JP5225631B2 - 測定プローブおよびその制御方法 - Google Patents
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Description
この構成では、第1の時間期間、カメラは、構造化光パターンを測定物表面上に撮像してプローブに対する第1の距離範囲内で表面測定データを提供するように動作可能である。次いで、第2の時間期間、カメラは相対的に集中した照明を測定物表面上に撮像して第2の距離範囲内で表面測定データを提供するように動作可能である。この第2の時間期間の測定は、第1の時間期間の精密測定とは異なる測定レンジとして利用することができ、例えば、構造化光の画像範囲を大きく越えて延在する範囲にわたって測定物の表面までのおおよその距離を求めるための「距離測定」機能として用いることができる。
図1は、座標測定システム100を示す図である。
座標測定システム100は、座標測定機コントローラ(CMMコントローラ)120と、コンピュータ・ユーザインタフェース160と、非接触プローブコントローラ170と、座標測定機200とを備える。座標測定機コントローラ120は、プローブヘッドコントローラ130と、位置ラッチ140と、動作コントローラ150とを備える。座標測定機200は構造化光を用いる非接触プローブ110を備える。
非接触プローブ110’は、プローブハウジング205と、レーザ生成素子230(ビーム生成要素)と、ミラー232及び232’と、ビーム変調要素モータ235(ビーム変調要素駆動手段)と、回転ビーム変調要素240と、空間光変調器250と、投影光学素子255と、カメラ光学素子265と、カメラ270と、照明光学素子273と、プローブ制御インタフェース電子回路290とを備える。
プローブ制御インタフェース電子回路290は、詳細に後述する信号処理動作を提供するための既知の回路技術及び/又はソフトウェア技術を用いる復号器部分225を備える。
プローブ制御インタフェース電子回路290は、レーザ電力及び制御線233と、ビーム変調要素モータ電力及び制御線237と、受光素子電力及び信号線238と、空間光変調器電力及び制御線239と、カメラトリガ及び制御線275aと、カメラ電力線275bと、アナログビデオ出力線275cとを含む、さまざまな信号線を通じて信号を送受信する。レーザ電力及び制御線233は、レーザ生成素子230のための制御及び電力線を提供するマイクロバスであってもよい。レーザ生成素子230は、固体レーザであり、例えば、レーザ生成素子230は約100ミリワットの光出力を提供してもよい。
通常時には、レーザ生成素子230からのビームは、ビーム変調要素240の拡散部分(第1の部分)を通過して、拡散レーザビーム231として、ビーム変調要素240から第1のビーム経路に沿って出力される。拡散レーザビーム231は、プローブに対する「Z−プローブ」測定方向に沿って、比較的狭い測定範囲にわたり、構造化光を用いる測定動作に用いられる相対的に拡散した照明を提供する。
一方、偏向器部分がレーザ生成素子230の正面にある場合、レーザビームは偏向器部分(第2の部分)を通過して、Z−プローブ方向に沿った相対的に広い範囲にわたる測定(「距離測定」)及び/又は衝突検出に用いられる相対的に集中した照明を提供する集中レーザビーム231’として、ビーム変調要素240から第2のビーム経路に沿って出力される。レーザビーム231及び231’のそれぞれの経路、並びに距離測定動作を、以下に詳述する。
ビーム変調要素240の拡散部分は、通常の測定物測定動作中にカメラ270によって取り込まれる構造化光を用いる測定物画像からの斑点(スペックル)をなくすために用いられる。拡散部分は、選択された値の実効開口数(NA)(たとえば、NA=0.5)を提供することができる。回転するビーム変調要素240の拡散部分は、レーザビーム231を、提供されたNAに従って発散しミラー232から反射して照明光学素子273に入射する拡散光として出力する。
