JP5440801B2 - 基準球検出装置、基準球位置検出装置、及び、三次元座標測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、基準球検出装置、この基準球検出装置を備えた基準球位置検出装置、及び、この基準球位置検出装置を備えた三次元座標測定装置に関する。

近年、種々のセンサ（非接触センサ）を用いて物体の三次元形状を測定する要求が高まっている。これらのセンサはｘ、ｙ、ｚ軸の平行移動とそれぞれの軸の回りに回転できる５軸または６軸の制御可能な機構に取り付けられている。また、被計測物の三次元形状の測定を行うセンサをロボットアームに取り付け、種々の位置、角度から形状を計測する事例が多くなってきた。特に、センサをロボットアームに取り付けた場合、センサの位置、姿勢を正確に求めた上で、データを繋ぎあわせなければ、精度の高い三次元形状を得ることができない。その一例として、センサの移動範囲全体を撮像できる複数のカメラを用い、それぞれの画像を解析すること（ステレオ写真法）により、センサの位置、姿勢を計測することができる装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特表平８−５１０８３５号公報

しかしながら、このような従来の手法で更に高い精度を達成するためには、画素サイズを細かくする必要があり、カメラの画素数を増やす、若しくは、センサの移動範囲を狭める（視野を狭める）などの対策が必要になる。このとき、カメラの画素数を増やす手法では画素数に限界（4,000×4,000＝1,600万）があり、センサの移動範囲を狭める手法では仕様の低下を招くという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、高い測定精度と広い計測範囲を両立させることができる基準球検出装置、この基準球検出装置を備えた基準球位置検出装置、及びこの基準球位置検出装置を備えた三次元座標測定装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る基準球検出装置は、光源、この光源からの光を集光して前側焦点位置若しくはその近傍に位置する基準球に照射する集光レンズ、及び、この集光レンズの後側焦点位置に配置され、基準球からの反射光を受光して検出する受光部、を有する光学ユニットと、基準点を中心にこの光学ユニットを回転移動させる駆動部と、受光部で検出した反射光の受光位置に基づいて、当該反射光が受光部の所定の基準位置に到達するように駆動部を制御して光学ユニットを回転移動させる制御部と、を有する。

このような基準球検出装置において、光学ユニットは、結像レンズと、この結像レンズで結像された基準球の像を検出する画像検出部とを有し、制御部は、画像取得部で検出した基準球の像に基づいて、反射光が受光部に入射するように駆動部を制御して光学ユニットを回転移動させることが好ましい。

また、このような基準球検出装置において、駆動部は、光学ユニットを水平方向及び鉛直方向に回転移動させるように構成されることが好ましい。

また、このような基準球検出装置は、前記光学ユニットの水平方向及び鉛直方向の角度を検出する角度検出部を有することが好ましい。

さらに、このような基準球検出装置において、光学ユニットは、測長用干渉光学系を更に備えることが好ましい。

また、本発明の基準球位置検出装置は、上述の基準球検出装置のいずれかを、所定の間隔を介して２組有し、この２組の基準球検出装置により計測された方位角及び仰角、並びに、所定の間隔に基づいて、基準球の中心の三次元座標を計測するよう構成される。

さらに、本発明の三次元座標測定装置は、被測定物の外面に上取り付けた少なくとも２つ以の基準球と、これらの基準球の数に対応する少なくとも２組以上の上述の基準球位置検出装置と、を有し、複数の基準球の三次元座標を、対応する基準球位置検出装置の各々で測定し、当該測定により得られた測定値に基づいて、被測定物の位置及び姿勢を検出するよう構成される。

本発明に係る基準球検出装置、基準球位置検出装置、及び三次元座標測定装置を以上のように構成すると、広い範囲の空間座標を高い精度で測定することができる。

本発明に係る基準球検出装置の構成を説明するための説明図である。 レーザビームの入射位置に対する基準球での反射方向の原理を説明するための説明図である。 本発明に係る基準球位置検出装置の概念を説明するための説明図である。 本発明に係る基準球検出装置に測長用干渉光学系を設けた場合の構成を説明するための説明図である。

