JP7109185B2 - 非接触座標測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、非接触座標測定装置に関する。

従来、測定対象物に対してレーザー光を走査させながら測定対象物までの距離を測定するレーザー距離計が搭載され、レーザー光の出射方向及び測定対象物までの距離に基づいて、測定対象物表面の３次元座標を点群として取得する非接触座標測定装置が存在する（例えば特許文献１参照）。

非接触座標測定装置には、測定対象物までの距離を測定するための様々なレーザー距離計が利用されるが、工業分野での利用が期待される高精度なレーザー距離計として、波長走査レーザーを利用したヘテロダイン干渉法を利用したものが存在する（例えば非特許文献１、特許文献２参照）。このヘテロダイン干渉法では、測定光で反射された反射光と参照光とを干渉させて生じるビート信号の周波数に基づいて、測定対象物までの距離を求める。ただし、ビート信号の周波数は所定の光路長毎に同一状態を繰り返すため、所定の光路長の範囲内では絶対距離を測定可能であるが、所定の光路長を超えた距離を測定するためには、ビート信号の周波数繰り返し数である次数を判別する必要がある。

特開２０１７－１８１４２９号公報 特開平１０－８２８５８号公報

小林喬郎、「半導体レーザーによる干渉測長技術」、光学、１９８８年６月、第１７巻、第６号

前述した特許文献２には、波長走査レーザーを利用したヘテロダイン干渉法においてビート信号の次数判定を行う方法が開示されている。しかし、特許文献２に開示された方法では、ビート信号の次数判別を行うために、測定対象物までの距離を一定に保った状態で波長走査量を変化させる必要がある。非接触座標測定装置がビート信号の次数判別を行うレーザー距離計を搭載している場合、各測定点でレーザー光の走査を停止して次数判別を行う必要があるため、全体的な測定時間が長くなってしまう。

一方、ビート信号を利用しない一般的な方式（例えばタイム・オブ・フライト方式又は位相差方式など）の粗測定を予め行い、粗測定の結果を利用して高精度測定の際のビート信号の次数を決定することが考えられる。しかし、粗測定と高精度測定とをそれぞれ行う場合、測定対象物を２回走査することになり、全体的な測定時間が通常の倍近くになってしまう。

本発明の目的は、測定対象物を高精度かつ短時間で測定できる非接触座標測定装置を提供することにある。

本発明の非接触座標測定装置は、測定対象物の第１測定点に第１レーザー光を照射し、前記第１レーザー光の反射光に基づく受光信号を生成する第１レーザーユニットと、前記受光信号に基づいて前記第１測定点までの距離を測定する第１測定部と、前記測定対象物の第２測定点に第２レーザー光を照射し、前記第２レーザー光の反射光と参照光とを干渉させてビート信号を生成する第２レーザーユニットと、前記ビート信号に基づいて前記第２測定点までの距離を測定する第２測定部と、前記第１測定点が移動する軌跡に沿って前記第２測定点が移動するように、前記第１レーザー光及び前記第２レーザー光の各出射方向を同時に変化させる出射方向変更機構と、を備え、前記第２測定部は、前記第２測定点までの距離を測定するとき、前記第１測定点の測定値に基づき、前記ビート信号の次数を決定することを特徴とする。

本発明では、第１レーザーユニット及び第１測定部が第１レーザー距離計を構成しており、第２レーザーユニット及び第２測定部が第２レーザー距離計を構成している。ここで、第１レーザー距離計は、ビート信号を利用しない一般的な方式（タイム・オブ・フライト方式又は位相差方式など）のレーザー距離計として構成され、その第１測定部は、第１レーザー光の受光信号に基づき、第１測定点までの距離を測定する。一方、第２レーザー距離計は、ビート信号を利用するレーザー距離計として構成され、その第２測定部は、第２レーザー光の反射光と参照光とが干渉して生成されるビート信号に基づき、第２測定点までの距離を測定する。
本発明において、任意の測定範囲を測定する場合、出射方向変更機構により、測定対象物において第１レーザー光の照射点を第２レーザー光の照射点が追尾することにより、第１測定点が移動する軌跡に沿って第２測定点が移動する。すなわち、第２レーザー距離計は、第１レーザー距離計によって既に測定された箇所を後追いで測定する。このため、第２測定部は、第２測定点までの距離を測定するとき、第１測定点の測定値に基づき、ビート信号の次数を決定することができる。これにより、第２レーザー距離計は、従来技術のような次数判別を行う必要なく、第１レーザー距離計よりも高精度な測定を短時間で行うことができる。また、第１レーザー距離計及び第２レーザー距離計が任意の測定範囲を測定する各期間は重なるため、測定範囲を２回走査する場合よりも、測定範囲を走査するための時間が短縮される。
従って、本発明によれば、測定対象物を高精度かつ短時間で測定できる非接触座標測定装置が提供される。