照明光学素子273は、空間光変調器250を通過するときに拡散光が完全に平行な光束とならない場合があるが、測定物の適切な構造化光照射のために、十分に拡散光が平行な光束になり得るケーラー照明を提供するように設計されている。投影光学素子255の第1のレンズは、構造化光照射を空間光変調器250から開口260における焦点まで運んでもよく、開口260は、投影パターン面262における構造化光パターン画像の被写界深度を制御するために用いられてもよい。空間光変調器250は、米国ニューヨーク州ニューヨーク所在のソニー・コーポレーション社から入手可能なSony LCX017AL等の市販の空間光変調器であってもよい。
開口260は、許容可能な画像空間分解能を提供し、像収差を最小限に抑え、光学素子255のための許容可能なエネルギースループットを提供するサイズにすることができる開口絞りである。開口260は、公称投影パターン面262に近接する構造化光パターンの投影画像の被写界深度をも左右することがあり、公称投影パターン面262は、カメラ光学素子265の公称焦点面でもある。被写界深度は、図3に示される構造化光を用いる測定範囲R1とほぼ同じであってもよい。一実施形態では、投影構造化光画像及びカメラ光学素子265の両方の被写界深度は、約±6ミリメートルである。
カメラ270からの画像は既知の三角測量法を用いて分析することができる。カメラ270は電子回路290内にあるか又は(それ自体の制御回路及び/又はソフトウェアを有する統合カメラシステムであり得る)カメラ270自体の中にある場合がある制御電子回路を有する。
次いで、各等高線ストライプからの情報を再結合して測定物の測定された表面の三次元表面マップを生成することができる。本発明による上記のプローブ制御及び測定動作並びに他の動作を提供するのに使用可能なさまざまな構成要素、制御信号技法、及び信号処理技法が本発明者による米国特許出願11/494972号に詳細に記載されており、これは参照によりその全体が本明細書に援用される。
集中レーザビーム231’はミラー232’によってカメラ270の視野に反射され、ここで測定物表面上に集中した照明のスポットを生成することができ、これはカメラによって撮像されて距離測定画像を形成する。距離測定画像は、構造化光を用いる測定画像に関して上記で概説したように取得及び出力されてもよい。
集中レーザビーム231’は集中スポット画像を提供するため、距離測定画像はカメラ光学素子265の被写界深度からずっと外側の表面から取得され得る。このような場合には、距離測定画像内のスポットは焦点から外れることがあるが、画像内のその公称「中心位置」は、依然として(たとえば、既知の画像処理方法を用いてスポットの中心を探すことによって)分析し、比較的正確な距離測定値を提供することができる。距離測定に関連する付加的な考慮事項及び関連する動作を以下に詳述する。
図2及び図3に示されるプローブの実施形態は、受光素子電力及び信号線238を介して電子回路290に同期化信号を出力することができる受光素子236を備える。図2及び図3に示されるように、受光素子は、拡散レーザビーム231の、構造化光パターンを提供するのに必要でない部分を受け取るように位置付けられてもよく、拡散レーザビーム231が存在する場合に高い値の信号を出力する。集中レーザビーム231’が存在する場合、受光素子236は低い値の信号を出力する。
受光素子236からの信号出力の遷移は、電子回路290によって、さまざまな画像化動作を同期化するための基準時間信号及び/又はトリガ信号を提供するために用いられてもよい。それらはまた、さまざまな実施形態において、ビーム変調要素モータ235の速度を制御するためのフィードバック信号として用いられてもよい。
図3に示されるように、カメラ270のおおよその中心は、カメラ光学素子265の公称面から距離bのところに位置決めされてもよく、カメラはカメラ光学素子265の光軸に対して垂直な面に対して角度βだけ回転してもよい。角度βは、構造化光画像を取得するための公称対物面でもある公称投影面262に関してシャインプルーフ構成を提供するように選択されてもよい。カメラの中心からその撮像アレイの端までの寸法はほぼx1であってもよい。したがって、画像内に含まれてもよい光軸と最も外側の光ビーム271(図3の下端付近に示す)との間の角度εはおおよそ次の式1に示す通りとなる。
