JP2015206644A - 光学式座標測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定効率が向上された光学式座標測定装置を提供する。【解決手段】測定ヘッド１００の保持部１１０は、設置部１１１およびスタンド部１１２を含む。設置部１１１は、水平な平板形状を有し、設置面に設置される。スタンド部１１２は、設置部１１１の一方の端部から上方に延びるように設けられ、設置部１１１の他方の端部に載置台１２０が設けられる。スタンド部１１２の上部に主撮像部１３０が設けられる。主撮像部１３０は、スタンド部１１２に対して着脱自在に構成される。主撮像部１３０は、予め定められた撮像領域を撮像するように一定姿勢でスタンド部１１２により固定される。【選択図】図２

Description

本発明は、プローブを用いる光学式座標測定装置に関する。

光学式座標測定装置には、測定位置を指定するためのプローブが設けられる。プローブにより測定対象物の任意の位置が測定位置として指定され、その測定位置の座標が算出される。測定対象物上の複数の測定位置の座標が算出されることにより、測定対象物の所望の部分の寸法が測定される。

特許文献１には、データプロセッサ、接触プローブおよび角度センサを備えた空間座標の逐点式測定システムが記載されている。接触プローブには、接触点に加えて、複数の点光源が設けられる。角度センサは、測定対象物の本質的な部分を観測可能でかつ接触プローブの複数の点光源を観測可能に設けられる。

角度センサから各光源に向かう空間的方向が記録される。記録された空間的方向に基づいて、角度センサに関する接触プローブの位置と方向とがデータプロセッサにより算出される。接触プローブの位置が接触点の位置および測定対象物の位置に関係付けられる。

特表平６−５１１５５５号公報

特許文献１の逐点式測定システムにおいては、三脚等の固定器具を用いて目的物および接触プローブの複数の点光源を観測可能に角度センサが固定する必要がある。この場合、比較的大型の測定対象物に関しては、一定の効率で測定を行うことができる。一方、比較的小型の測定対象物に関しては、固定器具を準備して角度センサを固定する等の手順を行うことにより、測定効率が低下する。また、光学式の測定装置で数μｍ〜数十μｍといった高い測定精度を実現しようとすると、測定対象範囲が比較的限定される。そのため、三脚等の固定器具の調整に手間がかかる、あるいは、使用者が測定対象範囲を認識しにくくなる。これらも、測定効率が低下する要因となる。

本発明の目的は、測定効率が向上された光学式座標測定装置を提供することである。

（１）本発明に係る光学式座標測定装置は、複数のマーカを有し、測定位置を指定するためのプローブと、プローブの複数のマーカを撮像する撮像部と、撮像部による撮像の結果に基づいて、プローブにより指定される測定位置の座標を算出する算出部と、撮像部が予め定められた撮像領域を撮像するように撮像部を一定姿勢で固定する固定部材とを備え、撮像部が固定部材に対して着脱自在である。

この光学式座標測定装置においては、プローブの複数のマーカが撮像部により撮像され、その撮像の結果に基づいて、プローブにより指定された測定位置の座標が算出部により算出される。

撮像部は、予め定められた撮像領域を撮像するように固定部材により一定姿勢で固定される。それにより、撮像部の位置および姿勢を調整するための作業が不要になり、測定効率が向上される。また、撮像領域が限定されるので、高い精度で測定を行うことができる。

さらに、撮像部が固定部材に対して着脱自在であるので、撮像部の校正およびメンテナンスを容易に行うことができる。それにより、撮像部の精度を維持するための作業負担が低減される。

（２）固定部材は、撮像部が斜め下方を撮像するように撮像部を固定してもよい。

この場合、光学式座標測定装置の大型化が抑制される。

（３）光学式座標測定装置は、測定対象物が載置される載置台と、載置台を保持するベース部とをさらに備え、固定部材は、ベース部に固定され、撮像部は、撮像領域として載置台上の領域を撮像してもよい。

この場合、撮像部と載置台とがベース部および固定部材により一体的に保持されるので、光学式座標測定装置の取り扱いが容易になる。また、載置台上の領域が撮像領域となるので、使用者が撮像領域を容易に認識することができる。それにより、測定効率が向上される。

（４）撮像部は、当該撮像部の特性を表す第１の校正情報を記憶する第１の記憶部を含んでもよい。

この場合、撮像部の第１の記憶部に記憶された第１の校正情報を用いて測定を行うことができる。そのため、固定部材から撮像部が取り外された状態で撮像部の校正が行われても、得られた第１の校正情報を他の記憶装置に記憶させる必要はなく、撮像部の第１の記憶部に記憶させるだけでよい。したがって、撮像部の校正のための作業負担が低減される。

（５）プローブは、算出部に有線または無線により接続されてもよい。

この場合、プローブの取り扱いが容易になる。そのため、プローブを用いた測定位置の指定が容易になるとともに、プローブの校正およびメンテナンスが容易になる。

（６）プローブは、当該プローブの特性を表す第２の校正情報を記憶する第２の記憶部を含んでもよい。この場合、プローブの校正により得られた第２の校正情報を、他の記憶装置に記憶させる必要がなく、プローブの第２の記憶部に記憶させることができるので、プローブの校正のための作業負担が低減される。

（７）プローブは、第１の方向に延びるように設けられ、使用者により把持される把持部と、第１の方向に対して角度をなす第２の方向に延びるように把持部の上端部に設けられる本体部とを有し、複数のマーカは本体部の上面に設けられ、本体部の端部に測定対象物に接触される接触部が設けられてもよい。

この場合、使用者が把持部を把持した状態で本体部の上面を撮像部に向けやすくなる。そのため、本体部の上面に設けられた複数のマーカを撮像部により容易に撮像することができる。

