JPH06501774A - 三次元における非接触の形状検出方法及び装置 - Google Patents

三次元における非接触の形状検出方法及び装置

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 三次元における非接触の形状検出方法及び装置１丘立工 本発明は、三次元における非接触の形状の検出を行う検出方法及び装置に係り、 特に三次元物体の表面形状を光学的に測定する目的で改良した三次元における非 接触の形状検出方法及び装置に関する。
！ｌ五五 従来技術における多数の測定システムは、事前に固定した参考用座標又は座標シ ステム（コンピューター或は他の測定又は分析用機器などの応用システムを操作 するときに用いられるもの）に基づいて、三次元物体における表面点の位置を検 出している。例えば、物体表面における単一点の位置を確認するときに用いられ ている測定システムの一つは、径の小さい光のビームを利用することによって物 体表面の小面積又は点を照射する。このシステムに使用されるレンズは、射出さ れたビームの軸に対し傾斜する光学軸に設けられ、照射された点から反射された 光を光電センサ又はセンサの線形配列に集光させる。しかし、この種のシステム におけるレンズとセンサとの間の光学軸は、射出されたビームの軸と不一致なの で、センサにおいて照射された点のイメージの位置は、照射ビームに関してはす べて特別の照射された表面点の位置によって決まる。従って、所定の参考用座標 に応じる照射点の位置は、光ビームの原点（これは、勿論既知のもの）から照射 された表面点までの距離を計算することによって算出される。二のような点照射 による光学測定システムは、すでに次の米国特許に記載されている。即ち、米国 特許４．６６０，９７０．４．７０１．０４９、４，７０５．３９５．４，７０ ９．１５６．４，７３３，９６９．４．７４３，７７０．４，７５３．５２８． ４，７６１，０７２．４，７６４，０１６．４．７８２，２３９、４．８２５． ０９１　である。
勿論、物体の全体形状を確定する為に、それぞれの位置にある多数の表面点を測 定かつ記録することが必要である。物体の表面における多数の点に対するこのよ うな光学測定は、典型的には、高精度で点から点まで可動な走査ヘッド（例えば 、デジタルコントロール式のフライス盤によく見られるタイプ）にビーム射出器 を設置することによって行われている。ラスク状のスキャンエングパターンの走 査ヘッドに設けたビーム射出器を精密に移動することによって、また、物体表面 を走査させるときに点状のスキャンエングビームによって個別的に照射された表 面点の各位置を測定すれば、走査されている物体の表面形状を測定することが可 能となる。一方、走査ヘッドが静止している間、物体自体を移動させても良い。
このような型のシステムにおける一つの欠点は、他の側面か走査されている側面 に隠れるため、常に物体の一つ側面だけ走査されることになる。これら隠れた側 面に対する走査は、走査ヘッド又は物体の位置を変え、今まで隠れた面倒をスキ ャンエングビームによって照射することにより可能である。ここで明らかなよう に、新しい表面データを前に取ったデータと対応させる為に、固定の参考用座標 に応じて走査ヘッド又は物体の変化した位置の進路を常に把握する必要があるの で、このように再び位置づけることに時間がかかり、精密な設備も必要となる。
この問題を解決するには、ヘリカル又は三次元の走査ヘッドを利用し物体の全体 に対し一度のみ走査を行うことが必要である。しかし、複雑な装置を使用し三次 元物体を囲んで走査ヘットを移動させることになるので、このようなヘリカルシ ステムは比較的に高価なものとなる。
上記のスキャンエング方法を考えなくとも、深いホール、オーバーカット及び、 スキャンエングビームの軸にほぼ平行の表面も、このシステムの精密さには障害 を来している。その理由は、それらの箇所がスキャンエングビームに全部照射さ れたとしても、それらの点を正確に測定することが困難である。
例えば、もし前にスキャンエングビームから隠れた内表面及び外表面をこのビー ムにより照射しまた測定かつ記録するようにスキャンエング装置を再び位置付け なければ、或は物体の方向を変更しなければ、この種のシステムでは、例えばコ ーヒコップの内部と外部に対しての完全な走査及び微細部の処理は不可能となる 。今まで議論したように、このような位置づけや方向変更はスキャンエング装置 を再較正せざるをえない欠点があり、或は新しい表面点を原座標システムに相関 させるようにしなければならない。更に、ヘリ力ルスキャンニング装置のような 場合では、上記の位置づけや方向変更が必要でなくても、このスキャンエングが 丸い物体のトップや底に近づくと精密さへの障害が依然として解消されない（但 し、これらの点をより良く照射し検出するように走査ヘッドや検出器の位置変更 を行う場合を除（）。また、これらのシステムは、所定の参考用座標に応じて走 査ヘッド（又は物体）を精密に移動させ、そしてこれらの位置を定めるために、 高精度の電気・機械装置又は他の装置を使用することが必要となるので、携帯性 及び適応性に欠けている。そのため、従来技術におけるすべてのスキャンエング ジステムは、物体表面の微細部まで完全に測定・記録するために、通常、スキャ ンエング装置に対しある程度の位置変更や物体の方向変更が必要である。