回転ディフューザをこのように製造及び使用するさまざまな技法が、米国特許出願公開第2005/0207160号、及び米国特許第6,081,381号、及び同第6,643,024号に開示されており、これらの特許文献のそれぞれは、参照によりその全体が本明細書に援用される。
図5に示されるように、ブロック610において、ビーム変調要素の第1の部分がレーザビーム内に位置付けられる。これは、ビーム変調要素が回転している間にレーザからのビームの経路内に位置付けられているビーム変調要素の拡散部分に相当する。
ブロック615において、レーザビームが第1の部分から出力され、第1のビーム経路に沿って相対的に拡散した照明として進行する。換言すれば、レーザビームがビーム変調要素の拡散部分を通過した後に、ビームは部分的に拡散して、それによって構造化光画像のための照明を提供するときにスペックルを抑制するのに用いることができる。一般に、第1の部分は部分的に拡散した照明を所定の開口数に従っておおよそ発散させることもできる。第1のビーム経路は1つ又は複数の偏向ミラーを含んでもよい。
ブロック625において、パターニングされた拡散照明が投影されて、プローブに対する第1の距離範囲である構造化光の画像範囲(たとえば、図3に示される構造化光の画像範囲R1)に対して構造化光パターンが提供される。
ブロック630において、構造化光の画像範囲内に測定物表面が存在する場合、測定物表面上の構造化光パターンに関して画像が撮像され、プローブに対する第1の距離範囲内で表面測定データが提供される。換言すれば、プローブカメラによって撮像される三角測量画像の観点から、構造化光パターン(たとえば、光ストライプ)が、測定物表面の各部分の高さによって決まる等高線を形成する。結果として得られるデータを分析して測定物の、プローブに対する第1の距離範囲内の(たとえば、カメラ光学素子及び構造化光投影光学素子の被写界深度内の)正確な三次元表面マップを確定することができる。
ブロック643において、レーザビームが第2の部分から出力され、プローブに対する第2の距離範囲である距離測定の画像範囲を通って延在する第2のビーム経路に沿って相対的に集中した照明として進行する。換言すれば、レーザビームはコンパクトな、相対的に集中したビーム(たとえば、コリメートされた集中ビーム)であり、これはビーム変調要素の偏向部分を通過して、偏向部分によって第2のビーム経路に沿って偏向される集中ビームを残し、距離測定画像内の集中照明の領域(たとえば、スポット)を提供する。ここで、第2のビーム経路は1つ又は複数の偏向ミラーを含んでもよい。
したがって、本発明によって構成されるプローブは、ごく少数の部品を用いて、簡単で、高速で、且つ多用途の様式で、複数の測定範囲にわたって複数のタイプの三角測量を提供することができる。
たとえば、1つの単純な実施形態では、非接触プローブコントローラ170及び/又はコンピュータ・ユーザインタフェース160は、距離測定画像を取得するのに適切な1組のプローブ構成要素制御信号を、プローブ制御インタフェース電子回路290に単に周期的に送信してもよい。これは、さまざまな構造化光を用いる画像プローブの構成要素の制御信号をプローブに送信するための、その特許文献に記載される方法と同じ方法を用いて為されてもよい。このような1つの実施形態では、プローブ制御インタフェース電子回路290は、周期的に送信される1組の距離測定画像制御信号に含まれるコード又は信号によってイネーブルされる単純な「抑制」論理回路又は手順を含んでもよい。このような信号がプローブ制御インタフェース電子回路290内で受信されると、抑制論理回路は、たとえば、上記で説明したように、受光素子236の出力から導出される「拡散照明なし」同期化信号を受信しない限り、カメラトリガ信号を抑制することができる。したがって、相対的に集中した照明がその対応する光路に沿って存在する場合に距離測定画像が取得されることが保証され得る。
