JP3819275B2 - ３次元測定装置における露光制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元測定装置における露光制御装置に関し、さらに詳細には、レーザー・ビームなどの光を対象物に照射して、当該対象物からの反射光に基づいて当該対象物との距離を測定する三角測量法を用いた距離測定により、対象物の変位を測定する３次元測定装置における露光制御装置に関する。
【０００２】
なお、本明細書において「対象物」とは、３次元の空間的広がりをもつ物体であり、当該物体は所定の材料より構成されて所定の形状を有し、また、当該物体の表面には所定の単数または複数の色（色彩）が施されているものとする。
【０００３】
【従来の技術】
従来より、測定の対象物としての物体の移動量や物体の寸法あるいは物体の形状など、即ち、対象物の変位を測定するための３次元測定装置として、例えば、三角測量法を応用した光学式の３次元測定装置が知られている。
【０００４】
こうした３次元測定装置においては、対象物にレーザー・ビームを照射するレーザー・ダイオードと、レーザー・ダイオードからレーザー・ビームを照射された対象物からの反射光の画像を結像させるイメージ・センサとが設けられたヘッドを備えている。
【０００５】
そして、ヘッドをＺ軸方向（高さ方向）において上下に移動させることと３次元形状の対象物をＺ軸方向周りに回転させることとを適宜に繰り返しながら、受光した対象物からの反射光に応じてイメージ・センサから出力される受光波形に基づいて、対象物とヘッドとの距離が測定される。さらに、測定された対象物とヘッドとの距離から、所定の処理により対象物全体の距離画像を得ることができる。
【０００６】
上記した３次元測定装置においては、対象物の材質や、色、あるいは、角度（即ち、形状）の変化（以下、「対象物の材質の変化、対象物の色の変化、対象物の角度（即ち、形状）の変化」を単に「対象物の変化」と適宜に称することとする。）により、イメージ・センサから出力される受光波形にノイズが含まれてしまうので、イメージ・センサからの受光波形に基づいた測定結果が安定せず、不正確なものとなってしまう恐れがある。
【０００７】
このため、対象物の変化に応じて、イメージ・センサが対象物からの反射光をを受光する時間（以下、「イメージ・センサが対象物からの反射光を受光する時間」を「露光時間」と適宜に称することとする。）の変更を繰り返しながら測定を行うようにして、測定結果を安定させ正確なものとしている。
【０００８】
しかしながら、従来の３次元測定装置においては、対象物の変化に対して露光時間の変更の追従が遅く、測定に長時間を費やしてしまうので、リアルタイムでの測定ができないという問題点があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、対象物の変化に対して迅速に露光時間を変更することができるようにした３次元測定装置における露光制御装置を提供しようとするものである。
【００１０】
また、本発明の目的とするところは、露光時間の変更の高速処理を可能にして、リアルタイムでの測定を実現することができるようにした３次元測定装置における露光制御装置を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、対象物に光を照射する光照射手段と、上記光照射手段により光が照射された上記対象物からの反射光を露光時間だけ受光し、該受光した反射光に応じた受光波形信号を出力する受光手段と、上記受光手段から出力された受光波形信号を上記受光手段が上記対象物からの反射光を受光した位置毎の明るさからなる受光波形データに変換する変換手段と、上記受光手段が上記対象物からの反射光を受光した位置毎の明るさからなる所定の理想受光波形データを記憶する記憶手段と、上記記憶手段に記憶された理想受光波形データの位置毎の明るさの総和を、上記受光手段が今回の露光時間で上記対象物からの反射光を受光して出力した受光波形信号が、上記変換手段によって変換された受光波形データの位置毎の明るさの総和で除算した商に、今回の露光時間を乗算して次回の露光時間を算出する算出手段とを有するようにしたものである。
【００１２】
従って、本発明のうち請求項１に記載の発明によれば、理想受光波形データの位置毎の明るさの総和を今回の露光時間での受光波形データの位置毎の明るさの総和で除算した商に、今回の露光時間を乗算して次回の露光時間が算出されるので、対象物の変化に対して露光時間の変更の追従が速く、露光時間の変更の高速処理が可能になり、リアルタイムでの測定ができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面に基づいて、本発明による３次元測定装置における露光制御装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００１４】
図１には、本発明による３次元測定装置における露光制御装置の実施の形態の一例を備えた３次元測定装置のブロック構成図が示されている。
【００１５】
この３次元測定装置１０は、中央処理装置（ＣＰＵ）１２により全体の動作の制御が行われるものであり、ＣＰＵ１２を動作するためのプログラムなどが記憶されたリード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）１４と、ＣＰＵ１２の制御によって後述する受光波形データを記憶する受光波形データ記憶部１６−１やＣＰＵ１２の制御によって３次元測定装置１０における距離測定処理が行われる際のワーキング・エリアとしての領域などが設定されたランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）１６と、ＣＰＵ１２の制御によって後述する距離データを記憶する距離データ・メモリ１８と、所定のタイミング信号を出力するタイミング信号発生回路２０と、後述するＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）４４から出力されたアナログ信号たる受光波形信号をデジタル信号たる受光波形データに変換するアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ２２と、互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸とにより定義されるＸＹＺ直交座標系におけるＸ−Ｙ平面を形成するとともにＺ軸方向周りにおける時計周り方向と反時計周り方向とにそれぞれ回転自在に配置され測定の対象物１００を載置するターン・テーブル２４と、Ｚ軸方向周りにおける時計周り方向と反時計周り方向とにそれぞれ回転自在に配置された回転支柱（図示せず）に直動ベアリング（図示せず）を介してＺ軸方向に沿って上下方向に移動自在に配設されるとともに、当該回転支柱のＺ軸方向周りの回転に伴って回転するヘッド２６と、ヘッド２６が配設された回転支柱（図示せず）を駆動するためのＸモーター３０と、ヘッド２６をＺ軸方向に沿って上下方向に駆動するためのＹモーター３２と、ターン・テーブル２４を駆動するためのＢモーター３４とを有して構成されている。
【００１６】
そして、ヘッド２６は、ターン・テーブル２４上に配置された対象物１００に、投光レンズ４２を介して、光としてレーザー・ビームを照射するレーザー・ダイオード４０と、レーザー・ダイオード４０からレーザー・ビームを照射された対象物１００からの反射光の画像を結像するイメージ・センサとしてのＣＣＤ４４と、レーザー・ダイオード４０を駆動するレーザー・ダイオード駆動回路４６と、ＣＣＤ４４を駆動するＣＣＤ駆動回路４８とを備えている。
【００１７】
なお、３次元測定装置１０のＣＰＵ１２は、通信回路５２を介して外部のコンピューター５４と接続されている。このため、３次元測定装置１０の各種データは、通信回路５２を介してコンピューター５４に出力され、コンピュータ５４によって処理可能となされている。
【００１８】
ＣＰＵ１２は、レーザー・ダイオード４０からのレーザー・ビームの出射とＣＣＤ４４による反射光の受光とを制御する測定制御信号を、所定のタイミングでタイミング信号発生回路２０に出力するようになされている。
【００１９】
また、ＣＰＵ１２は、Ｘモーター３０、Ｙモーター３２ならびにＢモーター３４の駆動する駆動信号を、所定のタイミングでＸモーター３０、Ｙモーター３２ならびにＢモーター３４のそれぞれに出力するようになされている。なお、ターン・テーブル２４用のＢモーター３４とヘッド２６が配設された回転支柱（図示ぜす）用のＸモーター３０とは、ターン・テーブル２４と回転支柱（図示せず）とがＺ軸方向周りに同じ角度ずつ同じ向きに回転するように、その回転方向と回転角度とがＣＰＵ１２により制御されている。
【００２０】
そして、タイミング信号発生回路２０は、ＣＰＵ１２からの測定制御信号に従った所定のタイミングで、タイミング信号をレーザー・ダイオード駆動回路４６とＣＣＤ駆動回路４８とのそれぞれに出力するものである。また、タイミング信号発生回路２０によってＲＡＭ１６ならびにＡ／Ｄコンバータ２２が制御されるようになされている。