上述したシステムにおける更に一つの例は、単一平面における光の細ビームを射 出することができ、この極細ビームは勿論、走査中の物体表面において、ある点 に対向し入射線となっている。この平面の光と物体表面との交差部は、明るく照 射された輪郭線を形成している。その光学軸が照射ビームの軸と不一致である二 次元電子ビデオカメラ或は類似の装置は、このような輪郭線のイメージを検出す る。又、カメラの光学軸が照射線ビームの軸に合わないので、これは傾斜角から 輪郭線を観察することになり、ビーム射出器の既知位置に応じて輪郭線の位置を 精密に決めることできる。このようなシステムを使用する発明の例は、すでに次 の米国特許に記載されている。即ち、米国特許４，８２１，２００．４，７０１ ，０４７．４゜７０５．４０１、４，７３７，０３２、４，７４５．２９０、４ ，７９４，２６２、４゜８２１．２００、４，７４３，７７１．　４，８２２， １６３である。
物体の一本以上の輪郭線を測定するために、その測定装置又は物体は、当該物体 を貫通する軸に沿ってパンする（或はこの軸を囲んで回転する）。このような線 スキャンエング装置には上記の点スキャンエング装置と同じ欠点があるが、操作 はより速く、所定のスキャンエング間隔で収集できるサンプル点ももっと多くな る。しかしながら、各表面サンプル点の精密度は、二次元電荷結合素子（ＣＣＤ 　）センサ（大部分のビデオカメラに見られるもの）の解像度に制限されており 、その解像度の範囲は通常１１５１２である。更なる問題は、物体表面における 微細部まで完全かつ正確に記録するように走査ヘッド又は物体に対し位置及び方 向の変更をしなければならないので、これらのシステムには、点スキャンエング システムの場合の欠点も残っている。
更に、他の測定システムは、固定された収容センサと相対的に移動する小さい照 射射出器を利用し、三次元空間にある特定点の位置を追跡する。このような照射 発光器は、音波、光又は下向きの磁場（電磁式）の何れかを利用している。更に 他の測定システムは、−組のビデオカメラとコンピューターを使い、この−組の ステレオビデオイメージにおける相同の点の位置を計算する。例えば、米国特許 ４．８３６，７７８．４．８２９゜３７３にそれが記載されている。このシステ ムによって追跡されたヴは、受動反射器或は能動光源で検出可能である。後者は 、上記の点の発見及び区別を簡略化することになる。
本発明と関係ある他の従来技術は、下記の引例にも記載されている。
Ｂｕｒｔｏｎ、　Ｒ，Ｐ、　；　５ｕｔｈｅｒｌａｎｄ、　１．Ｅ、　；　ｒ双 ボ、クスー三次元コンピューター人力装置Ｊ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｍｐｕｔ ｅｒ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ。
ＡＦＩＰＳ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、　ｖ　４３，１９７４．　ｐ　５１３− ５２０；Ｆｉｓｃｈｅｒ、　Ｐ、　；　Ｍｅｓｑｕｉ、　Ｆ、　；　Ｋａｅｓｅ ｒ、　Ｆ、　；　ｒ物体形態を量化するための立体測定システムＪ　５ＰＩＥ　 Ｂｉｏｓｔｅｒｅｏｍｅｔｒｉｃｓ６０２．１９８５．ｐ　５２−５７ Ｆｕｃｈｓ、　Ｈ，＋　Ｄｕｒａｎ、　Ｊ、　；　Ｂ、　；　ｒ人体形態データ の取得及びモデリングＪ　Ｐｒｏｃ、　ＳＰＩＥＭ、　ｖ　１６６、１９７８． 　ｐ　９４−１０２　。
Ｍａｃｅｌｌａｒｉ、　Ｖ、　；　ｒ三次元のコンピューター周辺遠距離検出装 置、人体動き監視Ｊ　Ｍｅｄ、＆Ｂｉｏ１．　Ｅｎｇ、　＆Ｃｏｍｐｕｔ。
２１、１９８３．　ｐ　３１１−３１８Ｍｅｓｑｕｉ、　Ｆ、；　Ｋａｅｓｅｒ 、　Ｆ、；Ｆｉｓｃｈｅｒ、　Ｐ、；　ｒ任意大あご点の機能運動の実時間、非 侵入記録及び三次元デスプレー」５ＰＩＥ　Ｂｉｏｓｔｅｒｅｏｍｅｔｒｉｃｓ 　６０２．１９８５．　ｐ　７７−８４；Ｙａｍａｓｈｉｔａ、　Ｙ、　；　５ ｕｚｕｋｉ、　Ｎ、　；　Ｏｓｈｉｍａ、　Ｍ、　；　ｒ光学スキャンナーを用 いる三次元立体測定システムＪ　ＰｒｏｃＳＰＩＥ、　ｖ　３６１．１９８３． 　ｐ　６７−７３特に、Ｆｕｃｈｓ氏らの論文（１９７８）は、三次元空間にお いて光源を追跡する一つの基本方法を開示した。この方法では、それぞれ円筒状 レンズと線形配列状の光電検出器とから構成された三次元又は三次元以上のセン サ（例えば電荷結合素子）を利用し、現在照射中の光源の位置を確定する。
一本の線に沿い、又は平面の中で或は三次元空間においである点の位置を確定す る他の多数の方法は、すでに設計され特許されている。これらの方法を用いる装 置は、写真カメラ距離計、卓上デジタイザ、座標測定器、測量器などである。一 部は、音波、磁場又はメカニカル装置を利用することによって測定を行うが、他 は、Ｘ線、核磁共振、レーダー、ソナー及びホログラフィを利用する。
