形態では、参照部材１９０に設けられる複数のマーカｅｐがマトリクス状に並ぶが、複数のマーカｅｐは分散配置されていればよい。

（２）上記実施の形態では、参照部材１９０の複数のマーカｅｐの各々は、複数の発光素子Ｌが発光することにより光を放出する自発光型の構成を有するが、本発明はこれに限定されない。各マーカｅｐは、再起反射型の構成を有してもよい。この場合、基準カメラ１１０による複数のマーカｅｐの撮像時には、それらのマーカｅｐに光が照射される必要がある。

（３）上記実施の形態では、プローブ２００を撮像するための可動撮像部として単眼の可動カメラ１２０が用いられるが、本発明はこれに限定されない。可動撮像部として、複眼のカメラが用いられてもよい。

（４）上記実施の形態では、参照部材１９０の複数のマーカｅｐを撮像するための基準撮像部として単眼の基準カメラ１１０が用いられるが、本発明はこれに限定されない。基準撮像部として、複眼のカメラが用いられてもよい。

（５）上記実施の形態では、基準カメラ１１０は、基準スタンド１０の固定部１１の上面に光軸１１０ｃが直交するように設けられるが、本発明はこれに限定されない。基準カメラ１１０は、その光軸１１０ｃが基準スタンド１０の固定部１１の上面に対して傾斜するように設けられてもよい。

（６）上記実施の形態に係る三次元座標測定装置１においては、可動カメラ１２０は、チルト回転機構１４３によりその撮像視野が上下方向に移動可能に構成されるが、本発明はこれに限定されない。チルト回転機構１４３は設けられなくてもよい。この場合、可動カメラ１２０の撮像視野は、基準カメラ１１０の光軸１１０ｃの周りで水平方向にのみ回転する。

（７）上記実施の形態に係る三次元座標測定装置１においては、可動カメラ１２０は、水平回転機構１４１によりその撮像視野が基準カメラ１１０の光軸１１０ｃの周りで水平方向に回転可能に構成されるが、本発明はこれに限定されない。水平回転機構１４１は設けられなくてもよい。この場合、可動カメラ１２０の撮像視野は、上下方向にのみ移動する。

（８）可動カメラ１２０は、基準カメラ１１０の上方の水平面内で移動可能に設けられてもよい。

（９）上記実施の形態に係る三次元座標測定装置１においては、可動カメラ１２０は、その姿勢が基準スタンド１０および基準カメラ１１０に対して変更可能に可動部材４０に取り付けられているが、本発明はこれに限定されない。可動カメラ１２０は、基準カメラ１１０に対して固定された位置および姿勢で設けられてもよい。以下、可動カメラ１２０が基準カメラ１１０に対して固定された位置および姿勢で設けられる構成の一例を説明する。

図１７は、他の実施の形態に係る三次元座標測定装置の構成の一例を示す図である。図１７では、三次元座標測定装置のうち図１の処理装置３００、本体表示部３１０および本体操作部３２０を除く構成が示される。

図１７の三次元座標測定装置においては、平板状のベース部材６１０上に基準カメラ１１０、スタンド部材６２０およびステージ支持装置６３０が設けられている。スタンド部材６２０は、ベース部材６１０の上面の一部から上方に延びるように固定されている。スタンド部材６２０の上端部には、撮像視野が斜め下方に向くように可動カメラ１２０が固定されている。

ステージ支持装置６３０は、ベース部材６１０に固定され、測定対象物Ｓが載置される回転移動ステージ６４０を、水平方向に移動可能かつ水平面内で回転可能かつ水平面に対して傾斜可能かつ上下方向に移動可能に支持する。また、ステージ支持装置６３０は、処理装置３００からの指令に応答して回転移動ステージ６４０の位置および姿勢を変更させることが可能に構成されている。

回転移動ステージ６４０は、基本的に回転移動ステージ６４０の上方の空間が可動カメラ１２０の撮像視野内に位置する状態で支持される。それにより、回転移動ステージ６４０上に測定対象物Ｓが載置された状態で、可動カメラ１２０により測定対象物Ｓを撮像することが可能になる。

回転移動ステージ６４０の下面には、上記実施の形態に係る参照部材１９０が設けられている。基準カメラ１１０は、撮像視野が上方を向くようにかつ参照部材１９０の複数のマーカｅｐが基準カメラ１１０の撮像視野内に位置するようにベース部材６１０に固定されている。

上記の構成を有する三次元座標測定装置１においては、回転移動ステージ６４０上に測定対象物Ｓが載置された状態でプローブ２００を用いて測定対象物Ｓ上の測定点が指示される。この場合、可動カメラ１２０がプローブ２００の複数のマーカｅｑを撮像することにより、指示された測定点の可動カメラ座標系の座標を算出することができる。

