JP2020518820A - 平坦な形状を有し且つ符号化されていないスポットを投影する三角測量スキャナ - Google Patents

Abstract

プロジェクタは、第１カメラ及び第２カメラによって撮像されるオブジェクト上に符号化されていないスポットの符号化されていないパターンを投影する。オブジェクト上のスポットの３Ｄ座標が三角測量法に基づいてプロセッサによって決定され、プロセッサは、プロジェクタと、その個々の投射中心を通る画像スポットとから引かれた線の交点の近さに少なくとも部分的に基づいて、投影され撮像されたスポット間の対応関係をさらに決定する。【選択図】図２Ｂ

Description

本明細書で開示される主題は、平坦な形状を有する三角測量スキャナに関する。三角測量スキャナは、符号化されていないスポット（uncoded spot）をオブジェクト上に投影し、それに応じてオブジェクト上の点の３次元（３Ｄ）座標を決定する。

一般に、三角測量スキャナは、少なくとも１つのプロジェクタと少なくとも１つのカメラとを含む。プロジェクタ及びカメラは、ベースラインの距離（baseline distance）だけ離れている。斯かるスキャナは、光の投影パターンと捕捉されたカメラ画像とに少なくとも部分的に基づいてオブジェクト上の点の３Ｄ座標を決定するために、三角測量計算（triangulation calculation）を使用する。本明細書でシングルショットスキャナ（single-shot scanner）と呼ばれる三角測量スキャナの１つのカテゴリは、光の単一の投影パターンに基づいてオブジェクトの点の３Ｄ座標を取得する。本明細書でシーケンシャルスキャナ（sequential scanner）と呼ばれる三角測量スキャナの別のカテゴリは、静止プロジェクタからオブジェクトへの投影パターンのシーケンスに基づいて、オブジェクトの点の３Ｄ座標を取得する。

シングルショット三角測量スキャナの場合、三角測量の計算は、２つのパターンの各々における要素間の決定された対応関係に少なくとも部分的に基づく。２つのパターンは、プロジェクタによって投影されたパターンとカメラによって捕捉されたパターンとを含み得る。代替として、２つのパターンは、第１カメラによって捕捉された第１のパターンと、第２カメラによって捕捉された第２のパターンとを含み得る。いずれの場合でも、三角測量計算による３Ｄ座標の決定は、２つのパターンの各々におけるパターン要素間で決定されるべき対応関係を提供する。ほとんどの場合、対応関係は、投影又は捕捉されたパターンのパターン要素をマッチングすることによって取得される。代替的なアプローチは、ハイデマン他の米国特許第9,599,455号（'455）に記載されている。このアプローチでは、対応関係は、パターン要素のマッチングによってではなく、２つのカメラとプロジェクタとから又は２つのプロジェクタとカメラとからのエピポーラ線の交点でスポットを識別することにより、決定される。一実施形態では、追加の２Ｄカメラ画像は、複数の収集された点群を基準の共通フレームと一緒に登録するためにさらに使用され得る。特許第'455号に記載されているシステムの場合、３つのカメラ及びプロジェクタの要素は三角に配置され、これはエピポーラ線の交差を可能にする。

場合によっては、三角測量スキャナを、プロジェクタ及びカメラの要素の三角配置において可能なものよりもコンパクトにすることが望ましい。したがって、既存の三角測量システムはその意図した目的に適している一方で、特に符号化されていないスポットを投影するコンパクトな三角測量スキャナを提供する場合には、改善の必要性が残っている。

本発明の一態様によれば、方法は、第１のインスタンスにおいて、オブジェクト上に照らされたオブジェクトスポットを形成するために、投射中心を有するプロジェクタを用いて、プロジェクタの基準面から符号化されていないスポットの第１の符号化されていないパターンを投影することと、第１カメラの投影中心を有する第１カメラを用いて、照らされたオブジェクトスポットを第１の画像の第１の画像スポットとして捕捉することと、第２カメラの投影中心を有する第２カメラを用いて、照らされたオブジェクトスポットを第２の画像の第２の画像スポットとして捕捉することと、プロセッサを用いて、オブジェクト上の点の第１の集合の３Ｄ座標を決定することであって、点の第１の集合の３Ｄ座標が、符号化されていないスポットの第１の符号化されていないパターンと、第１の画像と、第２の画像と、プロジェクタ、第１カメラ及び第２カメラの相対的な位置と、選択された複数の交点の組とに少なくとも部分的に基づき、各交点の組が第１のスポット、第２のスポット及び第３のスポットを含み、第１のスポットがプロジェクタの基準面の符号化されていないスポットのうちの１つであり、第２のスポットが第１の画像スポットのうちの１つであり、第３のスポットが第２の画像スポットのうちの１つであり、交点の組の各々を選択することが第１の線、第２の線及び第３の線の交点の近さに少なくとも部分的に基づき、第１の線が第１のスポットからプロジェクタの投射中心を通って引かれた線であり、第２の線が第２のスポットから第１カメラの投射中心を通って引かれた線であり、第３の線が第３のスポットから第２カメラの投射中心を通って引かれた線である、決定することと、点の第１の集合の決定された３Ｄ座標を記憶することと、を含む。

本発明の別の態様によれば、システムは、投射中心を有するプロジェクタであって、オブジェクト上に照らされたオブジェクトスポットを形成するために、プロジェクタの基準面から符号化されていないスポットの第１の符号化されていないパターンを投影するように動作可能なプロジェクタと、第１カメラ投射中心を有する第１カメラであって、第１の画像において照らされたオブジェクトスポットを第１の画像スポットとして捕捉するように動作可能な第１カメラと、第２カメラ投射中心を有する第２カメラであって、第２の画像において照らされたオブジェクトスポットを第２の画像スポットとして捕捉するように動作可能な第２カメラと、プロセッサであって、プロセッサ上で実行されるとき、オブジェクト上の点の第１の集合の３Ｄ座標を決定するコンピュータ命令であって、点の第１の集合の３Ｄ座標が、第１のインスタンスにおいて、符号化されていないスポットの第１の符号化されていないパターンと、第１の画像と、第２の画像と、プロジェクタ、第１カメラ及び第２カメラの相対的な位置と、選択された複数の交点の組とに少なくとも部分的に基づき、各交点の組が第１のスポット、第２のスポット及び第３のスポットを含み、第１のスポットがプロジェクタの基準面の符号化されていないスポットのうちの１つであり、第２のスポットが第１の画像スポットのうちの１つであり、第３のスポットが第２の画像スポットのうちの１つであり、交点の組の各々を選択することが第１の線、第２の線及び第３の線の交点の近さに少なくとも部分的に基づき、第１の線が第１のスポットからプロジェクタの投射中心を通って引かれた線であり、第２の線が第２のスポットから第１カメラの投射中心を通って引かれた線であり、第３の線が第３のスポットから第２カメラの投射中心を通って引かれた線である、コンピュータ命令を実行するように動作可能なプロセッサと、を含む。

本発明の別の態様によれば、システムは、プロジェクタの光軸及びプロジェクタの投射中心を有するプロジェクタであって、第１の符号化されていないパターンにおける光の符号化されていないスポットの集合をオブジェクト上に投影するように動作可能なプロジェクタと、第１カメラの光軸及び第１カメラの投射中心を有する第１カメラであって、オブジェクト上の光の符号化されていないスポットの集合の第１の画像を捕捉するように動作可能な第１カメラと、第２カメラの光軸及び第２カメラの投射中心を有する第２カメラであって、オブジェクト上の光の符号化されていないスポットの集合の第２の画像を捕捉するように動作可能な第１カメラと、前側部を有する筐体であって、前側部がプロジェクタの光軸、第１カメラの光軸、及び第２カメラの光軸によって交差され、前側部がプロジェクタの投射中心、第１カメラの光軸及び第２カメラの光軸を含む第１の面によってさらに交差される、筐体と、プロセッサであって、プロセッサ上で実行されるとき、符号化されていないスポットの第１の符号化されていないパターン、第１の画像、及び第２の画像に少なくとも部分的に基づいて、オブジェクト上の点の３次元（３Ｄ）座標を決定するコンピュータ命令を実行するように動作可能なプロセッサと、を含む。

これら及び他の利点及び特徴は、図面と併せて以下の説明からより明らかになるであろう。

図１Ａは、本発明の実施形態に係る三角測量スキャナの等角図である。 図１Ｂは、本発明の実施形態に係る三角測量スキャナの部分等角図である。 図１Ｃは、本発明の実施形態に係る三角測量スキャナの部分上面図である。 図１Ｄは、本発明の実施形態に係る三角測量スキャナの部分正面図である。 図１Ｅは、本発明の実施形態に係る三角測量スキャナの第２部分上面図である。 図２Ａは、本発明の一実施形態に係る、プロジェクタ、第１カメラ及び第２カメラを有する三角測量スキャナの概略図である。 図２Ｂは、本発明の一実施形態に係る、第１カメラ及び第２カメラによって受け取られた符号化されていないスポットの符号化されていないパターンを投影するプロジェクタを有する三角測量スキャナの略図である。 図２Ｃは、本発明の一実施形態に係る、符号化されていないスポットの符号化されていないパターンの例である。 図２Ｄは、本発明の一実施形態に係る、３つの線の交点の近さを決定するために使用され得る１つの数学的な方法を表す。 図２Ｅは、本発明の一実施形態に係る、オブジェクトの３Ｄ座標を決定するための方法における要素のリストである。 図３は、三角に配置されたプロジェクタ及び２つのカメラを有する三角測量スキャナの等角図である。 図４は、プロジェクタとカメラとの組み合わせのエピポーラ平面で交差するエピポーラ線の概略図である。 図５Ａは、本発明の実施形態に係る、異なるタイプのプロジェクタを示す概略図である。 図５Ｂは、本発明の実施形態に係る、異なるタイプのプロジェクタを示す概略図である。 図５Ｃは、本発明の実施形態に係る、異なるタイプのプロジェクタを示す概略図である。 図５Ｄは、本発明の実施形態に係る、異なるタイプのプロジェクタを示す概略図である。 図５Ｅは、本発明の実施形態に係る、異なるタイプのプロジェクタを示す概略図である。 図６Ａは、本発明の一実施形態に係る、２つのプロジェクタと１つのカメラとを有する三角測量スキャナの等角図である。 図６Ｂは、本発明の実施形態に係る、３つのカメラと１つのプロジェクタとを有する三角測量スキャナの等角図である。 図６Ｃは、本発明の一実施形態に係る、１つのプロジェクタと２つのカメラとを有し、且つ登録又は色付けを支援するカメラをさらに含む三角測量スキャナの等角図である。 図７Ａは、本発明の一実施形態に係る、コンベアベルト上を移動するオブジェクトを測定するために使用される三角測量スキャナを例示する。 図７Ｂは、本発明の実施形態に係る、ロボットのエンドエフェクタによって移動される三角測量スキャナを示す。 図８は、本発明の実施形態に係る、ガラスなどの比較的透明な材料からの前面及び背面の反射を示す。 図９Ａは、本発明の実施形態に係る、薄い半透明材料で包まれたボトルの点群データの上面図及び側面図である。 図９Ｂは、本発明の実施形態に係る、薄い半透明材料で包まれたボトルの点群データの上面図及び側面図である。 図１０Ａは、本発明の一実施形態に係る、登録を支援するために２Ｄカメラによって捕捉されたオブジェクトの目標の点を示す。 図１０Ｂは、本発明の一実施形態に係る、決定された３Ｄ点群データがその周りに配置される中央領域においてリアルタイム２Ｄカメラデータが示される表示を示す。 図１１Ａは、第１の瞬間に捕捉された点群データを示す。 図１１Ｂは、第２の瞬間に捕捉された点群データを示す。 図１１Ｃは、本発明の一実施形態に係る、第１及び第２の瞬間に捕捉された登録された点群のデータを表示する。 図１１Ｄは、本発明の一実施形態に係る、エッジ特徴が存在するときに登録を取得する方法を例示する。 図１１Ｅは、本発明の一実施形態に係る、エッジ特徴が存在するときに登録を取得する方法を例示する。 図１１Ｆは、本発明の実施形態に係る、自然又は人工の特徴を使用して平面の登録を取得する方法を示す。 図１１Ｇは、本発明の実施形態に係る、自然又は人工の特徴を使用して平面の登録を取得する方法を示す。 図１１Ｈは、本発明の一実施形態に係る、外部のプロジェクタで表面上にマーカーを投影することにより平坦な表面の登録を取得する方法を示す。 図１１Ｊは、本発明の一実施形態に係る、外部のプロジェクタで表面上にマーカーを投影することにより平坦な表面の登録を取得する方法を示す。 図１２Ａは、本発明の一実施形態に係る、背景オブジェクトに少なくとも部分的に基づいてオブジェクトの姿勢を決定する三角測量スキャナを示す。 図１２Ｂは、本発明の一実施形態に係る、基準のアーティファクトに基づいて較正パラメータを決定する三角測量スキャナを示す。 図１２Ｃは、本発明の実施形態に係る、特定タイプの基準のアーティファクトに基づいて較正パラメータを決定する三角測量スキャナを示す。 図１２Ｄは、本発明の実施形態に係る、特定タイプの基準のアーティファクトに基づいて較正パラメータを決定する三角測量スキャナを示す。 図１２Ｅは、本発明の実施形態に係る、コンベアベルト上で動くオブジェクト及びロボットのエンドエフェクタ上のスキャナで捕捉された静止オブジェクトの取得された複数の３Ｄ画像を一緒に登録する三角測量スキャナを示す。 図１２Ｆは、本発明の実施形態に係る、コンベアベルト上で動くオブジェクト及びロボットのエンドエフェクタ上のスキャナで捕捉された静止オブジェクトの取得された複数の３Ｄ画像を一緒に登録する三角測量スキャナを示す。 図１３Ａは、本発明の一実施形態に係るハンドヘルド三角測量スキャナ及び触覚プローブを示す。 図１３Ｂは、本発明の一実施形態に係るハンドヘルド３Ｄ測定デバイスの位置を追跡するために使用されるレーザトラッカを示す。 図１３Ｃは、一実施形態に係る、球形に取り付けられた再帰反射体の等角図及び正面図である。 図１３Ｄは、一実施形態に係る、球形に取り付けられた再帰反射体の等角図及び正面図である。 図１４は、本発明の一実施形態に係る、ロボット機構に取り付けられたスキャナを追跡するために使用されるレーザトラッカの等角図である。 図１５Ａは、本発明の一実施形態に係る、ラインスキャナをエリアスキャナと組み合わせる３Ｄ測定デバイスの部分分解図及び部分破断図である。 図１５Ｂは、本発明の実施形態に係る、ラインスキャナをエリアスキャナと組み合わせる３Ｄ測定デバイスである。 図１５Ｃは、本発明の実施形態に係る、ラインスキャナをエリアスキャナと組み合わせる３Ｄ測定デバイスである。 図１５Ｄは、本発明の実施形態に係る、レーザトラッカスキャナによって追跡される携帯型３Ｄ測定デバイスである。 図１５Ｅは、本発明の一実施形態に係る、レーザトラッカによって追跡され且つ工場の自動化を意図した底部が平らな３Ｄ測定デバイスである。