しかしながら、上記の各測定装置にはそれぞれ欠陥があり、例えば、コストが高 くて精密度及び解像度が低い上に、使用性が悪く、物体の幾何学複雑性を把握す るのに限界がある。また、数字計算が大量で測定速度が遅い。過去の経験による ｉ、あらゆる三次元測定応用に最も適切な従来技術は一つもない。
例えば、重大な欠陥なしに人体の解剖測定を行える測定装置は現在一つもない。
従って、三次元幾何学形状又は物体を速（正確かつ便利に、又低いコストで検出 できる非接触タイプの三次元光学測定器に対する需要性が出ている。理想を言え ば、改良されたシステムの走査ヘッドは、手で持つことができるようなものでな ければならない。それによって、作業者は、現在まだ必要とする高価かつ煩雑そ して高精度の走査ヘッドの位置確定装置を用いることなく、物体においてもっと 複雑な表面上の微細な部分に向けてスキャンエングビームを移動させることがで きる。このような把持式のスキャナーも、必ず現在市販の光学測定システムにお ける正確性と精密性を具備しなければならない。すなわち、所定の参考用座標に 応じて物体表面の微細部まで正確に測定し、精密に位置決めをすることができる ようなものが必要である。
及匪二…示 従って、本願発明の目的は、従来技術における多数の欠点が解消され三次元物体 の表面形状を正確に検出することかできる非接触の三次元光学測定の改良したシ ステムを提供する。
本願発明のもう一つの目的は、安価かつポータプルそして操作性の良い光学測定 システムを提供する。
更に、本願発明の目的は、走査ヘッド又は走査処理中の物体の位置を決定するだ めの高価かつ複雑そして高精度のメカニカル位置決定装置を用いることなく物体 表面に対し速やかに走査することができる三次元光学測定システムを提供する。
又、本願発明のもう一つの目的は、三次元・非接触の形状走査及び／又は三次元 物体の測定を行うことのできるポータプル、把持式、手動可能なスキャナを提供 する。
本願発明の他の目的と利点及び新規な特徴については、その一部を後述している が、あとはこれからの吟味によって当業者に明らかになり、或は本発明のプラク テイスによって分かるようになる。又、本願発明の目的と利点は、請求範囲に記 載された手段や組合せによって理解できる。
本願発明の上記目的を達成するために、ここで表現されまた広く開示されている ように、本発明の、三次元における非接触型の形状検出装置は、物体の表面に対 しスキャンエングビームを射出する光源を有する把持可能な走査ヘッドを含む。
把持可能な走査ヘッドに設けた二つのスポット検出器は、走査ヘッドに応じて物 体表面にある照射された点の位置を検出する。所定の座標システムによってその 位置がすでに定められた三つのパイロットランプ検出器は、走査ヘッド上で、空 間的に離れて設置された三つのパイロットランプ発光器の位置を検出する（当該 三つのパイロットランプ発光器がシーケンスにストロボされるとき）。走査ヘッ ド及びパイロットランプ検出器に接続した座標コンピューターは、スポット検出 器からデータを受け、走査ヘッドと関連して照射されたスポットの位置を計算す る。次に、座標コンピューターは、パイロットランプ検出器からのデータを使っ て実時間に基づく所定の座標システムに応じて走査ヘッドの色々の位置及び方向 を計算する。最後に、上記の座標コンピューターは、走査ヘッドによる照射点の 位置と所定座標システムによる走査ヘッドとを関連させることにより、所定の座 標システムに基づいて照射されたスポット（照射点）の位置を算出する。
本願発明の方法は、下記の工程を含む。即ち、走査処理中の物体表面に対し、把 持式の走査ヘッドから射出されたスキャンエングビームを走査させることによっ て物体表面におけるスポットを照射することと、所定座標システムに基づいて走 査ヘットの位置を検出することと、走査ヘッドにより照射されたスポットの位置 と所定座標システムに基づく走査ヘッドとを関連させることにより、所定の座標 システムに基づいて照射されたスポットの位置を算出することである。
Ｍ囚！車屋五皿 添付の図面は、明細書の一部となり、本発明における最良の実施形態を示す。そ して、詳細な説明と共に、本発明の詳細な説明している。
図１は、主要部分を示す本発明の光学測定装置の構成である。
図２は、本発明における把持式走査ヘッドの斜視図であり、どのような位置づけ で走査された物体表面までスキャンエングビームを誘導できるかを示している。
図３は、本発明における走査ヘッドの平面図であり、光射出装置及びスポット検 出器の配列をより明瞭に示す為に上面が部分的に省かれている。
図４は、本発明における一次元光電検出器の概略図である。
図５は、本発明における光学測定装量の略構成図であり、コントロールユニット 及び座標コンピューターにおける機能と操作を詳細に示している。
図６は、本発明の光学測定装置に用いられる一つの光検出器において検出器表面 の信号強度と位置との関係を示すグラフである。
Ｕ　るだめの　の５、 本発明の光学測定装置１０は、概略的に図１で示されている。