本発明の非接触座標測定装置において、前記第１レーザーユニット及び前記第２レーザーユニットは、前記第１レーザー光及び前記第２レーザー光が所定角度を成すように配置され、前記出射方向変更機構は、前記第１レーザーユニット及び前記第２レーザーユニットを一体的に回転させることが好ましい。
本発明では、出射方向変更機構が第１レーザーユニット及び第２レーザーユニットを一体的に回転させることにより、第１レーザー光及び第２レーザー光の各出射方向は一括して変化する。これにより、測定範囲の走査を簡単かつ高速に行うことができる。

本発明の非接触座標測定装置において、前記第１レーザーユニット及び前記第１測定部を含んで構成される第１レーザー距離計の測定精度は、前記第２レーザーユニット及び前記第２測定部を含んで構成される第２レーザー距離計の絶対距離測定可能範囲よりも小さい値を許容差とする測定精度に設定されていることが好ましい。
本発明では、第２測定部が、第１測定点の測定値に基づき、ビート信号の次数を好適に決定することができる。なお、第１レーザー距離計の測定精度及び第２レーザー距離計の絶対距離測定可能範囲をそれぞれ設定する方法は、従来技術と同様である。

本発明の非接触座標測定装置において、前記第２レーザーユニットは、前記第２レーザー光を発生するレーザー光発生部と、前記レーザー光発生部から発生した前記第２レーザー光を集光する集光レンズと、前記集光レンズを当該集光レンズの光軸上で駆動するレンズ駆動部とを有しており、前記レンズ駆動部は、前記第１測定部による前記第１測定点の測定値に基づいて、前記集光レンズを駆動することが好ましい。
本発明では、第２レーザー光が第２測定点を照射する前に、集光レンズの光軸方向の位置を調整開始することができる。このため、第２レーザー光が第２測定点を照射してから集光レンズの調整を開始する場合に比べ、全体的な測定時間を短縮することができる。

本発明の非接触座標測定装置は、前記第１測定部及び前記第２測定部は、前記第１レーザー光及び前記第２レーザー光の各出射方向が所定角度変化する毎に測定を行い、前記第１測定部及び前記第２測定部の各測定間隔を、前記第１測定点の測定値に基づいて設定する測定間隔設定部をさらに備えることが好ましい。
本発明では、測定間隔設定部が第１測定点の測定値に基づいて測定間隔を設定することにより、測定対象物の凹凸の段差付近で第２測定点を高密度に設定し、高精度な測定を行うことができる。また、凹凸のある測定対象物で第２測定点の点群間隔を一定に設定することができる。また、測定距離が短い場合に、第２測定点の数を少なく設定し、データ保存量を節約することができる。

本発明は、測定対象物の任意の範囲を高精度かつ短時間で測定できる非接触座標測定装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る非接触座標測定装置の外観を模式的に示す斜視図。 前記実施形態の非接触座標測定装置の構成を示すブロック図。 前記実施形態の第１レーザー光及び第２レーザー光の各出射方向を示す模式図。 前記実施形態の絶対距離測定範囲を説明する模式図。 前記実施形態の第１レーザー光及び第２レーザー光がそれぞれ照射される各測定点を示す模式図。 前記実施形態の座標測定方法を説明するフローチャート。 測定対象物の例を示す模式図。 測定対象物の他の例を示す模式図。 測定対象物の他の例を示す模式図。

本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
〔非接触座標測定装置の基本的構成〕
図１及び図２に示すように、非接触座標測定装置１は、測定ヘッド２と、測定ヘッド２を任意の方向に回転駆動するヘッド駆動機構３と、測定ヘッド２の回転角を検出する角度検出部４と、制御部５とを備え、測定対象物Ｗの測定面の３次元座標を点群として取得するものである。なお、測定対象物Ｗの測定面は、ＸＹ平面（垂直面）に対して略平行に配置されるものとする。