本発明としてみなされる主題は、本明細書の末尾の特許請求の範囲で特に指摘され且つ明確に請求されている。本発明の前述及び他の特徴及び利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明から明らかである。

詳細な説明は、図面を参照して例として、利点及び特徴とともに本発明の実施形態を説明する。

本発明の実施形態は、本明細書で３Ｄイメージャとも呼ばれる、比較的コンパクトで低コストの正確な三角測量スキャナを使用して３Ｄ測定値を取得できるという利点を提供する。さらに、迅速な登録、６つの自由度の姿勢情報の抽出、及びロボット機構の制御を可能にするという利点が提供される。他の実施形態は、走査技術をレーザトラッカ又は関節アーム座標測定機と組み合わせて使用することにより、さらなる改善を可能にする。

図１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄに例示される本発明の一実施形態では、三角測量スキャナ１は、本体５、プロジェクタ２０、第１カメラ３０、及び第２カメラ４０を含む。一実施形態では、図１Ｃ、１Ｄに示されるように、プロジェクタ２０のプロジェクタ光軸２２、第１カメラ３０の第１カメラ光軸３２、及び第２カメラ４０の第２カメラ光軸４２は、全て共通の平面５０上にある。いくつかの実施形態では、光軸は、例えば、プロジェクタ又はカメラであり得る光学システムの対称性の中心を通過する。例えば、光軸は、光学システムのレンズ表面又はミラー表面の曲率中心を通過し得る。第１の平面５０とも呼ばれる共通の平面５０は、図１Ｄの紙面に垂直に出入りする。

一実施形態では、本体５は、底部支持構造６、頂部支持構造７、スペーサ８、カメラ取付板９、底部取付部１０、ドレスカバー１１、プロジェクタ及びカメラ用の窓部１２、イーサネット（登録商標）コネクタ１３及びＧＰＩＯコネクタ１４を含む。さらに、本体は、前側部１５及び後側部１６を含む。一実施形態では、底部支持構造６及び上部支持構造７は、炭素繊維の複合材料で作られた平板である。一実施形態では、炭素繊維の複合材料は、低い熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。一実施形態では、スペーサ８は、アルミニウムで作られており、底部支持構造６と頂部支持構造７との間に共通の間隔を提供するためのサイズにされている。

一実施形態では、プロジェクタ２０は、プロジェクタ本体２４及びプロジェクタ前面２６を含む。一実施形態では、プロジェクタ２０は、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃに関して本明細書で以下に説明されるように、ターニングミラー及び回折光学素子（ＤＯＥ）を含むプロジェクタ本体２４に取り付けられる光源２５を含む。光源２５は、例えば、レーザ、スーパールミネセントダイオード、又は部分的にコヒーレントなＬＥＤであり得る。一実施形態では、ＤＯＥは、規則的なパターンで配置されたスポットのアレイを生成する。一実施形態では、プロジェクタ２０は、近赤外波長の光を放出する。

一実施形態では、第１カメラ３０は、第１カメラ本体３４及び第１カメラ前面３６を含む。一実施形態では、第１カメラは、レンズ、感光性アレイ及びカメラ電子機器を含む。第１カメラ３０は、プロジェクタ２０によってオブジェクト上に投影された符号化されていないスポットの第１の画像を感光性アレイ上に形成する。一実施形態では、第１カメラは、近赤外光に応答する。

一実施形態では、第２カメラ４０は、第２カメラ本体４４及び第２カメラ前面４６を含む。一実施形態では、第２カメラは、レンズ、感光性アレイ、及びカメラ電子機器を含む。第２カメラ４０は、プロジェクタ２０によってオブジェクト上に投影された符号化されていないスポットの第２の画像を形成する。一実施形態では、第２カメラは、近赤外スペクトルの光に応答する。一実施形態では、プロセッサ２は、本明細書で以下に説明する方法に従ってオブジェクト上の点の３Ｄ座標を決定するために使用される。プロセッサ２は、本体５の内部に含まれてもよく、又は本体の外部にあってもよい。さらなる実施形態では、２つ以上のプロセッサが使用される。さらに別の実施形態では、プロセッサ２は、三角測量スキャナから離れて配置され得る。

図１Ｅは、三角測量スキャナ１の上面図である。プロジェクタ光線２８は、プロジェクタ２４の本体からプロジェクタ前面２６を通ってプロジェクタ光軸に沿って延びる。そうすることで、プロジェクタ光線２８は、前側部１５を通過する。第１カメラ光線３８は、第１カメラ３４の本体から第１カメラの前面３６を通って第１カメラの光軸３２に沿って延びる。そうすることで、前方のカメラ光線３８は、前側部１５を通過する。第２カメラ光線４８は、第２カメラ４４の本体から第２カメラ前面４６を通って第２カメラ光軸４２に沿って延びる。そうすることで、第２カメラ光線４８は、前側部１５を通過する。

図２は、例えば、図１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ及び１Ｅに示される三角測量スキャナ１であり得る三角測量スキャナ２００の要素を示す。一実施形態では、三角測量スキャナ２００は、プロジェクタ２５０、第１カメラ２１０、及び第２カメラ２３０を含む。一実施形態では、プロジェクタ２５０は、パターン生成器の平面２５２上に光のパターンを作成する。パターン上の例示的な補正点２５３は、光線２５１をレンズ２５４の投射中心（perspective center）２５８（点Ｄ）を通って点２７２（点Ｆ）でオブジェクトの表面２７０上に投影する。点２７２は、点２７２からレンズ２１４の投射中心２１８（点Ｅ）を通って、カメラの感光性アレイ２１２の表面上に補正点２２０として光線を受けることにより、第１カメラ２１０によって撮像される。点２２０は、レンズ収差の影響を取り除くために、補正値を適用することにより読出データにおいて補正される。同様に、点２７２は、点２７２からレンズ２３４の投射中心２３８（点Ｃ）を通って第２カメラの感光性アレイ２３２の表面上に補正点２３５として光線を受けることにより、第２カメラ２３０によって撮像される。本明細書で使用される場合、レンズへの任意の言及は、レンズシステム内の開口部を含む、単一のレンズ又は複数のレンズ要素にかかわらず、任意のタイプのレンズシステムを含むことを理解されたい。この文書におけるプロジェクタへの任意の言及は、レンズ又はレンズシステムを用いて画像平面をオブジェクト平面に投影するシステムだけを指すものではないことを理解されたい。プロジェクタは、必ずしも物理的なパターン生成面２５２を有する必要はなく、パターンを生成する任意の他の要素の組を有し得る。例えば、ＤＯＥを有するプロジェクタでは、光の発散するスポットは、プロジェクタの投射中心を取得し、また、パターンを生成するために現れる基準プロジェクタ平面を取得するために、後方に追跡され得る。ほとんどの場合、本明細書に記載されたプロジェクタは、符号化されていないパターンに光の符号化されていないスポットを伝搬する。しかし、プロジェクタはさらに、光の符号化されたスポットを投影し、符号化されたパターンに投影し、又は符号化されたパターンに光の符号化されたスポットを投影するように動作可能であり得る。言い換えれば、本発明のいくつかの態様において、プロジェクタは、符号化されていないスポットを符号化されていないパターンに投影するように少なくとも動作可能であるが、加えて、他の符号化された要素及び符号化されたパターンに投影し得る。

図２の三角測量スキャナ２００が、投影パターンの単一の投影と、２つのカメラの各々によって捕捉された単一の画像とに基づいて３Ｄ座標を決定するシングルショットスキャナである実施形態では、プロジェクタの点２５３、画像の点２２０、及び画像の点２３５の間の対応関係は、プロジェクタ２５０によって投影され、２つのカメラ２１０、２３０によって受け取られる符号化されたパターンをマッチングすることによって取得され得る。代替的には、符号化されたパターンは、３つの要素のうちの２つ、例えば、２つのカメラ２１０、２３０、又はプロジェクタ２５０と２つのカメラ２１０又は２３０のうちの１つとマッチングされ得る。これは、投影された要素若しくは投影されたパターン、又はその両方での符号化のために、シングルショット三角測量スキャナにおいて可能である。

対応関係が投影され且つ画像化された要素の間で決定された後、三角測量の計算が、オブジェクト上の投影された要素の３Ｄ座標を決定するために実行される。図２に関して、要素は符号化されていないパターンに投影された符号化されていないスポットである。一実施形態では、三角測量の計算は、対応が２つのカメラの各々上で得られたスポットの選択に基づいて実行される。この実施形態では、２つのカメラの相対的な位置及び方向（orientation）が使用される。例えば、投射中心２１８及び２３８の間のベースライン距離Ｂ３は、第１カメラ２１０の第１の画像及び第２カメラ２３０の第２の画像に基づいて三角測量の計算を実行するために使用される。同様に、ベースラインＢ１は、プロジェクタ２５０の投影パターンと第２カメラ２３０の第２の画像とに基づいて三角測量の計算を実行するために使用される。同様に、ベースラインＢ２は、プロジェクタ２５０の投影パターンと第１カメラ２１０の第１の画像とに基づいて三角測量の計算を実行するために使用される。本発明の一実施形態では、プロジェクタによって投影される符号化されていない要素の符号化されていないパターン、第１カメラによって捕捉された符号化されていないパターンの第１の画像、及び第２カメラによって捕捉された符号化されていないパターンの第２の画像に少なくとも基づいて決定される。一実施形態では、対応関係はさらに、プロジェクタ、第１カメラ、及び第２カメラの位置に少なくとも部分的に基づく。さらなる実施形態では、対応関係はさらに、プロジェクタ、第１カメラ、及び第２カメラの方向に少なくとも部分的に基づく。