これは、光ビーム射出装置１４（図１には示されていないが、図３には示されて いる）と、二つの一次元スポットセンサ又は検出器１６．１８と、三つのパイロ ットランプ発光器２０．２２．２４とをハウジングする把持式又は可動な走査ヘ ッドとを含む。−次元パイロットランプセンサ２６．２８及び３０は、固定かつ 空間的に相互離れるように設けられ、所定の参考用座標システム又は座標８０に 応じて所定の位置に置かれている。これら−次元パイロットランプ検出器２６． ２８．３０は、それぞれのパイロットランプ発光器２０．２２．２４によって射 出された光を検出し、また電気的出力信号も発生する。このような電気的出力信 号から固定された参考用座標８０に応じて走査ヘッド１２の位置を誘導する。次 に詳しく説明されるように、データライン４６によって可動な走査ヘッド１２に 接続しまたデータライン４８．５０．５２によって離れたところの一次元パイロ ソトランプセンサ２６．２８．３０に接続したコントロールユニット３２は、三 つのパイロットランプ発光器２０．２２．２４の出光時のタイミングを同調させ 、ビーム射出装置１４の操作をコントロールし、走査ヘット１２にある二つのス ポットセンサ１６．１８からデータを受信する。データライン５４によってコン トロールユニット３２に接続した座標コンピューター３４は、所定の参考用座標 ８０に応じて、照射されたスポット３６の三次元空間座標を計算し、どの位置の インフォメーションが参考用座標８０に適用されるかを決める。
把持式の走査ヘッド１２の中に設けられた光ビーム射出装置１４は、物体３８の 表面４０に対し径の小さい光ビーム又はスキャンエングビーム４２を照射し、こ の表面にある小面積またはスポット３６を照射する。照射されたスポット３６か らの反射光４３は、走査ヘッド１２に設けられた二つの一次元スポットセンサ又 は検出器１６．１８に誘導される。照射されたスポット３６からの反射光４３の 相対角度視差を測定することにより、可動な走査ヘッド１２の位置に応じて照射 されたスポット３６の位置を検出する。次に、−次元パイロットランプ発光器２ ６．２８．３０の既知位置と相対する三つの時間複合パイロットランプ発光器２ ０．２２．２４の位置を測定することによって、同一瞬間の走査ヘッド１２の空 間位置及び方向を確定する。最後に、各センサ１６．１８．２６．２８及び３０ からの視差データを、最大限度的に座標コンピューター３４に入力する。この座 標コンピューター３４は、所定の参考用座標に応じ、走査ヘッド１２と関連中の 照射されたスポット３６の位置と、固定された一次元パイロソトランプセンサ２ ６．２８．３０と関連中の走査ヘッド１２の位置とを関連させることによって、 照射されたスポット３６の位置を確定する。また、これら固定された一次元パイ ロソトランプセンサ２６．２８．３０は、所定の参考用座標８０に応じ、精密に 決めた位置に基づいて、相互に離れて設けられ、また物体３８及び走査ヘッド１ ２から離れた距離で位置づけられている。もし、上記のコンピューターは、位置 づけ又は位置計算を速くすることができれば、走査ヘッド１２が物体に応じ移動 するときこのような操作はシーケンスにおいて何回も繰り返すことが可能であり 、従って走査へノド１２が移動する際物体の実時間測定を効率的に行うことがで きる。
このような二次元測定システムを使用することによって、即ち、特定の瞬間に走 査ヘッド１２に応じて照射されたスポツト３６の位置を測定し、次に同じ瞬間に 所定の参考用座標に応じて走査ヘッド１２の位置を確定することによって、本発 明の光学測定装置１０は、高精密度のヘッド位置付は装置や複雑かつ高価なメカ ニカル構造を省略することができる。更に、作業者は把持式走査ヘッド１２の操 作を容易に行うことができ、複雑な内部及びブラインド表面の細かいところまで スキャンエングビーム４２を向けることができ（そうしなければ走査が難しくな る）、走査はスピードアップされる。
図２．３．４を同時に参照すれば、本発明の光学測定装置の詳細はもっと分かり やすくなる。基本的には、走査ヘッド１２は、光ビーム射出装置１４（図３）と 、二つの一次元スポットセンサ又は検出器１６．１８と、パイロットランプ発光 器２０．２２．２４とから構成される。作業者はハンドル４４によって走査ヘッ ド１２を簡単に使用でき、物体３８の各表面及び隠れた輪郭部までスキャンエン グビーム４２を誘導することができる。
好ましい実施形態としては、上記の光ビーム射出装置は、コリメータした（校正 した）スキャンエングビーム４２を発生する為に、ヘリウム−ネオン（Ｈｅ　− Ｎｅ）のレーザー５６も含む。
勿論、当業者にとって即座に分かるように、輝点状のスキャンエングビームを発 生するように他の装置も使用可能である。