本発明によれば、測定効率が向上される。

本発明の一実施の形態に係る光学式座標測定装置の構成を示すブロック図である。 図１の光学式座標測定装置の測定ヘッドの構成を示す斜視図である。 図２の測定ヘッドのプローブの構成を示す斜視図である。 主撮像部の構成について説明するためのブロック図である。 主撮像部がスタンド部から取り外された状態を示す概略斜視図である。 主撮像部の着脱のための具体的な構成の一例について説明するための図である。 スタンド部に対する主撮像部の着脱方法について説明するための図である。 スタンド部に対する主撮像部の着脱方法について説明するための図である。 主撮像部およびスタンド部の変形例を示す断面図である。 プローブおよび副撮像部の内部構成を示すブロック図である。 主撮像部と複数のマーカとの関係について説明するための模式図である。 図２の表示部に表示される画像の一例を示す図である。 測定対象物の一例を示す図である。 測定例について説明するための図である。 測定例について説明するための図である。 測定例について説明するための図である。 測定例について説明するための図である。 測定例について説明するための図である。 撮像画像上に測定情報が重畳表示された例を示す図である。

（１）光学式座標測定装置の構成
図１は、本発明の一実施の形態に係る光学式座標測定装置の構成を示すブロック図である。図２は、図１の光学式座標測定装置３００の測定ヘッドの構成を示す斜視図である。図３は、図２の測定ヘッド１００のプローブの構成を示す斜視図である。以下、本実施の形態に係る光学式座標測定装置３００について、図１〜図３を参照しながら説明する。図１に示すように、光学式座標測定装置３００は、測定ヘッド１００および処理装置２００を備える。測定ヘッド１００は、保持部１１０、載置台１２０、主撮像部１３０、プローブ１４０、副撮像部１５０、表示部１６０、操作部１７０および制御基板１８０を含む。

図２に示すように、測定ヘッド１００の保持部１１０は、設置部１１１およびスタンド部１１２を含む。設置部１１１は、水平な平板形状を有し、設置面に設置される。スタンド部１１２は、設置部１１１の一方の端部から上方に延びるように設けられる。

設置部１１１の他方の端部に載置台１２０が設けられる。載置台１２０は、例えば光学定盤である。載置台１２０上には、測定対象物Ｓが載置される。本例においては、載置台１２０は略正方形状を有する。載置台１２０には、互いに直交する２方向に等間隔で並ぶように複数のねじ穴が形成されている。これにより、上クランプ部材および固定ねじにより測定対象物Ｓを載置台１２０に固定することができる。載置台１２０は磁性を有していてもよい。この場合、マグネットベース等の磁石を用いた固定部材により測定対象物Ｓを載置台１２０に固定することができる。また、載置台１２０の上面が粘着性を有してもよい。この場合も、測定対象物Ｓを載置台１２０に容易に固定することができる。なお、載置台１２０が着脱自在に構成されてもよい。例えば、複数のねじ穴が形成された載置台１２０に、上面が粘着性を有する板状部材をねじにより固定することで、上面が粘着性を有する載置台１２０を実現してもよい。

スタンド部１１２の上部に主撮像部１３０が設けられる。主撮像部１３０は、スタンド部１１２に対して着脱自在に構成される。主撮像部１３０は、撮像素子１３１（後述する図４）および複数のレンズ１３２（後述する図４）を含む。本実施の形態においては、撮像素子１３１は赤外線を検出可能なＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサである。主撮像部１３０は、予め定められた撮像領域Ｖ（後述する図１０）を撮像するように一定姿勢でスタンド部１１２により固定される。本例において、主撮像部１３０は、斜め下方の領域を撮像するように固定される。主撮像部１３０の詳細については後述する。

撮像領域Ｖ（図１０）は、設置部１１１の載置台１２０およびその周辺を含む一定の領域である。本実施の形態においては、図１の載置台１２０および載置台１２０から図１のプローブ１４０の全長の寸法分だけ突出した領域が撮像領域Ｖとして定義されている。なお、プローブ１４０の全長は、例えば１５０ｍｍ程度である。主撮像部１３０の撮像素子１３１（図４）の各画素からは、検出量に対応するアナログの電気信号（以下、受光信号と呼ぶ）が制御基板１８０に出力される。

図３に示すように、プローブ１４０は、筐体部１４１、把持部１４２、複数のマーカ１４３、スタイラス１４４、電源基板１４５および接続端子１４６を含む。把持部１４２は、第１の方向Ｄ１に延び、筐体部１４１は第１の方向Ｄ１と交差する第２の方向Ｄ２に延びる。使用者は、把持部１４２を把持してプローブ１４０を操作する。

以下、特に言及しない場合には、プローブ１４０の上下および前後は、使用者が把持部１４２を垂直に保持した状態（第１の方向Ｄ１が上下方向を向く状態）でのプローブ１４０の上下および前後を指す。

筐体部１４１は把持部１４２の上端部に設けられる。筐体部１４１の前部分が把持部１４２の前方に突出し、筐体部１４１の後部分が把持部１４２の後方に突出するように、把持部１４２は筐体部１４１の下面の中央部から下方に延びる。ここで、第１の方向Ｄ１と第２の方向Ｄ２とがなす角度を把持部１４２と筐体部１４１の前部分とがなす角度φと定義する。本実施の形態では、角度φは鋭角であり、０°よりも大きく９０°よりも小さい。

把持部１４２が垂直に保持された状態において、筐体部１４１の前端は筐体部１４１の後端よりも下方に位置し、筐体部１４１の上面が後端から前端にかけて斜め下方に傾斜する。この場合、使用者は、筐体部１４１の上面を容易に斜め上方に向けることができる。

本実施の形態では、筐体部１４１の上面は、前部上面１４１ａ、中央部上面１４１ｂおよび後部上面１４１ｃからなる。前部上面１４１ａ、中央部上面１４１ｂおよび後部上面１４１ｃは、それぞれ第２の方向Ｄ２に平行である。また、前部上面１４１ａ、中央部上面１４１ｂおよび後部上面１４１ｃは、第１および第２の方向Ｄ１，Ｄ２を含む平面に垂直である。前部上面１４１ａおよび後部上面１４１ｃは同一の平面上にあり、中央部上面１４１ｂは前部上面１４１ａおよび後部上面１４１ｃよりも高い平面上にある。

筐体部１４１の内部には、複数のマーカ１４３を有するガラス製の保持部材が収容される。筐体部１４１には、内部の複数のマーカ１４３を露出させるための複数の開口１４１ｈが形成される。