測定ヘッド２は、第１レーザーユニット１０及び第２レーザーユニット２０を備えている。
第１レーザーユニット１０は、レーザー光発生部１１及び検出部１２を有している。レーザー光発生部１１は、レーザー光Ｌ１（第１レーザー光）を生成して測定対象物Ｗに照射する。検出部１２は、測定対象物Ｗで反射されたレーザー光Ｌ１を検出し、受光信号Ｓｄ１を制御部５に出力する。
第１レーザーユニット１０を構成する各部は、後述の第１測定部５１と共に、一般的なレーザー距離計に用いられるタイム・オブ・フライト方式や位相差方式等の第１レーザー距離計１０１を構成している。

第２レーザーユニット２０は、レーザー光発生部２１、干渉計（ヘテロダイン干渉計）２２、検出部２３、集光レンズ２４及びレンズ駆動部２５を有している。
レーザー光発生部２１は、超音波光学変調器等を含んで構成され、時間と共に周波数が変化するレーザー光を出射する。干渉計２２は、レーザー光発生部２１から発生したレーザー光を測定光及び参照光に分離し、この測定光をレーザー光Ｌ２（第２レーザー光）として測定対象物Ｗに照射する。また、干渉計２２は、測定対象物Ｗで反射されたレーザー光Ｌ２の反射光と参照光とを干渉させて、ビートを含む干渉光を生成する。検出部２３は、干渉光を検出し、ビート信号Ｓｄ２を制御部５に出力する。集光レンズ２４は、干渉計２２から出射したレーザー光Ｌ２を、測定対象物Ｗの表面上に集光させる。レンズ駆動部２５は、集光レンズ２４を光軸方向に移動させるための機構を有する。
第２レーザーユニット２０を構成する各部は、後述の第２測定部５２と共に、波長走査型ヘテロダイン方式の第２レーザー距離計１０２を構成している。

ヘッド駆動機構３は、本発明の出射方向変更機構であって、２軸回転駆動機構を構成しており、測定ヘッド２を回転駆動することにより第１レーザーユニット１０及び第２レーザーユニット２０を一体的に回転させる。具体的には、ヘッド駆動機構３は、軸Ａ１周りに測定ヘッド２を回転させる第１回転駆動部３１と、軸Ａ１に直交する軸Ａ２周りに測定ヘッド２を回転させる第２回転駆動部３２とを有している。なお、本実施形態では、軸Ａ１と軸Ａ２との交点が、非接触座標測定装置１による測定基準点Ｒとなる。
本実施形態では、軸Ａ１はＸ方向（垂直方向）に平行であり、軸Ａ２はＹ方向（水平方向）に平行であり、ヘッド駆動機構３は、測定ヘッド２の方位角及び仰角をそれぞれ変化させることができる。
角度検出部４は、測定ヘッド２の方位角を検出する検出器及び測定ヘッド２の仰角を検出する検出器を含んでおり、測定ヘッド２の角度情報を制御部５に出力する。

図３に示すように、第１レーザーユニット１０からのレーザー光Ｌ１の出射方向と、第２レーザーユニット２０からのレーザー光Ｌ２の出射方向とは、軸Ａ１を中心とする所定の角度θｐを挟んで配置される。
ここで、レーザー光Ｌ１は測定対象物Ｗの測定点Ｐ１（第１測定点）に照射され，レーザー光Ｌ２は測定対象物Ｗの測定点Ｐ２（第２測定点）に照射される。測定点Ｐ１，Ｐ２は、Ｘ方向の位置が同じであり、Ｙ方向の位置が異なる。測定ヘッド２が軸Ａ１周りに回転する場合、測定点Ｐ１，Ｐ２は共にＹ方向に移動し、測定ヘッド２が軸Ａ２周りに回転する場合、測定点Ｐ１，Ｐ２は共にＸ方向に移動する。

図２に戻って、制御部５は、第１測定部５１、第２測定部５２、測定間隔設定部５３及びヘッド制御部５４を有する。
第１測定部５１は、距離測定部５１１及び座標測定部５１２を有する。
距離測定部５１１は、測定ヘッド２が所定角度変化する毎に、第１レーザーユニット１０の検出部１２から出力された受光信号Ｓｄ１に基づき、測定基準点Ｒから測定点Ｐ１までの距離を測定する。
座標測定部５１２は、距離測定部５１１に測定された測定点Ｐ１までの距離と、角度検出部４に検出された測定ヘッド２の角度情報（レーザー光Ｌ１の出射角度）とに基づき、測定点Ｐ１の３次元座標を測定する。