本明細書で使用される「符号化されていない要素」又は「符号化されていないスポット」という用語は、投影又は撮像される他の符号化されていない要素と区別されることが可能な内部構造を含まない投影又は撮像された要素について言及する。本明細書で使用される「符号化されていないパターン」という用語は、投影又は撮像された要素の相対的な位置に情報が符号化されていないパターンについて言及する。例えば、情報を投影されたパターンに符号化する1つの方法は、「ドット」の準ランダムなパターンを投影することであり、ドットの相対的な位置は、既知であり且つ２つの画像又は投影及び画像における要素の対応関係を決定するために使用されることができる。このような準ランダムなパターンは、点の間の対応関係を確立するために使用され得る情報を含むため、符号化されていないパターンの例ではない。符号化されていないパターンの例は、投影されたパターンの要素の直線的なパターンである。

一実施形態では、符号化されていないスポットは、図２Ｂのスキャナシステム１００に示されるような、符号化されていないパターンにおいて投影される。一実施形態では、スキャナシステム１００は、プロジェクタ１１０、第１カメラ１３０、第２カメラ１４０、及びプロセッサ１５０を含む。プロジェクタは、符号化されていないスポットの符号化されていないパターンをプロジェクタの基準面１１４から投影する。図２Ｂ及び２Ｃに例示される実施形態では、符号化されていないスポットの符号化されていないパターンは、照らされたオブジェクトスポット１２１をオブジェクト１２０上に形成する円形スポットの直線的なアレイ１１１である。一実施形態では、オブジェクト１２０に達しているスポットの直線的なアレイ１１１は、オブジェクト１２０の特性に従って、照らされたオブジェクトスポット１２１のパターンに修正又は変形される。投影された直線的なアレイ１１１内からの例示的な符号化されていないスポット１１２は、スポット１２２としてオブジェクト１２０上に投影される。プロジェクタスポット１１２から照らされたオブジェクトスポット１２２への方向は、基準面１１４上のプロジェクタスポット１１２からプロジェクタの投射中心１１６を通って直線１２４を引くことにより見つけられ得る。プロジェクタの投射中心１１６の位置は、プロジェクタの光学システムの特性によって決定される。

一実施形態では、照らされたオブジェクトスポット１２２は、第１カメラ１３０の第１の画像平面１３６上に第１の画像スポット１３４を生成する。 第１の画像スポットから照らされたオブジェクトスポット１２２への方向は、第１の画像スポット１３４から第１カメラの投射中心１３２を通って直線１２６を引くことにより見つけられ得る。第１カメラの投射中心１３２の位置は、第１カメラの光学システムの特性によって決定される。

一実施形態では、照らされたオブジェクトスポット１２２は、第２カメラ１４０の第２の画像平面１４６上に第２の画像スポット１４４を生成する。 第２の画像スポット１４４から照らされたオブジェクトスポット１２２への方向は、第２の画像スポット１４４から第２カメラの投射中心１４２を通って直線１２６を引くことにより見つけられ得る。第２カメラの投射中心１４２の位置は、第２カメラの光学システムの特性によって決定される。

一実施形態では、プロセッサ１５０は、プロジェクタ１１０、第１カメラ１３０、及び第２カメラ１４０と通信する。有線又は無線のいずれかのチャネル１５1は、プロセッサ１５０、プロジェクタ１１０、第１カメラ１３０、及び第２カメラ１４０の間の接続を確立するために使用され得る。プロセッサは、単一の処理部又は複数の処理部を含んでもよく、マイクロプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、及び他の電気構成要素などの構成要素を含んでもよい。プロセッサは、プロジェクタ、第１カメラ、及び第２カメラを含むスキャナシステムに対してローカルであってもよく、又は分散され且つネットワーク化されたプロセッサを含んでもよい。プロセッサという用語は、任意のタイプの計算電子機器を包含し、メモリストレージ要素を含み得る。

図２Ｅは、オブジェクト上の点の３Ｄ座標を決定する方法１８０の要素を示す。要素１８２は、オブジェクト上に照らされたオブジェクトスポットを形成するために、プロジェクタを用いて、符号化されていないスポットの第１の符号化されていないパターンを投影することを含む。図２Ｂ、２Ｃは、プロジェクタ１１０が、照らされたオブジェクトスポット１２１をオブジェクト１２０上に形成するために、符号化されていないスポット１１１の第１の符号化されていないパターンを投影する実施形態１００を使用して、この要素１８２を例示する。

方法の要素１８４は、照らされたオブジェクトスポットを第１カメラを用いて第１の画像の第１の画像スポットとして捕捉することを含む。この要素は、第１カメラ１３０が、照らされたオブジェクトスポット１２２の画像である第１の画像スポット１３４を含む、照らされたオブジェクトスポット１２１を捕捉する実施形態を使用して図２Ｂに示されている。方法の要素１８６は、照らされたオブジェクトスポットを第２カメラを用いて第２の画像の第２の画像スポットとして捕捉することを含む。この要素は、第２カメラ１４０が、照らされたオブジェクトスポット１２２の画像である第２の画像スポット１４４を含む、照らされたオブジェクトスポット１２１を捕捉する実施形態を使用して、図２Ｂに示されている。

方法の要素１８８の第１の態様は、プロセッサを用いて、符号化されていないスポットの第１の符号化されていないパターンと、第１の画像と、第２の画像と、プロジェクタ、第１カメラ及び第２カメラの相対的な位置と、選択された複数の交点の組とに少なくとも部分的に基づいてオブジェクト上の点の第１の集合の３Ｄ座標を決定することを含む。要素１８８のこの態様は、プロセッサ１５０が、符号化されていないスポット１１１の第１の符号化されていないパターン１１１と、第１の画像１３６と、第２の画像１４６と、プロジェクタ１１０、第１カメラ１３０及び第２カメラ１４０の相対的な位置と、選択された複数の交点の組とに基づいて、オブジェクト上のオブジェクトスポット１２１に対応する点の第１の集合の３Ｄ座標を決定する実施形態を使用して、図２Ｂ、２Ｃに示されている。交点の組の図２Ｂからの例は、点１１２、１３４及び１４４を含む組である。これらの３つの点のうちの任意の２つは、図２Ａ、図２Ｂを参照して本明細書で上述された照らされたオブジェクトスポット１２２の３Ｄ座標を取得するように三角測量の計算を実行するために使用され得る。

方法の要素１８８の第２の態様は、プロセッサを用いて、複数の交点の組を選択することを含む。各交点の組は、第１のスポット、第２のスポット、及び第３のスポットを含む。第１のスポットは、プロジェクタの基準面の符号化されていないスポットのうちの１つである。第２のスポットは、第１の画像スポットのうちの１つである。第３のスポットは、第２の画像スポットのうちの１つである。各交点の組を選択することは、第１の線、第２の線及び第３の線の交点の近さ（nearness）に少なくとも部分的に基づく。第１の線は、第１のスポットからプロジェクタの投射中心を通って引かれた線である。第２の線は、第２のスポットから第１カメラの投射中心を通って引かれた線である。第３の線は、第３のスポットから第２カメラの投射中心を通って引かれた線である。要素１８８のこの態様は、１つの交点の組が第１のスポット１１２、第２のスポット１３４、及び第３のスポット１４４を含む実施形態を使用して、図２Ｂに示されている。この実施形態では、第１の線は線１２４であり、第２の線は線１２６であり、第３の線は線１２８である。第１の線１２４は、プロジェクタの基準面１１４の符号化されていないスポット１１２からプロジェクタの投射中心１１６を通って引かれる。第２の線１２６は、第１の画像スポット１３４から第１カメラの投射中心１３２を通って引かれる。第３の線１２８は、第２の画像スポット１４４から第２カメラの投射中心１４２を通って引かれる。プロセッサ１５０は、第１の線１２４、第２の線１２６、及び第３の線１２８の交点の近さに少なくとも部分的に基づいて交点の組を選択する。

プロセッサ１５０は、任意の様々な基準に基づいて、第１の線、第２の線、及び第３の線の交点の近さを決定し得る。例えば、一実施形態では、交点の近さの基準は、第１の３Ｄ点と第２の３Ｄ点との間の距離に基づく。一実施形態では、第１の３Ｄ点は、第１の画像の点１３４及び第２の画像の点１４４を使用して三角測量の計算を実行することによって見つけられ、三角測量の計算で使用されるベースライン距離は投射中心１３２及び１４２の間の距離である。実施形態では、第２の３Ｄ点は、第１の画像の点１３４及びプロジェクタの点１１２を使用して三角測量の計算を実行することによって見つけられ、三角測量の計算で使用されるベースライン距離は投射中心１３４及び１１６の間の距離である。３つの線１２４、１２６、及び１２８がオブジェクトの点１２２でほぼ交差する場合、第１の３Ｄ点と第２の３Ｄ点との間の距離の計算は、比較的小さい距離をもたらすことになる。一方、第１の３Ｄ点と第２の３Ｄ点との間の距離が比較的大きい場合は、点１１２、１３４、１４４が全てオブジェクトの点１２２に対応しているわけではなかったことを示すであろう。

別の例として、一実施形態では、交点の近さの基準は、３対の線の各々の間の最近接距離（closest-approach distance）の最大値に基づく。この状況は図２Ｄに例示されている。最も近接する線１２５は、線１２４及び１２６の間に描かれている。線１２５は、線１２４、１２６の各々に垂直であり、交点の近接長さａを有する。最も近接する線１２７は、線１２６及び１２８の間に描かれている。線１２７は、線１２６、１２８の各々に垂直であり、長さｂを有する。最も近接する線１２９は、線１２４及び１２８の間に引かれる。線１２９は、線１２４、１２８の各々に垂直であり、長さｃを有する。上記実施形態に記載された基準によると、考慮される値は、ａ、ｂ、及びｃの最大値である。比較的小さな最大値は、点１１２、１３４及び１４４が照らされたオブジェクト点１２２に対応するものとして正しく選択されたことを示すであろう。比較的大きな最大値は、点１１２、１３４及び１４４が照らされたオブジェクト点１２２に対応するものとして誤って選択されたことを示すであろう。

プロセッサ１５０は、交点の近さを確立するために他の多くの基準を使用し得る。例えば、３つの線が同一平面上にあった場合について、３つの点１１２、１３４、１４４がオブジェクト点１２２に対応する場合、交差する線から形成される三角形に内接する円は、比較的小さな半径を有すると予想されるであろう。３つの線が同一平面上になかった場合、３つの線に接する接点を有する球は、比較的小さい半径を有すると予想されるであろう。

第１の線、第２の線、及び第３の線の交点の近さに少なくとも部分的に基づいて交点の組を選択することは、三角測量に基づく他のほとんどのプロジェクタ−カメラの方法では使用されないことに留意されたい。例えば、投影された点が符号化された点である場合、つまり、投影面と画像面で比較したときに対応するものとして認識できる場合、投影された要素と画像化された要素との交点の近さを決定する必要はない。同様に、位相シフトされた正弦波パターンの逐次投影（sequential projection）などの逐次法が使用される場合、投影された点と画像化された点との間の対応関係はプロジェクタによって投影され且つカメラによって受け取られた光強度の連続読み取り（sequential readings）に基づいて決定された位相の画素毎の比較に基づいて決定されるため、交点の近さを決定する必要はない。方法の要素１９０は、点の第１の集合の３Ｄ座標を記憶することを含む。

符号化されていないパターンに投影された符号化されていない点の間の対応関係を確立するために、エピポーラ平面上のエピポーラ線の交点を使用する代替的な方法は、本明細書において上で参照した特許'455号に記載される。 特許第'455号に記載されている方法の実施形態では、三角測量スキャナはプロジェクタと２つのカメラとを三角形のパターンにおいて配置する。斯かる三角形のパターンを有する三角測量スキャナ３００の例が図３に示される。三角測量スキャナ３００は、プロジェクタ３５０、第１カメラ３１０、及び辺Ａ１−Ａ２−Ａ３を有する三角形状に配置された第２カメラ３３０を含む。一実施形態では、三角測量スキャナ３００は、三角測量には使用されないが、登録（registration）及び色付けを支援する追加のカメラ３９０をさらに含み得る。