ここで、可動カメラ１２０および基準カメラ１１０に対する回転移動ステージ６４０の位置および姿勢を示す情報（位置姿勢情報）は、基準カメラ１１０が参照部材１９０を撮像することにより得られる基準画像データに基づいて算出することができる。それにより、回転移動ステージ６４０の位置および姿勢が変更される際には、その変更後に算出される測定点の可動カメラ座標系の座標および位置姿勢情報に基づいて、回転移動ステージ６４０を基準とする座標系の測定点の座標を算出することができる。それにより、可動カメラ１２０に対する測定対象物Ｓの位置および姿勢を変更しつつ、測定対象物Ｓ全体の形状を把握することが可能になる。

（１０）上記実施の形態に係る三次元座標測定装置１においては、可動カメラ１２０がプローブ２００を撮像することにより取得される測定画像データに基づいて測定対象物Ｓの測定点の座標が算出されるが、本発明はこれに限定されない。

測定対象物Ｓの測定点の座標は、上記の可動カメラ１２０およびプローブ２００に代えて、他の位置検出手段を用いて算出されてもよい。

図１８は、他の実施の形態に係る三次元座標測定装置の構成の他の例を示す図である。図１８では、図１７の例と同様に、三次元座標測定装置のうち図１の処理装置３００、本体表示部３１０および本体操作部３２０を除く構成が示される。

図１８に示すように、本例の三次元座標測定装置は、図１７の三次元座標測定装置に対して、可動カメラ１２０およびプローブ２００に代えて測定点座標取得装置６５０が設けられる点が異なる。

本例では、測定点座標取得装置６５０に対して予め定められた関係を有する三次元座標系（以下、副座標系と呼ぶ。）が定義されているものとする。

測定点座標取得装置６５０は、スタンド部材６２０により回転移動ステージ６４０の上方に設けられ、測定対象物Ｓ上の測定点の副座標系の座標を算出可能に構成される。この場合、測定点座標取得装置６５０は、例えば走査型プローブ顕微鏡に用いられる探針およびそれを走査するための三次元走査素子を含んでもよいし、形状測定に用いられる光プローブおよびそれを走査するための三次元走査素子を含んでもよい。

上記の構成を有する三次元座標測定装置においては、回転移動ステージ６４０上に測定対象物Ｓが載置された状態で測定点座標取得装置６５０を用いて測定対象物Ｓ上の測定点の副座標系の座標が算出される。また、基準カメラ１１０が参照部材１９０を撮像することにより回転移動ステージ６４０の位置姿勢情報が算出される。それにより、回転移動ステージ６４０の位置および姿勢が変更される際には、その変更後に算出される測定点の副座標系の座標および位置姿勢情報に基づいて、回転移動ステージ６４０を基準とする座標系の測定点の座標を算出することができる。それにより、測定点座標取得装置６５０に対する測定対象物Ｓの位置および姿勢を変更しつつ、測定対象物Ｓ全体の形状を把握することが可能になる。

［１６］請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。

上記実施の形態においては、可動カメラ１２０および測定点座標取得装置６５０が測定点情報取得部の例であり、可動部材４０および参照部材１９０が回転電動部材の例であり、参照部材１９０の複数のマーカｅｐが複数の参照マーカの例であり、基準カメラ１１０が基準撮像部の例であり、撮像パラメータがカメラパラメータの例である。

また、本体メモリ３０３が記憶部の例であり、座標算出部３９１が座標算出部の例であり、校正更新部３９４が校正更新部の例であり、校正判定部３９５が校正判定部の例であり、本体表示部３１０および本体表示部３１０が提示部の例である。

また、プローブ２００がプローブの例であり、プローブ２００の複数のマーカｅｑが複数の測定マーカの例であり、基準カメラ１１０の光軸１１０ｃまたは可動部材４０の回転軸３０ｃが第１の回転軸の例であり、可動部材４０の回転軸３０ｃが第２の回転軸の例である。