第２測定部５２は、距離測定部５２１、座標測定部５２２及びレンズ制御部５２３を有する。
距離測定部５２１は、測定ヘッド２が所定角度変化する毎に、第１測定部５１による測定値に基づき、検出部２３から出力されたビート信号Ｓｄ２の次数ｍを決定し、決定した次数ｍとビート信号Ｓｄ２とに基づいて、測定基準点Ｒから測定点Ｐ２までの距離を測定する。
座標測定部５２２は、距離測定部５２１に測定された測定点Ｐ２までの距離と、角度検出部４に検出された測定ヘッド２の角度情報（レーザー光Ｌ２の出射角度）とに基づき、測定点Ｐ２の３次元座標を測定する。
レンズ制御部５２３は、第２レーザーユニット２０におけるレンズ駆動部２５を制御し、集光レンズ２４の光軸方向の位置を制御する。
なお、第１測定部５１及び第２測定部５２によって測定された各データは、制御部５における図示しない記憶部に記憶される。

測定間隔設定部５３は、第１測定部５１及び第２測定部５２の各測定間隔を設定する。例えば、測定間隔設定部５３は、第１測定部５１及び第２測定部５２の各々が測定を行うタイミングとなる測定ヘッド２の回転角度を設定する。これにより、第１測定部５１及び第２測定部５２は、測定ヘッド２が軸Ａ１又は軸Ａ２周りに所定角度回転する毎に（レーザー光Ｌ１，Ｌ２の各出射方向が所定角度変化する毎に）測定を行うように設定される。また、測定間隔設定部５３は、第１測定部５１及び第２測定部５２の各測定間隔を、第１測定点の測定値に基づいて調整する。
ヘッド制御部５４は、レーザー光Ｌ１，Ｌ２が測定対象物Ｗを走査するように、ヘッド駆動機構３を制御する。

以上の構成において、第２レーザー距離計１０２は、波長走査型ヘテロダイン方式の構成を有しているため、所定範囲での絶対距離Ｌｄを測定することができる（図４参照）。この所定範囲（絶対距離測定可能範囲Ｌａｂｓ）は、ビート信号Ｓｄ２の周波数が同一状態を繰り返す光路長によって定まる。このため、第２レーザー距離計１０２によって測定される距離Ｌは、ビート信号Ｓｄ２の次数ｍ及び絶対距離Ｌｄに基づいて、Ｌ＝ｍ×Ｌａｂｓ＋Ｌｄの式により算出される。例えば図４に示す例では、ビート信号Ｓｄ２の次数ｍが２であるため、距離Ｌ＝２×Ｌａｂｓ＋Ｌｄとして算出される。

一方、第１レーザー距離計１０１は、タイム・オブ・フライト方式又は位相差方式などの構成を有しているため、第２レーザー距離計１０２よりも測定精度が低いが、次数の判別を必要とせずに比較的に長い距離を測定することができる。
本実施形態では、第１レーザー距離計１０１の測定精度は、第２レーザー距離計１０２の絶対距離測定可能範囲Ｌａｂｓよりも小さい値を許容差とする測定精度に設定されており、好ましくは絶対距離測定可能範囲Ｌａｂｓの１／２よりも小さい値を許容差とする測定精度に設定されている。例えば、第２レーザー距離計１０２の絶対距離測定可能範囲Ｌａｂｓが１ｍ程度である場合、第１レーザー距離計１０１の測定精度は、少なくとも±１ｍよりも高い精度、好ましくは±５００ｍｍよりも高い精度を有する。

〔非接触座標測定装置の動作〕
図５に示すように、非接触座標測定装置１は、測定対象物Ｗの所望の測定範囲Ｒｗをレーザー光Ｌ１，Ｌ２で走査（ここではラスタースキャン）する。なお、図５に示される測定点Ｐ１，Ｐ２は、例示的なものであり、測定範囲Ｒｗに設定される全ての測定点Ｐ１，Ｐ２を示すものではない。

測定範囲Ｒｗの走査を開始するとき、１回目の測定として、測定点Ｐ１（１）が測定範囲Ｒｗにおける走査線ＳＬの開始地点に配置され、第１測定部５１が測定点Ｐ１（１）を測定する。このときの測定点Ｐ２（１）は、測定範囲Ｒｗ外に配置される。
その後、測定点Ｐ１，Ｐ２がＹ方向の一方側から他方側に向かって（走査線ＳＬに沿って）移動し、第１測定部５１及び第２測定部５２が各測定点Ｐ１，Ｐ２の測定を行う。このとき、測定点Ｐ１，Ｐ２は、互いの間に略一定の距離を保ったまま、測定点Ｐ１が移動する軌跡に沿って測定点Ｐ２が移動する。
そして、最後（Ｎ回目）の測定として、測定点Ｐ２（Ｎ）が測定範囲Ｒｗにおける走査線ＳＬの終了地点に配置され、第２測定部５２が測定点Ｐ２（Ｎ）を測定する。これにより、この走査線ＳＬの測定が完了する。このときの測定点Ｐ１（Ｎ）は、測定範囲Ｒｗ外に配置される。
一ライン分の走査線ＳＬの測定が完了した後、測定点Ｐ１，Ｐ２は、次の走査線ＳＬに移動する。