110…非接触プローブ
115…データ伝送線
120…座標測定機コントローラ
130…プローブヘッドコントローラ
140…位置ラッチ
150…動作コントローラ
160…コンピュータ・ユーザインタフェース
170…非接触プローブコントローラ
175…コネクタ
200…座標測定機
205…プローブハウジング
215…プローブヘッドケーブル
217…座標測定機クイル
220…プローブヘッド
225…復号器部分
230…レーザ生成素子
231…レーザビーム
232…偏向ミラー
233…制御線
235…ビーム変調要素モータ
236…受光素子
237…制御線
238…信号線
239…制御線
240…回転ビーム変調要素
240A…偏向器部分
240B…偏向器部分
240D…拡散部分
250…空間光変調器
255…投影光学素子
260…開口
262…公称投影パターン面
265…カメラ光学素子
270…カメラ
271…画像化光ビーム
272…画像化光ビーム
273…照明光学素子
275c…アナログビデオ出力線
275b…カメラ電力線
275a…制御線
280…プローブオートジョイント接続部
285…接続線
290…プローブ制御インタフェース電子回路
b…距離
BP…ビーム経路
LS1…レーザスポット
LS2…レーザスポット
R1…画像範囲
R2far…距離測定範囲
R2LL…下限
R2near…距離測定範囲
w…距離
Claims (16)
- 構造化光を用いて測定物の寸法を測定する非接触式の測定プローブであって、
前記測定物の表面を撮影可能な少なくとも1つのカメラと、
入力された光ビームを相対的に拡散した照明として出力する第1の部分及び前記光ビームを相対的に集中した照明として出力する第2の部分を含むビーム変調要素と、
前記光ビームを生成するビーム生成要素と、
前記ビーム生成要素で生成された光ビームが前記第1の部分および前記第2の部分に入力されるように前記ビーム変調要素を駆動するビーム変調要素駆動手段と
前記第1の部分からの相対的に拡散した照明をパターニングして構造化光パターンを生成する空間光変調器と、
前記第1の部分から前記空間光変調器を経て前記測定物に至るとともに、前記測定物が第1の距離範囲内にあるときに前記測定物の表面上に前記構造化光パターンを投影する第1のビーム経路と、
前記第2の部分から前記測定物に至るとともに、前記測定物が前記第1の距離範囲より大きな第2の距離範囲内にあるときに前記測定物の表面上に前記集中した照明を投影する第2のビーム経路と、
を備え、 前記光ビームを前記第1のビーム経路に沿って出力した際に、前記測定物の表面上に形成される構造化光パターンを前記カメラで撮像して前記第1の距離範囲内での表面測定データを提供するとともに、
前記光ビームを前記第2のビーム経路に沿って出力した際に、前記測定物の表面上に形成される前記相対的に集中した照明を前記カメラで撮像して前記第2の距離範囲内での表面測定データを提供する
ことを特徴とする測定プローブ。 - 請求項1に記載の測定プローブにおいて、
前記第1の部分は、部分的に拡散した照明を出力するディフューザ部分を含むことを特徴とする測定プローブ。 - 請求項1に記載の測定プローブにおいて、
前記第1の部分は、全体として発散しかつ部分的に拡散した照明を出力することを特徴とする測定プローブ。 - 請求項2に記載の測定プローブにおいて、
前記第2の部分は偏向器部分を含むことを特徴とする測定プローブ。 - 請求項1から請求項4の何れかに記載の測定プローブにおいて、
前記少なくとも1つのカメラは、前記構造化光の画像範囲内の測定物表面上の前記構造化光パターンを撮像するように姿勢制御可能であり、かつ前記距離測定の画像範囲内の表面上の前記相対的に集中した照明を撮像するように姿勢制御可能である単一のカメラであることを特徴とする測定プローブ。 - 請求項1から請求項5の何れかに記載の測定プローブにおいて、
前記測定物の表面上の前記相対的に集中した照明の前記画像は不鮮明なスポットを含むことを特徴とする測定プローブ。 - 請求項6に記載の測定プローブにおいて、