【００２１】
ターン・テーブル２４は、ターン・テーブル２４を回転するためのＢモーター３４が、ＣＰＵ１２からの駆動信号によって駆動するのに伴って、Ｚ軸方向周りに回転するようになされている。従って、ターン・テーブル２４のＺ軸方向周りにおける回転方向や回転角度はＣＰＵ１２により制御されている。
【００２２】
一方、ヘッド２６は、ヘッド２６が配設された回転支柱用のＸモーター３０が、ＣＰＵ１２からの駆動信号によって駆動するのに伴って、回転支柱のＺ軸方向周りの回転に伴って回転するようになされている。また、ヘッド２６を上下するためのＹモーター３２が、ＣＰＵ１２からの駆動信号によって駆動するのに伴って、Ｚ軸方向に沿って上下方向に移動自在になされている。従って、ヘッド２６のＺ軸方向周りの回転方向や回転角度ならびにＺ軸方向に沿った移動方向や移動距離はＣＰＵ１２により制御されている。
【００２３】
ヘッド２６のレーザー・ダイオード４０は、タイミング信号発生回路２０から出力されたタイミング信号がレーザー・ダイオード駆動回路４６に入力されると、レーザー・ダイオード駆動回路４６によって駆動される。この際、レーザー・ダイオード４０は、タイミング信号に従った所定のタイミングでレーザー・ビームを所定の時間出射するものである。
【００２４】
ヘッド２６のＣＣＤ４４は、受光レンズ５０が受光した反射光の拡散反射成分を受光するとともに電子シャッターを備えた受光バッファ４４ａと、蓄積された電荷をＣＣＤ４４の外部に転送する転送バッファ４４ｂとを備えるものである。
【００２５】
ＣＣＤ４４の受光バッファ４４ａが対象物１００からの反射光（反射光の拡散反射成分）を受光する時間、即ち、ＣＣＤ４４の露光時間は、タイミング信号発生回路２０から出力される露光時間制御信号により制御されている。
【００２６】
より詳細には、後述する距離測定処理ルーチンにおいて算出される露光時間に応じてタイミング信号発生回路２０から出力される露光時間制御信号は、タイミング信号発生回路２０から出力されるタイミング信号とともにＣＣＤ駆動回路４８に入力される。すると、ＣＣＤ４４は、ＣＣＤ駆動回路４８によって駆動され、タイミング信号に従った所定のタイミングで、露光時間制御信号に従った露光時間だけ、受光バッファ４４ａの電子シャッターを開放して、受光レンズ５０が受光した反射光の拡散反射成分を受光するものである。
【００２７】
そして、ＣＣＤ４４の転送バッファ４４ｂは、受光バッファ４４ａが反射光の拡散反射成分を受光することにより蓄積された電荷を外部に転送するものである。これにより、ＣＣＤ４４は、受光バッファ４４ａでの受光に基づいてアナログ信号たる受光波形信号をＡ／Ｄコンバータ２２に出力する。
【００２８】
以上の構成において、図２乃至図４を参照しながら、上記した３次元測定装置１０の動作の説明を行うものとする。
【００２９】
この３次元測定装置１０を用いて対象物１００とヘッド２６との距離を測定する場合には、まず、作業者が対象物１００をターン・テーブル２４のＸ−Ｙ平面上の中心付近に載置する。
【００３０】
一方、ヘッド２６のレーザー・ダイオード４０から照射されるレーザー・ビームの光軸の初期位置は、ターン・テーブル２４の回転中心を通過するような位置に設定される。
【００３１】
そして、ターン・テーブル２４上に配置された対象物１００の初期位置Ａは、対象物１００の表面上の任意の位置に設定されている。
【００３２】
ここで、対象物１００の測定面を測定ポイントＰ０、測定ポイントＰ１、測定ポイントＰ３、・・・測定ポイントＰｍ（ただし、「ｍ」は測定ポイントの総数を示す正の整数である。）毎に測定するものとした場合に、「角度θ＝１°」に設定するならば、測定ポイントＰ０から測定ポイントＰｍまでの測定面における角度を１°づつ変化させた各測定ポイントにおいてそれぞれ距離を測定する。実施例では、測定ポイントの微小前後も測定して参考にしている。
【００３３】
つまり、ターン・テーブル２４とヘッド２６とを所定の角度θづつ変化させながら行う距離測定を、ヘッド２６のＺ軸方向における上下の高さを変化させながら繰り返すことで、ヘッド２６と対象物１００の測定面の距離を測定する。
【００３４】
より詳細には、ＣＰＵ１２の駆動信号に従ったＸモーター３０、Ｙモーター３２ならびにＢモーター３４の駆動により、ターン・テーブル２４の回転に伴うＺ軸方向周りの対象物１００の回転と同期して、レーザー・ダイオード４０から照射されるレーザー・ビームの光軸が対象物１００の回転方向と同一の方向かつ同一の回転角度を保持するようにして、ヘッド２６をＺ軸方向周りに回転させる。
【００３５】
これによりレーザー・ダイオード４０からレーザー・ビームを照射される対象物１００の測定面の領域をレーザー・ダイオード４０により照射されるレーザー・ビームの光軸に対して直交させることができ、測定の精度の向上を図ることができるようになされている。
【００３６】
次に、図２に示す距離測定処理ルーチンのフローチャートならびに図３を参照しながら、距離測定処理についてより詳細に説明することとする。なお、この距離測定処理ルーチンは、３次元測定装置１０に電源が投入された状態でコンピューター５４からの指示を受けると起動されて実行されるものである。
【００３７】
この距離測定処理ルーチンが起動されると、まず、ステップＳ２０２において、測定準備処理が行われる。この測定準備処理においては、測定ポイントＰ０の直前に位置する直前位置Ｂ（直前位置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）において、測定ポイントＰ０から距離測定を開始するときの露光時間Ｔ０が決定される。
【００３８】
具体的には、まず、タイミング信号発生回路２０から出力されたタイミング信号に従って、ヘッド２６のレーザー・ダイオード４０からのレーザー・ビームが、投光レンズ４２を介して対象物１００の直前位置Ｂ１に照射される。
【００３９】
そして、レーザー・ダイオード４０からレーザー・ビームを照射された対象物１００からの反射光が受光レンズ５０に受光される。
【００４０】
こうして受光レンズ５０に受光された反射光の拡散反射成分が、タイミング信号発生回路２０から出力されたタイミング信号に従ったタイミングで、具体的には、レーザー・ダイオード４０からのレーザー・ビームの照射と同期して、ＣＣＤ４４の受光バッファ４４ａに受光される。
【００４１】
この際、予め設定された露光時間Ｔｄｕｍｍｙに応じた露光時間制御信号に従ってＣＣＤ駆動回路４８が駆動され、露光時間ＴｄｕｍｍｙだけＣＣＤ４４の電子シャッターが開放されて、反射光の拡散反射成分がＣＣＤ４４の受光バッファ４４ａに受光される。
【００４２】
こうして受光バッファ４４ａが反射光の拡散反射成分を受光すると、蓄積された電荷がＣＣＤ４４の転送バッファ４４ｂによって外部に転送され、受光波形信号がＡ／Ｄコンバータ２２に出力される。
【００４３】
そして、受光波形信号はＡ／Ｄコンバータ２２によって受光波形データに変換されて、直前位置Ｂ１において露光時間Ｔｄｕｍｍｙの場合の受光波形データが受光波形データ記憶部１６−１に記憶される。こうして得られる受光波形データは、ＣＣＤ４４のアドレス毎の明るさ（受光量）を示すものである。
【００４４】
一方、図４（ａ）には、理想受光波形データの示す理想受光波形が示されている。この理想受光波形データは、３次元測定装置１０における距離測定を正確に行う際に最適な受光波形データとして、予めＲＡＭ１６の所定の領域に記憶されているものである。
【００４５】
より詳細には、理想受光波形データは、ＣＣＤ４４のアドレス毎の明るさ（受光量）を示すものであり、露光不足ではなく、かつ、飽和していないとともに、明るさの最小値から最大値を経て最小値に到るまでのＣＣＤアドレスの幅Ｗが狭く、明るさの最大値と明るさの最小値との差たるレンジＲが長いものである。
【００４６】
ただし、対象物１００の種類や３次元測定装置１０が配設される環境温度、レーザー・ダイオード４０の出力、ＣＣＤ４４の感度、あるいは、装置の組み付け誤差によって、理想受光波形データは異なるものである。
【００４７】
そのため、例えば、３次元測定装置１０の工場出荷時に、石膏よりなる対象物１００を用いて距離測定を行い、図４（ａ）に近似する受光波形データを得て、当該得られた受光波形データを理想受光波形データとして記憶しておく。なお、こうして得られた理想受光波形データは、例えば、
環境温度：２８℃
レーザー・ダイオード４０の出力：７０μＷ
ＣＣＤ４４の感度：１３Ｖ／ｌｘ・ｓ
の条件下において、
理想受光波形の最大値：１４０
理想受光波形の最小値：７０
ＣＣＤアドレスの幅Ｗ：１２
レンジＲ：７０
理想受光波形の面積：２５０
を有するものである。
【００４８】
そして、直前位置Ｂ１において露光時間Ｔｄｕｍｍｙの場合の受光波形データが示す受光波形が、例えば、図４（ｂ）において実線で示された受光波形であった場合に、この直前位置Ｂにおいて露光時間Ｔｄｕｍｍｙの場合の受光波形データが示す受光波形（図４（ｂ）における実線参照）と、理想受光波形データの示す理想受光波形（図４（ａ）ならびに図４（ｂ）における破線参照）とから次回の露光時間Ｔｔｅｓｔ２を算出する。