以下、測定点Ｐ１，Ｐ２が走査線ＳＬに沿って移動するときの処理について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、ｎ回目の測定として、第１測定部５１が、測定点Ｐ１（ｎ）の座標を測定すると同時に、第２測定部５２が測定点Ｐ２（ｎ）の座標を測定する（処理Ｓ１）。
処理Ｓ１において、ｎが２以上である場合、第２測定部５２の距離測定部５２１が測定点Ｐ２（ｎ）までの距離を測定する際、測定点Ｐ１（ｎ－ｘ）までの距離である粗測定値Ｄｒ（ｎ－ｘ）を利用して、ビート信号Ｓｄ２の次数ｍを決定する。
ここで、測定点Ｐ１（ｎ－ｘ）は、ｎ回目の測定よりもｘ回だけ前に測定された測定点Ｐ１であり、その座標が測定点Ｐ２（ｎ）に一致するか、測定点Ｐ２（ｎ）に最も近いものであることが好ましい。例えば、測定点Ｐ１（ｎ－ｘ）は、測定ヘッド２の軸Ａ１周りの回転位置が現時点よりもレーザー光Ｌ１，Ｌ２間の角度θｐだけ前に位置するときに測定されたものを利用できる。これにより、第２測定部５２は、測定点Ｐ１（ｎ－ｘ）までの距離である粗測定値Ｄｒ（ｎ－ｘ）を、測定点Ｐ２（ｎ）までの距離のおおよその値として扱うことができる。そして、第２測定部５２は、Ｌ＝ｍ×Ｌａｂｓ＋Ｌｄの距離Ｌが粗測定値Ｄｒ（ｎ－ｘ）に最も近くなる次数ｍを求めることで、次数ｍを決定することができる。

次に、測定点Ｐ２（ｎ）が走査線ＳＬの終点付近に配置される場合には現在の走査線ＳＬの測定動作を終了する一方、測定点Ｐ２（ｎ）が走査線ＳＬの途中である場合には次の処理に移行する（処理Ｓ２）。

次に、測定間隔設定部５３は、次の測定点Ｐ１（ｎ＋１），Ｐ２（ｎ＋１）までの測定間隔を設定する（処理Ｓ３）。
具体的には、測定間隔設定部５３は、前回測定された測定点Ｐ１（ｎ－１）までの距離である粗測定値Ｄｒ（ｎ－１）と、今回測定された測定点Ｐ１（ｎ）までの距離である粗測定値Ｄｒ（ｎ）との差の絶対値（距離差）を算出し、算出した距離差が閾値Ｔ以下の場合には、測定間隔を通常値のままに保つ。一方、測定間隔設定部５３は、算出した距離差が閾値Ｔよりも大きい場合には、測定間隔を通常値よりも小さい値に設定する。

本実施形態における測定間隔は、測定ヘッド２の軸Ａ１周りの回転角によって設定される。測定間隔の通常値は、例えばレーザー光Ｌ１，Ｌ２間の角度θｐに設定される。測定間隔が通常値より小さい値に設定された場合、現在位置から角度θｐより小さい角度を回転した時点で次の測定が行われる。閾値Ｔは、所望する測定精度に応じて設定可能である。

レンズ制御部５２３は、今回測定された測定点Ｐ１（ｎ）までの距離である粗測定値Ｄｒ（ｎ）に基づいて、次回測定のために集光レンズ２４の光軸方向の位置調整が必要か否かを判断する（処理Ｓ４）。
具体的には、レンズ制御部５２３は、粗測定値Ｄｒ（ｎ）が現時点の集光レンズ２４による集光が可能な範囲（集光可能範囲）内である場合には、集光レンズ２４の光軸方向の位置調整が不要と判断し、レンズ駆動部２５に対する制御を行わない。