図３の例においては、筐体部１４１内に７個のマーカ１４３が設けられる。筐体部１４１の前端に３個のマーカ１４３が配置され、中央に２個のマーカ１４３が配置され、後端に２個のマーカ１４３が配置される。筐体部１４１の前部上面１４１ａ、中央部上面１４１ｂおよび後部上面１４１ｃには、前端の３個のマーカ１４３を露出させるための開口１４１ｈ、中央の２個のマーカ１４３を露出させるための開口１４１ｈおよび後端の２個のマーカ１４３を露出させるための開口１４１ｈが形成される。

本例においては、筐体部１４１の前端の３個のマーカ１４３および後端の２個のマーカ１４３は、同一の平面上に位置するように配置されている。また、中央の２個のマーカ１４３は、他のマーカ１４３が位置する平面よりも高い平面上に位置するように配置されている。

前端の３個のマーカ１４３は前部上面１４１ａから上方に露出するように配置される。中央の２個のマーカ１４３は中央部上面１４１ｂから上方に露出するように配置される。後端の２個のマーカ１４３は後部上面１４１ｃから上方に露出するように配置される。

各マーカ１４３から光が放出されるように、筐体部１４１内に図示しない複数のＬＥＤ（発光ダイオード）が設けられる。本例においては、各ＬＥＤは赤外ＬＥＤであり、各マーカ１４３から定期的に波長８６０ｎｍの赤外線が放出される。複数のマーカ１４３から放出された赤外線は、筐体部１４１の複数の開口１４１ｈを通って図２の主撮像部１３０により撮像される。

図２の主撮像部１３０は、載置台１２０の斜め上方に位置する。上記のように、使用者は、筐体部１４１の上面を容易に斜め上方に向けることができる。そのため、主撮像部１３０は、載置台１２０上の測定対象物Ｓの形状測定時に、プローブ１４０の複数のマーカ１４３から放出される赤外線を効率よく撮像することができる。

図３に示すように、スタイラス１４４は、測定対象物Ｓに接触可能な接触部１４４ａを有する棒状の部材である。本実施の形態においては、スタイラス１４４の先端に球状の接触部１４４ａが設けられる。筐体部１４１の前端面および下面には、スタイラス１４４を取り付けるための図示しない取付部が形成されている。使用者は、測定対象物Ｓの形状に応じて、スタイラス１４４の取り付け位置を筐体部１４１の前端面と前端の下面との間で任意に変更することができる。図３の例では、スタイラス１４４は、筐体部１４１の前端面に取り付けられている。

電源基板１４５は、マーカ１４３を発光させるＬＥＤに電力を供給する。電源基板１４５は、把持部１４２の内部に収納される。接続端子１４６は、把持部１４２の下部に配置される。複数のマーカ１４３の発光のタイミングは、接続端子１４６に接続されたケーブルを通して図１の制御基板１８０により制御される。なお、プローブ１４０と制御基板１８０とが無線により通信可能に設けられてもよい。また、プローブ１４０が有線または無線により処理装置２００に直接的に接続されてもよい。

副撮像部１５０は、例えばＣＣＤ（電荷結合素子）カメラである。副撮像部１５０の解像度は、主撮像部１３０の解像度よりも低くてもよい。副撮像部１５０は、プローブ１４０のスタイラス１４４の接触部１４４ａとの位置関係が既知となる位置に配置される。本実施の形態においては、副撮像部１５０は、プローブ１４０の筐体部１４１の前端の端面に配置される。副撮像部１５０の各画素から受光信号が制御基板１８０に出力される。

図２に示すように、表示部１６０は、保持部１１０のスタンド部１１２に支持され、かつ表示部１６０の表示画面が斜め上方を向くように設置部１１１上に設けられる。これにより、使用者は、最小限の視線の移動で測定対象物Ｓおよび表示部１６０を選択的に視認することができ、または測定対象物Ｓおよび表示部１６０を同時に視認することができる。

表示部１６０は、例えば液晶ディスプレイパネルまたは有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルにより構成される。表示部１６０には、制御基板１８０による制御に基づいて、処理装置２００により生成された画像、光学式座標測定装置３００の操作手順画面、または測定の結果等が表示される。

操作部１７０は、例えば複数の操作ボタンを有する。操作部１７０は、測定を行う測定対象物Ｓの部分を指定するとき等に使用者により操作される。操作部１７０は、プローブ１４０に一体的に設けられてもよい。例えば、図３の把持部１４２に１または複数の操作ボタンが操作部１７０として設けられてもよい。この場合、使用者が一方の手で把持部１４２を把持しつつ操作部１７０を操作することができる。

制御基板１８０は、保持部１１０の設置部１１１内に設けられる。制御基板１８０は、主撮像部１３０、プローブ１４０、副撮像部１５０、表示部１６０および操作部１７０に接続される。処理装置２００は、制御基板１８０を介して主撮像部１３０、プローブ１４０、副撮像部１５０、表示部１６０および操作部１７０の動作を制御する。

制御基板１８０には、図示しないＡ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）およびＦＩＦＯ（First In First Out）メモリが実装される。主撮像部１３０および副撮像部１５０から出力される受光信号は、制御基板１８０のＡ／Ｄ変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされるとともにデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号は、ＦＩＦＯメモリに順次蓄積される。ＦＩＦＯメモリに蓄積されたデジタル信号は画素データとして順次処理装置２００に転送される。

本実施の形態においては、図３の複数のマーカ１４３の発光のタイミングと図２の主撮像部１３０の撮像のタイミングとが同期される。複数のマーカ１４３の発光期間に蓄積された画素データが、次のマーカ１４３の消光期間に制御基板１８０から処理装置２００に転送される。

図１に示すように、処理装置２００は、記憶部２１０、制御部２２０および操作部２３０を含む。記憶部２１０は、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）およびハードディスクを含む。記憶部２１０には、システムプログラムが記憶される。また、記憶部２１０は、種々のデータの処理および測定ヘッド１００から与えられる画素データ等の種々のデータを保存するために用いられる。

制御部２２０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）を含む。本実施の形態においては、記憶部２１０および制御部２２０は、パーソナルコンピュータにより実現される。制御部２２０は、測定ヘッド１００から与えられる画素データに基づいて画像データを生成する。画像データは複数の画素データの集合である。制御部２２０は、生成された画像データに基づいて、プローブ１４０のスタイラス１４４の接触部１４４ａの位置を算出する。