例えば、レーザー５６は、発光ダイオード（ＬＥＤ）と所属のコリメーティング レンズとによって構成されても良い。また、使用される装置は、物体の表面に対 し小さくてよく、定められた光ビームを射出することができる限り、ほかの光源 とレンズとの組合せも利用できる。図３に示すように、任意で枢軸のように設け られた平面鏡５８は、回転式の多面鏡６０までビーム４２を誘導する。この回転 式多面鏡６０は、更に、走査ヘッド１２とは単一面にある表面４２に対しビーム ４０を誘導し走査させる。勿論、回転式多面鏡６０における側面の数は、スキャ ンエングビーム４２が通過して走査する角度を決める。例えば、図３に示すペン タゴナル（五角形）鏡は、１４４度の角度を貫通してビームを走査させる。もっ と多くの側面は、もつと小さい角度を通過してビームを走査させる。不規則形の ミラー又は多回転ミラーを利用することによって、ほかのスキャンエング通路も 利用可能であるので、本発明は、ここに示す特定のスキャンエング装置に限定さ れない。
回転ミラー６０は、両方向ともに同じ比率で回転される。好ましい形態１０にお ける回転ミラー６０は、簡単な非同調モーター（示していない）によって矢印の 方向で回転される。上述したように、平面鏡５８は任意で枢軸のように設けられ 、ビームの通路から位置５８′（図３の破線で示されている）まで出されてビー ム４２のスキャンエング作用をストップさせる。ミラーが位置５８′にあるとき 、ビーム４２は走査ヘッド１２におけるアパーチャ６４から出ていく。このアパ ーチャ６・１は、後に、ポイント−タイプのスキャンナーまたは非接触のポイン ターとして用いられ、物体３８の表面４０における単一点を識別する。
−次元スポットセンサ又は検出器１６．１８は、図４を参照すれば最も分かりや すくなる。事実上、本発明の好ましい例に用いられるすべての一次元センサ］６ ．１８．２６．３０は、各方面における一次元スポット検出器１６とは同一のも のである。
したがって、この例を説明するために、ただセンサ１６だけを挙げている。他の センサ１８．２６．２８．３０は同一の特徴を持っている。
図４を参照すれば、−次元スポットセンサ１６は、当該センサ１６の光学軸７６ と直交の縦軸７４を有する円筒状レンズ６６を含む。線形光学検出器６８は、例 えば何千個の素子を有する電荷結合素子（ＣＣＤ）、または延長したアパーチャ ア８を有し線形光学検出ができる類似の装置は、光学軸７６がアパーチャア８を 通過するように、或はアパーチャア８の長手軸がレンズ６６の縦軸７４を含む平 面と直交するように、位置付けられている。照射されたスポット３６から反射さ れた入射線ビーム４３は、円筒状レンズ６６によって、線形光学検出器６８の表 面７０における実像線７２に集中される。これは、このタイプのレンズの特徴で ある。
後に、線形光学検出器６８は一つの信号を発生する。図６に示すように、これは 線形光学検出器６８の表面７０における実像線の位置と関連し、像自体の位置付 けを特徴としている。即ち、実像線７２によって照射された線形光学検出器６８ のこれらの素子は、強い信号を発生する。一方、照射されていない素子は、ただ 弱い信号を発生する。従って、ＣＣＤの表面における信号強度対位置のグラフは 、図６に示す信号ピークカーブ１００に似ている。ここで注意すべきことは、外 乱光の作用やセンサにおける他の欠陥のために、「ゼロ」の信号レベルは絶対、 本当の意味のゼロにはならない。いかなる場合においても、照射されたスポット ３．６のイメージは線７２に集中されるので、ただ光学軸７６からのスポット３ ６の水平変位だけが線形光学検出器６８１こよって測定され、それで「−次元検 出器」と定義したわけである。
そこで、一つの一次元スポットセンサ１６はただ、スポット３６の特別ビームが 所在の平面だけを検出する。一方、この−次元スポット検出器１６は、それ自体 では単−位置又はスポット３６のような空間における位置を確定することができ ない。
スポット３６のような空間における位置を正確に検出する為に、相互空間的に離 れて設置された王台の検出器が必要である（その理由は、三つの平面の交差部が 一つの慨を定義する）。なお、もし検出器１６のアパーチャア８を含む平面はス キャンエングビーム４２と同じ平面にあれば、スポット３６の位置を単一的に検 出するには、ただ三台の検出器だけが必要である。したがって、本発明の好まし い例においては、それぞれの−次元スポットセンサ１６．１８のアパーチャア８ はスキャンエングビーム４２と同じ平面にあるので、ただ三台の一次元スポット センサ１６と１８を使うだけで照射されたスポット３６の空間における確実な位 置を確定することができる。
三つのパイロットランプ発光器２０．２２．２４（１ｍｌ〜３）ハ、高強度の発 光ダイオード（ＬＥＤｓ）であり、これらに対しては、一つのパイロットランプ ＬＥＤが常時「オン」又は発光するように、所定の方法でコントロールユニット ３２によって時間複合又はストロボした方が良い。これらのパイロットランプ発 光器２０．２２．２４の何れかから射出された光は、各−次元パイロットランプ センサ２６．２８．３０によって検出される。これら−次元パイロットランプセ ンサ２６．２８．３０は後に、ストロボまたは照射された瞬間に、−次元パイロ ットセンサ２６．２８．３０の既知位置に応じて特定の発光器の位置を確定する 。