符号の説明

１ レーザ（光源） ３，３３ ハーフミラー ４ ダイクロイックミラー
５ レンズ ６，１６，２６ 基準球 ８ 受光部（第１の撮像素子）
９ レンズ １０ 画像受光部（第２の撮像素子）
３１ シャッター ３２ 参照ミラー ３４ 干渉光受光部 ６０ 制御部
１００ 基準球検出装置 ２００ 基準球位置検出装置

（基準球検出装置）
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて基準球検出装置１００の構成について説明する。この図１に示されるように、基準球検出装置１００は、基準球６に向けてレーザビーム２を照射し、基準球６で反射した反射光７を受光することによりこの基準球６に対する位置を検出する光学ユニット５０と、この光学ユニット５０の方位角及び仰角をそれぞれ検出する角度検出部１２，１３（例えば、ロータリーエンコーダなど）と、光学ユニット５０を水平方向、鉛直方向にそれぞれ回転移動させる駆動部１４，１５（例えば、ステッピングモータや油圧シリンダなど）と、基準球検出装置１００全体の作動を制御する制御部１６とを備えて構成される。

光学ユニット５０は、基準球６に向けてレーザビーム２を射出するレーザ光源１を有し、このレーザ光源１側から順にレービーム２の光路上に配置された、ハーフミラー３と、ダイクロイックミラー４と、レーザビーム２を集光する集光レンズ５とを有している。ここで、この光学ユニット５０は、集光レンズ５の前側焦点位置若しくはその近傍に、基準球６の中心が位置するように配置されいている。また、この光学ユニット５０は、基準球６で反射された反射光７を受光する受光部としての第１の撮像素子８（例えば、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなど）を有し、この第１の撮像素子８は、ハーフミラー３の側方に配置されている。ここで、第１の撮像素子８は、集光レンズ５の後側焦点位置、若しくはその近傍に配置されている（以降の説明では、この光学系を「追尾用光学系Ａ」と呼ぶ）。また、光学ユニット５０は、ダイクロイックミラー４の側方に、このダイクロイックミラー４側から順に、結像レンズ９と、第２の撮像素子１０（例えば、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなど）とを備えており、基準球６で反射した光線（例えば可視光）は、ダイクロイックミラー４で反射されて第２の撮像素子１０で検出される（以降の説明では、この光学系を「ラフアライメント用光学系Ｂ」と呼ぶ）。

なお、レーザ光源１として半導体レーザを用いる場合は、このレーザ光源１に、不図示のコリメータレンズが備えられる。

基準球６は、球面を有するものであれば良く、追尾用光学系Ａに向けた面が、凸面でも凹面でも良いが、凸面の方が好ましい。また、追尾用光学系Ａの方向に凸面を向けた少なくとも半球以上の球面を有することがより好ましく、完全な球体とするのが最も好ましい。このような形状の基準球６であれば、その直径をノギスなどの測定具で正確かつ簡単に測定することができ、基準球６の中心位置の検出を高精度に行えるからである。

それでは、基準球検出装置１００により行われる基準球検出処理について説明する。レーザ光源１より射出されたレーザビーム２は平行光束の状態でハーフミラー３及びダイクロイックミラー４を透過し、集光レンズ５によって基準球６の中心付近に集光される。このとき、集光レンズ５の開口数（ＮＡ）は、焦点深度を考慮して０．００２より小さいことが望ましい。波長λを０．６μｍとすると焦点深度は±λ／２ＮＡ²であるから、±７
５ｍｍとなる。

ここで、図２を用いて、基準球６に照射されたレーザビーム２の反射方向について説明する。基準球６は、完全な球体であり、表面は研磨されているため、レーザビーム２がこの基準球６の中心を通るように入射したとすれば（図２におけるレーザビーム２ａ）、その反射光７は光軸に沿って入射方向に反射される。これに対して、基準球６の中心を通る光軸とレーザビーム２の中心軸がδずれていたとすれば（図２におけるレーザビーム２ｂ）、反射光１７は入射方向とは異なる方向に反射される。基準球６の半径をｒとすると、反射光１７の偏角Δは以下の式（１）により求められる。