操作部２３０は、キーボードおよびポインティングデバイスを含む。ポインティングデバイスは、マウスまたはジョイスティック等を含む。操作部２３０は、使用者により操作される。

（２）主撮像部の構成
図４は、主撮像部１３０の構成について説明するためのブロック図である。図４に示すように、主撮像部１３０は、撮像素子１３１、複数のレンズ１３２（図４では、模式的に１つのレンズ１３２のみが示される）、撮像制御部１３３、メモリ１３４およびインターフェイス１３５を含む。図３のマーカ１４３から放出される赤外線が複数のレンズ１３２を通して、撮像素子１３１に入射する。

撮像制御部１３３は、撮像素子１３１による撮像のタイミングを制御する。メモリ１３４は、主撮像部１３０の校正情報を記憶する。校正情報は、主撮像部１３０の特性として、画角（視野角）、撮像素子１３１と複数のレンズ１３２との位置関係、および複数のレンズ１３２の収差等を含む。主撮像部１３０の校正情報については後述する。

インターフェイス１３５は、制御基板１８０（図１参照）に接続される。撮像制御部１３３は、撮像素子１３１から出力される受光信号およびメモリ１３４に記憶される校正情報を、インターフェイス１３５を介して制御基板１８０に与える。

図５は、主撮像部１３０がスタンド部１１２から取り外された状態を示す概略斜視図である。上記のように、主撮像部１３０は、スタンド部１１２に対して着脱可能に構成される。

図６は、主撮像部１３０の着脱のための具体的な構成の一例について説明するための図である。図６（ａ）には、主撮像部１３０の断面が示され、図６（ｂ）には、スタンド部１１２の一部断面が示される。図６（ａ）に示すように、主撮像部１３０は、素子保持部材１３０ａ、レンズ保持部材１３０ｂ、上クランプ部材１３０ｃ、回路基板１３０ｄおよびケーシング１３０ｅを含む。素子保持部材１３０ａ、レンズ保持部材１３０ｂおよび上クランプ部材１３０ｃは例えば金属材料からなる。素子保持部材１３０ａ、レンズ保持部材１３０ｂおよび上クランプ部材１３０ｃは、一体成形により共通の部材として設けられてもよい。

素子保持部材１３０ａは、上保持部ＵＨおよび下保持部ＤＨを有する。上保持部ＵＨは、互いに平行な一面および他面を有する。上保持部ＵＨの一面に凹部５１が形成される。凹部５１の底面から上保持部ＵＨの他面にかけて貫通孔５２が形成される。貫通孔５２の径は、上保持部ＵＨの他面に向かって段階的に大きくなる。

回路基板１３０ｄ上に、撮像素子１３１、撮像制御部１３３（図４）およびメモリ１３４（図４）がそれぞれ実装される。図６においては、撮像制御部１３３およびメモリ１３４の図示が省略される。撮像素子１３１は、上保持部ＵＨの凹部５１に嵌合される。撮像素子１３１の位置ずれを防止するため、凹部５１内で撮像素子１３１が固定されてもよい。

上保持部ＵＨの他面側における貫通孔５２の端部にレンズ保持部材１３０ｂの一端部が嵌合される。レンズ保持部材１３０ｂは、円筒形状を有する。レンズ保持部材１３０ｂにより種々の大きさを有する複数のレンズ１３２が保持される。複数のレンズ１３２は、撮像素子１３１および上保持部ＵＨの貫通孔５２と重なり、かつ互いに光軸が一致するように配置される。

下保持部ＤＨは、上保持部ＵＨの下端部から上保持部ＵＨの一面側に突出するように設けられる。下保持部ＤＨの下面に凹部５４が設けられる。凹部５４に上クランプ部材１３０ｃが嵌合される。上クランプ部材１３０ｃは、側壁部および底部を有する。上クランプ部材１３０の底部には孔部５５が設けられる。

素子保持部材１３０ａと隣り合うように、インターフェイス１３５が配置される。インターフェイス１３５は、導体線１３５ａにより回路基板１３０ｄと接続される。インターフェイス１３５の下面にはプラグ差込口１３５ｂが設けられる。素子保持部材１３０ａ、上クランプ部材１３０ｃ、回路基板１３０ｄおよびインターフェイス１３５を収容するようにケーシング１３０ｅが設けられる。ケーシング１３０ｅには、上クランプ部材１３０ｃの孔部５５およびインターフェイス１３５のプラグ差込口１３５ｂを露出させる開口が設けられる。

図６（ｂ）に示すように、スタンド部１１２は、上板部１１２ａおよび側板部１１２ｂを含む。上板部１１２ａは側板部１１２ｂの上端部から略水平に延びるように設けられる。上板部１１２ａの下面に下クランプ部材５６が固定される。上板部１１２ａには円形の孔部Ｈ１が設けられる。孔部Ｈ１と重なるように下クランプ部材５６に孔部Ｈ２が設けられる。

孔部Ｈ１，Ｈ２を通して上板部１１２ａの上方および下クランプ部材５６の下方に突出するように、固定部材５７が取り付けられる。固定部材５７は、円柱部５７ａ、一対の突出片５７ｂ、および把持部５７ｃを含む。円柱部５７ａは、孔部Ｈ１，Ｈ２に挿通される。一対の突出片５７ｂは、上板部１１２ａの上側で円柱部５７ａの外周面から突出するように設けられる。把持部５７ｃは、円柱部５７ａの下端部において略水平方向に延びるように設けられる。固定部材５７は、円柱部５７ａの軸を中心として一定の角度範囲内で回転可能に設けられる。使用者は、把持部５７ｃを把持して固定部材５７を回転させる。下クランプ部材５６と把持部５７ｃとの間に付勢部材５８が取り付けられる。付勢部材５８は、円柱部５７ａの軸方向に固定部材５７を付勢する。

図７および図８は、スタンド部１１２に対する主撮像部１３０の着脱方法について説明するための図である。図７には、主撮像部１３０の上クランプ部材１３０ｃの一部およびスタンド部１１２の固定部材５７の一部が示される。