パイロットランプ発光器２０．２２．２４のうち特定の照射された所の位置を検 出するためには、−次元パイロットランプセンサ２６．２８．３０は、それぞれ の光学軸が重ならないように設けられている。本発明の好ましい例においては、 三台のパイロットランプセンサは、例えば図１に示すように、それぞれの軸７４ （図４）が空間的に離れて平行となるように設置され、センサ２“８が三台の中 間にあり、その軸７４がこの三台と垂直となる。上述したように、各−次元パイ ロットランプセンサ２６．２８．３０は、所定のパイロットランプ発光器が所在 する単一平面を確定し、その共通の部分はその照射された発光器の位置を確定す る。
所定の照射されたパイロットランプ発光器２０．２２．２４の位置を検出する過 程は、照射された発光器の位置を確実に検出することができるが、三次元におけ る走査ヘッド１２全体の特定方向を確定することができない。それをするために は、空間的に離れた少なくとも三つの発光器（これらの相互方向が、すでに周知 である）に対する位置検出が必要である。従って、本願発明の光学測定システム １０は、三つのパイロットランプ発光器２０．２２．２１（走査ヘット１２にお けるこれらの相対位置は固定かつ既知のものである）を使用することによって走 査ヘント１２の方向を確定する。その結果、シーケンスにおいて各パイロ、トラ ンプ発光器２０．２２．２４を速やかにオンにすれば、−次元パイロットランプ センサ２６．２８．３０は、次に各発光器の確実な位置を検出することができる ようになり、走査ヘッドの位Ｉと方向を確定することかできるようになる。
・ぐイロノトランプ発光器２０．２２．２４のうち、位置検出を行う際一つだけ がオンになるので、−回にただ一つだけがオンとなり、−次元パイロットランプ センサ２６．２８．３０もただその特定の照射されたスポットランプの位置だけ を検出できる。もしストロボ速度、即ちパイロットランプ発光器２０．２２．２ ４のシーケンスにおけるオン・オフの頻度が速くなれば、−次元パイロットラン プセンサ２６．２８．３０はあらゆる目的の為に、どんな瞬間でも即座に走査ヘ ット１２の位置及び方向を確定することができるようになる。
ここで注意すべきことは、−次元パイロットランプセンサ２６．２８．３０は、 パイロットランプ発光器２０．２２．２４のうちどれがオンになりまたは照射し たかを識別すれば良い。本発明の好ましい例においては、この機能はシーケンス における各パイロットランプ発光器２０．２２．２４をストロボし或は照射する ことによって達成できる。しかし、他の方法によっても、−次元パイロットラン プセンサ２６．２８．３０ヲ使ってそれぞれのパイロットランプ発光器２０．２ ２．２４に対し相互混乱がないように識別することができる。例えば、異なる色 のランプは、それら特定の色または波長の光を識別できる検出器と併用できる。
或は、各発光器のために、単一な「色調」を使ってそれぞれのパイロットランプ 発光器２０．２２．２４を調整することができる。次に、コントロールユニット ３２又は座標コンピューター３４をプログラムすることによって上記の色調を調 整することができ、それによって、位置信号が特定のパイロットランプ発光器２ ０．２２．２４のうちのどれに所属するかを確定する。パイロットランプ発光器 ２０．２２．２４を識別する方法としては、他にも色々な方法があり、それらは 当業者にとっては明らかである。
図５を参照すれば、コントロールユニット３２の構造及び操作に関する詳細な部 分が分かりやす（なる。殊に、コントロールユニット３２は、光ビーム射出装置 又は光源１４と、ビームスポットセンサ１６．１８と、パイロットランプ発光器 又は光源２０．２２．２４と、−次元パイロットランプセンサ２６．２８．３０ とに電源を提供している。コントロール及び同調ユニット８４、光源シーケンサ ８６は、上述のように、ビーム射出装置１４及びパイロットランプ発光器２０． ２２．２４に対し個別的に時間複合又はストロボを行う。−次元パイロットラン プセンサ２６．２８．３０及び−次元スポットセンサ１６．１８がら受けた角度 データ信号は、アナログ・デジタル変換器８８によって変換される。
実際は、図５に示すように五つのアナログ・デジタル変換器が用いられるが、た だ一つだけをここでは簡潔に図示し説明している。ほかの四つのアナログ・デジ タル変換器はまったく同じものであり、センサ２８．３０．１６．１８からの信 号を転換する。
コントロール及び同調ユニット８４は、五つのスイッチを制御し、そのうちのス イッチ９ｏが図示される。パイロットランプ発光器及びスキャンエングビーム４ ２がオフのとき、このスイッチ９０は、センサ２６．２８．３０．１６．１８が らのデジタルデータを背景メモリ９２に保存させる。次に、パイロット光源及び スキャンエングビームがシーケンスにおいて光源シーケンサ８６によって照射さ れるとき、コントロール及び同調ユニット８４は、スイッチ９０（これは更に五 つのセンサがらのデータを減算ユニット９４まで誘導する）の状態を変化させる 。減算ユニット９４は、照射されたデータから「背景」データを減算する。それ によって、信号から減算され、背景騒音信号１０２（図６）がほとんど含まれな い信号が形成される。