【００４９】
具体的には、理想受光波形の面積をＳｉｄｅａｌ（図４（ａ）における斜線領域参照）とし、直前位置Ｂ１において露光時間Ｔｄｕｍｍｙの場合の受光波形データが示す受光波形、即ち、今回の受光波形の面積をＳｎ−１（図４（ｂ）における網掛け領域参照）とする。
【００５０】
ここで、面積Ｓｉｄｅａｌは、受光波形のノイズをカットをするために、理想受光波形データの示す受光波形（図４（ａ）参照）のレンジＲの１／８を明るさの最小値に加えた値を閾値とし、閾値と明るさの最大値との間におけるＣＣＤ４４のアドレス毎の明るさ（受光量）の総和としている。同様に、面積Ｓｎ−１も、直前位置Ｂ１において露光時間Ｔｄｕｍｍｙの場合の受光波形データの示す受光波形（図４（ｂ）における実線参照）のレンジＲの１／８を明るさの最小値に加えた値を閾値とし、閾値と明るさの最大値との間におけるＣＣＤ４４のアドレス毎の明るさ（受光量）の総和とする。
【００５１】
そして、直前位置Ｂ１において図４（ｂ）に示す受光波形を得たときの露光時間Ｔｄｕｍｍｙ、即ち、今回の露光時間をＴｎ−１とすると、次回の露光時間Ｔｎは、
Ｔｎ＝Ｓｉｄｅａｌ／Ｓｎ−１×Ｔｎ−１ ・・・数式１
により求められる。
【００５２】
こうして求められた次回の露光時間Ｔｎは、直前位置Ｂ２におけるレーザー・ビームの照射のときの露光時間Ｔｔｅｓｔ２として用いられる。
【００５３】
つまり、直前位置Ｂ２において露光時間Ｔｄｕｍｍｙの場合の受光波形（図４（ｂ）参照）から露光時間Ｔｔｅｓｔ２を算出した後に、対象物１００とヘッド２６とを移動して、ヘッド２６のレーザー・ダイオード４０からのレーザー・ビームを、投光レンズ４２を介して対象物１００の直前位置Ｂ２に照射する。
【００５４】
この際、直前位置Ｂ１における照射から算出された直前位置Ｂ２における露光時間Ｔｔｅｓｔ２に応じた露光時間制御信号に従って、直前位置Ｂ２における露光時間Ｔｔｅｓｔ２だけＣＣＤ４４の電子シャッターが開放されて、反射光の拡散反射成分がＣＣＤ４４の受光バッファ４４ａに受光される。
【００５５】
そして、直前位置Ｂ１におけるレーザー・ビームの照射（即ち、露光時間Ｔｄｕｍｍｙの場合）と同様にして、この直前位置Ｂ２におけるレーザー・ビームの照射（即ち、露光時間Ｔｔｅｓｔ２の場合）によって得られた受光波形データから、数式１を用いて次回の露光時間Ｔｎを算出する。
【００５６】
こうして求められた次回の露光時間Ｔｎは、直前位置Ｂ３におけるレーザー・ビームの照射のときの露光時間Ｔｔｅｓｔ３として用いられる。
【００５７】
つまり、対象物１００とヘッド２６とを移動して、直前位置Ｂ３においてレーザー・ビームの照射が行われ、算出された露光時間Ｔｔｅｓｔ３だけＣＣＤ４４の電子シャッターが開放されて、反射光の拡散反射成分がＣＣＤ４４の受光バッファ４４ａに受光される。
【００５８】
さらに、直前位置Ｂ１におけるレーザー・ビームの照射（即ち、露光時間Ｔｄｕｍｍｙの場合）と同様にして、この直前位置Ｂ３におけるレーザー・ビームの照射（即ち、露光時間Ｔｔｅｓｔ３の場合）によって得られた受光波形データから、数式１を用いて次回の露光時間Ｔｎを算出し、算出された次回の露光時間Ｔｎを、直前位置Ｂ４におけるレーザー・ビームの照射のときの露光時間Ｔｔｅｓ ｔ４として用いる。
【００５９】
そして、対象物１００とヘッド２６とを移動して、直前位置Ｂ４においてレーザー・ビームの照射が行われ、算出された露光時間Ｔｔｅｓｔ４だけＣＣＤ４４の電子シャッターが開放されて、反射光の拡散反射成分がＣＣＤ４４の受光バッファ４４ａに受光される。
【００６０】
それから、直前位置Ｂ１におけるレーザー・ビームの照射（即ち、露光時間Ｔｄｕｍｍｙの場合）と同様にして、この直前位置Ｂ４におけるレーザー・ビームの照射（即ち、露光時間Ｔｔｅｓｔ４の場合）によって得られた受光波形データから、数式１を用いて次回の露光時間Ｔｎを算出する。
【００６１】
こうして直前位置Ｂたる直前位置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４において４回のレーザー・ビームの照射が繰り返されて、最後に算出された次回の露光時間Ｔｎが、距離測定の開始時の露光時間Ｔ０として用いられる。
【００６２】
そして、ステップＳ２０２の処理が終了すると、ステップＳ２０４に進み、距離測定の開始位置たる対象物１００の測定面の測定ポイントＰ０に、レーザー・ダイオード４０から照射されるレーザー・ビームの光軸が直交するようにして、対象物１００とヘッド２６とを移動する。
【００６３】
ステップＳ２０４の処理に続いて、ステップＳ２０６においては、設定された今回の露光時間で受光波形データが得られる。なお、この距離測定処理ルーチンが起動されて、最初にステップＳ２０６の処理が行われる場合には、ステップＳ２０２において算出された距離測定の開始時の露光時間Ｔ０が用いられる。
【００６４】
つまり、タイミング信号発生回路２０から出力されたタイミング信号に従って、ヘッド２６のレーザー・ダイオード４０からのレーザー・ビームが、投光レンズ４２を介して対象物１００の測定ポイントＰ０に照射される。
【００６５】
そして、レーザー・ダイオード４０からのレーザー・ビームの照射と同期して、受光レンズ５０が受光した対象物１００からの反射光の拡散反射成分が、ＣＣＤ４４の受光バッファ４４ａに受光される。
【００６６】
この際、ステップＳ２０２において算出された露光時間Ｔ０に応じた露光時間制御信号に従ってＣＣＤ駆動回路４８が駆動され、露光時間Ｔ０だけＣＣＤ４４の電子シャッターが開放されて、反射光の拡散反射成分がＣＣＤ４４の受光バッファ４４ａに受光される。
【００６７】
そして、測定ポイントＰ０において露光時間Ｔ０の場合の受光波形データが受光波形データ記憶部１６−１に記憶される。なお、図４（ｃ）には、測定ポイントＰ０において露光時間Ｔ０の場合の受光波形データが示す受光波形の一例が示されている（図４（ｃ）における実線参照）。
【００６８】
ステップＳ２０６が終了すると、ステップＳ２０８に進み、距離データの算出処理が行われる。この距離データの算出処理においては、ステップＳ２０６において受光波形データが受光波形データ記憶部１６−１に記憶された測定ポイントとヘッド２６との距離を示す距離データが、当該測定ポイントにおける受光波形データから算出されるものである。
【００６９】
つまり、この距離測定処理ルーチンが起動されて、最初にステップＳ２０８の処理が行われる場合には、ステップＳ２０６において受光波形データが受光波形データ記憶部１６−１に記憶された測定ポイントＰ０とヘッド２６との距離を示す距離データが、測定ポイントＰ０において露光時間Ｔ０の場合の受光波形データ（図４（ｃ）における実線参照）から算出されるものである。
【００７０】
なお、受光波形データからの距離データの算出は、受光波形データの示す受光波形のピーク位置を算出し、算出されたピーク位置と所定の距離変換テーブルとを用いて算出するなど、各種公知の方法を用いることができ、詳細な説明は省略することとする。
【００７１】
そして、算出された距離データを、距離データ・メモリ１８に記憶すると、ステップＳ２０８の処理を終了して、ステップＳ２１０の処理に進む。
【００７２】
ステップＳ２１０の処理においては、次回の露光時間の算出処理が行われる。具体的には、ステップＳ２０６において受光波形データが受光波形データ記憶部１６−１に記憶された測定ポイントにおける受光波形データから、上記したステップＳ２０２における測定準備処理と同様にして、次の測定ポイントにおける露光時間が算出されるものである。
【００７３】
つまり、この距離測定処理ルーチンが起動されて、最初にステップＳ２１０の処理が行われる場合には、ステップＳ２０６において受光波形データ記憶部１６−１に記憶された測定ポイントＰ０において露光時間Ｔ０の場合の受光波形データ（図４（ｃ）における実線参照）から、次の測定ポイントＰ１における露光時間が算出されるものである。
【００７４】
つまり、測定ポイントＰ０において露光時間Ｔ０の場合の受光波形データが示す受光波形（図４（ｃ）における実線参照）と、理想受光波形データの示す理想受光波形（図４（ａ）ならびに図４（ｃ）における破線参照）とから、次の測定ポイントＰ１における露光時間、即ち、次回の露光時間Ｔｎを算出する。
【００７５】
そして、測定ポイントＰ０において露光時間Ｔ０の場合の受光波形データの示す受光波形（図４（ｃ）における実線参照）のレンジＲの１／８を明るさの最小値に加えた値を閾値とし、閾値と明るさの最大値との間におけるＣＣＤ４４のアドレス毎の明るさ（受光量）の総和を面積Ｓｎ−１とする。
【００７６】
また、測定ポイントＰ０において図４（ｃ）に示す受光波形を得たときの露光時間Ｔ０を今回の露光時間Ｔｎ−１とすると、次回の露光時間Ｔｎは上記した数式１により求められる。ここで求められた次回の露光時間Ｔｎは、測定ポイントＰ０の次の測定ポイントである測定ポイントＰ１における露光時間Ｔ１として用いられるものであり、ステップＳ２０６における今回の露光時間として設定される。