図７に示すように、上クランプ部材１３０ｃの孔部５５の形状は、固定部材５７の円柱部５７ａおよび一対の突出片５７ｂの横断面に対応する。主撮像部１３０がスタンド部１１２に取り付けられる際には、上クランプ部材１３０ｃの孔部５５の向きと一致するように、固定部材５７の突出片５７ｂの向きが調整される。その状態で、上クランプ部材１３０ｃの孔部５５に固定部材５７が挿入され、固定部材５７が一定角度回転される。

これにより、図８に示すように、上クランプ部材１３０ｃの底部の上面で固定部材５７の突出片５７ｂが係止される。また、突出片５７ｂが上クランプ部材１３０ｃの底部の上面に押し当てられるように付勢部材５８の付勢力が働く。したがって、上クランプ部材１３０ｃがスタンド部１１２上に固定される。その結果、主撮像部１３０がスタンド部１１２に固定される。

主撮像部１３０のインターフェイス１３５の差込口１３５ｂには、差込プラグ１８０ａが差し込まれる。差込プラグ１８０ａは、図１の制御基板１８０に接続される。これにより、主撮像部１３０と制御基板１８０とが電気的に接続される。この状態で、測定ヘッド１００および処理装置２００の電源スイッチ（図示せず）がそれぞれオンされることにより、主撮像部１３０のメモリ１３４（図４）に記憶された校正情報が制御基板１８０を介して制御部２２０に与えられる。

一方、主撮像部１３０がスタンド部１１２から取り外される際には、上クランプ部材１３０ｃの孔部５５の向きと固定部材５７の突出片５７ｂの向きとが一致するように、固定部材５７が回転される。その状態で、上クランプ部材１３０ｃの孔部５５を通して固定部材５７の突出片５７ｂが抜き出される。また、差込プラグ１８０ａがインターフェイス１３５の差込口１３５ｂから抜き出される。

図６〜図８の例では、撮像素子１３１とスタンド部１１２との間に介在する部材が、素子保持部材１３０ａおよび上クランプ部材１３０ｃのみである。これにより、スタンド部１１２に対する撮像素子１３１の位置ずれが生じにくく、撮像素子１３１の位置精度が確保される。また、素子保持部材１３０ａと上クランプ部材１３０ｃとの接合強度が高められることにより、スタンド部１１２に対する撮像素子１３１の位置精度がより高められる。さらに、素子保持部材１３０ａとレンズ保持部材１３０ｂとの接合強度が高められることにより、撮像素子１３１と複数のレンズ１３２との間の位置精度が高められる。

なお、図６〜図８の例では、主撮像部１３０の上クランプ部材１３０ｃ、ならびにスタンド部１１２の下クランプ部材５６および固定部材５７が１組のみ設けられるが、これらが主撮像部１３０およびスタンド部１１２に複数組設けられてもよい。

（３）主撮像部およびスタンド部の変形例
主撮像部１３０の着脱のための構成は、上記の例に限定されない。図９は、主撮像部１３０およびスタンド部１１２の変形例を示す断面図である。図９の例について、図６〜図８の例と異なる点を説明する。

図９の例では、主撮像部１３０の素子保持部材１３０ａの下面にねじ穴Ｈ３が形成される。また、スタンド部１１２の上板部１１２ａに貫通孔Ｈ４が形成される。貫通孔Ｈ４を通して素子保持部材１３０ａのねじ穴Ｈ３にねじ５９がねじ込まれる。これにより、主撮像部１３０がスタンド部１１２に固定される。また、ねじ５９を取り外すことにより、スタンド部１１２から主撮像部１３０を取り外すことができる。

図９の例では、撮像素子１３１とスタンド部１１２との間に介在する部材が、素子保持部材１３０ａのみであるため、図８の例に比べて、スタンド部１１２に対する撮像素子１３１の位置精度が高くなる。

また、ねじ５９を用いて主撮像部１３０がスタンド部１１２に固定される代わりに、磁性体を用いて主撮像部１３０がスタンド部１１２に固定されてもよい。

（４）プローブの内部構成
図１０は、プローブ１４０および副撮像部１５０の内部構成を示すブロック図である。図１０に示すように、プローブ１４０は、複数のマーカ１４３（図１０では３つのみ図示される）、発光制御部１４６、メモリ１４７およびインターフェイス１４８を有する。発光制御部１４６は、複数のマーカ１４３の発光を制御する。メモリ１４７は、プローブ１４０の校正情報を記憶する。プローブ１４０の校正情報は、プローブ１４０の個体差による測定精度の低下を防止するための情報であり、複数のマーカ１４３の相対的な位置関係等を含む。

発光制御部１４６およびメモリ１４７は、例えば図３の電源基板１４５上に設けられる。発光制御部１４６は、メモリ１４７に記憶される校正情報をインターフェイス１４８を介して制御基板１８０に与える。制御基板１８０に与えられた校正情報は、図１の処理装置２００の制御部２２０に与えられる。

副撮像部１５０は、副撮像素子１５１および副撮像制御部１５２を有する。副撮像制御部１５２は、副撮像素子１５１による撮像タイミングを制御する。また、副撮像制御部１５２は、副撮像素子１５１による取得される画像データをインターフェイス１４８を介して制御基板１８０に与える。

（５）主撮像部による検出
上記のように、主撮像部１３０は、プローブ１４０の複数のマーカ１４３から放出される赤外線を検出する。図１１は、主撮像部１３０と複数のマーカ１４３との関係について説明するための模式図である。図１１においては、理解を容易にするため、ピンホールカメラモデルと同様の作用を有する光学的に単純化されたモデルを用いて説明する。図１１には、主撮像部１３０の複数のレンズ１３２のうち１つのレンズ１３２のみが示され、そのレンズ１３２の主点１３２ａを通るように撮像素子１３１に光が導かれる。

図１１に示すように、主撮像部１３０は、一定の画角（視野角）θを有する。主撮像部１３０の画角θの範囲内に、撮像領域Ｖが含まれる。撮像領域Ｖ内に複数のマーカ１４３がそれぞれ位置する場合、それらのマーカ１４３から放出される赤外線が、レンズ１３２の主点１３２ａを通って撮像素子１３１に入射する。