一方、レンズ制御部５２３は、粗測定値Ｄｒ（ｎ）が現時点の集光レンズ２４による集光可能範囲外である場合には、次回測定のために集光レンズ２４の光軸方向の位置調整が必要と判断し、レンズ駆動部２５に対する制御を開始する（処理Ｓ５）。
例えば、粗測定値Ｄｒ（ｎ）が集光可能範囲よりも大きい（遠い）場合には、集光レンズ２４を測定対象物Ｗに近づけ始め、粗測定値Ｄｒ（ｎ）が集光可能範囲よりも小さい（近い）場合には、集光レンズ２４を測定対象物Ｗから遠ざけ始める。
なお、最終的な集光レンズ２４の位置調整については、次回の測定までに行われればよい。

以上の処理Ｓ４又は処理Ｓ５の後、ｎがカウントアップされ、再び処理Ｓ１が実行される。
なお、処理Ｓ１の後、測定ヘッド２は軸Ａ１周の回転を開始しており、次回の処理Ｓ１では、レーザー光Ｌ１，Ｌ２の各照射点は、測定点Ｐ１（ｎ＋１），Ｐ２（ｎ＋１）に移動している。

［効果］
前記実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）第２レーザー距離計１０２は、第１レーザー距離計１０１に既に測定された箇所を後追いで測定するため、測定点Ｐ２までの距離を測定するとき、測定点Ｐ１の測定値に基づき、ビート信号Ｓｄ２の次数ｍを決定することができる。これにより、第２レーザー距離計１０２は、従来技術のような次数判別を行う必要がない。

例えば、図７に示す測定対象物Ｗでは、測定点Ｐ２（ｎ），Ｐ２（ｎ＋１）間の距離Ｌが絶対距離測定可能範囲Ｌａｂｓより小さいが、測定点Ｐ２（ｎ＋１），Ｐ２（ｎ＋２）間の距離Ｌが絶対距離測定可能範囲Ｌａｂｓより大きい。このような測定対象物Ｗを測定する場合、従来技術では、各測定点Ｐ２（ｎ），Ｐ２（ｎ＋１），Ｐ２（ｎ＋２）で走査を停止し、ビート信号の次数判別を行う必要があるため、全体的な測定時間がかかる。
一方、本実施形態では、各測定点Ｐ２（ｎ），Ｐ２（ｎ＋１），Ｐ２（ｎ＋２）を測定するとき、既に測定した各測定点Ｐ１（例えばＰ２（ｎ－１），Ｐ２（ｎ），Ｐ２（ｎ＋１）までの距離である各粗測定値Ｄｒに基づき、ビート信号Ｓｄ２の次数ｍを決定することができる。このため、各測定点（ｎ），Ｐ２（ｎ＋１），Ｐ２（ｎ＋２）でビート信号Ｓｄ２の次数ｍを判別するために走査を停止する必要がなく、全体的な測定時間が短縮される。なお、図７では、第２レーザーユニット２０のみを模式的に示している。
また、第１レーザー距離計１０１及び第２レーザー距離計１０２が任意の測定範囲Ｒｗを測定する各期間は重なるため、測定範囲Ｒｗを２回走査する場合よりも、測定範囲Ｒｗを走査するための時間が短縮される。
従って、本実施形態によれば、測定対象物Ｗを高精度かつ短時間で測定できる非接触座標測定装置１が提供される。

（２）ヘッド駆動機構３は、軸Ａ１を中心として第１レーザーユニット１０及び第２レーザーユニット２０を回転させることにより、測定点Ｐ１，Ｐ２を移動させる。よって、測定範囲Ｒｗの走査を簡単かつ高速に行うことができる。

（３）また、第１レーザー距離計１０１の測定精度は、第２レーザー距離計１０２の絶対距離測定可能範囲Ｌａｂｓよりも小さい値を許容差とする測定精度に設定されているため、距離測定部５２１は、ビート信号Ｓｄ２の次数ｍを好適に決定することができる。

（４）レンズ駆動部２５は、ｎ個目の測定点Ｐ１（ｎ）の粗測定値Ｄｒに基づいて、ｎ＋１個目の測定点Ｐ２（ｎ＋１）を測定するために、集光レンズ２４の光軸方向の位置を予め移動させるため（処理Ｓ４，Ｓ５）、全体的な測定時間の短縮が可能である。