【００７７】
ステップＳ２１０を終了すると、ステップＳ２１２の処理に進み、測定ポイントは最後の測定ポイントか否かを判断し、測定ポイントが最後の測定ポイント、即ち、測定ポイントＰｍであると判断された場合には、この距離測定処理ルーチンを終了する。
【００７８】
一方、測定ポイントが最後の測定ポイント、即ち、測定ポイントＰｍではないと判断された場合には、ステップＳ２１４の処理に進み、次の測定ポイントに、レーザー・ダイオード４０から照射されるレーザー・ビームの光軸が直交するようにして、対象物１００とヘッド２６とを移動する。
【００７９】
ステップＳ２１４の処理が終了すると、ステップＳ２０６の処理に戻り、ステップＳ２１２の処理において、測定ポイントが最後の測定ポイントであると判断されるまで、即ち、対象物１００の全ての測定ポイントにおいてステップＳ２０６乃至ステップＳ２１０の処理が繰り返される。
【００８０】
そして、この距離測定処理ルーチンの処理により、距離データ・メモリ１８に記憶された距離データは、ＣＰＵ１２により通信回路５２を介してコンピューター５４に出力され、コンピュータ５４によって対象物１００全体の距離画像を得る処理がなされる。
【００８１】
上記したように、本発明による３次元測定装置における露光制御装置の実施の形態の一例を備えた３次元測定装置１０においては、理想受光波形データの示す受光波形の面積Ｓｉｄｅａｌを今回の露光時間Ｔｎ−１のときの面積Ｓｎ−１で除算した商に、今回の露光時間Ｔｎ−１を乗算して次回の露光時間Ｔｎを算出するようにしたので、対象物１００の変化に対して露光時間の変更の追従が速く、露光時間の変更の高速処理が可能になり、リアルタイムでの測定ができる。
【００８２】
ここで、本発明による３次元測定装置における露光制御装置とは異なる他の方法の一例として、受光波形のピーク値から次回の露光時間を算出する方法がある。 具体的には、受光波形の明るさの最大値と最小値とからレンジＲの中位Ｒｍｉｄを算出する。そして、今回の露光時間をＴｎ−１とすると、次回の露光時間Ｔｎは、
Ｔｎ＝Ｒｍｉｄ／Ｒ×Ｔｎ−１ ・・・数式２
により求められる。
【００８３】
しかしながら、こうして数式２により受光波形のピーク値から次回の露光時間を算出する方法は、本願の数式１により受光波形の面積から次回の露光時間を算出する方法に比べて、次工程に送るための時間の変動が大きいものである。
【００８４】
例えば、受光波形のピーク値から次回の露光時間を算出する方法においては、レンジＲはＣＣＤの性能から最大でも７０までの値しかとることができない。このため、レンジＲの値が１変化した場合、例えば、今回のレンジＲ＝６０（数式３参照）で次回のレンジＲ＝５９（数式４参照）に変化した場合には、今回の露光時間Ｔｎ−１＝１０００として、
Ｔｎ＝３０／６０×１０００＝５００
Ｔｎ＝３０／５９×１０００＝５０８
となり、数式２より得られる次回の露光時間Ｔｎの差は「８」になってしまう。
【００８５】
これに対して、本願の数式１により受光波形の面積から次回の露光時間を算出する方法は、今回の受光波形の面積Ｓｎ−１の値が１変化した場合、例えば、今回のＳｎ−１＝５００（数式５参照）で次回のＳｎ−１＝４９９（数式６参照）に変化した場合には、今回の露光時間Ｔｎ−１＝１０００ならびに理想受光波形の面積Ｓｉｄｅａｌ＝２５０として、
Ｔｎ＝２５０／５００×１０００＝５００
Ｔｎ＝２５０／４９９×１０００＝５０１
となり、数式１より得られる次回の露光時間Ｔｎの差は「１」である。このようにして、本願の数式１により受光波形の面積から次回の露光時間を算出する方法によれば、次工程に送るための時間の変動を小さくおさえることができる。
【００８６】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（５）に説明するように変形してもよい。
【００８７】
（１）上記した実施の形態においては、光照射手段としてレーザー・ダイオード４０を用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、マルチ・モード・レーザー発振器などのような各種のレーザー発振器やランプなどを用いるようにしてもよい。
【００８８】
（２）上記した実施の形態においては、ＣＣＤ４４において受光バッファ４４ａが反射光の拡散反射成分を受光し、その後、転送バッファ４４ｂによって蓄積された電荷が外部に転送されるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、受光バッファ４４ａが反射光の拡散反射成分を受光するのと同時に、転送バッファ４４ｂによって蓄積された電荷をＣＣＤ４４の外部に転送するようにしてもよい。この際、得られる受光波形は前回のレーザー・ビームの照射のときのものであるが、処理に費やす時間が半分で済むので、より高速な処理を実現することができる。
【００８９】
また、上記した実施の形態においては、イメージ・センサとしてＣＣＤ４４を用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、各種のイメージ・センサを適宜に用いるようにしてもよい。
【００９０】
（３）上記した実施の形態においては、受光波形データや距離データをぞれぞれ受光波形データ記憶部１６−１や距離データ・メモリ１８に記憶するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、各種データを記憶する領域、この３次元測定装置の内部あるいは外部において処理するかなどは適宜変更するようにしてもよい。
【００９１】
（４）上記した実施の形態においては、「角度θ＝１°」の場合について説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、角度θとして任意の角度を設定することができる。また、ヘッド２６やターン・ターブル２４の駆動方法や駆動方向は、上記した実施の形態に限られるものではないことは勿論であり、対象物１００の種類などに応じて全ての測定ポイントが測定可能なように適宜変更してもよい。
【００９２】
（５）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（４）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【００９３】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、対象物の変化に対して迅速に露光時間を変更することができるという優れた効果を奏する。
【００９４】
また、本発明は、露光時間の変更の高速処理を可能にし、リアルタイムでの測定を実現することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による３次元測定装置における露光制御装置の実施の形態の一例を備えた３次元測定装置のブロック構成図である。
【図２】本発明による３次元測定装置における露光制御装置の実施の形態の一例を備えた３次元測定装置の距離測定処理ルーチンのフローチャートである。
【図３】本発明による３次元測定装置における露光制御装置の実施の形態の一例を備えた３次元測定装置の距離測定のときの動作を説明する説明図である。
【図４】受光波形データの示す受光波形を示す波形図であり、（ａ）は理想受光波形データの示す受光波形を示す波形図であり、（ｂ）は直前位置における受光波形データの示す受光波形の一例を示す波形図であり、（ｃ）は測定ポイントにおける受光波形データの示す受光波形の一例を示す波形図である。
【符号の説明】
１０ ３次元測定装置
１２ 中央制御装置（ＣＰＵ）
１４ リード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）
１６ ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）
１６−１ 受光波形データ記憶部
１８ 距離データ・メモリ
２０ タイミング信号発生回路２０
２２ アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ
２４ ターン・テーブル
２６ ヘッド
３０ Ｘモーター
３２ Ｙモーター
３４ Ｂモーター
４０ レーザー・ダイオード
４２ 投光レンズ
４４ ＣＣＤ
４４ａ 受光バッファ
４４ｂ 転送バッファ
４６ レーザー・ダイオード駆動回路
４８ ＣＣＤ駆動回路
５０ 受光レンズ
５２ 通信回路
５４ コンピューター
１００ 対象物
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元測定装置における露光制御装置に関し、さらに詳細には、レーザー・ビームなどの光を対象物に照射して、当該対象物からの反射光に基づいて当該対象物との距離を測定する三角測量法を用いた距離測定により、対象物の変位を測定する３次元測定装置における露光制御装置に関する。
【０００２】