この場合、撮像素子１３１の受光位置Ｐに基づいて、レンズ１３２の主点１３２ａから各マーカ１４３へ向かう方向が特定される。図１１の例では、一点鎖線で示すように、各受光位置Ｐおよびレンズ１３２の主点１３２ａを通る各直線上に各マーカ１４３が位置する。上記のように、複数のマーカ１４３の相対的な位置関係は、プローブ１４０の校正情報としてプローブ１４０から制御部２２０に与えられる。

レンズ１３２の主点１３２ａから各マーカ１４３へ向かう方向および複数のマーカ１４３の位置関係に基づいて、各マーカ１４３の中心の位置が一義的に定まる。また、本実施の形態では、互いに直交するｘ軸、ｙ軸およびｚ軸がそれぞれ定義され、撮像領域Ｖ内の絶対位置が３次元座標で表される。図１の制御部２２０は、撮像素子１３１の受光位置Ｐ、および予め記憶された複数のマーカ１４３の位置関係に基づいて、各マーカ１４３の中心の座標を算出する。

算出された各マーカ１４３の中心の座標に基づいて、プローブ１４０の接触部１４４ａ（図３）と測定対象物Ｓとの接触位置の座標が図１の制御部２２０により算出される。

例えば、各マーカ１４３の中心と接触部１４４ａ（図３）の中心との位置関係が、図１の記憶部２１０に予め記憶される。算出された各マーカ１４３の中心の座標、および予め記憶された各マーカ１４３の中心と接触部１４４ａの中心との位置関係に基づいて、接触部１４４ａの中心の座標が特定される。

また、各マーカ１４３の中心の座標に基づいて、プローブ１４０の姿勢が特定される。これにより、スタイラス１４４の向きが特定される。また、各マーカ１４３の中心の座標の変化に基づいて、接触部１４４ａの移動方向が特定される。通常、接触部１４４ａは、接触されるべき測定対象物Ｓの面に対して垂直に近づけられる。そのため、特定されたスタイラス１４４の向きおよび接触部１４４ａの移動方向に基づいて、接触部１４４ａの中心と接触位置との相対的な位置関係が推定される。推定された位置関係に基づいて、接触部１４４ａの中心の座標から接触部１４４ａと測定対象物Ｓとの接触位置の座標が算出される。

なお、測定対象物Ｓから接触部１４４ａに加わる力の方向を検出するセンサがプローブ１４０に設けられもよい。その場合、センサの検出結果に基づいて、接触部１４４ａと測定対象物Ｓとの接触位置の座標を算出することができる。

撮像素子１３１と複数のレンズ１３２との位置関係、複数のマーカ１４３の位置関係、および複数のマーカ１４３と接触部１４４ａとの位置関係等に個体差があると、算出される座標にばらつきが生じる。そこで、光学式座標測定装置３００による測定を行う前に、個体差によるばらつきを防止するためのキャリブレーションが行われることが好ましい。キャリブレーション結果を固有データとして保持し、その固有データを測定対象物の測定の際に参照してもよく、またはキャリブレーション結果に基づいて、実際に測定を行う前に上記の各位置関係等の個体差を調整してもよい。

本実施の形態では、スタンド部１１２に対して主撮像部１３０が着脱自在であるので、主撮像部１３０をスタンド部１１２から取り外して主撮像部１３０のキャリブレーションを行うことができる。主撮像部１３０のキャリブレーションにより、主撮像部１３０の画角（視野角）θ、検出部１３０の撮像素子１３１とレンズ１３２の光軸との位置関係およびレンズ１３２の収差等を含む校正情報が求められる。求められた校正情報は主撮像部１３０のメモリ１３４（図４）に記憶される。

上記のように、主撮像部１３０のインターフェイス１３５（図８）に制御基板１８０が接続された際に、メモリ１３４に記憶される校正情報が制御基板１８０を介して図１の制御部２２０に与えられる。制御部２２０は、その校正情報に基づいて測定対象物の座標測定を行う。

通常、主撮像部１３０のキャリブレーションは、光学式座標測定装置３００の使用者ではなく、専門知識を有する作業員が行う。そのため、主撮像部１３０を特定の場所（工場またはサービスセンター等）に輸送する、または光学式座標測定装置３００の設置場所に作業員が来訪する必要がある。本実施の形態では、光学式座標測定装置３００の全体ではなく主撮像部１３０のみを輸送することができる。これにより、輸送のための作業（梱包および積載等）が容易である。また、作業員が来訪する必要もない。したがって、主撮像部１３０のキャリブレーションを行うための労力、時間およびコストが削減される。

また、プローブ１４０に関しても、単体で輸送およびキャリブレーションを行うことができ、キャリブレーション結果を校正情報としてメモリ１４７に記憶させることができる。制御部２２０は、メモリ１４７から与えられる校正情報に基づいて、測定対象物の座標測定を精度良く行うことができる。

（６）測定例
光学式座標測定装置３００による測定対象物Ｓの寸法の測定例について説明する。図１２は、図２の表示部１６０に表示される画像の一例を示す図である。図１３は、測定対象物Ｓの一例を示す図である。

図１２には、撮像領域Ｖを仮想的に表す画像（以下、撮像領域仮想画像と呼ぶ）ＶＩが示される。上記のように、撮像領域Ｖには、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸がそれぞれ設定される。本例では、載置台１２０の上面に平行でかつ互いに直交するようにｘ軸およびｙ軸が設定され、載置台１２０の上面に対して垂直にｚ軸が設定される。また、載置台１２０の中心が原点Ｏに設定される。図１２の撮像領域仮想画像ＶＩには、原点Ｏ、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸が含まれるとともに、載置台１２０の外周を表す線（図１２の点線）が含まれる。

図１３の測定対象物Ｓは、直方体形状を有する。本例では、測定対象物Ｓの一側面Ｓａと、その反対側の側面Ｓｂとの間の距離が測定される。測定対象物Ｓの側面Ｓａ，Ｓｂは、それぞれｘ軸に対して垂直である。

図１４〜図１８は、図１３の測定対象物Ｓにおける具体的な測定例について説明するための図である。図１４（ａ）および図１６（ａ）は、載置台１２０、主撮像部１３０、プローブ１４０および測定対象物Ｓの位置関係を示す正面図であり、図１４（ｂ）および図１６（ｂ）は、プローブ１４０および測定対象物Ｓの外観斜視図である。図１５、図１７および図１８には、表示部１６０に表示される撮像領域仮想画像ＶＩの例が示される。