ここで、図４を参照すると、３Ｄイメージャ（三角測量スキャナ）４９０のエピポーラの関係は、図３の３Ｄイメージャ３００に対応する。図３では、２つのカメラと１つのプロジェクタが、辺４０２、４０４、４０６を有する三角形の形状に配置される。一般に、デバイス１、デバイス２及びデバイス３は、デバイスの少なくとも１つがカメラである限り、カメラとプロジェクタの任意の組み合わせであり得る。３つのデバイス４９１、４９２、４９３の各々は、それぞれ、投射中心Ｏ_１、Ｏ_２、Ｏ_３を有し、それぞれ、基準面４６０、４７０、及び４８０を有する。図４では、基準面４６０、４７０、４８０は、感光性アレイの画像面又はプロジェクタパターン生成器の表面のプロジェクタ面などの物理的な面に対応するエピポーラ平面であるが、これら平面は、投射中心Ｏ_１、Ｏ_２、Ｏ_３の反対側の数学的に等価な位置に投影される。デバイスの各ペアは、エピ極のペアを有する。エピ極は、投射中心の間に描かれた線がエピポーラ平面と交差する点である。デバイス１及びデバイス２は、それぞれ、平面４６０、４７０上にエピ極Ｅ_１２、Ｅ_２１を有する。デバイス１及びデバイス３は、それぞれ、平面４６０、４８０上にエピ極Ｅ_１３、Ｅ_３１を有する。デバイス２及びデバイス３は、それぞれ、平面４７０，４８０上にエピ極Ｅ_２３、Ｅ_３２を有する。換言すると、各基準面は２つのエピ極を含む。デバイス１の基準面は、エピ極Ｅ_１２及びＥ_１３を含む。デバイス２の基準面は、エピ極Ｅ_２１及びＥ_２３を含む。デバイス３の基準面は、エピ極Ｅ_３１及びＥ_３２を含む。

一実施形態では、デバイス３はプロジェクタ４９３であり、デバイス１は第１カメラ４９１であり、デバイス２は第２カメラ４９２である。 投影点Ｐ３、第１の画像の点Ｐ_１、及び第２の画像の点Ｐ_２が測定において取得されると仮定する。これらの結果は、次の方法で整合性について確認され得る。

画像の点Ｐ_１の整合性を確認するために、平面Ｐ_３−Ｅ_３１−Ｅ_１３を基準面４６０と交差させて、エピポーラ線４６４を取得する。平面Ｐ_２−Ｅ_２１−Ｅ_１２を交差させて、エピポーラ線４６２を取得する。画像の点Ｐ_１が整合して決定されている場合、観察された画像の点Ｐ_１は、決定されたエピポーラ線４６２及び４６４の交点上にあることになる。

画像の点Ｐ_２の整合性を確認するために、平面Ｐ_３−Ｅ_３２−Ｅ_２３を基準面４７０と交差させて、エピポーラ線４７４を取得する。平面Ｐ_１−Ｅ_１２−Ｅ_２１を交差させて、エピポーラ線４７２を取得する。画像の点Ｐ_２が矛盾なく決定されている場合、観察された画像の点Ｐ_２は、決定されたエピポーラ線４７２及び４７４の交点上にあることになる。

投影点Ｐ_３の整合性を確認するために、平面Ｐ_２−Ｅ_２３−Ｅ_３２を基準面４８０と交差させて、エピポーラ線４８４を取得する。平面Ｐ_１−Ｅ_１３−Ｅ_３１を交差させて、エピポーラ線４８２を取得する。投影点Ｐ_３が整合して決定される場合、投影点Ｐ_３は、決定されたエピポーラ線４８２及び４８４の交点上にあることになる。

デバイス１、デバイス２、及びデバイス３の幾何学的な構成は既知であるため、プロジェクタ４９３がカメラ４９１、４９２によって撮像されるオブジェクト上の点上に光の点を照射するとき、３Ｄイメージャ４９０の基準のフレーム内の点の３Ｄ座標は、三角測量法を使用して決定され得ることを理解されたい。

図４に関して本明細書で上述したアプローチは、エピポーラ線はこの場合に縮退（degenerate）している（互いの頂点にある）ため、デバイス１、デバイス２、及びデバイス３の光軸を含む平面上の点の３Ｄ座標を決定するために使用され得るわけではないことに留意されたい。換言すると、この場合、エピポーラ線の交点はもはや得られない。代わりに、本発明の一実施形態では、図２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅを参照して本明細書で上述されるように、プロジェクタの投影面上の符号化されていないスポットの位置と第１及び第２カメラの画像面との自己整合性を決定することは、符号化されていないスポット間の対応関係を決定するために使用される。

図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅは、プロジェクタ２０の代替的な実施形態の概略図である。図５Ａでは、プロジェクタ５００は、光源、ミラー５０４、及び回折光学素子（ＤＯＥ）５０６を含む。光源５０２は、例えば、レーザ、スーパールミネセントダイオード、又は部分的にコヒーレントなＬＥＤ（partially coherent LED）であり得る。光源５０２は、ミラー５０４で反射されてＤＯＥを通過する光ビーム５１０を放出する。一実施形態では、ＤＯＥ５０６は、発散し且つ均一に分布した光スポット５１２のアレイを生成する。図５Ｂでは、プロジェクタ５２０は、図５Ａと同様に、光源５０２、ミラー５０４、及びＤＯＥ５０６を含む。しかしながら、図５のシステム５２０では、ミラー５０４は、ミラーにおいて回転５２４又は何らかの他の運動（並進（translation）など）を引き起こすアクチュエータ５２２に取り付けられる。回転５２４に応答して、ミラー５０４からの反射ビームは、ＤＯＥ５０６に到達して光スポット５１２の集合を生成する前に、新しい位置に向け直されるか、又は操作される。図５Ｃのシステム５３０では、アクチュエータは、ビーム５１２をビーム５３６に向け直すミラー５３２に適用される。代替的には、機械的、光学的、又は電気光学的機構を使用するものなどの他のタイプのステアリング機構が図５Ａ、５Ｂ、５Ｃのシステムにおいて使用され得る。他の実施形態では、光は最初にパターン生成要素５０６を通過し、次にミラー５０４を通過するか、又はミラー５０４なしでオブジェクト空間に向けられる。

図５Ｄのシステム５４０では、電気信号は、プロジェクタパターン生成器５４２を駆動するために、例えば、パターン生成部として機能するＬＣｏＳ（Liquid Crystal on Silicon）ディスプレイなどの画素ディスプレイであり得る電子機器５４４によって提供される。ＬＣｏＳディスプレイ５４２からの光５４５は、符号化されていないスポット５４８の発散する集合として現れる投射中心５４７を通って向けられる。図５Ｅのシステム５５０では、光源５５２は、パターン生成部５５４を通って送られるか、又はそこから反射され得る光を放出し得る。一実施形態では、光源５５２は、レンズ５５６を通って光５５５を反射するデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）に光を送る。一実施形態では、光は、符号化されていないパターンの符号化されていないスポット５５８の発散する集合として現れる投射中心５５７を通って向けられる。別の実施形態では、光源５６２は、レンズ５５６を通過し、光５５８の符号化されていないパターンとして進む前に、符号化されていないドットパターンを有するスライド５５４を通過する。別の実施形態では、光源５５２からの光は、パターン５５８に向け直される前にレンズレットアレイ５５４を通過する。この場合、レンズ５５６を含むことは選択的である。

ビーム操作機構とも呼ばれるアクチュエータ５２２、５３４は、ピエゾアクチュエータ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス、磁気コイル、又は固体偏向器などのいくつかのタイプのいずれであり得る。

図６Ａは、それぞれ、窓部６０３、６０５、６０７を有する単一のカメラ６０２と２つのプロジェクタ６０４、６０６とを含む三角測量スキャナ６００の等角図である。システム６００では、プロジェクタ６０４、６０６によって投影される符号化されていないスポットは、カメラ６０２によって区別される。これは、符号化されていない投影されるスポットの特性の違いの結果であり得る。例えば、カメラ６０２がカラーカメラである場合、プロジェクタ６０４によって投影されるスポットは、プロジェクタ６０６によって投影されるスポットとは異なる色であり得る。別の実施形態では、三角測量スキャナ６００及び試験中のオブジェクトは、測定中には静止しており、これにより、プロジェクタ６０４、６０６によって投影された画像がカメラ６０２によって連続的に収集されることが可能になる。符号化されていないスポット間の対応関係を決定する方法及びその後の３Ｄ座標を決定する方法は、２つのカメラと１つのプロジェクタの場合について図２において前述した方法と同じである。一実施形態では、システム６００は、投影面及び画像面における符号化されていないスポット間の対応関係を決定し、投影されたスポットの３Ｄ座標を決定するなどの計算タスクを実行するプロセッサ２を含む。

図６Ｂは、プロジェクタ６２２を含み、さらに３つのカメラ：第１カメラ６２４、第２カメラ６２６、及び第３カメラ６２８を含む三角測量スキャナ６２０の等角図である。これらの前述のプロジェクタ及びカメラは、それぞれ、窓部６２３、６２５、６２７、６２９によって覆われている。３つのカメラと１つのプロジェクタを有する三角測量スキャナの場合、プロジェクタから放射されるドットのパターンを事前に知らなくても、符号化されていない光の投影されたスポットの３Ｄ座標を決定することが可能である。この場合、線は、３つのカメラの各々の投射中心を通って、オブジェクト上の符号化されていないスポットから引かれ得る。引かれた線は、それぞれ、３つのカメラの各々の符号化されていないスポットと交差し得る。次に、三角測量の計算は、オブジェクト面上の点の３Ｄ座標を決定するために実行され得る。一実施形態では、システム６２０は、３つの画像平面内の符号化されていないスポット間の対応関係を検証し、オブジェクト上の投影スポットの３Ｄ座標を決定するなどの動作方法を実行するプロセッサ２を含む。

図６Ｃは、三角測量スキャナ６４０に結合されるカメラ６４２をさらに含むことを除いて、図１Ａのものと同様の三角測量スキャナ６４０の等角図である。一実施形態では、カメラ６４２は、捕捉された３Ｄ画像に色付けを提供するカラーカメラである。さらなる実施形態では、カメラ６４２は、カメラ６４２が動かされるとき、例えば、オペレータ又はロボットによって動かされるとき、登録を支援する。

図７Ａ、図７Ｂは、自動化環境において三角測量スキャナ１を使用するための２つの異なる実施形態を例示する図７Ａは、スキャナ１が所定の位置に固定され、テスト中のオブジェクト７０２がコンベアベルト７００上又は他の輸送装置上などで動かされる実施形態を示す。スキャナ１は、オブジェクト７０２に関する３Ｄ座標を取得する。一実施形態では、スキャナ１の内部及び外部のいずれかのプロセッサは、オブジェクト７０２がその寸法仕様を満たすかどうかをさらに判定する。いくつかの実施形態では、スキャナ１は、例えば工場又は工場のセルなどの場所に固定され、活動を監視するために使用される。一実施形態では、プロセッサ２は、工場環境において動作中の機器から人間と接触する危険性があるかどうかを監視し、それに応じて、警告、アラームを発し、又は機器の動きを停止させる。

図７Ｂは、取り付けプレート７１２及びロボットアーム７１４を含み得るロボットエンドエフェクタ７１０に三角測量スキャナ１が取り付けられる実施形態を例示する。ロボットは、テスト中の１つ又は複数のオブジェクトの寸法の特性を測定するために動かされ得る。さらなる実施形態では、ロボットエンドエフェクタは、別のタイプの動作構造に置き換えられる。例えば、三角測量スキャナ１は、工作機械の可動部分に取り付けられ得る。

図８は、本明細書で上述した三角測量スキャナに適され得る測定への適用８００の概略等角図である。一実施形態では、三角測量スキャナ１は、光の符号化されていないスポットをガラスなどの半透明又はほぼ透明な材料８１０のシートに送る。ガラスの前面８１２上の符号化されていない光のスポット８０２は、ガラスの前面８１２の法線ベクトルに対してある角度で到達する。符号化されていない光スポット８０２の光強度の一部は、前面８１２を通過し、ガラスの背面８１４で反射され、前面８１２に２回に到達して、破線の円として図８において表される光８０４の反射スポットを生成する。符号化されていない光のスポット８０２は、前面８１２の法線に対してある角度で到達するため、光のスポット８０４は、光のスポット８０２に対して横方向にシフトする。ガラス表面の反射率が比較的高い場合、前面及び背面のガラス表面間の多重反射が三角測量スキャナ1によって検出（pick up）され得る。