図４．６と共に図５を参照すれば、先・後オーツに臨界ユニット９６は、所定の 臨界信号レベルに基づきＣＣＤセンサにょって発生した信号ブリップ（図６）の 端部１０４．１０６の位置を測定することにより、ＣＣＤセンサ６８（図４）に おける実像の位置を算出する。先・後オーバー臨界ユニット９６は次に、二端部 間の距離を平均し、図６に示すように常時降下する信号ピークの中心部を見つけ る。信号ピークの中心部を確定する特定の方法は、当業者にすでに周知のもので あるので、ここで更に詳しく説明する必要がない。また、信号ピークの位置を確 定するその他の方法は、すでに周知のものであり当業者に明らかである。用いら れる特定の方法は、用いられる特定の光センサの信号の特徴によってきめられ、 また、光を検出器の表面に集中させるのに用いられるレンズシステムそしてその 他のパラメータによっても決められている。ここで説明した各変更で本発明を実 施する者にとっては、センサの特徴に最も適切な信号検出互除法を選び出すこと は容易にできる。
最後に、コントロールユニット３２（図５）は、位置信号を座標コンピューター に伝送する。即ち、座標コンピューター３４は、物体において照射されたスポッ ト３６の現位置を計算する際、すべてのセンサからの最新角度データを受けて分 析する。もし、−次元スポットセンサ１６．１８または一次元パイロットランプ センサ２６．２８．３０が、コントロールユニット３２の処理速度よりも速くデ ータを発生すれば、上記の角度データは簡単に処分しても良い。
図５を参照すれば、座標コンピューターの詳細は最も分かりやすくなる。基本的 には、座標コンピューター３４は、各センサからの信号ピークの位置に基づいて 、各光源にその一次元位置を計算する。次に、所定の座標システム８０に応じて 、これらの−次元位置を利用し、照射されたスポット３６及び走査ヘッド１２の 三次元空間座標を算出（当該分野で既知の座標変換方法を利用する）する。座標 コンピューター３４からの出力は、作業者や応用システムによっていかなる形式 のものでも良く、たとえば、事前に決めた固定の長方形座標システムに基づ＜　 ｘｙｚ座標三極のものでも良い。
本発明の光学測定装置の操作は次の通りである。
物体３８の表面４０にスポット３６を照射すると、走査ヘット１２の内部におけ る二つの一次元スポットセンサ１６．１８は、所定の瞬間に照射されたスポット ３６の角度位置を検出する。−次元スポットセンサ１６．１８からの信号は、デ ータライン４６によってコントロールユニット３２まで誘導される。次に、−次 元パイロソトランプセンサ２６．２８．３０は、上述したシーケンスにおいて三 つのパイロットランプ発光器２０．２２．２４の個別の位置を検出する。即ち、 各−次元パイロットランプセンサ２６．２８．３０は、走査ヘッド１２に設けら れた各パイロットランプ発光器２０．２２．２４からの光線角度を測定する。各 −次元パイロソトランプセンサ２６．２８．３０からの角度データも、データラ イン４８．５０．５２によってコントロールユニット３２まで誘導される。
上記のように、コントロールユニット３２は、各センサ１６．１８．２６．２８ ．３０（アナログ信号を出力する）からの角度データをデジタルデータに変換し 、そしてそれらのデータにそれぞれの光源を識別するためのインフォメーション を付ける。次に、環境騒音を除去し、信号ピークの中心を確定するための既知の 信号検出方法を使用し、これら変換されたデジタルデータを処理することによっ て、検出器６８における実像線７２が位置付けされる。各センサ１６．１８．２ ６．２８．３０からのそれぞれの信号ピークの中心の位置付けは、データライン ５４によって座標コンピューター３４まで誘導される。そして、座標コンピュー ター３４は所定の座標システム８０に応じて照射されたスポット３６の現位置を 算出する。シーケンシャル計算及びビームスポットの位置確定は、コンピュータ ーと同じ速さで行われるので、物体表面における多数のこの種の点は、はぼ実時 間に基づき走査される場合と同じように確定することができる。これらの位置デ ータをコンピューターメモリに保存し、記憶させ、相互関連させることによって 、精密な再生性で物体のイメージを生成するこができ、或は、物体における色々 な点又は特徴は、あらゆる希望の方法で測定したり使用したりすることができる 。
本発明に対する多数かつ自明な修正が既に記載されているが、更に他の修正や変 更は当業者には容易である。例えば、本発明における好ましい例では、可視光線 を使用する。この場合は、作業の人は光源が操作できるかどうか、またトラブル な反射を起こしているかどうかを監視するのが目的である。勿論、その他の波長 の電磁照射も、本発明の思想及び範囲を離れることなく利用可能である。更に、 検出器の中に回路を設けることも可能であり、それによって外乱光を取り除くこ とができ、本発明の検出効率を高めることになる。検出器の光学性やレンズに対 する修正も可能である。この種の修正は、検出器におけるイメージ特徴を変更す ることになり、例えば、一つのアークに沿って垂直的にカーブとなりその半径が レンズの焦点長さに等しい円筒状レンズを使用することができる。同じく、光電 検出器の表面はカーブとなっても良く、それによって遠距離光源のイメージをシ ャープフォークスに維持することができる（これらの位置を考慮せずに済む）。