Δ ＝ ２δ／ｒ （１）

基準球６で反射された反射光７，１７は、ダイクロイックミラー４を透過し、ハーフミラー３で反射されて第１の撮像素子８に到達する。レーザビーム２ａとして示すように、レーザビーム２が基準球６の中心を通る場合の反射光７が、第１の撮像素子８の中心であるＯ点（基準位置）に到達するように追尾用光学系Ａを構成している場合、レーザビーム２ｂとして示すように、レーザビーム２が基準球６の中心から、少しずれた場合の反射光１７は、第１の撮像素子８のＯ点からずれたＰ点（受光位置）に到達する。例えば、基準球の半径ｒが５ｍｍで、ずれ量δ＝１μｍの場合を考えると、式（１）で求められる偏角Δは、約８３秒となる。集光レンズ５の焦点距離を１００ｍｍとしたときに、反射光１７は第１の撮像素子８上のＯ点から、８３秒×１００ｍｍ＝４０μｍずれた位置（Ｐ点）に到達することになる。そのため、以上のような構成とすれば、基準球６に対するずれ量δが１μｍの場合でも、第１の撮像素子８の解像度を考慮すれば、そのずれを十分検出することができる。

従って、レーザビーム２を基準球６の中心に命中させるためには、式（１）で得られた値を基に、反射光１７が第１の撮像素子８の中心Ｏ点（基準点）に到達する、すなわち、反射光７と一致するよう、制御部１６にて光学ユニット５０の方向（追尾用光学系Ａの方向）を制御すればよい。具体的には、制御部１６は、反射光１７が第１の撮像素子８の中心Ｏ点に到達するよう、駆動部１４，１５により光学ユニット５０の基準点を中心にこの光学ユニット５０を水平方向又は鉛直方向に回転移動させる。

なお、後述するように、このＯ点への位置合わせ後の角度検出部１２，１３での測定値が、追尾用光学系Ａの初期位置からの基準球６の中心方向の方位角及び仰角となる。また、基準球６の三次元の中心座標は、上述の基準球検出装置１００（トラッカー）を少なくとも２組用意し、おのおのの光学系から基準球６の中心までの方位角を計測すればよい（詳細は後述する）。

次に基準球６が、図１に点線で示される基準球１６の位置にある場合を考える。レーザビーム２と基準球６の中心がずれた場合の偏角は、前述の式（１）で決定されるので、この場合の反射光１７′は、レーザビーム２が基準球６の中心を通る光軸からδずれて入射したときの反射光１７と平行となる。そして、基準球６が基準球１６の位置にずれたことにより、上述の図２で説明したように、基準球１６の中心とレーザビーム２の光軸がδずれていた場合には、第１の撮像素子８が集光レンズ５の後側焦点位置にあるため、この反射光線１７′は第１の撮像素子８上のＰ点に到達する。すなわち、第１の撮像素子８上における反射光線１７，１７′の到達点は基準球６，１６の位置にかかわらず、レーザビーム２の基準球６，１６の中心に対するずれ量δによって決定されるので、第１の撮像素子８上の受光位置Ｐから基準球１６に対する追尾用光学系Ａの方位を微調整することができ、また基準球１６に対する角度オフセットを計算することもできる。

なお、以上の説明では、光源としてレーザ光源１を用いたが、ピンホールをＬＥＤなどの光源で照明し、コリメーターレンズで平行光束にしても良い。

ラフアライメント用光学系Ｂは、集光レンズ５と結像レンズ９とで低倍の光学系を構成している。この低倍の光学系であるラフアライメント用光学系Ｂによって、制御部１６は、基準球６の画像を第２の撮像素子１０により取得し、この画像を用いて光学ユニット５０の方位を調整する（粗調整する）ことができる。具体的には、第２の撮像素子１０で検出した画像に対して制御部１６でパターン認識等を行い基準球６の像を検出するようにし、この第２の撮像素子１０の所定の位置（例えば、中心）に基準球６の像が位置するときに、第１の撮像素子８の中心Ｏの近傍に反射光７，１７が入射するように構成することにより、追尾用光学系Ａで基準球６を追尾できないときに、制御部１６は、このラフアライメント光学系Ｂを用いて光学ユニット５０の向きを制御することにより、この光学ユニット５０の基準球６に対する位置合わせを行うことができる。