前面８１２での光の符号化されていないスポット８０２は、プロジェクタ及びスキャナの２つのカメラの投射中心を通る線によって交差される図２に関して記載した基準を満たす。例えば、図２において、要素２５０がプロジェクタであり、要素２１０、２３０がカメラであり、オブジェクト表面２７０がガラスの前面２７０を表す場合を考慮する。図２では、プロジェクタ２５０は、点２５３からの光を投射中心２５８を通して位置２７２でのオブジェクト２７０上に送る。点２５３は、図８の光のスポット８０２の中心を表すものとする。オブジェクト点２７２は、第１カメラの投射中心２１８を通過して第１の画像の点２２０に到達する。また、それは、第２カメラ２３０の投射中心２３８を通過して、第２の画像の点２３５に到達する。画像の点２００、２３５は、符号化されていないスポット８０２の中心の点を表す。この方法により、プロジェクタと２つのカメラとの対応関係が、ガラスの前面８１２の符号化されていないスポット８０２に対して確認される。しかし、背面で最初に反射する前面の光スポット８０４について、画像化されたスポットに対応するプロジェクタスポットはない。換言すると、図２の表現では、線２１１、２３１、２５１が反射スポット２０４に対して単一の点２７２において交差する条件はない。したがって、この方法を使用して、前面でのスポットは、背面でのスポットと区別され得る。つまり、前面の３Ｄ座標は、背面からの反射による汚染（contamination）がないと決定される。これは、ガラスの厚さが十分に大きく且つガラスが法線入射に対して十分に傾いている限り可能である。前面及び背面のガラスの表面から反射された点の距離間隔は、図８に例示されるように、投影された符号化されていないパターンにおける符号化されていないスポットの比較的広い間隔によってさらに大きくなる。図８の方法がスキャナ１に関して記載されたが、本方法は、図６Ａ、６Ｂ、６Ｃのスキャナ６００、６２０、６４０などの他のスキャナの実施形態でもそれぞれ同様にうまく機能する。

また、場合によっては、例えば、図９Ａ、９Ｂに示されるように６パックのボトルを封入するために使用される透明なプラスチックラップにおいて、ほぼ透明な材料は薄い。図９Ａ、９Ｂの画像９００Ａ、９００Ｂは、それぞれ、符号化されていないスポットのまばらなパターンを投影するように構成された三角測量スキャナ１によって収集された３Ｄ点群から得られた。画像９００Ａ、９００Ｂをより良く理解するために、再び図８の状況を検討するが、ガラスの層が薄くなっている。ガラスがますます薄くなるにつれて、二次反射スポット８０４は、入射反射スポット８０２に徐々に近づくように動く。一実施形態では、最終的に、スポット８０２及びスポット８０４は、ほぼ垂直な入射でオブジェクト８１０に当たる光のように、ほぼ完全に重なり合う。例えば、６パックのボトルを囲むために使用されるプラスチックラップの厚さは０．０２５ミリメートルである一方で、投影される光のスポットの直径は１．０ミリメートルである。この状況では、プラスチックラップの背面層で反射した光のスポットは、プラスチックラップの前面層で反射した光とほぼ完全に重なることになる。図９Ａ、９Ｂにおいて例示されるように、ボトルを覆う薄いプラスチック被覆層について、スキャナ１などのスキャナによるスポットのまばらな投影パターンは、６つのボトルを囲むプラスチック製の形状の輪郭を明確に示す反射スポットの画像を生成する。画像９００Ａ、９００Ｂにおいて、各暗いスポットは少なくとも１つの３Ｄ座標を表す。スポットは、視聴者にオブジェクトの明確な感覚を提供するために、画像９００Ａ、９００Ｂの２Ｄ表現で十分に大きく作られるが、ほぼ完全に黒い画像９Ａ、９Ｂの領域は、３Ｄ座標の大きな集合を表す。これらの３Ｄ座標は、三角測量スキャナ１に接続されたプロセッサで利用可能であるが、３Ｄ座標の完全な組で各３Ｄ座標を視覚的に表示しなくても、画像９００Ａ、９００Ｂは半透明の素材の曲率を明確に示す。斯かる画像は、包装された材料を動かすように設計されたロボット機械によって有用に使用され得る。

複数の異なる姿勢においてスキャナによって取得された３Ｄ座標の複数の組は、共通の参照フレームに置かれたときに一緒に登録されると言われている。斯かる登録を実行する１つの方法は、複数の姿勢からシーンを表示するカメラを用いて共通の関心点又は目標の点を観察することによるものである。ここで、姿勢という用語は、ｘ、ｙ、ｚなどの３つの並進自由度、及びピッチ角、ロール角及びヨー角などの３つの方向自由度を含む空間の６つの自由度を指すことが理解される。関心の点又は目標の点を捕捉するために使用され得るカメラの例は、図３の三角測量スキャナ３００におけるカメラ３９０及び図６Ｃの三角測量スキャナ６４０におけるカメラ６４２である。関心／目標の点は、当技術分野で知られる様々な数学的な方法を使用して見つけられ得る。そのような点は、画像に配置された小さな十字１０３３によって図１０Ａ、１０Ｂに示されている。図１０Ａ、１０Ｂの例では、十字１０３３は、主にオブジェクトのエッジを示しているが、エッジ上の点以外の他の目標の点も見つけられ得る。目標の点は、自然の特徴、又はテスト下のオブジェクト上又は近くに配置された反射ドットなどの人工の目標に基づかれ得る。斯かる目標の点のシーケンスを様々な姿勢のカメラと比較することによって、撮像されたオブジェクトの姿勢（位置及び方向）の変化を判定することが可能であり、それによりプロセッサが３Ｄオブジェクトの座標の収集されたセットを共通の参照のフレームに置くことを可能にする。リアルタイムの２Ｄ画像データと蓄積された３Ｄ点群データを同時に表示するための１つの方法は、図１０Ｂにおいて例示される表示プラットフォーム１０００を使用することによるものである。斯かる表示プラットフォーム１０００は、例えば、タブレット、スマートフォン、ラップトップコンピュータ、又はスキャナセンブリに組み込まれたものであり得る。

図１０Ａ、図１０Ｂにおける表示プラットフォーム１０００は、一実施形態では、第１の表示部１０１２及び第２の表示部１０１４にさらに細分されるディスプレイ１０１０を含む。 一実施形態では、第１の表示部１０１２は、ディスプレイ１０１０の（長方形の）中央部であり、第２の表示部１０１４は、第１の表示部１０１２の周囲の周辺領域を包含する。別の実施形態では、２つの表示部は列である。他の実施形態では、第１の表示部は、円形、正方形、台形、多角形、又はユーザ選択可能な形状を有する。

一実施形態では、ビデオライブ画像Ｖは、第１の表示部１０１２に表示される。斯かるビデオライブ画像は、例えば、２Ｄカメラ３９０又は６４２によって捕捉され得る。第２の表示部１０１４では、最新の３Ｄ点群（又は蓄積され登録された３Ｄ点群）の画像が表示される。領域１０１４内に表示される３Ｄ点群は、総累積点群の一部であり得る。ユーザがスキャナ３００又は６４０を動かしたときなど、ビデオライブ画像ＶＬが変化すると、スキャナ３００又は６４０の位置及び方向の変化を反映するために、３次元点群３ＤＰの画像がそれに応じて変化する。追加のスキャンが所定の領域において望まれるかどうかを判定する１つの方法は、第２の表示部１０１４の様々な部分に蓄積された点群の密度を観察することによるものである。例えば、ユーザは、領域１０４４、１０４６と比較して領域１０４２、１０４４の比較的高い密度に注目し得る。

一実施形態では、図１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅのスキャナ１又は図３のスキャナ３００などのスキャナは、３つの並進自由度（例えばｘ、ｙ、ｚ）及び３つの方向自由度（例えばロール角、ピッチ角、ヨー角）に基づいて６つの自由度の姿勢の変化を判定するために、連続的に収集された３Ｄ点群の３Ｄ座標の分布の変化に注目することにより連続的に収集された３Ｄ点群の登録を実行し得る。そのような登録を実行するためのいくつかの可能な方法は、図１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、ＨＥ、１１Ｆ、１１Ｇ、１１Ｈ、１１Ｊに例示される。図１１Ａ、１１Ｂは、スキャナ１などのスキャナから収集された３Ｄ点群１１００、１１０２をそれぞれ示す。一実施形態では、投影点は、例えば、８０×８０スポットの長方形アレイに配列された符号化されていないスポットの符号化されていないパターンにおいて、比較的まばらに間隔が空けられる。一実施形態では、フレームレートは７０ヘルツであり、連続するフレーム間で１４．３ミリ秒である。この状況では、連続するフレームの各３Ｄ点を比較的簡単に追跡するのが通常である。図１１Ｃの画像１１０４は、図１１Ａの点群１１００上に重ねられた灰色で示される画像化されたスポットと、黒色で示される画像化されたスポットとを有する図１１Ｂの３Ｄ点群１１０２を示す。黒いスポットに対する灰色のスポットの動きは、図１１Ｃに明確に示される。図１１Ａ、１１Ｂの例では、点群に取り込まれたオブジェクトには比較的大きい３Ｄ構造がある。この場合、最適化手順が相対的な姿勢１１１０の６つの自由度を調整するために実行され得る。このような最適化手順は、例えば、ｘ、ｙ、ｚ、ロール、ピッチ、ヨーを、比較的滑らかな下層表面からの３Ｄ点の偏差の二乗の和が最小になるまで調整する、最小二乗最適化を使用して実行され得る。他の多くの最適化が可能である。例えば、反復最接近アプローチ（ＩＣＰ：Iterative Closest Approach）アルゴリズムに基づく方法、及び任意のこれらの最適化のいずれかが使用され得る。

次に、連続するフレーム間の相対的な姿勢が決定され得る更なる状況が、図１１Ｄ、１１Ｅ、１１Ｆ、１１Ｇ、１１Ｈ、１１Ｊを参照して説明される。図１１Ｄ、１１Ｅは、符号化されていないスポットの符号化されていないパターンが、それぞれ第１のインスタンス（instance）１１２２及び第２のインスタンス１１２３のオブジェクト１１２０上に投影される状況を示す。オブジェクト１１２０は、３つの表面１１２７、１１２８、１１２９のそれぞれに共通のコーナーの点１１２５を含む３Ｄ特徴を含む。円、十字、及びダッシュは、それぞれ表面１１２７、１１２８、１１２９のそれぞれにある３Ｄ座標を示すために示される。オブジェクト１１２０内の３Ｄ構造の量により、最小二乗最適化などの最適化が、第１のインスタンス１１２２から第２のインスタンス１１２３への姿勢の相対的な変化を判定するために実行され得る。それにより、連続的に取得された点群を登録することを可能にする。

連続的なスキャンの間の姿勢の相対的な変化を判定するための比較的難しいケースは、識別機能を持たない平坦な平面１１３０をスキャナが測定しているときに発生する。この問題を回避する方法の1つが、図１１Ｆ、１１Ｇに例示される。一実施形態では、反射スポットであり得る３つ以上のマーカー１１３５、１１３６、１１３７は、例えば、表面１１３０上に又は表面１１３０から離れて配置されるが、スキャナ１などのスキャナのカメラに対して依然として可視である。一実施形態では、スポットは、それぞれ、第１のインスタンス１１３２及び第２のインスタンス１１３３においてオブジェクト１１３０に投影される。第１のインスタンス及び第２のインスタンスのスキャナによって決定されたスポットの３Ｄ座標は、プロセッサが第１のインスタンス１１３２と第２のインスタンス１１３３との間の姿勢１１１０の相対的な変化を判定するのに十分な情報である。これにより、図１１Ｆ、１１Ｇにおいて得られた３Ｄ点群が一緒に登録されることをさらに可能にする。表面１１３０が完全に平面というわけではなく、３つ以上の区別可能な自然な特徴１１３５、１１３６、１１３７を含む場合、これらの自然な特徴は、姿勢１１１０の相対的な変化を判定するために使用される情報を提供し、それにより、第１のインスタンス１１３２及び第２のインスタンス１１３３において取得された点群の登録を可能にする。