なお、本明細書において「対象物」とは、３次元の空間的広がりをもつ物体であり、当該物体は所定の材料より構成されて所定の形状を有し、また、当該物体の表面には所定の単数または複数の色（色彩）が施されているものとする。
【０００３】
【従来の技術】
従来より、測定の対象物としての物体の移動量や物体の寸法あるいは物体の形状など、即ち、対象物の変位を測定するための３次元測定装置として、例えば、三角測量法を応用した光学式の３次元測定装置が知られている。
【０００４】
こうした３次元測定装置においては、対象物にレーザー・ビームを照射するレーザー・ダイオードと、レーザー・ダイオードからレーザー・ビームを照射された対象物からの反射光の画像を結像させるイメージ・センサとが設けられたヘッドを備えている。
【０００５】
そして、ヘッドをＺ軸方向（高さ方向）において上下に移動させることと３次元形状の対象物をＺ軸方向周りに回転させることとを適宜に繰り返しながら、受光した対象物からの反射光に応じてイメージ・センサから出力される受光波形に基づいて、対象物とヘッドとの距離が測定される。さらに、測定された対象物とヘッドとの距離から、所定の処理により対象物全体の距離画像を得ることができる。
【０００６】
上記した３次元測定装置においては、対象物の材質や、色、あるいは、角度（即ち、形状）の変化（以下、「対象物の材質の変化、対象物の色の変化、対象物の角度（即ち、形状）の変化」を単に「対象物の変化」と適宜に称することとする。）により、イメージ・センサから出力される受光波形にノイズが含まれてしまうので、イメージ・センサからの受光波形に基づいた測定結果が安定せず、不正確なものとなってしまう恐れがある。
【０００７】
このため、対象物の変化に応じて、イメージ・センサが対象物からの反射光をを受光する時間（以下、「イメージ・センサが対象物からの反射光を受光する時間」を「露光時間」と適宜に称することとする。）の変更を繰り返しながら測定を行うようにして、測定結果を安定させ正確なものとしている。
【０００８】
しかしながら、従来の３次元測定装置においては、対象物の変化に対して露光時間の変更の追従が遅く、測定に長時間を費やしてしまうので、リアルタイムでの測定ができないという問題点があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、対象物の変化に対して迅速に露光時間を変更することができるようにした３次元測定装置における露光制御装置を提供しようとするものである。
【００１０】
また、本発明の目的とするところは、露光時間の変更の高速処理を可能にして、リアルタイムでの測定を実現することができるようにした３次元測定装置における露光制御装置を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、対象物に光を照射する光照射手段と、上記光照射手段により光が照射された上記対象物からの反射光を露光時間だけ受光し、該受光した反射光に応じた受光波形信号を出力する受光手段と、上記受光手段から出力された受光波形信号を上記受光手段が上記対象物からの反射光を受光した位置毎の明るさからなる受光波形データに変換する変換手段と、上記受光手段が上記対象物からの反射光を受光した位置毎の明るさからなる所定の理想受光波形データを記憶する記憶手段と、上記記憶手段に記憶された理想受光波形データの位置毎の明るさの総和を、上記受光手段が今回の露光時間で上記対象物からの反射光を受光して出力した受光波形信号が、上記変換手段によって変換された受光波形データの位置毎の明るさの総和で除算した商に、今回の露光時間を乗算して次回の露光時間を算出する算出手段とを有するようにしたものである。
【００１２】
従って、本発明のうち請求項１に記載の発明によれば、理想受光波形データの位置毎の明るさの総和を今回の露光時間での受光波形データの位置毎の明るさの総和で除算した商に、今回の露光時間を乗算して次回の露光時間が算出されるので、対象物の変化に対して露光時間の変更の追従が速く、露光時間の変更の高速処理が可能になり、リアルタイムでの測定ができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面に基づいて、本発明による３次元測定装置における露光制御装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００１４】
図１には、本発明による３次元測定装置における露光制御装置の実施の形態の一例を備えた３次元測定装置のブロック構成図が示されている。
【００１５】
この３次元測定装置１０は、中央処理装置（ＣＰＵ）１２により全体の動作の制御が行われるものであり、ＣＰＵ１２を動作するためのプログラムなどが記憶されたリード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）１４と、ＣＰＵ１２の制御によって後述する受光波形データを記憶する受光波形データ記憶部１６−１やＣＰＵ１２の制御によって３次元測定装置１０における距離測定処理が行われる際のワーキング・エリアとしての領域などが設定されたランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）１６と、ＣＰＵ１２の制御によって後述する距離データを記憶する距離データ・メモリ１８と、所定のタイミング信号を出力するタイミング信号発生回路２０と、後述するＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）４４から出力されたアナログ信号たる受光波形信号をデジタル信号たる受光波形データに変換するアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ２２と、互いに直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸とにより定義されるＸＹＺ直交座標系におけるＸ−Ｙ平面を形成するとともにＺ軸方向周りにおける時計周り方向と反時計周り方向とにそれぞれ回転自在に配置され測定の対象物１００を載置するターン・テーブル２４と、Ｚ軸方向周りにおける時計周り方向と反時計周り方向とにそれぞれ回転自在に配置された回転支柱（図示せず）に直動ベアリング（図示せず）を介してＺ軸方向に沿って上下方向に移動自在に配設されるとともに、当該回転支柱のＺ軸方向周りの回転に伴って回転するヘッド２６と、ヘッド２６が配設された回転支柱（図示せず）を駆動するためのＸモーター３０と、ヘッド２６をＺ軸方向に沿って上下方向に駆動するためのＹモーター３２と、ターン・テーブル２４を駆動するためのＢモーター３４とを有して構成されている。
【００１６】
そして、ヘッド２６は、ターン・テーブル２４上に配置された対象物１００に、投光レンズ４２を介して、光としてレーザー・ビームを照射するレーザー・ダイオード４０と、レーザー・ダイオード４０からレーザー・ビームを照射された対象物１００からの反射光の画像を結像するイメージ・センサとしてのＣＣＤ４４と、レーザー・ダイオード４０を駆動するレーザー・ダイオード駆動回路４６と、ＣＣＤ４４を駆動するＣＣＤ駆動回路４８とを備えている。
【００１７】
なお、３次元測定装置１０のＣＰＵ１２は、通信回路５２を介して外部のコンピューター５４と接続されている。このため、３次元測定装置１０の各種データは、通信回路５２を介してコンピューター５４に出力され、コンピュータ５４によって処理可能となされている。
【００１８】
ＣＰＵ１２は、レーザー・ダイオード４０からのレーザー・ビームの出射とＣＣＤ４４による反射光の受光とを制御する測定制御信号を、所定のタイミングでタイミング信号発生回路２０に出力するようになされている。
【００１９】
また、ＣＰＵ１２は、Ｘモーター３０、Ｙモーター３２ならびにＢモーター３４の駆動する駆動信号を、所定のタイミングでＸモーター３０、Ｙモーター３２ならびにＢモーター３４のそれぞれに出力するようになされている。なお、ターン・テーブル２４用のＢモーター３４とヘッド２６が配設された回転支柱（図示ぜす）用のＸモーター３０とは、ターン・テーブル２４と回転支柱（図示せず）とがＺ軸方向周りに同じ角度ずつ同じ向きに回転するように、その回転方向と回転角度とがＣＰＵ１２により制御されている。
【００２０】
そして、タイミング信号発生回路２０は、ＣＰＵ１２からの測定制御信号に従った所定のタイミングで、タイミング信号をレーザー・ダイオード駆動回路４６とＣＣＤ駆動回路４８とのそれぞれに出力するものである。また、タイミング信号発生回路２０によってＲＡＭ１６ならびにＡ／Ｄコンバータ２２が制御されるようになされている。
【００２１】
ターン・テーブル２４は、ターン・テーブル２４を回転するためのＢモーター３４が、ＣＰＵ１２からの駆動信号によって駆動するのに伴って、Ｚ軸方向周りに回転するようになされている。従って、ターン・テーブル２４のＺ軸方向周りにおける回転方向や回転角度はＣＰＵ１２により制御されている。
【００２２】