例えば、基準球検出装置１００の起動時に、このラフアライメント用光学系Ｂを用いて撮像素子１０上の基準球６の画像を用いて位置合わせをすることで、光学ユニット５０全体の方位を粗調整することができる。この粗調整を行った後、追尾用光学系Ａにおいて第１の撮像素子８上の反射光線が基準位置に到達するように、光学ユニット５０の方位を微調整することで、基準球６の検出を効率良く行うことができる。

なお、画像取得のために、必要なら適宜の照明系を付加するが、基準球６の球面からのこの照明系の反射光が直接第１の撮像素子８に入らないようにしなければならない。また、この場合、ラフアライメント用光学系Ｂは、追尾用光学系Ａとはダイクロイックミラー４で分離されているので、この追尾用光学系Ａの波長、すなわち、レーザ光源１から射出されるレーザービーム２のとは異なる波長域（例えば可視光）を用いる。

（基準球位置検出装置）
図３は上述の基準球検出装置１００（以下、トラッカーと呼ぶ）を２組用いた基準球位置検出装置２００の概念図である。２組のトラッカー２１ａ，２１ｂは、図示しない駆動手段（図１の１２，１３に相当）で本体２２ａ，２２ｂの回転軸２４ａ，２４ｂの回りに（水平方向に）回転させることができ、更に鏡筒部２３ａ，２３ｂは鏡筒軸２５ａ，２５ｂと回転軸２４ａ，２４ｂの交点（上述の光学ユニット５０の基準点）を中心に垂直方向に（鉛直方向に）回転させることができ、各トラッカー２１ａ，２１ｂより基準球２６の中心に対する方位角（α₁，α₂）と仰角（β₁，β₂）をそれぞれ、図示しないロータリーエンコーダー等の角度検出部（図１の１４，１５に相当）で計測することができる。ここで、トラッカー２１ａ，２１ｂの互いの位置関係が既知であり、高さ位置（図１のＺ軸方向）は等しく、回転軸２４ａと２４ｂの間隔をＬとする。また、鏡筒部２３ａ，２３ｂの中心軸２５ａ，２５ｂと、本体２２ａ，２２ｂの回転軸２４ａ，２４ｂとの交点の中心を座標原点とすると、基準球２６の中心座標（ｘ，ｙ，ｚ）は以下の式（２）〜（４）により求めることができる。

ｘ ＝ Ｌsin（α₂―α₁）／２sin（α₁＋α₂） （２）
ｙ ＝ Ｌsinα₁ sinα₂／sin（α₁＋α₂） （３）
ｚ ＝ Ｌsinα₂ tanβ₁／sin（α₁＋α₂）
＝ Ｌsinα₁ tanβ₂／sin（α₁＋α₂） （４）

図３に示す２組のトラッカー２１ａ，２１ｂの鏡筒部２３ａ，２３ｂを互いに向き合わせ、おのおののレーザビーム（図１の２に相当）が相手方の撮像素子（図１の８に相当）の中心（図１のＯ点に相当）に到達し、一直線に並んだ状態が式（２）〜（４）における方位角：α₁、α₂、仰角：β１、β₂の原点（０基準）となる。なお、他の異なる角度基準の決定方法として、空間座標が既知で位置が固定の球（基準球２６とは異なる球で、複数個が望ましい）を基準として用いることも可能である。

（三次元座標測定装置）
上述の基準球位置検出装置２００を複数用いた三次元座標測定装置について説明する。この三次元座標測定装置は、基準球位置検出装置２００を少なくとも２組、好ましくは３組以上備えている。そして、例えば、三次元センサの外表面に、位置関係が既知である複数の基準球６を取り付けて、それぞれの基準球６に対して上述の基準球位置検出装置２００を設ける。そして、各基準球６の位置（ｘ，ｙ，ｚ）を、対応する基準球位置検出装置２００で検出する。得られた各基準球６の位置を基に、三次元センサの位置と姿勢を計測することができる。