前記画像内の前記不鮮明なスポットの位置が座標測定系内で分析されて、前記プローブに対する前記第2の距離範囲内で前記表面の照明される部分のおおよその配置が確定されることを特徴とする測定プローブ。 - 請求項1から請求項7の何れかに記載の測定プローブにおいて、
前記構造化光の公称画像範囲は最大で10mmに及び、前記距離測定の公称画像範囲は少なくとも50mmに及ぶことを特徴とする測定プローブ。 - 請求項8に記載の測定プローブにおいて、
前記距離測定の公称画像範囲は少なくとも75mmに及び、前記構造化光の公称画像範囲を含むことを特徴とする測定プローブ。 - 請求項9に記載の測定プローブにおいて、
前記第2の距離範囲は、前記第1の距離範囲に含まれる前記プローブからの最大距離よりもさらに少なくとも75mmだけ前記プローブから離れた距離を含むことを特徴とする測定プローブ。 - 請求項1に記載の測定プローブにおいて、
前記第1の経路及び前記第2の経路の少なくとも一方に沿って配置される少なくとも1つの反射表面を備え、前記構造化光パターンが前記プローブから前記カメラの光学系の光軸に対して第1の角度で投影され、かつ前記相対的に集中した照明が前記プローブからその光学系の前記光軸に対して第2の角度で投影されるように構成されることを特徴とする測定プローブ。 - 請求項11に記載の測定プローブにおいて、
前記第2の角度は前記第1の角度よりも小さいことを特徴とする測定プローブ。 - 請求項1に記載の測定プローブにおいて、
前記測定プローブは座標測定機オートジョイント接続を備え、前記構造化光を用いる測定プローブへの、及び該構造化光を用いる測定プローブからの全ての絶縁導体電力接続、絶縁導体接地接続、及び絶縁導体信号接続は、前記座標測定機オートジョイント接続に含まれるコネクタピンによって形成されることを特徴とする測定プローブ。 - 請求項13に記載の測定プローブにおいて、
前記プローブはプローブインタフェース回路を備え、前記構造化光の投影部分は制御可能なアレイタイプの空間光変調器を含むことを特徴とする測定プローブ。 - 請求項1に記載の測定プローブにおいて、
前記光ビーム生成要素は半導体レーザを含むことを特徴とする測定プローブ。 - 構造化光を用いて測定物の寸法を測定するための非接触式の測定プローブの制御方法であって、
前記測定物の表面を撮影可能な少なくとも1つのカメラと、
入力された光ビームを相対的に拡散した照明として出力する第1の部分及び前記光ビームを相対的に集中した照明として出力する第2の部分を含むビーム変調要素と、
前記光ビームを生成するビーム生成要素と、
前記ビーム生成要素で生成された光ビームが前記第1の部分および前記第2の部分に入力されるように前記ビーム変調要素を駆動するビーム変調要素駆動手段と
前記第1の部分からの相対的に拡散した照明をパターニングして構造化光パターンを生成する空間光変調器と、
前記第1の部分から前記空間光変調器を経て前記測定物に至るとともに、前記測定物が第1の距離範囲内にあるときに前記測定物の表面上に前記構造化光パターンを投影する第1のビーム経路と、
前記第2の部分から前記測定物に至るとともに、前記測定物が前記第1の距離範囲より大きな第2の距離範囲内にあるときに前記測定物の表面上に前記集中した照明を投影する第2のビーム経路と、
を備えた測定プローブを用い、
第1の時間期間には、前記ビーム変調要素の前記第1の部分を選択し、前記光ビームを前記第1のビーム経路に沿って出力し、前記測定物の表面上に形成される構造化光パターンを前記カメラで撮像して前記第1の距離範囲内での表面測定データを提供するとともに、
第2の時間期間には、前記ビーム変調要素の前記第2の部分を選択し、前記光ビームを前記第2のビーム経路に沿って出力し、前記測定物の表面上に形成される前記相対的に集中した照明を前記カメラで撮像して前記第2の距離範囲内での表面測定データを提供する
ことを特徴とする測定プローブの制御方法。
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