一方、ヘッド２６は、ヘッド２６が配設された回転支柱用のＸモーター３０が、ＣＰＵ１２からの駆動信号によって駆動するのに伴って、回転支柱のＺ軸方向周りの回転に伴って回転するようになされている。また、ヘッド２６を上下するためのＹモーター３２が、ＣＰＵ１２からの駆動信号によって駆動するのに伴って、Ｚ軸方向に沿って上下方向に移動自在になされている。従って、ヘッド２６のＺ軸方向周りの回転方向や回転角度ならびにＺ軸方向に沿った移動方向や移動距離はＣＰＵ１２により制御されている。
【００２３】
ヘッド２６のレーザー・ダイオード４０は、タイミング信号発生回路２０から出力されたタイミング信号がレーザー・ダイオード駆動回路４６に入力されると、レーザー・ダイオード駆動回路４６によって駆動される。この際、レーザー・ダイオード４０は、タイミング信号に従った所定のタイミングでレーザー・ビームを所定の時間出射するものである。
【００２４】
ヘッド２６のＣＣＤ４４は、受光レンズ５０が受光した反射光の拡散反射成分を受光するとともに電子シャッターを備えた受光バッファ４４ａと、蓄積された電荷をＣＣＤ４４の外部に転送する転送バッファ４４ｂとを備えるものである。
【００２５】
ＣＣＤ４４の受光バッファ４４ａが対象物１００からの反射光（反射光の拡散反射成分）を受光する時間、即ち、ＣＣＤ４４の露光時間は、タイミング信号発生回路２０から出力される露光時間制御信号により制御されている。
【００２６】
より詳細には、後述する距離測定処理ルーチンにおいて算出される露光時間に応じてタイミング信号発生回路２０から出力される露光時間制御信号は、タイミング信号発生回路２０から出力されるタイミング信号とともにＣＣＤ駆動回路４８に入力される。すると、ＣＣＤ４４は、ＣＣＤ駆動回路４８によって駆動され、タイミング信号に従った所定のタイミングで、露光時間制御信号に従った露光時間だけ、受光バッファ４４ａの電子シャッターを開放して、受光レンズ５０が受光した反射光の拡散反射成分を受光するものである。
【００２７】
そして、ＣＣＤ４４の転送バッファ４４ｂは、受光バッファ４４ａが反射光の拡散反射成分を受光することにより蓄積された電荷を外部に転送するものである。これにより、ＣＣＤ４４は、受光バッファ４４ａでの受光に基づいてアナログ信号たる受光波形信号をＡ／Ｄコンバータ２２に出力する。
【００２８】
以上の構成において、図２乃至図４を参照しながら、上記した３次元測定装置１０の動作の説明を行うものとする。
【００２９】
この３次元測定装置１０を用いて対象物１００とヘッド２６との距離を測定する場合には、まず、作業者が対象物１００をターン・テーブル２４のＸ−Ｙ平面上の中心付近に載置する。
【００３０】
一方、ヘッド２６のレーザー・ダイオード４０から照射されるレーザー・ビームの光軸の初期位置は、ターン・テーブル２４の回転中心を通過するような位置に設定される。
【００３１】
そして、ターン・テーブル２４上に配置された対象物１００の初期位置Ａは、対象物１００の表面上の任意の位置に設定されている。
【００３２】
ここで、対象物１００の測定面を測定ポイントＰ０、測定ポイントＰ１、測定ポイントＰ３、・・・測定ポイントＰｍ（ただし、「ｍ」は測定ポイントの総数を示す正の整数である。）毎に測定するものとした場合に、「角度θ＝１°」に設定するならば、測定ポイントＰ０から測定ポイントＰｍまでの測定面における角度を１°づつ変化させた各測定ポイントにおいてそれぞれ距離を測定する。実施例では、測定ポイントの微小前後も測定して参考にしている。
【００３３】
つまり、ターン・テーブル２４とヘッド２６とを所定の角度θづつ変化させながら行う距離測定を、ヘッド２６のＺ軸方向における上下の高さを変化させながら繰り返すことで、ヘッド２６と対象物１００の測定面の距離を測定する。
【００３４】
より詳細には、ＣＰＵ１２の駆動信号に従ったＸモーター３０、Ｙモーター３２ならびにＢモーター３４の駆動により、ターン・テーブル２４の回転に伴うＺ軸方向周りの対象物１００の回転と同期して、レーザー・ダイオード４０から照射されるレーザー・ビームの光軸が対象物１００の回転方向と同一の方向かつ同一の回転角度を保持するようにして、ヘッド２６をＺ軸方向周りに回転させる。
【００３５】
これによりレーザー・ダイオード４０からレーザー・ビームを照射される対象物１００の測定面の領域をレーザー・ダイオード４０により照射されるレーザー・ビームの光軸に対して直交させることができ、測定の精度の向上を図ることができるようになされている。
【００３６】
次に、図２に示す距離測定処理ルーチンのフローチャートならびに図３を参照しながら、距離測定処理についてより詳細に説明することとする。なお、この距離測定処理ルーチンは、３次元測定装置１０に電源が投入された状態でコンピューター５４からの指示を受けると起動されて実行されるものである。
【００３７】
この距離測定処理ルーチンが起動されると、まず、ステップＳ２０２において、測定準備処理が行われる。この測定準備処理においては、測定ポイントＰ０の直前に位置する直前位置Ｂ（直前位置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）において、測定ポイントＰ０から距離測定を開始するときの露光時間Ｔ０が決定される。
【００３８】
具体的には、まず、タイミング信号発生回路２０から出力されたタイミング信号に従って、ヘッド２６のレーザー・ダイオード４０からのレーザー・ビームが、投光レンズ４２を介して対象物１００の直前位置Ｂ１に照射される。
【００３９】
そして、レーザー・ダイオード４０からレーザー・ビームを照射された対象物１００からの反射光が受光レンズ５０に受光される。
【００４０】
こうして受光レンズ５０に受光された反射光の拡散反射成分が、タイミング信号発生回路２０から出力されたタイミング信号に従ったタイミングで、具体的には、レーザー・ダイオード４０からのレーザー・ビームの照射と同期して、ＣＣＤ４４の受光バッファ４４ａに受光される。
【００４１】
この際、予め設定された露光時間Ｔｄｕｍｍｙに応じた露光時間制御信号に従ってＣＣＤ駆動回路４８が駆動され、露光時間ＴｄｕｍｍｙだけＣＣＤ４４の電子シャッターが開放されて、反射光の拡散反射成分がＣＣＤ４４の受光バッファ４４ａに受光される。
【００４２】
こうして受光バッファ４４ａが反射光の拡散反射成分を受光すると、蓄積された電荷がＣＣＤ４４の転送バッファ４４ｂによって外部に転送され、受光波形信号がＡ／Ｄコンバータ２２に出力される。
【００４３】
そして、受光波形信号はＡ／Ｄコンバータ２２によって受光波形データに変換されて、直前位置Ｂ１において露光時間Ｔｄｕｍｍｙの場合の受光波形データが受光波形データ記憶部１６−１に記憶される。こうして得られる受光波形データは、ＣＣＤ４４のアドレス毎の明るさ（受光量）を示すものである。
【００４４】
一方、図４（ａ）には、理想受光波形データの示す理想受光波形が示されている。この理想受光波形データは、３次元測定装置１０における距離測定を正確に行う際に最適な受光波形データとして、予めＲＡＭ１６の所定の領域に記憶されているものである。
【００４５】
より詳細には、理想受光波形データは、ＣＣＤ４４のアドレス毎の明るさ（受光量）を示すものであり、露光不足ではなく、かつ、飽和していないとともに、明るさの最小値から最大値を経て最小値に到るまでのＣＣＤアドレスの幅Ｗが狭く、明るさの最大値と明るさの最小値との差たるレンジＲが長いものである。
【００４６】
ただし、対象物１００の種類や３次元測定装置１０が配設される環境温度、レーザー・ダイオード４０の出力、ＣＣＤ４４の感度、あるいは、装置の組み付け誤差によって、理想受光波形データは異なるものである。
【００４７】
そのため、例えば、３次元測定装置１０の工場出荷時に、石膏よりなる対象物１００を用いて距離測定を行い、図４（ａ）に近似する受光波形データを得て、当該得られた受光波形データを理想受光波形データとして記憶しておく。なお、こうして得られた理想受光波形データは、例えば、
環境温度：２８℃
レーザー・ダイオード４０の出力：７０μＷ
ＣＣＤ４４の感度：１３Ｖ／ｌｘ・ｓ
の条件下において、
理想受光波形の最大値：１４０
理想受光波形の最小値：７０
ＣＣＤアドレスの幅Ｗ：１２
レンジＲ：７０
理想受光波形の面積：２５０
を有するものである。
【００４８】
そして、直前位置Ｂ１において露光時間Ｔｄｕｍｍｙの場合の受光波形データが示す受光波形が、例えば、図４（ｂ）において実線で示された受光波形であった場合に、この直前位置Ｂにおいて露光時間Ｔｄｕｍｍｙの場合の受光波形データが示す受光波形（図４（ｂ）における実線参照）と、理想受光波形データの示す理想受光波形（図４（ａ）ならびに図４（ｂ）における破線参照）とから次回の露光時間Ｔｔｅｓｔ２を算出する。
【００４９】
具体的には、理想受光波形の面積をＳｉｄｅａｌ（図４（ａ）における斜線領域参照）とし、直前位置Ｂ１において露光時間Ｔｄｕｍｍｙの場合の受光波形データが示す受光波形、即ち、今回の受光波形の面積をＳｎ−１（図４（ｂ）における網掛け領域参照）とする。
【００５０】