請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。

１…三次元座標測定装置，１０…基準スタンド，１１…固定部，１２…脚部，２０…固定連結部，２１…下固定板，２２…上固定板，２３…支柱，２４…中空支持軸，３０…支持部材，３０ｃ…回転軸，３１…回転台座，３２，３３…支持フレーム，４０…可動部材，４１…上面，４２…下面，４３基板，５０…蛇腹，９０…ケーシング，９１…下部ケーシング，９２…上部ケーシング，９３…スリット，９４…俯瞰カメラ用窓，１００…撮像ヘッド，１１０ｉ…画像，１１０…基準カメラ，１１０ｃ，１２０ｃ…光軸，１２０…可動カメラ，１３０，２０４…マーカ駆動回路，１４０…回転駆動回路，１４１…水平回転機構，１４３…チルト回転機構，１５０…ヘッド制御回路，１６０，２０６…無線通信回路，１７０，３０１…通信回路，１８０…俯瞰カメラ，１９０…参照部材，１９１…発光基板，１９２…拡散板，１９３…ガラス板，１９４…マスク，１９５…拡散反射シート，２００…プローブ，２０１…プローブ制御部，２０２…表示灯，２０３…バッテリ，２０５…プローブメモリ，２０７…モーションセンサ，２０８…プローブカメラ，２１０…プローブケーシング，２１０ａ…前端部，２１０ｂ…後端部，２１０ｄ…底面部，２１０ｃ…上面部，２１１…スタイラス，２１１ａ…接触部，２２０…把持部，２２１…プローブ操作部，２３０…タッチパネルディスプレイ，２３１…プローブ表示部，２３２…タッチパネル，２９０…目標部材，３００…処理装置，３０２…本体制御回路，３０３…本体メモリ，３１０…本体表示部，３２０…本体操作部，３９１…座標算出部，３９２…受付部，３９３…測定部，３９４…校正更新部，３９５…校正判定部，３９６…表示制御部，６１０…ベース部材，６２０…スタンド部材，６３０…ステージ支持装置、６４０…回転移動ステージ，６５０…測定点座標取得装置，ｅｐ，ｅｑ…マーカ，ｅｐ１…第１のマーカ，ｅｐ２…第２のマーカ，ＧＣ…交点，ｉｅｐ，ｉｅｐ１，ｉｅｐ２…マーカ画像，ｒｓ…撮像空間，Ｓ…測定対象物，Ｕ…使用者

Claims (7)

1. 測定対象物の形状測定時に、測定対象物上の測定点の位置に関する情報を測定点情報として取得する測定点情報取得部と、
   前記測定点情報取得部を取付可能または測定対象物を載置可能に構成され、第１の回転軸の周りで回転可能に構成された回転電動部材と、
   前記回転電動部材に設けられる複数の参照マーカと、
   基準ベースに固定されかつ前記複数の参照マーカを撮像する基準撮像部と、
   前記複数の参照マーカの配置に関する情報を参照マーカ情報として記憶するとともに、前記基準撮像部の撮像パラメータを記憶する記憶部と、
   測定対象物の形状測定時に、前記基準撮像部により撮像された前記複数の参照マーカの画像を示す基準画像データと前記記憶部に記憶された参照マーカ情報および撮像パラメータとに基づいて前記基準撮像部に対する前記回転電動部材の位置および姿勢を示す位置姿勢情報を算出し、算出された位置姿勢情報と前記測定点情報取得部により取得された測定点情報とに基づいて前記測定点の座標を算出する座標算出部と、
   前記基準撮像部の校正時に、前記回転電動部材を前記第１の回転軸の周りで回転させることにより前記回転電動部材の位置および姿勢を互いに異なる複数の状態に移行させつつ、前記複数の状態で前記基準撮像部が前記複数の参照マーカを撮像することにより得られる複数の基準画像データと前記記憶部に記憶された参照マーカ情報とに基づいて新たな撮像パラメータを算出し、前記校正前に記憶部に記憶された前記撮像パラメータを前記算出された新たな撮像パラメータで更新する校正更新部とを備える、三次元座標測定装置。
2. 前記記憶部に記憶された参照マーカ情報および撮像パラメータとに基づいて前記基準撮像部における受光面上の複数の参照マーカの投影像の位置を算出するとともに、前記基準撮像部が前記複数の参照マーカを撮像することにより得られる基準画像データに基づいて前記受光面上の複数の参照マーカの実際の投影像の位置を検出し、算出された投影像の位置と検出された実際の投影像の位置との関係が予め定められた許容条件を満たすか否かに基づいて前記基準撮像部の校正の要否を判定し、判定結果を出力する校正判定部をさらに備える、請求項１記載の三次元座標測定装置。
3. 前記校正判定部により出力される判定結果を使用者に提示する提示部をさらに備える、請求項２記載の三次元座標測定装置。
4. 複数の測定マーカを有するとともに測定対象物上の測定点を指示するためのプローブをさらに備え、
   前記測定点情報取得部は、前記回転電動部材に取り付けられかつ前記プローブの前記複数の測定マーカを撮像可能に構成され、
   前記測定点情報は、前記測定点情報取得部により撮像された前記複数の測定マーカの画像を示す測定画像データを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の三次元座標測定装置。
5. 前記第１の回転軸は、上下方向または水平方向に延びる回転軸である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の三次元座標測定装置。
6. 前記回転電動部材は、第２の回転軸の周りでさらに回転可能に構成され、
   前記第１の回転軸は、上下方向に延びる回転軸であり、
   前記第２の回転軸は、水平方向に延びる回転軸である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の三次元座標測定装置。
7. 前記回転電動部材は、予め定められた面内で移動可能に構成された、請求項１〜６のいずれか一項に記載の三次元座標測定装置。

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