図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示すように、プローブ１４０の複数のマーカ１４３が撮像領域Ｖ内に位置するように、スタイラス１４４の接触部１４４ａが測定対象物Ｓの側面Ｓａに接触される。その状態で、図１の操作部１７０が操作されることにより、図１４（ｂ）に示すように、測定対象物Ｓと接触部１４４ａとの接触位置が測定位置Ｍ１ａとして設定される。この場合、測定位置Ｍ１ａの座標が特定される。

同様にして、測定対象物Ｓの側面Ｓａ上の３つの位置が測定位置Ｍ２ａ，Ｍ３ａ，Ｍ４ａとして設定され、測定位置Ｍ２ａ，Ｍ３ａ，Ｍ４ａの座標が特定される。続いて、図１の操作部１７０または操作部２３０が操作されることにより、測定位置Ｍ１ａ〜Ｍ４ａを通る平面が、測定対象物Ｓの側面Ｓａに対応する測定平面ＭＬ１として設定される。この場合、図１５に示すように、撮像領域仮想画像ＶＩ上に、設定された測定平面ＭＬ１が重畳される。

続いて、図１６（ａ）および図１６（ｂ）に示すように、プローブ１４０の複数のマーカ１４３が撮像領域Ｖ内に位置するように、スタイラス１４４の接触部１４４ａが測定対象物Ｓの側面Ｓｂに接触される。その状態で、図１の操作部１７０が操作されることにより、図１６（ｂ）に示すように、測定対象物Ｓと接触部１４４ａとの接触位置が測定位置Ｍ１ｂとして設定される。この場合、測定位置Ｍ１ｂの座標が特定される。

同様にして、測定対象物Ｓの側面Ｓｂ上の３つの位置が測定位置Ｍ２ｂ，Ｍ３ｂ，Ｍ４ｂとして設定され、測定位置Ｍ２ｂ，Ｍ３ｂ，Ｍ４ｂの座標が特定される。続いて、図１の操作部１７０または操作部２３０が操作されることにより、測定位置Ｍ１ｂ〜Ｍ４ｂを通る平面が、測定対象物Ｓの側面Ｓｂに対応する測定平面ＭＬ２として設定される。この場合、図１７に示すように、撮像領域仮想画像ＶＩ上に、測定平面ＭＬ１に加えて、設定された測定平面ＭＬ２が重畳される。

続いて、図１の操作部１７０または操作部２３０が操作されることにより、図１の制御部２２０において、決定された測定平面ＭＬ１，ＭＬ２の距離が算出され、図１８に示すように、算出結果が撮像領域仮想画像ＶＩ上に表示される。なお、算出結果は、撮像領域仮想画像ＶＩと別個に表示部１６０に表示されてもよい。また、２つの測定平面間の距離の算出条件等は、使用者により適宜設定可能であってもよい。

本例では、４つの測定位置に基づいて１つの測定平面が決定されるが、最少で３つの測定位置に基づいて、１つの測定平面を設定することができる。一方、４つ以上の測定位置を設定することにより、測定対象物Ｓに対応する測定平面をより正確に設定することができる。また、４つ以上の測定位置に基づいて、測定対象物Ｓの面の平面度を求めることもできる。

また、本例では、指定された複数の位置（測定位置）を通る平面（測定平面）が測定対象として設定されるが、測定対象物の形状に応じて、他の幾何学形状が測定対象として設定されてもよい。例えば、指定された複数の位置を通る円筒または球等が測定対象として設定されてもよい。この場合、設定された円筒の断面の径または球の半径等を求めることができる。また、設定された幾何学形状に関する角度または面積等が求められてもよい。

本実施の形態に係る光学式座標測定装置３００が製造部品の良否検査に用いられる場合、実際に測定対象物（製造部品）の測定が行われる前に、測定すべき幾何学的特徴が光学式座標測定装置３００に予め設定される。その幾何学的特徴に関して測定対象物の測定が行われ、その測定結果に基づいて、測定対象物が設計通りの形状を有するか否かが検査される。この場合、測定すべき複数の幾何学的特徴の各々に関して良否基準が光学式座標測定装置３００に予め設定され、光学式座標測定装置３００が、その複数の幾何学的特徴に関する測定対象物の測定結果と、予め設定された複数の幾何学的特徴に関する良否基準とをそれぞれ比較し、各幾何学的特徴に関して良否の判別を行ってもよい。また、複数の幾何学的特徴の測定手順と複数の幾何学的特徴に関する良否基準が光学式座標測定装置３００に予め設定され、光学式座標測定装置３００が、各幾何学的特徴に関して良否の判別を行うのに加え、複数の幾何学的特徴に関する測定結果と良否基準との比較結果に基づいて総合的に測定対象物の良否判定を行ってもよい。

（７）副撮像部の使用例
図３の副撮像部１５０によって測定対象物Ｓを撮像することにより、測定対象物Ｓの画像を表示部１６０に表示させることができる。以下、副撮像部１５０により得られる画像を撮像画像と呼ぶ。

複数のマーカ１４３と副撮像部１５０との位置関係、および副撮像部１５０の特性（画角およびディストーション等）は、例えば図１の記憶部２１０に撮像情報として予め記憶される。そのため、複数のマーカ１４３が撮像領域Ｖ内にある場合、副撮像部１５０により撮像される領域が図１の制御部２２０により認識される。すなわち、撮像画像に対応する３次元空間が制御部２２０により認識される。

上記のように、測定位置および測定平面等の測定に関する情報（以下、測定情報と呼ぶ）は、３次元空間で設定される。本実施の形態では、これらの測定情報を撮像画像と対応付け、撮像画像上に測定情報を重畳表示することができる。

図１９は、撮像画像上に測定情報が重畳表示された例を示す図である。図１９の例では、測定対象物Ｓの側面Ｓａが副撮像部１５０により撮像される。その撮像画像ＳＩに、測定位置Ｍ１ａ〜Ｍ４ａを表す複数の球体の画像Ｐ１ａ〜Ｐ４ａが重畳されるとともに、測定平面ＭＬ１を表す画像ＰＬ１が重畳される。