（測長用干渉計との組み合わせ）
また、以上で説明した基準球検出装置１００は、図４に示すような測長用干渉光学系Ｃを備えた構成としても良い。この基準球検出装置１００′は、図４に示すように、レーザ光源１を測長用干渉光学系Ｃの光源との兼用とし、基準球６の移動に伴って、撮像素子８に到達する反射光線１７が常にＯ点に到達できるように、光学ユニット５０全体を制御するよう構成されている。このような構成とすることにより、常に基準球６を追尾することができるとともに、さらに基準球６の表面までの距離変動を正確に計測することができる。

測長用干渉光学系Ｃとしては、レーザー光源１、ハーフミラー３、集光レンズ５を追尾用光学系Ａと共用し、ハーフミラー３の側方（第１の撮像素子８とは反対側）に、シャッター３１及び参照ミラー３２がこの順で設けられている。また、ハーフミラー３と第１の撮像素子８との間にハーフミラー３３が設けられ、さらに、このハーフミラー３３で反射された光線を受光する受光素子（干渉光受光部）３４が設けられている。

この測長用干渉光学系Ｃを用いて測長をする場合は、シャッター３１を開く。すると、レーザ光源１から出射したレーザービーム２の一部はハーフミラー３を透過して、ダイクロイックミラー４及び集光レンズ５を介して基準球６で反射する。一方、レーザビーム２の残りの一部はハーフミラー３で反射され、シャッター３１を通過して参照ミラー３２で反射する。そして、基準球６で反射された測長用のビームはハーフミラー３で反射され、参照ミラー３２で反射してハーフミラー３を透過した参照用ビームと同一の光路上に重ね合わされ合流する。合流したビームは干渉光としてハーフミラー３３で反射され、受光素子３４で受光されて検出され、この干渉光により基準球６の距離変動を検出することができる。なお、シャッター３１は測長時以外（基準球６が静止している間）は、閉じる必要がある。

Claims (7)

1. 光源、前記光源からの光を集光して前側焦点位置若しくはその近傍に位置する基準球に照射する集光レンズ、及び、前記集光レンズの後側焦点位置若しくはその近傍に配置され、前記基準球からの反射光を受光して検出する受光部、を有する光学ユニットと、
   基準点を中心に前記光学ユニットを回転移動させる駆動部と、
   前記受光部で検出した前記反射光の受光位置に基づいて、当該反射光が前記受光部の所定の基準位置に到達するように前記駆動部を制御して前記光学ユニットを回転移動させる制御部と、を有する基準球検出装置。
2. 前記光学ユニットは、更に前記集光レンズを通過した前記反射光から前記基準球の像を形成する結像レンズと、前記集光レンズおよび当該結像レンズにより結像された前記基準球の像を検出する画像検出部とを有し、
   前記制御部は、前記画像検出部で検出した前記基準球の像に基づいて、前記反射光が前記受光部に入射するように前記駆動部を制御して前記光学ユニットを回転移動させる請求項１に記載の基準球検出装置。
3. 前記駆動部は、前記光学ユニットを水平方向及び鉛直方向に回転移動させるように構成された請求項１または２に記載の基準球検出装置。
4. 前記光学ユニットの水平方向及び鉛直方向の角度を検出する角度検出部を有する請求項１〜３いずれか一項に記載の基準球検出装置。
5. 前記光学ユニットは、測長用干渉光学系を更に有する請求項１〜４いずれか一項に記載の基準球検出装置。
6. 請求項１〜５いずれか一項に記載の基準球検出装置を、所定の間隔を介して２組有し、
   前記２組の基準球検出装置により計測された方位角及び仰角、並びに、前記所定の間隔に基づいて、前記基準球の中心の三次元座標を計測する基準球位置検出装置。
7. 被測定物の外面に取り付けられた少なくとも２つ以上の基準球と、
   当該基準球の数に対応する少なくとも２組以上の請求項６に記載の基準球位置検出装置と、を有し、
   前記複数の基準球の三次元座標を、対応する前記基準球位置検出装置の各々で測定し、当該測定により得られた値に基づいて、前記被測定物の位置及び姿勢を検出する三次元座標測定装置。
   

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