例えば、図８に示す測定対象物Ｗを測定する場合を説明する。なお、図８では、ｎ回目、ｎ＋１回目、ｎ＋２回目の各測定点Ｐ１，Ｐ２が見易さのために紙面上下方向にずらして示されるが、実際にはＹ方向において重なる位置に配置される。
図８において、測定点Ｐ１（ｎ）までの距離である粗測定値Ｄｒ（ｎ）は、測定点Ｐ２（ｎ）を測定した時点の集光レンズ２４の集光可能範囲内であるため、ｎ回目の測定後、集光レンズ２４の位置はそのまま保たれる。
一方、測定点Ｐ１（ｎ＋１）までの距離である粗測定値Ｄｒ（ｎ＋１）は、測定点Ｐ２（ｎ＋１）を測定した時点の集光レンズ２４の集光可能範囲より遠い。このため、ｎ＋１回目の測定後、測定点Ｐ２（ｎ＋２）の測定のために、集光レンズ２４は測定対象物Ｗに近づくように駆動される。すなわち、ｎ＋２回目の測定を開始する前に、集光レンズ２４の光軸方向の位置を予め移動させることができる。
よって、本実施形態によれば、測定を開始してから集光レンズ２４の調整を行うような従来技術に比べ、全体的な測定時間を短縮することができる。

（５）測定間隔設定部５３は、任意の測定点Ｐ２（ｎ）の測定値と、この測定点Ｐ２（ｎ）より前に測定された測定点Ｐ２（ｎ－ｘ）の測定値との差が所定の閾値Ｔよりも大きい場合、測定間隔を通常値よりも小さく設定するため（処理Ｓ３）、高精度な測定が可能になる。

例えば、図９に示す測定対象物Ｗを測定する場合を説明する。なお、図９に示す測定対象物Ｗは、測定範囲Ｒｗ内に形成された複数の穴Ｈを有する。また、図９に示される測定点Ｐ１，Ｐ２は、例示的なものであり、測定範囲Ｒｗに設定される全ての測定点Ｐ１，Ｐ２を示すものではない。
図９において、穴Ｈ外に設定された測定点Ｐ１（ｎ－１）を測定した後に、穴Ｈ内に設定された測定点Ｐ１（ｎ）を測定した場合、あるいは、穴Ｈ内に設定された測定点Ｐ１（ｎ－１）を測定した後に、穴Ｈ外に設定された測定点Ｐ１（ｎ）を測定した場合、前回測定時の粗測定値Ｄｒ（ｎ－１）と、今回測定時の粗測定値Ｄｒ（ｎ）との距離差が閾値Ｔよりも大きくなる。この場合、測定間隔は通常値よりも小さく設定されることにより、穴Ｈの段差付近は高密度に測定される。このため、測定範囲Ｒｗはより高精度に測定される。

〔変形例〕
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

例えば、測定ヘッド２は、複数の第１レーザーユニット１０を有していてもよい。例えば、Ｙ方向に第２レーザーユニット２０を挟んで２つの第１レーザーユニット１０を配置する場合、測定ヘッド２を軸Ａ１周りに回転させることにより、Ｙ方向の両側に走査を行うことができる。また、Ｘ方向に第２レーザーユニット２０を挟んで２つの第１レーザーユニット１０を配置する場合、測定ヘッド２を軸Ａ２周りに回転させることにより、Ｘ方向の両側に走査を行うことができる。よって、測定範囲Ｒｗを走査する方向に基づいて、所望の第１レーザーユニット１０を設けてもよい。

前記実施形態では、本発明の出射方向変更機構が第１レーザーユニット１０及び第２レーザーユニット２０を２軸で駆動可能なヘッド駆動機構３として構成されているが、本発明はこれに限られない。例えば、本発明の出射方向変更機構は、第１レーザーユニット及び第２レーザーユニットを１軸で駆動可能な機構であってもよいし、レーザー光Ｌ１，Ｌ２の出射方向を変更するためのミラー等であってもよい。

前記実施形態では、第２レーザー距離計１０２は、波長走査型ヘテロダイン方式を採用しているが、本発明はこれに限られず、ビート信号の次数の決定を行う様々な方式を採用できる。

前記実施形態では、第２レーザーユニット２０が集光レンズ２４及びレンズ駆動部２５を有しているが、本発明はこれに限られない。第２レーザーユニット２０が集光レンズ２４を有さない場合であっても、粗測定値Ｄｒに基づいてビート信号Ｓｄ２の次数ｍを決定することによる本発明の効果を得ることができる。

前記実施形態では、凹凸面の段差付近を高精度に測定することを目的として、測定間隔を調整しているが（処理Ｓ３）、他の目的によって測定間隔を調整してもよい。
例えば、測定対象物Ｗが不連続形状であって、凹凸面の段差（測定対象面がこれまでよりも遠距離に位置すること）を検出した場合、測定間隔を短くしてもよい。この場合、測定対象物Ｗの全体に設定される測定点Ｐ１，Ｐ２の点群間隔を均一にすることができる。
また、測定対象物Ｗが不連続形状であって、凹凸面の段差（測定対象面がこれまでよりも近距離に位置すること）を検出した場合、測定間隔を長くしてもよい。この場合、データ保存点数が少なくなり、制御部５における記憶部のデータ保存領域を節約できる。