図１１Ｈ、１１Ｊは、区別する特徴を持たない平坦な平面１１３０など平面を測定することが比較的困難である場合を再び例示する。一実施形態では、３つ以上の光のスポット１１４５、１１４６、１１４７は、外部プロジェクタ１１４９によって平面１１３０に投影される。投影された光のスポット１１４５、１１４６、１１４７は、スキャナ１などのスキャナのカメラによって見られる。したがって、光の投影されたスポット１１４５、１１４６、１１４７は、マーカー１１３５、１１３６、１１３７と同じ機能を果たし、姿勢１１１０の相対的な変化を判定し、それにより第１のインスタンス１１４２及び第２のインスタンス１１４３において得られた３Ｄ点群が登録されることを可能にする。このアプローチは、例えば、スキャナ１又は３００などのスキャナが動く一方で、テストの対象と外部のプロジェクタの両方が固定されている場合に使用され得る。スキャナのこのような動きは、例えば、スキャナが手持ち式であるか又はロボットのエンドエフェクタに搭載される場合に発生し得る。

場合によっては、背景オブジェクトは、連続的なスキャンの登録を支援するために使用され得る。例えば、図１２Ａのスキャナ１がオブジェクト１２０２を測定するために使用されると仮定する。一実施形態では、スキャナが静止している一方で、オブジェクト１２０２はコンベアベルト上で動いている。別の実施形態では、スキャナ１は例えばロボットエンドエフェクタにより又はオペレータによりハンドヘルドモードで動かされる一方で、オブジェクト１２０２は静止している。いずれの場合でも、スキャナ１とオブジェクト１２０２との間の相対的な動きは、背景オブジェクト１２０４の相対的な動きが見えるようにすることになる。1つ又はいくつかが存在され得る背景オブジェクトは、破線のボックス１２０４によって概略的に表される。可視及び静止オブジェクト１２０４の存在は、連続して収集された点群の登録を取得するのを支援する。

場合によっては、補正又は較正が、スキャナ又はロボットなどのスキャナとともに使用される産業用システムのために望まれ得る。図１２Ｂに示されるスキャナ１の補正又は較正は、スキャナの正確な性能のための補正パラメータを決定するために実行されてもよく、又は製造業者の仕様に対する標準の性能を検証するために使用されてもよい。補正パラメータの定期的な調整は、例えば、スキャナ内の材料の熱膨張から、又は起こり得る機械的な衝撃の結果としてのスキャナの機械的な変化によって生じ得る。同様に、スキャナ１をロボットエンドエフェクタに取り付けて、ロボットに正確なガイダンスとナビゲーションとを提供し得る。ほとんどの場合、ロボットはそのエンドエフェクタを所定の位置に動かすのに役立つ角度エンコーダなどのセンサを有するが、ロボットのシステムの全体的な操縦精度はスキャナ１と比較して非常に正確というわけではない。したがって、スキャナ１は、ロボットのシステムをガイドするために費用効果の高い方法を提供し得る。図１２Ｂにおいて、基準のアーティファクト（reference artifact）１２２４は、補正又は較正のためにスキャナによって使用される。

ここで、基準のアーティファクト１２２４の特定の例が、図１２Ｃ、１２Ｄを参照して説明される。スキャナ１などのスキャナは、取り付けプレート７１２及びロボットアーム７１４を含み得るロボットエンドエフェクタ７１０に取り付けられる。一実施形態では、ロボットは、エンドエフェクタ７１０を所望の位置に動かす関節アームセグメントの集合を含む。別の実施形態では、ロボットは、エンドエフェクタを所定の方法で動かす工作機械などの非関節的な構造である。一実施形態では、スキャナは、低い熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する剛性材料１２３２上の較正位置に配置された反射ドット１２３１の集合を含む較正プレート１２３０を定期的に測定する。例えば、剛性材料１２３２は、１．０マイクロメートル／メートル／℃未満の熱膨張係数を有する低ＣＴＥ炭素繊維複合材料であり得る。一実施形態では、較正又は補正手順において、エンドエフェクタ７１０は、スキャナ１を傾けていくつかのわずかに異なる位置に移動させて較正プレートを撮像し得る。わずかに異なる位置及び角度から較正プレートのカメラ３０、４０によって捕捉された画像を比較することにより、スキャナの補正パラメータが決定され得る。そのような補正パラメータは、歪みなどのカメラ収差に関連するカメラ補正パラメータの補正を含み得る。また、補正パラメータは、プロジェクタ２０、カメラ３０、及びカメラ４０の相対的な姿勢を補正するための値を含み得る。そのような姿勢の補正の例は、図２に示されるようなベースラインＢ１、Ｂ２、及びＢ３の補正である。また、補正パラメータは、ロボットの機構及びセンサの変化を構成し得る。例えば、補正は、ロボットのジョイントの各角度エンコーダに関連付けられた「ゼロ角度」に対して使用され得る。更なる補正が、ロボットアームの温度依存の長さのために使用され得る。

また、定期的な補正に加えて、フィールドチェック又は較正が実行され得る。フィールドチェック及び較正は、スキャナのセンサ又はロボットシステムが望みどおり又は期待どおりに実行していることを確認するために定期的に実行される。較正プレートは、システムの性能を改善するための補正パラメータを決定するだけでなく、システムをチェック又は較正する方法を提供する。

また、図１２Ｄに示される２つの他のタイプのアーティファクトは、補正及び較正に使用され得る。ボールバー１２４０は、較正された基準直径を有し且つ中心シャフト１２４４に取り付けられた２つ以上のボール１２４２を含み、ボール１２４２は較正された基準距離だけ離れている。各球体の表面上の点を測定することにより、スキャナ１は各ボール１２４２の直径及びボール間の距離を決定し得る。使用され得る別のアーティファクトは、スケールバー１２５０である。スケールバーは、それぞれが較正された基準距離だけ離れた多数のマーカ１２５２を有するバーです。状況によっては、スケールバー１２５０は比較的非常に長い場合がある。一実施形態では、スキャナは、比較的大きなオブジェクトと併せて長いスケールバーを測定する。一実施形態では、スケールバーの比較的大きな長さにわたってスキャナ１によって取得されたスケールバーの読み取り値は、大きなオブジェクトを測定する際に取得された点群の登録を支援するために一緒に使用される。

図１２Ｅ、１２Ｆに例示される実施形態では、スキャナ１は、コンベアベルト７００又はロボットエンドエフェクタ７１０と組み合わせて使用される。一実施形態では、スキャナ１は、複数の３Ｄ点群において、コンベアベルト７００上で動くオブジェクトを捕捉する。一実施形態では、複数の３Ｄ点群は、図１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを参照して上述したように、基準の共通フレームと一緒に登録される。その結果、図７Ａのオブジェクト７００が、７００Ａ、７００Ｂ、７００Ｃなどのいくつかの位置で捕捉される。３Ｄ点群が一緒に登録されると、オブジェクト７００は複数の視点から見られ、それにより、結果として生じる３Ｄ表現の捕捉された容量が増加する。加えて、スキャナ１は、位置７００Ａ、７００Ｂ、７００Ｃ間の経過時間を決定するために使用され得る。一実施形態では、このタイミング情報は、コンベアベルト又は他のプロセスに同期信号を提供するために使用される。

一実施形態では、ロボットエンドエフェクタ７１０に取り付けられた移動スキャナ１は、複数の位置１２６０Ａ、１２６０Ｂ、１２６０Ｃにおいてオブジェクト１２６０を捕捉する。一実施形態では、複数の３Ｄ点群は、図１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを参照して上述したように、基準の共通フレームと一緒に登録される。３Ｄ点群が一緒に登録されると、オブジェクト１２００は複数の視点から見られ、それにより結果として生じる３Ｄ表現の捕捉の容量が増加する。加えて、スキャナ１は、位置１２６０Ａ、１２６０Ｂ、１２６０Ｃ間の経過時間を決定するために使用され得る。一実施形態では、このタイミング情報は、ロボットエンドエフェクタ７１０又は他のプロセスに同期信号を提供するために使用される。

本明細書で使用される場合、エンドエフェクタ７１０を有する人間中心のロボットは、人間のオペレータに近接して自律的又は半自律的に動作するように構成されたロボット装置である。本明細書で使用される「近接」という語句は、人間中心のロボットの一部分が操作中に人間のオペレータと重なる領域内で動くように人間中心のロボットの一部分及びオペレータが配置されることを意味する。また、人間中心のロボットは、ヒューマンフレンドリ、協調ロボット、又は人間協調ロボットとも呼ばれ得る。そのようなものとして、人間中心のロボットは、例えば、人間中心のロボットの可動部分が接触の危険があるように人間のオペレータの所定の距離内にあるようにオペレータ及び人間中心のロボットが位置付けられるかどうかを決定するセンサなどの１つ又は複数のセンサを含み得る。一実施形態では、コントローラは、人間中心のロボットの速度又は動きを変更して、接触を回避するか、又は接触した場合に人間のオペレータにかかる力を減らすように構成される。１つ又は複数の実施形態では、人間中心のロボットは、接触点での速度２５メートル／秒以下、最大動的出力８０ワット以下、又は最大静的力150ニュートン以下を有するように構成される。

一実施形態では、スキャナ１は、人間のオペレータ及び人間中心のロボットの相対的な位置の決定を可能にする位置信号を送信する。例示的な実施形態では、位置信号は環境又は周囲照明に応じるものではない。言い換えれば、位置信号は環境光の状態（environmental light condition）とは独立して決定される。一実施形態では、ロボットの近くで働いているオペレータがロボット機構と相互作用する危険性があるかどうかに関しての評価がプロセッサによって行われる。一実施形態では、オペレータがロボットと相互作用する可能性は、ロボットが第１の姿勢を有する第１のインスタンスからロボットが第２の姿勢を有する第２のインスタンスへのロボットエンドエフェクタの姿勢の変化に少なくとも部分的に基づいて判定される。これは、オペレータを含む相互作用の可能性を決定することによりなされる。相互作用の可能性は、第１のインスタンスから第２のインスタンスへの三角測量スキャナ１の姿勢の変化に少なくとも部分的に基づく。一実施形態では、姿勢の変化は、図１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃに例示されるように、第１のインスタンス及び第２のインスタンスの点群の捕捉された３Ｄ座標の変化に基づく。

一実施形態では、３Ｄ測定デバイス１３００は、スキャナ１３１０と、プローブアセンブリ１３２０と、を含む。図１３Ａに例示される実施形態では、ハンドヘルド３Ｄ測定デバイス１３１０は、ハンドルアセンブリ１３２０に取り付けられたスキャナ１３１０を含む。一実施形態では、プローブアセンブリ１３２０は、ハンドル１３２１、測定を開始若しくは停止するための又は他の指示を与えるためのボタン／アクチュエータ１３２２、及び触覚プローブアセンブリ１３２５を含む。プローブアセンブリ１３２５は、オペレータが三次元で測定される点と接触して保持し得るプローブチップ１３２７を含む。プローブチップは、図１３Ａに示されるように、スキャナ１３１０から比較的短い距離だけ延び得る。又は、例えば、プローブチップ１３２７を比較的長いスタイラスに取り付けることにより、スキャナからさらに遠くまで延びてもよい。また、プローブの先端は、下向きに角度を付けるか、又は別の方向に向けられ得る。プローブチップ１３２７がスキャナ１３１０の比較的近くに配置される場合、追加のカメラ１３１２が、プロジェクタ２０によって投影される光の符号化されていないスポットに関してプローブチップ１３２７を可視化するカメラ４０と協働するために追加され得る。他の実施形態では、プローブアセンブリ１３２５はプローブチップを含まず、代わりに３Ｄ測定値を取得するためにスキャナ１３１０に完全に依存する。実施形態では、図１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、ＨＥ、１１Ｆ、１１Ｇ、１１Ｈ、１１Ｊに示される登録方法のいずれかは、オペレータが３Ｄ測定デバイス１３００をある位置からある位置に移動させるときに得られるプローブチップ１３２７を用いて測定される複数の３Ｄ点群及び３Ｄ点を登録するために使用され得る。別の実施形態では、図１０Ａ、１０Ｂに関して説明したように、追加のカメラが、２Ｄ測定値を提供し複数の点群の登録を支援するためにスキャナ１３１０に追加され得る。一実施形態では、カメラ１３１２は、三角測量ではなく登録に使用される。