そして、検出器出力の測定も可能である。例えば、ピーク強度の角度、強度系の 平均値、その強度が所定の臨界値を超えた場合の最大値と最小値の平均値などが 利用できる。最後に、当業者にとって明らかなように、適切な増進を形成する為 に、座標コンピューターをプログラムすることによってデジタルデータの色々な 増進も可能である。
以上は、ただ本発明の詳細な説明しただけである。当業者にとって多数の修正や 変更が容易である。また、上記の説明は、本発明をここに示す構造及び操作に限 定するものでなく、あらゆる適切な修正等はすべて後述のクレームに記載された 範囲に入るものと見なされる。
０　位置 補正書０翻訳文提出書（特許法第１８４条″）７第１項）唾平成　５年　４月１ ５日

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、所定の座標システムに基づいて物体表面上の点の位置を確定するための三次 元における非接触の形状検出装置であって、 物体の表面に対しスキャンニングビームを射出することによって物体表面におけ る複数のスポットを照射するスキャンニング手段と、 上記のスキャンニング手段に設けられ、当該スキャンニング手段のスキャン動作 に応じ物体表面において照射されたスポットの位置を検出するスポット検出手段 と、上記のスキャンニング手段から離れて設けられ、上記の所定の座標システム に応じてこのスキャンニング手段の位置を検出する位置検出手段と、 上記のスキャンニング手段と位置検出手段とに接続され、スキャンニング手段の スキャン動作に応じた照射点の位置と上記の所定の座標システムに基づくスキャ ンニング手段の位置とを関連させることによって、上記の所定の座標システムに 基づき物体表面における照射点の位置を確定するための計算手段と を具備することを特徴とする三次元における非接触の形状検出装置。 ２、上記のスポット検出手段が、空間的に離れた複数の一次元スポット検出手段 を含むことを特徴とする請求項１記載の三次元における非接触の形状検出装置。 ３、上記の一次元スポット検出手段か、一つの線形光電検出器と、当該線形光電 検出器と物体の照射点との間に設けられ照射点からの光をこの線形光電検出器に 集光させるレンズとを含むことを特徴する請求項２記載の三次元における非接触 の形状検出装置。 ４、上記のスキャンニング手段の位置を検出するための計算手段が、当該スキャ ンニング手段に設けられ複数の一次元パイロットランプ光線を射出するための複 数の一次元パイロットランプ光源手段と、空間的に離れて設けられると共に、上 記のスキャンニング手段から遠距離的に位置付けられ、上記の複数のパイロット ランプ光源手段の位置を検出するように設置した複数の一次元パイロットランプ 検出手段とを含むことを特徴とする請求項３記載の三次元における非接触の形状 検出装置。 ５、上記の複数の一次元パイロットランプ検出手段が、一つの線形光電検出器と 、当該線形光電検出器と複数の一次元パイロットランプ光源手段との間に設けら れ当該複数の一次元パイロットランプ光源手段からの光をこの線形光電検出器に 集光させるレンズとを含むことを特徴する請求項４記載の三次元における非接触 の形状検出装置。 ６、上記の複数の一次元光源手段が所定の方式でストロボオン・オフすることを 特徴する請求項５記載の三次元における非接触の形状検出装置。 ７、上記のスキャンニング手段が、スキャンニングビームを発生する光源手段と 、物体表面にスキャンニングビームを誘導するスキャンニングビーム誘導手段と を含むことを特徴とする請求項５記載の三次元における非接触の形状検出装置。 ８、スキャンニングビームを発生する上記の光源手段がレーザーであることを特 徴とする請求項７記載の三次元における非接触の形状検出装置。 ９、上記のスキャンニング誘導手段が少なくとも三つの側面を有する回転ミラー であることを特徴とする請求項７記載の三次元における非接触の形状検出装置。 １０、上記の一次元スポット検出手段が円筒状レンズであることを特徴とする請 求項９記載の三次元における非接触の形状検出装置。 １１、上記の一次元パイロットランプ検出手段が円筒状レンズであることを特徴 する請求項９記載の三次元における非接触の形状検出装置。 １２、所定の座標システムに基づいて物体表面上の点の位置を確定するための三 次元における非接触の形状検出方法であって、 物体の表面に対し、ビーム射出器から射出されたスキャンニングビームを走査さ せることによって物体表面の照射点を照射することと、 上記のビーム射出器の位置に応じて、上記の物体表面における照射点の位置を検 出することと、 上記の所定の座標システムに基づいて上記のビーム射出器の位置を検出すること と、 上記のビーム射出器に応じる上記照射点の位置と上記の所定座標システムに基づ くビーム射出器の位置とを関連させることによって、上記の所定の座標システム に基づき物体表面における照射点の位置を算出すること を含むことを特徴とする三次元における非接触の形状検出方法。
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