ここで、面積Ｓｉｄｅａｌは、受光波形のノイズをカットをするために、理想受光波形データの示す受光波形（図４（ａ）参照）のレンジＲの１／８を明るさの最小値に加えた値を閾値とし、閾値と明るさの最大値との間におけるＣＣＤ４４のアドレス毎の明るさ（受光量）の総和としている。同様に、面積Ｓｎ−１も、直前位置Ｂ１において露光時間Ｔｄｕｍｍｙの場合の受光波形データの示す受光波形（図４（ｂ）における実線参照）のレンジＲの１／８を明るさの最小値に加えた値を閾値とし、閾値と明るさの最大値との間におけるＣＣＤ４４のアドレス毎の明るさ（受光量）の総和とする。
【００５１】
そして、直前位置Ｂ１において図４（ｂ）に示す受光波形を得たときの露光時間Ｔｄｕｍｍｙ、即ち、今回の露光時間をＴｎ−１とすると、次回の露光時間Ｔｎは、
Ｔｎ＝Ｓｉｄｅａｌ／Ｓｎ−１×Ｔｎ−１ ・・・数式１
により求められる。
【００５２】
こうして求められた次回の露光時間Ｔｎは、直前位置Ｂ２におけるレーザー・ビームの照射のときの露光時間Ｔｔｅｓｔ２として用いられる。
【００５３】
つまり、直前位置Ｂ２において露光時間Ｔｄｕｍｍｙの場合の受光波形（図４（ｂ）参照）から露光時間Ｔｔｅｓｔ２を算出した後に、対象物１００とヘッド２６とを移動して、ヘッド２６のレーザー・ダイオード４０からのレーザー・ビームを、投光レンズ４２を介して対象物１００の直前位置Ｂ２に照射する。
【００５４】
この際、直前位置Ｂ１における照射から算出された直前位置Ｂ２における露光時間Ｔｔｅｓｔ２に応じた露光時間制御信号に従って、直前位置Ｂ２における露光時間Ｔｔｅｓｔ２だけＣＣＤ４４の電子シャッターが開放されて、反射光の拡散反射成分がＣＣＤ４４の受光バッファ４４ａに受光される。
【００５５】
そして、直前位置Ｂ１におけるレーザー・ビームの照射（即ち、露光時間Ｔｄｕｍｍｙの場合）と同様にして、この直前位置Ｂ２におけるレーザー・ビームの照射（即ち、露光時間Ｔｔｅｓｔ２の場合）によって得られた受光波形データから、数式１を用いて次回の露光時間Ｔｎを算出する。
【００５６】
こうして求められた次回の露光時間Ｔｎは、直前位置Ｂ３におけるレーザー・ビームの照射のときの露光時間Ｔｔｅｓｔ３として用いられる。
【００５７】
つまり、対象物１００とヘッド２６とを移動して、直前位置Ｂ３においてレーザー・ビームの照射が行われ、算出された露光時間Ｔｔｅｓｔ３だけＣＣＤ４４の電子シャッターが開放されて、反射光の拡散反射成分がＣＣＤ４４の受光バッファ４４ａに受光される。
【００５８】
さらに、直前位置Ｂ１におけるレーザー・ビームの照射（即ち、露光時間Ｔｄｕｍｍｙの場合）と同様にして、この直前位置Ｂ３におけるレーザー・ビームの照射（即ち、露光時間Ｔｔｅｓｔ３の場合）によって得られた受光波形データから、数式１を用いて次回の露光時間Ｔｎを算出し、算出された次回の露光時間Ｔｎを、直前位置Ｂ４におけるレーザー・ビームの照射のときの露光時間Ｔｔｅｓ ｔ４として用いる。
【００５９】
そして、対象物１００とヘッド２６とを移動して、直前位置Ｂ４においてレーザー・ビームの照射が行われ、算出された露光時間Ｔｔｅｓｔ４だけＣＣＤ４４の電子シャッターが開放されて、反射光の拡散反射成分がＣＣＤ４４の受光バッファ４４ａに受光される。
【００６０】
それから、直前位置Ｂ１におけるレーザー・ビームの照射（即ち、露光時間Ｔｄｕｍｍｙの場合）と同様にして、この直前位置Ｂ４におけるレーザー・ビームの照射（即ち、露光時間Ｔｔｅｓｔ４の場合）によって得られた受光波形データから、数式１を用いて次回の露光時間Ｔｎを算出する。
【００６１】
こうして直前位置Ｂたる直前位置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４において４回のレーザー・ビームの照射が繰り返されて、最後に算出された次回の露光時間Ｔｎが、距離測定の開始時の露光時間Ｔ０として用いられる。
【００６２】
そして、ステップＳ２０２の処理が終了すると、ステップＳ２０４に進み、距離測定の開始位置たる対象物１００の測定面の測定ポイントＰ０に、レーザー・ダイオード４０から照射されるレーザー・ビームの光軸が直交するようにして、対象物１００とヘッド２６とを移動する。
【００６３】
ステップＳ２０４の処理に続いて、ステップＳ２０６においては、設定された今回の露光時間で受光波形データが得られる。なお、この距離測定処理ルーチンが起動されて、最初にステップＳ２０６の処理が行われる場合には、ステップＳ２０２において算出された距離測定の開始時の露光時間Ｔ０が用いられる。
【００６４】
つまり、タイミング信号発生回路２０から出力されたタイミング信号に従って、ヘッド２６のレーザー・ダイオード４０からのレーザー・ビームが、投光レンズ４２を介して対象物１００の測定ポイントＰ０に照射される。
【００６５】
そして、レーザー・ダイオード４０からのレーザー・ビームの照射と同期して、受光レンズ５０が受光した対象物１００からの反射光の拡散反射成分が、ＣＣＤ４４の受光バッファ４４ａに受光される。
【００６６】
この際、ステップＳ２０２において算出された露光時間Ｔ０に応じた露光時間制御信号に従ってＣＣＤ駆動回路４８が駆動され、露光時間Ｔ０だけＣＣＤ４４の電子シャッターが開放されて、反射光の拡散反射成分がＣＣＤ４４の受光バッファ４４ａに受光される。
【００６７】
そして、測定ポイントＰ０において露光時間Ｔ０の場合の受光波形データが受光波形データ記憶部１６−１に記憶される。なお、図４（ｃ）には、測定ポイントＰ０において露光時間Ｔ０の場合の受光波形データが示す受光波形の一例が示されている（図４（ｃ）における実線参照）。
【００６８】
ステップＳ２０６が終了すると、ステップＳ２０８に進み、距離データの算出処理が行われる。この距離データの算出処理においては、ステップＳ２０６において受光波形データが受光波形データ記憶部１６−１に記憶された測定ポイントとヘッド２６との距離を示す距離データが、当該測定ポイントにおける受光波形データから算出されるものである。
【００６９】
つまり、この距離測定処理ルーチンが起動されて、最初にステップＳ２０８の処理が行われる場合には、ステップＳ２０６において受光波形データが受光波形データ記憶部１６−１に記憶された測定ポイントＰ０とヘッド２６との距離を示す距離データが、測定ポイントＰ０において露光時間Ｔ０の場合の受光波形データ（図４（ｃ）における実線参照）から算出されるものである。
【００７０】
なお、受光波形データからの距離データの算出は、受光波形データの示す受光波形のピーク位置を算出し、算出されたピーク位置と所定の距離変換テーブルとを用いて算出するなど、各種公知の方法を用いることができ、詳細な説明は省略することとする。
【００７１】
そして、算出された距離データを、距離データ・メモリ１８に記憶すると、ステップＳ２０８の処理を終了して、ステップＳ２１０の処理に進む。
【００７２】
ステップＳ２１０の処理においては、次回の露光時間の算出処理が行われる。具体的には、ステップＳ２０６において受光波形データが受光波形データ記憶部１６−１に記憶された測定ポイントにおける受光波形データから、上記したステップＳ２０２における測定準備処理と同様にして、次の測定ポイントにおける露光時間が算出されるものである。
【００７３】
つまり、この距離測定処理ルーチンが起動されて、最初にステップＳ２１０の処理が行われる場合には、ステップＳ２０６において受光波形データ記憶部１６−１に記憶された測定ポイントＰ０において露光時間Ｔ０の場合の受光波形データ（図４（ｃ）における実線参照）から、次の測定ポイントＰ１における露光時間が算出されるものである。
【００７４】
つまり、測定ポイントＰ０において露光時間Ｔ０の場合の受光波形データが示す受光波形（図４（ｃ）における実線参照）と、理想受光波形データの示す理想受光波形（図４（ａ）ならびに図４（ｃ）における破線参照）とから、次の測定ポイントＰ１における露光時間、即ち、次回の露光時間Ｔｎを算出する。
【００７５】
そして、測定ポイントＰ０において露光時間Ｔ０の場合の受光波形データの示す受光波形（図４（ｃ）における実線参照）のレンジＲの１／８を明るさの最小値に加えた値を閾値とし、閾値と明るさの最大値との間におけるＣＣＤ４４のアドレス毎の明るさ（受光量）の総和を面積Ｓｎ−１とする。
【００７６】
また、測定ポイントＰ０において図４（ｃ）に示す受光波形を得たときの露光時間Ｔ０を今回の露光時間Ｔｎ−１とすると、次回の露光時間Ｔｎは上記した数式１により求められる。ここで求められた次回の露光時間Ｔｎは、測定ポイントＰ０の次の測定ポイントである測定ポイントＰ１における露光時間Ｔ１として用いられるものであり、ステップＳ２０６における今回の露光時間として設定される。
【００７７】
ステップＳ２１０を終了すると、ステップＳ２１２の処理に進み、測定ポイントは最後の測定ポイントか否かを判断し、測定ポイントが最後の測定ポイント、即ち、測定ポイントＰｍであると判断された場合には、この距離測定処理ルーチンを終了する。
【００７８】
一方、測定ポイントが最後の測定ポイント、即ち、測定ポイントＰｍではないと判断された場合には、ステップＳ２１４の処理に進み、次の測定ポイントに、レーザー・ダイオード４０から照射されるレーザー・ビームの光軸が直交するようにして、対象物１００とヘッド２６とを移動する。