図１３Ｂは、比較的大きな容量にわたって測定するときなど、測定デバイス１３００と比較して改善された３Ｄ測定性能を有する３Ｄ測定システム１３３０を示す。一実施形態では、３Ｄ測定デバイス１３３０は、３Ｄ測定デバイス１３００Ａと、レーザトラッカ１３３０と、球形に搭載された再帰反射器（ＳＭＲ）１３５０と、磁気ネスト１３７０と、を含む。一実施形態では、三角測量スキャナ１３００Ａは、カメラ１３１２がないことを除いて、三角測量スキャナ１３００と同様である。しかし、３Ｄ測定デバイス１３００Ａは３Ｄ測定デバイス１３００によって置き換えられ得る。同様に、３Ｄ測定デバイス１３００Ａのスキャナは、図１Ａ、ＩＢ、１Ｃ、ＩＤ、ＩＥ、３、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ又はこれらの変形に示されているスキャナのいずれかによって置き換えられ得る。図１３Ｂでは、レーザトラッカ１３４０が通常では再帰反射器の頂点に向けられる光ビームを放出する。図１３Ｂに例示される実施形態では、再帰反射器はＳＭＲ１３５０であるが、任意のタイプの再帰反射器が使用され得る。一実施形態では、ＳＭＲ１３５０は、３Ｄ測定デバイス１３１０Ａに取り付けられた磁気ネスト１３７０により所定の位置に保持される。一実施形態では、ＳＭＲ１３５０の外面１３５２は、球形であり、非腐食性の強磁性金属製である。一実施形態では、キューブコーナー再帰反射器１３６０は、球状外面１３５２内に埋め込まれる。一実施形態では、キューブコーナー再帰反射器１３６０は、それぞれが他の２つのミラーに対して相互に垂直であり、それぞれが頂点１３５４と呼ばれる共通の交点で接合された３つの第１の表面ミラー１３６２を含む。一実施形態では、頂点１３５４は、球状外面１３５２の球状中心に配置される。一実施形態では、磁気ネスト１３７０は、ネスト１３７０から取り外されてネストに戻された後であっても、ＳＭＲ１３５０の中心を一定の位置に保持する運動学的ネストである。一実施形態では、レーザトラッカは、光ビーム１３４２を頂点１３５４に向ける。各位置で、レーザトラッカ１３４０は頂点１３５４までの距離を測定し、また光のビーム１３４２がレーザトラッカ１３４０の理想的な回転中心（ジンバル点）に向けられる垂直及び水平角度を測定する。したがって、測定された距離及び２つの測定された角度を使用して、トラッカ１３４０は再帰反射器の頂点１３５４の３Ｄ座標を決定することができる。ＳＭＲ１３５０は、磁気ネスト１３７０内で任意の方向に回転させることができ、それにより、レーザトラッカ１３４０がほぼ任意の角度に回されたときにＳＭＲを追跡しやすくする。

レーザトラッカ１３４０は、通常、頂点１３５４の３Ｄ座標を１０００分の１又は２インチ（０．０２５〜０．０５０ミリメートル）以内から２０メートル以上の範囲まで判定する比較的正確な３Ｄ測定機器である。言い換えれば、レーザトラッカは、比較的高い並進（ｘ、ｙ、ｚ）精度に対して３Ｄ測定デバイス１３００Ａの並進運動を判定する。比較的近い範囲（例えば、通常０．２メートルから３．５メートルの最大範囲）で測定している間、３Ｄ測定デバイス１３００Ａの精度は比較的高く、複数の３Ｄデータセットの登録は、前述したいずれかの方法を使用して実行され得る。レーザトラッカ１３４０及び再帰反射器１３５０と３Ｄ測定デバイス１３００Ａ（又は同様の装置）とのこの組み合わせの使用は、３Ｄ測定デバイス１３００Ａにより近距離で比較的高い精度を得ることが可能にする。同様に、３つの方向自由度（ピッチ角、ヨー角、ロール角など）においてスキャナ１３１０Ａを正確に登録する３Ｄ測定デバイス１３００Ａの能力は、図１３Ｂの３Ｄ測定システム１３３０を、大容量を迅速に測定できる比較的柔軟で正確な測定システムにする。

図１４は、三角測量スキャナ１がロボットエンドエフェクタ７１０に取り付けられる実施形態を例示する。ロボットエンドエフェクタ７１０は、取り付けプレート７１２及びロボットアーム７１４を含み得る。一実施形態では、ロボットは、エンドエフェクタ７１０を所望の場所に動かす関節アームセグメントの集合を含む。別の実施形態では、ロボットは、エンドエフェクタを所定の方法で動かす工作機械などの非関節構造である。図１４に例示される実施形態では、レーザトラッカ７４０がＳＭＲ１３５０の位置（ｘ、ｙ、ｚ）を正確に追跡及び測定することを可能にするために、ＳＭＲ１３５０及び磁気ネスト１３７０がロボットエンドエフェクタ７１０に取り付けられる。

図１５Ａは、エリア三角測量スキャナ１５１０及びラインスキャナ１５２０を含む３Ｄ測定システム１５００の実施形態を例示する。一実施形態では、レーザラインプローブ（ＬＬＰ）としても知られるラインスキャナ１５２０は、例えば関節アーム座標測定機などの他のデバイスに取り付けられ得る組み合わせの機械的／電気的コネクタ１５１２Ｂを含む。図１５Ａの実施形態では、三角測量スキャナ１５１０は、２つのユニット間で機械的剛性を提供しユニット１５１０、１５２０間で電気信号を転送するために、コネクタ１５１２Ｂにロックする組み合わせの機械的／電気的コネクタ１５１２Ａを含む。一実施形態では、ラインスキャナは、ハンドルカバー１５４２を有するハンドル１５４０を含み、その半分は、ハンドル１５４０内に封入された電気回路１５４４を示すために除去される。また、ラインスキャナ１５２０は、ラインプロジェクタ１５３２及びカメラ１５３４を含むライン走査三角測量アセンブリ１５３０を含む。一実施形態では、ラインスキャナは、２Ｄカメラ１５３４によって画像が撮像されるオブジェクトに光の線（line of light）を放出する。光の線と交差するオブジェクト点の３Ｄ座標は、三角測量の方法を使用してプロセッサによって決定される。プロセッサは、電気回路１５４４内に存在するか、又は、例えばネットワークコンピューティングシステム内のスキャナの外部にあってもよい。

一実施形態では、３Ｄ測定デバイス１５１０によって取得された３Ｄ座標は、ラインスキャナ１５２０によって取得された３Ｄ座標の複数の線を登録するために使用される。ラインスキャナ１５２０は比較的正確である。例えば、いくつかのシステムでは、ラインスキャナ１５２０は毎秒約１００万点の３Ｄ点を収集し得る。１０００分の１インチから２インチ（０．０２５ｍｍから０．０５ｍｍ）の比較的高い精度が収集された点について得られる。複数の３Ｄ線座標を３Ｄ測定デバイス１５１０に登録することにより、３Ｄ座標の比較的正確な登録された点群が取得され得る。これは、レーザラインプローブが異なる時間に２つの異なる重なり合う方向に動いた場合に特に当てはまる。例えば、ラインスキャナ１５２０は、多数の線にわたって点を捕捉するために第１の方向に移動され、その後、より多くのラインを収集するために第１の方向にほぼ垂直な第２の方向に移動され得る。この方法で点を収集し、データを後処理することにより（おそらく最終的な３Ｄ座標を提示する際に比較的小さな遅延が生じる）、登録の精度が改善され、比較的高精度及び高密度の点群が得られ得る。また、あるラインスキャナ１５２０は、黒色又は透明なオブジェクトなどの低反射オブジェクト及び拡散した白い表面などの高反射オブジェクトから反射した光から、広いダイナミックレンジの光レベルにわたって３Ｄ座標を収集することが知られている。したがって、３Ｄ測定デバイス１５１０は、いくつかの測定状況において重要な利点を有する。

図１５Ｂは、３Ｄ測定デバイス１５００の正面図であり、図１５Ａにも示されている。図１５Ｃは、コネクタ１５１２Ａ及び１５１２Ｂがないことを除いて１５００と同様である３Ｄ測定デバイス１５００Ｂの正面図である。３Ｄ測定デバイス１５００Ｂは、３Ｄ測定デバイスのサイズが所望の属性である場合、デバイス１５００よりも有利である。

図１５Ｄは、図１５Ｃを参照して説明された３Ｄ測定デバイス１５００Ｂと、図１３Ｂを参照して説明されたレーザトラッカ１３４０と、ＳＭＲ１３５０と、磁石１３７２を含む磁気ネスト１３７０と、を有するハンドヘルド３Ｄ測定システムの実施形態を例示する。一実施形態では、レーザトラッカ１３４０、ＳＭＲ１３５０及び磁気ネスト１３７０の主な目的は、３つの並進自由度（ｘ、ｙ、ｚ）においてハンドヘルドスキャナセンブリを追跡することである。スキャナセンブリ１５１０Ｂの主な目的は、３つの方向自由度（ピッチ角、ヨー角、ロール角）を提供することである。並進自由度及び方向自由度の両方の比較的高い精度は、比較的高い精度の登録を取得するのに役立つ。ラインスキャナ１５２０Ｂの主な目的は、スキャナセンブリ１５１０Ｂ及びレーザトラッカ１３４０によって適切に登録される、正確で高ダイナミックレンジの３Ｄ座標を提供することである。

図１５Ｅは、アセンブリ１５６０がロボットアセンブリ又はコンベアベルトと組み合わせて制御又は測定するなどの自動システムで使用するために設計されることを除いて、図１５Ｄの測定アセンブリ１５５０と同様の３Ｄ測定アセンブリ１５６０の実施形態を示す。したがって、アセンブリ１５５０のハンドルは、ラインスキャナ１５７０の平らな底部１５７２に置き換えられている。ラインスキャナ１５７０は、プロジェクタ１５３２、図１５Ａを参照して前述したようなカメラ１５３４を含む。ラインスキャナ１５７０は、処理及び電子機器１５３６をさらに含み得る。

限られた数の実施形態のみに関連して本発明を詳細に説明したが、本発明はそのような開示された実施形態に限定されないことを直ちに理解されたい。 むしろ、本発明は、これまで説明されていないが本発明の精神及び範囲に見合う任意の数の変形、変更、置換、又は同等の構成を組み込むように修正され得る。加えて、本発明の様々な実施形態が説明されたが、本発明の態様は、説明された実施形態の一部のみを含み得ることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (26)