このように、実際に測定対象物Ｓが撮像されることによって得られる撮像画像上に測定情報が重畳されることにより、測定情報を使用者が視覚的に把握しやすくなる。また、一の測定対象物Ｓに対する測定を行った後に、他の測定対象物Ｓに対して同様の測定を行う場合、測定情報が重畳された撮像画像を参照することにより、他の測定対象物Ｓに対する測定を容易に行うことが可能となる。

（８）効果
上記実施の形態に係る光学式座標測定装置３００においては、主撮像部１３０が、予め定められた撮像領域Ｖを撮像するようにスタンド部１１２により一定姿勢で固定される。それにより、主撮像部１３０の位置および姿勢を調整するための作業が不要になる。その結果、測定効率が向上される。また、撮像領域Ｖが限定されるので、高い精度で測定を行うことができる。

さらに、主撮像部１３０がスタンド部１１２に対して着脱自在であるので、主撮像部１３０の校正およびメンテナンスを容易に行うことができる。それにより、主撮像部１３０の精度を維持するための作業負担が低減される。

また、上記実施の形態では、主撮像部１３０が斜め下方を撮像するようにスタンド部１１２により主撮像部１３０が固定される。これにより、光学式座標測定装置３００の大型化が防止される。

また、上記実施の形態では、スタンド部１１２が設置部１１１に固定されるとともに載置台１２０が設置部１１１に設けられ、主撮像部１３０により撮像領域Ｖとして載置台１２０上の領域が撮像される。これにより、主撮像部１３０と載置台１２０とが一体的に保持されるので、光学式座標測定装置３００の取り扱いが容易になる。また、使用者が撮像領域Ｖを容易に認識することができるので、測定効率がさらに向上される。

また、上記実施の形態では、主撮像部１３０に設けられるメモリ１３４に校正情報が記憶される。この場合、スタンド部１１２から主撮像部１３０が取り外された状態で主撮像部１３０の校正が行われても、得られた校正情報を処理装置２００の記憶部２１０等に直接的に記憶させる必要はなく、主撮像部１３０のメモリ１３４に記憶させるだけでよい。そのため、主撮像部１３０の校正のための作業負担が低減される。

また、上記実施の形態では、プローブ１４０が有線または無線により制御基板１８０または処理装置２００に接続される。これにより、プローブ１４０の取り扱いが容易になるので、プローブ１４０を用いた測定位置の指定が容易になるとともに、プローブ１４０の校正およびメンテナンスが容易になる。

（９）他の実施の形態
（９−１）
上記実施の形態では、保持部１１０の設置部１１１およびスタンド部１１２が一体的に設けられるが、本発明はこれに限らず、スタンド部１１２が設置部１１１に対して着脱可能であってもよい。

（９−２）
上記実施の形態では、主撮像部１３０により撮像されるプローブ１４０のマーカにＬＥＤが用いられるが、プローブ１４０のマーカはこれに限定されない。例えば、フィラメント等の他の発光素子がマーカに用いられてもよく、蛍光色等の特定の色を有する非発光部がマーカとして用いられてもよく、特定の形状を有する非発光部がマーカとして用いられてもよい。

（１０）請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。

上記実施の形態においては、光学式座標測定装置３００が光学式座標測定装置の例であり、マーカ１４３がマーカの例であり、プローブ１４０がプローブの例であり、主撮像部１３０が撮像部の例であり、制御部２２０が算出部の例であり、スタンド部１１２が固定部材の例であり、設置部１１１がベース部の例であり、載置台１２０が載置台の例であり、メモリ１３４が第１の記憶部の例であり、メモリ１４７が第２の記憶部の例であり、把持部１４２が把持部の例であり、筐体部１４１が本体部の例であり、第１の方向Ｄ１が第１の方向の例であり、第２の方向Ｄ２が第２の方向の例であり、接触部１４４ａが接触部の例である。

請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。

本発明は、種々の測定対象物の寸法等の測定に有効に利用することができる。

１００ 測定ヘッド
１１０ 保持部
１１１ 設置部
１１２ スタンド部
１２０ 載置台
１３０ 主撮像部
１３１ 撮像素子
１３２ レンズ
１４０ プローブ
１４１ 筐体部
１４１ｈ 開口
１４２ 把持部
１４３ マーカ
１４４ スタイラス
１４４ａ 接触部
１４５ 電源基板
１４６ 接続端子
１５０ 副撮像部
１６０ 表示部
１７０ 操作部
１８０ 制御基板
２００ 処理装置
２１０ 記憶部
２２０ 制御部
２３０ 操作部
３００ 光学式座標測定装置
Ｓ 測定対象物

Claims (7)

1. 複数のマーカを有し、測定位置を指定するためのプローブと、
   前記プローブの前記複数のマーカを撮像する撮像部と、
   前記撮像部による撮像の結果に基づいて、前記プローブにより指定される測定位置の座標を算出する算出部と、
   前記撮像部が予め定められた撮像領域を撮像するように前記撮像部を一定姿勢で固定する固定部材とを備え、
   前記撮像部が前記固定部材に対して着脱自在である、光学式座標測定装置。
2. 前記固定部材は、前記撮像部が斜め下方を撮像するように前記撮像部を固定する、請求項１記載の光学式座標測定装置。
3. 測定対象物が載置される載置台と、
   前記載置台を保持するベース部とをさらに備え、
   前記固定部材は、前記ベース部に固定され、
   前記撮像部は、前記撮像領域として前記載置台上の領域を撮像する、請求項１または２記載の光学式座標測定装置。
4. 前記撮像部は、当該撮像部の特性を表す第１の校正情報を記憶する第１の記憶部を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学式座標測定装置。
5. 前記プローブは、前記算出部に有線または無線により接続される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学式座標測定装置。
6. 前記プローブは、当該プローブの特性を表す第２の校正情報を記憶する第２の記憶部を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学式座標測定装置。
7. 前記プローブは、
   第１の方向に延びるように設けられ、使用者により把持される把持部と、
   前記第１の方向に対して角度をなす第２の方向に延びるように前記把持部の上端部に設けられる本体部とを有し、
   前記複数のマーカは前記本体部の上面に設けられ、
   前記本体部の端部に測定対象物に接触される接触部が設けられる、請求項５または６記載の光学式座標測定装置。

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