前記実施形態では、測定間隔設定部５３は測定が行われるべき測定ヘッド２の回転角度を設定するが、測定ヘッド２が一定速度で回転する場合、測定時間間隔を設定するものであってもよい。

本発明は、前記実施形態において説明したフローチャートに限定されない。例えば、前記実施形態における処理Ｓ３と、処理Ｓ４，Ｓ５との順番は逆であってもよい。

本発明は、測定対象物の任意の範囲を高精度かつ短時間で測定できる非接触座標測定装置として利用できる。

１…非接触座標測定装置、２…測定ヘッド、１０…第１レーザーユニット、１１…レーザー光発生部、１２…検出部、１０１…第１レーザー距離計、２０…第２レーザーユニット、２１…レーザー光発生部、２２…干渉計、２３…検出部、２４…集光レンズ、２５…レンズ駆動部、１０２…第２レーザー距離計、３…ヘッド駆動機構（出射方向変更機構）、３１…第１回転駆動部、３２…第２回転駆動部、４…角度検出部、５…制御部、５１…第１測定部、５１１…距離測定部、５１２…座標測定部、５２…第２測定部、５２１…距離測定部、５２２…座標測定部、５２３…レンズ制御部、５３…測定間隔設定部、５４…ヘッド制御部、Ａ１，Ａ２…軸、Ｄｒ…粗測定値、Ｈ…穴、Ｌ１，Ｌ２…レーザー光、Ｌａｂｓ…絶対距離測定可能範囲、Ｐ１，Ｐ２…測定点、Ｒｗ…測定範囲、Ｓｄ１…受光信号、Ｓｄ２…ビート信号、ＳＬ…走査線、Ｗ…測定対象物。

Claims (5)

1. 測定対象物の第１測定点に第１レーザー光を照射し、前記第１レーザー光の反射光に基づく受光信号を生成する第１レーザーユニットと、
   前記受光信号に基づいて前記第１測定点までの距離を測定する第１測定部と、
   前記測定対象物の前記第１測定点とは異なる第２測定点に第２レーザー光を照射し、前記第２レーザー光の反射光と参照光とを干渉させてビート信号を生成する第２レーザーユニットと、
   前記ビート信号に基づいて前記第２測定点までの距離を測定する第２測定部と、
   前記第１測定点が移動する軌跡に沿って前記第２測定点が前記第１測定点を追尾するように、前記第１レーザー光及び前記第２レーザー光の各出射方向を同時に変化させる出射方向変更機構と、を備え、
   前記第２測定部は、前記第２測定点までの距離を測定するとき、前記第１測定点の測定値に基づいて、前記ビート信号の次数を決定することを特徴とする非接触座標測定装置。
2. 請求項１に記載の非接触座標測定装置において、
   前記第１レーザーユニット及び前記第２レーザーユニットは、前記第１レーザー光と前記第２レーザー光との間に所定角度が形成されるように配置され、
   前記出射方向変更機構は、前記第１レーザーユニット及び前記第２レーザーユニットを一体的に回転させることを特徴とする非接触座標測定装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の非接触座標測定装置において、
   前記第１レーザーユニット及び前記第１測定部を含んで構成される第１レーザー距離計の測定精度は、前記第２レーザーユニット及び前記第２測定部を含んで構成される第２レーザー距離計の絶対距離測定可能範囲よりも小さい値を許容差とする測定精度に設定されていることを特徴とする非接触座標測定装置。
4. 請求項３に記載の非接触座標測定装置において、
   前記第２レーザーユニットは、前記第２レーザー光を発生するレーザー光発生部と、前記レーザー光発生部から発生した前記第２レーザー光を集光する集光レンズと、前記集光レンズを当該集光レンズの光軸上で駆動するレンズ駆動部とを有しており、
   前記レンズ駆動部は、前記第１測定点の測定値に基づいて、前記集光レンズを駆動することを特徴とする非接触座標測定装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の非接触座標測定装置において、
   前記第１測定部及び前記第２測定部は、前記第１レーザー光及び前記第２レーザー光の各出射方向が所定角度変化する毎に測定を行い、
   前記第１測定部及び前記第２測定部の各測定間隔を、前記第１測定点の測定値に基づいて設定する測定間隔設定部をさらに備えることを特徴とする非接触座標測定装置。

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