1. 第１のインスタンスにおいて、
   オブジェクト上に照らされたオブジェクトスポットを形成するために、投射中心を有するプロジェクタを用いて、プロジェクタの基準面から符号化されていないスポットの第１の符号化されていないパターンを投影することと、
   第１カメラの投影中心を有する第１カメラを用いて、前記照らされたオブジェクトスポットを第１の画像の第１の画像スポットとして捕捉することと、
   第２カメラの投影中心を有する第２カメラを用いて、前記照らされたオブジェクトスポットを第２の画像の第２の画像スポットとして捕捉することと、
   プロセッサを用いて、前記オブジェクト上の点の第１の集合の３Ｄ座標を決定することであって、点の前記第１の集合の前記３Ｄ座標が、符号化されていないスポットの前記第１の符号化されていないパターンと、前記第１の画像と、前記第２の画像と、前記プロジェクタ、前記第１カメラ及び前記第２カメラの相対的な位置と、選択された複数の交点の組とに少なくとも部分的に基づき、各交点の組が第１のスポット、第２のスポット及び第３のスポットを含み、前記第１のスポットが前記プロジェクタの基準面の符号化されていないスポットのうちの１つであり、前記第２のスポットが第１の画像スポットのうちの１つであり、前記第３のスポットが第２の画像スポットのうちの１つであり、前記交点の組の各々を選択することが第１の線、第２の線及び第３の線の交点の近さに少なくとも部分的に基づき、前記第１の線が前記第１のスポットから前記プロジェクタの投射中心を通って引かれた線であり、前記第２の線が前記第２のスポットから前記第１カメラの投射中心を通って引かれた線であり、前記第３の線が前記第３のスポットから前記第２カメラの投射中心を通って引かれた線である、決定することと、
   前記点の第１の集合の前記決定された３Ｄ座標を記憶することと、
   を含む方法。
2. 第２のインスタンスにおいて、
   前記プロジェクタ、前記第１カメラ、前記第２カメラ及び前記プロセッサを有するスキャナシステムを用いて、点の第２の集合の３Ｄ座標を決定することをさらに含む請求項１に記載の方法。
3. 前記プロセッサを用いて、前記点の第１の集合の決定された３Ｄ座標及び前記点の第２の集合の決定された３Ｄ座標に少なくとも部分的に基づいて、基準の共通フレームにおいて前記点の第１の集合及び前記点の第２の集合を登録することをさらに含む請求項２に記載の方法。
4. 再帰反射器を前記スキャナシステムに結合することと、
   前記第１のインスタンスにおいて、レーザトラッカを用いて前記再帰反射器の第１の３Ｄ座標を測定することと、
   前記第２のインスタンスにおいて、レーザトラッカを用いて前記再帰反射器の第２の３Ｄ座標を測定することと、
   前記プロセッサを用いて、前記再帰反射器の前記測定された第１の３Ｄ座標及び前記再帰反射器の前記測定された第２の３Ｄ座標にさらに少なくとも部分的に基づいて、前記基準の共通フレームにおいて前記点の第１の集合及び前記点の第２の集合を登録することと、
   をさらに含む請求項３に記載の方法。
5. 前記プロセッサを用いて、前記点の第１の集合の決定された３Ｄ座標及び前記点の第２の集合の決定された３Ｄ座標に少なくとも部分的に基づいて、前記第１のインスタンスにおける第１の姿勢から前記第２のインスタンスにおける第２の姿勢までの前記スキャナシステムの姿勢の変化を判定することをさらに含む請求項２に記載の方法。
6. 再帰反射器を前記スキャナシステムに結合することと、
   前記第１のインスタンスにおいて、レーザトラッカを用いて前記再帰反射器の第１の３Ｄ座標を測定することと、
   前記第２のインスタンスにおいて、レーザトラッカを用いて前記再帰反射器の第２の３Ｄ座標を測定することと、
   前記プロセッサを用いて、前記再帰反射器の前記測定された第１の３Ｄ座標及び前記再帰反射器の前記測定された第２の３Ｄ座標にさらに基づいて、前記第１の姿勢から前記第２の姿勢までの前記スキャナシステムの姿勢の前記変化を判定することと、
   をさらに含む請求項５に記載の方法。
7. 前記スキャナシステムを用いて基準のアーティファクトの３Ｄ座標を測定することと、
   前記プロセッサを用いて、前記基準のアーティファクトの前記測定された３Ｄ座標にさらに基づいて前記第１の姿勢から前記第２の姿勢までの前記スキャナシステムの姿勢の前記変化を判定することと、
   をさらに含む請求項６に記載の方法。
8. ロボット機構を前記スキャナシステムに結合することと、
   前記プロセッサを用いて、前記第１の姿勢から前記第２の姿勢までの前記スキャナシステムの姿勢の前記判定された変化に少なくとも部分的に基づいて、前記ロボット機構の姿勢の所望の変化を計算することと、
   姿勢の前記所望の変化を得るために前記ロボット機構を調整することと、
   をさらに含む請求項５に記載の方法。
9. 予め定められた可能性閾値以上である、オペレータを含む相互作用の可能性に応じて、前記ロボット機構の方向及び速度の少なくとも１つを変えることをさらに含む請求項８に記載の方法。
10. 再帰反射器を前記スキャナシステムに結合することと、
    前記第１のインスタンスにおいて、レーザトラッカを用いて前記再帰反射器の第１の３Ｄ座標を測定することと、
    前記第２のインスタンスにおいて、レーザトラッカを用いて前記再帰反射器の第２の３Ｄ座標を測定することと、
    前記プロセッサを用いて、前記再帰反射器の前記測定された第１の３Ｄ座標及び前記再帰反射器の前記測定された第２の３Ｄ座標にさらに基づいて、前記ロボット機構の姿勢の前記所望の変化を計算することと、
    をさらに含む請求項８に記載の方法。
11. 前記スキャナシステムを用いて基準のアーティファクトの３Ｄ座標を測定することと、
    前記プロセッサを用いて、前記基準のアーティファクトの前記測定された３Ｄ座標にさらに基づいて、前記ロボット機構の姿勢の前記所望の変化を計算することと、
    をさらに含む請求項８に記載の方法。
12. 第３カメラを前記スキャナシステムに結合することと、
    前記第１のインスタンスにおいて、前記第３カメラを用いて、第１のマークの第１の第３カメラ画像を捕捉することと、
    前記第２のインスタンスにおいて、前記第３カメラを用いて、前記第１のマークの第２の第３カメラ画像を捕捉することと、
    前記プロセッサを用いて、前記第１のマークの前記第１の第３カメラ画像及び前記第１のマークの前記第２の第３カメラ画像にさらに基づいて基準の前記共通フレームにおける点の前記第１の集合及び点の前記第２の集合を登録することと、
    をさらに含む請求項３に記載の方法。
13. 前記第１の第３カメラ画像及び前記第２の第３カメラ画像を捕捉することでは、前記第１のマークが自然の特徴の態様及び人口の目標からなるグループから選択される請求項１２に記載の方法。
14. ラインスキャナを前記スキャナシステムに結合することであって、前記ラインスキャナがラインプロジェクタ及び２次元（２Ｄ）カメラを有する、結合することと、
    前記第１のインスタンスにおいて、前記オブジェクト上に前記ラインプロジェクタから光の第１の線を投影し前記カメラを用いて前記オブジェクト上の光の前記第１の線の第１のラインスキャナ画像を捕捉することと、
    前記第２のインスタンスにおいて、前記オブジェクト上に前記ラインプロジェクタから光の第２の線を投影し前記カメラを用いて前記オブジェクト上の光の前記第２の線の第２のラインスキャナ画像を捕捉することと、
    前記プロセッサを用いて、点の前記第１の集合、点の前記第２の集合、光の前記投影された第１の線、前記捕捉された第１のラインスキャナ画像、光の前記投影された第２の線、及び前記捕捉された第２のラインスキャナ画像に少なくとも部分的に基づいて、前記オブジェクト上の光の前記第２の線に対する前記オブジェクト上の光の前記第１の線を登録することと、
    をさらに含む請求項２に記載の方法。
15. 前記プロジェクタを用いて符号化されていないスポットの符号化されていないパターンを投影することでは、前記プロジェクタが、共通平面を前記第１カメラの光軸及び前記第２カメラの光軸と共有する光軸を含む請求項１に記載の方法。
16. 前記プロジェクタを用いて符号化されていないスポットの符号化されていないパターンを投影することでは、前記プロジェクタ、前記第１カメラ及び前記第２カメラが頂部構造要素及び底部構造要素と結合され、前記頂部構造要素及び前記底部構造要素がスペーサによって別に保持された剛性板である請求項１に記載の方法。
17. 前記プロジェクタを用いて、光源からパターン生成器に光を投影することであって、前記パターン生成器は、回折光学素子（ＤＯＥ）、パターンを有する透明又は反射スライド、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、及びレンズレットアレイからなるグループから選択される請求項１に記載の方法。
18. ビーム操作機構を用いて、符号化されていないスポットの符号化されていないパターンを操作することであって、前記ビーム操作機構が、ピエゾアクチュエータ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス、及び磁気コイルからなるグループから選択される機構によって作動される固体状態偏向又は反射要素を含む請求項１に記載の方法。
19. 点の前記第１の集合が、動作しているコンベアベルト上に配置されるときに前記オブジェクトに関して前記第１のインスタンスにおいて得られ、
    点の前記第２の集合が、前記動作しているコンベアベルト上の前記オブジェクトに関して前記第１のインスタンスにおいて得られる請求項３に記載の方法。
20. 点の前記第１の集合が、ロボットの動作しているエンドエフェクタ上に配置されるときに前記オブジェクトに関して前記第１のインスタンスにおいて得られ、
    点の前記第２の集合が、前記ロボットの前記動作しているエンドエフェクタ上の前記オブジェクトに関して前記第１のインスタンスにおいて得られる請求項３に記載の方法。
21. 投射中心を有するプロジェクタであって、オブジェクト上に照らされたオブジェクトスポットを形成するために、プロジェクタの基準面から符号化されていないスポットの第１の符号化されていないパターンを投影するように動作可能なプロジェクタと、
    第１カメラ投射中心を有する第１カメラであって、第１の画像において前記照らされたオブジェクトスポットを第１の画像スポットとして捕捉するように動作可能な第１カメラと、
    第２カメラ投射中心を有する第２カメラであって、第２の画像において前記照らされたオブジェクトスポットを第２の画像スポットとして捕捉するように動作可能な第２カメラと、
    プロセッサであって、前記プロセッサ上で実行されるとき、前記オブジェクト上の点の第１の集合の３Ｄ座標を決定するコンピュータ命令であって、点の前記第１の集合の前記３Ｄ座標が、第１のインスタンスにおいて、符号化されていないスポットの前記第１の符号化されていないパターンと、前記第１の画像と、前記第２の画像と、前記プロジェクタ、前記第１カメラ及び前記第２カメラの相対的な位置と、選択された複数の交点の組とに少なくとも部分的に基づき、各交点の組が第１のスポット、第２のスポット及び第３のスポットを含み、前記第１のスポットが前記プロジェクタの基準面の符号化されていないスポットのうちの１つであり、前記第２のスポットが第１の画像スポットのうちの１つであり、前記第３のスポットが第２の画像スポットのうちの１つであり、前記交点の組の各々を選択することが第１の線、第２の線及び第３の線の交点の近さに少なくとも部分的に基づき、前記第１の線が前記第１のスポットから前記プロジェクタの投射中心を通って引かれた線であり、前記第２の線が前記第２のスポットから前記第１カメラの投射中心を通って引かれた線であり、前記第３の線が前記第３のスポットから前記第２カメラの投射中心を通って引かれた線である、コンピュータ命令を実行するように動作可能なプロセッサと、
    を備えるシステム。
22. スキャナシステムは、前記プロジェクタ、前記第１カメラ、前記第２カメラ及び前記プロセッサを含み、前記プロセッサが、第２のインスタンスにおいて、前記プロセッサ上で実行されるとき、点の第２の集合の３Ｄ座標を決定するコンピュータ命令を実行するように動作可能である請求項２１に記載のシステム。
23. 前記プロセッサが、前記プロセッサ上で実行されるとき、前記点の第１の集合の測定された３Ｄ座標及び前記点の第２の集合の測定された３Ｄ座標に少なくとも部分的に基づいて、基準の共通フレームにおいて前記点の第１の集合及び前記点の第２の集合を登録するコンピュータ命令を実行するように動作可能である請求項２２に記載のシステム。
24. プロジェクタの光軸及びプロジェクタの投射中心を有するプロジェクタであって、第１の符号化されていないパターンにおける光の符号化されていないスポットの集合をオブジェクト上に投影するように動作可能なプロジェクタと、
    第１カメラの光軸及び第１カメラの投射中心を有する第１カメラであって、前記オブジェクト上の光の符号化されていないスポットの前記集合の第１の画像を捕捉するように動作可能な第１カメラと、
    第２カメラの光軸及び第２カメラの投射中心を有する第２カメラであって、前記オブジェクト上の光の符号化されていないスポットの前記集合の第２の画像を捕捉するように動作可能な第１カメラと、
    前側部を有する筐体であって、前記前側部が前記プロジェクタの光軸、前記第１カメラの光軸、及び前記第２カメラの光軸によって交差され、前記前側部が前記プロジェクタの投射中心、前記第１カメラの光軸及び前記第２カメラの光軸を含む第１の面によってさらに交差される、筐体と、
    プロセッサであって、前記プロセッサ上で実行されるとき、符号化されていないスポットの前記第１の符号化されていないパターン、前記第１の画像、及び前記第２の画像に少なくとも部分的に基づいて、前記オブジェクト上の点の３次元（３Ｄ）座標を決定するコンピュータ命令を実行するように動作可能なプロセッサと、
    を備えるシステム。
25. 前記プロジェクタの光軸、前記第１カメラの光軸及び前記第２カメラの光軸は共通の面上にある請求項２４に記載のシステム。
26. 前記プロジェクタが光源及び回折光学素子をさらに含み、光の符号化されていないスポットの前記集合が前記光源から前記回折光学素子を通る光によって生成される請求項２４に記載のシステム。