【００７９】
ステップＳ２１４の処理が終了すると、ステップＳ２０６の処理に戻り、ステップＳ２１２の処理において、測定ポイントが最後の測定ポイントであると判断されるまで、即ち、対象物１００の全ての測定ポイントにおいてステップＳ２０６乃至ステップＳ２１０の処理が繰り返される。
【００８０】
そして、この距離測定処理ルーチンの処理により、距離データ・メモリ１８に記憶された距離データは、ＣＰＵ１２により通信回路５２を介してコンピューター５４に出力され、コンピュータ５４によって対象物１００全体の距離画像を得る処理がなされる。
【００８１】
上記したように、本発明による３次元測定装置における露光制御装置の実施の形態の一例を備えた３次元測定装置１０においては、理想受光波形データの示す受光波形の面積Ｓｉｄｅａｌを今回の露光時間Ｔｎ−１のときの面積Ｓｎ−１で除算した商に、今回の露光時間Ｔｎ−１を乗算して次回の露光時間Ｔｎを算出するようにしたので、対象物１００の変化に対して露光時間の変更の追従が速く、露光時間の変更の高速処理が可能になり、リアルタイムでの測定ができる。
【００８２】
ここで、本発明による３次元測定装置における露光制御装置とは異なる他の方法の一例として、受光波形のピーク値から次回の露光時間を算出する方法がある。 具体的には、受光波形の明るさの最大値と最小値とからレンジＲの中位Ｒｍｉｄを算出する。そして、今回の露光時間をＴｎ−１とすると、次回の露光時間Ｔｎは、
Ｔｎ＝Ｒｍｉｄ／Ｒ×Ｔｎ−１ ・・・数式２
により求められる。
【００８３】
しかしながら、こうして数式２により受光波形のピーク値から次回の露光時間を算出する方法は、本願の数式１により受光波形の面積から次回の露光時間を算出する方法に比べて、次工程に送るための時間の変動が大きいものである。
【００８４】
例えば、受光波形のピーク値から次回の露光時間を算出する方法においては、レンジＲはＣＣＤの性能から最大でも７０までの値しかとることができない。このため、レンジＲの値が１変化した場合、例えば、今回のレンジＲ＝６０（数式３参照）で次回のレンジＲ＝５９（数式４参照）に変化した場合には、今回の露光時間Ｔｎ−１＝１０００として、
Ｔｎ＝３０／６０×１０００＝５００
Ｔｎ＝３０／５９×１０００＝５０８
となり、数式２より得られる次回の露光時間Ｔｎの差は「８」になってしまう。
【００８５】
これに対して、本願の数式１により受光波形の面積から次回の露光時間を算出する方法は、今回の受光波形の面積Ｓｎ−１の値が１変化した場合、例えば、今回のＳｎ−１＝５００（数式５参照）で次回のＳｎ−１＝４９９（数式６参照）に変化した場合には、今回の露光時間Ｔｎ−１＝１０００ならびに理想受光波形の面積Ｓｉｄｅａｌ＝２５０として、
Ｔｎ＝２５０／５００×１０００＝５００
Ｔｎ＝２５０／４９９×１０００＝５０１
となり、数式１より得られる次回の露光時間Ｔｎの差は「１」である。このようにして、本願の数式１により受光波形の面積から次回の露光時間を算出する方法によれば、次工程に送るための時間の変動を小さくおさえることができる。
【００８６】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（５）に説明するように変形してもよい。
【００８７】
（１）上記した実施の形態においては、光照射手段としてレーザー・ダイオード４０を用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、マルチ・モード・レーザー発振器などのような各種のレーザー発振器やランプなどを用いるようにしてもよい。
【００８８】
（２）上記した実施の形態においては、ＣＣＤ４４において受光バッファ４４ａが反射光の拡散反射成分を受光し、その後、転送バッファ４４ｂによって蓄積された電荷が外部に転送されるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、受光バッファ４４ａが反射光の拡散反射成分を受光するのと同時に、転送バッファ４４ｂによって蓄積された電荷をＣＣＤ４４の外部に転送するようにしてもよい。この際、得られる受光波形は前回のレーザー・ビームの照射のときのものであるが、処理に費やす時間が半分で済むので、より高速な処理を実現することができる。
【００８９】
また、上記した実施の形態においては、イメージ・センサとしてＣＣＤ４４を用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、各種のイメージ・センサを適宜に用いるようにしてもよい。
【００９０】
（３）上記した実施の形態においては、受光波形データや距離データをぞれぞれ受光波形データ記憶部１６−１や距離データ・メモリ１８に記憶するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、各種データを記憶する領域、この３次元測定装置の内部あるいは外部において処理するかなどは適宜変更するようにしてもよい。
【００９１】
（４）上記した実施の形態においては、「角度θ＝１°」の場合について説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、角度θとして任意の角度を設定することができる。また、ヘッド２６やターン・ターブル２４の駆動方法や駆動方向は、上記した実施の形態に限られるものではないことは勿論であり、対象物１００の種類などに応じて全ての測定ポイントが測定可能なように適宜変更してもよい。
【００９２】
（５）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（４）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【００９３】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、対象物の変化に対して迅速に露光時間を変更することができるという優れた効果を奏する。
【００９４】
また、本発明は、露光時間の変更の高速処理を可能にし、リアルタイムでの測定を実現することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による３次元測定装置における露光制御装置の実施の形態の一例を備えた３次元測定装置のブロック構成図である。
【図２】本発明による３次元測定装置における露光制御装置の実施の形態の一例を備えた３次元測定装置の距離測定処理ルーチンのフローチャートである。
【図３】本発明による３次元測定装置における露光制御装置の実施の形態の一例を備えた３次元測定装置の距離測定のときの動作を説明する説明図である。
【図４】受光波形データの示す受光波形を示す波形図であり、（ａ）は理想受光波形データの示す受光波形を示す波形図であり、（ｂ）は直前位置における受光波形データの示す受光波形の一例を示す波形図であり、（ｃ）は測定ポイントにおける受光波形データの示す受光波形の一例を示す波形図である。
【符号の説明】
１０ ３次元測定装置
１２ 中央制御装置（ＣＰＵ）
１４ リード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）
１６ ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）
１６−１ 受光波形データ記憶部
１８ 距離データ・メモリ
２０ タイミング信号発生回路２０
２２ アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ
２４ ターン・テーブル
２６ ヘッド
３０ Ｘモーター
３２ Ｙモーター
３４ Ｂモーター
４０ レーザー・ダイオード
４２ 投光レンズ
４４ ＣＣＤ
４４ａ 受光バッファ
４４ｂ 転送バッファ
４６ レーザー・ダイオード駆動回路
４８ ＣＣＤ駆動回路
５０ 受光レンズ
５２ 通信回路
５４ コンピューター
１００ 対象物
Claims (1)
- 対象物に光を照射する光照射手段と、
前記光照射手段により光が照射された前記対象物からの反射光を露光時間だけ受光し、該受光した反射光に応じた受光波形信号を出力する受光手段と、
前記受光手段から出力された受光波形信号を前記受光手段が前記対象物からの反射光を受光した位置毎の明るさからなる受光波形データに変換する変換手段と、
前記受光手段が前記対象物からの反射光を受光した位置毎の明るさからなる所定の理想受光波形データを記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された理想受光波形データの位置毎の明るさの総和を、前記受光手段が今回の露光時間で前記対象物からの反射光を受光して出力した受光波形信号が、前記変換手段によって変換された受光波形データの位置毎の明るさの総和で除算した商に、今回の露光時間を乗算して次回の露光時間を算出する算出手段と
を有する３次元測定装置における露光制御装置。
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